Устройство для автоматического регулирования процессов электролиза Советский патент 1992 года по МПК C25D21/12 

Изобретение относится к гальванотехнике и можег быть использовано в технологических процессах нанесения металлопокрытий, например, в производстве печатных плат.

Известно устройство для автоматического задания тока в процессе нанесения электролитических покрытий, содержащее вспомогательную ванну, измеритель площади обрабатываемых изделий, многопози- ционные рабочие ванны с датчиками наличия изделий, блоки питания, систему запоминающих устройств и цифроэналого- вые преобразователи. Устройство выполнено многоступенчатым с числом ступеней, равным числу осуществляемых электрохимических процессов.

Недостатки данного устройства следующие: наличие вспомогательной ванны, не задействованной в основном технологическом процессе, занимающей производственные площади; большая погрешность (15-20%) измерения площади металлизации; низкий процент выхода годных изделий из-за того, что поддержание заданного значения плотности тока, а не регулирование положения рабочей точки вольт-амперной характеристики гальванической ванны, не гарантирует оптимальности величины катодного тока; низкая производительность процесса при малых заданных плотностях тока или увеличенный выход брака и перерасход электроэнергии при больших плотностях тока.

Наиболее близкими по технической сущности к изобретению являются способ и устройство для регулирования положения рабочей точки гальванической ванны при электролизе. Данное устройство содержит гальваническую ванну, источник напряжения постоянного тока, источник напряжения переменного тока, токовый шунт, включенный в цепь одного из электродов, регулятор, входы которого подключены к токовому шунту и к выходам источника напря- жения переменного тока, а выход регулятора - к входу источника напряжения постоянного тока.

Недостатком данного устройства является то, что оно предназначено для исполь- зооания в гальванических процессах, протекающих с малыми токами, например при электролизе серебра, содержащегося в растворах, используемых в фотографических процессах. Данное устройство не может быть использовано в гальванических процессах, протекающих с большими значениями катодных токов (100-1000 А и более), так как при таких процессах должны использоваться мощные источники напряжения, имеющие большие уровни пульсаций (от б до 15-20%). При таких пульсациях в данном устройстве блок регулирования работать не будет, так как полезный сигнал потеряется в сигналах, порождаемых пульсациями катодного тока.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей, экономия электроэнергии, повышение производительности и качества путем расширения диапазона

0 регулирования катодного тока и упрощение конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство регулирования положения рабочей точки гальванической ванны при элек5 тролизе, содержащее гальваническую ванну, источник напряжения постоянного тока, подключенный к аноду ванны, источник напряжения переменного тока, токовый шунт, регулятор, выполненный в виде двух

0 усилителей напряжения, фильтра, двух компараторов напряжения, логического компаратора, подключенного входами к выходам компараторов напряжения, вход первого компаратора напряжения подключен к вы5 ходу фильтра, а вход другого - к выходу соответствующего усилителя напряжения, причем инвертирующий вход первого усилителя напряжения подключен к отрицательному выводу источника напряжения

0 постоянного тока и к одному из выводов токового шунта, другой вывод которого подключен к неинвертирующему входу первого усилителя напряжения, входы второго усилителя напряжения подключены к источни5 ку напряжения переменного тока, а выход регулятора подключен к входу управления источника напряжения постоянного тока дополнительно снабжено двумя вспомогательными катодами и вторым токовым шун0 том, а регулятор выполнен с третьим усилителем напряжения, сумматором напряжения, двумя формирователями импульсов, счетчиком импульсов. Выходы третьего и первого усилителей напряжения подклю5 чены к двум входам сумматора напряжения, выход которого подключен к фильтру. Выход логического компаратора подключен к входам первого и второго формирователей импульсов, причем выход первого формиро0 вателя импульсов подключен к входу прямого счета счетчика импульсов, а выход второго формирователя импульсов подключен к входу обратного счета счетчика импульсов, выходы которого являются

5 выходами регулятора. Один из вспомогательных катодов подключен к неинвертирующему входу первого усилителя напряжения регулятора, а другой вспомогательный катод подключе.н к инвертирующему входу третьего усилителя напряжения

