小小电磁炉 蕴含大智慧

小小电磁炉 蕴含大智慧 小小电磁炉 蕴含大智慧(一) 电磁炉基础知识部分 小小电磁炉看似不起眼，里面却蕴含着丰富的知识，不管你是电视机的修理师傅还是电器仪表的修理师傅，看完本篇的电路都会起到抛砖引玉、举一反三的收获。 电磁炉是利用电磁感应加热原理制成的电气烹饪器具。，功率都在1000W以上，属于大功率的电器设备，是现代厨房革命的产物，它无需明火或传导式加热而让热直接在锅底产生，因此热效率得到了极大的提高。是一种高效节能橱具，是不消耗氧气的低碳炊具，完全区别于传统所有的有火或无火传导加热厨具。是由高频感应加热线圈(即励磁线圈)、高频电力转换装置、控制器及铁磁材料锅底炊具等部分组成。使用时，加热线圈中通入高频交变电流，线圈周围便产生一交变磁场，交变磁场的磁力线大部分通过金属锅体，在锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的热。在加热过程中没有明火，因此安全、卫生。 在安全方面;电磁炉有多项的安全保护措施;内部设置锅检控制电路;在电磁炉不坐锅或者锅不匹配的状态下电磁炉无法开启，在烹调结束拿起锅，电磁炉自动关闭。内部设置温控电路;当内部过热(特别是IGBT管)时;自动开启散热风扇内部排气降温。内部大功率管振荡异常IGBT功率管集电极过压保护。220V市电过压保护。220V市电瞬间浪涌保护。内部设置过电流保护，当负载过重或出现过电流现象，自动进入保护待机状态。并且内部设置了自动功率控制电路以产生稳定的对食物加热的热量。 电磁炉的加热原理: 图1所示;是电磁炉加热原理示意图;下面的线圈就是电磁炉的功率输出线圈;在工作时内部流过强大的频率为25KHz的正弦波交流电流;流过的电流根据电磁感应的原理就产生强大的交变磁场(图中磁力线所示);电磁炉上坐的锅即作用于这强大的磁场之中;锅底是磁敏感质材制作;虽然锅底是一个平板状金属板;但是我们可以等效的看成锅底是由一圈一圈大小不同的短路闭合线圈叠加组合而成;图2所示。 图1 此时;当线圈流过强大的交变电流时;产生强大的交变磁场;由于锅坐在线圈上面;磁场穿过锅底;等效于组成锅底的线圈在不断的切割磁力线;并在这些线圈中产生 强大的感生电流，由于线圈是短路的;电流短路电能转换为热能;锅底及发热并对锅内的食物加热。 这种闭合线圈的产生的电流称为”涡流”或”佛科电流”(Foucault current)，是在电磁感应的作用下产生的。 图2 既然在线圈内部通过交变电流就可以对锅内的食物加热，这个交变电流又是电磁炉电路提供的;那么电磁炉的本身就是一个大功率的正弦波振荡器，并且为了控制烹调食物的温度;就要做到这个振荡器的输出功率可以调制;并且要具备各种的保护控制功能;例如锅内水烧干了的超温保护、电磁炉上没有坐锅就无输出的锅检保护等等。虽然是小小电磁炉;但是它集电工原理、电子技术、数字技术多项基础电路原理于一身，而且简易通俗;小小电磁炉的知识能引导、打开电子技术知识的大门。 一、分析电磁炉工作原理的预备知识: (谐振电路及振铃现象、LM339比较器原理及应用)。 1、 振铃现象: 在日常的生活中:寺庙里的大吊钟，用大木柱撞击一下(只撞击一次)，钟就会有一声洪亮的响声;而这个响声是一个由强到弱的逐步衰减的过程;如果用录音机把这个逐步衰减的声音记录下来，音频信号的波形就是一个，如图3所示;幅度逐步衰减到零的正弦波，这种现象就称为“振铃” 图3 电子电路上的振铃现象: 下面的图4所示是一个由C3和L组成的并联谐振电路，谐振电路的上端接+B电源;谐振电路的下端经过一个按钮开关K接地;也就是+B电源的负极。 图4-1 图 4-2 图4-3 图4 在按钮开关没有被按下;电路内部没有电流流过。谐振电路内部也没有谐振现象产生，也没有什么电流产生，如图4-1所示。 现在我们瞬间按动下按钮开关K一次(按后立即松开)，也就是电路在开关接通瞬间;会有电流由+B经由电感线圈L及开关K由上向下流通。此时流经电感了L的电流在线圈上产生了磁，建立了磁场，磁场力线的方向是由上指向下，图4-2所示(线圈内虚线所示为磁场的力线;磁场的方向可以通过右手螺旋定则确定)。磁场是由于电流流过而产生;所以磁场也是能量。由于电路只是接通瞬间开关K即断开所以磁场无法持续维持;只要开关K断开;电流被切断;磁场也即消失;由于能量守恒定律——所以磁场的消失只能转换为另外一种能量;这就是在线圈两端产生电动势——感生电势;感生电动势的方向是下面为:“正”上面为:“负”，图4-3所示。这个下“正”上“负”的感生电动势由于开关K是断开的; 图4-4 图4-5 图4-6 图4 所以只能对电容器C3充电，电容两端所充电压为下“正”上“负”;电容器两端电压充到最大值;线圈的感生电动势也释放完毕。此时由于电容器两端电压达到最大值;而线圈的感生电动势已经为零;电容器上的所充电压反过来又通过线圈放电;其放电电流方向是由下向上流通;由于线圈有电流流过;线圈上又产生磁场;磁场 力线的方向是指向上，图4-4所示; 当电感上磁场能量达到最大;电容器C3上电压也释放完毕;不再能对电感L形成电流;此时磁场也无法继续维持，磁场的消失能量又转换为感生电势;其方向是上“正”下“负”;并对电容器C3再行充电，其电容器C3上充电电压为上“正”下“负”，图4-5所示;当电感L的磁场能量释放完毕;电容器C3上电压充到最大值时;电容上电压又反过来通过电感L再行放电;电流方向是由上向下;又把电容上的电压转换为电感的磁能，图4-6所示 磁力线方向指向下。就这样电容器和电感之间反复的充放电，不断循环，理论上永不休止。这就是我们平时所说的“振荡”其振荡周期的大小;也就是振荡的频率于电容器的容量及线圈的电感量有关;电容器容量大;充电就慢，振荡周期就长;振荡频率就低。线圈的电感量大就阻碍电容器对电感的放电速率;振荡周期就长;振荡频率就低。反过来振荡周期就短;振荡频率就高。 振荡频率 图5 但是;由于电路本身的阻性分量的存在;电感和电容反复充放电的过程中;电路的阻性分量每次都要损耗一部分能量;充放电的能量越来越弱，形成一个减幅振荡的过程，到最后就没有能量了。这个减幅振荡的波形如图5所示，这种谐振电路在外能量刺激一次形成的一个减幅振荡的过程;称为振铃现象。其过程也像庙里的一个大钟，你用力敲击一下;钟声的响声是一个逐步衰减的过程。 振铃的波形:在振铃波形;在电感对电容的充电及电容再对电感放电的过程中逐步衰减;振铃的波形就是一个衰减的正弦波(定义:振荡的特性取决于负载，如果负载是谐振电路;其波形就是正弦波)。 振铃波形的频率:频率于谐振电路的C和L有关()在电磁炉中;电磁炉的振荡频率: 于内部的并联于线圈上的电容及C加热线圈的电感L有关;而加热线圈的电感量，在坐锅及不坐锅时不一样;坐锅电感量L就大;不坐锅电感量L就小。那么:坐锅在时电磁炉的频率就低; 不坐锅时电磁炉的频率就高。 图6 图7 (如果电磁炉的频率是28K/秒，在1毫秒的时间有28个振荡周期，0.25毫秒就有7个振荡周期，如果不坐锅 0.25毫秒的振荡周期数就要上升超过10个振荡周期，CPU就是利用这个原理进行 锅检) 2电压比较器: 现在的电磁炉内部采用了一块四电压比较器集成电路巧妙的完成了振荡、控制、保护等功能。通过对比较器的电路特点、性能的理解;对于分析电磁炉的电路原理及故障分析乃至故障的修复都是至关重要的。 图2-1所示;就是一块电磁炉应用的最多的四电压比较器集成电路LM339的外形及内部四个电压比较器的排列方式、引脚的功能。 图2-1 在LM339集成电路中，集成了4个相同的电压比较器电路，这4个电压比较器除 了VCC供电及接地是共用的;其它都是独立的，在电路的应用中;可以根据需要只用其中的任意一个或几个。 电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将两个模拟量电压信号(或者一个模拟量和一个参考电压)相比较，并判断出其中哪一个电压高、哪一个电压低，把比较的结果在输出端用电平的高低反映出来。 