Электролизер для гальванопластики - принцип работы, схема и описание


Более 100 лет назад русский ученый Б. С. Якоби открыл способ электролитического получения копий в металле. Способ назвали гальванопластикой, так как осаждаемый в процессе электролиза металл пластически точно воспроизводит изделие, отпечаток которого был в форме.

Теперь гальванопластическим способом получают различные рельефы, снимают копии с памятных медалей, создают объемную скульптуру, изготавливают филигранные ажурные изделия (броши, серьги, браслеты) и пр. Формы для осаждения металла готовят из гипса, воска, парафина, пластических масс, пластилина.

Для придания электропроводности формам применяют графитовый или бронзовый порошок, которым покрывают форму. Методом гальванопластики можно также нанести металл на выработанные поверхности металлических деталей и провести восстановление изношенных изделий.

Конструкция

В качестве гальванической ванны можно использовать любую стеклянную емкость таких размеров, чтобы покрываемый металлом предмет свободно в ней размещался (рис.1). Простейшая схема включения гальванической ванны показана на рис.2.

Схема гальванической ванны

Рис. 1. Схема гальванической ванны.

В качестве источника тока можно использовать автомобильный аккумулятор или выпрямитель (напряжением 6...12 В). Ровное плотное покрытие предмета металлом (медью, никелем и пр.) получается при определенной величине тока, которая зависит от площади поверхности предмета и допустимой для данного электролита плотности тока. Например, если допустимая плотность тока равна 0,5 А/дм2, а предмет имеет общую поверхность около 0,5 дм2, то ток не должен превышать Iмакс=0,5-0,5=0,25 (А).

При большем токе покрытие будет темным и непрочным. Если предмет имеет заостренные части, плотность тока следует уменьшить в 2...3 раза.

Предметы погружают в ванну под напряжением. Для этого их сначала цепляют с помощью медных проводников диаметром 0,8... 1 мм к перекладине (медной трубке), подключают к источнику тока(при этом реостат включают на полное сопротивление) и опускают в ванну с электролитом.

Затем, уменьшая сопротивление реостата, доводят ток до нормы. Во время гальванизации деталь или предмет два-три раза вынимают из ванны на короткое время и осматривают. Если металл откладывается неравномерно, изменяют положение предмета, повернув его к аноду той стороной, на которой слой металла получается тоньше.

Простейшая схема включения гальванической ванны

Рис. 2. Простейшая схема включения гальванической ванны.

При проведении гальванопластики важно подобрать химический состав и температуру электролита. При использовании медного электролита берут 150... 180 г медного купороса на 1 л воды с добавлением для повышения электропроводности 20.. .25 г серной кислоты плотностью 1,4... 1,6 г/см3.

Для повышения качества осажденной меди можно добавить спирт в количестве 8...10 г/л. В электролите не должны присутствовать органические включения, вредно влияющие на работу электролита.

Химические составы электролитов для никелирования, серебрения,золочения, и т.п. отличаются друг от друга, но в их составе обязательно присутствует кислота, вода и сульфаты или нитраты наносимых металлов.

Принцип электрохимического осаждения металла применяется и для восстановлении пластин аккумуляторов. Метод электролиза разнополярным импульсным током, предложенный лабораторией “Автоматика и телемеханика” Иркутского Центра ДТТ и апробированный при восстановлении аккумуляторов, в 2003 году на выставке ЭК-СПО-2003 в г.Москве получил высокую оценку жюри и удостоен трех дипломов ЮНЕСКО. Импульсный режим позволяет сократить время нанесения металла и снизить температуру процесса.

Схема электролизера

Для улучшения свойств осажденного покрытия анодный ток при смене полярности импульсов должен быть меньше катодного в 2... 10 раз (в начальный период - в 2 раза, в конце - в 8... 10 раз).

Тогда внутренние напряжения в металлическом покрытии нарастают постепенно, и обеспечивается надежное сцепление покрытия с изделием. Износостойкость и плотность нанесенного металла растет во внешних слоях с постепенным увеличением катодного тока.

