脈衝電鍍電源

由於受脈衝電鍍電源內部電感、電容等器件及外加負載的影響，實際應用中的脈衝波形近似於梯形。可簡單地用如圖1中的波形來表示。

在電鍍體系中，電極/溶液界面間的雙電層近似於一個平板電容器。板問具有很高的電容。當向該電鍍體系施加脈衝電流時，必須首先給雙電層充電。

雙電層充滿電(脈衝電流密度從零增至峯值)需要一定的時間t_c。脈衝電流密度不可能從零垂直增至峯值，而是需要一定的“爬坡”。“爬坡”所需要的時間可簡單地視作脈衝的上升時間(確切的脈衝上升時間定義：脈衝電流密度由峯值電流密度的10%上升到90%所需要的時間)，上升時間也稱作“上升沿”、“前沿”、“上衝”等。

當脈衝電流密度“爬坡”至峯值並持續一段時間t_b後，開始進入關斷期。進入關斷期後，脈衝電鍍電源雖然停止向該電鍍體系供電，但雙電層放電(從滿電釋放至零)會使電流維持一段時間t_d所以，此時脈衝電流密度不可能從峯值垂直下降至零，而是需要一定的“下坡”。“下坡”所需要的時間可簡單地視作脈衝的下降時間(確切的脈衝下降時間定義：脈衝電流密度由峯值電流密度的90%下降到10%所需要的時間)，下降時間也稱作“下降沿”、“後沿”、“下衝”等。

正是由於脈衝前、後沿的客觀存在，使實際脈衝電鍍中的電流波形不可能足理想的方波，而是一種不規則的近似於梯形的波形。尚無法確知前、後沿對鍍層質量的影響有多大，但可確知其存在會使脈衝電鍍瞬時高電位的有利作用得不到充分發揮。所以，脈衝電鍍中總是要求脈衝前、後沿儘可能小，一般要求前沿20～100μs，後沿30～100μS。其實，不應只要求前、後沿大小，避免前、後沿大於(或等於)導通、關斷時間也很必要。否則，若前沿(遠)大於導通時間，後沿(遠)大於關斷時間，則鍍槽內只能得到在平均電流附近變化的脈衝電流，即：脈衝電流實際變成了直流電流。其波形，如圖2所示。 ^[1] 

一般高頻脈衝定義為頻率大於5000 Hz，低頻為頻率小於500Hz，中頻則在500～5 000Hz之間。用於電鍍的脈衝電源多屬於中頻類型。當使用頻率較低的脈衝電源時，其改善鍍層質量的效果會稍差。所以，低頻脈衝電源多用於陽極氧化或其他工藝，而較少用於電鍍，尤其是貴金屬電鍍。

當使用頻率較高的脈衝電鍍電源時，脈衝前、後沿極易對導通、關斷時間造成嚴重影響，從而影響脈衝電鍍瞬時高電位有利作用的充分發揮。例如：脈衝鍍金，頻率5000Hz(此時脈衝週期0.2 ms)，佔空比20%，則導通時間為40μs，此時，假設脈衝前沿為最小的20μs(實際可能更大)，則其比例至少佔到了導通時間的50%；若頻率大於5000Hz，佔空比小於20%(脈衝鍍金時佔空比很多時候選10%)，則前沿佔導通時間的比例會更大，甚至前沿會大於導通時間，如此，脈衝電鍍改善鍍層結晶的作用肯定會受嚴重影響。實際脈衝電鍍貴金屬生產中，頻率多在1000Hz左右。

當使用頻率更高的脈衝電源(上萬或幾萬赫茲)時，其輸出的電流多是如上圖所示的電流波形，實質是一種直流電流，與能夠改善鍍層結晶的方波脈衝電流有本質的區別。 ^[1] 

常見的脈衝電鍍電源主要有以下幾種類型：

(1)單脈衝電鍍電源

輸出導通時間和關斷時間可調的單向正方波，波形如圖3所示。

一般為中頻可調，佔空比為0%～100%可調。當佔空比為100%時，脈衝電流變成直流電流。

(2)雙脈衝電鍍電源

即週期換向脈衝電鍍電源，輸出波形如圖4所示。

另外，還可輸出屬於雙向功能的單個脈衝換向、無關斷時間的單個脈衝換向、直流與脈衝換向及屬於單向功能的單脈衝和直流、直流疊加脈衝、間斷脈衝等波形。

頻率和佔空比調節範圍與單脈衝電鍍電源的大致相同。

(3)多脈衝電鍍電源

即多組換向脈衝電鍍電源，主要循環輸出多組脈寬、頻率、幅值、換向時間、持續時間等參數各不相同的直流、單向或週期換向脈衝電流，波形如圖5所示。

(4)計算機控制多脈衝電鍍電源

在多脈衝電鍍電源的基礎上增加計算機全自動控制和過程監控，可實現動態畫面顯示、數據庫管理(數據存儲、查詢、打印等)、系統自動保護、聲光報警及信息提示等功能。 ^[2] 

