Современные выпрямители для гальваники: заменяем тиристоры на IGBT

управление питаниемавтоматизацияответственные применениялабораторные приборыInfineonстатьядискретные полупроводникиIGBT

До сих пор во многих отраслях промышленности нанесению защитных и декоративных покрытий посредством гальваники нет альтернативы. Но XXI век предъявляет новые требования к гибкости и экологичности производства, из-за чего возросли требования к аппаратуре, управляющей электрическими параметрами гальваники. К счастью, одновременно появилась элементная база, отвечающая новым требованиям, в частности – IGBT-модули Infineon.

Уже на заре развития гальваники встала проблема, связанная с тем, что для процесса нанесения покрытия нужен был постоянный ток, в то время как повсеместно развивались сети переменного тока. Поначалу установки для гальваники питались от гальванических элементов. Потом, с изобретением в начале XX века ртутных выпрямителей, стало возможным наносить покрытия, получая энергию из сети переменного тока. С тех пор оборудование, обеспечивающее заданные параметры электропитания гальванической ванны, именуется среди специалистов по гальванике «выпрямителем». Хотя сейчас это гораздо более сложное устройство, включающее в себя не только преобразователь напряжения и, собственно, выпрямитель, но также стабилизатор и некоторые другие узлы, обеспечивающие дополнительные функции (например, таймеры). С точки зрения электротехники такие системы правильно называть «блоками питания». Тем не менее, в статье мы будем использовать уже устоявшийся термин.

Для каждого типа гальванического процесса и каждого материала, применяемого для покрытия, существуют свои электрические параметры. В каких-то случаях необходимо стабилизировать напряжение, в каких-то – плотность тока (отношение силы тока к площади поверхности покрываемого изделия).

Возможность регулировки параметров в выпрямителях на полупроводниковых диодах реализовывалась путем переключения отводов от обмотки трансформатора. При этом для обеспечения высокого качества покрытия требовался дополнительный стабилизатор напряжения на входе выпрямителя (феррорезонансный, релейный, электромеханический). Пришедшие в 60-е годы XX века на смену диодным более совершенные тиристорные выпрямители позволяли осуществлять плавную регулировку параметров. Появилась возможность совместить выпрямитель и стабилизатор в едином устройстве. Тем не менее вплоть до 2000-х годов обычной практикой была поставка на промышленные предприятия выпрямителей, специально предназначенных для определенного гальванического процесса.

Мировой экономический кризис 2008 года привел к тому, что предприятия, занимающиеся гальваникой, стали нести убытки. Выход был найден в создании гибких производств, способных подстраиваться под нужды самых разнообразных заказчиков [1]. В результате на гальваническом производстве стали востребованы выпрямители, параметры которых можно быстро менять.

На момент написания статьи в России также наблюдался рост интереса к выпрямителям для гальваники на основе IGBT-транзисторов, что обусловлено курсом на импортозамещение, а также стремлением отечественных предприятий нарастить экспорт, для чего требуется повышать качество и снижать энергоемкость продукции.

Особенности конструкции выпрямителя для гальваники

Распространено ошибочное мнение, что конструкция выпрямителя для гальваники мало чем отличается от других типов блоков питания. Поскольку выпрямители для гальваники стоят дорого, в Интернете можно встретить немало описаний, как сделать такой выпрямитель из обычного блока питания. Но подобное решение применимо лишь для любительского изготовления вещей в единичном экземпляре. На промышленном производстве возможно использование только специально предназначенных для гальваники выпрямителей. Причиной тому – некоторые особенности работы таких устройств:

• Малое выходное напряжение (как правило, оно лежит в пределах 6…48 В) в сочетании с высоким (до 12000 А) значением силы тока. Неудивительно, что часто выпрямитель соединен с гальванической ванной не кабелем, а шинопроводом.
• Сопротивление нагрузки в процессе работы может меняться в несколько раз.
• Установленные сила тока или напряжение должны выдерживаться на выходе с точностью не хуже 3%. Это необходимо для обеспечения высокого качества покрытия (что выполняется в определенном оптимальном режиме) и повторяемости серийной продукции.
• Малый уровень пульсаций на выходе, так как пульсации с частотами 50…300 Гц плохо сказываются на качестве покрытия, особенно когда речь идет о современных экологически чистых технологиях гальванического нанесения никеля и его сплавов.
• Для получения более ровной поверхности желательно наличие реверсивного режима, когда можно периодически менять полярность подключения к ванне с интервалом от единиц до десятков секунд.
• Желательно наличие функции ограничения по току на заданном пользователем уровне при стабилизации напряжения (если сила тока превышает заданное значение, то выходное напряжение уменьшается).

Большая мощность, требуемая для гальваники, обуславливает питание выпрямителя от трехфазной сети. Исключением являются выпрямители, используемые в небольших ремонтных мастерских, на предприятиях народных промыслов, а также в домашних условиях любителями что-либо мастерить (при этом следует соблюдать меры предосторожности, чтобы вредные вещества не попали к соседям!).

