Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công Đề tài: Thiết kế nguồn mạ chiều có đảo chiều dòng mạ Sinh viên thực : Tống Thị Hiếu Lớp : TĐH2-K48 Giảng viên hớng dẫn : Phạm Quốc Hải Năm thực : 2006 Các tham số: Phơng án 2: Điện áp : Ud = Dòng tải max : Id =100(A) Thời gian thn Thêi gian ngỵc : 50 ¿ 200 (s) : ¿ 20 (s) ¿ 12 (V) ThiÕt kÕ nguồn mạ chiều có đảo chiều dòng điện mạ Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạ không đổi trình mạ Mạch phải có khâu bảo vệ chống chạm điện cực (bảo vệ ngắn mạch) Mục lục Chơng I .3 Công nghệ mạ điện yêu cầu kỹ thuật I.1 Tìm hiểu chung công nghệ mạ .3 I.2 Các thành phần mạ điện phân I.3.Mạ có đảo chiều dòng mạ I.4.Các tiêu đánh giá chất lợng lớp mạ Ch¬ng II: .9 Lùa chän ph¬ng án phù hợp cho nguồn mạ chiều II.1 Tæng quan chung .9 II.2 Chọn phơng án Ch¬ngIII 11 ThiÕt kÕ m¹ch lùc 11 III.1 TÝnh chän van lùc 11 III.1.1 Đặc điểm chung 11 III.1.2 Các thông số Thyristor .11 ThiÕt kÕ ngn m¹ mét chiỊu cã đảo chiều dòng điện mạ Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công III.1.3 Chän Thyristor .12 III.2 TÝnh to¸n m¸y biÕn ¸p (MBA) lùc 12 III.2.1 TÝnh toán sơ mạch từ MBA 13 III.2.2 Tính toán dây quấn 14 III.2.3 TiÕt diÖn cưa sỉ MBA 15 III.2.4 KÕt cÊu d©y quÊn MBA 15 III.2.5 Tính thông sè cña MBA 18 III.3 ThiÕt kÕ cuén kh¸ng läc .20 III.3.1.Xác định góc mở cực tiểu cực đại 20 III.3.2.Xác định điện cảm cuộn kháng lọc 20 III.3.3.ThiÕt kÕ cuén kh¸ng läc 21 III.4 TÝnh chän c¸c thiết bị bảo vệ 24 III.4.1 Bảo vệ nhiệt độ cho Thyristor 24 III.4.2.Bảo vệ dòng điện cho Thyristor 25 III.4.3 Bảo vệ điện áp cho Thyristor 26 di III.4.4 Bảo vệ chống tăng dòng dt cho Thyristor .27 III.5 Phơng pháp đảo chiều 27 III.5.1 Phơng pháp điều khiển chung: 27 III.5.2.Phơng pháp điều khiển riêng: 28 Chơng IV 29 thiết kế mạch điều khiển 29 IV.1 Yªu cầu mạch điều khiển 29 IV.2 Cấu trúc mạch điều khiĨn Thyristor 29 IV.3 C¸c khâu mạch điều khiển 30 IV.3.1 Khâu đồng pha 30 IV.3.2 Kh©u tạo điện áp ca 33 IV.3.3 Khâu so sánh 34 IV.3.4.Khâu dạng xung 35 IV.3.5 Khâu khuếch đại xung biến áp xung 36 IV.3.6.Khèi nguån 40 IV.3.7 Khâu phản håi: 42 IV.3.8 Chän c¸c linh kiƯn b¸n dÉn 43 ThiÕt kÕ nguån m¹ mét chiều có đảo chiều dòng điện mạ Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công Chơng I Công nghệ mạ điện yêu cầu kỹ thuật I.1 Tìm hiểu chung công nghệ mạ Do phát triển ngành công nghiệp nói riêng kinh tế nói chung nên ngày công nghệ mạ ngày đợc ứng dụng rộng rÃi ngành kỹ thuật điện, điện tử , công nghệ thông tin, làm đồ trang sức, để tăng độ chống ăn mòn, phục hồi kích thớc, tăng độ cứng, dẫn điện, dẫn nhiệt, phản quang, dễ hàn, làm bóng đồ trang sức Về nguyên tắc, vật liệu kim loại, hợp kim, chất dẻo gốm sứ composit Lớp mạ vậy, kim loại hợp kim composit kim loại chất dẻo kim loại gốmTuy nhiên việc chọn vật liệu mạ tuỳ thuộc vào trình độ, lực công nghệ mạ, tính chất cần có lớp mạ giá thành chi tiết mạ Ngày thờng sử dụng trình mạ điện điện phân theo sơ đồ nh hình I.1 Hình I.1: Sơ đồ bình điện phân Bể điện phân I.2 Các thành phần mạ điện phân I.1 Sơphần đồ nguyên