小小电磁炉蕴含大智慧.docx
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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，看完本篇的电路分析都会起到抛砖引玉、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”（Foucaultcurrent），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：
当Va电压高于Vb时Vout为高电平输出（即5脚电压>4脚电压；2脚为高电平）。
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。
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（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U1VIPER12A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
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