Что нам нужно

Блок питания 1) понижает напряжение с 220 Вольт до небольшого и 2) выпрямляет, т.е. превращает переменное в постоянное. «Плюс» и «минус» в гальванике соблюдать обязательно. Это умеет любой сетевой адаптер, например, заряжалка для мобильника.

Что нам нужно еще? 3 — регулятор, 4 — индикатор. Регулятор это ручка, которую мы крутим. Индикатор показывает силу тока. И всё это хозяйство в одном корпусе. Чтобы провода и детали не валялись хаотично на столе, на радость детям и кошке.

Экологические требования

Точность задания режима по току или напряжению (в зависимости от процесса) способствует уменьшению выбросов вредных веществ. Например, при превышении оптимального значения плотности тока из гальванической ванны интенсивность выделения вредных веществ значительно увеличивается.

Современной тенденцией при нанесении защитного и декоративного покрытия является переход от хромирования к никелированию, что обусловлено необходимостью защиты окружающей среды, поскольку хром считается более вредным материалом. Распространенность хромирования связана с простотой получения прочного гальванического покрытия на прежнем технологическом уровне. Прочное покрытие никелем и его сплавами можно получить, используя технологию восстановления металла из ионных расплавов на основе карбамида. Данный процесс, как показали результаты исследований [2], чувствителен к напряжению на выходе выпрямителя. В зависимости от разницы потенциалов, осаждается либо чистый никель, либо сплав никеля, либо же никель или сплав никеля, загрязненный углеродом. Это требует высокой точности стабилизации напряжения. При данной технологии нанесения покрытия вольт-амперная характеристика гальванической ванны может иметь участок с отрицательным сопротивлением, что предъявляет повышенные требования к устойчивости работы выпрямителя.

Выпрямители серии ВАК и ВАКР.

ВАК — (В) выпрямитель (А) автоматизированный (К) на кремниевых вентилях.

Выпрямители ВАК были широко распространены в цехах гальванических покрытий в СССР. До сих пор есть заводы, где эти приборы исправно работают. Благодаря использованию тиристоров агрегаты обладают плавным регулированием выпрямленного напряжения до 6/12/9/18/24/48 В и автоматической стабилизацией выпрямленного напряжения и тока до 100/320/630/1600/3200/6300/12500/25000 А. Точность стабилизации составляет +/- 5%.

Внешний вид агрегата аналогичен ВАКГ.

Тиристорные выпрямители

Рис. 1. Тиристорный выпрямитель, выполненный по прямой схеме

На рисунке 1 показана схема несложного трехфазного тиристорного выпрямителя. Аббревиатура СИФУ на схеме означает «Система импульсно-фазового управления». Эта система осуществляет регулировку и стабилизацию напряжения. Данный выпрямитель построен по так называемой прямой схеме, не предусматривающей преобразования частоты переменного тока. Принцип работы тиристорных выпрямителей, построенных по такой схеме, основан на срезании части синусоиды в промежутках между определенными значениями фазы (углами отсечки). В результате на выход выпрямителя поступает лишь часть электроэнергии.

График выходного напряжения для тиристорного выпрямителя показан на рисунке 2. Проблема тиристорных выпрямителей для гальваники (как, впрочем, и в случае диодных выпрямителей, применявшихся ранее) заключается в том, что на выходе наблюдаются значительные пульсации напряжения, не менее 14%. Сгладить пульсации на выходе с помощью дросселя практически невозможно, поскольку в гальванике используются очень малые напряжения и высокие значения силы тока. При малой частоте пульсаций (300 Гц при питании от трехфазной сети с частотой 50 Гц) потребуется дроссель с большим количеством витков, а значит – и большим сопротивлением по постоянному току, что неприемлемо. На выходе тиристорных выпрямителей ставят только высокочастотные дроссели с небольшим количеством витков, подавляющие помехи, создаваемые другими устройствами.

Рис. 2. Напряжение на выходе выпрямителя (синий цвет) и ток на входе по одной из фаз тиристорного выпрямителя (зеленый цвет) без корректора мощности

Обратите внимание на форму потребляемого тока: она далека от синусоиды. Для получения приемлемого коэффициента мощности в выпрямителях, построенных по прямой схеме, используются громоздкие корректоры.

Недостатком тиристоров является их инерционность. При подаче управляющего импульса проводящая зона сначала образуется вблизи границы управляющего электрода и уже потом распространяется по площади структуры со скоростью 0,03…0,1 мм/с. За время коммутации происходит нагрев тиристора. При нагреве кристалла тиристора свыше 70°C возможно его самопроизвольное срабатывание без управляющего импульса. Поэтому тиристоры требуют эффективного теплоотвода. Из-за сложных охлаждающих систем тиристорные выпрямители для гальваники представляют собой, как правило, громоздкие устройства, выполненные в виде напольных шкафов (рисунок 3).

Рис. 3. Размещение тиристорных выпрямители для гальваники в шкафах

В то же время тиристорные выпрямители для гальваники имеют и некоторые преимущества. Технология давно и хорошо отработана, поэтому сервисное обслуживание таких устройств может осуществляться на месте любым специалистом, умеющим чинить блоки питания для промышленных применений.