在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平 图2-2所示是从图2-1所示LM339电压比较器集成电路中单独提取出一个电压比较器进行工作原理的分析(集成电路中的(1)电压比较器)。 图2-2 在图2-2所示的电压比较器中Vb、Va是输入端(对应于集成电路LM339的(4)、(5)端)，Vout是输出端(对应于集成电路LM339的(2)端)，在两个输入端中有加号(+)的输入端Va称为:同相输入端，有减号(—)的输入端称为:反相输入端。 要比较的两个电压分别加到Vb和Va两个输入端上;输出端即根据这两个电压的高低;输出高电平或者低电平。其输出电平的高低和两个比较电压的关系如下: Vout为高电平输出(即 5脚电压 > 4脚电压;2脚为高电平)。 当Va电压高于Vb时 当Vb电压高于Va时 Vout为低电平输出(即 4脚电压 > 5脚电压;2脚为低电平)。 根据输出端的电压高低就知道;输入端的那个电压大;那个电压小 (也就是当同相输入端电压高于反相输入端;输出为 高电平，同相输入端电压低于反相输入端;输出为 低电平。) 在现代的电子设备中;电压比较器的用途极为广泛，特别是家用电器中应用更为普片;一般最普通的应用是在过压过流保护电路中用作把取样电压和基准电压的进行比较;比较的结果去控制保护执行电路;使之在电路出现过压过流及断路、开路时进入保护状态使电器具的安全得到保证，电压比较器的外围电路简单反映灵敏、精度高、稳定可靠为、成本低为广大电路设计人员乐意采纳。这方面的原理知识已经有大量的介绍，这里就不在赘述。 下面为了电磁炉原理的理解介绍一下在输入端交变电压时输出端的输出状态: 1 输入端输入正弦波交流电; 2 输入端输入锯齿波交流电; 两种情况下的输出状态; 如果在输入端输入是正弦波交流电:图2-3所示 单端输入: 两个输入端;一端输入交流电另一端输入直流电压或接地(零电压)。 图2-3 图2-3中 电压比较器的输入端4接地(零电位)，输入端5接正弦波交流电。 在T1~T3时间;正弦交流电是正半周，此时;电压比较器5脚电压大于4脚电压;输出端2脚电位为高电平(VCC)。 在T3~T5时间;正弦交流电是负半周，此时;电压比较器5脚电压小于4脚电压;输出端2脚电位为低电平(0V)。 在T5~T6时间;正弦交流电是正半周，此时;电压比较器5脚电压大于4脚电压;输出端2脚电位为高电平(VCC)。 从以上可以看出;电压比较器的输入交流正弦波;输出端输出频率相同的方形波。 差分输入:两个输入端都接如正弦波交流电的两端;一端为正半周时另一端为负半周——差分输入:和上述的结果相同。 如果在输入端输入是锯齿波:图2-4所示 图2-4 图2-4中 电压比较器的输入端4接地(零电位)，输入端5接锯齿波交流电。 在T1~T3时间;锯齿波交流电是正半周，此时;电压比较器5脚电压大于4脚电压;输出端2脚电位为高电平(VCC)。 在T3~T5时间;锯齿波交流电是负半周，此时;电压比较器5脚电压小于4脚电压;输出端2脚电位为低电平(0V)。 在T5~T6时间;锯齿波交流电是正半周，此时;电压比较器5脚电压大于4脚电压;输出端2脚电位为高电平(VCC)。 从以上可以看出;电压比较器的输入锯齿波;输出端输出频率相同的方形波。 从上面的两例中可以看出;电压比较器的两个输入端;一个输入的是直流零电位输入;一个输入的是交变信号，而交变信号的零轴正好在波形的中间穿过(在幅度的50%处)。也就是交变信号的正半周和负半周是对称的信号。这样输出的波形是占空比为相等的方波(即高电平和低电平的宽度相等;也就是输出方波时间上;T1~T3=T3~T5)。 下面再我们在了解一下:如果电压比较器的 5 脚输入的是一个变化的线性电压，4 脚输入一个幅值为10V的锯齿波;2脚输出端的输出波形会有什么变化, 为了更简单方便的说明问题:电压比较器4 脚输入幅度由0V至10V变化的锯齿波;5脚输入3V、5V、7V不同的电压;看看2脚输出端的输出波形有什么不同。 1)、 在电压比较器的4脚输入幅度为10V的锯齿波。在 5 脚输入5V直流电压。图2-5所示。 图 2-5-A 图2-5-B 图2-5 这样4脚的直流电压和5脚的锯齿波的关系如图2-5-A所示;4脚的电压5V;正好位于锯齿波幅度的一半位置;此时;在时间上;T1~T3=T3~T5那么;2脚输出的方波波形如图2-5-B所示;也是T1~T3=T3~T5。 结论是;输出方波的高电平的宽度等于低电平的宽度。 2)、 在电压比较器的4脚输入幅度为10V的锯齿波。在5脚输入3V直流电压。图2-6所示。 图 2-6-A 图2-6-B 图2-6 这样5脚的直流电压和4脚的锯齿波的关系如图2-6-A所示;5脚的电压3V;位于锯齿波幅度的一半的下半部分位置;此时;不难看出;在时间上;T1~T3>T3~T5。那么;2脚输出的方波波形如图2-6-B所示;也是T1~T3>T3~T5 结论是;输出方波的高电平的宽度小于低电平的宽度，T1~T3>T3~T5。由于5脚的电压下降;2脚输出方波的宽度变窄。 3)同样道理;在电压比较器的4脚输入幅度为10V的锯齿波。在5脚输入7V直流电压。图2-7所示，2脚就会输出;图2-7-B 的方波(宽度变宽)。 图 2-7-A 图2-7-B 图2-7 在电压比较器的输入端:分别输入锯齿波和线性变换的电压，那么在输出端就会输出一个;宽度随输入端线性电压变化相对应变换的PWM方形波。 小小电磁炉 蕴含大智慧(二) 电磁炉的启动原理 电磁炉电路原理分析 图3-1是一典型的电磁炉原理图;图3-2是部分区域功能划分 图3-1 电磁炉电原理图: 图3-1 图3-2 电磁炉功能区域 电路组成: 整机由系统控制、低压供电开关电源及主要功能处理电路组成，图3-3是整机框图; 图3-3 系统控制(CPU):U3 采用一 电磁炉电路原理分析 图3-1是一典型的电磁炉原理图;图3-2是部分区域功能划分 图3-1 电磁炉电原理图: 图3-1 图3-2 电磁炉功能区域 电路组成: 整机由系统控制、低压供电开关电源及主要功能处理电路组成，图3-3是整机框图; 图3-3 系统控制(CPU):U3 采用一块经过掩膜的EM78P5841NPJ完成; 作用:操作面板对电磁炉的各项控制功能(启动/关闭、功率控制、锅检、市电过压保护、锅底温度检测、IGBT过热保护、报警提示)等 CPU主要引脚功能: (16)脚:输出PWM功率控制信号以便调整电磁炉的加热功率。 (14)脚:是中断控制口;是双向信号接口，电磁炉启动时;(14)脚;输出一个启动正脉冲;启动电磁炉的工作;启动后振荡脉冲又经过(14)脚返回输入到U3内部;对振荡脉冲进行分段计数完成“锅检”的的工作。 (19)脚:市电过压检测，市电超过一定幅度，电磁炉进入待机状态。 (20)脚:输出功率管IGBT过热保护检测输入，接IGBT绑定的热敏电阻。 (17)脚:锅底温度检测输入，接锅底热敏电阻。 (18)脚:整机电流过流保护，接电流互感器T1。 (12)脚:炉内降温风扇启动输出端。 ( 1)脚:蜂鸣器报警输出端。 低压供电开关电源:由一块 U1 VIPER12A完成;U1电路为串联开关电源电路输出18V及5V作为机内的VCC及CPU供电。 电磁炉的主要功能部分;采用了一块LM339四电压比较器(U2A、U2B、U2C、U2D)集成电路;完成了电磁炉的振荡、输出功率控制、输出电压幅度限制、市电浪涌限制。 LM339内部有四只独立的电压比较器;U2A、U2B、U2C、U2D 振荡是主要是有U2B、Q1(IGBT)、C3及输出电感L完成。 U2A连接在振荡回路中，起到接受CPU的控制指令改变输出功率的作用。 U2C和U2D是保护电路;当IGBT功率管的集电极振荡脉冲幅度过过大时;控制电路的输出自动的降低到一个安全的振荡幅度。U2C是当220V市电，有短暂脉冲干扰时;在干扰出现的瞬间;降低输出功率;以确保电路安全。 