Sigma 1-13型离心机结构原理与维修
郭 剑，冯雁峰，高艳艳，程 环
（军事医学科学院实验仪器厂，北京 100850）
[摘要] 介绍了sigma 1-13型离心机的电路结构和控制原理；列举了三起故障排除实例；阐述了故障查找的思路；并就如何防范故障提出了建议。
[关键词] 离心机；结构；原理；故障；维修；防范
Principle and Maintenance of Sigma 1-13 Centrifuge
GUO Jian, FENG Yan-feng, GAO Yan-yan，Cheng Huan
(Experimental Instrument Plant, Academy of Military Medical Sciences, Beijing 100850, China)
Abstract The circuit structure and control principle of the sigma 1-13 centrifuge are introduced. Three troubleshooting examples are listed. The troubleshooting methods are described and suggestions on the failure prevention are put forward.
Key Words centrifuge；structure；principle；failure；maintenance；prevention
在医学研究中，离心机是常用的实验设备，sigma1-13型离心机采用无刷变频电机，具有噪音小、升降速度快、结构紧凑、操作简单等优点，是德国sigma品牌中体积最小的一款微型离心机，深受广大科研人员喜爱。目前该款离心机已经停产，市场代替品是sigma1-14型。但该款离心机在我院实验室中仍有相当数量。笔者在维修该款离心机的实践中，对其结构原理、故障排除有了一定积累，在此与同行分享。
1 结构原理
如图1所示，该款离心机工作原理如下：关闭盖门以后，两个微动开关闭合，220V交流电压经过整流滤波以后形成310V直流电压U+。同时CPU控制模块通电工作，“Open”（开盖）按钮旁边的“Cover”指示灯亮。按下“Start/Stop”按钮启动，“Cover”指示灯熄灭，“Start/Stop”旁的“Run”指示灯处于闪烁状态，离心机电机在CPU模块的控制下通过变频模块的驱动开始转动，同时测速传感器反馈转速信号，CPU模块通过比较设定转速和测量转速，输出合适的控制信号，使电机转速稳定在所设转速。
当离心时间到，或按下“Start/Stop”按钮后，电机开始减速，如果减速过程中电机反馈的能量使直流电压U+超过一定数值，则制动电路的比较器输出控制信号使场效应管导通，过高的直流电压在制动电阻上得以释放，从而保护变频电路[1]。当电机完全停止后，“Run”指示灯灭，“Cover”指示灯亮，此时按下“Open”按钮，开盖电磁阀动作，盖门打开，同时两个微动开关打开，整机电源关闭。
电机运行中如果电流过大，电流取样电阻上的电压就会升高，升高到一定值后，过流保护电路起作用，将信号反馈回CPU模块，CPU模块停止向变频电路输出控制信号，从而有效保护电路。
2 故障实例一
2.1 故障现象
开机后，关闭盖门，“Cover”指示灯亮，按下“Open”按钮，指示灯熄灭一下，又亮，开盖电磁阀没有动作。但电机能正常启停。
图1 sigma1-13型离心机控制原理示意图
2.2 故障解决
检查电路，是控制电磁阀的场效应管IRF830损坏，原因极有可能是异常电流冲击所致。如图2所示，更换新的场效应管IRF830后，故障解决。
图2 开盖电磁阀控制电路原理图
3 故障实例二
3.1 故障现象
开盖功能正常，按下“Start/Stop”按钮后，电机转速很慢，不能按照设置转速正常运
转。
3.2 故障查找
此类故障多属于测速电路故障[2]。
如图3所示，测速传感器UGN3177是锁存型霍尔集成电路，当电机转动时，磁环的“N”“S”极交替接近霍尔传感器，“OUTPUT”端输出脉冲信号，其频率与电机转速成正比[3]。由于该传感器位于电机正下方，当离心腔内有液体漏入离心机内部时，很容易腐蚀该传感器及其引线。从而导致CPU模块无法测量电机转速，电机无法正常运转。
更换新的UGN3177，故障解决。
3.3 故障防范
离心机使用完毕后，要取出转头，将腔体内杂物、积液等清理干净，否则日积月累，这些杂物掉落电机下部，极易腐蚀电机和测速传感器[4]。笔者维修时将测速传感器和接线端用硅胶涂抹封闭，有效防止漏液腐蚀。