регулятора и к одному из выводов второго токового шунта, другой вывод которого подключен к неинвертирующему входу третьего усилителя напряжения регулятора и к одному из выводов источника напряжения переменного тока, другой вывод которого подключен к катоду и к отрицательному выводу источника напряжения постоянного тока. Источник напряжения переменного тока в данном устройстве выполнен в виде транформатора, один из выводов первичной обмотки которого подключен к отрицательному выводу источника напряжения постоянного тока, другой вывод - к неинвертирующему входу третьего усилителя на- пряжения регулятора, выводы второй вторичной обмотки подключены к второму входу регулятора.

Существенными отличительными признаками такого устройства является следующее: дополнительно содержит два вспомогательных катода и второй токовый шунт; регулятор дополнительно содержит третий усилитель напряжения, сумматор напряжения, два формирователя импульсов, счетчик импульсов; источник напряжения переменного тока выполнен в виде трансформатора; электрические связи между вновь введенными элементами с имеющимися в известном устройстве.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.25- вольт-амперные характеристики гальванической ванны и эпюры напряжений и токов, поясняющие работу устройства.

Устройство для автоматического регулирования процессов электролиза содержит гальваническую ванну 1 с расположенными в ней анодом 2, катодом 3 (подвеска с заготовками печатных плат) и двумя вспомогательными катодами 4 и 5, источник напряжения

6постоянного тока (например, типа ТЕ или ТВ), источник напряжения 7 переменного тока (например, транформатор с двумя вторичными обмотками), два токовых шунта 8 и 9 и регулятор 10.

Регулятор 10 состоит из усилителей напряжения 11, 12 и 13 (например, микросхемы К140УД7), входы которых являются соответствующими входами регулятора, сумматора напряжения 14 (например, микросхемы К140УД7), фильтра 15 (например,- микросхемы К140УД7), двух компараторов напряжения 16 и 17 (например, микросхемы К140УД7), логического компаратора 18 (например, микросхемы К140УД7), двух формирователей импульсов 19 (например, микросхемы К155 Л A3) и 20 (например, микросхемы К140УД7 и К155ЛАЗ), счетчика импульсов 21 (например, микросхемы

К155ИЕ6 или К155ИЕ7), выходы которого являются выходами регулятора. Первый вход сумматора напряжения 14 подключен к выходу усилителя напряжения 11. второй вход 5 - к выходу усилителя напряжения 13, а выход сумматора напряжения 14 подключен к входу фильтра 15. Вход компаратора 16 соединен с выходом фильтра 15, а выход - с первым входом логического компаратора

0 18. Вход компаратора 17 подключен к выходу усилителя 12, а выход - к второму входу логического компаратора 16, выход которого подключен к входам формирователей импульсов 19 и 20. Выход формирователя

5 импульсов 19 подключен к входу обратного счета (-1) счетчика импульсов 21, а выход формирователя импульсов 20 - к входу прямого счета (+1) счетчика импульсов 21.

Анод 2 подключен к положительному

0 выводу источника напряжения 6 постоянного тока, а катод 3 - к отрицательному выводу. Вспомогательный катод 4 через токовый шунт 8 подключен к отрицательному выводу источника напряжения 6 постоянного тока.

5 Вспомогательный катод 5 через токовый шунт 9 подключен к одному из выводов первой вторичной обмотки источника напряжения переменного тока, второй ее вывод подключен к отрицательному выводу источ0 ника напряжения 6 постоянного тока. Инвертирующий вход усилителя напряжения 11 подключен к минусовому выводу источника напряжения 6 постоянного тока, а не- инвертирующий вход - к катоду 4.

5 Неинвертирующий вход усилителя напряжения 13 подключен к точке соединения источника напряжения 7 переменного тока с токовым шунтом 9, а инвертирующий вход подключен к вспомогательному катоду 5.

0 Входы усилителя напряжения 12 подключены к второй вторичной обмотке источника напряжения 7 переменного тока. Выход регулятора 10 подключен к входу задания напряжения источника напряжения 6

5 постоянного тока. При рассмотрении работы устройства необходимо учитывать, что площади вспомогательных катодов 4 и 5 и коэффициенты усиления усилителей 11 и 13 равны.

