Thiết Kế Bộ Nguồn Một Chiều Cho Tải Mạ Điện (Kèm Bản Vẽ Autocad)

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

LỜI MỞĐẦU
Mạ kim loại ra đời và phát triển hàng trăm năm nay. Ngày nay mạ kim loại đã tr ở
thành một ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu hết các nước trên thế giới, phục v ụ
một cách đắc lực cho mọi ngành khoa học k ỹ thuật sản xu ất v à đời s ống v ăn minh con
người.
Mạ kim loại không chỉ làm mục đích bảo vệ khỏi bị ăn mòn mà còn có tác dụng
trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụng cụ máy móc và đồ trang sức …
Ngày nay không riêng gì ở những nước phát triển mà ngay trong nước ta k ỹ thu ật
msj đã có những bước phát triển nhảy vọt, thỏa mãn yêu c ầu k ỹ thu ật trong s ản xu ất
cũng như trong kinh doanh.
Để có một lớp mạ tốt ngoài những yếu tố khác thì nguồn điện dùng để mạ là rất
quan trọng.
Trên cơ sơ đó đồ án này có nhiệm vụ: ‘‘ Thiết Kế Bộ Nguồn Một Chiều Cho
Tải Mạ Điện ”.

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 1


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

MỤC LỤC
Lời mởđầu…………………………………………………………..…………………....1
Chương I: Tổng quan về mạđệ

i n……………………………………………………….4
1.1 Yêu cầu của mạ
điện…………………………………………………………..............5
1.2 Thành phần dung dịch và chế độ
mạ………………………………………………….6
1.2.1 Thành phần dung dịch mạ……………………………………………….............6
1.2.2 Chế độ mạ………………………………………………………………………
10
Chương II: Khái quát về các bộ nguồn chỉnh lưu……………………………............15
2.1 Nguồn điện cung cấp………………………………………………………...............15
2.2 Thiết bị chỉnh lưu…………………………………………………………….............15
2.2.1 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ……………………………………………………...15
2.2.2 Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính…………………………............17
2.2.3 Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng…………………………………...19
2.2.4 Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng……………………………20
2.2.5 Chỉnh lưu tia ba pha……………………………………………………………24
2.2.6 Chỉnh lưu cầu ba pha…………………………………………………………...26
2.2.7 Chỉnh lưu tia sáu pha…………………………………………………...............31
2.3.Lựa chọ sơ đồ thiết kế………………………………………………………..............33
Chương III: Thiết kế mạch động lực………………………………………………….35
3.1 Tính chọn van động
lực……………………………………………………………...35
3.2 Tính toán máy biến
áp………………………………………………………………..37
3.3 Tính toán thiết kế cuộn
kháng………………………………………………..............47
3.3.1 Xác định góc mở cực tiểu, cực đại……………………………………………..47

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 2


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

3.3.2 Tính cuộn kháng lọc dòng điện đập
mạch……………………………………...48
3.3.3 Tính toán cuộn kháng hạn chế dòng điện gián
đoạn…………………………...49
3.3.4 Thiết kế kết cấu cuộn kháng
lọc………………………………………..............50
3.4 Tính chọn thiết bị bảo vệ cho mạch động
lực………………………………..............55
3.4.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn………………………………………
55
3.4.2 Bảo vệ quá dòng cho van………………………………………………………58
3.4.3 Bảo vệ quá tải điện áp cho van…………………………………………………
59
Chương IV: Thiết kế mạch đề
i u khiển………………………………………..............61
4.1 Chức năng mạch điều
khiển………………………………………………………….61
4.2 Nguyên tắc điều khiển……………………………………………………………….61
4.2.1 Phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến
tính………………………..............61
4.2.2 Đề
i u khiển bằng phương pháp thẳng đứng cosin……………………………....62
4.3 Cấu trúc mạch điều khiển……………………………………………………………63

4.4 Thiết kế các khâu trong mạch điều khiển……………………………………………
63
4.4.1 Khâu đồng
pha………………………………………………………………….63
4.4.2 Khâu so sánh…………………………………………………………………...69
4.4.3 khâu tạo
xung…………………………………………………………………..72
4.5 Tính và chọn mạch điều
khiển……………………………………………………….75
4.5.1 Chọn mạch điều khiển………………………………………………………….75
SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 3


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

4.6 Tính toán các thông số của mạch điều
khiển………………………………………...78
4.6.1 Tính biến áp xung………………………………………………………………
79
4.6.2 Tính tầng khuếch đại cuối
cùng………………………………………………..81
82
83
84

4.6.3 Tính chọn mạch tạo xung………………………………………………………

4.6.4 Tính chọn tầng so sánh…………………………………………………………
4.6.5 Tính chọn khâu đồng pha………………………………………………………

4.7 Sơ đồ của hệ thống…………………………………………………………………...85

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀMẠĐỆ
I N
Dưới sự khắc nghiệt của môi trường, nhất là môi trường nóng ẩm ở nước ta, môi
trường có hóa chất độc hại… thì kim loại của các chi tiết máy thường bị phá hủy. Tốc độ
phá hủy phụ thuộc vào môi trường và kim loại của chi tiết máy đó gọi l à s ự ăn mòn kim
loại.
Trước kia để chống lại sự ăn mòn kim loại người ta đã kết hợp các tính chất vật lý,
hóa học của các kim loại với nhau, tạo ra những hợp kim loại r ất bền v ới đi ều kiện môi
trường khắc nghiệt, phương pháp này gặp phải khó khăn là trình độ luyện kim ph ải cao,
để đảm bảo luyện đúng tỷ lệ các kim loại trong hợp kim mà không bị lẫn quặng v à xỉ thì
phải luyện trong các lò điện rất phức tạp và tốn kém, vì vậy giá thành chi ti ết hợp kim
rất cao.
Để chống lại sự ăn mòn kim loại, người ta có phương pháp mạ kim loại để mạ là
những kim loại có tính chất vật lý và hóa học rất tốt chịu được trong các môi trường độc

