В последнее время у нас и за рубежом у домашних хозяек все большую популярность завоевывают так называемые мультиварки (за рубежом они больше известны под названием MULTI COOKER). В большей степени это связано с универсальностью данного устройства - при приготовлении пищи оно может совмещать в себе многие функции, например, скороварки, пароварки, кашеварки, хлебопечки, йогуртницы и др. Несмотря на свой широкий функционал конструктивно мультиварка достаточно проста - она представляет собой "электронную кастрюлю" со съемной чашей внутри и плотно прикрепляющейся крышкой. Съемная чаша предназначена для закладки продуктов. Мультиварка работает под управлением встроенного МК, который, в свою очередь, управляет процессом приготовления пищи с помощью набора встроенных программ. В этой главе рассматривается схемотехника нескольких разновидностей систем управления мультиварок на основе принципиальных схем конкретных моделей, а также приведены примеры типовых неисправностей.
Системы управления мультиварок
Несмотря на большое разнообразие по типу нагрева, мультиварки делятся на два вида: с нагревом с помощью ТЭН и с индукционным нагревом.
Самыми распространенными, более простыми по устройству и, соответственно, более дешевыми являются мультиварки с нагревом с помощью ТЭН. Нагревательный элемент в них располагается снизу и прилегает ко дну чаши. Там же расположен термодатчик, на основе показаний которого МК управляет работой ТЭН и тем самым обеспечивается процесс приготовления пищи. Нужная температура приготовления пищи зависит от времени включения ТЭН (при подаче питания на ТЭН он всегда отдает максимальную мощность) - при заданной низкой температуре приготовления ТЭН периодически включается на короткие промежутки времени, которые могут увеличиваться для достижения повышенной температуры. Рассмотрим особенности построения и работу систем управления мультиварок на примерах моделей с нагревом ТЭН ("Panasonic SR-TMH18"), а затем - с индукционным нагревом ("CUCKOO CMC-HE1051F").
Мультиварка Panasonic SR-TMH18
Внешний вид мультиварки "Panasonic SR-TMH18" приведен на рис. 1. Она мало чем отличается от большинства аналогичных устройств (приготовление пищи без избыточного давления), схема управления имеет следующие особенности:
- в устройстве установлены три ТЭН (два - в основном корпусе и один - в крышке) и два датчика температуры (по одному - в крышке и под чашей). ТЭН на крышке используется для борьбы с конденсатом, а боковой маломощный (73 Вт) ТЭН - для обеспечения режима подогрева;
- клапан выпуска пара на крышке механического типа (не контролируется системой управления).
Рис. 1. Внешний вид мультиварки Panasonic SR-TMH18
Электроника мультиварки размещена на двух платах - силовой (SUPPLY_BOARD_MV) и плате управления и индикации (CONTROL_BOARD_MV) (рис. 2). На первой плате размещен источник питания, силовые компоненты (реле, симисторы) управления ТЭН, а на второй - МК, ЖК индикатор, функциональные кнопки и светодиодные индикаторы. Обе платы соединены между собой 10-проводным шлейфом, к силовой плате подключены ТЭН, датчики температуры, также на нее поступает питание от сети. Схема соединений мультиварки показана на рис. 2, а принципиальные электрические схемы плат - на рис. 3 и 4. На рис. 5 показан внешний вид силовой платы SUPPLY_BOARD_MV.
Рис. 2. Схема соединений мультиварки
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема силовой платы (SUPPLY_BOARD_MV)
Рис. 4. Принципиальная электрическая схема платы управления и индикации
(CONTROL_BOARD_MV)
Рис. 5. Внешний вид силовой платы (SUPPLY_BOARD_MV)
Рассмотрим назначение и принцип работы основных электрических узлов и цепей в составе мультиварки.
