按照国家标准，电热水器可分为贮水式电热水器和即热式电热水器。即热式电热水器因为消耗功率较大而多用于公共场所。贮水式电热水器又分为封闭式、水槽供水式、出口敞开式和开口式等。家用电热水器一般为贮水式电热水器中的封闭式和出口敞开式两种，且以前者为主。

一、电热水器方案技术介绍

1.1 内胆技术

电热水器制造的核心技术是内胆技术，又细分为内胆材料及防腐技术和内胆加工工艺。当前，国内市场上的电热水器按内胆技术的不同分为两大阵营，以海尔为代表的不锈钢内胆和以阿里斯顿为代表的搪瓷内胆。不锈钢内胆的优点是材质比较好且重量较轻，缺点是耐压性低，不耐撞击、特别是焊缝处易渗漏。但不锈钢内胆的生产工艺简单且设备投入少，因此为大多数国内厂家所采用。而阿里斯顿等一些国外品牌的厂家，采用了进口加厚特种钢板制造的搪瓷内胆，防腐，且承受内部压力可达十多公斤，使用寿命长且极为安全，但生产搪瓷内胆设备投资巨大、工艺复杂、技术含量高。随着市场竞争的加剧，搪瓷内胆技术必将成为电热水器的主导技术。

1.2 安全性能、保温性能和热效率

与安全性能相对应的主要技术是水电分离技术。这主要集中体现为加热管的制造技术。目前，国内市场的电热水器一般采用金钩加热管。现有加热管主材料一般采用紫铜管和特种不锈钢管，以后者为主。隔离手段一般采用氧化镁粉末作为水电隔离体。作为水电隔离技术的辅助和一种市场手段，有些厂家在电热水器上装了漏电保护装置和出水断电装置。

与安全性能相关的另一技术即温控器制造技术，好的温控器可以防止水温过高，避免烫伤事故。电热水器采用的温控器可分为两大类：机械温控和电子温控，并且以机械温控为主导。目前国内电热水器均采用进口温控器。

与保温性能相对应的是电热水器的保温材料选择及加工工艺。材料的选择在一定程度上是由制造技术决定的，主要有三类：聚胺酯泡沫、聚丙烯泡沫和玻璃纤维棉。其中聚氨酯泡沫的密度，保温性能。

电热水器的热效率是一项综合性的指标。热效率与加热器质量和保温层质量有着密切的联系。保温材料越致密越厚则保温性能越好、保温性能越好则热效率越高。同时加热管效率越高则整机热效率也相应越高。

二、电热水器的选购建议

2.1 即热式和贮水式的选择

家用电热水器分即热式和贮水式两种。比起燃气热水器来，电热水器具有安全、卫生、方便等优点，随时可提供热水，且水温易调节。即热式热水器体积小，不须预热，但功率大，通常在4-6kw以上，工作电流高达20A。受国内住宅配线的限制，难以广泛使用。再者，即热式电热水器是在水的流动过程中加热，又称过流式热水器，所以使用中易受水压的影响，水温产生变化。而贮水式热水器是以容积贮水方式加热，能自动保温恒温，停电时同样可以提供热水，并且可以作为家庭热水供应中心，供家庭多处使用温热水，但体积较大，需要预热。

2.2 封闭式和敞开式的选择

贮水式电热水器分为封闭式和敞开式两种。敞开式电热水器的内丹无耐压要求，不保温，结构也相对简单，不能同时供应多处用水；封闭式电热水器内胆可耐压，结构设计也相对安全合理，具有恒温保温功能，能同时供应多处用水。目前大部分的用户都是选用封闭式。

2.3 内胆的选择

贮水式电热水器的内胆是用来储水的，它必须具备保温、耐压、不生锈、无水垢、不渗水的特性，否则，一旦损坏难以修复，所以电热水器的寿命取决于内胆的材质和制作工艺，而用户在购买电热水器时，选择好的内胆则是关键。目前市场上的电热水器的内胆主要有以下几种：镀锌板内胆：这种锌保护层的内胆较薄，易于成形，便于加工，但长时间使用易生锈，影响使用寿命，所以一般不选用。不锈钢内胆：不锈钢在材质上要比镀锌板好，不易生锈；不少热水器内胆采用这种材料，但不足之处是不锈钢内胆焊缝缺陷难以发现，易造成隐患，长期使用后，不锈钢中的铬会被自来水中的氯离子腐蚀而产生焊缝漏水。热镀锌覆涂防锈树脂内胆：在内胆加工时，通过热镀锌工艺形成的锌合金保护层，厚度在0.7毫米以上，可防锈触、防电解，但内胆的质量和寿命取决于锌合金和防锈树脂的工艺和质量。搪瓷内胆：这种内胆的表面瓷釉为非金属材料，既不生锈，也无水垢；内胆本身用厚钢板制作，抗压力强，并有一定的抗冲击性，防腐性能良好。所以，搪瓷内胆的可靠性相对更好些。