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 4


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

hại, ẩm ướt, nước biển, nhiệt độ cao…phủ lên bề mặt chi tiết cần được bảo vệ chính vì
vậy mà công nghệ mạ điện còn có giá trị kinh tế rất cao, bền v à r ẻ. Mạ điện còn được
dùng để tạo ra các màng kim loại có những đặc tính như độ cứng cao, dẫn điện tốt…đáp
ứng được những yêu cầu phức tạp của ngành công nghiệp hiện đại và các ngành k ỹ thu ật
tiên tiến nhất hiện nay.
Mạ điện là phương pháp dùng nguồn một chiều cực dương nối vào Anốt, cực âm
nối vào Katốt của bể mạ điện phân.

3

2
F

6
1

4
5

Hình 1.1:kết cấu bể mạ
1. Nguồn một chiều
2. Cực dương Anốt (điện cực tan)
3. Cực âm Katốt (kim loại được mạ)
4. Lớp kim loại bán vào bề mặt chi tiết cần mạ
5. Bể mạ
6. Dung dịch muối của kim loại cần mạ
Khi đặt điện áp một chiều vào hai cực của bể mạ, dưới tác dụng c ủa dòng đi ện,
kim loại mạ ở Anốt sẽ thoát electron để tạo thành Ion dương của kim lo ại đó tan trong
dung dịch muối.
M – ne = Mn+ (n là số electron thoát ra)

Lực điện trường F có chiều hướng từ Anốt tới Katốt làm cho các Ion d ương t ạo
thành dòng chảy đều tới bám vào bề mặt kim loại mạ còn các electron thoát ra ch ảy v ề
dương nguồn. Sau một thời gian, độ dày của lớp kim loại cần mạ sẽ đạt yêu cầu.
1.1 Yêu cầu của mạđiện.
-Điều kiện xuất hiện hình thành tinh thể và tổ chức tinh thể:
Lớp mạ điện có cấu trúc tinh thể rất điển hình, vì thế trong quá trình khử Kat ốt
các kim loại được gọi là mạ điện, lớp mạ có cấu trúc tinh thể càng nhỏ m ịn, chặt sít thì
chất lượng của nó càng cao.
Cũng như các quá trình kết tinh, từ dung dịch quá bão hòa, từ chất nóng chảy …
động học quá trình điện kết tinh cũng bị chi phối bởi hai yếu tố chính: t ốc độ t ạo m ầm
SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 5


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

tinh thể (hay các trung tâm kết tinh) và tốc độ phát triển các mầm ấy. Tốc độ mầm l ớn
hơn sẽ cho tinh thể nhỏ mịn, chặt sít. Tốc độ phát tiển mầm nhỏ hơn s ẽ cho tinh thể thô,
to, xốp.
- Hình thành tinh thể: Không phải cho mọi mầm tinh thể sinh ra đều được phát
triển thành tinh thể cả. Chỉ những mầm có kích thước lớn hơn một ngưỡng nào đó mới có
khả năng phát triển thành tinh thể được. Để sinh ra mầm đạt hoặc vượt ngưỡng ấy đòi hỏi
có một quá thể bổ xung (tức là cần cần thêm năng lượng), đều có thể thực hiện được nếu
bề mặt điện cực bị thụ động nhẹ. Khi tinh thể lớn lên (triển mầm) chỉ đòi hỏi một quá thể
bình thường (không cần quá thể bổ xung nữa) vì bề mặt tinh thể ở tr ạng thái ho ạt động.
Các tinh thể này thường được nuôi lớn đến cỡ 10 -5 ÷ 10-3. Hình thù của chúng không
giống hệt nhau, vì trong lúc triển mầm chúng tự chèn ép lẫn nhau mà biến dạng đi.

- Tổ chức tinh thể: Lớp mạ là do vô vàn các tinh thể hợp lại mà thành, kích thước
tinh thể và cách sắp xếp của chúng sẽ quyết định tính chất và chất lượng mạ.
- Việc chọn điện áp một chiều càng bằng phẳng càng tốt. N ếu điện áp không b ằng
phẳng thì điện trường giữa Anốt và Katốt không đều sẽ tạo ra dòng chảy Ion dương không
đều làm cho lớp kim loại mạ bị xốp chất lượng mạ không cao.
- Cần có dòng điện mạ lớn để giảm thời gian mạ, tăng năng suất vì khối lượng kim
loại bám vào bề mặt Katốt tỷ lệ thuận với dòng điện mạ và thời gian mạ, nhưng không
được lớn quá dòng giới hạn cho phép ảnh hưởng không tốt đến chất lượng mạ.
Theo định luật Faraday
M = k.