В схему электролизера (рис. З) входят:

  • генератор прямоугольных импульсов на микросхеме 001;
  • реле времени на счетчике 002;
  • таймер управления длительностью импульсов БА1;
  • ключи анодного и катодного тока на полевых транзисторах \/Т 1 и У12.

Принципиальная схема электролизера

Рис. 3. Принципиальная схема электролизера.

Генератор прямоугольных импульсов на таймере DА1 автоматически устанавливает скважность импульсов тока в зависимости от времени. Индикация состояния схемы контролируется с помощью светодиодов HL1...HL3 и стрелочных приборов: РА1 - амперметра с током полной шкалы 5 А и PV1 - вольтметра на напряжение 15 В. Для питания схемы применен компьютерный источник питания мощностью 350.. .450 Вт без переделок.

Внутренние функции защиты от короткого замыкания и стабилизация выходного напряжения БП дополняют функциональные возможности схемы электролизера.

Микросхема DD2 (К561ИЕ16) содержит 14-разрядный асинхронный счетчик. Счетчик сбрасывается в ноль при высоком уровне на входе сброса R. Содержимое счетчика увеличивается на единицу по каждому отрицательному перепаду тактовых импульсов генератора на элементах DD1.1 и DD1.2.

Резистором R1 можно изменять длительность импульсов. При появлении высокого уровня на выходе старшего разряда (выводе 3) DD2 счет останавливается. Частота и скважность импульсов зависят от номиналов R1, R2 и С2. Указанные на схеме значения позволяют получить время между сменой уровней на выходе 3 DD2 от 2 до 10 час.

Соединение выходов Q10...Q13 счетчика DD2 через резисторы R4...R7 позволяет регулировать длительность импульсов катодного тока без изменения длительности импульсов анодного тока, т.е. изменять отношение тока катода к току анода.

Диоды VD1 ...VD4 устраняют взаимовлияние выходов DD2. В состав таймера DA1 входят два компаратора, RS-триггер, выходной усилитель для повышения нагрузочной способности и внутренний ключевой транзистор с открытым коллектором. Длительность положительного импульса на выводе 3 DA1 зависит от номиналов R10, R11, С4 и определяется по приближенной формуле:

t1=0,69*C4*(R10+R11).

Длительность импульса низкого уровня на выводе 7 DA1 определяется так:

t2=0,69*C4*R13.

Период импульсов получается Т=t1 + t2, а частота - f= 1 /Т=1/(t1 +t2).

Для начальной установки отношения тока катода электролизера к току анода установлены переменные резисторы R11 и R13, резистором R9 регулируется минимальный уровень катодного тока в начале цикла.

Диод VD5 исключает влияние резистора R11 (регулятора тока катода) на ток анода. Делитель напряжения R8-R9 задает максимальный уровень напряжения на входе управления 5 DA1, а при нулевых уровнях на выходах Q10...Q13 DD2 резисторы R4...R7, включенные параллельно, шунтируют подстроечный резистор R9, что ведет к снижению напряжения на входе 5 DA1 и получению минимальной длительности импульса катодного тока.

В процессе счета, по мере возникновения на выходах DD2 высоких уровней, резисторы R4...R7 последовательно исключаются из шунтирующей цепочки, напряжение на входе 5 DA1 растет (в соответствии с номиналами R4...R7), и это приводит к увеличению длительности импульса катодного тока, т.е. начальный небольшой катодный ток возрастает за полное время до максимального, что положительно повлияет на качественные показатели осажденного металла.

При необходимости счет можно сбросить или продолжить кратковременным нажатием кнопки SA1. Те же действия выполняются при кратковременном отключении источника питания. Микросхемы DD1, DD2 и DA1 питаются от аналогового стабилизатора DA2. Диод VD6 в общем выводе микросхемы ОА2 страхует микросхемы при неверной полярности напряжения питания.

Питание транзисторных ключей VT1 и VT2 выполнено от разнополярных источников (-12 В и +12 В). Общий ток осаждения контролируется амперметром РА1, напряжение на электролизере - вольтметром PV1.