mạ điện phân Mạ điện phân gồmHình thành bảnlýsau: I.2.1 Nguồn chiều: Thiết kế nguồn mạ chiều có đảo chiều dòng điện mạ Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công Thiết kế nguồn cho tải mạ điện, sau tìm hiểu công nghệ mạ, ta biết loại nguồn cho mạ điện điện chiều Các loại nguồn chiều cấp điện cho bể mạ bao gồm pin, ắc quy, máy phát điện chiều, biến đổi Máy phát điện chiều với nhợc điểm: cổ ghóp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn không đợc dùng thực tế Bộ biến đổi (BBĐ) có u điểm: thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ tự động hoá, dễ điều khiển ổn định dòng áp đợc dùng nhiều để làm nguồn cấp cho tải mạ điện Điện ¸p cđa BB§ thÊp: 3V, 6V, 12V, 24V,… T theo yêu cầu kỹ thuật mà ta chọn BBĐ với điện áp phù hợp I.2.2 Anot Anot điện cùc nèi víi cùc d¬ng cđa ngn mét chiỊu Trong trình điện phân anot tan dần vào dung dịch điện phân theo phản ứng ôxi hoá điện cực: M - ne = Mn+ Các cation kim loại (Mn+) tan vào dung dịch điện phân vàđi đến catot (chi tiết cần mạ) bám chặt lên bề mặt catot *Yêu cầu kỹ thuật: để đảm bảo chất lợng mạ trớc điện phân anot cần phải đợc đánh dầu mỡ, bụi, lớp rỉ, I.2.3 Catôt (chi tiết cần mạ) Catôt điện cực đợc nối với cực âm nguồn chiều Trên bề mặt catôt diễn phản ứng khử ion kim loại mạ: Mn+ + ne = M Các nguyên tử kim loại mạ đợc sinh tạo thành lớp kim loại bám lên bề mặt catôt gọi lớp mạ *Yêu cầu kỹ thuật: Để đảm bảo chất lợng lớp mạ trớc thực trình mạ điện cần phải quan tâm tới độ độ bóng bề mặt chi tiết cần mạ -Độ bề mặt chi tiết cần mạ cao nguyên tử kim loại mạ có khả liên kết trực tiếp với mạng tinh thể kim loại chi tiết để đạt đợc độ gắn bám cao lớp mạ chi tiết cần mạ -Độ nhẵn bề mặt chi tiết cần mạ ảnh hởng lớn đến độ nhẵn bóng vẻ đẹp lớp mạ Nếu bề mặt nhám, xớc phân bố điện mật độ dòng điện không Bề mặt chi tiết sau mạ có chỗ lõm, chỗ lồi, xuất rÃnh sâu Vậy để lớp mạ bám chặt vào bề mặt chi tiết lớp mạ hơn, bóng hơn, chất lợng lớp mạ cao,thì catôt cần phải đợc gia công bề mặt nhẵn bóng, lớp bụi, lớp rỉtrớc đa vào mạ Thiết kế nguồn mạ chiều có đảo chiều dòng điện mạ Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công Catôt sau đợc đánh bóng, cần phải nhúng gập dung dịch điện phân, không sát đáy bể điện phân Chỗ nối catốt với nguồn chiều phải đảm bảo tiếp xúc tốt, không gây tợng phóng điện trình điện phân Tuyệt đối không đợc để chạm trực tiếp catôt anot đà nối mạch điện I.2.4 Dung dịch điện phân: Dung dịch mạ giữ vai trò định lực mạ (tốc độ mạ, chiều dày tối đa, mặt hàng mạ) chất lợng mạ Dung dịch mạ thờng hỗn hợp phức tạp gồm ion kim loại mạ, chất điện ly (dẫn điện) chất phụ gia nhằm đảm bảo thu đợc lớp mạ có chất lợng tính chất nh mong muốn + Dung dịch muối đơn: Còn gọi dung dịch axit, cấu tạo muối axit vô hoà tan nhiều nớc phân ly hoàn toàn thành ion tự Dung dịch đơn thờng dùng để mạ với tốc độ mạ cao cho vật có hình thù đơn giản + Dung dịch muối phức: Ion phức tạo thành pha chế dung dịch Ion kim loại mạ ion trung tâm nội cầu phức Dung dịch phức thờng dùng trờng hợp cần có khả phân bố cao để mạ cho vật có hình