下面来分析电磁炉的工作原理: 振荡的启动:涉及振荡的相关部分是:U2B、Q1、从、C3、L(也就是图3-2虚线框振荡、功率控制部分) U2B是一只参与振荡的电压比较器，Q1(IGBT)是功率输出放大的功率管，C3和电感线圈组成一个并联谐振电路，并且负责能量输出。 上面的图所示 右上的图是原来振荡部分 原理 左下 是根据右上图画出的等效电路图便于分析原理 图3-4所示就是振荡部分的等效电路;结合前面学过的电压比较器知识;我们来进行工作原理及振荡过程的分析; 图3-4是振荡部分的等效电路，为了只分析振荡的起振、维持的过程并没有画出进行功率控制的U2A电压比较器的电路部分;Q3、Q4是Q1(IGBT)的灌流电路在进行等效电路分析时也没有画出;所以等效电路中;U2B的输出端就直接接于Q1的栅极端。 U2B输入端的(8)、(9)脚分别经过电阻R7、R11(在等效电路中;原电路图中的R6、R7合并为R7其等效阻值400K。9R、R10、R11合并为R11其等效阻值为600K)连接于谐振电路的两端，从图3-4中可以看出;电压比较器U2B的反相输入端(8)脚经过电阻R7连接于C3及电感L组成的谐振电路的上端;并且和供电源311V连接。电压比较器的同相输入端(9)脚经过电阻R11连接于谐振电路的下端;并且和Q1(IGBT)的集电极连接。 在接通电源的瞬间;经过DB桥堆整流并经过L3、C2滤波后的311V直流电压经过R7加到电压比较器U2B的(8)脚;同时加到谐振电路的上端;并且经过谐振电路加到Q1的集电极， 经电感L及电阻R11加到U2B的(9)脚。这样电压比较器的(8)脚是经过R7直接加311V;而(9)脚经过电感再经过电阻R11加的311V电压;并且电阻R11的阻值大于R7;显然此时;电压比较器的(8)脚电压高于(9)脚电压，也就是电压比较器U2B的反相输入端电压高于同相输入端电压;此时U2B的输出端(14)脚为 低电平输出。这个低电平加到Q1(IGBT)的基极;Q1截止;虽然311V已经提供;但是Q1截止;电路仍处于静止状态，图3-4所示。 【由于R11(600K)的阻值大于R7(400K)的阻值;并且R11还经过谐振电路才接到311V;很显然U2B的反相输入端电压大于同相输入端电压;此时电压比较器U2B的输出端为低电平输出】 此时是静止状态;就是电磁炉的待机状态。 图3-4 (IGBT)的栅极是接在U2B的输出端同时也接在CPU(U3)的中断口此时的Q1 (14)脚，由于U2B已经是低电平输出了，现在由于是待机状态;CPU(U3)的中断口(14)脚;也是低电平输出，Q1(IGBT)仍然是截止状态;把图画成图3-5所示;把Q1(IGBT)等效一个“开关”，更形象一些(等效于Q1的“开关”是断开状态)。 电路的启动 启动:按动操作面板上的驱动键;CPU的(14)脚;即输出一个幅度为5V的正脉冲;此一个正脉冲(仅此一个脉冲);激励Q1导通一次;等效于“开关”被按动(点击)一次，在这“开关”导通的瞬间;311V通过L、Q1(“开关”)瞬间导通一次，并且在C3、L组成的谐振电路中产生“振铃现象”;并在谐振电路的两端产生振铃波形;图3-6所示。 图3-5 这个谐振电路两端出现的振铃波形经过;经过R7、R11分别加到电压比较器U2B的输入端(8)脚及(9)脚。图3-7所示。这个加到U2B输入端的交变电压，不断的改变U2B两个输入端的相对电位的高低;图3-8所示。 图3-6 图3-7 在图3-8中;T1时间U2B的(8)脚为正半周(9)脚为负半周。比较器U2B的反相输入端电压大于同相输入端电压，(14)脚为低电平输出;此时意味着Q1截止; 图3-8 图3-9中所示;是振铃波形的T2时间;在T2时间U2B的(9)脚为正半周(8)脚为负半周。比较器U2B的同相输入端电压大于反相输入端电压，(14)脚为高电平输出;这个高电平加到Q1的基极;此时意味着Q1被导通一次;又对C3、L组成的谐振电路刺激一次，又一次的振铃的激励。 图3-9 这个新产生的振铃波形(幅度高);又被回送到U2B的两个输入端，这样U2B的(14)脚就输出连续不断的方形波，不停的激励Q1反复“导通”、“截止”;不停的刺激谐振电路;谐振电路的衰减的振铃波形就转变为功率强大的等幅波了。 图3-10 以后就是等幅波不断的回送到U2B的两个输入端，振荡持续的进行下去，强大的功率不断地由L输出。饭就做好了。图3-11是Q1“开关”还原是IGBT了。 图3-11 小小电磁炉 蕴含大智慧(三)电磁炉的锅检原理 一、电磁炉的锅检原理: 在使用电磁炉的时候，都知道当电磁炉的炉面上面不坐锅的时候，电磁炉是不能启动的，在电磁炉上烹调食品时;只要把锅端离炉面;电磁炉立即自动关闭进入待机状态。 这是为什么,这就是现代电磁炉的一项自动控制保护功能，当不坐锅的时 一、电磁炉的锅检原理: 在使用电磁炉的时候，都知道当电磁炉的炉面上面不坐锅的时候，电磁炉是不能启动的，在电磁炉上烹调食品时;只要把锅端离炉面;电磁炉立即自动关闭进入待机状态。 这是为什么,这就是现代电磁炉的一项自动控制保护功能，当不坐锅的时候电磁炉不能启动、当在加热烹调时烹调结束只要把锅端离电磁炉面;电磁炉即会立即停止工作;既省电、又安全，对于家用电器的电磁炉来说，面对广大的用电知识不太丰富的用户;电磁炉增加此项功能真是独具匠心。 目前电磁炉的锅检有两种类型;一种是电流锅检;一种是脉冲锅检。 电流锅检: 电流锅检是利用判断电磁炉交流电源进线上面电流的大小来判定电磁炉盘上面是否坐锅;判断的原理是:在电磁炉开始工作时;电磁炉的炉盘上如果坐锅;锅底就要产生涡流;就要消耗能量;电磁炉电源进线的电流就要增加;我们判断这个电流增加的大小来估算出电磁炉的炉盘上是否坐锅;此种方式判断灵敏度极低，受负载功率大小、供电电压大小的影响;极容易出现误判。 脉冲锅检:脉冲锅检利用了计算机的脉冲计数技术，来判断电磁炉面是否坐锅;以确定是否允许电磁炉开启运行。前面的原理已经介绍;电磁炉的能量输出部分(炉盘线圈)实际上是一个谐振电路(炉盘线圈和内部的电容器组成谐振电路)，这个谐振电路的谐振频率就是电磁炉的振荡频率;这个频率在坐锅时和不坐锅时完全不同;坐锅时谐振频率低约控制在28K左右;不坐锅时谐振频率大大高于28K。脉冲锅检就是利用对这个振荡频率的周期数进行计数比较;当计数的结果判定振荡频率为28K;则CPU认为有锅坐在炉面上;控制电路可以维持电磁炉正常工作;当计数的结果判定振荡频率高于28K;则CPU认为电磁炉面没有坐锅;控制电路则关闭电磁炉进入待机状态。脉冲锅检的灵敏度高;不受负载功率大小、供电电压的变化影响;控制精确、稳定、可靠。 二、电路分析 1、 电流锅检:电流锅检是判断电源供电电路交流电流的大小;估算出炉盘上是否坐锅;就要在电源进线处设置一个检测流过交流电流的大小的装置，图1所示就是电流锅检的等效电路图。 图1 图1电路实际是一个电磁炉的供电电路;图中整流桥堆D2就是电磁炉的供电整流元件。220V的交流电经过D2整流、C2滤波后输出+311V的直流电压;供电磁炉的振荡及功率输出使用。在交流供电电路的输入部分;接了一只电流互感器T。电流互感器的构造类似是一个变压器;L1是初级线圈;用较粗的导线绕制;圈数只有一匝;次级用较细的导线绕制;圈数有近几千匝以上(初级线圈的直流电阻因为就是粗线绕制的一匝;其直流电阻基本为0欧姆;次级线圈的直流电阻根据不同的类型从几十欧姆到近几百欧姆之间变化)。 T的初级线圈L1串联在电磁炉的交流供电的电路中,电磁炉工作时;电磁炉供电电流经L1流通，由于L1只有一匝;线径又特别粗;所以不会对电磁炉的供电产生任何压降的影响。由于T是一个变压器;只要初级线圈L1有电流流过;次级线圈L2的两端就必定有电压产生;这个电压的大小与L1流过的电流大小及L2的圈数有关，当L2的圈数确定;这个电压于L1流过的电流成正比。也就是说;当电磁炉的工作电流越大;L2两端的电压就越高。 次级线圈L2的圈数有几千匝，电磁炉正常工作时;初级L1线圈的电流有约4至5安培的电流，这个电流可以在L2两端产生约近10V的交流电压，在没有坐锅的状态下，炉盘线圈没有功率输出;电磁炉整机的电流会非常的小(小于0.05安培)这时L2两端的电压极小(几十毫伏)。