Основным управляющим узлом устройства является специализированный 8-битный МК MN15G1601 фирмы PANASONIC SEMICONDUCTOR. Микросхема выполнена в пластиковом 64-выводном корпусе LQFP064-P-1414 и предназначена для использования в мультиварках PANASONIC и их "клонах". МК управляет ЖК индикатором (4 разряда по 35 сегментов), светодиодными индикаторами, звуковым излучателем и считывает состояние кнопок клавиатуры. Он имеет 35 линий универсальных портов ввода-вывода, а также 8-канальный 10-битный АЦП. 16 кбит встроенного масочного ПЗУ обеспечивают хранение резидентного ПО. Для стабилизации частоты тактового генератора в составе МК к его выв. 8, 9 подключен кварцевый резонатор Х (4 МГц). Для формирования сигнала RESET к выв. 12 МК подключен интегральный детектор напряжения IC2 (аналог KIA7042 и др.). Эта микросхема формирует сигнал начального сброса при подаче питания, а также, если в силу различных причин (аварийная ситуация), питающее напряжение снизится до уровня 4,2...4,3 В. Для обеспечения сетевой синхронизации МК на него поступает напряжение от сети по цепи: CN2 - R63, R42 - контакт 4 соединителя CN7 - выв. 27 IC1.
Применительно к рассматриваемой модели мультиварки МК обеспечивает:
- управление тремя ТЭН;
- опрос состояния функциональных кнопок с платы управления и индикации;
- отображение информации на индикаторах платы управления и индикации;
- прием аналоговых сигналов с двух датчиков температуры NTC;
- контроль состояния цепей датчиков температуры (обрыв/короткое замыкание);
- контроль цепи питания основного ТЭН (670 Вт);
- формирование сигналов смещения (VLCx) для функционирования ЖК индикатора.
Рассмотрим основные цепи управления и контроля мультиварки (см. рис. 2 - 4).
Силовые цепи управления ТЭН
HT1 (основной ТЭН, Р=670 Вт): выв. 18 IC1 - R37 - контакт 10 CN7 - транзистор Q5 - обмотка и контактная группа реле RL - соединитель CN3 - НТ1;
HT2 (дополнительный ТЭН крышки для удаления конденсата, Р=40 Вт): выв. 20 IC1 - транзистор Q2 - контакт 3 CN7 - R47 - симистор TR2 - контакт 1 CN4 - контакт 1 XP2 - НТ2;
HT3 (дополнительный ТЭН подогрева чаши, Р=73 Вт): выв. 9 IC1 - транзистор Q1 - контакт 7 CN7 - R46 - симистор TR1 - контакт 4 CN4 - НТ2.
Цепи индикации, управления (маломощные нагрузки) и контроля
ЖК дисплей: выв. 47-57 IC1 - контакт 1-11 LCD; выв. 5-7 IC1 - R25-R28 (напряжение смещения для работы ЖК индикатора);
Светодиодные индикаторы: выв. 15-17 IC1 - LED1-LED3;
Функциональные кнопки: выв. 1 IC1 - R2, R3 - SW1, SW2; выв. 22-24 IC1 - SW3-SW5;
Звуковой излучатель: выв. 28 IC1 - Q8 - R65 - излучатель BZ;
Контроль питания основного ТЭН: НТ1 - соединитель CN3 - R43, R64 - контакт 6 CN7 - выв. 26 IC1;
Датчики температуры: RT1 (основной) - контакт 1 CN5 - контакт 7 CN7 - выв. 63 и выв. 3336 IC1 (измерение температуры с датчика и контроль цепи датчика на короткое замыкание/обрыв); RT2 (дополнительный в крышке) - контакт 3 CN6 - контакт 2 CN7 - выв. 64 и выв. 27 IC1 (измерение температуры с датчика и контроль цепи датчика на короткое замыкание/обрыв).