I .t
(g)
n

Trong đó:
K: hằng số
I: dòng điện mạ (A)
t: thời gian mạ (s)
n: số electron thoát ra ở Anốt
1.2 Thành phần dung dịch và chếđộ mạ.
1.2.1 Thành phần dung dịch mạ:
Dung dịch mạ giữ vai trò quan trọng và quyết định tới năng suất mạ, nó l à m ột hỗn
hợp khá phức tạp gồm Ion kim loại mạ, chất điện ly, chất đệm, chất hoạt động bề mặt v à
chất kéo, chất bóng, chất thấm ướt…nhằm đảm bảo thu được lớp mạ có tính chất v à chất
lượng như mong muốn. Vai trò của từng thành phần như sau:
- Ion kim loại mạ:
Trong dung dịch chúng tồn tại ở dạng Ion đơn hay hydrat hóa ho ặc Ion ph ức, có
nồng độ lớn từ 1 ÷ 3 mol/l để từng giá trị của mật độ dòng điện giới hạn và tạo điều kiện

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 6


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

mở rộng dải mật độ dòng điện Katốt cho thích hợp cho l ớp m ạ t ốt. Dung d ịch đơn dùng
để mạ tốc độ cao cho các vật có hình thù đơn giản, dung dịch phức tạp cho những trường
hợp cần có khả năng phân bố cao, vật mạ cho hình thù phức tạp.
- Chất điện ly:
Để tăng tốc độ dẫn điện cho chất điện ly thường pha thêm vào các chất d ẫn điện.
Các chất này không tham gia vào quá trình Katốt và Anốt, mà chỉ đóng vai trò chuy ển
điện trong dung dịch, làm giảm điện thế bể mạ, giảm nhiệt lượng thoát ra do đó có khả
năng dùng dòng điện cao hơn.
Đối với các dung dịch axit có thể dùng chất dẫn điện là axit có cùng anion v ới
muối kim loại kết tủa như dùng H 2SO4 trong bể mạ đồng sunfat hay thiếc sunfat… còn
các dung dịch axit yếu trung tính và kiềm yếu thì dùng muối kim loại kiềm, ki ềm thổ,
để tránh làm thay đổi độ pH của dung dịch, ví dụ: Na 2SO4, MgSO4 trong bể mạ Ni. Cũng
có thể dùng các muối này cho hai loại dung dịch trên.
Các muối dẫn điện đôi khi còn có tác dụng phụ như Na 2CO3 thêm vào các dung
dịch xyanua Cu, Ag, Au… ngoài tác dụng tăng độ dẫn điện còn làm tăng tính đệm, t ăng
phân cực Katốt và giảm phân cực Anốt… nhất là khi dùng nồng độ lớn.
- Chất đệm:
Nhiều dung dịch mạ chỉ cần việc được trong một khoảng pH nhất định m à thôi,
cho nên phải dùng chất đệm thích hợp để khống chế. Các chất đệm thường dùng l à axit
yếu boric, axêtic, xitric… hoặc các muối như axêtat, Al 2(SO4)3, phèn nhôm… mỗi chất
đệm có tác dụng ổn định pH trong một khoảng nhất định. Đệm tốt s ẽ tránh được dung

dịch bị đục do sinh ra hydrôxit khi pH lên quá cao, hoặc thoát ra nhi ều khí H 2 ở Katốt
khi pH xuống quá thấp, các hydrôxit hoặc khí H2 sinh ra lẫn vào lớp mạ làm giảm chất
lượng của nó.
- Chất hoạt động bề mặt và chất keo:
Một số chất hưu cơ thuộc loại chất hoạt động bề mặt hoặc chất keo lẫn v ào b ể m ạ
hoặc do ta tác động cho vào, tuy nồng độ rất bé đã có ảnh hưởng tốt của chúng. Ví d ụ:
cho phenol hoặc crezol vào bể mạ chì hoặc thiếc sẽ được lớp m ạ nhẵn, không b ị cây, gai
nữa. Các chất phụ gia hoặc hoạt động bề mặt thường bị hấp thụ lên bề mặt Katốt.
Qúa trình hấp thụ này phụ thuộc nhiều yếu tố trước tiên là nồng độ chất hấp thụ,
rồi đến diện tích bề mặt Katốt, nhiệt độ dung dịch và các chất lạ bám trên bề mặt Katốt.
Mỗi phụ gia hoạt động bề mặt có tác dụng riêng và chỉ tác dụng đối v ới t ừng dung d ịch
mạ riêng có chất cho kết tủa Katốt nhỏ mịn, sít chặt… ngược lại cũng có chất làm cho k ết
tủa rất giòn dễ bong, sần sùi…
- Chất bóng:

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 7


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Có một số chất hoạt động bề mặt đặc biệt lại cho phép thu được lớp mạ bóng trực
tiếp ngay từ bể mạ, không cần phải đánh bóng hay tẩy bóng thêm. Những chất này được
gọi chung là chất bóng và sử dụng ngày một rộng rãi, nhất là đối với lớp mạ kiềm, đồng,
kẽm… mạ bóng trực tiếp có rất nhiều ưu điểm về mặt kinh tế, công nghệ và kỹ thuật.
- Chất san bằng:
Chất này cho lớp mạ nhẵn phẳng trong phạm vi khá rộng. Nguyên nhân l à chúng

