CN109002003B - 一种电热水器控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电热水器控制电路及控制方法，包括整流模块、温度保护器和电加热管，整流模块输入端连接交流电源，整流模块输出端串联温度保护器后，连接到电加热管，以为电加热管提供工作所需的直流电源。通过将交流电源经整流模块转换成直流电给电加热管供电，以此断绝了交流电泄露对地形成的电流回路，即使当电加热管老化导致电外泄也不会形成对人触电事故，而且由于没有了对地回路，交流电源端只需要L和N线供电即可，可以省却地线接线端，对一些没有接地线的安装环境也可以使用，因此扩展了电热水器的使用环境。

Description

一种电热水器控制电路及控制方法

技术领域

发明涉及电热水器控制领域，尤其涉及一种电热水器控制电路及控制方法。

背景技术

现有的电热水器都是通过交流电直接给电热水器的加热管供电，当出现热水器由于长久使用导致加热管老化容易出现漏电事故带来人员伤亡，而且电热水器外接交流电时还需要接地，对一些房屋的布线如果不带地线在使用电热水器时也会带来安全问题。

上述内容仅用于辅助理解发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电热水器控制电路及控制方法，旨在解决由于现有的电热水器如果电加热管老化带来漏电导致人员伤亡的问题。

为实现上述目的，发明提供的一种电热水器控制电路，该电热水器控制电路包括整流模块、温度保护器和电加热管，整流模块输入端连接交流电源，整流模块输出端串联温度保护器并连接到电加热管，以为电加热管提供工作所需的直流电源。

可选地，该电热水器控制电路还包括与电加热管串联的温控器。

可选地，该电热水器控制电路还包括MCU、驱动模块和温度检测模块；

驱动模块的输出端与电加热管串联，驱动模块的控制端连接MCU；

温度检测模块输出端连接MCU，以检测电热水器内部的水温；

MCU根据水温控制驱动模块以驱动电加热管的开启或者关闭。

可选地，该电热水器控制电路还包括调压模块，调压模块串联在与整流模块输入端连接的交流回路上，以调节输入到整流模块的交流电压。

可选地，该调压模块的控制端连接MCU，电热水器控制电路还包括过零检测模块；

过零检测模块用于检测交流电压的过零信号，MCU根据过零信号控制调压模块工作，以调节输入到整流模块的交流电压。

可选地，该调压模块包括第十六电阻、可调电位器、第十五电阻、双向二极管、第五电容和第一双向可控硅；

第五电容的一端与第一双向可控硅的第一阳极共接于调压模块的一端，第五电容的另一端于第十五电阻的一端和可调电位器的一端共接；

可调电位器的另一端连接第十六电阻的一端，第十六电阻的另一端与第一双向可控硅的第二阳极共接于调压模块的另一端；

第十五电阻的另一端连接双向二极管的一端，双向二极管的另一端连接第一双向可控硅的控制极。

可选地，该调压模块包括第八电阻、第二光耦、第七电阻、第九电阻和第二双向可控硅；

第二双向可控硅的第一阳极为调压模块的一端，第二双向可控硅的第二阳极与第九电阻的一端共接于调压模块的另一端，第二双向可控硅的控制极连接第二光耦的双向二极管的一端；

第二光耦的双向二极管的另一端连接第八电阻的一端，第八电阻的另一端连接第九电阻的另一端；

第二光耦的发光二极管的阴极接地，第二光耦的发光二极管的阳极连接第七电阻的一端，第七电阻的另一端为调压模块的控制端，控制端连接MCU。

可选地，该电加热管为并联的两根，驱动模块包括第一驱动模块和第二驱动模块。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于上述电热水器控制电路的电热水器控制方法，控制方法包括：

获取电热水器的设定功率；

根据设定功率的大小确定基于交流电压的过零周期内的首个或者两个过零信号输出控制信号控制调压模块工作，以调节输入到整流模块的交流电压值为与设定功率对应的有效值。

可选地，根据设定功率的大小确定基于交流电压的过零周期内的一个或者两个过零信号输出控制信号控制调压模块工作包括：

当设定功率低于电热水器全功率的一半时，确定基于交流电压的过零周期内的首个过零信号输出控制信号控制调压模块工作；

当设定功率高于电热水器全功率的一半时，确定基于交流电压的过零周期内的两个过零信号输出控制信号控制调压模块工作。

本发明的电热水器控制电路，包括整流模块、温度保护器和电加热管，整流模块输入端连接交流电源，整流模块输出端串联温度保护器后，连接到电加热管，以为电加热管提供工作所需的直流电源。通过将交流电源经整流模块转换成直流电给电加热管供电，以此断绝了交流电泄露对地形成的电流回路，即使当电加热管老化导致电外泄也不会形成对人触电事故，而且由于没有了对地回路，交流电源端只需要L和N线供电即可，可以省却地线接线端，对一些没有接地线的安装环境也可以使用，因此扩展了电热水器的使用环境。