Выпрямители с неплавной регулировкой тока.

Для выпрямления тока в первых выпрямителях до 1969 г. применялся диодный мост с медно-закисными диодами (купроксные выпрямители) (рисунок 1). В cтарых гальванических цехах иногда эксплуатируются селеновые выпрямители ВС, ВСА, ВСГ, ВСМР с воздушным и масляным охлаждением, номинальным напряжением 3,5/4,5/6/12В и силой тока 100/200/300/600/1000/1200/2000/2500/5000 А. Данные агрегаты имеют общий недостаток — отсутствие плавной регулировки напряжения и плотности тока.

Рисунок 1 — Внешний вид селенового выпрямителя ВСА-3М

Регулировка выпрямленного напряжения осуществляется путем изменения напряжения, подаваемого к селеновому мосту при помощи регулятора с магнитным шунтом. Шунт передвигается с помощью винтовой передачи.

После селеновых выпрямителей изготавливались германиевые выпрямители типа ВАГГ для напряжения 4,5/6/9/12В и силы тока 600/3000/6000А.

Инверторные выпрямители

Обеспечить высокий коэффициент мощности, малый уровень пульсаций на выходе и высокий КПД преобразования можно, построив выпрямитель по инверторной схеме, показанной на рисунке 4. Поступающий на вход первичного выпрямителя электрический ток из сети выпрямляется и сглаживается. От полученного постоянного тока питается инвертор, дающий переменный ток значительно более высокой частоты, чем частота тока в сети. К инвертору подключен компактный высокочастотный трансформатор. Ток со вторичной обмотки трансформатора подается на вторичный выпрямитель, откуда, через сглаживающий дроссель – на выход устройства. Сгладить пульсации до уровня менее 3% на высоких частотах можно с помощью дросселя, имеющего малое количество витков. Управляя параметрами инвертора, можно стабилизировать на заданном уровне напряжение или силу тока на выходе, а также отрабатывать и более сложные программы, например, стабилизировать напряжение, пока сила тока не превысит заданного значения, после чего уменьшать напряжение, чтобы сила тока оставалась на заданном предельном уровне.

Рис. 4. Структурная схема типичного инверторного выпрямителя

До недавнего времени основной элементной базой при построении мощных инверторов были тиристоры. Инверторы на тиристорах могут работать на частотах не более 3 кГц. Повышение частоты, на которой работает тиристор, потребует дополнительного охлаждения по сравнению с частотой 50 Гц. В итоге инверторный выпрямитель получается еще более громоздким по сравнению с выпрямителем, выполненным по прямой схеме.

Особенностью тиристора по сравнению с другими силовыми полупроводниковыми приборами является то, что он включается по импульсу, подаваемому на управляющий электрод, а вот выключение происходит лишь в том случае, когда разница напряжений между анодом и катодом будет меньше определенной величины. В результате инверторы на тиристорах имеют узкий диапазон рабочих нагрузок. Для гальваники это неприемлемо, так как для повышения качества покрытия рекомендуется опускать изделие, на которое наносится покрытие, в гальваническую ванну уже под напряжением, что приводит к изменению нагрузки на выпрямитель в широких пределах.

Перечисленные проблемы привели к тому, что массово производимые модели тиристорных выпрямителей для гальваники строятся только по прямой схеме.

Вольты и амперы

Не хотите вникать, чем вольты отличаются от амперов? Не будем. Просто определимся, сколько нам их надо. Только запомним: напряжение – вольты, сила тока (или просто «ток») – амперы.

1 ампер = 1000 миллиампер. 1А = 1000mA *C латинскими и русскими буквами, писать ли «Ампер» с большой или маленькой буквы – полная свистопляска, привыкайте. mA то же самое, что мА. Вольты В (по-русски) или V.

Хорошая новость: для меднения достаточно 2-3 Вольт, любой БП выдаст их без проблем.

* Хромирование и анодирование алюминия требует сравнительно высоких напряжений. Эти процессы явно не для начинающих, поэтому будем ориентироваться на меднение и никелирование.

Вторая новость: требуемая сила тока зависит от площади создаваемого шедевра. Примерно 20mA = 0,02 Ампера на квадратный сантиметр. Для омеднения одной бусины, сережки, кулончика или какой-нибудь мелкой фурнитуры тока хватит от любого БП.

Однако со временем аппетиты растут. Для барельефа размером с ладошку или для одновременного омеденения 10 крупных бусин силы тока начинает не хватать – ну прям как денег в реальной жизни.

* Проволочный абажурчик размером с кулак потребовал 4 Ампера. Хотя его площадь (дырки не считаются) кажется не так уж велика. При токе в 2А не только скорость продцесса в два раза меньше, чем при 4А. С этим можно смириться, но покрытие получалось тусклым. При большом токе и с блескообразующими добавками в электролите покрытие получается блестящим, зеркальным. Не требует никакой полировки или лакировки.