Источник питания (ИП) выполнен по бес-трансформаторной схеме на основе интегрального преобразователя IC3 типа MIP289 (аналог NCP1014AP) со встроенным силовым ключом. Он формирует из сетевого напряжения постоянные стабилизированные напряжения 5 и 12 В. Работу преобразователя также обеспечивают накопительный дроссель L, диод D7 и цепь обратной связи на оптроне PC. На вход преобразователя (выв.2, 3, 7, 8 IC3) поступает постоянное напряжение (около 300 В), которое формируется выпрямителем и фильтром R76 D13 C17 C19 R72 R78. Вторичные цепи ИП не имеют гальванической развязки от первичной цепи. Для формирования стабилизированного напряжения 5 В служит каскад на транзисторе Q4 (питание МК IC1 и детектора напряжения IC2). Канал 12 В используется для питания цепей реле RL и звукового излучателя BZ.
На рис. 6 показаны контактные группы и проводные соединители ТЭН, датчика температуры, защитного предохранителя (вид при снятой нижней крышке), на рис. 7 - снятый с устройства ТЭН, на рис. 8 - датчик температуры NTC, на рис. 9 - защитный температурный предохранитель (датчик и предохранитель установлены в специальной металлической таблетке в центре ТЭН), а на рис. 10 - ТЭН и датчик NTC на крышке устройства (закрыты фольгой).
Рис. 6. Внешний вид контактных групп и проводных соединителей ТЭН, датчика температуры, защитного предохранителя (вид при снятой нижней крышке)
Рис. 7. Внешний вид ТЭН
Рис. 8. Внешний вид датчика температуры NTC
Рис. 9. Внешний вид температурного предохранителя
Рис. 10. Внешний вид крышки, на которой фольгой закрыты ТЭН и датчик температуры
Примечание: В качестве датчиков температуры NTC, например, можно использовать приборы производства компании CANTHERM - MF51 (выводы расположены с одной стороны) и MF58 (выводы расположены с разных сторон).
Мультиварки CUCKOO CMC-HE1051F/HE1054F/ HE1055F
Данные модели во многом принципиально отличаются от предыдущего устройства, так как работают на других физических принципах, кроме того, функционал этих устройств несравнимо шире. В них уже имеются индукционный нагрев, который вместе с ТЭН обеспечивает так называемый 3D-нагрев, возможность приготовления пищи под давлением (скороварка), имеется система голосового гида и многое другое. Внешний вид мультиварки "CUCKOO CMC-HE1054F" показан на рис. 11.
Рис. 11. Внешний вид мультиварки CUCKOO CMC-HE1054F
Схема соединений мультиварки "CUCKOO CMC-HE1051F" показана на рис. 12, устройство выполнено на четырех платах:
- инвертора (INVERTER PWB);
- панели управления (OPERATION PWB);
- голосовой платы (VOICE PWB);
- платы индикаторов (IRDA PWB) (устанавливается в качестве опции).
Рис. 12. Схема соединений мультиварки CUCKOO CMC-HE1051F
К силовой плате инвертора подключены два ТЭН, два датчика температуры, клапан сброса давления (на крышке), вентилятор, датчик закрытия крышки и индукционная катушка. Инвертор соединен с платой панели управления тремя шлейфами, а к ПУ также подключены голосовая и индикаторная платы. Принципиальная электрическая схема мультиварки "CUCKOO CMC-HE1051F" приведена на рис. 13 (скачать схему можно здесь). Так как другие модели мультиварок (HE1054F/HE1055F) из указанной линейки мало чем отличаются от HE1055F, приведенное ниже описание принципиальной схемы будет справедливо ко всем моделям.
Рассмотрим состав, принцип работы основных узлов и цепей устройства по принципиальной электрической схеме.
В состав системы управления мультиварки входят следующие основные узлы:
- масочное ПЗУ объемом 64 кбит;
- ОЗУ объемом 2 кбит;
- полный набор таймеров (обычные таймеры, PWM, сторожевой таймер);
- 8-канальный 10-битный АЦП;
- 61 линия универсальных портов ввода/вывода;
- развитые системы прерывания и тактирования и др.
МК управляет узлом индукционного нагрева, ЖК и светодиодными индикаторами, ТЭН, вентилятором, звуковыми подсистемами (BUZZER, плата формирования голосовых сообщений), клапаном выпуска пара. МК имеет два тактовых генератора, работа одного из которых стабилизирована внешним кварцевым резонатором XTAL32 (8 МГц), а другого - XTAL31 (32768 Гц). К МК подключен детектор напряжения IC32 (S80827CLY), который формирует сигнал аппаратного начального сброса МК при подаче питания на схему, а также при аварийном снижении напряжения питания до уровня 2,7 В.
