智能熱水器設計：您不應忘記使用的三項重要技術

本文為設計人員提供了三種關鍵技術的信息：保護、控制和檢測，用于開發對外部過載、瞬態和 ESD 具有魯棒性的電熱水器。代表這些技術的組件將有助于創建安全，高效，長壽命的熱水器，可以安全地控制水溫。通過使用推薦的組件，設計工程師將實現開發高質量、可靠、智能熱水器的目標。

包括物聯網 （IoT） 在內的新技術使每種產品（包括電器、照明和 HVAC 系統）都成為計算機控制的智能設備。從本質上講，任何執行一定程度控制的產品都可以成為智能設備。這個概念也適用于無處不在的熱水器。因此，電熱水器市場正以7.4%的復合年增長率以有吸引力的速度增長。政府正在通過激勵消費者將其燃氣熱水系統轉換為電力系統來實現凈零排放倡議來刺激增長。此外，一些地區的新建筑規范將不允許天然氣連接，進一步加速熱水器等全電動產品的增長。

為熱水器添加智能功能增加了敏感的電子電路。設計人員有責任通過保護電子設備免受電流過載、電壓瞬變、靜電放電 （ESD） 和過熱的影響來確保熱水器的可靠性。保護電子設備還可以確保接觸熱水器的個人免受熱和電危害。設計人員還需要確保使用長壽命組件。

智能電熱水器概述

像當今幾乎所有可用的電氣和電子產品一樣，電熱水器使用微控制器來處理編程信息并在所需溫度下供水。熱水器使用交流線路電源來控制加熱元件，并為微控制器和其他直流電路（如觸摸屏顯示器和無線接口）供電。溫度探頭提供輸入和輸出水溫，使微控制器能夠控制加熱元件。

本文介紹了如何保護電路模塊，并提供了應用控制和傳感的適當組件解決方案。

保護熱水器免受過載、瞬變和 ESD 的影響

交流輸入保護電路

交流輸入保護塊可保護熱水器電路免受交流線路上固有的電流過載和高壓瞬變的影響。使用保險絲防止電流過載，使用金屬氧化物壓敏電阻（MOV）吸收交流線路上感應的電壓瞬變。

考慮使用盒式保險絲，以便在電流過載導致保險絲跳閘時輕松更換。確保支持保險絲的保險絲座符合 UL/CSA/IEC 標準。

使用金屬氧化物壓敏電阻 （MOV） 吸收來自機械、電器甚至閃電的交流線路感應電壓瞬變。尋找具有以下功能的 MOV：

能夠吸收高達 10 kA 的瞬態電流

吸收至少 400 J 瞬態能量的能力

符合IEC 61051-1和61051-2，電子設備中使用的壓敏電阻。

交流/直流輔助電源

AC/DC 輔助電源為 MCU、觸摸屏顯示器和無線接口供電?？紤]敏感半導體的二次熔斷和瞬態保護。在此電路中使用快速熔斷直流保險絲。此外，考慮一個瞬態電壓抑制器（TVS）二極管，它可以吸收高達400 W的脈沖功率。TVS二極管可以在不到0.1 ps的時間內箝位瞬態，以避免損壞敏感的半導體。為了節省印刷電路板空間，請尋找表面貼裝TVS二極管。

觸摸屏顯示

用戶直接與顯示器接觸，設置熱水器的控制并獲取熱水器的狀態。因此，顯示器容易受到人體接觸的ESD。使用 TVS 二極管保護觸摸屏顯示電路。TVS 二極管型號符合 IEC 61000-4-2 靜電放電抗擾度測試，并為空中撞擊或直接接觸提供高達 30 kV 的 ESD 保護。

無線接口

無線接口從 PC、PLC、平板電腦和智能手機傳輸數據并接收控制信息。保護數據線免受ESD的影響可避免數據傳輸和接收損壞?？紤]圖3所示的雙向TVS二極管陣列。該 TVS 二極管的版本可以安全地吸收 ±12 kV 的接觸式 ESD 放電和 40 A 的快速瞬變。這些二極管通過向電路增加小于0.1 pf的電容來最小化信號失真。

或者，考慮使用聚合物ESD來保護數據線。這些元件具有低電容，通常低于0.25 pF。漏電流低于 10 nA，以最大限度地降低無線接口電路中的功耗

最大限度地提高熱水器的效率和使用壽命

電熱水器通常使用TRIAC來控制加熱元件。TRIAC只需要一個低功耗驅動電路進行控制，它消除了在切換加熱器電源時的觸點反彈，并且沒有可聞的噪音。TRIAC具有高可靠性，其版本提供高達250 A的浪涌容量和高達100 V的電壓容量。TRIAC提供的固態開關可提供可靠的長壽命操作。

無罐熱水器通常有一個加熱元件，但較大的系統可以有兩個加熱元件。一個元件位于水箱頂部，第二個加熱元件位于水箱底部。對于快速加熱，無罐系統通常使用 40 A 或 90 A TRIAC 組件，其組件比具有類似接觸電流額定值的機電繼電器小得多。儲罐系統通常使用較低功率的 16 A 或 25 A TRIAC。

控制水溫，防止熱水器過熱

使用熱敏電阻溫度探頭監測進水口和出水口的水溫。熱敏電阻提供比其他溫度傳感器類型更精確的溫度監控。熱敏電阻探頭的快速熱響應有助于提高熱水器的效率。此外，利用熱敏電阻的小尺寸。

包括用于電路保護、高效控制和傳感的組件的好處

保護熱水器并提高其可靠性不需要很多組件。通過將電路保護、高效控制和傳感這三種技術納入項目計劃，節省開發和一致性測試時間。不強調設計的這些方面可能會導致重新設計、引入延遲和成本超支。

幸運的是，組件制造商的應用工程師可以通過以下方式幫助節省開發時間：

經濟高效的組件選擇

適用標準指南

預一致性測試，以幫助在熱水器提交給標準機構進行合規性測試之前發現問題。

使用推薦的組件進行保護、控制和傳感將確保高可靠性熱水器具有低保修期內維修成本和高客戶滿意度。

審核編輯：郭婷