Устройство индукционных плит.

[zepete]

Обобщене схем плиток 4home, redber, alaska и pdf от samsung, holtek, fairchild и onsemiconductor.

1. Теория.
Нагрев происходит за счет перемагничивания ферромагнетика, а не токов Фуко/Эдди/вихревых в сковороде, ибо при использовании только токов Фуко, в самой плите будет выделяться большее количество тепла или конструкция будет очень сложной с медными трубками. Все что дальше написанное, взято из pdf onsemiconductor, holtek и fairchild. На практике не проверял, по этому могу заблуждаться. Упрощенная схема индукционной плитки.

Cbus - конденсатор для стабилизации напряжения питания в течении одного периода колебательного процесса, 4...8мкФ;
Сr - резонансный конденсатор, 0.2...0.3мкФ;
Lr - индуктор, 100мкГн;
T1/D1 - IGBT типа IHW20N120R2, FGA15N120ANTD, IRGP20B120UD (Vces=1200V/Ic=15A/Toff+Tf=400нС/Vsat=1.6V).

Какие процессы происходят, я отобразил на таком графике.


Цикл работы состоит из двух больших этапов: заряд индуктора линейнонарастающим током через открытый транзистор/диод и затухающего колебательного процесса при закрытом транзисторе. Которые можно разделить на несколько малых тактов.

1. Затухающий колебательный процесс при закрытом транзисторе. Исходное состояние здесь всегда одно и тоже: Cr заряжен до уровня Ubas, ибо он всегда, мгновенно, заряжается до уровня Ubas при открывании IGBT.
1. Cr разряжается на индуктор: ток через индуктор и напряжение на коллекторе IGBT нарастает до Ubas, ибо Uce=Ubas-Ucr.
2. Индуктор разряжается на Cr: ток через индуктор уменьшается, а напряжение на коллекторе IGBT растет до максимального возможного значения. Это значение пропорционально времени открытого состояния транзистора.
3. Cr разряжается на Lr до напряжения Ubas: ток индуктора растет, а напряжение коллектора IGBT падает до 0. Когда напряжение на коллекторе станет меньше нуля - откроется встречный диод IGBT.
2. Линейный процесс накачки индуктора. Исходное состояние здесь всегда одно и тоже: Cr заряжен до уровня Ubas, ибо при этом уровне заряда напряжение на встречном диоде переходит через ноль. Если отпирающий импульс на затвор транзистора придет раньше отпирания диода или когда диод уже закроется, т. е. резонансный конденсатор не зарядится до Ubus или уже разрядится на индуктор, то в начальный момент времени через транзистор пройдет большей ток и он будет сильно греться. Что плохо скажется на надежности. На этом этапе Cr всегда заряжен до уровня Ubas, а напряжение на коллекторе близко к 0.
   1. Ток индуктора идет через встречный диод: ток через индуктор линейно падает до нуля. В это оптимальное время подавать отпирающий импульс на затвор.
   2. Ток индуктора идет через IGBT: ток через индуктор линейно нарастает. В это время надо вовремя закрыть транзистор, что бы индуктор не накопил энергии достаточной для пробоя транзистора при такте 1.2.

Следствия.

1. Мощность регулируют при помощи изменения длительности пачки импульсов, ибо  ШИП регулировать сложно: момент включения транзистора определяется переходом через ноль напряжения коллектора, а момент выключения максимальным возможным напряжением на коллекторе, то есть частота и скваженность связаны обратной зависимостью и регулировать ими мощность простым способом не получиться.
2. Если на плите нет посуды, то это может вывести из строя транзистор из-за повышения максимального напряжения (Cr зарядится до большего напряжения). Для предотвращения этого, каждые две секунды проводят процедуру контроля наличия сковороды: подают затравочный импульс, а потом считают сколько циклов будет затухать колебательный процесс. Если больше 3 - значит посуды нет и надо выключать плиту.
3. Самый тяжелый - первый импульс, ибо тогда заряжается Cr через IGBT.

2. Силовая схема.

