運算放大器也稱為運放，在格力變頻空調(diào)中主要起到對微弱信號的放大作用，用于更好地實現(xiàn)控制與保護。本文以格力變頻空調(diào)為載體，介紹運算放大器的典型應(yīng)用，以便輻射其他變頻空調(diào)品牌的電路設(shè)計變頻板 檢修等。

0、前言
變頻空調(diào)的普及率越來越高，尤其是目前生產(chǎn)的家用系列空調(diào)基本上采用變頻控制方式，隨著安裝、使用環(huán)境、器件質(zhì)量等諸多因素的影響下，變頻空調(diào)故障率也相對較高，尤其是外機的變頻板。
外機變頻板驅(qū)動負(fù)載較多，如，直流變頻壓縮機、外風(fēng)機、電子膨脹閥等，為了實現(xiàn)良好的控制與保護，在電路當(dāng)中設(shè)置了由運算放大器等組成的控制電路，通過功能電路的設(shè)計，可以實現(xiàn)對壓縮機相電流檢測、轉(zhuǎn)子位置信息檢測等，由于運算放大器組成的電路相對較復(fù)雜，很多空調(diào)維修從業(yè)者對該電路理解還是有一定困難，筆者通過對格力掛式變頻空調(diào)關(guān)于運算放大器典型應(yīng)用電路進行總結(jié)，以求讀者能快速入門和提高查排變頻空調(diào)電路故障的能力。
1、運算放大器的識別

運算放大器封裝形式有雙列直插(DIP)封裝、單列直插(SIP)封裝、貼片(DMP、SOP、SSOP、MSOP)封裝，如圖1所示;在格力變頻空調(diào)中常用的有雙運算放大器和四運算放大器，雙運算放大器指內(nèi)部含有兩個運算放大器，如圖2所示;四運放其內(nèi)部有四個運算放大器，如圖3所示。運算放大器工作需要有電源，在變頻空調(diào)中為了優(yōu)化板子設(shè)計以及降***造成本，一般采用單電源供電，常見有+3.3V、+5V、+15V;運算放大器有同相輸入端(+)、反相輸入端( - )和輸出端( out)。

運算放大器的內(nèi)部電路基本框圖如圖4所示。運算放大器屬于低功耗器件，由于內(nèi)部采用差分輸入、放大，具有輸入阻抗高，工作電流小等特點，所以有輸入“虛短”和輸出'虛斷'的特性，也就是兩輸入端基本處于等電位的輸入“虛短”狀態(tài)，以及運放輸入阻抗高，基本不吃電流，所以輸入與輸出端等同于“虛斷”特性。

2、運算放大器在變頻空調(diào)中的常見形式
運算放大器在變頻空調(diào)電路中常見有三種應(yīng)用形式，分別為同相放大器、反相放大器、差分放大器。在格力變頻空調(diào)中常用的運算放大器型號有UPC844G、OPA4374、LM2904、TS2274。
例如，OPA4374是內(nèi)含四個運算放大器，其工作電壓單電源為2.3V~5.5V ，帶寬達到6.5MHz，具有低功耗，性價比高的特點;LM2904內(nèi)含兩個運算放大器，其工作電壓單電源為3V~36V，帶寬1.2MHz;TS2274也是內(nèi)含兩個運算放大器，其工作電壓單電源為2.7V~5.5V，帶寬6.5MHz，主要應(yīng)用在2020年后格力新款變頻空調(diào)中。
2.1同相放大器

由同相端輸入信號，反相端接反饋網(wǎng)絡(luò)，信號被放大后從輸出端輸出。如圖5所示，當(dāng)R2=R1//RF時，其輸出端電壓公式如下:

以LM2904運算放大器為例，選擇+15V單電源供電，當(dāng)R2=1.8k，R1=2k，RF=20k，且同相輸入端電壓Ui為0.5V時，通過計算放大后輸出電壓如下(通過仿真計算輸出也是5.5V，如圖6所示):

從仿真數(shù)據(jù)可以看出，同相輸入端為0.5V，反相端也為0.5V，而輸出端是5.5V，說明該運算放大器處于放大狀態(tài)時，同相與反相輸入端基本同電位，工程中稱為“虛短"狀態(tài)。
如果改變RF或R1阻值就會改變該運放的放大倍數(shù)，例如，把RF改為10k，則U。值如下:

