电磁炉原理与维修.ppt

电磁炉 郝国勇 主要内容 电磁炉产品简述电磁炉特殊元器件介绍应用电路组成各功能模块讲解 1 电磁炉的优点 电磁炉煮食的热效率要比所有炊具的效率均高出近1倍具有升温快 热效率高 无明火 无烟尘 无有害气体 对周围环境不产生热辐射 体积小巧 安全性好和外观美观等优点在电磁炉较普及的一些国家里人们誉之为 烹饪之神 和 绿色炉具 2 电磁炉的加热原理 电磁炉是应用电磁感应原理对食品进行加热的 电流电压经过整流器转换为直流电使直流电变为超过音频的高频交流电将高频交流电加在感应加热线圈上 由此产生高频交变磁场其磁力线穿透灶台的陶瓷台板而作用于金属锅 在烹饪锅体内因电磁感应就有强大的涡流产生 涡流克服锅体的内阻流动时完成电能向热能的转换 2 高频电磁炉的加热原理 3 电磁炉的分类 电磁炉按感应线圈中的电流频率分为低频和高频两大类 相比较高频电磁灶受热效率高 比较省电 按样式分类 可以分以下三种 1 台式电磁炉2 埋入式电磁炉3 嵌入式电磁炉 主要内容 电磁炉产品简述电磁炉特殊元器件介绍应用电路组成各功能模块讲解 1 陶瓷板 陶瓷板是微晶陶瓷板的简称 陶瓷板的主要作用是承载加热锅 陶瓷板的性能远高于普通陶瓷 它既有较好的机械强度 能完全承受锅体及食物的重量 又具有一定的抗热冲击强度 还能经受温度的剧烈变化 2 加热线圈 加热线圈是电磁炉中的一个重要元件 其外形较特殊加热线圈又称发热线圈 它并不是发热源 而是高频谐振回路中的一个电感 所以又称为高频谐振线圈 2 加热线圈 加热线圈直径 除固定胶盘边沿 一般在16cm 22cm之间 且电磁炉功率越大 加热线圈直径也越大加热线圈是用粗铜线以同心圆方式由内到外绕27 33匝 电磁炉功率越大 匝数越多 呈圆盘状固定于绝缘胶架上 加热线圈中的铜线直径较大 均为2 2mm 是由多股 常为22 26股 直径0 4mm的漆包铜丝绞合而成 2 加热线圈 加热线圈的中心安装有感温器支架 以便安装热敏电阻加热线圈的背面安装有多根磁条 安装磁条阵列是为了会聚吸收磁力线 减小磁力线外泄 3 IGBT管 在电磁炉电路中 开关管扮演着非常重要的角色 当开关管导通时 300V经加热线圈 开关管给加热线圈充电 电能转化为加热线圈中的电磁能此时加在开关管上的电压约为 250V 工作电流在20A 40A之间 3 IGBT管 普通的MOS场效应管 虽然仅需微弱的驱动电压即可工作 但工作在高电压和大电流状态时 因内阻较大 管子发热快 难以长时间工作 大功率达林顿管虽然可以在高电压 大电流状态下长时间工作 但需要较大的驱动电流 3 IGBT管 将场效应管作为推动管 大功率管作为输出管 这样一个组合集两者优点于一身 既具有双极型晶体管能通过大电流密度的优点 同时在驱动电压下 又具备了场效应管用电压进行控制的特点 具有能实现电压控制以及大功率输出的特点 输出功率可达1000W以上 称为绝缘栅型双极晶体管 其英文表示为iusulatedGateBipolarTransistorIGBT管俗称门控管 它既有场效应管驱动电流小的优点 又有双极型晶体管饱和压降小 电流密度大的优点 因此可以简单地把IGBT管理解为一只场效应管与双极型晶体管的复合器件 3 IGBT管 常见符号如图 3 IGBT管 带有阻尼二极管的N型1GBT的电路符号是在上述符号的c e极间添画一只二极管符号即可 电磁炉线盘和电容产生振荡到截止的时候会有一个很高的脉冲 这个二极管就是用来阻止这个电压损坏功率管的 