Đề tài: Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

LỜI MỞ ĐẦU
Mạ kim loại ra đời và phát triển hàng trăm năm nay. Ngày nay mạ
kim loại đã trở thành một ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu
hết các nước trên thế giới, phục vụ một cách đắc lực cho mọi ngành
khoa học kỹ thuật sản xuất và đời sống văn 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 kỹ thuật msj đã có những bước phát triển nhảy vọt, thỏa mãn
yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất 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 ”.
Trong quá trình hoàn thành bản đồ án này, do còn hạn chế về
kiến thức và kinh nghiệm nên không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em
mong các thầy cô giúp đỡ.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Thân Văn Thông và các thầy cô
đã nhiệt tình giúp đỡ và động viên em hoàn thành bản đồ án này.
Quy Nhơn, ngày 10 tháng 07 năm
2009
Sinh viên

Nguyễn văn Hội

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 1

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

MỤC LỤC
Lời

mở

đầu…………………………………………………………..

…………………....1
Chương I: Tổng quan về mạ
điện……………………………………………………….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
SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 2


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

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
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

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 3


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

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 điều
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 Điều 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

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 4


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

4.5.1 Chọn mạch điều
khiển………………………………………………………….75
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
4.6.3 Tính chọn mạch tạo
xung………………………………………………………82
4.6.4 Tính chọn tầng so
sánh…………………………………………………………83
4.6.5 Tính chọn khâu đồng
pha………………………………………………………84
4.7 Sơ đồ của hệ
thống…………………………………………………………………...85

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MẠ ĐIỆN
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 là sự ăn mòn kim loại.

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 5


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

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 rất bền với điều kiện môi trường khắc nghiệt, phương pháp này

gặp phải khó khăn là trình độ luyện kim phải cao, để đảm bảo luyện
đúng tỷ lệ các kim loại trong hợp kim mà không bị lẫn quặng và xỉ thì
phải luyện trong các lò điện rất phức tạp và tốn kém, vì vậy giá thành
chi tiết 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 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 và rẻ. 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 kỹ thuật 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)

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 6


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

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
của dòng điện, kim loại mạ ở Anốt sẽ thoát electron để tạo thành Ion
dương của kim loại 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 dương tạo thành dòng chảy đều tới bám vào bề mặt kim loại mạ
còn các electron thoát ra chảy về dương nguồn. Sau một thời gian, độ
dày của lớp kim loại cần mạ sẽ đạt yêu cầu.
1.1Yêu cầu của mạ điện.
-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 Katốt các kim loại được gọi là mạ điện, lớp mạ có cấu trúc
tinh thể càng nhỏ mịn, 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: tốc độ tạo mầm tinh thể (hay các trung tâm kết tinh)
và tốc độ phát triển các mầm ấy. Tốc độ mầm lớn hơn sẽ cho tinh thể
nhỏ mịn, chặt sít. Tốc độ phát tiển mầm nhỏ hơn sẽ 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)

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 7


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

chỉ đòi hỏi một quá thể bình thường (không cần quá thể bổ xung nữa)
vì bề mặt tinh thể ở trạng thái hoạt 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. Nếu điện
áp không bằng 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
1.2Thành phần dung dịch và chế độ 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 là một hỗn hợp khá phức tạp gồm Ion kim loại mạ, chất điện ly,
chất đệm, chất hoạt động bề mặt và chất kéo, chất bóng, chất thấm

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 8


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

ướt… nhằm đảm bảo thu được lớp mạ có tính chất và 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
hoặc Ion phức, có nồng độ lớn từ 1 ÷ 3 mol/l để từng giá trị của mật độ
dòng điện giới hạn và tạo điều kiện mở rộng dải mật độ dòng điện

Katốt cho thích hợp cho lớp mạ tốt. Dung dịch 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 dẫn điện. Các chất này không tham gia vào quá trình Katốt và
Anốt, mà chỉ đóng vai trò chuyển 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 với 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, kiềm 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, tăng phân cực Katốt và giảm phân cực
Anốt… nhất là khi dùng nồng độ lớn.
- Chất đệm:

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 9


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Nhiều dung dịch mạ chỉ cần việc được trong một khoảng pH nhất

định mà thôi, cho nên phải dùng chất đệm thích hợp để khống chế. Các
chất đệm thường dùng là axit yếu boric, axêtic, xitric… hoặc các muối
như axêtat, Al2(SO4)3, phèn nhôm… mỗi chất đệm có tác dụng ổn định
pH trong một khoảng nhất định. Đệm tốt sẽ tránh được dung dịch bị
đục do sinh ra hydrôxit khi pH lên quá cao, hoặc thoát ra nhiều khí H 2 ở
Katốt khi pH xuống quá thấp, các hydrôxit hoặc khí H 2 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 vào bể mạ hoặc do ta tác động cho vào, tuy nồng độ rất bé đã
có ảnh hưởng tốt của chúng. Ví dụ: cho phenol hoặc crezol vào bể mạ
chì hoặc thiếc sẽ được lớp mạ nhẵn, không bị 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 với từng dung dịch mạ riêng có chất
cho kết tủa Katốt nhỏ mịn, sít chặt… ngược lại cũng có chất làm cho
kết tủa rất giòn dễ bong, sần sùi…
- Chất bóng:
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:

