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1、作业要求：分析一个电子产品，说明其中的数字电路和模拟电路近年来，随着电气工程的迅猛发展，逐渐形成一套系 统、完善的知识体系。在 电气工程发展初期，人们将电子产品与电气工程进行有效联系和融合，并将其 发展为电气工 程。在信息技术的不断发展和普及下，电气工程的概念逐渐变得 更加多样化和丰富化，人们发现电工电子技术与电气工程之间具有密切的联 系，通过将两者进行有效结合，并应用于电气工程系统的开发和设计中，必定 会取得意想不到 的开发效果，在这样的情况下，电气工程及其电工电子技术诞 生了，并在各个领域中得到了广泛地应用和普及。从该技 术的使用情况来看， 电气工程及其电工电子技术的应用范 围非常广，如建
2、筑工程领域、电力系统开 发领域和工业生产 领域等，确保这些相关系统和产品能够向自动化、智能化、 信息化方向发展。研究对象：电磁炉 电磁炉功能：主要进行食物加热。电磁炉的工作原理是电磁感应现象，即利用交 变电流通过线圈产生方向不断改变的交变磁场，处于交变磁场中的导体的内部将 会出现涡旋电流，涡旋电流的焦耳热效应使导体升温，从而实现加热。 是否用到单片机：电磁炉可以进行各种模型加热模式选择，具有选择按钮、定时 功能、自我保护机制即显示部分。通过以上分析可知，电磁炉是一个典型的基于 单片机或微机系统的控制的电子产品。整机系统组成： 外壳、炉面板、和电子控制系统。 电子线路系统包括：控制板、电源模块、
3、主机板、操控显示板、温控、线圈盘及 热敏支架、风机等。各模块主要作用：(1) 炉面板：用于承载器皿，其下布置有环形电磁线圈，如下图所示图1电磁炉环形电磁线圈(2) 高压主机板： 构成主电流回路，加热温度控制，强电输出(3) 低压主机板：用于系统控制功能，系统功能操作，弱点输出(4) 操控显示板：显示工作状态和传递操作指令，显示内容为数码管点亮显示图 2 电磁炉显示模块(5) 操控显示板：显示工作状态和传递操作指令，显示内容为数码管点亮显示(6) 电源模块：负载将外部交流电转为内部元器件使用的直流电，并对输入电压 进行保压、降压，对电流进行过滤和整流。(7) 风扇组件：散热辅助元件(FAN),降
4、低炉内元器件温度(8) 温控组件：感应工作温度，从而主体部件由于过热损坏(9) 控制板：电磁炉的控制板主要负责接收用户的外部按键输入，根据输入，切 换高压主机板的电流输出大小和功率模式 (即不同的工作模式)进行加热。同 时将系统工作状态通过 IO 进行输出，用户通过数码管可以一目了然的获知 电磁炉的工作状态。图 3 电磁炉控制板单片机在电磁炉中的作用：负责接收用户的外部按键输入，根据输入，切换高压 主机板的电流输出大小和功率模式(即不同的工作模式)进行加热。同时将系统工 作状态通过10进行输出，用户通过数码管可以一目了然的获知电磁炉的工作状 态。同时对外部输入的电压进行保压和降压，降压的目的式
5、为了使得控制板上其 他元器件可以正常工作。对输入的交流电通过整流模块进行整流，同样是确保内 部元器件可以正常使用。同涉模决1振荡模块测鬧模块fc,幵宾电源模淡0a辟动模块浪涌僚护模块S但施E 口時-n-trc1|-_!； -f y :j图 4 电磁炉整体电气原理图0U4 血1MKCSEE*KUISJW*-HllKftAHi伫伽iJfa ASMH*Hi单片机测氐流樓块 测皑圧摸坟L1Km为了进一步描述，进行详细的电路介绍： 同步电路是为了使开关脉冲到来的前沿与峰值脉冲后沿相同步，保护IGBT 在这期时间出现导通而受到激穿。目前大多数电磁炉中使用的同步控 制电路都属于这种负相同步振荡控制电路（如上
6、图，同步模块），这种同步电 路在工作时输出的锯齿波为“负相”，所以因此而得名。这种同步控制电路最 大的优点就是线路简单元件少、性能可靠，但输出波形不是很好。在一些比 较老式（模拟式）的电磁炉上曾用到另一种同步电路，那就是正相同步控制电 路，这类同步电路V+输入端与V-输入端的连接方法与负相同步电路正好相 反，输出的信号是正相的锯齿波信号，整个电路单元采用两个比较器构成， 线路复杂，但输出的波形较好，这类同步电路在新型电磁炉中已经极少采用。此电路接与 LC 振荡电路并连以两端电压作比较来同步的正常情况下同 步比较器输入端的两个输入电压一般存在有200-350mV的电压差V+端电压 稍大于V-端，
7、输出端在此时应输出4.9V左右的高电平。同步电路电路由LM203与外围电路组成的电压比较电路Rl、R9、Cl、C2和 C4将的电压进行分压送到U1A与分压送到U2的电压相比较再由U2去控制 振荡电路工作。由于电磁炉是加热的家电常处于高温状态在这种环境下就会 使得元件老化速度快用了一段时间后就会出现烧IGBT管的现象。有些维修 人员只单单更换 IGBT 管，过不久又会烧管。这时就要重新进行同步电路参 数的计算和修改。才能保证更换的 IGBT 管工作正常。根据电磁炉的相关参 数，在待机时的情况（V1=V2300V）下同步比较器输入端的两个输入电压一般 存在有200-350mV的电压差。根据这个电压