3 IGBT管 常见的IGBT管的管脚排列顺序与常见的大功率二极管一致 即管脚朝下 标注面向自己 从左到右依此是门极 G 集电极 c 发射极 e 电磁炉中使用的IGBT管多为N型IGBT管 3 IGBT管 4 整流全桥 整流全桥虽然在家电产品中随处可见其身影 但用在电磁炉中的整流全桥却要求其输出电流大 抗大电流抗击能力强 能承受较高的峰值反向电压 例如 RS1507整流全桥 该全桥能承受的最大峰值反向电压为1000V 最大输出电流15A 峰值电流可达250A 最大正向压降1V 工作温度范围是 55 150 4 整流全桥 5 常见IC LM339四电压比较器LM339内含四个相同的电压比较器 在电磁炉电路中主要用作检测信号的比较判断 5 常见IC 5 常见IC LM393双电压比较器LM393是一种低功率 低偏置 高精度双电压比较器 其偏置电压可低至2mV 其工作电压范围较宽 为2V 36V 5 常见IC LM324四运算放大器LM324内含四个运算放大器及运算补偿电路 差分输入 工作电压范围为3V 32V 5 常见IC 74HC1648位移位寄存器现有电磁炉的面板显示项目较多 内容较丰富 与之对应的控制端口也较多 然而单片机的端口非常有限 为了达到对显示电路的控制 电磁炉多采用74HC164 移位寄存器 来扩展控制端口 5 常见IC 74HC164的引脚A B为串行码输入端 CLR为清零输入端 CLK为时钟脉冲输入端 该IC随着时钟脉冲上升沿的到来 A B相与后的状态依次由QA移向QH 6 抗干扰电容 在电磁炉的市电输入线ACL ACN之间接有电容C1 X电容 该电容既能防止电磁炉产生的高频干扰脉冲窜入市入电网 干扰其他电器 又防止市电网中的干扰脉冲窜入电磁炉电路 影响其工作 该电容的容量通常为2uF 7 滤波电容 市电经全桥整流后 经过电容滤波 将脉动的直流电变为平滑的直流电 该电容称为滤波电容 滤波电容的容量通常为5uF 注意 由于电磁炉工作时 电流波动频率高 幅度大 因此上述抗干扰电容及滤波电容均不能采用普通电容器 而是选用MKP电容器 MKP电容器实为无极金属化聚丙烯膜电容器 这种电容具有无感 高频特性好 自愈能力强 稳定性好等优点 并采用塑料防腐外壳环氧灌装 体积小 绝缘性能好 MKP电容器属于专用电容器 主要用于电子 电器设备中电源部分抑制噪声的器件 8 高频谐振电容 8 高频谐振电容 电磁炉正常工作时 加热线圈与并联的电容谐振产生15kHz 30kHz高频交变电流高频谐振电容器工作在高频大电流状态高频谐振电容器 选用MKPH型电容器 该类电容器具有高频特性好 过流能力强 频率特性优 自愈能力强等优点 在 25 105 的环境中均能正常工作 8 高频谐振电容 在电磁炉中 加热线圈与高频谐振电容的谐振频率是设计电磁炉电路及选择元器件的重要依据之一 由于高频交变电流频率 f 由加热线圈的电感量 L 与高频谐振电容容量 c 决定 即 2 f 2 1 LC 因此高频谐振电容容量选择非常重要 8 高频谐振电容 常见电磁炉加热线圈的电感量在0 13uH 0 16uH之间 高频谐振电容容量为0 2uF 0 3uF或0 4uF 若高频谐振电容容量为0 2uF 则高频交变电流频率为28 13kHz 31 22kHz 若高频谐振电容容量为0 3uF 则高频交变电流的频率为22 97kHz 25 49kHz 若高频谐振电容容量为0 4uF 则高频交变电流的频率为19 