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脉冲电源简单介绍
2017-11-10脉冲电镀是通过槽外控制方法改善镀层质量的一个强有力的手段，它比通常的直流电镀具有更优异的镀层性能，如耐蚀、耐磨、纯度高，导电、焊接及抗变色性能好等，且可大幅度节约稀贵金属，因此尤其在功能性电镀中得到较好的应用。
1、脉冲电镀的基本参数
传统的直流电镀只有一个参数--电流或电压可供调节，而脉冲电镀有脉冲电流密度(或峰值电流密度)jp、脉冲导通时间Ton和脉冲关断时间Toff三个独立的参数。由Ton和Toff可以引出一个重要概念--脉冲占空比γ。
(1)脉冲占空比γ计算公式
脉冲占空比γ指脉冲导通时间Ton占整个脉冲周期(Ton+Toff)的百分比，可用γ＝Ton/θ×100%=Ton/(Ton+Toff)×100%表示。
(2)平均电流密度jm、峰值电流密度jp、脉冲占空比γ三者关系式
在一个脉冲周期内，由于电流只在部分时间(Ton)导通，而其它时间(Toff)为零，因此脉冲电镀的电流密度有平均电流密度和峰值电流密度之分。平均电流密度jm等于峰值电流密度jp与脉冲占空比γ的乘积，可用jm＝jp×γ表示。从式中可看出，jm一定时，jp会根据γ的不同而不同。例如，当jm＝1A时,若γ=20%则jp=5A,若γ＝10%则jp＝10A。
2、脉冲电镀过程
(1)在脉冲导通期Ton内
峰值电流相当于普通直流电流(或平均电流)的几倍甚至十几倍。高的电流密度所导致的高过电位使阴极表面吸附原子的总数相当高于直流电沉积，其结果使晶核的形成速率远远大于原有晶体的生长速率，从而形成具有较细晶粒结构的沉积层。
(2)在脉冲关断期Toff内
高的过电位使阴极附近金属离子以极快的速度被消耗，当阴极界面浓度为零或很低时，电沉积过程进入关断期Toff。在关断期内，金属离子向阴极附近传递从而使扩散层浓度得以回升。而扩散层金属离子浓度的回升，又有利于下一个脉冲周期使用较高的峰值电流密度。
脉冲电镀过程中，当电流导通时，电化学极化增大，阴极区附近金属离子充分被沉积；当电流关断时，阴极区附近放电离子又恢复到初始浓度，浓差极化消除，并伴有对沉积层有利的重结晶、吸脱附等现象。这样的过程周期性地贯穿于整个电镀过程的始末，其中所包含的机理构成了脉冲电镀的最基本原理。
3、脉冲电镀的优越性及适用性
（1）镀层结晶细致
在脉冲导通期内，由于使用较高的电流密度，使晶核的形成速率远远大于原有晶体的生长速率，因此可形成结晶细致的镀层。镀层结晶细致则密度大、硬度高、孔隙率低，则镀层的耐蚀、耐磨、焊接、韧性、导电率、抗变色、光洁度等性能大大提高，这对于功能性电镀来说尤其重要。
所以，脉冲电镀首先主要适用于功能性电镀领域，以改善镀层的各项功能性指标，从而满足镀件在不同情况下较高的使用要求。
（2）镀液分散能力改善
在脉冲关断期内，阴极区域溶液中导电离子浓度会得到不同程度的回升，溶液电阻率减小，则分散能力改善。因此，脉冲电镀的镀层均匀性好，这不仅利于功能性电镀，对于某些高要求的装饰性电镀也非常重要，比如大尺寸工件的装饰性镀金、银等，脉冲电镀分散能力好的优越性可使工件表面镀层的颜色均匀一致、质量稳定。