dáng phức tạp + Các phụ gia: - Chất dẫn điện : Đóng vai trò dẫn dòng điện dung dÞch - ChÊt bãng: ChÊt bãng thêng đợc dùng làm cho lớp mạ nhẵn mịn bóng - Chất san bằng: Các chất cho lớp mạ nhẵn, phẳng - Chất thấm ớt: Trên Catot thng cã phản ứng phụ sinh khÝ Hydro Chất thóc y thóc đẩy bọt khÝ mau t¸ch khỏi bể mạ, ly thúc m cho trình m nhanh hn *Yêu cầu kỹ thuật: -Dung dich mạ phải có độ dẫn điện cao để giảm tổn thất điện trình mạ đồng thời làm cho lớp mạ đòng -Trong dung dịch mạ mật độ dòng điện đại lợng gây phân cực điện cực Trong trình mạ, mật độ dòng điện yếu tố quan trọng có ảnh hởng đến chất lợng lớp mạ Mật độ dòng điện cao làm cho trình phân cực nhanh làm cho lớp mạ mịn, sít chặt đồng nguyên tử kim loại mạ đợc sinh nhanh Thiết kế nguồn mạ chiều có đảo chiều dòng điện mạ Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công Nhng mật độ dòng điện cao lớp mạ bị cháy Ngợc lại mật độ dòng điện thấp tốc độ mạ chậm kết tủa thô, không làm lớp mạ chất lợng Vì dung dịch mạ cho lớp mạ có chất lợng mạ cao khoảng mật độ dòng điện định Tuỳ theo yêu cầu đặc thù chi tiết cần mạ mà chọn dung dịch mạ có mật độ dòng điện phù hợp -Mỗi dung dịch mạ cho chất lợng lớp mạ tốt khoảng nhiệt độ độ pH định I.2.5 Bể điện phân Bể điện phân làm vật liệu cách điện, bền hoá học, nhiệt độ, không thấm nớc I.3.Mạ có đảo chiều dòng mạ Thông thờng để thực mạ ta dùng dòng điện không đảo chiều cấp vào anôt catôt Nhng số trờng hợp mạ đặc biệt, mạ đồ trang sức kim loại quí nh: vàng, bạch kimhay sản phẩm yêu cầu chất lợng cao, mạ khó bámthì ngời ta dùng dòng mạ có đảo chiều Nguyên tắc mạ ®¶o chiỊu nh sau: I Ic t tc Ia Trong thời gian tta c vật mạ chịu phân cực catôt nên đợc mạ vào với cờng độ dòng thuận Ic, sau dòng điện đổi chiều thời gian ta vật mạ chịu phân cực anôt nên tan phần.Sau lại bắt đầu chu kì Thời gian chu kỳ T= tc + ta NÕu Ic tc > Ia ta th× vËt đợc mạ Khi lớp mạ bị hòa tan điện lợng Ia ta , đỉnh nhọn, gai, khuyết tật chỗ hoạt động anôt mạnh nên tan nhanh nhất, kết thu đợc lớp mạ nhẵn, hoàn hảo Tuỳ dung dịch mà chọn tỷ lệ t c: ta cho hợp lý (5:1 đến10:1)và T thờng từ 5:10s Với yêu cầu cụ thể đồ án tỷ lệ t c: ta không đổi 10:1 Thiết kế nguồn mạ chiều có đảo chiều dòng điện mạ Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công Phơng pháp dùng đợc mật độ dòng điện lớn dùng dòng ®iƯn mét chiỊu th«ng thêng Mạ đảo chiều lày thóc m tng cờng trình m my thúc thu đợc lớp mạ tốt I.4.Các tiêu đánh giá chất lợng lớp mạ Chất lợng mạ chiều đợc qui định yếu tố sau: độ bám chặt, độ bóng, độ dày lớp mạ Chế độ dòng điện ảnh hởng lớn đến chất lợng lớp mạ Tuỳ theo yêu cầu sản phẩm nh: cần độ bền học cao hay thấp, mức độ chống ôxi hoá mà độ dày lớp mạ dày hay mỏng Để dạt độ dày cần thiết cần phải có thời gian mạ hợp lý I.4.1.Độ bám lớp mạ Đây tiêu quan trọng, định độ bền sản phẩm, lớp mạ sau mạ lại có độ bám dễ bị bung bề mặt vật cần mạ bị lộ xấu, dễ bị ôxi hoá dẫn đến hỏng không đáp ứng đợc yêu cầu chất lợng lớp mạ I.4.2.