这个坐锅和不坐锅的巨大的电压落差变化经过CPU的接口送入CPU内部。 在CPU的内部有一个“锅检电压比较”电路;和事先设定好的“锅检基准电压”进行比较，如果电磁炉启动瞬间后，这个输入的电压高于基准电压;则认为有锅坐在炉盘上，电路就维持正常启动状态工作，持续振荡工作通过锅对食品加热。如果电磁炉启动后;这个输入的电压极小，远小于“锅检基准电压”;则认为电磁炉盘上面没有坐锅;输出控制电路这控制电磁炉停止振荡工作，电磁炉处于待机状态。 在一般的采用有电流互感器电流检测的电磁炉电路中;这个经过D1及C1整流滤波后的电压在有些电磁炉中也作为电磁炉的过流保护控制之用，当因为某些原因;电磁炉发生异常过流现象时，L2的电压就会较大幅度的上升(大大于电磁炉正常工作时的电压)，CPU内部的过流保护控制电路检测到这个上升的电压;即会判断电磁炉有故障;从而发出信号关闭电磁炉的工作。 电流锅检很容易发生错误判断，例如在不坐锅的情况下，如果炉盘线圈出现轻微的短路、或IGBT管有轻微漏电的情况下;即使不坐锅;流过互感器T初级线圈L1的电流也会很大，此时电流锅检电路就会判断为有锅;开启电磁炉工作;结果出现了严重的损坏电磁炉的现象发生。 2、 脉冲锅检: 脉冲锅检是判断电磁炉内部振荡器在坐锅和不坐锅时振荡频率的不同，从而判断是否要开启电磁炉或关闭电磁炉的工作;这种脉冲锅检判断大大的优于电流锅检的判断方法;在现代比较好的品牌电磁炉均被采用。 电磁炉的振荡频率一般都设计在坐锅时25K以上30K左右。这个频率的大小是由电磁炉内部的谐振电容(约0.3微法)、炉盘线圈、及锅底决定，下面公式所示; 在公式中是常数不变的;式中的C是一个固定电容(就是电磁炉内部0.3微法电容器)其容量也是不变的;而式中的L就是电磁炉盘的电感线圈。其电感量L在坐锅时和不坐锅时是完全不一样的。电磁炉盘在坐锅时;电感量L就会变大，电磁炉盘在不坐锅时;电感量就会变小。电磁炉的振荡频率就会因为坐锅或不坐锅而变化。通过上面公式的计算:如坐锅时振荡频率设定为28K,不坐锅时振荡频就会大幅度的上升。 图2 如果坐锅时的振荡频率设计为28K，那么不坐锅时振荡频率就高于28K许多甚至高于35K以上;不坐锅时频率高;每秒的振荡周期数就高于坐锅时每秒的振荡周期数，图2所示的上下的波形对比即为坐锅和不坐锅的振荡周期数对比。 图3所示;就是脉冲锅检的电路原理图;这个在坐锅时的振荡频率为28K;经过比较器电路U2B的(14)脚输出 28K频率的方波;这个方波除了去激励IGBT功率管之外，还送往 图3 电磁炉的CPU控制电路中的脉冲计数电路。脉冲计数电路对U2B(14)脚送来的振荡信号进行以250微秒为一个时间段;对振荡信号进行取样计数，如果坐锅时;振荡频率为28K/秒，那么在250微秒的时间段，就能检测到7个振荡周期的方波。此时CPU内部的脉冲计数电路也是以250微秒时间端7个脉冲计数(考虑到锅的差异及锅放置位置的差异可以对6至8个脉冲的计数都属于正常计数范围,也就是坐锅时;振荡频率可以由24K到32K范围都正常)。这时计数电路在250微秒计数，通过的脉冲数7个正常，电路则维持启动正常工作继续对锅及食品加热。 如果在250微秒时间段计数脉冲超过8个甚至9个、10个这就意味着;电磁炉的振荡频率大大的上升;为什么会上升,只有不坐锅振荡频率才会上升。计数电路计数把这个误差通过控制电路;控制电磁炉停止振荡进入待机状态，图4所示。不坐锅时回送到CPU的脉冲个数显然上升,计数不能通过。 图4 3、脉冲锅检的工作过程: 开启电磁炉的瞬间;当谐振电路还在振铃状态时锅检电路就开始计数，因为此时的振铃频率在坐锅和不坐锅就已经不同，如果不坐锅，显然振荡频率大大上升，图5所示;显然第一次计数就不能通过，不过此时并不马上控制关机;要再通过第二次;第三次计数，都检测到计数频率高才通过控制电路关闭电磁炉工作。计数的间隔不同的电磁炉不同，是由软件控制，可以一秒一次;可以一秒两次，总之只要电磁炉开启，脉冲锅检计数电路就不停的工作，所以在对食物加热的过程中，只要把锅端离炉面，电磁炉即会立即停止工作;可见脉冲锅检是非常准确、安全、可靠的。买电磁炉应该认准这样的～ 图5 小小电磁炉 蕴含大智慧(四)电磁炉的功率控制原理 摘要: 在使用电磁炉的时候，根据不同的烹调用途，有必要控制电磁炉输出功率的大小，以便得到不同的烹调温度;好像我们使用一般炉具时的;小火、中火、大火。在电磁炉上面是依靠改变电磁炉输出功率的大小来达到控制烹调锅具 ... 在使用电磁炉的时候，根据不同的烹调用途，有必要控制电磁炉输出功率的大小，以便得到不同的烹调温度;好像我们使用一般炉具时的;小火、中火、大火。在电磁炉上面是依靠改变电磁炉输出功率的大小来达到控制烹调锅具热量的。并且电磁炉的锅具温控制可以更加的精细，可以达到任意的加热温度。 一、电磁炉功率控制的基本原理: 前面几章节已经详细的介绍了电磁炉加热锅具的原理;是电磁炉的加热炉盘(功率输出线圈)通过在工作时内部流过强大的频率为25KHz的正弦波交流电流，经过电磁感应的原理在锅底产生涡流从而导致锅底发热并对食物加热的。我们只要控制通过加热炉盘的交流电流的大小就可以达到控制温度的目的，如何能做到能任意的控制流过加热炉盘的交流电流的大小呢, 前面已经提到;电磁炉的功率输出电路是一个谐振电路，谐振电路的振荡能量是由连接在此谐振电路的功率输出管Q1(IGBT)提供的，IGBT功率输出管和功率输出谐振电路的连接如图4.1所示。 图4.1 在图4.1中;功率管Q1在激励信号的控制下不断的做“开关”工作，在激励信号为“正”时;Q1饱和导通+B电压经过L、Q1流通，向C3、L组成的谐振电路提供能量，C3、L组成的谐振电路在此能量的激励下产生正弦振荡。并以电磁感应的形式在锅底形成涡流产生热量。C3、L产生振荡波的幅度越大;锅底形成的涡流强度越大，对食物加热的热量越高，反之;产生的振荡波的幅度越小;锅底形成的涡流强度越小，对食物加热的热量就很低，C3、L组成的谐振电路的振荡波的幅度大小，决定了电磁炉加热功率的大小。 电磁炉如何控制C3、L谐振电路振荡波的幅度, 在Q1导通的时间，+B经过L及Q1流通形成电流，由于电感线圈L的电磁感应原理，(愣次定律:线圈L产生的自感电势对抗外加电势引起电流的上升)电流是逐步的上升，并转换为磁能储存于线圈L中，那么Q1导通的时间短;L内部形成的电流幅度就小，线圈存储的磁能就小。Q1导通的时间长;L内部形成电流幅度就大，线圈存储的磁能就大。线圈存储磁能小转换为振荡正弦波的幅度就小;锅底的热量就小，线圈存储磁能大转换为振荡正弦波的幅度就大;锅底的热量就高。 图4.2及图4.3所示就是在不同的Q1激励波形(正半周的宽度不同)时;流过L内部电流的幅度大小的对比图。 图4.2 窄”，表示Q1导通时间“短”，那么图4.2所示:Q1激励波形的正半周宽度较“ 下面显示的流过L的电流的最大幅度就较小。 图4.3 图4.3所示:Q1激励波形的正半周宽度较“宽”(比较图4.2)，表示Q1导通时间“长”，那么下面显示的流过L的电流的最大幅度就较大。 图4.2的电流幅度小，C3、L组成的谐振电路产生的正弦波幅度就较小，电磁炉输出的功率就较小。图4.3电流幅度大，C3、L组成的谐振电路产生的正弦波幅度就较大，电磁炉输出的功率就较大。 综上所述;显然只要控制功率输出管Q1在一个导通周期(T)内的导通/断开的时间比(占空比)就可以达到任意控制锅底温度的目的(这个控制原理和一般的CRT电视机的开关电源的PWM稳压控制原理相类似)。那么只要改变功率输出管Q1的激励信号正半周和负半周的时间比即可以达到控制输出功率大小的目的，如图4.4及图4.5所示。 图4.4 在图4.4中;激励信号在一个导通周期(T)中，控制Q1导通的时间(t1)大于截止时间，Q1向L提供的能量就大，C3、L谐振电路的振荡波幅度就大，输出的功率也就大;锅的热量就大。 