如圖7所示，通過仿真也是輸出3.0V電壓。

2.2反相放大器
由反相端輸入信號，同相端經(jīng)電阻接地，反相端接反饋網(wǎng)絡(luò)，信號被放大后從輸出端輸出。如圖8所示，當(dāng)R2=R1//RF時，其輸出端電壓如下:

以LM2904運放為例，單電源+15V供電，各電阻阻值如圖9所示，當(dāng)反相輸入端輸入-0.5V電壓時，其輸出電壓如下:

通過仿真計算也是輸出5.0V。如果改變RF或R1阻值就會改變放大倍數(shù)與輸出結(jié)果，與同相放大器方法雷同，此處不再舉例推演。
2.3差分放大器
由同相和反相端輸入信號，反相端接反饋網(wǎng)絡(luò)，信號被差分放大后從輸出端輸出。如圖10所示，當(dāng)R1=R2，RF=R3時，其輸出端電壓如下:

同樣以LM2904運放為例，單電源+15V供電，各電阻阻值如圖11所示，當(dāng)在同相端輸入1.0V，反向端輸入0.5V時，輸出端電壓如下:

通過仿真計算也是輸出5.0V。如果改變RF或R1阻值就會改變放大倍數(shù)與輸出結(jié)果，此處也不再舉例，讀者自行分析、計算。
3、運算放大器在格力變頻空調(diào)中的典型應(yīng)用
在格力變頻空調(diào)中，運算放大器主要是對一些微弱信號進行放大處理，這樣易被CPU識別，以實現(xiàn)良好的控制與提高其穩(wěn)定性。為了便于分析，筆者對格力變頻空調(diào)冷靜王II(2代)機子的相電流、壓縮機轉(zhuǎn)子位置信息電路進行繪制，方便讀者學(xué)習(xí)。圖12是基于外機板上電待機時的數(shù)據(jù)(與基于相電流輸出5A時的數(shù)據(jù)略有不同，如圖12標(biāo)注)。

3.1運算放大器在格力變頻空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)子位置檢測電路中的應(yīng)用
(1)電壓跟隨器在格力變頻空調(diào)冷靜王I(2代)中的應(yīng)用
在電路中，通過三顆0.015Ω無感水泥電阻(如圖6所示)，采集的壓縮機相電流得到的電壓比較低，為了提高其穩(wěn)定性，往往采用運算放大器做成1:1(電壓跟隨)放大器的方式，如圖13所示。+3.3V通過R601與R602分壓得到1.65V，送到OPA4374運放的同相輸入端( 10腳)，由于運放的反相輸入端(9腳)與輸出端(8腳)連接在一起，因此構(gòu)成電壓跟隨器，所以輸出也是1.65V， 通過這種形式有效提高了輸出帶載能力。

(2)運算放大器在格力變頻空調(diào)冷靜王I(2代)壓縮機轉(zhuǎn)子位置檢測電路中的應(yīng)用
外機板上電處于待機狀態(tài)時，A點接IPM模塊的無感水泥電阻上端，如圖14、 圖15所示，用于采集相電流波形，獲取壓縮機轉(zhuǎn)子位置信息等，此處僅列舉其中一路進行分析，由于上電后處于待機狀態(tài)時沒有壓縮機驅(qū)動電流，等同于A點接地，為了方便仿真A點直接接地處理。

電壓跟隨器輸出的1.65V通過電阻R609接到運放OPA4374的同相輸入端(12腳)，該腳的電壓被電阻R609與R604通過對1.65V分壓，12腳電壓為:

輸出端經(jīng)反饋電阻R614接到反相輸入端，通過上面學(xué)習(xí)得知該運放處于同相放大狀態(tài)，因此，14腳輸出電壓為此電壓計算數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)一樣(如圖14所示):

在實際檢修中，外機板上電處于待機狀態(tài)時，測量OPA4374運放的14腳如果為1.65V，說明位置檢測電路沒問題，同理，另外兩路輸出端1、7腳也應(yīng)該是1.65V，否則要重點檢查該電路。
如果機子處于正常運行時，如其運行時IPM 模塊驅(qū)動的相電流為5A時，以A相為例，這樣在IPM模塊A相的無感水泥電阻R302上產(chǎn)生的壓降為5AX0.015Ω=0.075V，如圖16所示，由于0.075V太小，其相電流波形很難被CPU的12腳捕捉，造成無法判斷轉(zhuǎn)子位置信息，此時就會報H5或啟動異常故障，因此需通過運放OPA4374放大5.5倍后從14腳輸出1.99V電壓，這樣CPU的12腳就容易識別，提高了控制的可靠性。

