金灶電磁爐原理與維修

本文以金灶KJ—10E為例，該電磁爐是廣東海利公司近兩年的新產(chǎn)品，雙爐結構，左邊是消毒鍋，右邊是燒水壺。由于沒有現(xiàn)成的電路圖，筆者只好按照實物繪制了電路原理圖（見圖1）。該機的電磁感應加熱電路與其他品牌的電磁爐（灶）基本相同，是利用電磁感應原理將電能轉換為熱能的電器。開關管IGBT（VT3，型號：H20R1202）的飽和導通和截止時間（占空比）受控于MCU輸出的PWM脈沖信號；C8（0.22μF/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。當電磁爐工作時，加熱線盤周圍便產(chǎn)生高頻交變電磁場，當爐面放置導磁又導電的金屬鍋（ 壺） 具時， 交變的磁場使鍋（壺）底感應出強大的渦流而產(chǎn)生高熱。下面我們來具體分析一下它的工作原理。

金灶電磁爐原理圖

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：D15XB60H）整流、C7（4μF/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)置場效應開關管、60kHz脈寬調(diào)制器、智能調(diào)整電路及過流、過壓、過熱保護電路。它具有外圍電路簡潔、輸入電壓適應范圍寬、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點。本機由VIPer22A和Z1、C5、C4、VD1、VD2、L1、C3等外圍元件組成＋18V開關穩(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。S3F9454B是三星的一款可多次編程的微控制器，內(nèi)部設計的軟件程序與硬件電路相配合，實現(xiàn)智能化控制。本電路MCU是采用內(nèi)部時鐘，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腳是上電復位端，同時也是“泡茶功能”輸入端S2。在待機狀態(tài)時，每按一下“S2”，則泡茶功能依次在“自動”—“手動”—“保溫”—“關閉泡茶”4個狀態(tài)之間切換循環(huán)。5腳是蜂鳴信號輸出端，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VT6～VT9截止或?qū)?，同時2腳輸出串行數(shù)據(jù)，3腳輸出的時鐘脈沖配合IC4的8位（本電路只用7位）并行數(shù)據(jù)輸出至數(shù)碼管、VD7～VD11的作用是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”—“關閉消毒”3個狀態(tài)之間循環(huán)。11腳是排熱電扇驅(qū)動信號輸出端，電磁爐正常工作時，11腳輸出高電平，使VT5導通，電扇得電工作，關機后11腳繼續(xù)輸出一段時間的高電平信號，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，與設置值比對，當＋18V電壓不正常時（過高、過低或紋波電壓過大），電磁爐不工作，起到了保護作用。19腳是切換繼電器控制信號輸出端，繼電器吸合時是“泡茶”，釋放時是“消毒”。當雙爐同時使用時，“泡茶”與“消毒”是分時輪流加熱。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”，則停機保護；只要其中有一個爐盤超溫，即顯示故障代碼“E4”，也停機保護。15腳是爐內(nèi)功率器件過熱檢測輸入端，Rt0負溫度系數(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，與設置值進行比對來判定是否過熱。過熱時顯示故障代碼“E6”，則停機保護。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，與設置值進行比對。當市電電壓高于250V或低于160V時，電磁爐不工作或停機保護，并顯示過高“E1”或過低“E2”的故障代碼。13腳是PWM脈沖信號輸出端。MCU根據(jù)設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，并能自動調(diào)節(jié)輸出脈沖信號的占空比，以達到調(diào)節(jié)電磁爐輸出功率之目的。

