第四章 轻松学零部件
第一节 通用零部件
一、电阻器
电阻器（Resistance）简称为电阻，用符号“R”表示。在物理学中，用电阻来表示导体对电流阻碍作用的大小。它是利用金属或非金属材料制成的，是电气、电子设备中使用最广泛的基本元件之一。电阻在电磁炉电路中控制电压、电流及与其他元器件配合，组成耦合、滤波、反馈、补偿等各种不同功能的电路在电磁炉电路中常使用固定电阻器、压敏电阻器、热敏电阻器、电位器等。
1.固定电阻器
固定电阻器简称为电阻，是一种最基本的电子元件，且阻值不可调。其根据制造材料和结构的不同，可分为碳膜电阻（RT型）、金属膜电阻（RJ型）、有机实心电阻（RS型）、线绕电阻（RX型）等。图4-1所示为固定电阻器电路符号及外形，其在电路中的文字符号为“R”。
图4-1 固定电阻器电路符号及外形
2.压敏电阻器
压敏电阻器（VSR）全称为电压灵敏电阻器，是以氧化锌为主要材料而制成的金属-氧化物-半导体陶瓷元件，其电阻值随端电压而变化，且工作电压范围宽、对过电压脉冲响应快、耐冲击电流的能力强、漏电流小、电阻温度系数小，性优价廉，体积小，是一种理想的保护元件。主要用于开关电源、集成电路及电子线路的抑制浪涌电流、过电压保护等。
压敏电阻在电磁炉的交流进线电源中常被使用。图4-2所示为压敏电阻器电路符号及外形，其在电路中的文字符号为“RZ”或“R”。
3.热敏电阻器
热敏电阻器又称半导体热敏电阻器，是电阻值对温度极为敏感的一种电阻器，由单晶、多晶以及玻璃、塑料等半导体材料制成。热敏电阻器具有一系列特殊的电性能，最基本的特性是其阻值随温度的变化而变化，以及伏安曲线呈非线性，且寿命长，体积小，结构简单，可以制成各种不同的外形结构。热敏电阻器种类繁多，一般按阻值温度系数可分为负电阻温度系数和正电阻温度系数热敏电阻器。
图4-2 压敏电阻器电路符号及外形
电磁炉热敏电阻器安装在锅底励磁线圈中间，紧靠陶瓷板，并在两者接触处涂有导热硅脂，以提高其控制灵敏度。电磁炉所用热敏电阻器外形似二极管，图4-3所示为热敏电阻器电路符号及外形，其在电路中用文字符号“RT”或“R”表示。
图4-3 热敏电阻器电路符号及外形
4.电位器
电位器是一种可调的电子元件，由一个电阻体与一个转动或滑动系统组成，其作用是调节电压（含直流电压与信号电压）和电流。根据材料，可分为线绕电位器、炭膜电位器、实心式电位器；根据输出与输入电压比与旋转角度的关系，可分为直线式电位器（呈线性关系）、函数电位器（呈曲线关系）。电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，改变动触点与任意一个固定端之间的电阻值，从而改变电压与电流的大小。图4-4所示为电位器电路符号及外形，其在电路中的文字符号为“VR”或“R”。
二、电容器
电容器（Electric Capacity）简称电容用符号“C”表示。它是一种容纳电荷的元件，其最基本的功能就是充电和放电，由中间夹有绝缘材料的两个金属极构成。因绝缘材料的不同，所构成的电容器的种类有所不同，但基本结构均相同。在电磁炉电路中常使用固定电容器、高频谐振电容器（振荡电容）、电解电容器、滤波电容器、抗干扰电容器等。
图4-4 电位器电路符号及外形
1.固定电容器
固定电容器是一种非化学电容器，其两极板间用绝缘电介材料制成，电容量不可改变，主要用在不需要改变电容量的电路中。图4-5所示为固定电容器外形。
图4-5 固定电容器外形
2.高频谐振电容器
高频谐振电容器采用金属化膜复合结构，特殊喷金工艺，阻燃耐高温塑壳，阻燃环氧树脂灌封，镀银片或针引出。其特点是有极大的过电流能力，耐高压、高温；电性能稳定；高频特性好；损耗小、具有自愈性。该电容器用于电磁炉振荡电路中，图4-6所示为高频谐振电容器外形。
图4-6 高频谐振电容器外形
3.电解电容器
电解电容器的两极板材料是电解质电介材料，其电解液涂层有极性，分正负，不可接错。电解电容器的特点是单位体积的电容量非常大，比其他种类的电容大几十到数百倍，额定的容量较大，且能够大规模生产（由于电解电容的组成材料均是普通的工业材料，制造电解电容器的设备为普通的工业设备，成本相对较低），被广泛用于直流或脉动电路中。图4-7所示为电解电容器外形。
图4-7 电解电容器外形
4.滤波电容器