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 10


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Chất này cho lớp mạ nhẵn phẳng trong phạm vi khá rộng.
Nguyên nhân là 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 và 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 giảm 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 rỗ, chân kim (piting) cho lớp mạ. Một số bể mạ (như
Ni bóng chẳng hạn) phải dùng chất thấm ướt bề mặt để thúc đẩy bọt
mau tách khỏi bề mặt mạ, tránh được rỗ, chân kim. Dung dịch có nhiều
chất hưu cơ, có độ nhớt cao, nhiệt độ thấp càng dễ sinh chân kim nên
càng phải dùng chất thấm ướt. Các chất thấm ướt hay dùng là
Lausinsunfat, Alkylsunfat, rượu etylic.
- Chất chống thụ động Anốt:
Đa số các quá trình mạ đều dùng Anốt hòa tan để giữ cho nồng
độ Ion kim loại mạ trong dung dịch không bị nghèo đi do chúng đã giải
phóng ra trên Katốt. Hiện tượng bất lợi hay gặp là Anốt bị thụ động, khi
đó trên bề mặt Anốt bị phủ một lớp muối, lớp hydrôxit hoặc lớp oxit khó
tan. Lớp này che kín một phần hay toàn bộ bề mặt Anốt, làm cho diện
tích hoạt động của Anốt bị thu hẹp, phân cực anốt tăng lên, dẫn 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

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 11


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

chất khó tan trên mặt Anốt. Vi dụ: chất chống thụ động là Ion Cl trong
mạ Ni Ion CN; CNS; muối tatrat… trong mạ 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:
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 tại ở dạng tan hay không tan (keo, cặn... ) chúng có thể phóng điện
hay hấp thụ trên Katốt và lẫn vào lớp mạ 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 (H 2O2; 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 mật độ dòng điện bé
và 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, tốt nhất là lọc liên tục.
1.2.2 Chế độ mạ.

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 12


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

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
điện
Trong đó:
(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) mà trên cả mặt phẳng (ít ích lợi hơn) của tinh
thể. Mặt khác, khi dùng mật độ dòng càng cao sẽ làm cho Ion kim loại
sẽ bị nghèo nhanh trong lớp dung dịch sát Katốt, do đó phân cực tăng
SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 13


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

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. Ngoài ra, khi dùng mật độ dòng điện cao thì
Anốt tan dễ bị thụ động hơn, làm giảm hiệu suất dòng điện mạ 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 giới hạn (igh) 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 một 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
khoảnh khắc ấy, một lượng rất lớn 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 14


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Ic

tc

tc

t

Ia

Hình 1.3: Dòng điện 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 t c 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 Iata chính là những đỉnh nhọn, gai, khuyết tật… là
những chỗ hoạt động Anốt nhất nên tan mạnh nhất, kết quả thu được
lớp mạ nhẵn hơn, hoàn hảo hơn. Tùy từng dung dịch mạ còn chọn tỷ lệ
tc : ta (thường từ 5 : 1 đến 10 : 1) và T (thường từ 5 ÷ 10 lần/s) cho
thích hợp. Do hiệu ứng tẩy bóng điện hóa cho lớp mạ khi nó chịu phân
cực Anốt và tác dụng như khử màng thụ động Anốt bởi hydro thoát ra
khi nó chịu phân cực Katốt mà có thể dùng đựợc dòng điện mạ lớn hơn
so với khi dùng dòng điện một chiều thông thường.

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 15


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

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 tả 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.

A
R V

Hình 1.4: Sơ đồ tạo dòng bất đối cho bể mạ
- Nhiệt độ:
Tăng nhiệt độ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn (vì
tăng được độ hòa tan các cầu tử ban đầu). Đồng thời còn tăng độ dẫn
điện của dung dịch, giảm nguy cơ thụ động Anốt. Ba yếu tố đó đã làm
mật độ dòng điện cao hơn. Nhưng nhiệt độ cao lại làm giảm phân cực
Katốt do giảm tác dụng của các chất hoạt động bề mặt, tăng 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 mà vẫn giữ nguyên các điều kiện khác lớp
mạ sẽ gồm các tinh thể bù trừ được nhược điểm do nhiệt độ cao gây ra
và lớp mạ thu được vẫn có tinh thể nhỏ mịn mà tốc độ mạ vẫn nhanh
hơn. Vì vậy nhiều dung dịch mạ hiện đại vận hành ở nhiệt độ cao vừa
tăng được cường độ làm việc của bể vừa được lớp mạ tốt.