附图说明

图1为发明电热水器控制电路第一实施例的电路结构示意图；

图2为在图1基础上进一步改进的电路结构示意图；

图3为在图1基础上进一步改进的电路结构示意图；

图4为发明电热水器控制电路第二实施例的电路结构示意图；

图5为在图4基础上进一步改进的电路结构示意图；

图6为在图4基础上进一步改进的电路结构示意图；

图7为发明电热水器控制电路第三实施例的电路结构示意图；

图8为图7中过零检测模块输出的过零信号波形示意图；

图9为发明电热水器控制方法实施例的一控制信号波形示意图；

图10为发明电热水器控制方法实施例的另一控制信号波形示意图；

图11为发明电热水器控制方法实施例的另一控制信号波形示意图。

具体实施方式

下面详细描述发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释发明，而不能理解为对发明的限制。

本发明实施例提出一种电热水器控制电路，该电热水器控制电路用于实现对电热水器的电加热管控制，实现对水加热。在该电热水器的控制电路的第一实施例中，如图1所示，该电热水器控制电路包括整流模块1、温度保护器RT和电加热管L1，整流模块1输入端连接交流电源，整流模块1输出端串联温度保护器RT后，连接到电加热管L1，以为电加热管L1提供工作所需的直流电源，该直流电源电压为脉动直流电。以下的电热水器控制电路简称控制电路。

上述温度保护器RT为电热水器的电加热管L1提供温度保护，放置电加热管L1在异常加热如无水加热时导致其温度过高而保护，防止电加热管L1损坏。

进一步的，在该控制电路中，还可以包括与电加热管L1串联的机械式温度开关TH，可通过调节温度开关TH设定电热水器内部热水温度，当温度达到设定值时自动断开，实现了电热水器设定热水温度的目的。

在该实施例中，通过将交流电源经整流模块转换成直流电给电加热管供电，以此断绝了交流电泄露对地形成的电流回路，经过试验，在此时将电加热管的供电接口连接上述直流电源后裸露整个放置在水中，使得裸露的供电接口与水接触，通电加热时此时用人手触摸也不会导致触电，而如果是用交流电直接给电加热管的两端，如果人触摸时则会对地形成回路形成强电流导致触电。因此通过上述控制电路，即使当电加热管老化导致电外泄也不会形成对人触电事故，而且由于没有了对地回路，交流电源端只需要L和N线供电即可，可以省却地线接线端，对一些没有接地线的安装环境也可以使用，因此扩展了电热水器的使用环境。

基于上述图1的控制电路，还可以增加其他功能电路，如图2所示增加显示模块3，由开关电源2输出直流电对其供电，使其能够显示电热水器的状态信息路温度、电源指示、保护及报警指示等。

进一步的，作为该控制电路实施例的另一种实施方式，如图3所示，该控制电路还包括MCU4、驱动模块5和温度检测模块7；

驱动模块5的输出端与电加热管L1串联，驱动模块5的控制端连接MCU4；

温度检测模块7输出端连接MCU4，以检测电热水器内部的水温；

MCU4根据水温控制驱动模块5以驱动电加热管L1的开启或者关闭。

在该实施方式中，增加了MCU4即相关控制部分电路，通过MCU4获取温度检测模块7检测到电热水器内部热水温度，并获取用户设定的热水温度值，来控制驱动模块5驱动电加热管L1的开启或者关闭，以实现达到设定温度。同时还可增加显示模块3，显示当前电热水器工作的状态信息如当前实时温度、定时信息等。