图4.5 在图4.5中;激励信号在一个导通周期(T)中，控制Q1导通的时间(t1)小于截止时间，Q1向L提供的能量就小，C3、L谐振电路的振荡波幅度就小，输出的功率也就小;锅的热量就小。 二、 在电磁炉电路中如何控制Q1(IGBT)的导通/断开时间比(占空比), 图4.6所示;是一台电磁炉功率控制部分的原理图;图4.7是其等效电路。在图中集成电路U2A是电磁炉的功率控制部分，U2A的同相输入端4脚;输入的是振荡器U2B的14脚送来的振荡信号，U2A的5脚反相输入端送来的是CPU提供的PWM功率控制信号;经过RX和CX积分处理后的线性变化的直流电压(功率控制电压)，U2A的2脚输出的是功率输出管Q1(IGBT)的激励信号，这个输出的激励信号是U2B的振荡信号在U2A内部被CPU提供的直流控制电压改变了正负半周宽度比的激励信号。即U2A的5脚直流电压的改变了U2A的2脚输出方波正负半周的宽度比(占空比变化)，从而达到了电磁炉输出功率控制的目的。 我们根据图4.7等效电路来详细分析此电路功率控制的原理: 在进行电磁炉的功率控制原理分析之前，我们先回顾一下:在本文的第一章:“小小电磁炉 蕴含大智慧(一)电磁炉基础知识部分”的第二节“电压比较器”一节的内容:这一节;特别重点的介绍了;当电压比较器的两个输入端;一个输入端输入锯齿波电压;另一个输入端;输入不同电位的直流电压的情况下;电压比较器的输出端;会输出一个频率和锯齿波频率相同，而占空比会随直流电压变化的方波的过程和原理，这是弄明白电磁炉功率控制原理的最基本的知识，只有掌握了电压比较器的这些知识，才能顺利的分析整个电磁炉的工作原理及进行电磁炉的故障分析。 图4.7中的电压比较器U2A的4脚就是输入的由电压比较器U2B的14脚输出的对称方波(占空比为1:0.5)经过C24、R13、R14、D10转换成为的锯齿波。U2A的5脚就是输入的由CPU的16脚提供的PWM控制方波并经过R15、C12(图4.7所示)积分滤波的直流电压(直流电压的大小;由CPU提供的PWM信号的占空比决定)。在这种情况下;U2A的 2脚输出的就是频率、幅度和U2B的14脚输出一样;而方波而宽度(占空比)随U2A的5脚输入的直流电位对应变化的方波，例如图4.7中所示U2B的14脚及U2A的4脚所示波形及U2A的2脚输出的宽度已经被变化(占空比变化)的输出波形。 锯齿波电压的形成: U2B的14脚输出的是方形波;是如何经过C24、R13、R14、D10转换成为的锯齿波, 当U2B 14脚为高电平时C24的两边为等电位，C24的左右两边均为5V，并且输出端(U2A的4脚)为高电平5V，当U2B 14脚为低电平时;C24的左边也迅速被拉低为低电平。由于C24两端原来为等电位关系，所以在一瞬间C24的右边也被拉低为低电平，此时C24的右边5V经过R14逐步的充电;电位逐步上升形成锯齿波的斜边;当U2B 14脚再次转变为高电平时，由于此时C24左右两边的电位差为5V;左负右正， 此电压通过D10、R13迅速放电(R13的阻值小小于R14阻值)，C24的两边又迅速回归为等电位关系，这样当U2B的14脚再次跃变为低电平时;一个新的锯齿波周期又形成。 {注:对于锯齿波的斜率取决于C24和R14的乘积(时间常数)，R14选定时;如果C24的选取容量太小(电路则成为微分电路)，此电路则无法形成锯齿波输出，而输出的是微分脉冲波;如果C24容量选取太大;则形成斜率极小、幅度极小的锯齿波。} 比较器U2B LM339A的14脚是电磁炉的振荡输出，其波形是对称的方波(振荡频率约为27K，方波的幅度为5V),R13为U2B输出端的上拉电阻，U2B的14脚输出的P-P 方波经过C24、R14、D10后被转换为锯齿波; 图4.6 图 4.7 电磁炉功率的控制: 如何进行功率的控制，就是如何改变U2A的2脚输出波形的宽度。 这就是我们第一章里面介绍到的关于 电压比较器一节的内容，如下: 下面图4.8至图4.10所示;图中所示的比较器符号即为;电磁炉原理图中的U2A。 图中显示是在比较器的4脚输入锯齿波，5脚输入不同直流电压情况下，比较器2脚输出方波宽度变化的情况。 图4.8中:比较器的4脚输入的是;左面图中显示的红色的锯齿波，比较器的5脚输入的是过红色锯齿波中轴的5V的直流控制电压，此时可以看出右边显示的比较器2脚输出的蓝色方波是正半周宽度等于负半周宽度的方波。 图4.8 图4.9中:比较器的4脚输入的是;左面图中显示的红色的锯齿波，比较器的5脚输入的是小于过红色锯齿波中轴的5V的直流控制电压，电压为3V，此时可以看出右边显示的比较器2脚输出的蓝色方波是正半周宽度小于负半周宽度的方波。 图4.9 图4.9中:比较器的4脚输入的是;左面图中显示的红色的锯齿波，比较器的5脚输入的是大于过红色锯齿波中轴的5V的直流控制电压，电压为7V，此时可以看出右边显示的比较器2脚输出的蓝色方波是正半周宽度大于负半周宽度的方波。 图4.10 以上原理的理解 请详读第一章 的 电压比较器原理一节 结论:当比较器的一个输入端输入锯齿波，另一个输入端输入幅度不同的直流电压时:比较器的输出端就输出一个频率和锯齿波相同，而占空比随输入端电位高低变化的方形波。不同的占空比的激励信号在电磁炉上就产生不同的输出功率. 小小电磁炉 蕴含大智慧 (五)电磁炉的保护控制电路 为了采用比较简单低廉的电路能输出较大的加热烹调功率，电磁炉一般采用单只IGBT作为功率输出管，供电采用220V交流市电直接整流滤波供电。此时无论是IGBT的集电极电压和集电极电流都接近了最大的极限工作状态，在这种情况下;供电源 出现过压及浪涌脉冲(瞬时较大幅度电压波动)、电路出现过流、负载的急剧变化(端锅、坐锅)、IGBT的过热都极易引起IGBT功率管的损坏。 为了应对以上现象出现时;能保证电磁炉不至于损坏;特别是IGBT功率输出管的安全，在电磁炉电路上都设置了相应的保护电路，它保证了电磁炉整机和元器件的安全，特别是IGBT功率输出管的安全(电磁炉90%的故障现象都是IGBT击穿)。 电磁炉内的保护电路有: 电网供电过压保护; 电网供电浪涌脉冲保护; 电磁炉整机过电流保护; IGBT过热保护; 炉面温度保护; IGBT过压保护等; (某些电磁炉还具有软启动功能)。 在以上的这些保护控制电路中，保护的执行有两种类型: 一种是随机一过性的瞬间保护，这是由内部的随机保护电路控制，在出现一过性的异常(瞬时过压、过流脉冲)现象时;保护电路迅速动作瞬间关闭IGBT的工作，瞬时异常现象过去后，电路自行回复正常工作。 另一种是CPU控制的待机保护，当电路出现持续的供电异常，或电路中出现过流、过压或者元器件过热现象时;由检测电路检测的取样信号送往CPU，CPU经检测比较后发出命令控制关闭整个电磁炉工作，进入保护性待机状态，此时按动电磁炉操作面板上的启动按钮是无法开启电磁炉的。一定要把保护的原因找到;解除保护(或者排除保护的故障)才可能再次的启动电磁炉工作，对于因为元器件过热(例如IGBT工作温度过高)引起保护待机状态，必须等待温度降至安全的状态，才能再次开启电磁炉。 图5.1 CPU及保护控制电路: 图5.1所示 是一个采用一块四比较器LM339及一块8位单片机EM78P5841NP组成的一个典型的电磁炉电路(低压电源供电没有绘出)。 四比较器(U2)LM339巧妙的完成了电磁炉的振荡(U2B)、功率控制(U2A)、IGBT瞬时过压保护(U2D)及供电瞬时浪涌脉冲保护(U2C)功能。 (关于振荡和功率控制前面文章已经详细介绍) CPU(U3)EM78P5841NP是电磁炉的控制中枢，它向面板操作按钮发出键控脉冲、时钟/数据信号，对整机实施启动/关闭及输出功率大小控制，并且采集整机安全工作状态信息，一旦出现过压过流过热等不安全现象即控制整机关机进入保护待机状态。 一、CPU控制电路: CPU EM78P5841是一块8位(bit) RISC低功耗，高速CMOS单片机(微处理器)。 内部集有4096×13bit一次性可编程只读存储器(OTP-ROM)，电磁炉生产厂家通过编写和调试控制电磁炉工作的机器码文件通过EMC编程器烧写入(掩膜)单片机。