所以，在某些高要求的装饰性电镀中，采用脉冲电镀是有积极意义的。但对于常规的防护-装饰性电镀，如自行车、紧固件电镀等，则没有必要采用脉冲电镀。
（3）镀层纯度提高
关断时间的存在，会产生一些对沉积层有利的吸脱附现象。例如，脉冲导通期内吸附于阴极表面的不溶性杂质（包括添加剂）在关断期内脱附返回溶液中，从而可得到纯度高的镀层。镀层纯度高，可使镀层的某些功能性大大提高，比如脉冲镀银可提高镀层的焊接、导电、自润滑、抗变色等性能，这在军工、电子、航空航天等领域的镀银生产中是难能可贵的。
（4）镀层沉积速度加快
脉冲关断期内金属离子浓度的回升，降低了浓差极化，利于提高阴极电流效率和阴极电流密度，则有可能提高镀速。脉冲电镀的这种优越性，可用于某些对镀层沉积速度要求较快的电镀生产，比如电子线材的卷至卷连续电镀。但对于普通的电镀生产，若选择脉冲电镀的目的单纯是为了提高生产效率，则似乎有些不太合适。
（5）镀层氢脆消除或减轻
脉冲导通期内阴极表面吸附的氢在关断期内从阴极表面脱附，镀层氢脆消除或减轻，物理性能得到改善。镀层氢脆小，工件的抗断裂强度提高，这在对机械强度要求较高的产品的电镀中无疑有着重要的意义。
4、周期换向脉冲电镀基本原理
周期换向脉冲电镀习惯称双(即双向)脉冲电镀。典型的周期换向脉冲电流波形如图2所示。在正向脉冲之后引入反向脉冲，正向脉冲比反向脉冲持续时间长，反向脉冲幅度通常大于正向脉冲，大幅度、短时间的反向脉冲所引起的高度不均匀阳极电流分布可使镀层凸处被强烈溶解而整平。
图2典型的周期换向脉冲电流
周期换向脉冲电镀与单脉冲电镀相比，具有如下优越性。
(1)首先，反向脉冲可有效改善镀层的厚度分布，镀层厚度更均匀，整平性更好。
(2)反向脉冲的阳极溶解使阴极表面金属离子浓度迅速回升，这利于下一个阴极周期使用高的脉冲电流密度，又使得晶核的形成速率大于晶体的生长速率，镀层致密度进一步提高。
(3)反向脉冲的阳极剥离使镀层中有机杂质(含光亮剂)的夹附大大减少，因而镀层纯度更高，抗变色能力更强，这一点在氰化镀银中尤为突出。
(4)反向脉冲电流使镀层中夹杂的氢发生氧化，从而可消除氢脆(如电沉积钯时反向脉冲可除去共沉积的氢)或减小内应力。
(5)周期性的反向脉冲电流使镀件表面一直处于活化状态，因此可得到结合力好的镀层。
(6)反向脉冲有利于减薄扩散层的实际厚度，提高阴极电流效率，因此合适的脉冲参数会使镀层沉积速度进一步加快。
5、脉冲电镀电源的频率
一般，高频脉冲定义为频率大于5000Hz，低频为频率小于500Hz,中频则在500～5000Hz之间。用于电镀的脉冲电源多属于中频类型。当使用频率较低的脉冲时，其改善镀层质量的效果会打折扣。所以，低频脉冲电源多用于阳极氧化或其它，而较少用于电镀，尤其贵金属电镀。
当使用频率较高的脉冲时，脉冲前、后沿极易对导通、关断时间造成严重影响，从而影响脉冲电镀瞬时高电位有利作用的充分发挥。例如，脉冲镀金，频率5000Hz(此时脉冲周期0.2ms)，占空比20%，则导通时间为40?s。此时，假设脉冲前沿为最小的20?s(实际可能更大)，则其比例至少占到了导通时间的50%。若频率大于5000Hz，占空比小于20%(脉冲镀金时占空比很多时候选10%)，则前沿占导通时间的比例会更大，甚至前沿会大于导通时间。如此，脉冲改善镀层结晶的作用肯定会受到严重影响。实际脉冲电镀贵金属生产中，频率多在1000Hz左右。