89kHz 22 07kHz 9 压敏电阻 为了防止外部输入电压过高损坏电磁炉 在市电进线端并联有一只压敏电阻 其外形极像瓷片电容器 该压敏电阻标注 般为TVR14391或TVR10431 这表明其击穿电压为AC390V或AC430V 只要外部输入电压峰值超过压敏电阻的标称耐压值 压敏电阻立即击穿 保险管熔断 保护后级电路免遭过压损坏 9 压敏电阻 正常时压敏电阻的两脚间电阻均为无穷大 其损坏后的现象较为直观 多为烧焦或炸裂 压敏电阻属于一次性保护元件 一旦击穿便不能自动恢复 应予以更换 9 压敏电阻 10 热敏电阻1 10 热敏电阻1 发热线圈盘中心的感温器架上安装有热敏电阻 该热敏电阻表面呈红色 其外形酷似二极管1N4148 电磁炉的保温功能及防于烧保护功能的实现均靠此热敏电阻来感知 热敏电阻紧靠陶瓷板并在两者之间涂有导热硅脂 其目的是提高其感知灵敏度 10 热敏电阻1 热敏电阻多采用负温度系数电阻 即温度升高 阻值减小 热敏电阻的优劣直接影响整机的温控灵敏度 11 热敏电阻2 为了防止开关管过热损坏 在散热片上安装有一只塑料封装的热敏电阻 11 热敏电阻2 温控器实为一只负温度系数的热敏电阻 即随着温度升高阻值不断减小 11 热敏电阻2 12 互感器 在电磁炉中常用互感器来检测电磁炉的工作电流 互感器实为一个小功率的升压变压器 该互感器初次级匝数比多为1 800 即初级铜线线径粗 匝数少 次级铜线线径细 匝数多 正常的互感器初级直流电阻近似0 次级电阻约为455 初 次级绕组绝缘 13 散热风扇 由于IGBT管 整流全桥在工作时通过的电流较大 因此会发出大量热量 为了保证这些元件安全可靠地工作 就必须加装散热装置 由于散热片远远不能满足散热需求 因此电磁炉又增加风扇强制散热 13 散热风扇 目前该散热所用的电机有两类 一类是普通碳刷电机 一类是无刷霍尔电机碳刷电机 生产成本低 但噪音大 寿命短无刷电机 内含转换电路 生产成本高 但可靠性高 寿命长散热风扇的规格主要有80mmx80mnl 90mmx90mm 120mmxl20mm等几种 供电电压也有12V 18V 24V之分 14 操作面板 由于电磁炉的开 关 定时 保温及炒 煮 煎等烹饪功能选择均需人工操作 因此每款电磁炉均设有操作面板操作面板主要包括操作按键及功能显示器件部分电磁炉主板电路基本相同 但出于外观及生产成本考虑 面板设计却有较大变化 主要取决于产品定位及实物外观 尽可能地吸引消费者 14 操作面板 按键 为了防止水分及油烟渗入电路 电磁炉操作面板的按键不外露 而是采用全封闭型微动式或触摸式按键电路 绝大多数中低档的电磁炉采用的是微动式按键 触摸式按键主要用于高档电磁炉 电磁炉的功能显示方式之一发光二极管指示 即功能 状态均靠对应的发光二极管亮 灭来表示 这种显示方式在经济型电磁炉中使用得较多 14 操作面板 14 操作面板 电磁炉的功能显示方式之二液晶显示 显示内容直观清晰 14 操作面板 电磁炉的功能显示方式之三数码显示 即通过数码管直观地显示设定的温度 时间及故障代码等信息 14 操作面板 电磁炉的功能显示方式之四荧光屏显示 亦称VFD VACUumFLuorescentDisplay 显示 荧光显示以其高辉度 宽视角 动态显示图案 清楚易懂等优点 加之其外观华丽富贵 绚丽多彩 倍受消费者喜欢 目前 荧光显示用于高档电磁炉中 主要内容 电磁炉产品简述电磁炉特殊元器件介绍应用电路组成各功能模块讲解 