Применение IGBT

Рис. 5. Пример выпрямителя на IGBT, способного давать ток до 1500 А

Более перспективной элементной базой для инверторных выпрямителей являются IGBT. Вот их основные преимущества по сравнению с тиристорами:

• как минимум на порядок меньшее время перехода из состояния «закрыто» в состояние «открыто» и обратно;
• возможность создания мощных инверторов с рабочей частотой до 30 кГц;
• хорошая управляемость. Подача того или иного напряжения на затвор однозначно вызывает открытие или закрытие IGBT.

Быстрое переключение из одного состояния в другое уменьшает нагрев прибора. Высокая рабочая частота инвертора радикально уменьшает размеры трансформатора и дросселей, что позволяет создавать компактные выпрямители (рисунок 5). Наконец, хорошая управляемость позволяет создавать инверторы, устойчиво работающие при изменении нагрузки в широких пределах, что очень важно для гальваники. Малый размер выпрямителя упрощает его защиту от влаги и пыли, что позволяет расположить выпрямитель максимально близко к гальванической ванне. Тем самым более рационально используется площадь производственного цеха и снижаются затраты на шинопроводы.

Сравнение характеристик типичных выпрямителей российского производства на основе тиристоров и IGBT дано в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики отечественных выпрямителей для гальваники с питанием от трехфазной сети переменного тока 380 В

Обслуживание выпрямителей на IGBT сложнее, чем тиристорных. Но относительно малая масса выпрямителя позволяет организовать его доставку в сервисный центр.

Блок питания для гальваники своими руками

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

В программе вебинара: технология Silent Switcher® — сочетание высокого КПД и сверхмалого уровня ЭМИ, технология uModule® — высокоинтегрированные решения для источников питания, микро- и нанопотребляющие DC/DC-преобразователи, решения для резервного питания, цифровое управление системой питания (PSM), безоптронные изолированные обратноходовые преобразователи. В практической части вебинара будут продемонстрированы примеры работы с инструментами Analog Devices для проектирования источников питания.

_________________ О сколько нам открытий чудных готовят просвещенья дух.

«Когда у общества нет цветовой дифференциации штанов, то нет цели!»

Connfly, один из ведущих азиатских производителей стандартных соединителей, и Компэл в рамках партнерской программы по развитию склада представляют установочные панели для микросхем. Панельки серии DS1001-01 выполнены в корпусе Dual In-Line и предназначены для многократного размещения и подключения DIP-интегральных схем в электронные устройства.

_________________ О сколько нам открытий чудных готовят просвещенья дух.

«Когда у общества нет цветовой дифференциации штанов, то нет цели!»

Лучшее враг хорошего .

_________________ Хоть оптика и увеличивает изображения но, глядя через оптический прицел, все проблемы мельчают.

_________________ Изобретение и обретение РАДИО — величайшее по значимости достижение человечества, которому нет равного.

доброго всем времени суток, нужда заставила делать установку для гальваники, условия достаточно жесткие но не невыполнимые, собственно сам реактор готов но встал вопрос о источнике тока имеется два трансформатора от UPS каждый с двумя обмотками по 8.5в, соединены последовательно либо так по схеме с общей точкой что дает на выходе 16в либо так в параллель что даст нам 8.5в

все о питальнике начнем о стабилизаторе тока до этого стаяла термо нестабильная схема линейной стабилизации вот такого рода собственно всем понятно что на токе выше 20а она будет люто грется что и произошло и получился у меня локальный перегрев транзисторов их закоротило и произошел пробой диодов в выпрямителе

возникло сильное желание сделать стабилизатор импульсный, но к сожалению моих познаний в электронике не хватает чтобы сделать БП на шим или подобные, слезно прошу помощи

вот что нужно стабилизатор тока 1-30а 4.5в питание 16 вольт на выходе регулировка по напряжению желательна но не обязательна режим работы долговременный регулировка тока обязательна нагрузка гальваническая ванна с изменяющимся в процессе сопротивлением должен уметь держать заданный ток изменяя напряжение импульсный или подобный дабы избавится от термо нестабильных элементов

_________________ Ничто так не укрепляет взаимное доверие, как 100% предоплата! Дмитрий, RK3AOR.

где шина питания процессора с низковольтными мосфетами ? я повторюсь что в схемотехнике микроконтролерных устройст плохо соображаю

нашел у интела на матплате драйвер и вот такую принципиалку (см вложение) как её переделать под мои нужды можете посоветьвать ?

_________________ Ничто так не укрепляет взаимное доверие, как 100% предоплата! Дмитрий, RK3AOR.

трансформаторы 8.5 обмотки выполнены проводом медным по 2 квадрата Х3 провода то есть 6 квадрат обмотка

изыски нужны тк-как постоянно скачет в процессе сопротивление, а процесс идет около недели (осаждение солей) поэтому нужно чтобы само какбы держало, да и латра в наличие нету

_________________ Всё не так, как кажется

у меня есть два трансформатора но я сомневаюсь что смогу включить их по такой схеме, первичка одна, вторички две на 8.5 включены они с общей точкой как сдесь

нагрузка включена тоже интересно, в сучности рассыпуха легко доставаемая можно попробовать, интересно только сколько на отладку уйдет без осцилографа

правда сразу бросается в глаза что сам автор пишет о том что транзисторами будет рассеиватся минимум 100 ватт тепла, согласитесь нехилое число, радиаторов получится баратея целая с обдувом

_________________ Не мешайте мешать! С.» Ну почему Господь так долго не протянет нам руку помощи? И самое страшное: может быть он протягивает, но мы всё дольше и дольше этого не замечаем?»

