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;
- 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.
Источник
Блок питания для домашней гальваники
Раньше в мой набор для домашней гальваники
http://www.livemaster.ru/item/2190211-materialy-dlya-tvorchestva-nabor-dlya-domashnej
входил блок питания YaXun 1501. Главным достоинством его была скромная цена. Сила тока до 0.8А — достаточно для некрупных изделий. Сейчас появляется в продаже очень редко. Иногда под брэндом Element или не важно каким — внешний вид тот же. (К 2014 году, кажется, исчез совсем.)
Новый бюджетный вариант — блок 1502DD или просто 1502 (означает 15 Вольт, 2 Ампера), фирмы YaXun, Dazheng, Baku и прочие «китайцы». Рекомендую покупать самостоятельно — у вас будет гарантия магазина. Раньше у меня был запас на продажу, но с лета 2015-го вряд ли — цена ощутимо подросла, а качество средненькое: при тех же 0.8А он может часа за два перегреться. Какой экземпляр попадется. Так что — гарантия и еще раз гарантия.
Другие варианты и подробная информация по выбору БП — в моей статье — запрос в Яндексе или Гугле:
dekorata блок питания для гальваники
(Прямую ссылку не даю, т.к. здесь их удаляют. Цены там безнадежно устарели, но для понимания сути статья актуальна.)
Некоторые (но не все) БП для зарядки автомобильных аккумуляторов подходят для крупной гальваники. Начальная сила тока у них обычно 0,4 Ампер и больше.
Для мелких изделий (и вообще в начале меднения по графиту) нужна сила тока 0,1-0,2 А.
Информация по БП для тех, кто разбирается в электричестве и может самостоятельно собрать схему из 2-3 деталек.
К любой 5-вольтовой зарядке, которая стабильно держит ток 0,7-1А можно последовательно с ванной добавить резистор — и вы получите нужную силу тока. Комбинацией резисторов ток можно регулировать. (Напряжение на ванне 0,3-0,5 В, сопротивление близко к нулю (меньше 1 Ома), так что при расчете величины резистора ее можно не учитывать.)
У лабораторных БП серии 1502 (выполненных по линейной схеме — регулирующий элемент (транзистор) последовательно с нагрузкой) сзади мощный транзистор, он сильно греется. Что чревато выходом блока из строя. Если включить последовательно с ванной резистор, часть тепла будет выделяться на нём.
Пример расчета: 15 Вольт, 1 Ампер, напряжение на ванне очень мало — на транзисторе выделяется 15 Ватт тепла. Если включить резистор 12 Ом, при токе 1А на резисторе будет 12 Ватт, на транзисторе 3 Ватта. (все расчеты приблизительные).
Из автомобильных БП годятся «Орион» PW 265 и 325. Максимальные токи 7 и 18 Ампер. (Тонкие проволочки раскаляются докрасна, вплавляются в бортики пластмассовой ванны, сгорают! Реально для изделия размером с яблоко достаточно 3-5 Ампер.) У второго шумный вентилятор. У них одна ручка регулировки тока. Для снижения начального тока надо включить шунт (резистор параллельно ванне) 0,5-1 Ом.
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