Блок питания для гальваники
Какой блок выбрать. Надежный, компактный, простой в использовании.
«Я не физик, я не химик. »
«. в электричестве не разбираюсь. Боюсь запутаться в проводах, схемах. Какой блок питания мне купить для гальванопластики? Чтобы работать с ним было просто и удобно. Это возможно?»
Да, есть такие блоки питания (БП). Давайте рассмотрим их преимущества и недостатки.
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.
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.
Самый дешевый
Китайские братья, почти близнецы.
Dazheng PS-1502D и Dasheng PS-1502DD.
Цифры означают 15 Вольт, 0 2 Ампера.
Модели отличаются набором регуляторов и клемм.
У 1502D только регулируется напряжение ручками «грубо» и «точно». У 1502DD две ручки слева
позволяют выставить максимальный ток (защита по току) и диапазон напряжения.
Цена 600-700 руб.
Пафосные светящиеся индикаторы напряжения и тока. Проснулись ночью, как там моя гальваническая ванна поживает? – Если сила тока в норме, значит хорошо.
В комплекте кучка проводов для тестирования и зарядки мобильников.
Ненадежный. Производители сэкономили на всём, отсюда и низкая цена. Если сгорит быстро, обязаны заменить по гарантии. Вместо рукоделия будет бодание с продавцами.
Более вероятно, что при большой силе тока он будет глючить. Поработает 20 минут нормально, перегреется, и станет показывать нереальную силу тока, плюс-минус километр. Медь будет осаждаться, качество покрытия будет иногда прекрасное, но чаще ужасное. Потратите много времени и материалов, и не получите хотя бы отрицательного опыта, от которого можно отталкиваться. Потому что неправильные цифры на фасаде будут вас дезинформировать.
Кто же покупает такие БП? Небогатые энтузиасты-электронщики. Корпус и индикаторы у него хорошие, по отдельности купить дороже станет, парадокс. С помощью тестера и своих знаний мастера могут его контролировать и чинить. Или сразу переделывают. Ставят хороший радиатор, меняют трансформатор, меняют диодный мост и конденсатор, меняют. – ну вы поняли. Хобби у электронщиков такое. А у нас другое. Интернет полон техническими подробностями по доработке и переделке , но это не наш путь.
Оптимальный
Приличная фирма по доступным ценам – Mastech.
Источник
Источник тока для гальваники. Часть I — типа теория
Прошло много времени после моей последней публикации на эту тему. Исходные подходы к решению этой задачи претерпели заметные изменения, я перерыл огромное количество информации и сжег десятки (буквально) прототипов в процессе отладки и доводки. Все оказалось отнюдь не так просто, как казалось в самом начале (и не только в самом начале), да и обстоятельства не способствовали быстрому завершению процесса. Тем не менее силовая часть, наконец-то, получилась такой, как я хотел — со встроенной стабилизацией и уходом вниз по частоте под нагрузкой, так что, я надеюсь, есть смысл описывать то, что получилось. В процессе работы над проектом накопилось изрядное количество полезной информации, которую я тоже постараюсь изложить. В связи с этим осторожно, многабукаф.
Формулируем задачу
Один из самых важных этапов в изготовлении плат с металлизацией — осаждение меди в отверстиях. Вариантов активации перед осаждением существует много, от графита и классического палладиевого активатора, до гипофосфитного способа и экзотики в виде проводящих полимеров. Но после активации следует общий для всех методов процесс, а именно электрохимическое (гальваническое) осаждение меди. Этот процесс в самом общем виде описывается законами Фарадея. Если к этим законам добавить определение силы электрического тока (а именно, что ток это заряд протекающий в цепи за единицу времени) не трудно догадаться, что для осаждения понадобится пропускать фиксированный ток в течении определенного времени. Поскольку законы Фарадея определяют массу вещества, а нам нужно получить медь определенной толщины, то с этой точки зрения удобнее оперировать не током, а плотностью тока (то есть током на единицу площади поверхности платы). Но если покопаться в деталях, то окажется, что плотностью тока фактически задается режим работы гальванической ванны в целом, так что практически везде в описании гальванических процессов в качестве одного из основных параметров используется именно плотность тока. Но, естественно, при осаждении меди на заготовку мы имеем дело с конкретными размерами заготовки и для фиксации режима необходимо фиксировать ток.
