Устройство для автоматического регулирования процессов электролиза

(51) 021 12 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР м ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ1) 0 ц ЬСТВУ АВТОРСКОМУ СВИД 1(71) Особое конструкторское бюро радиомашиностроения "Титан"(56) Авторское свидетельство СССРМ 943341, кл. С 25 О 21/12, 1980,Патент Франции гл 2582022,кл. С 25 С 1/20, 1985.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОЛИЗА С2 й,1, ",."1(57) Использование: технологические процессы нанесения металлопокрытий, например, в производстве печатных плат, Сущность изобретения: введение в устройство вспомогательных катодов 4, 5 в гальванической ванне 1, усовершенствование регулятора 10, использование источника напряжения 7 переменного тока, выполненного в виде трансформатора, обеспечивает возможность автоматического поддержания величины тока в "диапазоне пологого участка вольт-амперной,характеристики гальванической ванны, позволяет использовать источники напряжения на токи 100-1500 А с большими уровнями пульсаций. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.ском процессе, занимающей производст венные площади; большая погрешность (15 - 20,) измерения площади металлизации; низкий процент выхода годных иэде-, лий из-за того, что поддеркание заданного значения плотности тока, а не регулирова ние положения рабочей точки вольт-амперной характеристики гальванической ванны, не гарантирует оптимальности величины катодного тока; низкая производительность процесса при малых заданных плотностях 30 тока или увеличенный выход брака и перерасход электроэнергии при больших плотностях тока.Наиболее близкими по технической сущности к изобретению являются способ и ус тройство для регулирования положения рабочей точки гальванической ванны при 40 45 Изобретение относится к гальванотехнике и может быть использовано в технологических процессах нанесения металлопокрытий, например, в производстве печатных плат,Известно устройство для автоматического задания тока в процессе нанесения злектролитических покрытий, содержащее вспомогательную ванну, измеритель площади обрабатываемых изделий, многопозиционные рабочие ванны с датчиками наличия изделий, блоки питания, систему запоминающих устройств и цифроаналоговые преобразователи. Устройство выполнено многоступенчатым с числом ступеней, равным числу осуществляемых электрохимических процессов.Недостатки данного устройства следующие: наличие вспомогательной ванны, не задействованной в основном технологичеэлектролизе. 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 ктоковому шунту и к выходам источника напряжения переменного тока, а. выход регулятора - к входу источника напряжения постоянного тока.Недостатком данного устройства является то, что оно предназначено для использования 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 напряженил. имеющие большие уровни пульса 5 10 15 ций (от 6 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 регулирования катодного тока и упрощение конструкции.Поставленная цель достигается тем, что в устройство регулирования положения ра-бочей точки гальванической ванны при электролизе, содержащее гальваническую ванну, источник напряжения постоянноготока, подключенный к аноду ванны, источник напряжения переменного тока, токовый шунт, регулятор, выполненный в виде двух усилителей напрякения, фильтра, двух компараторов напряжения, логического компаратора, подключенного входами к выходам компараторов напрякения, вход 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 истрчника напряжения постоянного тока дополнительно 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. 8 ыход логического компаратора подключен к входам первого и второго формирователей импульсов, причем выход первого формирователя импульсов подключен к входу прямого счета счетчика импульсов, а 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 напряжения20 мися в известном устройстве. .30 40 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 напряжения 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; регулятордополнительно 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 имеющиНа фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг,2 - 5 - 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 6 постоянного 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 К 140 УД 7), входы которых являются соответствующими входами регулятора,сумматора напряжения 14 (например, микросхемы К 140 УД 7), фильтра 15 (например,микросхемы К 140 УД 7), двух компараторов напряжения 16 и 17(например, микросхемы К 140 УД 7), логического компаратора 18 (например, микросхемы К 140 УД 7), двух формирователей импульсов 19 (например, микросхемы К 155 ЛАЗ) и 20 (например, микросхемы К 140 УД 7 и К 155 ЛАЗ), счетчика импульсов 21 (например, микросхемы10 15 45 50 К 155 ИЕ 6 или К 155 ИЕ 7), выходы которого являются выходами регулятора, Первый вход сумматора напряжения 14 подключен к выходу усилителя напряжения 11, второй вход - 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 .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 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 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. Вспомогательный катод 5 через токовый шунт 9 подключен к одному иэ выводов первой вторичной обмотки источника напряже-. ния 7 переменного тока, второй ее вывод подключен к отрицательному выводу источника напряжения 6 постоянного тока. Инвертирующий вход усилителя напряжения 11 подключен к минусовому выводу источника напряжения 6 постоянного тока, а неинвертирующий вход - к катоду 4. 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. 