以便使这块 EM78P5841单片机具有适合控制电磁炉工作(启动/关闭、功率控制、定时、保护、报警)的能力。 CPU EM78P5841集成的单芯片具有看门狗定时器on_chip (WDT)OTP-ROM内存，可编程的定时/计数器，内部中断，断电模式，双PWM(脉宽调制)，8-channel 10-bit A / D转换转换器和三态I / O 图5.2 图5.2是CPU EM78P5841 的引脚及引脚符号示意图。 基本特性: 精度可达到10位的 8个通道 A / D变换器 精度可达8位2个脉宽调制器(PWM) 输入引脚状态变化中断控制 主要特性工作电压:2.2-5.5V CLK低于3.58MHz 工作温度:0-80? 由于CPU EM78P5841 是具有8通道 A/D变换器(把外部检测的模拟量变成内部中断的控制量)，所以，可以对电磁炉的供电及输出电路的过压、过流、过热等模拟量信息进行检测，并实施保护控制。 该电磁炉应用的CPU(U3) EM78P5841 主要引脚功能: 引脚 功能 1 蜂鸣器报警信号输出; 2 数据信号(DATA)接控制面板的8位移位寄存器(SN74HC164); 3 时钟信号(LCK)接控制面板的8位移位寄存器(SN74HC164); 4 VDD 5V 供电; 5 接瞬间保护控制电路(当故障出现延时，控制保护)低电平保护; 6 接地; 7 控制面板键控信号I/O端口; 8 控制面板键控信号I/O端口; 9 控制面板键控信号I/O端口; 10 控制面板键控信号I/O端口; 11 控制面板键控信号I/O端口; 12 电磁炉内部降温风扇控制输出端口; 13 复位; 14 中断 I/O端口; 15 PWM脉宽调制(去面板); 16 电磁炉PWM脉宽调制功率控制信号输出(去U2A功率控制电路); 17 锅底温度检测输入端(接热敏NTC1); 18 电磁炉整机过流检测输入端(接220V输入的电流互感器); 19 220V供电过压检测输入端; 20 电磁炉输出功率管IGBT 温度过热检测输入端(接热敏NTC2) 以上是电磁炉控制CPU EM78P5841各个引脚的功能，保护控制输入引脚有5脚、17脚、18脚、19脚、20脚。 其中5脚是数字量输入，电磁炉正常工作，5脚是高电平，当5脚持续低电平则电磁炉进入保护。这是IGBT功率管Q1输出过压的保护控制输入端，当Q1出现持续性的过压时，该脚持续性低电平，电路通过中断控制进入保护性的关机。其它的17脚、18脚、19脚、20脚都是模拟量输入，经过比较器电路(A/D)控制中断进入关机状态。 图5.3所示就是此电磁炉 CPU各主要引脚功能标注图: 知道了 CPU的各个引脚的功能，检修不动的及保护待机的电磁炉也就有方向了。 介绍这个电磁炉CPU的控制作用，就必须要知道14脚的中断 PAN 控制作用。 CPU 14脚中断控制作用: 1、启动/关闭(定时)。2、锅检。3、强制停机。 CPU PAN 中断控制作用 CPU 14脚:开机瞬间U2B 8脚电位高于9脚14脚输出低电平;IGBT截止。此时CPU14脚输出一个正脉冲;IGBT瞬间导通;激发L C谐振回路产生减幅振荡，减幅振荡信号经过R7、R11回送到U2B的输入端，U2B 9脚输出方波，该方波信号经过PAN线回送到CPU 14脚;在内部经过250us时间端判断;是否有8个周期脉冲，(只有的锅具才会有8个脉冲—称为;锅检)，另外当电磁炉的IGBT管、锅温、整机总电流超过规定值CPU pwm输出停振信号14脚当输出低电平则强制振荡停止工作。在电磁炉正常工作是14脚是“悬空” (关于电磁炉的启动/关闭、锅检的原理前面文章已经详细介绍) 图5.3 二、电磁炉的保护电路: 该电磁炉的保护电路;保护功能如下; ? IGBT集电极过压保护; ? 市电浪涌脉冲电压保护; ? 整机过流保护; ? IGBT温度过热保护 ? 锅底温度超温保护(2800) ? 检锅经过中断PAN线由CPU检测振荡脉冲(250us期间8个脉冲) 保护电路分析: 1、IGBT集电极过压保护控制 电磁炉的功率输出管Q1一般是采用IGBT管，这是一种具有MOS管的输入特性和BJT管输出特性的功率管，在电磁炉中为了获得最大输出功率，工作时的电压、电流都处于极限状态，工作时输出振荡波的幅度如果出现异常增大即会使IGBT的安全工作受到极大的威胁。这种现象的出现特别是在电磁炉工作时;烹调的锅具端离炉面的瞬间(锅检电路还没有立即响应)，出现输出振荡波的幅度波动。 图5.4所示;图中红色线段标注及红色标注的元件部分即为:IGBT集电极过压保护控制电路。 保护控制原理:当IGBT的集电极出现振荡波幅度异常增大时;通过保护控制电路拉低了功率控制电路U2A控制功率输出的电压，从而使输出功率大幅度的下降，甚至停止工作，以保护了IGBT及其其它元件的安全。 前期文章章节已经详细的介绍了，电磁炉功率控制的原理，知道在功率控制电路中，U2A的5脚为电磁炉的输出功率控制脚，此脚的电位高低，可以改变U2A的2脚输出脉冲的占空比，从而改变了IGBT的导通时间比达到控制功率的目的;U2A的5脚电位高2脚输出高电平变宽;IGBT导通时间长;输出功率大，反之则输出功率减小。 电路组成:由图5.4可以看出;由R11、R17对Q1的集电极振荡波进行降压取样;送往比较器U2D的10脚(反相输入端)，U2D的11脚(同相输入端)连接 +5V作为比较器的比较电压。比较器的输出端2脚;经过D9接电磁炉功率控制电路U2A的5脚。 电路设置:在电磁炉工作的正常状态;U2D 10脚 经过R11、R17获取的振荡波电压幅度(峰值)略小于5V。这样电磁炉工作的正常状态，比较器U2D的同相输入端11脚电压始终大于反相输入端10脚电压，这样U2D的13脚输出端为高电平。此时D9反偏,13脚的高电平不会对U2A正常的功率控制有任何影响。 有异常故障时电路分析: 图5.4 当出现IGBT(Q1)集电极振荡波幅度异常增大时;通过R11、R17促使U2D的10脚振荡波幅度相应上升，此时当10脚振荡波上升的幅度超过5V时(反相输入端电压大于同相输入端电压);比较器U2D的输出端13脚电位由高电平迅即转换为低电平(零电平)，这是二极管D9随即导通(由于功率控制电路U2A的5脚电位在进行正常功率控制时电位均大大于零电平)，D9的导通把功率控制电路U2A的5脚电位也应拉低至零电平(忽略D9的压降);但是由于C12的存在;D9的导通只是大幅度的降低了U2A的5脚电压;U2A的5脚电压的大幅度降低;U2AD 2脚输出的激励信号占空比大幅度变化(高电平变窄、低电平变宽)促使IGBT导通时间大大缩短;电磁炉输出功率大幅度下降，输出振荡波的幅度也大幅度的下降。 由于经过R11、R17加到U2D的11脚的是振荡波而不是直流电压，这样在出现 振荡波幅度过大异常现象时;只在振荡波幅度接近正峰值时;U2D的13脚才是低电平输出，其它时间仍然是高电平输出，在一个振荡波周期内;振荡波异常的幅度越大，反相输入端电压超越同相输入端的时间越长;U2D的13脚输出零电平的时间越长，功率控制电路U2A的5脚电压被拉的越低，电磁炉总的输出功率下降越多。 图5.5所示;就是IGBT的集电极在输出不同幅度振荡波情况下，保护电路U2D的13脚输出情况; 图5.5左边的图形中 绘出了IGBT集电极经过R11、R17加到U2D的10脚的三种不同的波形，(1)在电磁炉正常工作状态下;波形A(黑色)，(2)在电磁炉 IGBT集电极波形幅度已经过大;输出波形B(蓝色)，(3))在电磁炉IGBT集电极波形幅度已经大幅度发超越正常安全情况下;波形C(红色)。 图5.5 当波形A(黑色)加到U2D的10脚时:从图中可以看出波形A(黑色)最大幅度(峰值)小于5V，当波形A加到U2D的10脚时候;波形A的峰值部分仍然小于5V，所以比较器U2D的同相输入端电位始终大于反相输入端，U2D的13脚输出端则始终是高电平输出，二极管D9反偏，此时的状态对电磁炉功率控制电路U2A没有任何影响。 