Из написанного выше непосредственно следует, что напряжение между катодом и анодом в гальванической ванне нас интересует мало, оно получается «автоматически» в конкретной гальванической ванне с конкретной заготовкой и электролитом в процессе задания необходимой плотности тока. Тем не менее, это напряжение существенно влияет на выбор подходов к реализации источника питания для гальваники. На практике (по крайней мере в любительских условиях) напряжение на ванне редко превышает несколько вольт (по собранной мной информации в типичных режимах менее 2В). На это напряжение существенно влияет как форма и размер ванны и электродов так и состав электролита. Последний пункт имеет смысл рассмотреть подробнее. Основное требование для осаждаемого слоя меди — равномерность по всей поверхности, в первую очередь в отверстиях. Этого не так просто достичь как может показаться. Основных проблем две — отверстия искажают форму электического поля в электролите (а именно это поле и есть то, что двигает ионы меди в электролите и восстанавливает ионы меди до металла, формируя таким образом осаждаемый слой). На участках где поле сильнее (как правило это края заготовки и отверстий) напряженность поля выше и процесс идет быстрее, что, в свою очередь, приводит к еще большему искажению поля и еще большему ускорению осаждения меди. Иначе говоря, процесс разбалансируется. Как не сложно заметить, внутренние части отверстий из-за этого эффекта оказываются в невыгодном положении и меди туда садится меньше, чем на поверхность. На проявление этого эффекта сильно влияет так называемая рассеивающая способность электролита (в англоязычной литературе используется термин «throwing power»). Чем выше рассеивающая способность, тем менее выражено влияние неравномерности электрического поля и равномернее покрытие. Вторая проблема — в слое электролита непосредственно прилегающему к поверхности заготовки ионы меди восстанавливаются до металла и оседают на заготовке (катоде), а это приводит к локальному обеднению слоя электролита ионами меди. Это решается перемешиванием электролита (целая отдельная большая тема), но и в этом случае отверстия оказываются в невыгодном положении. По большому счету все оптимизации процесса осаждения меди направлены на борьбу с этими двумя явлениями. Одно из направлений — использование тока различной силы и направления (чуть-чуть подробнее об этом чуть ниже).
Для металлизации плат используются почти исключительно сернокислые электролиты меднения. В их состав входит три основных компонента — вода, серная кислота и сернокислая медь (купорос) (другие компоненты могут быть, могут отсутствовать, но три названых присутствуют всегда). Существуют два основных подхода к выбору соотношения основных компонентов — (условно) «много меди и мало кислоты» и «много кислоты и мало меди». Первый тип электролитов из-за высокого содержания ионов меди в растворе менее подвержен локальному истощению в процессе осаждения. Второй тип, соответственно, наоборот. Но тут есть одна засада — рассеивающая способность электролитов с высоким содержанием меди значительно ниже, чем у электролитов с высоким содержанием кислоты. Более того, рассеивающая способность быстро растет по мере повышения концентрации кислоты и понижению концентрации ионов меди. В промышленности последнее время наметился переход от электролитов с высоким содержанием меди к электролитам с высоким содержанием кислоты. Причина проста — по мере уменьшения диаметра переходных отверстий становится все сложнее получать стабильную металлизацию с использованием электролитов имеющих низкую рассеивающей способностью. Ну а для борьбы с локальным истощением электролита применяются разнообразные способы перемешивания и (опять-таки) ток различной силы и направления.
Исследования, как их иногда называют, нестационарных режимов осаждения ведутся давно, но, насколько я понял, во всех деталях, что в это время происходит в электролите, никто не знает. Тем не менее, уже имеющиеся результаты активно используются в промышленности. Причина проста — в определенных сочетаниях условий (состав электролита + форма тока) качество покрытия значительно улучшается — увеличивается пластичность, падает удельное сопротивление, улучшается структура (что влияет, например, на стойкойсть к термоциклированию). Но главное, в некоторых ситуациях удается контролировать рост слоя меди на поверхности и внутри отверстий добиваясь не просто выравнивания скорости роста, но даже превышение скорости роста слоя меди внутри отверстий над скоростью роста на поверхности (где уже есть фольга и лишняя медь не нужна). Мне попадались публикации, в которых авторы утверждают, что им удалось добиться практически нулевого роста на поверхности и полного заполнения медью в отверстиях. Никакие другие способы (скажем, добавки в электролит) не позволяют получать ничего подобного даже близко.