0 Устройство работает следующим образом.

При включении источников напряжения 6 и 7 начинается гальванический процесс. На катод 3 и вспомогательный катод 4 отно5 сительного анода 2 поступает напряжение ив источника напряжения 6 постоянного тока. На вспомогательный катод 5 относительно анода 2 поступает суммарное напряжение (U«+ LU) источников напряжения постоянного тока 6 и переменного тока

7. Форма напряжений на катодах 3 и 4 (11„), 5 (U + U.,) с учетом возможных пульсаций источника напряжения 6 постоянного тока приведена на эпюрах фиг,2. По токовым шунтам 8 и 9 протекают катодные токи 1кД1 IK, соответственно (фиг.З).

J Принцип работы устройства основан на учете особенностей формы кривой вольт- амперной характеристики гальванических ванн. Как известно, вольт-амперная характеристика гальванической ванны представляет собой восходящую кривую с пологим линейным участком полочкой (фиг.З, где аольт-амперная характеристика условно разделена на участки I, II. III).

Если величина напряжения на катоде 3 находится в пределах участка I характеристики, процесс металлизации печатных плат происходит медленно, т.е. снижается производительность оборудования.

Если величина напряжения на катоде 3 находится в пределах участка 111, процесс металлизации происходит неравномерно, возможны подгары покрытия печатных плат, процесс металлизации происходит с большим перерасходом электроэнергии, а также увеличивается процент брака продукции.

Наиболее оптимальным режимом является режим, когда величина напряжения на катоде 3 находится в пределах пологого участка I вольт-амперной характеристики.

Если амплитуда суммарного напряжения (IU + U.J не выходит за пределы участка II (фиг.З), то вследствие линейности характеристики на этом участке форма токов . протекающих по токовым шунтам 8 и 9 соответственно, а также форма напряжений Us, U2 на выходах усилителей 11 и 13 будет повторять форму напряжений U« и ( U) соответственно. Так как напряжения Us и Ua поступают на входы сумматора 14 в проти- вофазе, то на выходе сумматора 14 и фильтра 15 будут напряжения соответственно U4, Us, повторяющие форму напряжения источника напряжения 7 переменного тока и напряжения Ui на выходе усилителя напряжения 12.

Напряжения Us. Ui поступают на входы компараторов 16 и 17 соответственно. На выходе компараторов 16 и 17 напряжения Us, U совпадают по форме, следовательно, на выходе логического компаратора 18 (сигнал Ue) и формирователей импульсов 19 и 20 сигналы Ug, Uio отсутствуют (логический нуль).

Если амплитуда напряжения (U« + U) находится в пределах участков I. M, вольт- амперной характеристики (фиг.4), то вследствие нелинейных искажений форм

напряжений Us, Ui, а следовательно, и Ue, Uy не совпадают. На выходе логического компаратора 18 будут импульсы Ue, а на выходе формирователя импульсов 20 - сигнал Uio (импульсы напряжения). Сигналы с выхода формирователей импульсов 20 поступают на вход прямого счета (+1) счетчика импульсов 21. С каждым периодом следования, например, синусоидального напряже0 «ия источника напряжения 7 переменного тока содержимое счетчика 21 увеличивается на две единицы счета. Сигналы со счетчика 21 в виде двоичного кода поступают на входы управления источника напряжения б по5 стоянного тока. Величина напряжения источника б увеличивается и процесс продолжается до тех пор, пока амплитуда напряжения (U-+ U-0 не станет выходить за пределы участка 1 вольт-амперной характе0 ристики.

Если амплитуда напряжений (U- + находится в пределах участков II, III вольт- амперной характеристики (фиг.5), то аналогично предыдущему варианту сигналы с

5 выхода формирователя 19 поступают на вход обратного счета (-1) счетчика импульсов 21. Напряжение источника напряжения 6 постоянного тока уменьшается. Процесс продолжается до тех пор. пока амплитуда

0 напряжения (U + U не станет выходить за пределы участка II вольт-амперной характеристики.