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 16


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 độ ñến phân cực Katốt của
bể mạ đồng xyanua
- Khuấy dung dịch:
Trong quá trình mạ, nồng độ Ion kim loại mạ trong lớp dung dịch
sát Katốt bị nghèo đi, nếu không được khôi phục lại kịp thời sẽ gây lên
phân cực nồng độ quá lớn và nhiều bất lợi khác có thể xảy ra như:
không dùng được mật độ dòng điện cao, lớp mạ bị 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 sẽ chuyển 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 giảm. Vì vậy muốn 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:

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 17


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Anốt thường được làm bằng kim loại cùng loại với lớp mạ và chọn
cách sử dụng sao cho nồng độ Ion kim loại trong dung dịch luôn không
đổi. Anốt phải dễ tan và tan đều. Anốt phải được chế tạo sao cho sau
khi hòa tan ít tạo thành cặn bùn nhất.

CHƯƠNG II
KHÁI QUÁT VỀ CÁC BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN VÀ
CHỌN BỘ CHỈNH LƯU

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 18


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

2.1 Nguồn điện cung cấp.
Ở đây 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, cổ góp máy phát một chiều 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 nhiều ưu điểm hơn nhưng tổng công suất lắp đặt của
bộ chỉnh lưu thấp hơn lắp đặt máy phát điện áp và 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 kế ở đây là cấp 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.
* Sơ đồ động lực:

A

U1

U2

T

E

Ud

Zd

F
SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 19


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Hình 2.1a

ud
t
0

t1

id
t
0

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 sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ, chất lượng điện áp
xấu, trị số điện áp tải trung bình lớn nhất (khi không điều khiển) được
tính:
Ud0 = 0,454 U2

(2 - 1)

Như vậy với chất lượng điện áp rất xấu cũng cho ta hệ số sử dụng
biến áp xấu:
Sba = 3,09Ud.Id

SVTH : Nguyễn Văn Hội

(2 - 2)

Trang 20


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Nhìn chung về loại chỉnh lưu này chúng ta có thể nhận thấy rằng,

đây là loại 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 loại chỉnh lưu này 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

A

T1

F

R

B

T2

E

U1
U2
Hình 2.2a

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 21

Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Id

Ud

t
0

t1

t2

t3

I T1
t
0
I T2
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 α 1 ÷ 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 I T2 đến 2л
điện áp đổi dấu id = 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
SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 22


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Từ α2 ÷ 2л: T1 khóa, T2 dẫn .Do vậy → UT1 = UAB
Từ 2л ÷ α3 cả hai van đều khóa
π

1
2 ∫ 2U 2 sin d ωt = 2 2 U 2 cos α
Ud =
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. Ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng
điện chạy qua. Cho nên ở cả hai nửa chu kỳ sóng điện áp tải trùng với
điện áp cuộn dây có van dẫn. Điên áp tải đập mạch 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 phải chịu là lớn nhất: Unv = 2 2 U2
- Mỗi van dẫn trong một nửa chu kỳ, do vậy dòng điện mà van dẫn
chịu tối đa bằng ½ dòng điện tải, trị số hiệu dụng của dòng điện chạy
qua van là: Ihd = 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 giản. Tuy vậy,
việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau mà mỗi cuộn
chỉ làm 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 trị số lớn nhất, làm cho việc lựa chọn van bán dẫn
khó hơn.
2.2.3 Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng.
* Sơ đồ động lực:

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 23


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

T1

T3

U2

T2

A

T4

F

E

B

Zd
Hình 2.3a:
Ud
t
0

t1

t2

t3

Id
t

0
I T1
t
0 a
I T2
t
0
UT1
t
0

Hình 2.3b: Giản đồ các đường cong
* Nguyên lý hoạt động:

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 24


Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

Tại α1 cấp xung điều khiển T2, T3 mở, dòng điện chạy từ A – T 2 – Zd
– T3 – B. Lúc này Id, IT2, IT3 đồng dạng với U. Từ л ÷ α điện áp đổi dấu I d
= 0 → T3, T3 khóa.
Tại α2 cấp xung điều khiển đồng thời T 4, T1 do đó hai van T 2, 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 U 2.
* Nhận xét chung sơ đồ:
- Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng có chất lượng điện áp

ra hoàn toàn gống như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính.
Trong sơ 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 U nv =

2 .U2

- Tại thời điểm mở Tiristor (T) thì ta phải cấp xung điều khiển đồng
thời, nhiều khi gặp khó khăn trong việc cấp xung điều khiển đồng thời
cho hai Tiristor cùng một lúc nhất là công suất xung không đủ lớn, để
tránh việc mở đồng thời các van như trên, mà chất 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 điều khiển không đối xứng.
Loại này có thể thực hiện bằng hai phương án khác nhau.
+ Phương án 1:
* Sơ đồ động lực:

SVTH : Nguyễn Văn Hội

Trang 25