当波形B(蓝色)加到U2D的10脚时:从图中可以看出波形B(蓝色)最大幅度(峰值)部分已经超越5V，当波形B加到U2D的10脚时候;波形B的峰值部大于5V部分的这段时间;比较器U2D的同相输入端电位小于反相输入端，这段时间U2D的13脚输出端为低电平(零电平)，图5.5最右边的蓝色电平曲线所示，在这一小段低电平期间二极管D9导通;拉低了电磁炉功率控制部分U2A的5脚电位;使电磁炉的输出功率略微下降，输出电压的幅度也下降到安全的区域。 当波形C(红色)加到U2D的10脚时:从图中可以看出波形C(红色)最大幅度(峰值)部分已经大大的超越5V，在超越的时间上也比B(蓝色)波形多的多，当波形C加到U2D的10脚时候;波形C的峰值大于5V部分的这段较长时间;比较器U2D的同相输入端电位小于反相输入端，这段时间U2D的13脚输出端为低电平(零电平)，由于超越的时间较长;低电平的宽度也较宽;图5.5最右边的红色电平曲线所示，在这较长一段低电平期间二极管D9导通;大幅度拉低了电磁炉功率控制部分U2A的5脚电位;使电磁炉的输出功率较大的下降，输出电压的幅度也较大幅度的下降到安全的区域。 当持续性的幅度过大，证明电路出了故障，U2D的13脚产生较长时间的低电平也加到了CPU(U3)的5脚，当CPU的5脚检测到长时间低电平时，CPU内部的保护控制电路识别后，控制14脚发出中断信号，关闭了电磁炉的工作。 2、 市电过压及浪涌脉冲电压保护: 为了采用比较简单低廉的电路能输出较大的加热烹调功率，电磁炉一般采用单只IGBT作为功率输出管，供电采用220V交流市电直接整流滤波供电。此时无论是IGBT的集电极电压和集电极电流都接近了最大的极限工作状态，在这种情况下;供电源出现过压及浪涌(瞬时较大幅度电压波动)电压都极易引起IGBT功率管的损坏，为了防止IGBT功率管的损坏所以在一般的电磁炉内均设置了防止过压及浪涌波动的保护电路，在过压及浪涌波动出现时;大幅度的降低输出功率或关闭电磁炉的工作。 (1)浪涌脉冲产生及保护: 电磁炉的供电是220V的交流电网供电，由于供电电网中有大量感性电器设备在工作(例如空调、交流电机、电焊机等)，这些大电流感性设备在开启、关闭的瞬间都会产生一个短暂的强干扰脉冲(电磁感应作用)窜入电网;叠加在220V正弦波交流电的波形上进入我们的电磁炉内，如果这些干扰脉冲的叠加位置正好和220V正弦波的峰值叠加;这些叠加脉冲的峰值幅度较大幅度的超过了220V交流电的峰值幅度，对电磁炉的安全工作又是一个极大的威胁。为了对付这种幅度较大的脉冲损坏电磁炉，在一般的电磁炉电路中都设置了浪涌脉冲电压的保护电路。 图5.6所示;图中红色线段标注及红色标注的元件部分即为:IGBT集电极过压 及浪涌保护控制电路 浪涌脉冲保护控制原理: 当电网电压具有幅度超过220V正弦交流电压峰值的浪涌脉冲到来时，这个浪涌电压的幅度叠加在IGBT的集电极，对于工作于极限状态的IGBT极易形成电压击穿;此时只要大幅减小IGBT的振荡波输出的幅度，就有效的减少了叠加浪涌脉冲叠加的威胁。这个保护控制电路的作用就是在具有幅度超过220V正弦交流电压峰值的浪涌脉冲到来时;通过保护控制电路大幅度的拉低电磁炉功率控制电路U2A的5脚的电位，大幅度减少IGBT管的导通时间，减少电磁炉的输出功率，IGBT集电极的电磁振荡波幅度也大幅度减小;使电路得以保护。 电路的组成:该保护电路除了浪涌脉冲取样电路不同于上述的“IGBT集电极过压保护控制”外，后续保护电路的动作、原理是完全相同。 由图5.6可以看出;由R1对220V整流电压进行降压取样，取样的直流电压;送往比较器U2C的6脚(反相输入端)，U2C的7脚(同相输入端)连接 +5V作为比较器的比较电压。比较器的输出端1脚;经过D9接电磁炉功率控制电路U2A的5脚。 图5.6 电路设置:在电磁炉工作的正常状态;U2C 的6脚 经过R1获取的降压的电压幅度(峰值)略小于5V。这样电磁炉工作的正常状态，比较器U2C的同相输入端7脚电压始终大于反相输入端6脚电压，这样U2C的1脚输出端为高电平，此时D9反偏,1脚的高电平不会对U2A正常的功率控制有任何影响。 当电网有异常的浪涌脉冲到来时;在该脉冲出现的瞬间，提高了U2C的6脚电压;6脚电压超过了7脚(5V)电压(在此瞬间;同相输入端电位小于反相输入端电位)，U2C的1脚电位瞬时转变为低电平(零电平)输出;此时D9导通拉低了电磁炉功率控制部分U2A的5脚电位;使电磁炉的输出功率较大幅度的下降，输出电压的幅度也较大幅度的下降这样，浪涌过冲电压在IGBT的集电极出现，也不会对IGBT形成较大的威胁。，如果浪涌脉冲电压持续出现;则和前述一样导致CPU的5脚检测后控制电磁炉关机进入保护性关机状态。 图5.7 下面采用定量的方法来的分析浪涌脉冲保护控制电路的工作原理;图5.7所示;绘制出该电磁炉浪涌脉冲保护控制电路的实际电路图， 现在通过图5.7标注的元件数值;对浪涌脉冲保护控制电路进行定量的分析; 【注:平时的220V正弦波交流市电的220V电压值是指:正弦波波形由中线(零轴)0V距正半周或负半周的0.707倍位置的幅度值，这个幅度值称为“有效值”，此时正弦波的最大值(峰值)即为:220V?0.707=311V。平时所称的220V交流电是指有效值为220V的交流电，这个220V的交流电峰值为311V，图5.8所示。正峰点到负峰点的电压值(峰-峰值)是:622V,所以平时维修电器必须要注意人身安全】 图5.8 在图5.7中;D1、D2是市电220V电压整流管，图中可以看出;整流后并没有设置滤波电容，那么在正常情况下;其输出则是未经滤波的峰值电压为311V(220V交流市电的有效值为:220V。峰值则为: 220V?0.707=311V)的“馒头波”。该峰值为311V的“馒头波”经过R1、R4、R5组成的串联的分压电路进行分压:R1(220K)和R4(220K)连接的分压点引出的电压经(155V)过R2降压后去CPU的19脚进行过压保护控制。R4和R5(6.8K)连接的分压点引出的峰值电压(4.8)送往U2C的6脚，图5.9上图所示，这是在正常市电输入情况下;UC2的6脚峰值电压(4.8V)幅度略低于7脚(5V)电压;UC2的1脚输出为高电平，图5.9下图蓝色5V电平线所示，图5.10所示是U2C比较器电路在220V正常市电供电状态下各引脚电压状态，可以看出当U2C的6脚电压低于7脚时;1脚输出为:高电平。 图5.9 所以在正常220V电压供电情况下;UC2的1脚输出为高电平。此时;D9截止，保护电路不会影响功率控制电路U2A的5脚的电位，电磁炉维持正常工作状态工作。 图5.10 当出现异常浪涌电压波动时;浪涌波动是一个叠加在“馒头波”峰值上频率成分较高的瞬变脉冲，图5.11A所示;这个叠加的瞬变脉冲迅速通过并联在R4上面的C19(22000P)以较大的幅度对C25充电(由于浪涌脉冲的瞬变及C19容量较大，所以R4的降压作用很小)并加到U2C的6脚上，此时6脚电压迅速升高超过7脚电压;UC2的1脚输出迅即转变为低电平(零电平)，图5.11B所示;此时D9导通拉低电磁炉功率控制电路U2A的5脚的电位，大幅度减少IGBT管的导通或关闭IGBT的工 作。当浪涌过去后;由于C25的充电电压的释放有一个时间过程;U2C的6脚电压仍然维持一定时间超过7脚电压的过程;所以UC2的1脚低电平输出维持一个较长的时间过程;实际1脚波形如图5.11C所示，使电磁炉遇到一个短暂的浪涌时;也有一个较长的保护时间，这个保护启控的灵敏度及保护时间的长短与C19、C25的比值有关及和R1、R4、R5组成的时间常数有关(维修要加以考虑)。 图5.11 如果干扰脉冲的幅度较大而且持续的时间较长，就会使U2C在较长的一个时间段;6脚(反相输入端)的电压超过7脚电压;其1脚也在一个较长时间维持低电平，这个较长时间的持续低电平加到CPU U3的5脚，CPU识别后控制电磁炉进入停机状态。 (2)市电220V过压保护: 当电磁炉供电的220V交流市电出现持续过压时(在国内此现象普片发生)，极易引起IGBT的击穿损坏，此时220V供电过压保护电路经过检测，立即经过U2A 控制关闭IGBT工作，并且过压信息也同时送往CPU控制电磁炉关闭，电磁炉的工作进入保护状态。 保护电路和浪涌脉冲保护为同一电路，图5.7所示; 保护原理;(A)当市电电压上升出现过压时(这往往是一个持续时间较长的时间段);经过D1、D2整流后的“馒头波”幅度均上升，这些上升的“馒头波”经过R1、R4、R5分压后加到U2C的6脚电压(馒头波峰值)均大大的超过5V;如图5.12A所示;在图5.12A中红色“馒头波”表示输入的220V电压过压幅度比较小;蓝色“馒头波”表示输入的220V电压过压幅度比较大的两种情况。 这些过压的“馒头波”在加到U2C的6脚同时也对C25进行充电，C25相当于一个小时间常数的滤波电容，也就是说由于C25的存在，延长了U2C的一脚低电平持续的时间。图5.12B表示没有C25时;U2C的1脚输出波形;可以看出图5.12B波形的低电平宽度相等于图5.12A中红色“馒头波”峰值部分超过5V电平线T部分的宽度。在红色“馒头波”过压的情况下，如果电路增加了C25;那么U2C的1脚输出低电平(图5.12C波形)的宽度就大于图5.12A中红色“馒头波”峰值部分超过5V电平线T部分的宽度，这是因为C25存储的电荷延迟维持了U2C的6脚电位的缘故。 那么如果220V交流电出现较大幅度的过压，图5.12A蓝色“馒头波”所示，显 然U2C的1脚输出的低电平宽度就更加延长;图5.12D所示，如果220V交流电出现更大幅度的过压;则U2C的1脚则维持持续低电平输出，图5.12E所示。U2C的1脚输出的各种不同的低电平就可以控制电磁炉IGBT大幅度降低功率，减少集电极振荡波幅度保护IGBT不被击穿。 图5.12 另外当出现220V交流过压时;R1、R4的连接点的过压信息经过R2加到CPU U3的19脚，CPU检测到出现过压时;即控制电磁炉进入关机保护状态，图5.13中红线所示。 图 5.13 3、电磁炉过流保护: 电磁炉工作时;由于负载过重或者是因为电压过高引起整机电流过大时;电磁炉极易引起损坏，为此;电磁炉均设置了整机过流保护电路。因为是电磁炉整机的过流保护，所以电路的检测取样设置在220V交流供电的输入电路中。图5.14中的红色线段表示部分。 过流保护电路的组成和工作原理: 过流保护电路的组成极为简单;就是在电磁炉的220V交流供电电路的一根输入线路上串接一只电流互感器T1，互感器输出绕组获得的互感电势经过整流后，加到CPU的18脚的电流检测输入端，图5.14所示。 图5.14 工作原理: 电流互感器T1的构造类似是一个变压器;它实际是一个初级采用极粗导线绕制一圈的次级采用极细导线绕制几千圈的变压器。T的初级线圈串联在电磁炉的交流供电的电路中,电磁炉工作时;电磁炉供电电流经初级流通，由于初级只有一匝;线径又特别粗;所以不会对电磁炉的供电产生任何压降的影响。由于T是一个变压器;只要初级线圈有电流流过;次级线圈的两端就必定有电压产生;这个电压的大小与初级流过的电流大小及次级的圈数有关，当次级的圈数确定;这个电压于初级流过的电流成正比。也就是说;当电磁炉的工作电流越大;次级两端的电压就越高。 次级线圈一般的圈数有几千圈，在电磁炉正常工作时(坐锅);初级线圈的电流有约4至5安培的电流，这个电流可以在次级线圈两端产生约近10V的交流电压，在没有坐锅的状态下，炉盘线圈没有功率输出;电磁炉整机的电流会非常的小(小于0.05安培)这时T1次级两端的电压极小(几十毫伏)。这个坐锅和不坐锅的巨大的电压落差变化经过CPU的18脚接口送入CPU内部。经过和设定的基准电压进行比较，当电磁炉的整机电流过大时，经18脚引入的电压就会上升，当引入电压超过设定电压时，CPU就发出关机命令进入关机状态。在前面的电磁炉锅检章节中;对电流互感器的电流检测电路也进行了介绍;电磁炉在工作时;坐锅及不坐锅两种状态下;整机的电流相差极大，部分电磁炉也依据输入电流的大小进行检测以判断是否坐锅。 4、IGBT管过热保护: 一个近千瓦耗电功率的电磁炉，主要由电磁炉内部的IGBT功率管完成电磁转换及功率输出，目前的电磁炉内部采用的是具有MOS管输入特性BJT输出特性的IGBT，在工作是承受的集电极电压(输出正弦波的振幅+集电极直流电压)及集电极电流已经接近于极限值。 电磁炉的IGBT是工作在开关状态，但是它并不是一个理想的“开关”，工作时存在两种损耗: 一是开关损耗;“开关”在每一次的“接通”和“断开”的瞬间“接点”部位在这瞬间都会产生电火花，这个电火花就是能量的损耗。为了减少这种损耗就要采用频率特性极好(开关迅速)的IGBT及减少(开关)的次数(降低电磁炉工作频率)，但是不管怎么处理这种损耗是存在的。 二是饱和压降损耗:IGBT不是一个理想的“开关”，它导通后导通电阻并不等于零，而是有一个极小的电阻值(导通电阻)，当IGBT工作时在导通有电流流过状态时:这个导通电阻的两端就有一个电压降(欧姆定律)，这个压降值×流过的电流就是IGBT的功率损耗，尽管选用优秀的IGBT，此压降可以很小，但是在电磁炉大电流的工作状态下。这个损耗也是很可观的。 以上这两种损耗消耗的功率最终都转换成了热量(能量守恒定律)，提高了IGBT的工作温度。 IGBT工作温度对IGBT的危害 目前IGBT的集电极耐压是指在摄氏25度时;集电极和发射极之间的电压承受值(VCEO)，随着IGBT管体温度的上升，这个承受值逐步下降。例如一只耐压1500V的IGBT(或者CRT电视机的行输出管)当管壳的温度上升到摄氏70度时，这个承受值(耐压)会下降到只有1300V或者更低，原来工作正常的IGBT(或者电视机的行输出管)就会因为温度的上升引起耐压的下降而击穿，这就是我们平时行输出管及开关电源管损坏击穿的主要原因(二次击穿)，并不是电流过大烧坏。所以控制IGBT(或者电视机的行输出管、开关电源管)的工作温度意义是重大的。 一般电磁炉的IGBT都增加了很大的散热装置，就是这样在大功率工作时也难以抵御温度的上升，所以现代电磁炉都在IGBT的管壳上安装了一只具有负温度系数的热敏电阻，图5.15所示，图中IGBT Q1的旁边的NTC2即是此热敏电阻。负温度系数是指当热敏电阻周围的温度上升时，其热敏电阻的阻值则下降。 【NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料， 采用陶瓷工艺制造而成的。因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子(电子和孔穴)数目少，所以其电阻值较高;随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在100~1000000欧姆，温度系数-2%~-6.5%】 图 5.15 图5.15中;热敏电阻NTC2贴IGBT安装，一端接地一端接CPU的20脚，当IGBT温度上升时;NTC2的阻值下降，引起CPU的20脚电位下降，当下降到一个设定值时(IGBT温度上升到一个特定温度):CPU发出关机命令停止电磁炉的工作，保护了IGBT及整机的安全。 5、锅底温度检测保护: 当电磁炉坐锅时;由于电磁感应现象锅底产生涡流而产生热量，这是如果锅内没有食物或者没人看管而干锅了，锅底温度就会不断上升，最终导致电磁炉及锅的损坏，为了防止这种现象的发生;电磁炉都设置了锅底温度检测保护电路;就是在电磁炉炉盘的中心(锅底中心)安置一个热敏电阻，图5.16所示的热敏电阻NTC1，一端接+5V另一端接CPU的17脚(锅底温度检测信号端)，当锅底温度上升时;NTC1的阻值下降;CPU的17脚电位上升，当锅底的温度超摄氏280度时;NTC1的阻值也下降到了一个一定的阻值，此时CPU的17脚电位也上升到了一个设定的额定值，CPU发出关机命令停止电磁炉的工作，保护了电磁炉整机的安全。 图5.16