Độ bóng bề mặt lớp mạ Độ bóng bề mặt lớp mạ thông số quan trọng, tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm đặc biệt đồ trang sức Đồng thời độ bóng lớp mạ cao tăng độ bền học cho chi tiết mạ Để tăng độ bóng ta dùng mạ đảo chiều mạ lớp mạ phủ bề mặt chỗ dày có chỗ mỏng nên cần phải có đảo chiều để san lớp mạ Thiết kế nguồn mạ chiều có đảo chiều dòng điện mạ Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công Chơng II: Lựa chọn phơng án phù hợp cho nguồn mạ chiều II.1 Tổng quan chung Trong công nghệ mạ điện nguồn mạ chiều yếu tố quan trọng, có ảnh hởng lớn tới trình trình mạ chất lợng lớp mạ thu đợc Công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn ngày xác, hoàn thiện, độ tin cËy cao, kÝch thíc nhá cïng víi c¸c u điểm vợt trội biến đổi (BBĐ): thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ điều khiển ổn định dòng Do nên BBĐ đợc sử dụng làm nguồn mạ chiều Để chọn BBĐ phù hợp với yêu cầu công nghệ đề ta xét số đặc điểm phơng án sau: 1.1.Chỉnh lu cầu pha: đợc ứng dụng mạch có công suất nhỏ nhng không phù hợp với điện áp tải nhỏ 1.2.Chỉnh lu hình tia hai pha: đợc sử dụng mạch có công suất nhỏ điện áp tải thấp, dòng điện tải lớn Bởi vì, sơ đồ tổn hao van bán dẫn hơn, nên công suất tổn hao van so với công suất tải nhỏ hơn, hiệu suất thiết bị cao 1.3.Chỉnh lu hình tia ba pha: đợc ứng dụng mạch có công suất trung bình điện áp tải thấp 1.4.Chỉnh lu cầu ba pha: có tham số tốt nhất, đợc ứng rộng rÃi toàn dải công suất từ nhỏ đến lớn nhng không phù hợp với điện áp tải thấp II.2 Chọn phơng án Theo yêu cầu công nghệ: Nguồn mạ chiều cần thiết kế nguồn có: Điện áp : Ud = 12 (V) Dòng tải max Thời gian thn Thêi gian ngỵc : : Id =100(A) : 50 ¿ 200 (s) ¿ 20 (s) ThiÕt kÕ nguồn mạ chiều có đảo chiều dòng điện mạ Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công Tức điện áp tải thấp, công suất trung bình dòng lớn Qua phân tích nên chọn chỉnh lu hình tia hai pha làm nguồn mạ chiều Sơ đồ nguyên lý chỉnh lu tia hai pha có dạng nh hình II.1: T1 U21 U1 Tải U22 T2 Trong sơ đồ chỉnh lu đồ hình tia hailýpha Hình II.1 Sơ nguyên mạchcó: chỉnh lu tia hai pha + Một máy biến áp hạ ¸p mét pha hai cn thø cÊp cã ®iĨm trung tính -Sơ cấp biến áp có điện áp U1 điện áp lới xoay chiều 220V, với số vòng dây W1 -Thứ cấp biến áp có điện áp U 2: 12V- 0V- 12V, với số vòng dây W 21 W22 Hai cuộn thứ cấp phải có thông sè gièng hƯt +Hai Thyristor T1, T2 ®Ĩ chØnh lu dòng xoay chiều từ điện áp lới thành điện áp chiều tải Nguyên lý làm việc: u21 u22 ud id Id Nöa chu kỳ đầu giả sử điện áp u21 dơng u22 Thyristor T1 có khả Hình Đồ cho thị tới điện dòng củađachỉnh lu tiamở haiTpha =điện dẫn nhng cha dẫnII.2 thờiápđiểm xung vào , T bắt 1 đầu dẫn Khi điện áp chỉnh lu có dạng điện áp u21 nh hình II.2 Nhng tải có tính cảm lớn nên u21 =0 th× T1 vÉn dÉn cho tíi T2 đợc mở Nửa chu kỳ sau điện áp u22 dơng u21 Thyristor T2 có khả dẫn nhng cha dÉn cho tíi thêi ®iĨm θ = + + đa xung vào mở T2, T2 bắt đầu dẫn Khi điện áp chỉnh lu có dạng điện áp u22 nh hình II.2 Khi u22 = th× T2 vÉn dÉn cho tíi T1 đợc mở trở lại Nh điện áp tải sau chỉnh lu hình tia hai pha có dạng nh hình II.2 Thiết kế nguồn mạ chiều có đảo chiều dòng điện mạ