電磁泡茶爐的工作原理分析和故障檢修

1、文檔可能無法思考全面，請(qǐng)瀏覽后下載! 電磁泡茶爐的工作原理分析和故障檢修8 / 12工作原理這款泡茶爐的型號(hào)是金灶KJ10E，是廣東海利公司近兩年的新產(chǎn)品，雙爐結(jié)構(gòu)，左邊是消毒鍋，右邊是燒水壺（見題圖）。由于沒有現(xiàn)成的電路圖，筆者只好按照實(shí)物繪制了電路原理圖（見圖1）。該機(jī)的電磁感應(yīng)加熱電路與其他品牌的電磁爐（灶）基本相同，是利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能的電器。開關(guān)管IGBT（VT3，型號(hào)：H20R1202）的飽和導(dǎo)通和截止時(shí)間（占空比）受控于MCU輸出的PWM脈沖信號(hào)；C8（0.22F/1200V）與加熱線盤L2（或L3，電感量約為0.183mH）組成頻率約為24kHz的并聯(lián)諧振電路。當(dāng)

2、電磁爐工作時(shí)，加熱線盤周圍便產(chǎn)生高頻交變電磁場，當(dāng)爐面放置導(dǎo)磁又導(dǎo)電的金屬鍋（ 壺） 具時(shí)， 交變的磁場使鍋（壺）底感應(yīng)出強(qiáng)大的渦流而產(chǎn)生高熱。下面具體分析一下它的工作原理。 1. 電源電路300V直流高壓電源是直接由220V交流市電經(jīng)高壓整流橋堆（B1，型號(hào)：D15XB60H）整流、 C7（4F/400V）濾波產(chǎn)生的，是加熱線盤、IGBT管工作的主電源。VIPer22A（IC2）是小功率智能開關(guān)電源集成電路，其引腳功能如圖2 所示。該集成電路內(nèi)置場效應(yīng)開關(guān)管、60kHz脈寬調(diào)制器、智能調(diào)整電路及過流、過壓、過熱保護(hù)電路。它具有外圍電路簡潔、輸入電壓適應(yīng)范圍寬、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。本

3、機(jī)由VIPer22A和Z1、C5、C4、VD1、VD2、L1、C3等外圍元件組成18V開關(guān)穩(wěn)壓電源，主要是供給VT1、VT2、 IC1（LM339）、切換繼電器和排熱電扇使用。5V的電源也是由18V電源經(jīng)78L05穩(wěn)壓，C14濾波產(chǎn)生的，主要是作為基準(zhǔn)電壓源和供給控制顯示電路使用。2. 控制顯示電路控制顯示電路是由8位MCU芯片S3F9454BZZ-DK94（IC3）、8位串入/并出移位寄存器74HC164N（IC4）、數(shù)碼管、三極管、LED、按鍵和電阻、電容等元件組成的，并通過8位接插件與主電路板連接。它的引腳功能圖如圖3所示（詳細(xì)資料請(qǐng)登錄網(wǎng)站查閱）。S3F9454B是三星的一款可多次編程

4、的微控制器，內(nèi)部設(shè)計(jì)的軟件程序與硬件電路相配合，實(shí)現(xiàn)智能化控制。本電路MCU是采用內(nèi)部時(shí)鐘，并由 3腳輸出至IC4（74HC164）的CP輸入端（8腳），MCU的2腳輸出的串行數(shù)據(jù)送至IC4的數(shù)據(jù)輸入端（1、2腳）。MCU的4腳是上電復(fù)位端，同時(shí)也是“泡茶功能”輸入端S2。在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，每按一下“S2”，則泡茶功能依次在“自動(dòng)”“手動(dòng)”“保溫”“關(guān)閉泡茶”4個(gè)狀態(tài)之間切換循環(huán)。 5腳是蜂鳴信號(hào)輸出端，用響聲提示電磁爐的工作情況。6腳9腳輸出的高、低電平使VT6VT9截止或?qū)?，同時(shí)2腳輸出串行數(shù)據(jù)，3腳輸出的時(shí)鐘脈沖配合IC4的8位（本電路只用7位）并行數(shù)據(jù)輸出至數(shù)碼管、VD7VD11的作用是