简化的方框图 AC220V市电经桥堆D整流 L1与C5滤波后得到 300V左右的直流电此直流电经加热线圈和IGBT管构成回路 当IGBT导通时 300V给加热线圈充电 电能转换成电磁能储存在加热线圈中 IGBT截止时 加热线圈向C3充电 随即C3又向加热线圈放电 周而复始 即加热线圈与C3构成并联谐振回路 其谐振频率由加热线圈的电感量及C3的容量决定IGBT管在控制电路输出的PWM开关脉冲的驱动下以一定的频率工作 加热线圈中产生15kHz 30kHz的高频交流电 于是铁质平底锅底便产生了强大的涡流 锅底迅速发热 加热线圈中的电磁能转化为热能 细化的方框图 包括以下模块 300V整流滤波电路EMC防护 l8V 5V电源电路LC振荡 同步模块 功率控制高压保护电压 温度检测电流保护模块风扇驱动 主要内容 电磁炉产品简述电磁炉特殊元器件介绍应用电路组成各功能模块讲解 1 EMC防护电路 EMC防护模块主要是在电源的进入端防止有高频干扰或者雷击等造成后面电路的损坏而设置的电路 主要是由CNR C1等组成 压敏电阻的电压敏感特性是它的电阻值随着外加电压变化而变化 电容C1主要是吸收电源中的高频谐波 2 300V整流滤波电路 整流滤波模块主要是进行AC DC变换 其核心元件是整流桥 它将输入的220V交流电变换成脉动直流电 然后经过L型滤波电路 由电感线圈L1和电容C5 进行滤波 输出平滑的直流电 电感滤波的使用 电感对脉动电流产生反电动势的作用 它对交流阻值很大 而对直流阻值很小 如果我们把较大的电感串接在整流电路里 就可以使电路中的交流成份大部分降落在电感上 而直流部分则从电感线圈流到负载上 起到滤波的作用 电感滤波电路通常用在负载电流很大 而对滤波效果要求不严的场合 市电经整流全桥整流 L1与C5滤波后输出 300V直流电 正常工作时 C5两端电压低于 300V 且电磁炉功率调得越高 该电压下降得越多 该电磁炉功率调在1300W时 C5两端电压约为260V 3 l8V 5V电源电路 该电磁炉低压供电未采用普通变压器降压 整流滤波 稳压输出方式 而是采用开关电源 此开关电源电路由FSD200及少量的外围元件组成 采用FSD200设计的控制电源电路 为单端反激式功率变换线路 稳压管D9与Q9组成了常见的直接反馈电路 Q9的输出直接与FSD200的反馈电压输入端Vfb相连 省去了反馈绕组 Vstr直接与直流母线相连 FSD200芯片简介 采用Fairchild公司推出的小功率单片开关电源FSD200 它在230V 15 时输出功率为7W 双列直插封装 价格低廉 外围线路十分简单 FSD200有这样一些显著特点 开关频率能在4ms内从130KHz变到138KHz 这种将开关频率在一定波段内抖动的方法 可将谐波能量分散 有效抑制采用固定开关频率带来的高次谐波所产生的干扰 这不仅减少了EMI 而且可用低成本的电感来代替开关电源通常使用的进线滤波器 不需反馈绕组 FSD200通过与直流母线相连的Vstr引脚 将外部高压送入内部的高压调节器变到7V 作为芯片的控制电压 省去了反馈绕组 其他还有过负荷保护 过热关断 软起动 在待机状态时减少开关损耗的自举操作方式等 得到两路输出 5V 18V 4 LC谐振电路 LC谐振电路 是电磁炉的主要电路之一 主要是利用了LC并联谐振的原理进行工作 LC谐振电路 当IGBT的C极电压为0V时 IGBT导通 此时的电感 线圈 进行储能当IGBT由导通到截止时 