hấp thụ lên những điểm có tốc độ mạ lớn và giảm tốc độ ở đó xuống.
- Chất biến đổi cấu trúc:
Là chất phụ gia làm thay đổi cấu trúc lớp mạ v à thậm chí có thể ưu tiên định
hướng tinh thể hay ưu tiên sinh ra kiểu mạng tinh thể nào đó. Một số chất hay được dùng
để tạo ra các tính chất đặc biệt cho lớp mạ, số khác được dùng để điều chỉnh ứng suất
trong lớp mạ (ứng suất là do mạng tinh thể bị xô lệch) nên được gọi là chất gi ảm ứng
suất.
- Chất thấm ướt:
Phản ứng phụ thường gặp trên Katốt là 2H + + 2e = H2. Nếu bọt khí hydrô thoát ra
bám lâu trên bề mặt Katốt, sẽ cản trở quá trình mạ tại chân bọt, gây r ỗ, chân kim
(piting) cho lớp mạ. Một số bể mạ (như Ni bóng chẳng hạn) phải dùng chất thấm ướt b ề
mặt để thúc đẩy bọt mau tách khỏi bề mặt mạ, tránh được rỗ, chân kim. Dung d ịch có
nhiều chất hưu cơ, có độ nhớt cao, nhiệt độ thấp càng dễ sinh chân kim nên c àng ph ải
dùng chất thấm ướt. Các chất thấm ướt hay dùng là Lausinsunfat, Alkylsunfat, r ượu
etylic.
- Chất chống thụ động Anốt:
Đa số các quá trình mạ đều dùng Anốt hòa tan để giữ cho nồng độ Ion kim lo ại
mạ trong dung dịch không bị nghèo đi do chúng đã giải phóng ra trên Kat ốt. Hi ện t ượng
bất lợi hay gặp là Anốt bị thụ động, khi đó trên bề mặt Anốt b ị phủ một l ớp mu ối, l ớp
hydrôxit hoặc lớp oxit khó tan. Lớp này che kín một phần hay toàn bộ bề m ặt Anốt, l àm
cho diện tích hoạt động của Anốt bị thu hẹp, phân cực anốt t ăng lên, d ẫn đến thoát khí
oxy trên Anốt, làm cho Anốt bị thụ động trầm trọng hơn.
Để khắc phục hiện tượng này phải cho vào dung dịch mạ chất chống thụ động
Anốt. Chúng có tác dụng ngăn việc hình thành các chất khó tan trên m ặt An ốt. Vi d ụ:
chất chống thụ động là Ion Cl trong mạ Ni Ion CN; CNS; mu ối tatrat … trong m ạ đồng
xyanua; OH trong bể mạ stanat…
Tăng diện tích Anốt để hạ mật độ dòng điện Anốt, tăng nhiệt độ và khuấy dung
dịch… cũng là biện pháp hỗ trợ tích cực để chống thụ động Anốt.
- Tạp chất:

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 8


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Tạp chất là thành phần không mong muốn nhưng khó tránh khỏi trong các dung
dịch kỹ thuật. Chúng có thể là chất vô cơ hay hữu cơ, tồn t ại ở d ạng tan hay không tan
(keo, cặn... ) chúng có thể phóng điện hay hấp thụ trên Kat ốt v à l ẫn v ào l ớp m ạ gây lên
nhiều tác hại như: bong, rộp, giòn, đen, sọc, gai, rỗ…nguồn gốc của tạp chất có thể từ:
+ Hóa chất dùng để pha chế không đạt tiêu chuẩn độ sạch.
+ Nước pha chế không đủ sạch.
+ Thiết bị, dụng cụ ăn mòn.
+ Anốt chứa nhiều tạp chất hoặc tạo nhiều mùn.
+ Theo nước rửa, vật mạ, bụi bặm…lẫn vào
+ Do dung dịch mạ thủy ngân, tự kết tủa…
Vì vậy làm sạch dung dịch mạ thường xuyên và triệt để là yêu cầu bắt buộc, nhất
là đối với các bể mạ bóng, mạ tốc độ cao … loại bỏ chất hưu cơ bằng các chất oxy hóa
(H2O2; KMnO4; ôxy thoát ra từ Anốt… ) hoặc bằng cách hấp thụ trên than hoạt tính. Loại
bỏ các cation dương hơn Ion kim loại mạ bằng cách điện phân ở m ật độ dòng đi ện bé v à
pH thích hợp, hoặc bằng loại mạ có gây tác hại bằng cách tăng pH để kết tủa chúng dưới
dạng hydrôxit… loại bỏ các chất không tan bằng cách lọc dung dịch, t ốt nhất l à l ọc liên
tục.
1.2.2 Chếđộ mạ.
Trong công nghệ hiện đại, để tăng cường quá trình mạ thường dùng dung dịch có
nồng độ cao, thêm nhiều loại phụ gia đồng thời tiến hành ở mật độ dòng lớn, nhiệt độ cao
và khuấy mạnh. Mỗi loại dung dịch đòi hỏi một chế độ mạ thích hợp riêng cho mình để

thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn.
Những yếu tố sau đây của chế độ mạ có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mạ:
(5)

(1)

(2)
(3)
(4)

Hình 1.2: Thay đổi kết tủa theo mật độ dòng đệ
i n
Trong đó:

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 9


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

(1): bột mịn lăn axit và hydroxit
(2): sần, cây, gai
(3): lớp mạ đa tính
(4): Xoắn, lớp, khối (cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh nhất).
(5): H+ + c → ½H2
- Mật độ dòng điện:
Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, sít chặt và đồng