3.2運算放大器在格力變頻空調(diào)整機過流保護電路中的應(yīng)用
當(dāng)外機板上電處于“待機”狀態(tài)時，流過直流母線的電流很小幾乎不計(如圖17、 圖18所示)，此時“D"點等同于接地， LM2904運放同相輸入端電壓來自3.3V，通過電阻R525.R217分壓得到，經(jīng)同相放大7倍后輸出3.3V電壓送到外機CPU的30腳，以判斷是否過流;流過母線電流越大，運放7腳輸出電壓越低，一旦檢測到流過母線電流大于20A時，即D點電壓為-0.3V時(如圖19所示，LM2904運放7腳輸出低至約1.5V，CPU識別并控制進入過流保護狀態(tài)，報E5故障碼。

4、檢修案例
例1:一臺格力掛式變頻空調(diào)U雅II上電開機，壓縮機短暫運轉(zhuǎn)振動很大，報H5故障碼。

分析檢修:該外機板是二修板，前維修師傅已更換了模塊和三路自舉電容，故障依舊，轉(zhuǎn)至我處時為了安全起見對開關(guān)電源、IPM模塊、直流外風(fēng)機驅(qū)動模塊全部測量檢查無問題后，接檢測儀上電開機，開始壓縮機能運轉(zhuǎn)但振動很大，一會后停轉(zhuǎn)并報H5故障(如圖20所示)，其余一切正常。

上電后在待機下測量開關(guān)電源、三路自舉、模塊電壓正常，測量模塊的CIN(15腳)為低電平，F(xiàn)O為高電平也正常。測量運放U601 (OPA4374)的1、7、14腳電壓時，1、7腳電壓為1.65V正常(參考圖14)，而14腳電壓為0.5V，開始以為該運放外圍的電阻變質(zhì)導(dǎo)致異常，脫焊電阻一端，查遍外圍電阻沒有發(fā)現(xiàn)問題，當(dāng)測量U601的14腳對地電阻時，發(fā)現(xiàn)阻值僅有302左右，明顯有短路現(xiàn)象。更換U601后故障排除，上電后再測1、7、14腳電壓均為1.65V。從本例可見由于OPA4374內(nèi)部為四個運放，其中之一異常都會導(dǎo)致故障，因此，在檢修中要注意排查，事倍功半。
例2: 一臺格力掛式變頻空調(diào)冷靜王II上電開機，壓縮機不運轉(zhuǎn)，報H5故障碼。分析檢修:外機板已拆，接上檢測儀開機，直流外風(fēng)機運轉(zhuǎn)，壓縮機無反應(yīng)，一會后報H5，如圖20所示。測量開關(guān)電源各路輸出電壓正常，測量IPM模塊供電三路自舉電壓、CIN、FO電壓都正常，測量U601的1、7、14腳電壓為1.65V正常，斷電、放電后測量模塊6路PWM控制輸入以及U、V、W輸出對地電阻也正常，維修陷入困境。
突然想到如果CPU采集不到壓縮機轉(zhuǎn)子位置信息就無法準(zhǔn)確輸出6路驅(qū)動PWM，這樣壓縮機也不運轉(zhuǎn)，對U601的1、7、14至CPU的14、13、12腳的元件、線路檢查，見圖12，發(fā)現(xiàn)R619阻值為3.5MΩ，大于正常的2.2kΩ，由于該電阻問題使三路位置信息有一路沒檢測到，所以CPU未能發(fā)出6路驅(qū)動脈沖，壓縮機不工作，并報H5故障碼，將R619更換為2.2k電阻后，故障排除。
5、結(jié)論
運算放大器在變頻空調(diào)中應(yīng)用時，首先，要區(qū)分是同相放大、反相放大還是差分放大，知曉其內(nèi)部基本框架與計算公式，這樣就算遇到不同品牌的變頻空調(diào)板，涉及到運算放大器部分的電路檢修，都能夠進行技術(shù)遷移，實現(xiàn)速查快修;其次，要關(guān)注運算放大器本身以及周邊器件，尤其受使用環(huán)境、溫濕度以及年限的影響，貼片電阻阻值異常(阻值變大居多)導(dǎo)致故障是目前常見問題;最后，善于使用萬用表等開展電壓、電阻量測，通過關(guān)鍵數(shù)據(jù)快速查排。