_________________ Всё не так, как кажется

не нашел принципиальные схемы этих моделей, мне хватит импульсного источника тока с стабилизацией по току, схема от материнской платы подойдет, осталось определится как ей управлять, и придумать двухслойную печатку, все детали можно снять прямо с материнки, правдо все будет в СМД с чем связан ряд трудностей, да и ошибки ловить без осцилографа сложно будет

правдо стабилизатор от материнки это микроскопом даже не гвозди это электронным микроскомоп камни колоть

Последний раз редактировалось Darknew Чт янв 10, 2013 02:51:05, всего редактировалось 2 раз(а).

_________________ Ничто так не укрепляет взаимное доверие, как 100% предоплата! Дмитрий, RK3AOR.

Часовой пояс: UTC + 3 часа

Кто сейчас на форуме

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 38

Выбор IGBT для выпрямителя

Рассмотрим структурную схему инверторного выпрямителя, изображенную на рисунке 4. Первичный выпрямитель выполняется по схеме Ларионова, как по наиболее эффективной. Напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя рассчитывается по формуле 1:

$$U_{в}=\sqrt{2}\times U_{лин}=537\hspace{0.25em}В,\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где 380 В – линейное напряжение питания.

Для построения инверторного преобразователя будем использовать мостовую схему. Для нее нам потребуется 4 IGBT. Величины максимального напряжения, с которым может работать IGBT, образуют ряд фиксированных значений. С учетом всех необходимых запасов по напряжению выберем значение 1200 В.

Следует иметь в виду, что максимальная сила тока на выходе вторичного выпрямителя будет в единицы–десятки раз больше, чем сила тока, протекающего через IGBT, так как после инвертора стоит понижающий трансформатор.

Поскольку гальваника является узкоспециализированной сферой деятельности, производители IGBT не всегда дают конкретные рекомендации, что из их ассортимента может быть использовано для данного применения. Тем не менее, режим работы IGBT в выпрямителе для гальваники примерно такой же, как и в инверторном сварочном аппарате: большая мощность, малое напряжение, большой ток, изменение параметров нагрузки. Из этого следует вывод, что если производитель в своем ассортименте не выделяет отдельно продукцию для гальваники, то выбирать надо наиболее быстродействующие IGBT, предназначенные для сварочных аппаратов.

Рассмотрим IGBT-модули в качестве основы для построения инверторного преобразователя. Потери при переключении IGBT возрастают при росте температуры кристалла. При перегрузке IGBT-модуль нагревается и потери еще более возрастают. Для предотвращения выхода выпрямителя из строя на IGBT-модули устанавливают датчики температуры (во многие модули они уже встроены). При превышении определенного значения температуры выпрямитель выключается до полного охлаждения. Находящаяся же в это время в гальванической ванне деталь, как правило, идет в брак.

С точки зрения надежности оптимальным вариантом для гальваники являются IGBT-модули производства компании Infineon Technologies, основанные на технологии IGBT4. Уникальной особенностью IGBT, используемых в этих модулях, является нормирование потерь переключении при максимально допустимой температуре кристалла 150°C. Это позволяет рассчитать систему охлаждения таким образом, чтобы практически полностью исключить аварийное отключение выпрямителя из-за перегрева элементов инвертора.

Другими преимуществами, специфичными для серии IGBT4, являются высокое быстродействие и малые потери при коммутации. Этого удалось добиться благодаря применению фирменной технологии TrenchStop. У такого транзистора дрейфовая N-зона выполняется в основной пластине, имеющей требуемую толщину и уровень легирования, а тонкие буферный слой N+, нижний эмиттер P+ и верхняя MOSFET-структура реализуются локальным легированием с точно выдержанными оптимальными параметрами. Такая структура стала возможной благодаря новым технологическим решениям, позволившим работать с пластинами кремния толщиной в несколько раз меньше, чем толщина стандартных подложек [3]. К тому же, применение легирования вместо эпитаксиального наращивания снизило технологический разброс, что и позволило нормировать параметры на повышенной температуре.

Рис. 6. Корпус EconoDual 3 обеспечивает повышенную теплопроводность

В рамках серии IGBT4 наибольшее быстродействие имеет модификация E4. Кстати, она рекомендована производителем для сварочных аппаратов, то есть ее можно использовать и в выпрямителях для гальваники. Предпочтительно использование варианта в корпусе EconoDUAL 3 (рисунок 6), так как он имеет улучшенную теплоотдачу и встроенный датчик температуры, что повышает надежность системы. Кроме этого, данный корпус имеет низкую паразитную индуктивность элементов, что важно для мощного инвертора.