2.4 外体形状的选择

早期电热水器内胆的形状五花八门，但从几何学的角度来开，圆罐形的设计受力最均匀且最能承受高压。经过20多年的发展，市场上的一些品牌的热水器内胆都是圆罐形设计的。

2.5 容量和功率的选择

一般3口之家选用30-40升较合适，4-5人宜选用60-80升；贮水式电热水器的加热功率一般为1-1.5KW，这样，要求家中的电表（电负荷容量）大于10A。现在有些电热水器已设计成双功率加热，为用户使用提供了选择，同时，也为大容量热水器因长期保温需要提供了方便。

三、即热式热水器结构组成

热水器的结构，主要包括加热筒、电路板、机壳及附属配件三部分。

3.1 加热筒

加热筒是热水器的核心部件，是热交换的场所。筒内安装多组加热管，筒顶引出电极。进水通道上设有水流传感器(档位机是水流开关)，进水和出水通道上均安装有温度传感器。加热筒直径5cm、长24．5cm，再挤下4根U型加热管，实际容积不到300ml，因此水流可以迅速升温，实现“即热即用”。

筒身上安装温控开关，作用是超温断电，动作温度98℃。为确保温控开关底部与加热筒有效接触，接触面处涂有导热膏(硅脂)，以减小热阻。温控开关内部有一块硬币大小的圆形双金属凹凸片，凹凸间距约为1 mm，凸面紧贴着开关的金属底面，超温时该双金属片凹凸翻转，中心点上可产生2mm的行程，推动传递杆将开关的导电梁从触点上顶开，从而切断电路。动作后需要手动复位。

超温可以发生在筒内满水、缺水甚至无水三种状态下，热量通过水、水蒸气或筒体顶部传递到筒身，筒身上部温度升高，因此温控开关也安装在偏上部。据此分析，这类热水器应竖直安装。

3.2 控制电路板

电路板有两块，一块为主电路板，直接固定在机壳上，另一块是显示及操作电路板，固定在前面板上，二者之间用一根多股排线连接。经查阅资料、对比实物，忽略一些电路细节，可以整理得到电路的逻辑框图如下。

首先分析加热管电路，加热管的通断使用了继电器，实现强电弱电隔离。第二路中可控硅器件也直接串联在加热管电路中，因此通过一个光耦器件来实现电气隔离。光耦通过“电-光-电”的二次转换，将单片机的控制信号送往可控硅。其次是单片机控制电路。厂方为了保密，单片机的型号标识已被擦除，但并不影响对电路的分析。单片机的输入信号包括进水流量、进水温度、出水温度，由相应的传感器电路负责提供。单片机的输出控制信号包括两路继电器、一路可控硅。单片机另用多个I/O连接显示屏、蜂鸣器、E2 PROM存储器、操作按键等电路。此外，还有电源电路、漏电保护电路、过零检测等电路。

四、热水器的加热管电路分析

4.1 档位机加热电路控制方式

档位机设四根加热管，功率为两根1．7kW，两根2．3kW，利用四个继电器分别控制，可以组合出1．7－8kW共8种功率组合，对应8个档位，以适合不同的温度需要。

4.2 恒温机加热电路控制方式

恒温机也有四根加热管，每根2kW，分2组接线，每组4kW，组用继电器控制负责“粗调”，第二组用继电器加双向可控硅串联控制负责功率“细调”。可控硅是一种大功率半导体器件，改变导通角就能控制电流，实现0－4kW之间的任意功率分配。两组结合起来就能实现0－8kW的任意功率值输出。

4.3 可控硅控制原理

理解可控硅控制的工作原理，可以看懂电路更多设计细节。双向可控硅是一种多层半导体器件，相当于一个特殊的开关，其特点为“触发导通、通后保持、断电才关”，T1、T2电极串联在加热管电路中，触发信号由单片机输出，通过光耦隔离后加载到门极G。

可控硅触发导通后，即使移除触发信号，器件也能保持导通状态，直到断电后才截止，等待下次触发。断电利用了交流电源50Hz正弦波的“过零”，在半个周期(角度π、时长10ms)中，设t1和t3是头尾两个“过零”时刻，t2为某个加载驱动信号的时刻，那么从t2到t3之间的角度就是导通角，只要改变导通角的大小(0-π)，就能控制导通电流，从而实现0－99%间的任意功率分配。单片机在t1时刻采样到过零信号，启动计时，延时到t2时发出触发信号。导通角大小及其计算周期，需要依据复杂的自动控制理论来确定。过零信号来自电源变压器次级电压，经整流整形后，送入单片机作为同步控制信号。

4.4 超温保护电路

超温保护电路有两组:组用温控开关，防止异常高温。第二组超温保护是“高水温保护”，保护值一般设为60℃，由单片机软件负责控制。，一旦超温，切断加热管电路，给出显示和声音提示，当温度回复到设定值以下时，自动恢复正常恒温控制。测试时，当水温大于60℃时，观察到单片机切断两路继电器、关闭可控硅触发信号，同时蜂鸣器产生3次90ms长的短促报警声。