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 постоянного тока, При рассмотрении работы устройства необходимо учитывать, что площади вспомогательных катодов 4 и 5 и коэффициенты усиления усилителей 11 и 13 равны,Устройство работает следующим образом.При включении источников напряжения 6 и 7 начинается гальванический процесс. На катод 3 и вспомогательный катод 4 относительного анода 2 поступает напряжение 0- источника напряжения 6 постоянного тока. На вспомогательный катод 5 относитель-. но анода 2 поступает. суммарное напряжение (О-+ 0 ) источников напряжения постоянного тока 6 и переменного тока7. Форма напряжений на катодах 3 и 4 (О ),5 (О+ О) с учетом возможных пульсацийисточника напряжения 6 постоянного токаприведена на эпюрах фиг,2. По токовымшунтам 8 и 9 протекают катодные токи 1 у 5к соответственно (фиг.3),)Принцип работы устройства основан научете особенностей формы кривой вольтамперной характеристики гальваническихванн. Как известно, вольт-амперная характеристика гальванической ванны представляет собой восходящую кривую с пологимлинейным участком "полочкой" (фиг,3, гдевольт-амперная характеристика условноразделена на участки, И, И 1). 15Если величина напряжения на катоде 3находится в пределах участка 1 характеристики, процесс металлизации печатных платпроисходит медленно, т,е, снижается производительностьь оборудования. 20Если величина напряжения на катоде 3находится в пределах участка И 1, процессметаллизации происходит неравномерно,возможны "подгары" покрытия печатныхплат, процесс металлизации происходит с 25большим перерасходом электроэнергии, атакже увеличивается процент брака продукции.Наиболее оптимальным режимом является режим, когда величина напряжения на 30катоде 3 находится в пределах пологого участка И вольт-амперной характеристики,Если амплитуда суммарного напряжения (О + 0 ) не выходит,за пределы участкаИ (фиг,З), то вследствие линейности характеристики на этом участке форма токовк,1 к,протекающих по токовым шунтам 8 и 9 соответственно, а также форма напряженийОз, 02 на выходах усилителей 11 и 13 будетповторять форму напряжений О.= и (О:+ О ) 40соответственно, Так как напряжения Оз и Огпоступают на входы сумматора 14 в противофазе, то на выходе сумматора 14 и фильтра 15 будут напряжения соответственноО , 05, повторяющие форму напряжения источника напряжения 7 переменного тока инапряжения 01 на выходе усилителя напряжения 12.Напряжения 05, О поступают на входыкомпараторов 16 и 17 соответственно. На 50выходе компараторов 16 и 17 напряженияОб, О совпадают по форме, следовательно,на выходе логического компаратора 18 (сигнал 08) и формирователей импульсов 19 и 20сигналы 09, 01 о отсутствуют (логический 55"нуль" ).Если амплитуда напряжения (О + О )находится в пределах участков 1, И, вольтамперной характеристики (фиг.4), то вследствие нелинейных искажений форме. напряжений 05, 01, а следовательно, и Об, 07 не совпадают, На выходе логического компаратора 18 будут импульсы 08, а на выходе формирователя импульсов 20 - сигнал 01 о(импульсы напряжения). Сигналы с выхода формирователей импульсов 20 поступают на вход прямого счета (+1) счетчика импульсов 21. С каждым периодом следования, например, синусоидального напряжения 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 6 постоянного тока. Величина напряжения источника 6 увеличивается и процесс продолжается до тех пор, пока амплитуда напряжения (О-+ О.,) не станет выходить за пределы участка И вольт-амперной характеристики,Если амплитуда напряжений (О-+ 0 ) находится в пределах участков И, И вольтамперной характеристики (фиг,5), то аналогично предыдущему варианту сигналы с 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 напряжения (О + 0 ) не станет выходить за пределы участка И вольт-амперной характеристики.Таким образом, если в результате примерной установки величины напряжения по входам предварительной установки АОАП счетчика импульсов 21 или в результате "смещения" вольт-амперной характеристики напряжение (О. + О ) не будет находиться в пределах участка 11, начнется автоматический процесс регулирования, который приведет к установке значения величины напряжения (О + О,) на участок И вольт-амперной характеристики гальванической ванны. Предлагаемое устройство обеспечивает возможность проведения гальванических процессов с источниками напряжения на токи 100-1500 А с большими уровнями пульсаций. Гакие токи применяются в процессах гальванической обработки заготовок печатных плат больших размеров.В известных устройствах, например в линиях автоматических для производства печатных плат АГГГМ 1.211.036, величина 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, влинии ЛГ) или измеряется устройством для измерения площади (как, например, в прототипе), Вследствие ошибок при определении площади поверхности, подлежащей. металлизации достигающих 25 - 30 о ), 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, вход 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, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, 10 15 20ка выполнен в виде трансформатора, один 40 45 25 30 35 с целью расширения технологических возможностей, экономии электроэнергии, повышения производительности и качества путем расширения диапазона регулирования 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 ес я тем, что, с целью упрощения конструкции, источник напряжения переменного тоиз 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.,Швыдкая агарина, 101 о-издательский комбинат "Патент", г. Ужгор Прои ст Заказ 2055 ТиражВ НИИПИ ГосУдарственного комитет113035, Москва, Ж Подписноео изобретениям и открытиям при ГКНТ СС35, Раушская наб., 4/Б