Нередко конструкторы выпрямителей для гальваники применяют дискретные IGBT-транзисторы, и тому есть объективные причины: простота трассировки платы, возможность использования старых производственных линий, снижение стоимости ремонта при выходе из строя только одного транзистора. Для таких случаев компания Infineon предлагает серию быстродействующих дискретных IGBT-транзисторов с технологией TrenchStop в широкой номенклатуре корпусов: от стандартных SMD-корпусов DPAK и D2PAK до выводных TO-220 и TO-247 c тремя и четырьмя выводами.

Простой источник питания гальванотехника из компьютерного БП

В статье рассмотрена конструкция источника питания, разработанного для использования в гальванотехнике. Он изготовлен на основе компьютерного блока питания АТХ и позволяет выдавать в нагрузку стабилизированный ток до 20А в течение времени, заданного с помощью таймера.

Тема любительской гальванотехники довольно популярна. Технология гальваники требует наличия источника стабильного тока довольно высокого качества. Использование радиолюбительских лабораторных блоков питания средней мощности не всегда приемлемо для этой цели, так как обычно в них стараются сбалансировать характеристики таким образом, чтобы получить большой диапазон выходного напряжения при небольшом токе. С другой стороны, всевозможные зарядные устройства для свинцово-кислотных аккумуляторов позволяют получать большой ток, часто стабилизированный, но имеют плохое качество выходного напряжения, что не позволяет получить гладкое покрытие изделия металлом.

Таким образом, автор решил изготовить специализированный источник питания для использования в гальванотехнике (ИПГ), имеющий следующие основные технические характеристики:

напряжение питания сети

230В;

• два взаимосвязанных канала с плавно регулируемым стабилизированным выходным напряжением постоянного тока: в первом канале — от 0 до 20 В при токе до 10 А;
• во втором канале — от 0 до 8 В при токе до 20 А;

О переделке компьютерных блоков питания (БППК) написано очень много статей, в том числе, автором. Особенностью этой конструкции является использование 5-вольтового выхода БППК для получения большого выходного тока, измененная схема управления и индикации, и наличие возможности подключения таймера отключения.

Описание схемы устройства

Принципиальная электрическая схема ИПГ представлена на рисунке. За основу ИПГ был взят блок питания АТХ мощностью 300 Вт с датчиком температуры для управления скоростью вращения вентилятора охлаждения. В исходном БППК использовался ШИМ-контроллер типа DR-B2005, поэтому для его переделки была использована дополнительная плата управления на контроллере TL494 (DA3). Подробнее о такой замене ШИМ-контроллера можно почитать в статье «Переделка компьютерных БП с ШИМ-контроллерами типа DR-B2002, DR-B2003, SG6105 в лабораторные источники питания». Схема управления аналогична описанной в статье «Двухполярный источник питания – зарядное устройство из компьютерного БП». Для обеспечения индикации перехода ИПГ в режим ограничения тока, согласно рекомендациям, приведенным в статье В. Андрюшкевича «Переделка компьютерного блока питания в лабораторный и зарядное устройство» (Радио — 2012, №3), в схему управления добавлен компаратор DA2, выход которого нагружен на светодиод HL2.

Схема модуля питания цепей управления на основе трансформатора Т1 «дежурного» режима БППК аналогична описанной в статье «Переделка компьютерных БП с ШИМ-контроллерами типа DR-B2002, DR-B2003, SG6105 в лабораторные источники питания».. В исходном БППК имелся датчик температуры и автор решил его оставить, так как автоматическая регулировка скорости вращения вентилятора охлаждения заметно снижает шум. Поэтому в схему питания вентилятора М1 добавлен интегральный стабилизатор DA1, подающий на терморегулятор стабилизированное напряжение =12 В.

Модуль силового питания имеет два канала, так как используется 12-вольтовый и 5-вольтовый выходы силового трансформатора Т2 с соответствующими выпрямителями. Использование 5-вольтового выхода позволяет при необходимости получить больший ток, чем при использовании 12-вольтового выхода. Схемы выпрямления и фильтрации обеих каналов особенностей не имеют и соответствуют штатной схеме БППК. Датчик тока Rш1 включен в разрыв общего провода, поэтому не имеет значения, какой из каналов нагружен, ограничение тока будет работать в любом случае.

Для индикации уровня выходного напряжения и тока использован широко распространенный малогабаритный цифровой мультиметр типа DT830В, из которого удалены все штатные делители, а собрана входная цепь R6, R8, C7, установлен конденсатор развязки C8, шунт Rш2 и добавочное сопротивление R5. Измерения производятся на пределе 20V, что позволяет отображать значение напряжения и тока с двумя знаками после запятой, то есть от 0,00 до 19,99. С помощью переключателя SA1 выбирается канал измерения напряжения, а переключателем SA3 – род работ. Питание мультиметра берется от отдельного, гальванически не связанного с остальными элементами схемы, стабилизатора на элементах Т3, VD5, VD10, С3.