Назначение элементов:
Li - ферритовый тор, надетый на сетевой провод, служит для подавления синфазных помех. В большинстве случаев его нет;
FUSE - предохранитель;
С1 - конденсатор фильтрации импульсных помех, в большинстве случаев его нет;
R1 - резистор для разряда C1 после отключения питания;
D1, D2 - выпрямитель для ИИП и контроля напряжения сети (для расчета мощности и защиты от перенапряжения);
RJ - шунт в виде куска толстого провода;
L1 - фильтр от импульсных помех, чаще всего его нет;
С2 - конденсатор для возможности возврата энергии колебательного контура с индуктором в промежуточный контур постоянного тока Ubas;
С3 - резонансный конденсатор, нужен для обеспечения непрерывного тока после запирания транзистора;
Lr1 - индуктор, служит для передачи энергии в посуду;
T1 - IGBT транзистор, нужен для преобразования постоянного тока в переменный;
R2 - резистор, предназначенный для гарантированного нахождения транзистора в запертом состоянии после включения;
R3 - резистор, предназначенный для подавления высокочастотного тока на затворе;
Uoutlet - выпрямленное напряжение в сети;
Ush - контроль тока для защиты от перегрузки;
Uce - контроль напряжения на коллекторе IGBT, служит защиты от перенапряжения и совместно с Ubas определяет момент включения IGBT;
Ubus - служит для определения момента включения IGBT.

Теорию работы я описал раньше, поэтому повторяться не буду.

3. Драйвер.

Назначение элементов:
D2 - не дает проседать 18V при уменьшении 18V на выходе ИИП, вместо диода может быть резистор сопротивлением 51 Ом или вообще ничего не быть;
С2 - стабилизация напряжение питания драйвера, может не быть;
R3, T4, R2, T3 - два каскада усиления с общим эмиттером;
T1 и T2 - эмитерный повторитель;
D1 - не дает подняться напряжению на выходе  выше 18V;
R1 - ограничивает ток заряда затвора IGBT;
R5 - увеличивает входное сопротивление драйвера, необходимо для защиты выхода контроллера;
R4 - служит для канализации тока утечки T4;
С1 - ускоряет процесс переключения T4.

4. Источник Импульсного Питания 5 и 18 Вольт.
Они делаются по двум схемам: обратноходового преобразователя и прямоходового. В обоих случаях используются одни и теже компоненты: микросхема ШИП (ШИМ/PWM со встроенным ключом, чаще всего Viper12A), 78L05, трансформатор,  резисторы и конденсаторы.

В обоих схемах S1 - это термопредохранитель упирающийся на теплостойкую крышку плитки. Часто его не бывает; R1 - служит для фильтрации (это если судить по схеме в datasheet samsung: там вместо резистора стоит дроссель на 300 мкГн) или как предохранитель (так написано у stm).

4.1. Обратноходовой преобразователь (flyback converter).


4.2 Прямоходовой преобразователь (Double Output Buck Converter) на тех же элементах.

Схема содрана у STM (AN1514, 3 страница), с точностью до номиналов используется в alaska ic1800..

Несколько схем из AN1514.



5. Контроль напряжения на индукторе.
Несмотря на то, что IGBT надо открывать когда напряжение на коллекторе (Uce) чуть ниже нуля (когда открыт встроенный в него обратный диод), этот момент времени определяется не через пересечение этим напряжением нуля, а при помощи сравнения его с напряжением промежуточного контура постоянного тока (Ubus), с последующей задержкой. Напряжения сравниваются в встроенном в управляющую микросхему компараторе.
Еще этот компаратор используется для определения наличия сковороды: раз в 2 секунды открывается IGBT на 1 мС, а потом считаются колебания до полного их затухания, если их будет больше 3...24, то значит сковороды на плитке нет. Поэтому здесь используются два делителя, которые приводят входные напряжения около 1200V к величинам меньше 5V (напряжение питания управляющей микросхемы).
Дополнительно напряжение на коллекторе подается на аналоговый вход управляющей мс, для защиты от перенапряжения. Поэтому это напряжение делится еще в 1.5-3 раза. Хотя этого дополнительного делителя может и не быть.
Так как напряжение в 1200V пробьет любой одиноко стоящий резистор, то в верхних плечах делителя используют 2 или 3 последовательно включенных резистора на 1-2Вт, но так как Ubas сильно больше 300V быть не может, то в верхнем плече делителя Ubus на один или два резистора меньше ставят. На выходе делителей, последовательно с входами ic могут быть по резистору на 100-39000 Ом, вероятно, они нужны для дополнительной фильтрации помехи. В результате получается такая схема.