尤其当使用频率更高的脉冲(上万或几万赫)时，其前沿可能远大于导通时间，后沿可能远大于关断时间，则只能得到脉动直流电流，此时脉冲的意义已全无。"高频脉冲电镀电源"频率几万赫，其输出的电流多是脉动电流，实质是一种直流电流，与能够改善镀层结晶的方波脉冲电流有本质的区别。严格讲该电源应叫"高频脉冲开关电镀电源"，实质是一种开关电源。而真正的"高频脉冲电镀电源"是一种以低纹波高频开关电源为基础直流电源(目的是减小设备体积、优化组合)的脉冲电源，其输出为中频方波脉冲电流。严格讲该电源应叫"高频开关脉冲电镀电源"，实质是一种脉冲电源。总之，不管电源名称如何，判断其是否脉冲电源，简单的方法，可看其是否有导通时间和关断时间(或占空比和频率)调节范围，有便是，没有便不是。
6、脉冲电镀电源使用注意事项
(1)脉冲电镀电源与镀槽间导体的连接
脉冲电镀电源与镀槽间连线的电感，阻滞了电流变化导致通过镀槽的脉冲电流上升时间延缓，引起脉冲波形畸变。采用短、粗、根数多的电缆线，且阴阳极电缆线相绞而用(即阴阳极线缠绕在一起拧成"麻花状")，可尽量抵消电感效应，减小脉冲波形失真度，提高镀层质量。
连线一般要求不超过两米，这使得脉冲电镀电源距离镀槽较近，从而增加了电源受腐蚀的几率，使设备可靠性降低。比较可行的做法是，将脉冲电源与镀槽隔墙放置，或做有机玻璃罩将其罩住。
(3)脉冲电流的使用或选择
一般选择脉冲平均电流与使用直流电流时一样或稍大。例如，直流镀时使用电流10A，则脉冲镀时平均电流也选10A或稍大(此时不考虑占空比大小)。
7、脉冲电源应用于的行业
（1）电镀行业：在脉冲电镀过程中，当电流导通时，脉冲(峰值)电流相当于普通直流电流的几倍甚至几十倍，正是这个瞬时高电流密度使金属离子在极高的过电位下还原，从而使沉积层晶粒变细；当电流关断时，阴极区附近放电离子又恢复到初始浓度，浓差极化消除，这利于下一个脉冲同期继续使用高的脉冲(峰值)电流密度，同时关断期内还伴有对沉积层有利的重结晶、吸脱附等现象。这样的过程同期性地贯穿整个电镀过程的始末，其中所包含的机理构成了脉冲电镀的最基本原理。实践证明，脉冲电源在细化结晶，改善镀层物理化学性能，节约贵重金属等方面比传统直流电镀有着不可比拟的优越性。双脉冲电源的反向脉冲的阳极化溶解使阴极表面金属离子浓度迅速回升，这有利于随后的阴极周期使用高的脉冲电流密度，因而镀层致密、光亮、孔隙率低；双脉冲电源的反向脉冲的阳极剥离使镀层中有机杂质（含光亮剂）的夹附大大减少，因而镀层纯度高，抗变色能力强。
（2）电加工行业：利用电化学加工溶解阳极电极进行的去除性加工，一般用于加工硬度较高的工件，配合电火花加工效率和提高很多，属于一种新兴的加工工艺。
（3）电抛光去毛刺行业：电抛光和去毛刺行业之所以应用脉冲电源，主要原因在于普通直流电源无法将工件死角抛光或去毛刺，使用单脉冲电源的时候脉冲关断时间有利于工件表面和溶液之间有一个浓度还原的过程，消除浓差极化，有利于死角抛光。而针对有微孔的工件处理一般采用双脉冲电源效果更好。