Еще одно интересное направление — использование реверсивных импульсных токов для получения высококачественных покрытий без применения блескообразователей, на чистом базовом электролите (купорос + серная кислота + незначительное количество ионов хлора). Значительных успехов в этом добилась фирма Faraday Technology (тем, кого не пугает английский, настоятельно рекомендую почитать патенты полученные этой компанией на технологии осаждения, ссылки есть на странице The Technology). С любительской колокольни это интересно по двум причинам: блескообразователи есть далеко не всегда и не везде. Но даже если достать их не проблема, блескообразователи сильно усложняют процесс обслуживания гальваники, требуя периодической чистки от органики, регулярного контроля и коррекции электролита. Их отсутствие, соответственно, позволяет этого всего избежать, что особенно существенно если гальваника используется не регулярно (а это обычная ситуация у любителей).
Итого еще два требования — стабильность работы с низкими напряжениями и возможность оперативно изменять силу и направление тока.
В целом, понятно, что нужно изменять силу и направление тока, осталось выяснить как часто и насколько сильно. На эту тему информации много, но она, в основном, общего характера, конкретные исследованные режимы описаны либо в публикациях к которым нет свободного доступа, либо стали основой для патентов (но в патентах готовых режимов тоже нет, вместо этого накрываются целые диапазоны режимов, чтобы максимально усложнить жизнь тем, кто попытается сделать что-то подобное самостоятельно). К счастью одна публикация таки нашлась. Из них следует, что минимальная длительность импульса тока — 1мс. Мне попадались публикации в которых упоминались более высокочастотные режимы (до 10кГц), но в отсутствие других подробностей воспользоваться подобными режимами будет сложно.
Из законов Фарадея следует, что при использовании тока с изменяющимся направлением скорость осаждения будет пропорциональна разнице зарядов переносимых во время прямого и обратного импульсов. Это значит, что для сохранения скорости осаждения величина тока в течении прямого импульса должна быть больше, чем на постоянном токе, чтобы компенсировать заряд перенесенный во время обратного импульса (в итоге средний ток остается таким же как и для постоянного тока). Из упомянутой выше публикации так же следует, что в некоторых режимах обратный ток может в разы (до 4-х раз) превышать прямой. Итого имеем следующие требования: минимальная длительность импульса тока должна быть 1мс, источник должен иметь запас по выходному току в несколько раз выше необходимого для режимов постоянного тока. Поскольку ВАХ гальванической ванны мало отличается от линейной (по крайней мере из тех данных, что у меня есть), в импульсных режимах понадобятся пропорционально большие выходные напряжения.
Несколько слов о самих режимах осаждения. Режимы осаждения при использовании промышленных блескообразователей определяются производителем блескообразователя. Для разных блескообразователей эти режимы несколько отличаются, но как правило лежат в диапазоне 2-4А/дм2. Замечу, что практически всегда указывается и нижняя граница плотности тока. Причина проста — блескообразователь для нормальной работы требует, что бы напряженность поля была не меньше некоторой величины. Без блескообразователя плотности тока обычно не превышают 1-1.5А/дм2. Итого получается 1-4А/дм2. Типичная «любительская» заготовка размером 100х160мм имеет площадь 3.2дм2 (не забываем, что учитывается вся площадь заготовки, а это две стороны). Из этого не сложно посчитать, что для постоянного тока понадобится до 12-13А, а для некоторых реверсных режимов может понадобиться до 60А в импульсе даже на такой небольшой заготовке.
Еще один существенный момент: сразу после активации (и в некоторых случаях химмеднения) проводящий слой на поверхности отверстий достаточно тонкий и в процессе погружения заготовки в электролит (в котором изрядно серной кислоты) его можно легко повредить. Чтобы этого избежать применяется так называемая загрузка под током, то есть напряжение на заготовку подается до того, как она опускается в гальваническую ванну. Для этого режима нельзя применять стабилизацию тока, поскольку пока заготовка не погружена в электролит полностью плотность тока может многократно превысить рабочие величины и покрытие получится с дефектами и/или плохой адгезией. В этом случае нужен режим стабилизации напряжения, который позволит наращивать ток пропорционально площади заготовки находящейся в электролите. Замечу, что нет необходимости поддерживать именно рабочий ток. Достаточно небольшого смещения потенциалов, чтобы остановить реакцию проводящего слоя и электролита. Итого имеем еще одно требование — возможность работы в режиме стабилизации напряжения, причем напряжения очень низкого (десятки-сотни милливольт).
Источник