đều, bởi vì lúc đó mầm tinh thể được sinh ra ồ ạt không chỉ tại điểm lồi (có lợi ích) m à
trên cả mặt phẳng (ít ích lợi hơn) của tinh thể. Mặt khác, khi dùng mật độ dòng c àng cao
sẽ làm cho Ion kim loại sẽ bị nghèo nhanh trong lớp dung dịch sát Katốt, do đó phân c ực
tăng lên tạo điều kiện sinh ra lớp mạ có tinh thể min. Nhưng nếu dùng mật độ dòng điện
quá cao (gần đến dòng giới hạn) cũng lại không được, bởi vì lức đó lớp mạ sẽ bị gai, cây,
hoặc cháy, khi mà tạo dòng giới hạn thì chỉ thu được bột kim loại. Ngo ài ra, khi dùng
mật độ dòng điện cao thì Anốt tan dễ bị thụ động hơn, làm giảm hiệu suất dòng điện m ạ
và gây biến động mạnh pH ở lớp dung dịch sát Katốt vì vậy muốn tăng được mật độ dòng
điện lên mà chất lượng mạ vẫn tốt thì phải nâng cao mật độ dòng điện gi ới hạn (i gh) lên
trước đã.
Ví dụ: Tăng nhiệt độ, tăng nồng độ Ion chính, tăng đối lưu… ngược lại giảm mật
độ dòng điện xuống quá thấp tốc độ mạ sẽ chậm và kết tủa gồm những tinh thể thô,
không đồng đều. Cho nên mỗi dung dịch mạ chỉ cho lớp mạ có chất lượng tốt trong m ột
khoảng mật độ dòng điện nhất định mà thôi. Khoảng mật độ dòng điện làm việc này
càng rộng thì càng dễ thu được lớp mạ đồng đều. Điều này có nghĩa khi phải mạ cho các
vật có hình thù phức tạp.
Trong kỹ thuật mạ thường hay dùng xung trong vài ba đến 30s đầu tiên với mật độ
cao gấp 2 ÷ 3 lần bình thường hoặc hơn. Trong kho ảnh khắc ấy, m ột l ượng r ất l ớn các
tinh thể được hình thành trên toàn bộ bề mặt mạ, kể cả những chỗ khe, khuất, khắc phục
được hiện tượng lọt, bỏ mạ cục bộ. Thường áp dụng dòng xung cho mạ Cr nhất, sau đó là
mạ Zn, Sn, Fe…

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 10


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Ic

tc

tc

t

Ia

Hình 1.3: Dòng đệ
i n đổi cực
Phương pháp có hiệu quả nhất để tăng cường quá trình mạ đồng thời vẫn thu được
lớp mạ tốt là sử dụng dòng điện đặc biệt như dòng đổi cực dòng không đối xứng, dòng
không liên tục, dòng xung, ví dụ: dùng dòng đổi cực, (hình 1.3) để mạ thì trong thời
gian tc vật mạ chịu phân cực Katốt nên được mạ vào với cường độ dòng thuận I c sau đó
dòng điện tự động đổi mạ chịu phân cực Anốt, sẽ tan ra một phần. Tiếp đó lại bắt đầu một
chu kỳ mới. Thời gian T mỗi chu kỳ bằng T = t c + ta nếu Ictc > Icta thì vật vẫn được mạ. Tại
các thời điểm lớp mạ bị hòa tan bởi điện lượng thì I ata chính là những đỉnh nhọn, gai,
khuyết tật… là những chỗ hoạt động Anốt nhất nên tan mạnh nhất, k ết quả thu được lớp
mạ nhẵn hơn, hoàn hảo hơn. Tùy từng dung dịch mạ còn chọn tỷ lệ t c : ta (thường từ 5 : 1
đến 10 : 1) và T (thường từ 5 ÷ 10 lần/s) cho thích hợp. Do hi ệu ứng t ẩy bóng đi ện hóa
cho lớp mạ khi nó chịu phân cực Anốt và tác dụng như khử m àng thụ động Anốt b ởi
hydro thoát ra khi nó chịu phân cực Katốt mà có thể dùng đựợc dòng đi ện m ạ l ớn h ơn so
với khi dùng dòng điện một chiều thông thường.
Lớp mạ nhẵn, không chân kim, ứng suất nội bé cũng có thể thu được thì dùng
dòng xoay chiều không đối xứng. Sơ đồ cấp dòng bất đối cho bể mạ được mô t ả trong
hình (1.4). Diều chỉnh các điện trở R sẽ làm thay đổi cường độ dòng trong hai nhánh sao
cho dòng điện Katốt chiếm 80% ÷ 90%, còn lại là dòng Anốt.

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 11


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

A
R V

Hình 1.4: Sơđồ tạo dòng bất đối cho bể mạ
- Nhiệt độ:
Tăng nhiệt độ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn (vì t ăng được độ hòa
tan các cầu tử ban đầu). Đồng thời còn tăng độ dẫn điện của dung dịch, giảm nguy c ơ thụ
động Anốt. Ba yếu tố đó đã làm mật độ dòng điện cao hơn. Nhưng nhiệt độ cao l ại l àm
giảm phân cực Katốt do giảm tác dụng của các chất hoạt động b ề m ặt, t ăng độ phân ly
Ion phức hay Ion hydrat hóa (làm giảm phân cực hóa học) và thúc đẩy khuếch tán đối lưu
mạnh lên (làm giảm phân cực nồng độ). Cho nên nếu chỉ tăng nhiệt độ m à v ẫn gi ữ
nguyên các điều kiện khác lớp mạ sẽ gồm các tinh thể bù tr ừ được nhược đi ểm do nhi ệt
độ cao gây ra và lớp mạ thu được vẫn có tinh thể nhỏ mịn mà tốc độ m ạ vẫn nhanh hơn.
Vì vậy nhiều dung dịch mạ hiện đại vận hành ở nhiệt độ cao vừa t ăng được c ường độ
làm việc của bể vừa được lớp mạ tốt.