5、顯示電磁爐各種工作狀態(tài)和故障代碼。10腳是消毒功能輸入端S1，每按一下該鍵，則消毒功能依次在“大火”“小火”“關(guān)閉消毒”3個(gè)狀態(tài)之間循環(huán)。11腳是排熱電扇驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，電磁爐正常工作時(shí)，11腳輸出高電平，使VT5導(dǎo)通，電扇得電工作，關(guān)機(jī)后11腳繼續(xù)輸出一段時(shí)間的高電平信號(hào)，電扇繼續(xù)工作，排出爐內(nèi)余熱，延長電磁爐的使用壽命。17腳是18V開關(guān)電源檢測輸入端，18V電壓經(jīng)電阻R30、R31降壓分壓后的取樣電壓輸入到17腳，與設(shè)置值比對(duì)，當(dāng)18V電壓不正常時(shí)（過高、過低或紋波電壓過大），電磁爐不工作，起到了保護(hù)作用。19腳是切換繼電器控制信號(hào)輸出端，繼電器吸合時(shí)是“泡茶”，釋放時(shí)是“消毒”。當(dāng)雙爐

6、同時(shí)使用時(shí)，“泡茶”與“消毒”是分時(shí)輪流加熱。16腳、18腳分別是泡茶爐盤和消毒爐盤的溫度傳感器（負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻）的取樣電壓輸入端，只要其中有一只熱敏電阻斷路即顯示故障代碼“E3”，則停機(jī)保護(hù)；只要其中有一個(gè)爐盤超溫，即顯示故障代碼“E4”，也停機(jī)保護(hù)。15腳是爐內(nèi)功率器件過熱檢測輸入端，Rt0負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是緊貼IGBT管散熱片安裝。隨著功率器件溫度的升高，取樣電壓也逐漸升高，與設(shè)置值進(jìn)行比對(duì)來判定是否過熱。過熱時(shí)顯示故障代碼“E6”，則停機(jī)保護(hù)。14腳是市電電壓檢測輸入端。220V交流市電經(jīng)B1整流，C7濾波產(chǎn)生300V直流電壓，經(jīng)R4、R5和R7降壓分壓后的取樣電壓由14腳輸入

7、，與設(shè)置值進(jìn)行比對(duì)。當(dāng)市電電壓高于250V或低于160V時(shí)，電磁爐不工作或停機(jī)保護(hù)，并顯示過高“E1”或過低“E2”的故障代碼。13腳是PWM 脈沖信號(hào)輸出端。MCU根據(jù)設(shè)置指令或檢測到的數(shù)據(jù)做出判斷：該不該輸出PWM脈沖信號(hào)，并能自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出脈沖信號(hào)的占空比，以達(dá)到調(diào)節(jié)電磁爐輸出功率之目的。 3. 同步電路為了避免IGBT管在導(dǎo)通時(shí)被大電流沖擊而損壞，要保證加到IGBT管的G極上的PWM脈沖前沿與C極上的峰值脈沖后沿相同步，由IC1d、IC1c和外圍元件組成同步電路。在待機(jī)時(shí)，IC1d的同相端（11腳）的取樣電壓低于反相端（10腳）的取樣電壓，13腳為低電平狀態(tài)，而由IC1c、R1