6. Контроль напряжения в сети.
В принципе - это тоже самое Ubus, но измеренное до выпрямителя. Используется для замера мощности и защиты от перенапряжения. Для обоих целей используются разные делители напряжения: выход одного делителя идет на вход АЦП, а другого на вход компаратора. Схемы делителей похожи предыдущие. Только напряжение на входе АЦП сильно усредняется конденсатором большой емкости.

Для экономии одного большого резистора, они могут на делитель подключенный к компоратору подавать постоянное напряжение подавать с делителя подключенного к АЦП через маленький резистор (это напряжения заведомо меньше 5V), а переменку через конденсатор.


7. Контроль тока.
Для контроля тока используется встроенный в управляющую микросхему операционный усилитель. То есть для этой схемы нужны два вывода: вход ОУ и его выход. В некоторых плитках еще используется встроенный компаратор для защиты по току. Схема понятна без пояснений.


8. Контроль температуры igbt.
Под igbt, при помощи резинки, вплотную прижат терморезистор. Он нужен для контроля температуры igbt.

Схема - обычный делитель напряжения, в одном плече которого стоит NTC термистор типа 3950-100k.

Рекомендуемая samsung логика контроля:
-температура выше 85° - понижаем мощность;
-температура выше 90° - выключаем плиту.

9. Контроль температуры поверхности.
Схема идентична предыдущей, только термистор прижат к поверхности плиты. Где находится термистор.


10. Пищалка и  вентилятор.
Они могут управляться от отдельных выходов управляющей микросхемы, но в последнее время их подключают к одному выходу, но пищалку через конденсатор. Причем другой выход пищалки может быть подключен к любому напряжению: 0V, 5V или 18V.


11. Другие варианты конструкций.
1. Схема на тиристоре с резонансом напряжений. Она хотя проще этой, но она надежнее (не надо беспокоиться об моменте выключения тиристора), дороже (резонансный конденсатор емкостью в 10 раз больше) и тяжелее (конденсаторы тяжее будут). Сейчас ее не реализовать, ибо инверторные тиристоры промышленность перестала выпускать массово.

2. Полумостовой резонансный инвертор, предлагается STM.

Comments

[Сергей Бивас (from livejournal.com)]

Здравствуйте!
Не подскажите - на всех плитках стоит NTC термистор типа 3950-100k на Контроле температуры поверхности?
У меня kitfort КТ-104

[zepete.livejournal.com]

Нет, так как aliexpress разных номиналов предлагает.

Транзистор

[electro channel (from livejournal.com)]

Можете помочь.
После замена Irgb транзисторов не видит посуды.
В чем может быть проблема?

Re: Транзистор

[zepete.livejournal.com]

В драйвере, сгоревших дорожках, делителях напряжения, контроллере.

Драйвер

[benjons.livejournal.com]

Добрый день!
Скажите пожалуйста приведенную вами схему драйвера можно использовать в качестве выходного усилителя по току
для слабо токового шим.
Для управления мощным полевым транзистором?

Re: Драйвер

[zepete.livejournal.com]

Можно, но не нужно, так как в этой схеме первая часть - это усилитель напряжения, который повышает высокий уровень с 5В до 18В. Если у вас уже есть 15...18В, то вам достаточно последней части состоящей из T1, T2, R1, D1. Можно добавить на выход еще такой же каскад усиления силы тока, только резистор сопротивлением 10 Ом использовать в нем.