節電：效率≥90%，比硅整流省電達40%左右或比可控硅電源省電達20%左右。

節料：由於它的工作原理與普通電源不一樣，因此在達到相同表面要求的前提下，可節料達15%左右。

節時：由於採用高頻脈衝工作方式，電鍍完全是在過電位下的電沉積，因此可節約時間達10%左右，提高工效。

高頻脈衝電源採用N+1方式多個並聯，(硅整流或可控硅電源不可以)，大功率、大電流可任意並用，效率更高。

高頻電源的穩定性：由於採用了最新現代半導體雙極型器件(IGBT智能模塊)，其可靠性、安全性、穩固性和長時間工作壽命都大大加強和延長，這也是硅整流或可控硅電源無法比擬的。

高頻脈衝電源：其工作時，脈衝頂部非常之平，完全是一條直線，紋波可小到0.5%，關斷時可對被鍍件進行瞬間退鍍整平，因此克服了硅整流或可控硅電源的脈動波紋及被鍍件表面的高低區，不會形成高的地方鍍層厚，低的地方鍍層薄的現象。 ^[2] 

1.脈衝參數表示

Q：週期 Ton：脈衝導通時間

Toff：脈衝關斷時間

f：頻率

Jp： 脈衝電流密度

Jm：平均電流密度

r%：佔空比(導通時間與週期之比的百分數)

2.常用計算公式

①佔空比：r%=(Ton/Q)×100%=[Ton/(Ton+Toff)]×100%

②平均電流密度：Jm=Jp×r% =Jp×[Ton/(Ton+Toff)]×100%

③頻率：f=1/Q=1/×(Ton+Toff) ④平均電流密度：Jm=Jp×r%

3.脈衝參數的選擇

⑴脈衝導通時間Ton選擇：

脈衝導通時間Ton是由陰極脈動擴散層建立的速率或由金屬離子在陰極表面消耗的速率Jp來確定。如果Jp大，金屬離子在陰極表面消耗得快，那麼，脈動擴散層也建立得快，則Ton可短些，反之則取長。但無論Ton取長或短，只要大於tc(電容效應產生的放電常數)即可。

⑵脈衝關斷時間Toff選擇：

脈衝關斷時間Toff是受特定離子遷移率控制的陰極脈動擴散層的消失速率來確定。如果將擴散層向脈動擴散層補充金屬離子使之消失得快，則Toff可取短些，反之則長，但Toff只要大於tcd(電容效應產生的時間常數)即可。

⑶脈衝電流密度Jp的選擇：

脈衝電流密度Jp是脈衝電鍍時金屬離子在陰極表面的最大沉積速度，它的大小受Ton、Toff、Jm的制約，在選定Ton和Toff，並保持Jm/Jgg≤0.5這個比值，則希望Jp越大越好。

⑷脈衝佔空比r%選擇：

脈衝佔空比是由Ton和Toff及Q決定的，一般脈衝電鍍貴重金屬時，佔空比選取10~50%為最佳，脈衝電鍍普通金屬時，佔空比選取25~70%。佔空比的真正選擇要在實際試驗後得到最佳結果。 ^[2] 

1.脈衝電鍍電源與鍍槽之間的距離

為了確保脈衝電流波形引入鍍槽時不畸變，且衰減小，希望在安裝時，脈衝電鍍電源與鍍槽的間距2～3m為佳，否則對脈衝電流波形的後沿(下降沿)影響較大，電鍍將不能達到預期效果。 ^[2] 

2.陰、陽極的導線連接方式

直流電源的導線連接方式，不適合脈衝電源的連接，脈衝電鍍電源的輸出連接，希望兩根導線的極間電容能夠抵消導線的傳輸電感效應，因此陰、陽極導線最好的方法就是雙絞交叉後，引送到鍍槽邊，從而保持脈衝波形不變。

總之，採用高頻脈衝整流機，總體效益提高20%左右，符合現代企業清潔生產與可持續發展之要求，這是淘汰硅整流和可控硅整流機的必然優勢。 ^[1]