8、1、R12、R13和C10等組成的鋸齒波振蕩器按固有頻率振蕩。當(dāng)電磁爐工作時(shí)，IC1d的同相端（11腳）上出現(xiàn)由IGBT 管C極取樣的脈沖，經(jīng)IC1d整形，13腳輸出的同步脈沖經(jīng)C11送到由IC1c等組成的鋸齒波振蕩電路，對(duì)其頻率與波形進(jìn)行修正后的同步鋸齒脈沖再送到脈寬調(diào)制電路IC1b的反相端（6腳）。4. 脈寬調(diào)制電路該電路由IC1b擔(dān)當(dāng)。同相端（7腳）加有由IC3的13腳輸出的PWM脈沖，經(jīng)積分電路形成的控制電平與反相端（6 腳）的同步鋸齒脈沖進(jìn)行比較。其原理是：當(dāng)一個(gè)變化的直流控制電平（控制電平的高低與PWM脈沖的占空比成正比例關(guān)系）與一個(gè)按鋸齒脈沖規(guī)律變化的基準(zhǔn)電平進(jìn)行比較時(shí)，輸出端（

9、1腳）的跳變時(shí)間將隨著直流電平在鋸齒脈沖斜坡上所對(duì)應(yīng)位置發(fā)生變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制。5. 驅(qū)動(dòng)電路由VT1、VT2及外圍元件組成IGBT管的驅(qū)動(dòng)電路，控制其導(dǎo)通和截止。由IC1b的1腳輸出的脈寬調(diào)制脈沖加到驅(qū)動(dòng)電路輸入端，當(dāng)IC1b的1腳的脈沖處于高電平時(shí)，VT1導(dǎo)通、VT2截止、IGBT管飽和導(dǎo)通。當(dāng)IC1b的1腳的脈沖處于低電平時(shí)，VT2導(dǎo)通、 VT1截止、IGBT管截止。6. 高壓峰值檢測保護(hù)電路當(dāng)IGBT管工作時(shí)，C極要承受+300V左右的直流電壓和諧振脈沖高壓。為了防止C極上脈沖疊加后的高壓超過極限值而擊穿，由IC1a和R7、R6、R5、R17、C12等組成的取樣檢測保護(hù)電路。

10、當(dāng)IGBT管正常工作時(shí)，IC1a反相端4腳的取樣電壓低于同相端5腳的基準(zhǔn)電壓（5V），2腳呈截止高阻狀態(tài)，不影響積分電容C13上的控制電平，電磁爐按設(shè)定的功率進(jìn)行加熱。當(dāng)由于某種原因（如電源插座跳火；LC并聯(lián)諧振電容器C8不良、失效或變值；300V高壓濾波電容C7漏電；積分電容不良、失效或變值；或是在提、放鍋壺具瞬間等）在C極上激起超高的反峰脈沖，使 C極的高壓將要達(dá)到耐壓極限值時(shí)，IC1a的4腳的取樣電壓高于5腳的基準(zhǔn)電壓，2腳翻轉(zhuǎn)為導(dǎo)通低阻狀態(tài)，積分電容C13上的電壓經(jīng)2腳泄放，IC1b的 7腳電平降低，1腳輸出的PWM的脈寬變窄，IGBT管導(dǎo)通時(shí)間縮短，高頻諧振幅度下降，從而達(dá)到IGBT

11、管的過壓保護(hù)。當(dāng)超高反峰脈沖一消失，電磁爐即恢復(fù)正常加熱工作。維修過程在繪制電路圖的過程中， 筆者已對(duì)整機(jī)除集成電路外的電阻、電容、電感、三極管、二極管等元器件從外觀到在線或離線都進(jìn)行了檢測，均未發(fā)現(xiàn)異常。首先焊接引線，把主電路板移到機(jī)殼外，以便檢修。通電，隨著“嘀”一聲響，顯示“E1”故障代碼，這說明是“電源電壓過高”。測得當(dāng)時(shí)市電電壓為222V，正常。按壓“泡茶”功能鍵（或消毒功能鍵），數(shù)碼管、指示燈會(huì)依次按照說明的4個(gè)狀態(tài)循環(huán)顯示，一放開手又顯示“E1”。接著測量有關(guān)接點(diǎn)的電壓：測得A點(diǎn)電壓為+302V，正常；測得 B點(diǎn)電壓為+18.4V，說明開關(guān)電源正常；測得C點(diǎn)電壓為+2.73V，失