具体的，驱动模块5主要由三极管Q1、继电器RY1和电阻R1等组成，其中三极管Q1的基极连接MCU5的一个控制引脚，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的集电极连接继电器RY1的线圈的一端，继电器RY1的线圈的另一端接直流电源正极，继电器RY1的开关串联与电加热管L1串联；当MCU5输出控制信号的高电平时，三极管Q1导通，其继电器RY1的线圈与直流电源接通，其开关闭合，此时直流电对电加热管L1供电以加热水。

进一步的，在该实施方式中，针对双加热管型的电热水器，可对应再增加一路驱动电路，如图3中增加驱动模块6，对应控制另一电加热管L2工作。该驱动模块6的具体电路同驱动模块5，在此不再赘述。

通过设置双电加热管，可以实现多种功率档位如1000W/2000W的控制，更好的满足用户需求。

进一步的，基于本发明电热水器控制电路的第一实施例，在本发明电热水器控制电路的第二实施例中，如图4所示，该电热水器控制电路还包括调压模块8，调压模块8串联在与整流模块输入端连接的交流回路上，以调节输入到整流模块1的交流电压。

相对控制电路的第一实施例，本实施例在交流输入电源和整流模块之间增加串联的调压模块8，以此实现对输入到整流模块1的交流电压的调节控制，进而实现整流模块1输出的直流电的随之改变，使得电加热管L1的工作消耗功率发送变化，实现了对电加热器的功率可调。

具体的，该调压模块包括第十六电阻R16、可调电位器RP、第十五电阻R15、双向二极管D5、第五电容C5和第一双向可控硅TR1；

第五电容C5的一端与第一双向可控硅TR1的第一阳极A1共接于调压模块的一端T2，第五电容C5的另一端于第十五电阻R15的一端和可调电位器RP的一端共接；

可调电位器RP的另一端连接第十六电阻R16的一端，第十六电阻R16的另一端与第一双向可控硅TR1的第二阳极A2共接于调压模块的另一端T1；

第十五电阻R15的另一端连接双向二极管D5的一端，双向二极管D5的另一端连接第一双向可控硅TR1的控制极G。

该调压模块8工作原理为，第十六电阻R16和可调电位器RP后经第十五电阻R15对双向二极管D5的一端供电，双向二极管D5的导通电压一定，当其供电电压超过导通电压时，双向二极管D5导通，此时第一双向可控硅TR1的控制极G加载电压使其导通，交流电压经第一双向可控硅TR1的第一阳极A1和第二阳极A2到整流模块1的一输入端形成通路，使得整流模块1正常工作。上述双向二极管D5的导通电压取决于可调电位器RP的电阻大小，由于经过该可调电位器RP为可变的交流电压，通过调节调节该可调电位器RP，便改变了交流电压在不同电压点才触发双向二极管D5导通进而使得第一双向可控硅TR1导通，也即改变了第一双向可控硅TR1的在交流电压的交流半周期(针对50Hz交流电为10ms)内的导通角，即实现了每个半周期内不同时刻起才输出交流电流到整流模块1上，进而实现了对加载在整流模块1上的交流电压的有效值得调节，于是最终实现了对整流模块1输出的直流电压的电压值得调节，因此实现了整个电热水器功率的可调节。

通过增加该调压模块8，配合整流模块1，在实现原来对电加热管L1直流安全供电情况下，进一步实现了该电加热管工作功率的可调，满足用户对电热水器的多档功率需求。

进一步的，在该实施例另一实时方式中，如图5所示，如同控制电路的第一实施例，还可增加显示模块3，由开关电源2输出直流电对其供电，使其能够显示电热水器的状态信息路温度、电源指示、保护及报警指示等。

进一步的，在该实施例另一实时方式中，如图6所示，如同控制电路的第一实施例，还可增加MCU4、驱动模块5和温度检测模块7组成的附加控制电路，其具体电路结构和工作原理同第一实施例中的该电路，在此不再赘述。

进一步的，基于本发明电热水器控制电路的第二实施例，在本发明电热水器控制电路的第三实施例中，如图7所示，调压模块9的控制端CTRL连接MCU4，电热水器控制电路还包括过零检测模块10；

过零检测模块10用于检测交流电压的过零信号，MCU4根据过零信号控制调压模块10工作，以调节输入到整流模块1的交流电压。

相对控制电路的第二实施例，在实施例中，调压模块9更改为另一种调压模块电路，其调节可受MCU4的控制，另外增加过零检测电路，使得MCU4根据交流电的过零信号输出控制信号来控制调压模块9，实现MCU4的对交流电压调节。