[Имя (from livejournal.com)]

Добрый день, не включается катушка. Только стабилитрон на 18в мертвый, но на руках такого нету. Скажите, может возможно его чем то подменить для проверки и если плита заработает, тогда заказать и его.

[zepete.livejournal.com]

Если стабилитрон мертвый, то она вообще не должна включаться, так как он в источнике питания:)
Может вы терморезистор, который под igbt, со стабилитроном перепутали?

управление индукционной плитой

[максим пасынков (from livejournal.com)]

Здравствуйте. Хотел бы предложить вам сотрудничество в сфере разработки связанной с индукционными плитами. Я занимаюсь производством домашней техники и мне нужно иметь возможность управления индукционной плитой с помощью моей платы управления. +79091410101 Максим

Re: управление индукционной плитой

[zepete.livejournal.com]

Не понимаю, какого сотрудничества хотите. Как я понимаю, вы хотите что бы я вам программу для mcu создал. Мне это не надо, так как связано с большим расходом igbt, которые дорогие.

Индукционная плита housemark

[Игорь Колмыков (from livejournal.com)]

Добрый день!

У индукционной плиты изменился звук в режиме нагрева, он стал такой, словно строчит швейная машинка.
Звук не зависит от мощности...

При этом продолжает работать и греть как обычно.

Ранее звуков при работе не было. Впечатление, словно изменилась скважность импульсов.

Пока не могу понять в какой каскад лезть проверять, может что посоветуете?
Хотя бы в каком направлении копать.

Транзисторы / диоды все перепроверил...

Теоретически, если нагрев работает, значит колебательный контур катушка/конденсаторы, транзистор силовой и мост в порядке.

Схема контроля входного напряжения? Может туда?

Re: Индукционная плита housemark

[zepete.livejournal.com]

Вентилятор вам надо проверить:)

индукция Kaizer трехсекционная

[pedroau.livejournal.com]

на большом индукторе часто горит индикатор " нет посуды ". Иногда чередуется " нагрев" - " нет посуды" . Используются разные виды посуды диаметром не меньше 18 см. Это неисправность или есть способ обмануть плиту?

Re: индукция Kaizer трехсекционная

[zepete.livejournal.com]

Может быть неисправностью. У делителя напряжения увеличивается сопротивление со временем.

Для обмана плит продают специальные диски, только их надо приподнимать над поверхностью стекла, иначе стекло треснет или плитка выключится от перегрева.
https://zepete.livejournal.com/131527.html

[Максим Смирнов (from livejournal.com)]

Добрый день. Есть такая беда, сервисы разводят руками. Одна конфорка щелкает посудой раз в пару секунд и не греет. Если поставить что-то маленькое (эмалированную торелку), начинает иногда разогревать (посуда еле слышно гудит и греется), но не долго, как то рывками и безсистемно. Так же если чуть приподнять. Если поменять катушки местами, проблема переходит на другую. В сервисе работала, дома щёлкает.

[zepete.livejournal.com]

Если проблема перемещается вместе с катушкой, то значит проблема в катушке:)
Катушки там непростые, а с магнитопроводом, который может деградировать. Особенно быстро цветные магнитопроводы портятся.

Graude IK 60.1

[Александр Толстов (from livejournal.com)]

Наткнулся на вашу статью. Одна конфорка перестала видеть посуду вообще. Катушки исправны, кидал на исправную плату, там все работает. Выпаивал IGBT отвечающий за и конфорку, исправный. В чем может быть проблема. Появилась ни с того ни с сего. Проверял транзисторы драйвера 8050-8055 не выпаивая, левой и правой(которая работает) стороны на плате, показания идентичны. Куда копать не понятно дальше. Все резисторы прозвонил, бьются по номиналу.

Re: Graude IK 60.1

[zepete.livejournal.com]

Вы еще резонансный конденсатор не проверили, он тоже портиться. Так же бывает дорожки растворяются на плате.