Рассмотрим основные цепи управления и контроля мультиварки (см. рис. 13 (в архиве)).
Цепи управления силовыми нагрузками
TOP HEATER (ТЭН на крышке): выв. 29 IC31 - R367 - контакт 7 CN7 (инвертор) - CN9 (ПУ) - оптрон U3 - симистор Q4 - контакт 6 CN9 (инвертор) - TOP HEATER;
SIDE HEATER (ТЭН сбоку чаши): выв. 28 IC31 - R365 - контакты 6 CN7(плата инвертора) и CN9 (ПУ) - оптрон U2 - симистор Q2 - кон-такт1 CN9 (инвертор) - SIDE HEATER;
VALVE (клапан сброса давления на крышке): выв. 31 IC31 - R364 - конт. 4 соединителей CN7 (инвертор), CN9 (ПУ) - транзистор Q3 - контакт 2 CN8 (инвертор) - VALVE;
FAN (вентилятор, используется для охлаждения корпуса IGBT-транзистора Q5): выв. 30 IC31 - R362 - контакты 3 CN7(инвертор) и CN9 (ПУ) - транзистор Q1 - контакт 3 CN4 (инвертор) - FAN;
Working Coil (катушка индуктора): выв. 4 (выход сигнала управления индуктором) U1 MC56F8013VAFE - выв. 4, 5 драйвера U4 - IGBT-транзистор Q5 - контактные группы TER1, 2 - Working Coil - C14.
Цепи индикации, управления (маломощные нагрузки) и контроля
ЖК дисплей: выв. 51-80 IC31 - контакты 1-30 LCD; выв. 1-3 IC31 - R320-R323 - Q32 (напряжение смещения для работы ЖК индикатора);
Контроль уровня сетевого напряжения: сеть 220 В (контрольные точки R1, T1) - D7, D8 - R30-R32 - R34 - выв. 7 U1;
Светодиодные индикаторы: выв. 7, 8 IC31 - LED31, LED32;
Функциональные кнопки: выв. 20-22, 32, 42, 45, 46, 49, 50 IC31 - SW31-SW39;
Звуковой излучатель: выв. 34 IC1 - R312 - излучатель BUZZER;
Датчики NTC:
- B-SENSOR (нижний (BOTTOM) датчик температуры, установлен под чашей) - контакт 3 CN1 - R2 - D1 - контакты 2 CN7(инвертор) и CN9 (ПУ) - R384 - выв. 19 IC31;
- T-SENSOR (верхний (ТОР) датчик температуры, установлен на крышке) - конт. 3 соединителя CN3 - R6 - D2 - контакты 5 CN7(инвертор) и CN9 (ПУ) - R383 - выв. 23 IC31;
- HEATSINK NTC (датчик контроля температуры радиатора транзистора Q5): CN6 - R8 - выв. 5 U1. Сам датчик на рис. 13 не показан.
Датчик закрытия крышки (TOP S/W): контакт 5 CN8 - R18 - D4 - контакты 1 CN7(инвертор) и CN9 (ПУ) - R385 - выв. 18 IC31;
Управление узлом индукционного нагрева: выв. 24 (ON/OFF), 41 (OSC), 25 (PAN OUT), 35 (PWM OUT), 48 (COMP) IC31 - соединители CN7 (инвертор), CN9 (ПУ) - выв. 22, 23, 29, 20, 28 U1 соответственно. С помощью указанных линий обеспечивается информационный обмен данными между МК IC31 и цифровым сигнальным процессором U1.