3. 同步電路
為了避免IGBT管在導通時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。在待機時，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、R11、R12、R13和C10等組成的鋸齒波振蕩器按固有頻率振蕩。當電磁爐工作時，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，對其頻率與波形進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擔當。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）的同步鋸齒脈沖進行比較。其原理是：當一個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系）與一個按鋸齒脈沖規(guī)律變化的基準電平進行比較時，輸出端（1腳）的跳變時間將隨著直流電平在鋸齒脈沖斜坡上所對應位置發(fā)生變化而變化，從而實現(xiàn)脈寬調(diào)制。
5. 驅(qū)動電路
由VT1、VT2及外圍元件組成IGBT管的驅(qū)動電路，控制其導通和截止。由IC1b的1腳輸出的脈寬調(diào)制脈沖加到驅(qū)動電路輸入端，當IC1b的1腳的脈沖處于高電平時，VT1導通、VT2截止、IGBT管飽和導通。當IC1b的1腳的脈沖處于低電平時，VT2導通、VT1截止、IGBT管截止。
6. 高壓峰值檢測保護電路
當IGBT管工作時，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電路。當IGBT管正常工作時，IC1a反相端4腳的取樣電壓低于同相端5腳的基準電壓（＋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，電磁爐按設定的功率進行加熱。當由于某種原因（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極的高壓將要達到耐壓極限值時，IC1a的4腳的取樣電壓高于5腳的基準電壓，2腳翻轉為導通低阻狀態(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管導通時間縮短，高頻諧振幅度下降，從而達到IGBT管的過壓保護。當超高反峰脈沖一消失，電磁爐即恢復正常加熱工作。維修過程
在繪制電路圖的過程中， 筆者已對整機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”。測得當時市電電壓為222V，正常。按壓“泡茶”功能鍵（或消毒功能鍵），數(shù)碼管、指示燈會依次按照說明的4個狀態(tài)循環(huán)顯示，一放開手又顯示“E1”。接著測量有關接點的電壓：測得A點電壓為+302V，正常；測得B點電壓為+18.4V，說明開關電源正常；測得C點電壓為+2.73V，失常。
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？回過頭來細看，S3F9454B、74HC164的工作電壓范圍為2～5.5V，而數(shù)碼管和LED從幾個mA到20mA電流卻都能發(fā)光，只是亮度不同而已，沒認真對比是不易發(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（實測電壓為+5.18V），整機功能恢復正常。 [Page]
至此，檢修的旅程已結束了，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？鍋檢電路又是如何工作呢？于是對已修好的整機進行一次測試，并模擬故障狀況，看其如何進行保護，以此來驗證上述分析是否正確。如果能透徹理解了其工作原理，不僅對本電磁爐出現(xiàn)其他的故障會迎刃而解，而且對檢修其他品牌的電磁爐（灶）也有裨益。
模擬故障狀況 驗證保護過程
1. 模擬市電電壓過高過低當市電電壓為220V時，測量IC3的14腳取樣電壓為1.75V，由計算得出250V時取樣電壓應為1.99V，160V時應為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來驗證，容易造成電磁爐損壞。筆者用30kΩ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，測量IC3的14腳電壓為2.02V，此時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20kΩ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)驗證了在電網(wǎng)電壓過高過低時能有效地進行保護（臨界取樣電壓測量值與計算值十分接近）。
2. 模擬功率器件過熱待機時測得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4.7kΩ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，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。當升高至顯示“E6”的臨界電壓值為2.63V時，讓電磁爐停機，從而驗證了功率器件過熱保護功能。
3. 模擬爐溫過高待機時測得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。當降低至設置值時（溫度過高），電磁爐顯示“E4”故障代碼，進入停機保護狀態(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4.7kΩ電位器組成可調(diào)直流電壓，采用2中所述方法，當測得取樣電壓降__至2.03V時轉入600W工作，再次降到1.85V時蜂鳴器響3聲“嘀”，電磁爐停止工作。消毒爐盤超溫保護也用同樣方法檢驗。
4. 模擬+18V電壓失常當電磁爐正常工作時，測得IC3的17腳的電壓為0.98V。用1只100k Ω 電位器中心引腳串接1個100kΩ電阻后并聯(lián)在R30上，開機，正常工作時，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，當取樣電壓升高到1.22V時，顯示“E1”故障代碼，電磁爐進入保護狀態(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4.7kΩ電位器中心引腳串接1個3.3kΩ電阻，并聯(lián)在R31上，在電磁爐正常工作時，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IC3的17腳的取樣電壓降至0.65V時，顯示“E2”故障代碼，電磁爐進入保護狀態(tài)，停機。本電磁爐修復前顯示的故障代碼為“E1”，這是由于＋5V電源失常引起的。由上述模擬故障過程得知，不僅當電網(wǎng)電壓過高時，出現(xiàn)故障代碼為“E1”，而且當＋18V電壓過高時，也顯示“E1”故障代碼。對于顯示同一故障代碼“E1”，卻是可能由3個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電壓過高時顯示“E1”故障代碼，還好理解，因為都由電壓過高引起的故障，那么只當＋5V電壓過低失常時，為什么也顯示“E1”呢？究其原因，發(fā)現(xiàn)MCU所設置的基準電壓值是在IC3的供電電壓為+5V時的值，當IC3供電電壓過低時（如+2.73V），基準電壓值再也不是原設置值了，也隨著下降了許多，那么在市電電壓或＋18V電壓正常時的取樣電壓與芯片內(nèi)已偏離原設置值下降了許多的電壓相比對，MCU將做出錯誤的判斷，顯示“電壓過高”的“E1”故障代碼，所以在修理時，對顯示的故障代碼要具體分析，各個排除。

鍋檢電路
鍋檢信號是由IC3的13腳每隔2秒鐘輸出頻率約為24kHz的一串脈沖，同時蜂鳴器“嘀”一聲短音，但IC3是哪個輸入端檢測鍋檢信號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。