此时由于电感 线圈的作用 电流还会沿着先前的方向流动 由于IGBT关断 电感只能对电容C3充电 从而引起C极上电压升高 随充电电流变小直至为0时 C极电压最高电容C3开始从线圈放电 此时C极电压变低 当达到接近0V时 由控制电路检测 监控 到这个值 再次打开IBGT 又一循环开始 5 同步电路 电磁炉工作时 IGBT管快速交替地工作在饱和与截止状态间 设定不同火力 功率 时 IGBT管的饱和与截止时间的比例不相同 为什么要同步 在IGBT管饱和导通时 加热线圈中感应电动势的极性为左 右 由于电感中电流不能突变 流过IGBT管c e极间电流逐渐增大 当电流增大至某一值时 IGBT应立即截止 以避免大电流击穿IGBT管 为什么要同步 一旦IGBT管截止 加热线圈中的感应电动势极性立即变为左 右 加热线圈给C3充电 接着C3又给加热线圈放电 加热线圈与C3产生阻尼谐振 即随着电磁能迅速转化为热能 其谐振幅度越来越小 为什么要同步 在谐振初期 加在IGBT管c e极上的电压非常高 这期间应确保IGBT管可靠地截止 否则高电压形成的大电流必将损坏IGBT管 综上所述 在不同功率状态下 IGBT的工作状态应当与加热线圈的状态保持协调 也就是IGBT管的驱动信号应与加热线圈的状态保持协调 完成协调任务的电路常称之为同步电路 当加热线圈两端电压极性为左 右 正电压经R7 R25分压后加到U2 3的反相输入端 负电压经R19 R20降压后加到U2 3的同相输入端 此时U2 3的输出端为低电平状态 U2 4输出高电平 Q3导通 DEVICE为高电平 IGBT导通饱和 当加热线圈两端电压极性为左 右 此时U2 3的输出端为高电平 U2 4输出低电平 Q4导通 DEVICE为低电平 IGBT可靠截止 6 电网电压检测电路 7 过电流检测电路 8 浪涌检测 有浪涌时通过硬件产生中断INT 高电平 9 温度检测电路 10 锅检电路 计 通电以后 给K一短暂电平值 通过积分电路C2 R43得到一扰动 C34破坏原有平衡 经过功率整定与驱动电路 IGBT进行工作 LC形成振荡 按照PAN高低电平变化的次数进行计数 根据次数的多少来判断有无放锅 11 高压峰值检测电路与功率整定电路 检测到IGBT的输出 工作中 当IGBT管截止瞬间 加在IGBT管C e极上的电压最高 为了防上此时电压超过1GBT的c e极的最高反压值 耐压 特设计了高压峰值检测电路 开机后 5v电压经R3 R22分压得到电压 加到U2 2同相端 作为同相基准电压 单片机的3脚输出的PWM信号经R34 EC6滤波后得到直流电平 此直流电平常称为PWM电平 或称功率电平 此电平直接影响电磁炉的输出功率 正常时 U2 2同相端电压高于反相端电压 U2 2输出端内部电路等效于开路状态 对电路EC3两端的PWM电平无影响 当IGBT管c极电压过高时 U2 2同相端电压低于反相端电压 U2 2输出端输出低电平 EC3两端的功率电平下降 经功率整定电路的作用 使IGBT管驱动信号的占空比变化 从而IGBT管的高压峰值下降 12 功率整定电路与驱动电路 功率整定电路为驱动电路送出驱动脉冲 此脉冲直接影响整机功率 驱动电路的作用是给IGBT管提供开关脉冲 此部分电路属于控制电路的末级电路 又称功率驱动输出级 单片机电路是电磁炉中控制信号的分析处理中心 如同电磁炉的中枢神经 13 单片机电路 14 蜂鸣器电路 15 风扇电路 16 按键与LED显示电路 作业