具体的，过零检测模块10主要由第十电阻R10、第十一电阻R11、光耦IC1、第十二电阻R12、第十三电阻R13和第三三极管Q3组成，交流电压通过第十一电阻R11和第十二电阻R12分压后输入到光耦IC1，在其输出侧输出过零信号，并经第十三电阻R13、第十二电阻R12整形，在第三三极管Q3集电极输出标准的过零信号，其过零信号波形如图8所示。

具体的，调压模块9包括第八电阻R8、第二光耦IC2、第七电阻R7、第九电阻R9和第二双向可控硅TR2；

第二双向可控硅TR2的第一阳极A1为调压模块9的一端T3，第二双向可控硅TR2的第二阳极A2与第九电阻R9的一端共接于调压模块9的另一端T4，第二双向可控硅TR2的控制极G连接第二光耦IC2的双向二极管的一端；

第二光耦IC2的双向二极管的另一端连接第八电阻R8的一端，第八电阻R8的另一端连接第九电阻R9的另一端；

第二光耦IC2的发光二极管的阴极接地，第二光耦IC2的发光二极管的阳极连接第七电阻R7的一端，第七电阻R7的另一端为调压模块9的控制端CTRL，该控制端CTRL连接MCU4的一控制引脚。

在该实施例中，MCU4基于交流过零时刻点，在交流电压的交流半周期的预设时间点输出脉冲信号到该调压模块9的控制端，使得第二光耦IC2导通，进而使得第二双向可控硅TR2的控制极G加载电压，使得第二双向可控硅TR2导通，交流电压经第二双向可控硅TR2的第一阳极A1和第二阳极A2到整流模块1的一输入端形成通路，使得整流模块1正常工作。MCU4通过调整上述预设时间点的相对过零时刻点的时间值，实现了在不同时刻触发第二双向可控硅TR2导通，也以此实现了改变了第二双向可控硅TR2的在交流电压的交流半周期(针对50Hz交流电为10ms)内的导通角，最终实现了对整流模块1输出的直流电压的电压值得调节，因此实现了整个电热水器功率的可调节。

相对第二实施例通过电位器手动调节功率，本实施例的MCU4能更加精确细致的调整功率。

本发明实施例还提出一种电热水器控制方法，基于上述的第三实施例的本发明电热水器的控制电路，该控制方法包括：

获取电热水器的设定功率；

根据设定功率的大小确定基于交流电压的过零周期内的首个或者两个过零信号输出控制信号控制调压模块9工作，以调节输入到整流模块1的交流电压值为与设定功率对应的有效值。

基于第三实施例的本发明电热水器的控制电路的电压调节原理可知，MCU4是基于过零时刻起的预设时间点输出脉冲信号到该调压模块9的控制端，使得该第二双向可控硅TR2导通，在一个完整的交流周期内，其过零信号有两个，如图9所示，在第一交流周期内分别有过零信号P1和P2，P3为下一个交流周期的第一个过零信号。如果MCU4针对每个过零信号都输出控制信号，也即在每个交流电压的交流半周期都输出控制信号使得第二双向可控硅TR2导通，这样能得到从接近最小的有效值零电压到最大的220V(以220V/50Hz为例)，当经该调压模块9输出的交流电压偏大超过其一半即110V时，如图9所示，在其控制信号在距离每个过零信号P1和P2较近，其在触发导通的瞬间该交流电压瞬时值对应偏小，如图中的C1、C3点时刻的瞬时值，此时在第二双向可控硅TR2导通瞬间，其电加热管L1上加载的直流电压也不高，因此瞬时通过其电加热管L1的电流相对不大；但如果需要调节得到的交流电压偏小小于110V时，如图10所示，其控制信号在距离每个过零信号P1和P2较远，并已经越过了交流电压峰值点时刻，此时在第二双向可控硅TR2导通瞬间，其交流电压瞬时值偏高，甚至接近峰值，如图10中的C5和C6时刻对应的瞬时值，此时电加热管L1上加载的脉动直流电压也会偏高甚至接近其电压最高值，因而使得通过其电加热管L1的电流也很高，同时也导致交流输入端的交流电流瞬时值非常高，该电流通路带来冲击，同时也给电网带来冲击导致EMI(电磁骚扰)问题。