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 12

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

ADc

1

0,8

2

3

0,4

-0,4

-0,8

-1,2

v

Hình 1.5: Ảnh hưởng của nhiệt độñến phân cực Katốt của bể mạđồng xyanua
- Khuấy dung dịch:
Trong quá trình mạ, nồng độ Ion kim loại mạ trong lớp dung dịch sát Katốt b ị
nghèo đi, nếu không được khôi phục lại kịp thời sẽ gây lên phân cực nồng độ quá lớn v à
nhiều bất lợi khác có thể xảy ra như: không dùng được mật độ dòng điện cao, l ớp m ạ b ị

gai, cây, cháy…
Dung dịch bị phân lớp nồng độ theo chiều sâu (gần Katốt dung dịch loãng, nhẹ
hơn, sẽ chuyển động lên phía trên, gần Anốt dung dịch đặc, nặng hơn s ẽ chuy ển động
xuống phía đáy bể, kết quả là nồng độ dung dịch loãng dần từ dưới lên trên) nên khó thu
được lớp mạ đồng đều trên vật mạ. Để khắc phục nhược điểm ấy cần khuấy mạnh để san
bằng nồng độ trong toàn khối dung dịch, tăng khuếch tán đến điện cực. Nhưng một nhược
điểm mới phát sinh là cấu trúc tinh thể kém đi do phân cực nồng độ gi ảm. Vì v ậy mu ốn
được tinh thể nhỏ mịn, chặt sít phải đồng thời tăng nhiệt độ và mật độ dòng điện lên một
cách thích hợp nữa.
- Anốt:
Anốt thường được làm bằng kim loại cùng loại với lớp mạ v à chọn cách s ử d ụng
sao cho nồng độ Ion kim loại trong dung dịch luôn không đổi. Anốt phải d ễ tan v à tan
đều. Anốt phải được chế tạo sao cho sau khi hòa tan ít tạo thành cặn bùn nhất.

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 13


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

CHƯƠNG II
KHÁI QUÁT VỀCÁC BỘNGUỒN CHỈNH LƯU ĐỀ
I U KHIỂN VÀCHỌN BỘ
CHỈNH LƯU
2.1 Nguồn điện cung cấp.
Ởđây là tải mạ điện nên điện trường được tạo thành bằng nguồn điện một chiều.
Do vậy, nguồn cung cấp cho tải là nguồn một chiều.

Trước kia thường dùng máy phát điện một chiều có ưu điểm là có dòng và điện áp
bằng phẳng, nhưng lại có nhược điểm là khi làm việc gây ồn, c ổ góp máy phát m ột chi ều
dễ bị hỏng nên rất hay bảo dưỡng, hay sửa chữa, tổng công suất lắp đặt lớn.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị điện tử công suất
nên người ta thay thế máy phát điện một chiều bằng bộ chỉnh lưu có nhi ều ưu đi ểm hơn
nhưng tổng công suất lắp đặt của bộ chỉnh lưu thấp hơn lắp đặt máy phát điện áp v à dòng
điện không thật bằng phẳng, nhưng tùy theo loại tải mà ta chọn bộ chỉnh lưu hợp lý ít ảnh
hưởng đến chất lượng sản phẩm.
2.2 Thiết bị chỉnh lưu.
Chỉnh lưu là thiết bị biến đổi trực tiếp từ điện xoay chiều thành một chiều bằng
bán dẫn. Theo hình dạng các sơ đồ chỉnh lưu, với chuyển mạch tự nhiên, chúng ta có thể
phân loại chỉnh lưu thành các loại sơ đồ sau và vì bộ chỉnh lưu cần thiết k ế ở đây l à c ấp
điện cho tải điện trở nên khi giới thiệu và phân tích sơ đồ chỉ quan tâm đến tải thuần trở.
2.2.1 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ.

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 14


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

* Sơ đồ động lực:

A

U2

U1

T

E
Ud

Zd

F
Hình 2.1a

ud

0

t1

t

id
0

t
t1

Hình 2.1b: Giản đồ các đường cong
* Nguyên lý hoạt động:
Tải thuần trở Zd = Rd do vậy dòng điện đồng dạng với điện áp U 2. Khi điện áp
A+ → T thông có dòng điện chạy từ A – T – tải – F – khi đó ϕ A = ϕ E (bỏ qua sụt

áp).
UAF = UEF = Ud
- →
Khi A
T khóa. Do vậy Id = 0, Ud = UEF = 0.
* Nhận xét chung sơ đồ:
Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ sóng điện áp ra một chiều sẽ bị gián đoạn trong
một nửa chu kỳ, Khi điện áp Anốt của van bán dẫn âm. Do vậy, khi s ử dụng s ơ đồ ch ỉnh
lưu một nửa chu kỳ, chất lượng điện áp xấu, trị số điện áp tải trung bình l ớn nh ất (khi
không điều khiển) được tính:
Ud0 = 0,454 U2
(2 - 1)
SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 15