12、常。斷開+5V電源輸出的其中一條跨線，再次測量，還是+2.73V，從而可斷定78L05已損壞。此時(shí)心中起疑，+5V電壓已大為失常，那么控制顯示電路為何還貌似正常？回過頭來細(xì)看，S3F9454B、74HC164的工作電壓范圍為25.5V，而數(shù)碼管和LED從幾個(gè) mA到20mA電流卻都能發(fā)光，只是亮度不同而已，沒認(rèn)真對(duì)比是不易發(fā)現(xiàn)的。這樣一來，控制顯示電路能工作也不足為奇了。換上78L05（實(shí)測電壓為+5.18V），整機(jī)功能恢復(fù)正常。至此，檢修的旅程已結(jié)束了，但筆者總覺得尚有幾處電路原理還似懂非懂，上述的“紙上分析”是否正確呢？又如上述故障是5V電壓不正常，為什么顯示“E1”故障代碼呢？鍋檢電路又

13、是如何工作呢？于是對(duì)已修好的整機(jī)進(jìn)行一次測試，并模擬故障狀況，看其如何進(jìn)行保護(hù)，以此來驗(yàn)證上述分析是否正確。如果能透徹理解了其工作原理，不僅對(duì)本電磁爐出現(xiàn)其他的故障會(huì)迎刃而解，而且對(duì)檢修其他品牌的電磁爐（灶）也有裨益。模擬故障狀況 驗(yàn)證保護(hù)過程1. 模擬市電電壓過高過低當(dāng)市電電壓為220V時(shí)，測量IC3的14腳取樣電壓為1.75V，由計(jì)算得出250V時(shí)取樣電壓應(yīng)為1.99V，160V時(shí)應(yīng)為 1.27V。如果直接通過調(diào)壓器調(diào)整電磁爐輸入電壓大于250V或小于160V來驗(yàn)證，容易造成電磁爐損壞。筆者用30k電阻并聯(lián)在R5上，接通電磁爐電源，調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使電磁爐顯示“E1”的臨界點(diǎn)，測量IC3的14

14、腳電壓為2.02V，此時(shí)電磁爐輸入的交流電壓為193V；接著拆下R5上的并聯(lián)電阻，用20k電阻并聯(lián)在R29上，同上述的操作，測得顯示“E2”的臨界取樣電壓為1.26V，此時(shí)電磁爐輸入的交流電壓為217V。這樣電磁爐在安全的交流市電電壓范圍內(nèi)驗(yàn)證了在電網(wǎng)電壓過高過低時(shí)能有效地進(jìn)行保護(hù)（臨界取樣電壓測量值與計(jì)算值十分接近）。2. 模擬功率器件過熱待機(jī)時(shí)測得IC3的15腳的取樣電壓為0.43V。挑出8位插頭的2插腳，使其懸空，用1只4.7k電位器與2節(jié)1.5V干電池組成可調(diào)直流電壓源，電位器中心引腳接至挑出的2腳。開機(jī)，調(diào)節(jié)電位器，使2腳電壓逐漸升高，模擬IGBT管溫度逐漸升高。當(dāng)升高至顯示“E6”

15、的臨界電壓值為 2.63V時(shí)，讓電磁爐停機(jī)，從而驗(yàn)證了功率器件過熱保護(hù)功能。3. 模擬爐溫過高待機(jī)時(shí)測得IC3的16腳取樣電壓為4.70V，隨著電磁爐開始正常工作，泡茶線盤溫度升高，Rt2阻值下降，取樣電壓也隨著逐漸降低。當(dāng)降低至設(shè)置值時(shí)（溫度過高），電磁爐顯示“E4”故障代碼，進(jìn)入停機(jī)保護(hù)狀態(tài)。挑出8位插頭的3插腳，使其懸空，用2節(jié)1.5V的干電池和1只4.7k電位器組成可調(diào)直流電壓，采用2中所述方法，當(dāng)測得取樣電壓降_至2.03V時(shí)轉(zhuǎn)入600W工作，再次降到1.85V時(shí)蜂鳴器響3聲“嘀”，電磁爐停止工作。消毒爐盤超溫保護(hù)也用同樣方法檢驗(yàn)。4. 模擬+18V電壓失常當(dāng)電磁爐正常工作時(shí)，測得I