恒温机用到了温度传感器、流量传感器、电流互感器、温控开关等多种传感器。其中温控开关既是传感器也是控制器。电流互感器用于漏电保护。这里介绍温度传感器和流量传感器的原理及技术。

水温传感器用NTC热敏电阻，NTC即负温度系数。这类传感器以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。温度低时，这些氧化物材料的载流子(电子和空穴)数目少，所以其电阻值较高。随着温度的升高，载流子数目增加，电阻值降低。温度传感器的电阻值需要经单片机AD转换后，变成电压，再转换成温度值才能用于运算、控制、显示。

水流传感器的内部结构，从顶部往下看，在圆柱形内部空间里，安放一个叶轮，叶轮上套有磁环，然后用顶盖密封，顶盖有一凹槽，正好嵌入霍尔器件，使磁环与霍尔器件间距小于3mm。水流驱动叶轮转动，利用霍尔效应，元件感应到磁极信号变化，输出电信号。霍尔效应是指当有电流流过半导体薄片时，在垂直于电流I和磁场B的方向上将产生电动势的现象。器件型号为W12，内部集成了霍尔元件及信号处理电路，包括参考电压、放大器、施密特触发器和驱动输出三极管，能直接输出已整形的脉冲方波。

五、热水器的温度控制电路

按照自动控制理论，典型的温度控制一般使用PID模拟控制，即“比例(P)－积分(I)－微分(D)”，其中r(t)是给定值，y(t)实际输出值，偏差e(t)=r(t)-y(t)，偏差值经PID运算并线性组合后，形成控制量u(t)，对被控制对象进行控制。

比例控制是根据误差大小成比例地输出控制量，使被控量朝着误差减小的方向变化，控制量的大小取决于比例系数Kp。假设设定温度为40℃，比例带宽为20℃，当出水温度在30℃以下控制器满功率输出，50℃以上零输出，两者之间则按比例控制。理论上，比例控制就可以实现恒温效果了。

但比例控制无法解决静态误差(也叫静差或稳态误差)问题，因此引入积分控制，对静差进行记忆、积分，产生控制量向减少静差的方向调节。积分控制需要对前几次误差采样积分后再产生控制信号，因此存在较大的滞后性，因此再引入微分控制。微分反映的是误差的变化趋势(变化速率)，从而及时产生控制量。实际系统中温度值是采样获得的离散值，积分和微分项需要进行离散化处理。

另一种广泛应用的自动控制器是模糊控制器，非常适合于即热式热水器。研究表明，模糊控制对于非线性及时变等不确定系统有较好的控制作用。模糊控制器的控制过程为:输入信号经模糊化接口处理后，由推理机调取数据库和规则库存储的逻辑，运用数据矢量按相关规则求解模拟方程，获得模糊控制量，再通过解模糊接口转换成控制电信号。其中，数据库中存放各输入输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值，规则库存放控制规则，这些规则是通过专家及经验来定义的。在俞红杰的对比测试中，模糊控制在到达稳态时间、控制精度及抗力等指标上都优于PID控制模式。

六、热水器的安全技术设计

安全是用户选择的首要考虑。如果加热管破裂、穿孔，管内电热丝就与水接触，造成水体带电。即热式热水器采取以下多项措施保障安全用电。

6.1 接地装置和漏电保护器

规范的配电环境是安全使用的着道屏障，包括接地系统和漏电保护器。热水器电源线中的地线必须与入户地线可靠连接，漏电保护器应每月按一次测试按钮检测有效性。即热式热水器功率大，应配置40A断路器，铺设至少4mm2电源专线。

6.2 漏电检测电路

热水器内部有专门的漏电保护电路，电源进线(相线和零线，不包括地线)上套有一个互感器，且在互感器上缠绕一圈作为初级线圈，互感器次级线圈有一千多匝。如出现漏电，相线与零线的电流不一致，产生磁感应，次级感应出电压，经CS54123芯片电路放大处理后，由单片机控制热水器断开继电器。在模拟漏电测试中，观察到单片机在77毫秒后关闭2路继电器和可控硅的触发信号，产生声音报警信号和故障代码显示。

6.3 防电墙

防电墙实际上是一段绝缘水管，通过水体本身的电阻对漏电电流进行衰减。为达到足够的长度，一般内部设计为螺旋管道，这种管道的使用具有很好的可靠性。

以上就是我们深圳市组创微电子有限公司为您介绍的热水器方案详情。如果您有电热水器的电子功能开发需求，可以放心交给我们，我们有丰富的电子产品定制开发经验，可以尽快评估开发周期与IC价格，也可以核算PCBA报价。我们是多家国内外芯片代理商，有MCU、语音IC、蓝牙IC与模块、wifi模块。我们的开发能力涵盖了PCB设计、单片机开发、软件定制开发、APP定制开发、微信公众号开发等软硬件设计。还可以承接智能电子产品研发、家用电器方案设计、美容仪器开发、物联网应用开发、智能家居方案设计、TWS方案开发、蓝牙音频开发、儿童玩具方案开发、电子教育产品研发。