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Như vậy với chất lượng điện áp rất xấu cũng cho ta hệ số sử dụng biến áp xấu:
Sba = 3,09Ud.Id
(2 - 2)
Nhìn chung về loại chỉnh lưu này chúng ta có thể nhận thấy r ằng, đây l à lo ại
chỉnh lưu cơ bản, sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản. Tuy vậy các chỉ tiêu kỹ thuật như chất
lượng điện áp một chiều, hiệu suất sử dụng máy biến áp xấu, do đó lo ại chỉnh lưu n ày
rất ít sử dụng trong thực tế.
2.2.2 Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính.
* Sơ đồ động lực:

U2
U1
U2

A

T1

F

R

B

T2

E

Hình 2.2a

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 16


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Id

Ud

t
0

t1

t2

t3

IT1
t
0
IT2
t
0 a
UT1
t
0

Hình 2.2b: Giản đồ các đường cong
* Nguyên lý hoạt động:
Tại α 1 cấp xung điều khiển T1 → T1 dẫn từ α1 ÷ л. Trong vùng này điện áp và
dòng điện đồng dạng từ α1 ÷ л dòng tải là IT1, đến л: T1 khóa đồng thời đến л thì B+, tại
α2 cấp xung điều khiển T2 → T2 dẫn trong vùng này điện áp và dòng điện đồng dạng,
dòng điện tải IT2 đến 2л điện áp đổi dấu i d = 0 → T2 khóa, đến α3 mở lại T1 cứ thế quá
trình lại tiếp diễn như trên.

Điện áp tải UT1 được xác định khi T1 dẫn nên UT1 = 0 ngoài vùng T1 dẫn phải có
UT1. từ 0 ÷ α1 cả hai van đều khóa → UT1 = UAF.
Từ л ÷ α2 cả hai van đều khóa → UT1 = UAF
Từ α2 ÷ 2л: T1 khóa, T2 dẫn .Do vậy → UT1 = UAB
Từ 2л ÷ α3 cả hai van đều khóa

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 17


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện
π

Ud =

1
2 2U 2 sin d ωt = 2 2 U 2 cos α
2π ∫a
π
2

(2 - 3)

* Nhận xét chung sơ đồ:
Theo hình dạng sơ đồ thì biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống
hệt nhau. Ởmỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng đệ
i n chạy qua. Cho nên ở c ả hai n ửa

chu kỳ sóng điện áp tải trùng với điện áp cuộn dây có van dẫn. Điên áp t ải đập m ạch
trong cả hai nửa chu kỳ, với tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều.
- Trong các loại chỉnh lưu thì loại sơ đồ này có điện áp ngược của van ph ải ch ịu l à
lớn nhất: Unv = 2 2 U2
- Mỗi van dẫn trong một nửa chu k ỳ, do v ậy dòng điện m à van d ẫn ch ịu t ối đa b ằng
½ dòng điện tải, trị số hiệu dụng của dòng điện chạy qua van là: I hd = 0,71Id
So với sơ đồ chỉnh lưu nửa chu kỳ thì loại này có chất lượng điện áp tốt hơn. Dòng
điện chạy qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ. Đối với chỉnh lưu có điều
kiện thì sơ đồ động lực nói chung và việc điều khiển các van ở đây tương đối đơn gi ản.
Tuy vậy, việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau mà mỗi cu ộn chỉ l àm
việc một nửa chu kỳ làm cho việc chế tạo biến áp phức tạp hơn và hiệu suất sử dụng biến
áp xấu hơn, mặt khác điện áp ngược của các van dẫn phải chịu có tr ị số lớn nhất, làm cho
việc lựa chọn van bán dẫn khó hơn.
2.2.3 Chỉnh lưu cầu một pha đề
i u khiển đối xứng.
* Sơ đồ động lực:

T1

F

T3

U2

T2

A

T4

B

E

Zd
Hình 2.3a:

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 18


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Ud
t
0

t1

t2

t3

Id
t
0
IT1

t
0 a
IT2
t
0
UT1
t
0

Hình 2.3b: Giản đồ các đường cong
* Nguyên lý hoạt động:
Tại α1 cấp xung điều khiển T2, T3 mở, dòng điện chạy từ A – T2 – Zd – T3 –
B. Lúc này Id, IT2, IT3 đồng dạng với U. Từ л ÷ α điện áp đổi dấu Id = 0 → T3, T3 khóa.
Tại α2 cấp xung điều khiển đồng thời T4, T1 do đó hai van T2, T3 mở, dòng điện
chạy từ B – T4 – Zd – T1 – A.
Đặt điện áp lên hai van giả thiết điện trở thuận và điện trở ngược ở trạng thái khóa
bằng nhau nên điện áp bằng nhau và bằng ½ U2.
* Nhận xét chung sơ đồ:
- Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng có chất lượng điện áp ra hoàn to àn
gống như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính. Trong s ơ đồ này dòng điện chạy
qua van giống như sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ nhưng điện áp ngược của van phải chịu nhỏ
hơn Unv =

2 .U2

- Tại thời điểm mở Tiristor (T) thì ta phải cấp xung điều khiển đồng thời, nhi ều khi
gặp khó khăn trong việc cấp xung điều khiển đồng thời cho hai Tiristor cùng một lúc nhất