16、C3的17腳的電壓為0.98V。用1只100k 電位器中心引腳串接1個(gè)100k電阻后并聯(lián)在R30上，開機(jī)，正常工作時(shí)，調(diào)節(jié)電位器減小并聯(lián)電阻值，使17腳的取樣電壓逐漸升高，模擬18V電壓過高的狀況，當(dāng)取樣電壓升高到1.22V時(shí)，顯示“E1”故障代碼，電磁爐進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，停止工作。接著拆去上述R30上的并聯(lián)電阻和電位器，由1只4.7k電位器中心引腳串接1個(gè)3.3k電阻，并聯(lián)在R31上，在電磁爐正常工作時(shí)，調(diào)節(jié)電位器減小并聯(lián)電阻值，使17腳的取樣電壓逐漸降低，模擬18V電壓過低的狀況，當(dāng)IC3的17腳的取樣電壓降至0.65V時(shí)，顯示“E2”故障代碼，電磁爐進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，停機(jī)。本電磁爐修復(fù)前顯示的故

17、障代碼為“E1”，這是由于5V電源失常引起的。由上述模擬故障過程得知，不僅當(dāng)電網(wǎng)電壓過高時(shí)，出現(xiàn)故障代碼為“E1”，而且當(dāng)18V電壓過高時(shí)，也顯示“E1”故障代碼。對(duì)于顯示同一故障代碼“E1”，卻是可能由3個(gè)原因中的之一引起或是由它們組合作用引起的。在市電電壓或18V電壓過高時(shí)顯示“E1”故障代碼，還好理解，因?yàn)槎加呻妷哼^高引起的故障，那么只當(dāng)5V電壓過低失常時(shí)，為什么也顯示“E1”呢？究其原因，發(fā)現(xiàn)MCU所設(shè)置的基準(zhǔn)電壓值是在IC3的供電電壓為+5V時(shí)的值，當(dāng)IC3供電電壓過低時(shí)（如+2.73V），基準(zhǔn)電壓值再也不是原設(shè)置值了，也隨著下降了許多，那么在市電電壓或18V電壓正常時(shí)的取樣電壓與芯

18、片內(nèi)已偏離原設(shè)置值下降了許多的電壓相比對(duì)，MCU將做出錯(cuò)誤的判斷，顯示“電壓過高”的“E1”故障代碼，所以在修理時(shí)，對(duì)顯示的故障代碼要具體分析，各個(gè)排除。破解鍋檢電路鍋檢信號(hào)是由IC3的13腳每隔2秒鐘輸出頻率約為24kHz的一串脈沖，同時(shí)蜂鳴器“嘀”一聲短音，但I(xiàn)C3是哪個(gè)輸入端檢測鍋檢信號(hào)來判定有無符合要求的鍋（壺）具呢？又是如何檢測呢？由電路圖分析IC3的14腳和12腳最有可能。 前文已述14腳是市電電壓過高、過低檢測輸入端，有沒有可能同時(shí)又擔(dān)當(dāng)檢測鍋檢信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)的輸入端呢？于是采用如下方法來確定，把8位插頭的1插腳（是與IC3的14腳相連接）挑出，使其懸空，由1節(jié)1.5V干