Таймер отключения ИПГ сделан на основе популярных китайских электронно-механических часов с будильником. Часы запитаны от источника питания дежурного режима БППК через контакт K1.1 реле К1. Схема питания представляет собой параметрический стабилизатор на элементах R4, HL1 с напряжением стабилизации около 2 В. Затем это напряжение нормализуется до номинального (около 1,5 В) с помощью диода VD11 и фильтруется конденсатором C6. Емкость конденсатора подобрана таким образом, чтобы во время работы часов светодиод VD11 мигал, индицируя таким образом их ход. Контакт SA2 часов, включающий сигнал будильника, при замыкании ставит под ток реле К1, контакт К1.1 размыкается, отключая питание схемы управления и часов. Таким образом управление ключевыми транзисторами не производится и напряжение с выхода ИПГ снимается.

Конструкция, детали и наладка ИП

Все элементы ИПГ кроме часов расположены в корпусе БППК, в одной из сторон которого вырезано большое отверстие для размещения передней панели с органами управления и индикации. Часы подключаются к основному блоку через разъем, расположенный на задней стенке ИПГ с помощью кабеля.

Отдельные функциональные блоки конструкции собраны либо на отдельных печатных платах, либо навесным монтажом. Чертежи печатных плат не приводятся, так как в процессе разработки они претерпевали значительные изменения. Кроме того размеры и форма блоков будет зависеть от конструкции исходного БППК.

Выпрямительные диоды (диодные сборки) VD3, VD4 12-вольтовой цепи и VD7, VD8 5-вольтовой цепи не менялись, так как выходное напряжение ИПГ не превышает их максимально допустимые параметры. В оригинальном БППК для обеспечения большей нагрузочной способности в 5-вольтовой цепи было установлено две параллельно включенные диодные сборки: VD7,VD8 и VD6,VD9, одной из которых достаточно и вторую можно демонтировать. Дроссель групповой стабилизации L1 оставлен без изменений. Конденсаторы фильтров C4, C5 заменены в соответствии с номиналами, указанными на схеме. Также следует установить нагрузочные резисторы R1, R2. Датчик тока Rш1 изготовлен из нескольких параллельно включенных отрезков латунного провода диаметром 0,8 мм (ранее служившим шунтом старого комбинированного прибора) и запаян в разрыв общего провода прямо на плате БППК.

За основу платы блока управления на TL494 можно взять конструкцию, описанную здесь, добавив на нее компаратор DA2. Подробно о наладке схемы управления описано в оригинальной статье В. Андрюшкевича. Средние выводы переменных резисторов R9, R12 рекомендуется зашунтировать на землю конденсаторами емкостью 0,01-0,1 мкФ. Следует отметить, что для обеспечения более точной настройки ограничения тока полезно будет добавить в схему и вывести на переднюю панель еще один переменный резистор сопротивлением в 10 раз меньше R9, включенный потенциометром в разрыв провода, соединяющего вывод R9 с общим проводом. Подбором резистора R11 выставляется максимальное напряжение первого канала ИПГ (0…20 В), которое и контролируется схемой управления. Напряжение низковольтного канала (0…8 В) регулируется опосредовано путем контроля напряжения первого канала.

Переделка мультиметра типа DT830 заключается в укорачивании печатной платы до минимально возможного размера и установке необходимых элементов, показанных на схеме. В зависимости от способа установки мультиметра, следует также обрезать и сформировать его корпус. В данной конструкции было удобнее вынести мультиметр наружу передней панели, поэтому нижняя часть корпуса была аккуратно отрезана и переклеена выше.

Схема питания часов расположена в нише установки элемента питания, причем светодиод HL1 выведен на циферблат. Вывод контакта включения будильника SA2, идущий в схему часов следует перерезать и подключить к нему проводник. Второй конец контакта находится на минусе питания часов. Схема, расположенная в часах подключается к основному блоку трехпроводным кабелем с установленным на конце «аудио» штекером (TRS). Это удобно, так как позволяет легко заменить часы в случае выхода их из строя, или же отключить за ненадобностью. К основанию часов приклеена магнитная лента, с помощью которой они надежно прикрепляются к корпусу источника питания.

Для коммутации питания схемы управления использовано малогабаритное реле K1 типа РЭС-15. Вместо него можно использовать любое другое реле с одним нормально замкнутым контактом и номинальным напряжением не более 15 В. Токоограничивающий резистор R3 подбирают опытным путем для обеспечения нормального режима работы реле под током. Вместо реле также можно использовать маломощный полевой транзистор с изолированным затвором.

Шунты Rш1, Rш2 следует разместить внутри корпуса таким образом, чтобы они хорошо обдувались вентилятором охлаждения, так как на них может рассеиваться большая мощность. Использование в конструкции ИПГ двух шунтов связано с тем, что автор использовал ранее изготовленные и отлаженные мультиметр и плату управления. В новой конструкции проще использовать только шунт мультиметра, как это сделано в конструкции, описанной в статье «Двухполярный источник питания – зарядное устройство из компьютерного БП».