Таким образом, если в результате примерной установки величины напряжения по

5 входам предварительной установки А0...АП счетчика импульсов 21 или в результате смещения вольт-амперной характеристики напряжение ( U) не будет находиться в пределах участка II, начнется

0 автоматический процесс регулирования, который приведет к установке значения величины напряжения (Ue + U,) на участок II вольт-амперной характеристики гальванической ванны. Предлагаемое устройство

5 обеспечивает возможность проведения гальванических процессов с источниками напряжения на токи 100-1500 А с большими уровнями пульсаций. Такие токи применяются в процессах гальванической обработ0 ки заготовок печатных плат больших размеров.

8 известных устройствах, например в линиях автоматических для производства печатных плат АГ-44 ГГМ1.211.036, величи5 на тока задается оператором в зависимости от рекомендуемой плотности тока и площади поверхности печатных плат, подлежащих металлизации. Площадь металлизации рассчитывается по конструкторской документации на печатные платы {как, например, в

линии АГ-44) или измеряется устройством для измерения площади (как, например, в прототипе). Вследствие ошибок при определении площади поверхности, подлежащей металлизации (достигающих 25-30%), а также изменения параметров и характеристик электролитов, задаваемая оператором величина тока в известных устройствах не является оптимальной.

При малом заданном токе технологическое оборудование работает с пониженной производительностью. При больших токах увеличивается расход электроэнергии и процент выхода брака вследствие неравномерности нанесения покрытия и явления подгара поверхности.

Предлагаемое устройство автоматически поддерживает оптимальную величину катодного тока при нанесении металлопокрытия на поверхность печатных плат.

Формула изобретения

1. Устройство для автоматического регулирования процессов электролиза, содержащее гальваническую ванну, источник напряжения постоянного тока, подключенный к аноду ванны, источник напряжения переменного тока, токовый шунт, регулятор, выполненный в виде двух усилителей напряжения, фильтра, двух компараторов напряжения, логического компаратора, подключенного входами к выходам компараторов напряжения, ВУОД первого компаратора напряжения подключен к выходу фильтра, а вход другого - к выходу соответствующего усилителя напряжения, причем инвертирующий вход первого усилителя напряжения подключен к отрицательному выводу источника напряжения постоянного тока и к одному из выводов токового шунта, другой вывод которого подключен к неинвертирующему входу первого усилителя напряжения, входы второго усилителя напряжения подключены к источнику напряжения переменного тока, а выход регулятора подключен к входу управления источника напряжения постоянного тока, отличающееся тем, что,

с целью расширения технологических возможностей, экономии электроэнергии, повышения производительности и качества путем расширения диапазона регулирова- ния катодного тока, оно снабжено двумя вспомогательными катодами и вторым токовым шунтом, а регулятор выполнен с третьим усилителем напряжения, сумматором напряжения, двумя формирователями импульсов, счетчиком импульсов, выходы третьего и первого усилителей напряжения подключены к двум входам сумматора напряжения, выход которого подключен к фильтру, выход логического компаратора

подключен к входам первого и второго, формирователей импульсов, причем,выход первого формирователя импульсов подключен к входу прямого счета счетчика импульсов, выход второго формирователя импульсов

подключен к входу обратного счета счетчика импульсов, выходы которого являются выходами регулятора, один из вспомогательных катодов подключен к неинвертирующему входу первого усилителя напряжения регулятора, а другой вспомогательный катод подключен к инвертирующему входу третьего усилителя напряжения регулятора и к одному из выводов второго токового шунта, другой вывод которого подключен к неинвертирующему входу третьего усилителя напряжения регулятора и к одному из выводов источника напряжения переменного тока, другой вывод которого подключен к катоду и к отрицательному выводу источника напряжения постоянного тока.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что, с целью упрощения конструкции, источник напряжения переменного то- ка выполнен в виде трансформатора, один

из выводов первичной обмотки которого подключен к отрицательному выводу источника напряжения постоянного тока, другой вывод - к неинвертирующему входу третьего усилителя напряжения регулятора, выводы второй вторичной обмотки подключены к второму входу регулятора.

т

(7

Фае. 4

t 1