滤波电容器用在电源整流电路中，用来滤除交流成分，使输出的直流更平滑。滤波电容器的容量与电磁炉的功率有关，一般不小于4μF。电磁炉工作时电流大，且波动幅度高，故滤波电容器一般不采用普通电容，而选用无感、高频特性好、自愈能力强和稳定的电容器。图4-8所示为滤波电容器外形。
图4-8 滤波电容器外形
5.抗干扰电容器
抗干扰电容器具有较高的耐电压和抗外电干扰能力，该电容器跨接在市电输入线ACN\ACL之间，既防止电磁炉产生的高频干扰脉冲窜入市电网，干扰其他电器，又防止市电网中的干扰脉冲窜入电磁炉电路，影响电磁炉工作。图4-9所示为抗干扰电容器外形。
图4-9 抗干扰电容器外形
三、二极管
二极管（Diode）全称为晶体二极管，或称半导体二极管，是由半导体组成的器件，具有单向导电功能（就是在正向电压的作用下，导通电阻较小，但在反向电压作用下，导通电阻极大或无穷大）。用符号“VD”或一个三角形旁边划一竖线表示（三角形表示正极，竖线表示负极）。二极管是用P型半导体和N型半导体做成的，内部结构如图4-10所示。其中，带额外电子的半导体称为N型半导体（带有额外负电粒子，自由电子能从负电区域向正电区域流动），带额外“电子空穴”的半导体叫做P型半导体（带有正电粒子，电子能从一个电子空穴跳向另一个电子空穴，可从负电区域向正电区域流动）。
图4-10 二极管内部结构
二极管是半导体设备中的一种最常见的器件，在电磁炉中常使用开关二极管、稳压二极管、整流二极管、发光二极管、高速二极管等。
1.开关二极管
开关二极管是专门用来做开关用的二极管，二极管导通时相当于开关闭合，截止时相当于开关打开。其具有开关速度快、体积小、寿命长、可靠性高的特点，由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短，且在反向偏压下，则呈截止状态，其电阻很大，将在电路中起到控制电流接通或关断的作用。图4-11所示为开关二极管外形。
图4-11 开关二极管外形
2.稳压二极管
稳压二极管（又称齐纳二极管）是反向击穿特性曲线急骤变化的二极管，其工作时的端电压（又称齐纳电压）通常为3～150V，且按每隔10%，能划分成许多等级。可用来稳定直流工作电压及对信号进行限幅，通常用在稳压电源中作为基准电压或用在过电压保护电路中作为保护二极管。图4-12所示为稳压二极管电路符号及外形，其在电路中的文字符号为“VZ”。
图4-12 稳压二极管电路符号及外形
3.整流二极管
整流二极管是将交流电能转变为直流电能的二极管。通常包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子，且具有明显的单向导电性。图4-13所示为整流二极管电路符号及外形，其在电路中的文字符号为“VD”或“D”。
整流二极管有高频整流二极管、低频整流二极管、大功率整流二极管、小功率整流二极管，按制造材料还可分为锗整流二极管与硅整流二极管。其中，硅制造的整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。
图4-13 整流二极管电路符号及外形
4.发光二极管
发光二极管（LED）是将电能转化成光能的二极管。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成，由一个PN结组成，具有单向导电性，且工作电压较低、工作电流很小、抗冲击和抗振性能好，可靠性高，寿命长。在电磁炉中作为指示灯、组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。图4-14所示为发光二极管电路符号及外形。
5.高速二极管
高速二极管就是反向恢复时间trr比较小的二极管，其电流通过零点由正向转换到规定的值的时间间隔比较小，此类二极管在电磁炉中常用的有SF系列。
四、晶体管
晶体管（Triode）是一种具有三个控制电子运动功能电极的半导体器件，具有放大及开关等作用，用符号“Q”、“V”或“VT”表示。其内部含有两个PN结，发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电结。两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，内部结构如图4-15所示。排列方式有PNP型晶体管和NPN型晶体管，其中，PNP型晶体管发射区“发射”的是空穴，其移动方向与电流方向一致，箭头朝内；NPN型晶体管发射区“发射”的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，箭头朝外。