Цепи защиты узла индукционного нагрева служат для безопасного функционирования данного узла (в том числе, в аварийных режимах работы устройства) и возможности локализации выявленных неисправностей. Перечислим эти цепи:
- защита от повышенного напряжения на катушке индуктора: контакт TER2 HEATER - R38-R43 - R45 - выв. 5, 7 U6B - D9 - R53 - выв. 12 U1;
- защита от пониженного напряжения на катушке индуктора: контакт TER2 HEATER - R38-R43 - С20 - выв. 5, 7 U5B - выв. 19 U1;
- контроль уровня рабочего напряжения в цепи питания выходного каскада (Q5) катушки индуктора: контакт TER2 HEATER - D20, D21 - R20 - выв. 8, 7 U4 - D6 - выв. 18 U1. Для пояснения функционирования цепи обратной связи в составе драйвера U4 IL(MC)33153 на рис. 14 приведена структурная схема этой микросхемы (см. [5]);
- общая защита устройства по предельному потребляемому току от сети 220 В: датчик тока СТ1 - R23 - выв. 6 U1.
Рис. 14. Структурная схема микросхемы драйвера IGBT-транзистора IL(MC)33153
Звуковая подсистема: управление обеспечивается по пяти линиям между МК IC31 (выв. 33, 36, 37, 38, 39, 40) и голосовым синтезатором IC41 (выв. 9, 13, 12, 3, 11, 10 соответственно).
Система питания
Как уже отмечалось выше, ИП выполнен на основе микросхемы U10 типа VIPER12A, включенной по схеме обратноходового преобразователя. Он формирует постоянные напряжения 3,3, 5,5, 15 и 20 В. Напряжение 3,3 В формируется с помощью интегрального стабилизатора U7 типа TS1117CW-33. Цепь обратной связи из управляемого стабилизатора U9 (TL431AST) и оптрона U8 (TLP181) контролирует вторичное напряжение 5,5 В и формирует напряжение ошибки для стабилизации вторичных напряжений.
Из напряжения 5,5 В формируются напряжения Vref и Vdd (5 В) с помощью цепи D22 CP9 C39 C40 и диода D14 соответственно. Первичная и вторичная цепи ИП не имеют полной гальванической развязки (каскад на транзисторе Q5 питается непосредственно от сети через выпрямитель BG1, кроме того, к сети подключена цепь контроля уровня сетевого напряжения - см. выше).
Выходной каскад катушки индуктора на транзисторе Q5 питается от отдельного выпрямителя BG1. По каналу 5 В питаются МК IC31 (Vdd, Vref), сигнальный процессор U1 (он еще питается по каналу 3,3 В), звуковой синтезатор IC41,
компаратор U5B и другие элементы. Выходные каскады вентилятора и клапана выпуска пара, как и операционный усилитель U6B, питаются от канала 20 В, а драйвер U4 - от канала 15 В.
На голосовой плате опционально может быть установлена батарея (BATTERY) напряжением 3,6 В, она подключена к линии питания Vdd и необходима для работы часов и других целей.
Характерные неисправности мультиварок и способы их устранения
Приведенные выше описания мультиварок даны, в первую очередь, для того, чтобы можно было разобраться с составом и принципом работы подобных устройств, так как большинство других моделей ничем кардинально не отличаются от них, разве что оснащение и функционал у них могут быть другими. Несмотря на большое разнообразие моделей мультиварок, в ходе эксплуатации в них могут появляться схожие дефекты. Необходимо отметить, что большинство мультиварок имеет простую систему контроля, которая позволяет отображать только некоторые возникшие неполадки в работе в виде кодов ошибок. Ограниченные диагностические возможности системы контроля мультиварок связаны с тем, что их "глазами и ушами" являются, в основном, только датчики температуры. Аппаратный контроль состояния силовых цепей в большинстве случаев у этих устройств отсутствует. На самом деле проверка на компонентном уровне работоспособности элементов силовых цепей мультиварок для специалистов не представляет особых затруднений. Прежде чем производить поиск и локализацию неисправностей устройства, необходимо обратиться к инструкции по эксплуатации и выполнить рекомендованные в данном случае профилактические работы. Например, очень часто даже незначительные загрязнения на первый взгляд второстепенных элементов могут быть причиной сбоев в работе мультиварки.