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 19


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

là công suất xung không đủ lớn, để tránh việc mở đồng thời các van như trên, m à ch ất
lượng điện áp chừng mực nào đó vẫn có thể đáp ứng được, người ta có thể dùng chỉnh lưu
cầu một pha điều khiển không đối xứng.
2.2.4 Chỉnh lưu cầu một pha đề
i u khiển không đối xứng.
Loại này có thể thực hiện bằng hai phương án khác nhau.
+ Phương án 1:
* Sơ đồ động lực:

D2

F

D1

U2

T1

A

T2
B

E

Zd
Hình 2.4a

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 20


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Ud
t
0

t1

t2

t3

Id
t
0
IT1
t

0 a
IT2
t
0
ID1
t
0
ID2
t
0

Hình 2.4b: Giản đồ các đường cong
* Nguyên lý hoạt động:
Khi điện áp Anốt T1 dương và Katốt D1 âm có dòng điện tải chạy qua T1, D1 đến
khi đổi dấu (với Anốt T2 dương) mà chưa có xung mở T2, việc chuyển mạch của các van
không điều khiển D1, D2 xảy ra khi điện áp bắt đầu đổi dấu. Tiristor T 1 sẽ bị khóa khi có
xung mở T2. Kết quả là chuyển mạch các van có điều khiển được thực hiện bằng việc mở
van kế tiếp. Từ những giải thích trên thấy rằng, các van bán dẫn được dẫn trong m ột nửa
chu kỳ. Về trị số, dòng điện trung bình chạy qua van bằng: Itb = ½Id, dòng điện hiệu dụng
của van Ihd = 0,71Id.
+ Phương án 2:
* Sơ đồ động lực:
SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 21


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

T2

F

U2

D1

T1

D2

E

Zd
Hình 2.5a

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 22


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Ud
t
0

t1

t2

t3

Id
t
0
IT1
t
0 a
IT2
t
0
ID1
t
0
ID2
t
0
Hình 2.5b: Giản đồ các đường cong
* Nguyên lý hoạt động:
Tại thời điểm α1 cấp xung điều khiển T1 nên Tiristor (T1) mở, Diod (D2) phân cực
thuận nên dòng điện chạy: A- T1 – Zd – D2.
Tại л điện áp đổi dấu B+, A- do vậy D2 phân cực ngược, D1 phân cực thuận
Từ л ÷ α2 có điện áp tải bằng 0.

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 23


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Đến α2 cấp xung điều khiển T2, T2 mở, T1 khóa dòng điện chạy từ B – T2 – Z2 –
A.
Đến 2л, D1 phân cực ngược, D2 phân cực thuận => T1 mở, quá trình cứ tiếp diễn.
* Nhận xét chung sơ đồ:
Sự giống nhau hai sơ đồ này là chúng đều có 2 Tiristor và 2 Diod, mỗi lần cấp
xung điều khiển chỉ cần một xung, điện áp tải trên có hình d ạng v à tr ị s ố gi ống nhau,
đường cong điện áp tải chỉ có phần dương nên sơ đồ làm việc với tải không nghịch l ưu
trả năng lượng về lưới.
Nhìn chung, các loại chỉnh lưu cầu một pha có chất l ượng điện áp t ương đương
như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính, chất lượng đi ện một chi ều nh ư nhau,
dòng điện làm việc của van bằng nhau nên việc ứng dụng chúng c ũng tương đương nhau.
Mặc dù chỉnh lưu cầu một pha có ưu điểm hơn ở chỗ: điện áp ngược trên van bé hơn, biến
áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn. Thế nhưng chỉnh lưu c ầu một pha có s ố van nhi ều
gấp hai lần làm giá thành cao hơn, sụt áp trên van lớn gấp hai lần nên đối với t ải đi ện áp
thấp hiệu suất bộ chỉnh lưu thấp, chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng thì việc điều
khiển phức tạp hơn.
2.2.5 Chỉnh lưu tia ba pha.
* Sơ đồ động lực: Máy biến áp nối sao trên mỗi pha A, B, C, ta nối m ột van nh ư
hình vẽ.

A
B

C

T1
T2
T3

Zd
Hình 2.6a

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 24


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Ud
t
0

t1

t2

t3

t4

IT1
t
0
IT2
t
0 a
IT3
t
0
UT1
t
0

Hình 2.6b: Giản đồ các đường cong
* Nguyên lý hoạt động:
Tại thời điểm t1 cấp xung điều khiển Tiristor T1 được dẫn tạo dòng tải. Tới giao
điểm điện áp AB, đến t2 điện áp B dương hơn A nhưng Tiristor T2 chưa cấp xung điều
khiển vẫn còn khóa, T1 dẫn tiếp đến t3. Tại t3 cấp xung điều khiển T2 điện áp lúc này B
dương hơn A, lúc đó T2 dẫn tiếp sau giao điểm điện áp BC và dẫn cho đến t 4 phát xung
điều khiển T3 làm T3 dẫn.
- Ứng với α < л/6 có Ud ,Id liên tục từ 0 ÷ t1, T1 khóa, điện áp van UT1 = UAC.
Từ t1 ÷ t2: điện áp UT1 = 0
Từ t2 ÷ t3: T2 dẫn → UT1 = UAB
Trị số điện áp Ud = 1,17 U2f .cosα
- Ứng với α > л/6:
Tại thời điểm t2, cấp xung điều khiển Tiristor T1, T1 dẫn từ t1 ÷ t2.

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 25