图4-14 发光二极管电路符号及外形
图4-15 晶体管的内部结构
晶体管是电路中应用最广泛的器件之一，在电磁炉中常使用开关晶体管、功率晶体管等。图4-16所示为晶体管外形。
图4-16 晶体管外形
1.开关晶体管
开关晶体管又称开关双极晶体管，在电路中对电流起开关作用。其电流放大系数较大，特征频率较高，主要用于开关和数字电路中。
2.功率晶体管
通常将集电极耗散功率超过1W的晶体管称为功率晶体管。功率晶体管必须能够承受高电压和流过大电流，因此在内部结构上，功率晶体管与普通晶体管有所区别。功率晶体管常采用复合管结构，并制成模块。这种复合式功率模块称为达林顿管。在电磁炉中常采用一些专用的晶体管（如G25N120AND、S8050等）。
五、IGBT
IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由BJT（双极型晶体管）和MOSFET（绝缘栅型场效应晶体管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。IGBT均可被看做是一个MOSFET输入跟随一个双极型晶体管放大的复合结构。电磁炉的IGBT是实现功率调节的关键器件，它承受着高电压、大电流和高频开关损耗所产生的热量。图4-17所示为IGBT外形。
IGBT有三个极（见图4-18），分别称为栅极G、集电极C、发射极E。IGBT包括单管和IGBT模块两种。模块是数个IGBT单管的集成，具有电流密度大、输入阻抗高、导通电阻低、击穿电压高、开关速度快等特点，因此IGBT是电磁炉的重要器件。
图4-17 IGBT外形
图4-18 IGBT外形及符号
图4-19所示是IGBT的结构，是在VDMOSFET（重直沟道MOSFET，又称功率MOS-FET）的基础上增加了一个P+层漏极，形成PN结，并由此引出发射极（E）、栅极（G）、集电极（C）。
从结构图可知，IGBT相当于一个N沟道MOSFET驱动的厚基区PNP型电力晶体管，其简化等效电路如图4-20所示，是以电力晶体管为主导器件，MOSFET为驱动器件的复合管，其中Rdr为GTR厚基区内的扩展电阻。除N-IGBT外，还有P沟道的P-IGBT，在实际应用中，N-IGBT使用范围较为广泛。
图4-19 IGBT结构
六、电感器
电感器又称电感线圈、阻流圈或扼流器。用绝缘导线绕制的各种线圈，能产生电感作用，是一种非线性元件。其产生感应电动势大小的能力，称电感量。电感器是组成电路的基本元件之一，在交流电路中作阻流、降压、交连耦合及负载用，电感器与其他元件（如电容）配合时，可以作调谐、滤波、选频、退耦等用。图4-21所示为电感器电路符号，在电路中的文字符号为“L”。
在电磁炉电路中常使用振荡电感器、扼流圈（如常用的ϕ27mm或ϕ12mm磁环和14.5H电感线圈，ϕ33mm或ϕ15mm（内）磁环和11.5H电感线圈，ϕ1.4mm、11T、22.4μH共模电感滤波器和ϕ2mm、22T、62μH的共模电感滤波器等）。图4-22所示为电感器外形。
图4-20 IGBT简化等效电路
图4-21 电感器电路符号
图4-22 电感器外形
其中，振荡电感器在使用过程中，长时间高温下连续工作，品质会因温度升高而降低；而扼流圈的作用是产生感应电动势，阻止电流突变，减少IGBT的损耗。
实践表明电磁炉工作时，扼流圈温度不应超过80℃（反之，会因温度升高，振荡圈内磁环老化加速），当温度高于120℃时将导致电感器永久降低或即时失效，此时IGBT会因扼流圈无扼流作用而迅速烧坏。
七、整流桥
整流桥是将几只整流二极管封装在一个壳内，能够将交流电变换为直流电的器件。它主要分为全桥组件与半桥组件两种，俗称桥堆。电磁炉中整流桥的规格通常为600V、20A。图4-23所示为整流桥外形。
图4-23 整流桥外形
其中，全桥组件由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成。图4-24所示为其内部电路和电路符号。
图4-24 全桥组件的内部电路和电路符号