为避免上述问题，在电热水器需要的功率偏小，使得其调压模块9输出的交流电压有效值小于110V时，可以采用只针对交流周期内的首个过零信号输出控制信号来控制调压模块工作。如图11所示，此时在一个交流周期内只针对图中的第一个过零信号P1输出控制信号，第二过零信号P2不输出控制信号，因为第二个半周期不输出电压，则整个周期输出的电压已经减少一半，因而，可在靠近第一个过零信号P1的时刻输出控制信号即可保证整个周期输出的交流电压有效值小于110V。由于靠近第一个过零信号P1，此时交流电压瞬时值低，因而其电加热管L1上加载的直流电压也不高，因此瞬时通过其电加热管L1的电流相对不大，对电流回路冲击不大，也不会出现对电网冲击大导致的EMI问题。

因此如果电热水器的设定功率偏小，具体设定功率低于第一电热水器全功率的一半时，此时对于的调压模块输出的交流电压也低于最大有效值的一半，此时可在基于所述交流电压的过零周期内的首个过零信号输出控制信号控制调压模块工作；而电热水器的设定功率偏大，具体设定功率高于第一电热水器全功率的一半时，此时对于的调压模块输出的交流电压也高于最大有效值的一半，此时可在基于所述交流电压的过零周期内的两个过零信号都输出控制信号控制调压模块工作。以此使得在控制信号控制第二双向可控硅TR2导通瞬间，其交流电压瞬时值都不高，形成的电流也对应不大，不会打内部电路和外界电网带来冲击。提升了整个电热水器的控制电路工作的可靠性。

在本说明书的描述中，参考术语“第一实施例”、“第二实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于电热水器控制电路的电热水器控制方法，其特征在于，所述电热水器控制电路包括整流模块、温度保护器和电加热管，所述整流模块输入端连接交流电源，所述整流模块输出端串联所述温度保护器并连接到所述电加热管，以为所述电加热管提供工作所需的直流电源；还包括与所述电加热管串联的机械式温度开关，所述电热水器控制电路还包括MCU、驱动模块和温度检测模块，所述驱动模块的输出端与所述电加热管串联，所述驱动模块的控制端连接所述MCU，所述温度检测模块输出端连接所述MCU，以检测所述电热水器内部的水温，所述MCU根据所述水温控制驱动模块以驱动所述电加热管的开启或者关闭，所述电热水器控制电路还包括调压模块，所述调压模块串联在与所述整流模块输入端连接的交流回路上，以调节输入到所述整流模块的交流电压，所述调压模块的控制端连接所述MCU，所述电热水器控制电路还包括过零检测模块；所述过零检测模块用于检测所述交流电压的过零信号，所述MCU根据所述过零信号控制所述调压模块工作，以调节输入到所述整流模块的交流电压；

所述控制方法包括：

获取所述电热水器的设定功率；

根据所述设定功率的大小确定基于所述交流电压的过零周期内的首个或者两个过零信号，输出控制信号控制调压模块工作，以调节输入到所述整流模块的交流电压值为与所述设定功率对应的有效值；

根据所述设定功率的大小确定基于所述交流电压的过零周期内的首个或者两个过零信号，输出控制信号控制调压模块工作包括：

当所述设定功率低于所述电热水器全功率的一半时，确定基于所述交流电压的过零周期内的首个过零信号，输出控制信号控制调压模块工作；

当所述设定功率高于所述电热水器全功率的一半时，确定基于所述交流电压的过零周期内的两个过零信号，输出控制信号控制调压模块工作。

2.如权利要求1所述的电热水器控制方法，其特征在于，所述调压模块包括第八电阻、第二光耦、第七电阻、第九电阻和第二双向可控硅；

所述第二双向可控硅的第一阳极为所述调压模块的一端，所述第二双向可控硅的第二阳极与所述第九电阻的一端共接于所述调压模块的另一端，所述第二双向可控硅的控制极连接所述第二光耦的双向二极管的一端；

所述第二光耦的双向二极管的另一端连接所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端连接所述第九电阻的另一端；

所述第二光耦的发光二极管的阴极接地，所述第二光耦的发光二极管的阳极连接所述第七电阻的一端，所述第七电阻的另一端为所述调压模块的控制端，所述控制端连接所述MCU。

3.如权利要求1所述的电热水器控制方法，其特征在于，所述电加热管为并联的两根，所述驱动模块包括第一驱动模块和第二驱动模块。

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