8、差重新计算出电阻值。Vlx R2Rl + R2+R5U3 =V2 x R9R6 + R7+R9当电磁炉处在待机状态时 V1=V2 的电压等于市电经过桥堆整流滤波后的 300V 左右,即 V1=V2=300。修改：单片机是电磁炉控制的核心，选用 PIC18F458 作为核心单元，主控电路如下GWJw -ICEY*：5PWMIARD4 PWMl即汕5 ewviaot FUAIIRRDT 慣 VM HU 测nzutl 叱 d-lsltlM klddEl图 4 主控 CPU 电路图 电磁炉直流电压检测：大功率电磁炉采用三相不可控整流桥将三相交流电源整成直流电，直流电压 输出的大小 UDC=2.34U2
9、cosa = 514V ，a 为整流桥的移相角，对三相不可控整流桥， DC 2cosaU2=220V, a=0。由于直流电压比较高，不能直接将该直流电送给单片机采样，并 且，考虑到主电路的直流电与单片机的共地问题，防止直流电源对单片机主控制 器的干扰，因此，主电路与控制电路之间必须具有隔离功能。在设计中，采用电 阻分压后经线性光隔隔离后送给PIC18F458的一个AD采样端口，进行采样，电 阻分压后的电压必须在单片机供电电压+5V以内。考虑到成本与大功率电磁炉对 直流电源电压采样精度的要求，线性光隔采用普通光隔TLP521-2实现，应用反 馈控制原理，具有价格便宜，线性度好的特点。采用普通光隔
10、TLP521-2实现线 性光隔电路图如图5所示。R1IQXiC5T加TLP52HEteIDCGMJI2G1图5普通光隔TLP521-2实现线性光隔电路原理图如图 4所示，主电路直流电源分压后电压为 U , 经过此线性光隔后输 i出电压为VCT,取R = R ,输出电流、电压的表达式分别如下： 56I 二 K I , VCT 二 R I 二 KRI2 11 5 2 1 5 1反圆电流为：I = K I3 2 1上式中K , K为电路中两光隔的电流传输比，因采用TLP521-2同一12集成电路，两光隔的电流传输比特性近似一致，K二K ,即有I二I 。1 2 2 3 此电路的工作原理如下：在检测电路
11、调节过程中，U有两种变化趋势:(1)当输入电压U升高时，有 iiU RI ,导致运放输出端电压升高，通过发光二极管的电流I也随i 6 3 1之增大，由于I二KI, I二KI, I , I也增大，最终调节运放LM358两2 11 3 2 1 2 3输入端U二U二U ,又因为I二I ,因此输出电压VCT与输入电压UN P i 2 3 i相等, VCT 随着 U 的增大而线性增大。 (2)当输人电压 U 降低时，运放 ii输出端电压降低，通过发光二极管的电流 I 也随之减小，与上类似，输出 1电压 VCT 也随输人电压 U 的变化成比例的减小。从以上分析可知，iRVCT二U , R二R ,所以VCT
12、二U ,主电路直流电与控制器电源隔离 R i 5 6 i6并且输出电压跟随输入电压,大大提高了系统的抗干扰能力与稳定性。在主电源 电压信号经线性光隔隔离后，再经滤波电路送给 PIC18F458 单片机的一个 AD 采样端口，进行采样。进入 PIC18F458 单片机的采样信号幅值必须在 0-5V 之 间，同时加上限幅电路，以免过高或过低信号进入 PIC18F458 单片机端口，损 坏芯片，具体电路如图 6 所示：图 6 电压采样电路电磁炉直流电流检测:大功率电磁炉主电路直流电流检测采用霍尔电流传感器，霍尔电流传感器测 量0-25A的直流电流，由+12V与-12V供电，输出0-25mA的电流信号
13、，该直流 信号通过取样电阻后，得到与主电路直流电流成线性关系的电压，该电压经过滤 波，跟随后，输入到PIC18F458的一个AD端口，进行采样，该采样到的直流电 流信号，作为恒功率控制的功率反馈信号，同时，该信号也作为过流保护信号。 电流采样电路如图 7 所示 :图 7 电流采样电路电磁炉温度检测:在大功率电磁炉系统中，锅底加热线圈盘温度的检测和 IGBT 温度的检测十 分的重要它直接关系到大功率电磁炉的安全运行，关系到 IGBT 工作的可靠 性。设计中，采用负温度系数的热敏电阻(NTC)检测温度，经过滤波电路和电 压跟随后送至 PIC18F458 单片机的 AD 采样端口，检测 IGBT 和锅底加热线 圈盘的实时温度，防止 IGBT 过热和锅具干烧。单片机根据检测回来的温度， 当锅底线圈盘温度85 度或 IGBT 温度65 度时，单片机输出过温信号在显示 板上显示，同时关闭PWM信号输出，同时，单片机的一个10 口给出低电平封锁IGBT的驱动信号。温度检测如图8所示。图8 温度检测电路