Рассмотрим некоторые характерные неисправности мультиварок и способы их устранения.
Индикация на ПУ мультиварки есть, управление тоже работает. Нет нагрева одного из ТЭН
При данной неисправности необходимо определить, какой ТЭН не работает. В ходе проверки проверяют ТЭН и его исполнительный управляющий элемент (реле или симистор) - они выходят из строя чаще всего. Также в подобном случае (в зависимости от модели мультиварки) может произойти разрыв термопредохранителя, стоящего в цепи питания ТЭН. Часто причиной подобного дефекта может быть датчик температуры. Если по разным причинам (загрязнение, дефект датчика) он будет показывать температуру нагрева ниже, чем она есть на самом деле, ТЭН будет включаться на большее, чем положено, время, чтобы достичь нужной температуры, что приведет к его перегреву и быстрому выходу из строя.
Дефекты, связанные с неисправностью датчиков NTC и их цепей
Так как датчики эксплуатируются при повышенных температурах и влажности, они и их цепи подвержены большим рискам выхода из строя (вследствие коррозии и др.).
Большинство производителей учли это слабое место мультиварок и поэтому при проектировании систем диагностики большинства моделей всегда закладывают функцию автоматической проверки цепей датчиков температуры на обрыв и короткое замыкание с индикацией на дисплее соответствующих кодов ошибок (см. сервисную документацию на соответствующую модель). При возникновении ошибок, связанных с работоспособностью датчиков, проверяют соответствующие датчики и их цепи.
Исходя из статистики отказов, чаще всего выходит из строя датчик температуры, размещенный в крышке, так как он и его цепь наиболее подвержены коррозии.
Мультиварка не включается и не реагирует на органы управления, дисплей не работает
Возможными причинами подобного дефекта могут быть:
- неисправность ИП;
- разрыв термопредохранителя (в случае, если он стоит в общей цепи питания мультиварки);
- отказ системы управления (МК).
Каждая из перечисленных причин прямо указывает на способ устранения дефекта.
На примере мультиварок "Redmond RMC-M4502" и "POLARIS PMC0512AD" рассмотрим одну из характерных неисправностей ИП. Внешний вид силовой платы ИП указанных мультиварок показан на рис. 15. На ней, кроме ИП, размещены компоненты управления цепями ТЭН (симисторы, реле). Принципиальная электрическая схема этой платы показана на рис. 16. Источник выполнен на основе ключевого преобразователя THX203H производства КНР. Так как возникает потребность в ее приобретении или замене. Приведем аналоги данной микросхемы от различных производителей: PD223, YT2604, PJ2604, SW2604, TFC718, CR6203, RM6203, XY6112, YTM203, YW13E, SDC603, CD2203, XY6112. Структурная схема микросхемы THX203H и ее аналогов приведена на рис. 17.
Рис. 15. Внешний вид силовой платы мультиварок Redmond RMC-M4502 и POLARIS PMC0512AD
Рис. 16. Принципиальная электрическая схема силовой платы мультиварки
Redmond RMC-M4502
Рис. 17. Структурная схема микросхемы THX203H
Исходя из статистики отказов ИП, "пальму" первенства держат следующие дефекты:
- обрыв резистора R21;
- одновременный обрыв резисторов R21, R22, R51, пробой стабилитрона ZD2 и выход из строя микросхемы THX203H (вплоть до разрушения ее корпуса).
С целью удешевления конечной стоимости изделий многие производители вместо источника с импульсным управлением применяют ИП, в состав которых могут входить только выпрямители, гасящий балластный конденсатор и стабилизаторы выходных напряжений. На рис. 18 показан внешний вид одного из подобных ИП (конденсатор выделен).
Рис. 18. Внешний вид одной из разновидностей силовой платы от мультиварки, где в составе ИП применяется балластный конденсатор
Подобные ИП часто выходят из строя по причине потери емкости балластного конденсатора, а также из-за пробоя выходных стабилизаторов напряжения.
Источник: Ремонт и сервис