图3 测速传感器及其引线示意图
4 故障实例三
4.1故障现象
开机，内部有打火声音，发出烧焦糊味。
4.2 故障查找
打开机箱，发现有颗固定门锁的螺钉掉在了电路板上变频电路的场效应管之间，导致6个场效应管IRF830中的两个损坏。
更换同型号的场效应管，测量电路板，没有发现明显损坏元器件。
重新开机，关闭盖门，“Cover”指示灯亮，按下“Open”按钮，指示灯熄灭一下，又亮，但开盖电磁阀没有动作。按下“Start/Stop”按钮，电机也不能启动。
4.3 故障分析
首先查找开盖电磁阀无法动作的原因，参考图2所示，测量两个光电耦合器SFH6106-3
和场效应管IRF830均正常。接通电源，在线测量发现+15V电源的测试点电压为0。查看电路板，产生+15V电源的电路如图4、图5所示。测量+15V和信号地间的电阻，发现为短路。
此+15V电源主要为制动电路的比较器LM393、变频电路的驱动部分供电。极有可能是变频电路损坏时，附带导致稳压芯片TL431C或LM393击穿短路。
图4 +15V电源电路原理图
采用逐个排除的故障查找思路，先焊下TL431C，测量+15V和信号地间的电阻仍为短路，再焊下LM393,测量电路板上短路状态消失。测量LM393的4、8脚间的电阻为短路，说明该芯片已被击穿。重新焊上TL431C，再次开机，测量+15V电源输出正常，按下“Open”按钮，电磁阀动作，盖门打开，“Cover”指示灯灭。这样就证明原来的TL431C没有损坏。
换上新的LM393，重新关闭盖门，按下“Start/Stop”按钮，“Cover”指示灯灭，“Run”指示灯不亮，电机无法启动，几秒种后，“Cover”指示灯亮。分析，CPU模块很可能接收到某种信息，处于保护状态。
查看电路，CPU模块与变频电路之间通过7个光电耦合器SFH6345传递信号，其中6个SFH6345用于驱动变频电路，1个用于传递过压、过流保护信号。
图5过压和过流保护电路原理图
如图5所示，过压保护电路工作原理是：当直流电压U+超过一定值后，比较器LM393的7脚输出高电平，场效应管IRF830导通，过高电压通过制动电阻得以释放。此时1脚输出仍为低电平，光电耦合器SFH6345导通，CPU 模块无须过压保护。如果制动电路失效，电压U+再度上升，导致LM393的1脚输出为高电平，则SFH6345截止，CPU 模块得到信号，中断向变频电路输出信号，从而保护变频电路。
过流保护电路工作原理是：当流过电机的电流超过一定限值时，电流取样电阻R68两端的电压升高导致三极管V23导通，从而使SFH6345截止，CPU模块启动过流保护。
4.4 故障解决
待机状态下，在线测量LM393的1脚电压为0，光电耦合器应该导通，但测量SFH6345的5、6脚电压为5V，说明此光电耦合器可能损坏。更换新的SFH6345后，试机，电机正常启动，各项功能正常。
4.5 故障防范
此起故障只因一颗小螺丝钉的掉落引起了一连串的元器件损坏。因此仪器生产厂家在设计产品时，应该尽可能避免在电路板上方设计经常活动的部件，否则很容易造成紧固件松动后掉落在电路板上。由于空间所限无法避开时，可以考虑安装挡板等隔离措施。
5 总结体会
（1） 目前，医学研究实验仪器用户使用说明书里都没有电路原理图，甚至结构原理框图也没有。厂家维修一般都采用直接更换电路板的方式，收费昂贵。特别是一些进口仪器停产后，维修配件供应中断，出故障以后，只能报废，浪费了有限的科研经费。笔者在历次维修中，注意不断积累电路原理图等资料，逐渐摸清了仪器的电路工作原理，采用“元件级维修”方式，让实验仪器“起死回生”，有效保障了科研工作的顺利进行。
（2） 当仪器电路板上有很多器件连带损坏时，要首先搞清楚电路板各功能模块的工作原理和控制流程，采用“先易后难”、“顺藤摸瓜”的原则，一步一步排除故障。最后将故障实例三的排除思路总结为以下图6，以供参考。
[参考文献]
[1] 张燕宾.小孙学变频[M].北京：中国电力出版社，2010：105-119.
[2] 赵晓光.eppendorf 5415C离心机常见故障检修及器件替代[J].医疗卫生装备,1997,6:39-40.
[3] 谭建成.电机控制专用集成电路[M].北京：机械工业出版社,1997:355-357.
[4] 陈宏军,张华.医疗设备的维修与保养工作[J].医疗卫生装备,2011,32(8):96-98.
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