前面已述14腳是市電電壓過高、過低檢測輸入端，有沒有可能同時又擔當檢測鍋檢信號脈沖個數(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干電池供電，即電池的正端接1插腳，負端接主電路板“地”端。此時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，電磁爐即轉入加熱工作，由此排除14腳的可能性，恢復1插腳為原來狀態(tài)。現(xiàn)在IC3只剩下12腳是鍋檢信號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：在待機和鍋檢時為0.33V，正常加熱時幾乎為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4.7kΩ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，即有鍋時鍋檢電路依然在進行檢鍋，不會轉為正常加熱工作。調(diào)節(jié)電位器降低電壓至0.23V以下時，這時不論爐面上有無鍋具，電磁爐皆處于加熱狀態(tài)。
當電壓上升至0.24V以上時，不論爐面上有無鍋具，皆處于鍋檢狀況。至此，可說明兩個問題：一是MCU芯片（IC3）的12腳確是鍋檢信號的輸入端；二是MCU芯片是根據(jù)12腳上檢測的電壓的高低，比對設置的基準電壓值，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（應為＋5V電壓經(jīng)R20與R21的分壓值0.33V）。這個問題令筆者迷惑了，百思不得其解。其間也用示波器測量了有關接點的波形，但都沒有答案。是否繪制的電路圖出錯呢？于是重新對照電路板檢查了電路圖，電路圖沒錯呀。只是在查對中發(fā)現(xiàn)了一個現(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（在繪制電路圖時筆者也曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，當時沒在意。），同時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的一座獨木橋Φ 0.5mm×33mm的一條跨線，這樣一來電磁爐在待機或鍋檢時，＋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0.328V，＋5V電源“地”端為正，整流橋堆“–”端為負，相當于＋5V電源“地”端相對橋堆“–”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），電磁爐即轉入正常加熱工作。這實質(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，心里暗暗佩服設計師利用此法的巧妙！它既簡化了電路，又提高了可靠性，同時也聯(lián)想到在制作音響電路時一再強調(diào)的一點，接地和處理好地線具有何等的重要性。

幾點建議
1. 電路板用焊接引線的方法，移到機殼外進行檢測修理，便于操作。
2. 接假負載法。拆去加熱線盤接線，用60～100W燈泡接在加熱線盤的接線端上，接著開機觀察燈泡發(fā)亮狀況來判斷故障的情況，如果不亮或一亮一滅，說明機內(nèi)無短路故障；燈泡發(fā)亮，則說明機內(nèi)存在短路。在修理或檢測的過程中接假負載來試機，可防止故障的進一步擴大。 [Page]
3. 如果要調(diào)換相關的集成電路，脫卸下原集成電路后，最好能焊上相對應的集成電路插座，這樣方便調(diào)換對比，有利于測試分析。
4. 在帶電檢測的過程中要注意防止觸電，因為此類電路大多是由220V市電直接整流、濾波和用開關電源芯片來產(chǎn)生各種直流電壓供電路使用，雖說是“地線”（電路板上人為的“地”端），但對于市電網(wǎng)來說，同樣存在觸電的危險性，不要隨意觸摸。修理時最好用帶雙聯(lián)開關，電流10A以上的專用排插。平時使用時，也最好用帶開關，電流10A以上的排插，不用時由開關切斷電源，不要用插拔插頭的方法，因插拔過程中，往往容易因接觸不良打火，引起高壓或大電流沖擊而損壞用電器，現(xiàn)實中也不乏此類現(xiàn)象，往往有人訴說：昨天還用得好好的，怎么今天插上就不能用了。附待機時各IC引腳、接口的電壓值和有關接點的波形圖（見圖4），供檢修時參考。

金灶電磁爐故障檢修示例
金灶S-130電磁爐不加熱
金灶S-130電磁爐不加熱，報警。
拆機檢修發(fā)現(xiàn)LM339第6腳接地電阻燒焦，翻閱大量電磁爐資料，試用5K電阻代換，通電試機正常。
金灶KJ-12E電磁爐間歇加熱維修一例
此機故障為燈閃，查供電不足，換7805后解決此故障，但是就出現(xiàn)了間歇加熱的毛病，故障原因是控制板上的R11開路所致，此電阻阻值為10R。換后正常。
金灶電磁爐好像有通病，我還修過一臺,那臺機的型號是KJ-120。也是這么小的電阻壞了，故障現(xiàn)像一樣。但是位置在主板上。這兩個電阻所連接的電路都是將整流橋負極的信號送到CPU。
金灶-KJ-08H電磁爐不加熱
金灶-KJ-08H電磁爐不加熱，有檢鍋的聲音，鍋有一動一動的，三十秒就停機,測過大功率電阻正常、換過功率管、LM339，故障依舊；后查0.24UF電容壞,此電容壞的多.
金灶電磁爐KJ-10E顯示E6故障
E6是爐面溫度過高,應該是超溫或者是傳感器開路查是一個溫度傳感器壞了。該電路很簡單。就是一個熱敏電阻和一個上拉電阻組成。

金灶牌電磁爐故障代碼
金灶KJ-12E消毒泡茶爐故障代碼
E1 電源電壓過高
E2 電源電壓過低（風扇開路也會）
E3 爐盤溫度傳感器開路
E4 爐面溫度過高
E5 IGBT傳感器開路
E6 爐內(nèi)溫度過高

金灶KJ-10H電磁爐原理圖下載：/html/mappaper/white/141719305.html