Анодный ток (примерно 1 А) устанавливается резистором Р17. Для индикации полярности и перегрузки электролизера установлены световые индикаторы HL2 и HL3.

Индикатор НИ указывает на рабочее состояние устройства. При перегрузке падение напряжения на Р19 в цепи стока VT2 достаточно для зажигания светодиода НL3. Температура электролита учитывается с помощью датчика на терморезисторе R10 типа ММТ.

Электролизер для гальванопластики

Характеристики электролизера

Напряжение сети, В 220
Напряжение на электролизере, В 3...16
Ток катодный, А 1...10
Ток анодный, А 0,1 ..0,5
Частота импульсов тока, Гц 10...60
Время нанесения покрытия, час 5...20

При повышении температуры электролита сопротивление терморезистора падает, период ипульсов таймера возрастает, и напряжение на электролизере уменьшается.

Детали и печатная плата

Радиокомпоненты, примененные в схеме электролизера, указаны в таблице. Основные элементы размещены на печатной плате, чертеж которой приведен на рис.4.

Печатная плата установлена на верхней крышке блока питания на стойках. Силовые цепи схемы выполнены изолированным проводом сечением около 4 мм2, соединения платы с резисторами R1, R11, R13 кнопкой SA1 и светодиодами - проводами в виниловой изоляции сечением 0,5 мм2. На корпуса полевых транзисторов для уменьшения их

нагрева рекомендуется установить алюминиевые “флажки’-радиаторы размерами 10x50 мм, хотя штатный вентилятор блока питания обеспечивает нормальный тепловой режим элементов. Терморезистор R10 закрепляется скотчем на корпусе гальванической ванны. Электролизер работает от блока питания ПК - М-АТХ-350W.

Лишние выводы питания удаляются, а используются следующие: +12 В (красный провод), общий - черный, -12 В - голубой. Зеленый провод через выключатель соединяется с черным для включения схемы.

Сетевое питание подается в блок напрямую. Для подключения электродов ванны на задней стенке блока установлен разъем. Шнур питания электролизера - два провода в виниловой изоляции сечением 4 мм2 и длиной 1 ...2 м.

Печатная плата для схемы электролизера

Рис. 4. Печатная плата для схемы электролизера.

Наладку схемы электролизера начинают с проверки напряжения питания микросхем и полевых транзисторов. Частоту генератора на микросхеме DD1 можно проверить осциллографом или на входе 10 DD2 светодиодом с добавочным резистором. На выводах 15, 1, 2, 3 DD2 высокий уровень появляется в процессе счета.

При переводе движка резистора R9 в верхнее положение частота следования выходных импульсов таймера DA1 минимальна, в нижнем положении - максимальна.

Ток катода электролизера устанавливается резистором R11, ток анода - резистором R13 исходя из площади поверхности восстанавливаемой детали.

Перед восстановлением резистором R9 устанавливается ток катода, в два раза превышающий ток анода, в дальнейшем эти параметры поддерживаются автоматически. Средний ток восстановления подбирается экспериментально по качеству восстановления, поскольку просчитать площадь поверхности сложных фигур весьма сложно.

В.Коновалов, А.Вантеев, Лаборатория “Автоматика и связь”, г. Иркутск. РМ-08-12.

Литература:

  1. В.Коновалов, А.Разгильдеев. Восстановление аккумуляторов. - Радиомир, 2005, №3, С.7.
  2. А.Партин, Л.Партина. Зарядновосстановительное устройство аккумулятора. - Радиомир, 2007, №3, С.13.
  3. Н.Одноралов. Гальванопластика дома. - Сделай сам, 1990, №2, С.40.
  4. Проект “Automatic System for condition control, protection, and accelerated restoration of the batteries” (A-159). Руководитель проекта В.П.Коновалов. - Официальный каталог 9-й Международной выставки научно-технических проектов ESI-2003.

1 1560 Полезные знания и советы
гальванопластика электролиз
Оставить комментарий:

cashback