[didsi.livejournal.com]

может есть инфа на процессор HIGHWAY09 ? у него на борту есть компаратор и управляет IGBT транзистором.

Иван

[Иван (from livejournal.com)]

Добрый день!

Статья хорошая, перед тем как ремонтировать плиту я прочёл. У меня есть несколько дополнений:
1) В такой схеме, как у вас приведена, момент включения тразистора определяется только скважностью ШИМ (~ 25кГц). Переход через ноль происходит с частотой 100Гц и он не отслеживается.

2) Наличие посуды отслеживается по потребляемому из сети току (при помощи шунта или трансформатора тока). Обычно недалеко от сетевого фильтра есть подстроечный резистор, им можно слегка изменить чувствительность к наличию посуды (если маленькую не замечает). Подсчёт имульсов не ведётся. В некоторых моделях сначала формируется один тестовый импульс, с помощью которого проверяется целостность всего контура от транзисторов до катушки. Этот импульс отслеживается. А в большинстве моделей, если например транзисторы не работают, а управляющий контроллер работает, то плита будет сигнализировать об отсутствии посуды.

[zva67.livejournal.com]

Добрый день. У меня какая-то плавающая проблема. Включаю плиту через лампочку, так как иначе выбивает пробки и выходят из строя 2 igbt. А через лампочку выдаёт ошибку E1, и если включаю на нагрев лампочка горит сильнее, после выключения, пока вентилятор крутится включаю опять на нагрев ошибка уже E0, и лампочка светит слабее, но с посудой ошибка та же E0, после выключения нагрева, и остановки вентилятора, всё повторяется. Грешу на контроллер, но его не проверить.

[zepete.livejournal.com]

Грешить надо на резонансную цепь, то есть конденсаторы пленочные и индуктор.

[ivan-010800.livejournal.com]

Здравствуйте!

Статья неплохая. Мне нравится, но можно кое-что уточнить.

В пункте 5.
5. Контроль напряжения на индукторе.
Несмотря на то, что IGBT надо открывать когда напряжение на коллекторе (Uce) чуть ниже нуля (когда открыт встроенный в него обратный диод), этот момент времени определяется не через пересечение этим напряжением нуля
Не совсем так. На компараторе сравнивается напряжение на разных концах катушки и когда эти напряжения уравниваются (то есть ток через катушку не течёт) открывается силовой транзистор. А напряжение К-Э всегда выше нуля.

Тоже в пункте 5.
Еще этот компаратор используется для определения наличия сковороды: раз в 2 секунды открывается IGBT на 1 мС, а потом считаются колебания до полного их затухания, если их будет больше 3...24, то значит сковороды на плитке нет.
Тут можно добавить, что при помощи одиночного импульса (длительностью 1мкс) запускается генератор. Это вызывает колебания в контуре и при этом измеряется ток (пункт 7. в статье), если ток меньше определённого порога, то контроллер выдаёт ошибку "Е1" (к примеру) нет посуды. Если колебания в контуре, вообще, не появились после импульса, то некоторые плиты выдают ошибку "Е0" внутренняя неисправность.

Но в целом довольно подробное описание принципа работы плиты.

[zepete.livejournal.com]

Вы не правы полностью.

1. Отсутствие напряжения на индукторе означает не отсутствие тока, а означает разряженность резонансного конденсатора, ток через индуктор при этом максимальным может быть. Я все правильно написал.

2. Никого генератора нет, есть резонансные автоколебания после "зарядки" индуктора и конденсатора. Посуда влияет на добротность контура, поэтому числом колебаний проще определить наличие посуды.

[stylermedia2.livejournal.com]

Добрый день, подскажите можно ли на индукционной плите заменить катушку 15см на побольше, например 18 или 21 см? Понятно, что включить на максимум обе конфорки уже не выйдет изза ограничения мощности, но будет ли это работать вобще?

[zepete.livejournal.com]

Можно менять и даже две увеличенные комфорки включать, ибо при увеличении диаметра индуктора, при прочих равных, мощность уменьшается.