За исключением ранее описанных случаев, особых требований к деталям устройства не предъявляется, и могут быть использованы любые доступные элементы с параметрами, аналогичными элементам, указанным в схеме.

Заключительные замечания

Кроме использования ИПГ в процессе гальваники, наличие в описанной конструкции таймера отключения позволяет автоматизировать и другие задачи, например, производить зарядку аккумуляторных батарей стабильным током в течение заданного времени.

Литература

1. Елинек Т.В. Успехи гальванотехники. Обзор мировой специальной литературы за 2008-2009 годы//Гальванотехника и обработка поверхности. 2010. №4, стр. 13…18;
2. Бабаскина С.Ю., Корбит А.А., Филимонов В.А., Якубовская С.В. Электролиты никелирования на основе расплава карбамида//Создание новых и совершенствование действующих технологий и оборудования нанесения гальванических и их замещающих покрытий : материалы докладов республиканского научно-технического семинара. Минск, БГТУ, 2011, стр. 31…35;
3. Попов А., Попов С. Infineon – новый лидер рынка IGBT. Новости электроники №8/2016.

•••

Блок питания для гальваники

#1 С ВИКТОР С

• Пол: Мужчина
• Город: Планета Земля

Здравствуйте ! я хотел-бы изготовить себе блок питания для гальваники!поделитесь пожалуйста кто сталкивался с этим и брал верх ,также приветствуются здравые ссылки .Сразу говорю купить возможности нет. БЛАГОДАРСТВУЮ!

#2 Женя-Женя

• Пол: Мужчина

Смотря какие режимы по V и А. требуются?

Из БП компьютерного кое-что можно сообразить. И практически даром.

*мне из БП от компьютера делали мини сварочный аппарат!

#3 Jonik

#4 С ВИКТОР С

• Пол: Мужчина
• Город: Планета Земля

здравствуйте. как бп от сотки ампер не маловато будя?для карандаша мож и потянет! но для аффинажа ,нет кажись!!

#5 Jonik

здравствуйте. как бп от сотки ампер не маловато будя?для карандаша мож и потянет! но для аффинажа ,нет кажись!!

#6 С ВИКТОР С

• Пол: Мужчина
• Город: Планета Земля

здравствуйте. как бп от сотки ампер не маловато будя?для карандаша мож и потянет! но для аффинажа ,нет кажись!!

При чем здесь аффинаж , у меня зарядка для нокии ихорошо покрывает при 0,5 ампера даже в ванне.

Электролитический аффинаж напрямую связан с блоком питания !за зарядку от нокии спасибо!буду пробовать.А ток в зарядке не пульсирующий случайно?

#7 Ашир

• Пол: Мужчина
• Город: Ашхабат
• Интересы: Хочу узнать все о ювелирном деле

*мне из БП от компьютера делали мини сварочный аппарат!

Извенити если можно скажите пожалуйста, Как это можно зделат и для чего вы его используйте?

Выбор ИП по степени защиты корпуса

При выборе степени защиты корпуса ИП следует учитывать его место расположения. При расположении непосредственно в цеху у гальванической линии степень защиты следует выбирать не менее IP54 по причине наличия агрессивных веществ в воздухе и возможности попадания брызг реактивов на корпус ИП.

При низкой степени защиты это может привести к окислению электронных компонентов ИП и выходу его из строя. Залогом надежной и безаварийной работы ИП при таком расположении является своевременное обслуживание, очистка узлов охлаждения (радиаторов, вентиляционных решеток и вентиляторов) от загрязнений.

Так же непосредственно в цеху возможен монтаж ИП со степенью защиты корпуса ниже IP54, но только при условии установки ИП в отдельном коробе с приточно-вытяжной вентиляцией, параметры который по производительности выше производительности системы охлаждения ИП. Данный способ монтажа затрудняет обслуживание ИП и при ошибках проектирования системы вентиляции может привести к выходу ИП из строя.

Наиболее предпочтительным, но в то же время дорогим способом, является установка ИП в отдельном помещении. При данном способе расположения обеспечивается чистый воздух в помещении без агрессивных компонентов, легкий доступ для обслуживания и увеличивается межсервисный интервал. Но также увеличиваются затраты на установку и эксплуатацию.

Технология

Силовая часть источников для гальваноосаждения состоит из высококачественных высоковольтных IGBT транзисторов, что уменьшает вес и повышает КПД инверторов до 90%. Такой высокий показатель коэффициента полезного действия существенно уменьшает энергопотребление и токовую нагрузку на сеть питания.

Все источники для гальваники

СТРАТ могут быть использованы в различных технологических процессах металлоосаждения и гарантируют высокую точность и стабильность выходных характеристик. В аппаратах предусмотрена защита от короткого замыкания, перегрева и перегрузки. Все внутренние элементы хорошо закреплены и защищены прочным металлическим корпусом. На фронтальной панели расположены: экран цифровой индикации выходного параметра, ручка для регулировки и кабельные розетки.