19、電池供電，即電池的正端接1插腳，負(fù)端接主電路板“地”端。此時(shí)14腳上電壓為1.5V（此舉目的在于保證IC3的14腳的檢測市電的取樣電壓在正常值范圍內(nèi)）。電磁爐接通電源，鍋檢功能正常，放上鍋具，電磁爐即轉(zhuǎn)入加熱工作，由此排除14腳的可能性，恢復(fù)1插腳為原來狀態(tài)?，F(xiàn)在 IC3只剩下12腳是鍋檢信號(hào)的輸入端可能性最大了。測量8位接插件5腳（與IC3的12腳相連接）的電壓值：在待機(jī)和鍋檢時(shí)為0.33V，正常加熱時(shí)幾乎為0V。把8位插頭的5插腳挑出懸空，用1節(jié)1.5V干電池和1只4.7k電位器組成可調(diào)電壓源，調(diào)節(jié)電位器使中心引腳的電壓為0.33V，并接至挑出的5插腳上，電磁爐鍋檢功能失常，即有鍋時(shí)鍋檢電

20、路依然在進(jìn)行檢鍋，不會(huì)轉(zhuǎn)為正常加熱工作。調(diào)節(jié)電位器降低電壓至0.23V以下時(shí)，這時(shí)不論爐面上有無鍋具，電磁爐皆處于加熱狀態(tài)。當(dāng)電壓上升至0.24V以上時(shí)，不論爐面上有無鍋具，皆處于鍋檢狀況。至此，可說明兩個(gè)問題：一是MCU芯片（IC3）的12腳確是鍋檢信號(hào)的輸入端；二是MCU芯片是根據(jù)12腳上檢測的電壓的高低，比對(duì)設(shè)置的基準(zhǔn)電壓值，作出有無鍋具（或是否符合要求）的判定。單憑電路圖分析，電磁爐正常加熱，8位接插件5腳上的電壓不可能幾乎為0V（應(yīng)為5V電壓經(jīng)R20與R21的分壓值0.33V）。這個(gè)問題令筆者迷惑了，百思不得其解。其間也用示波器測量了有關(guān)接點(diǎn)的波形，但都沒有答案。是否繪制的電路圖出錯(cuò)

21、呢？于是重新對(duì)照電路板檢查了電路圖，電路圖沒錯(cuò)呀。只是在查對(duì)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，即是R21的接地處安排得比較特殊，不是就近焊接在8位接插件的5腳附近“地”端，而是線路板上一條走線直達(dá)高壓整流橋堆B1的“”端附近，R21的一腳就焊接在“”端極近位置上（在繪制電路圖時(shí)筆者也曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)沒在意。），同時(shí)也注意到作為供給控制顯示電路的5V電源的“地線”可謂是“漫漫鄉(xiāng)間小路”從高壓整流橋堆“”端延伸過來，加上供給VT1、VT2、IC1（LM339）、排熱電扇、切換繼電器等的18V的電源的“地線”也從此小路通過，尤其是VT3的“地線”也通過此小路上特設(shè)的一座獨(dú)木橋 0.5mm×33mm

22、的一條跨線，這樣一來電磁爐在待機(jī)或鍋檢時(shí)，5V電源“地”端與高壓整流橋堆“”端之間的電壓差只有0.021V。但當(dāng)電磁爐爐面上放有符合要求鍋具的瞬間， 這條“ 小路” 上的壓降達(dá)0.328V，5V電源“地”端為正，整流橋堆“”端為負(fù)，相當(dāng)于5V電源“地”端相對(duì)橋堆“”端墊高了0.328V，因此，8位接插件5腳與5V電源“地”(MCU的“地”)幾乎是等電位0V（墊高的電壓與R20、R21的分壓值相抵消，MCU的12腳的取樣電壓幾乎為0V），電磁爐即轉(zhuǎn)入正常加熱工作。這實(shí)質(zhì)上是利用“地線”來檢測電流的變化，從而判定有無符合要求的鍋具。筆者在破解此迷時(shí)，心里暗暗佩服設(shè)計(jì)師利用此法的巧妙！它既簡化了電路，又提高了可靠性，同時(shí)也聯(lián)想到在制作音響電路時(shí)一再強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)，接地和處理好地線具有何等的重要性了。 幾點(diǎn)建議1. 電路板用焊接引線的方法，移到機(jī)殼外進(jìn)行檢測修