半桥组件由两只整流二极管封装在一起构成，有三端与四端之分，三端半桥内部的两只整流二极管的负极与负极相连或正极与正极相连，而四端半桥内部的两只二极管各自独立。图4-25所示为半桥组件的内部电路。
八、三端集成稳压器
三端集成稳压器是指将串联型稳压电路中调整、放大、取样及比较电路集成化，在使用时只需将三根引脚接入相应的电路即可。三端集成稳压器共有三个端，其外形与大功率晶体管相同，在电磁炉中具有稳定电压的作用。由于在电磁炉的电源供电系统中，必须将交流电转换为比较平滑的直流电，但因电网供电电压的波动，经过整流和滤波电路处理后的直流电，仍产生一定的波动，从而影响电磁炉的工作，故需要通过稳压电路将整流、滤波电路输出的电压进一步稳定在一定范围内。在电磁炉中常使用的三端稳压器有7805、7809、7812等。图4-26所示为三端集成稳压器外形。
图4-25 半桥组件的内部电路
图4-26 三端集成稳压器外形
九、变压器
变压器是一种用于电能转换的电气设备，能够将一种电压、电流的交流电能转换成相同频率的另一种电压、电流的交流电能。用绝缘导线（例如漆包线、纱包线等）绕制而成，其使用范围广，原理简单，但根据不同的使用场合（不同的用途）变压器的绕制工艺会有不同的要求。变压器具有电压变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等功能，常用的铁心形状通常有E形和C形铁心，分为低频变压器与高频变压器两种。
在电磁炉中常采用降压电源变压器，属于低频变压器的一种，其发热原理是高频开关电源的工作原理。其作用是将220V或380V交流电转换为低电压的交流电，为后级电路提供低电压交流电源。通常有多组输出电压（两组或三组输出电源），除为电磁炉提供加热电源外，经处理后还为单片机提供+5V电源，为IGBT提供+18V电源，为风扇提供+12V电源。图4-27所示为电源变压器外形。
图4-27 电源变压器外形
十、单片机
单片机又称单片微控制器，其英文缩写为MCU，具有体积小、重量轻、价格便宜等优点，其主要用在各类电器中作为控制部分的核心部件。在电磁炉中常用的单片机主要有HT46R22、HT46C22、SPMC65P2404、SH69P42、GMS87C1202、S3F9454BZZ-DK94、S3F9488XZZ-QZ88等。图4-28所示为单片机（GMS87C1202）外形。
图4-28 单片机外形
单片机是电磁炉中最大的一块集成电路，是电磁炉的微处理器，用来控制电磁炉“加热系统”输出功率的大小，以及何时开始加热、何时停止加热等“动作”。同时，单片机还具备检测整个“加热系统”的工作状态的功能，有针对性地对电磁炉进行保护。电磁炉是利用单片机根据炊具表面温度的大小来控制“加热系统”，改变输出功率的大小和控制加热时间，来达到自动烹饪的目的。
十一、电流互感器
电磁炉所用的电流互感器串联在220V输入端电源上，主要起变流和电气隔离作用，它是将高电流按比例转换成低电流。电流互感器就是升压（降流）变压器，它有4个脚，其中粗一点的两个脚是一次侧、直通的，电阻为0；细一点的是二次侧，电阻一般为80Ω左右。图4-29所示为电流互感器外形。
图4-29 电流互感器外形
电流互感器的接线方式有完全星形接线式、两相两继电器不完全星形接线式、两相一继电器电流差接线式、三角形接线式等几种。
十二、石英晶体振荡器
石英晶体振荡器简称为晶振，是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。它具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，常用于家用电器和通信设备中。石英晶体振荡器根据引出电极情况，可分为双电极（二端）型、三电极（三端）型、四电极（四端）型，图4-30所示为石英晶体振荡器电路符号。
其产品通常用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。在电磁炉中，石英晶体振荡器主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作为谐振元件。由于石英晶体成本较高，且电磁炉电路要求不高，因此在电磁炉中通常采用陶瓷谐振元件。图4-31所示为石英晶体振荡器外形。
图4-30 石英晶体振荡器电路符号
图4-31 石英晶体振荡器外形