Warmwasserbereiter: Der Weg zum smarten Gerät

Aktuell wächst der Markt für elektrische Warmwasserbereiter in hohem Tempo mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 7,4 Prozent. Auf dem Weg zur Netto-Null fördert auch der Staat dieses Wachstum mit einem Zuschuss für elektrische Durchlauferhitzer.

Der Warmwasserbereiter wird smart

Ein smarter Warmwasserbereiter benötigt intelligente elektronische Schaltkreise. Es obliegt dem Konstrukteur, die Zuverlässigkeit des Warmwasserbereiters zu gewährleisten. Dies tut er, indem er die Elektronik vor Stromüberlastung, Spannungsspitzen, elektrostatischer Entladung (ESD) und Überhitzung sichert und außerdem langlebige Komponenten verwendet. Auch Personen, die mit dem Gerät in Berührung kommen, werden so vor thermischen und elektrischen Gefahren geschützt. Das Ziel besteht also darin, hochwertige, zuverlässige und intelligente Warmwasserbereiter zu entwickeln. In diesem Artikel finden Konstrukteure Informationen zu drei dafür wichtigen Technologien: Schutz, Steuerung und Sensorik.

Vom Mikrocontroller zum Stromkreisblock

Mikrocontroller sind das Herzstück beinahe jedes elektrischen und elektronischen Produkts. Im elektrischen Warmwasserbereiter verarbeiten sie Programmierinformationen und liefern Wasser mit der gewünschten Temperatur. Mit Wechselstrom steuert der Warmwasserbereiter das Heizelement und betreibt den Mikrocontroller sowie die anderen Gleichstromschaltungen, wie den Touchscreen und die drahtlose Schnittstelle. Temperatursensoren erfühlen die Eingangs- und Ausgangstemperaturen des Wassers, wodurch der Mikrocontroller das Heizelement steuern kann. Einen klassischen Warmwasserbereiter, seine primären Schaltblöcke und die empfohlenen Komponenten für Schutz, effiziente Steuerung und Sensorik zeigt Bild 1.

Das Blockdiagramm eines elektrischen Warmwasserbereiters zeigt Bild 2. Die Tabelle daneben führt die empfohlenen Schutz-, Steuer- und Erfassungskomponenten auf. Wie die Stromkreisblöcke geschützt werden können, lesen Sie im Folgenden. Geeignete Komponentenlösungen für die Steuerung und Überwachung werden auch erörtert.

Überlastungsschutz, Transienten und ESD AC-Eingangsschutzschaltung

Auf der Wechselstromleitung der Schaltkreise können Stromüberlastungen und Hochspannungstransienten auftreten. Davor schützt der AC-Eingangsschutzblock. Wenn Sie eine Sicherung zum Schutz vor Stromüberlastungen und einen Metalloxid-Varistor (MOV) verwenden, absorbiert dieser die auf der Wechselstromleitung induzierten Spannungstransienten. Verwenden Sie eine Patronensicherung. Diese ist leicht austauschbar, falls die Sicherung aufgrund einer Stromüberlastung auslöst. Der Sicherungshalter, der die Sicherung trägt, muss UL/CSA/IEC-konform sein. Nutzen Sie einen Metalloxid-Varistor (MOV), um netzbedingte Spannungsspitzen, die von Maschinen, Haushaltsgeräten und Blitzen verursacht werden, zu absorbieren. Achten Sie auf einen MOV mit:

• der Fähigkeit, bis zu 10 kA Transientenstrom zu absorbieren
• der Fähigkeit, mindestens 400 J an transienter Energie zu absorbieren
• Konformität zu IEC 61051-1 und 61051-2 und Varistoren zur Verwendung in elektronischen Geräten

Sicher versorgt mit AC/DC-Hilfsstrom

Die MCU, das Touchscreen-Display und die drahtlose Schnittstelle wollen mit Strom versorgt werden. Das erledigt die AC/DC-Hilfsstromversorgung. Berücksichtigen Sie dabei die sekundäre Absicherung und den Transientenschutz für empfindliche Halbleiter. Verwenden Sie in diesem Stromkreis eine flinke DC-Sicherung. Außerdem kann eine TVS-Diode (Transient Voltage Suppressor) bis zu 400 W Impulsleistung absorbieren und Spannungsspitzen in weniger als 0,1 ps unterdrücken, um Schäden an empfindlichen Halbleitern zu vermeiden. Eine oberflächenmontierbare TVS-Diode spart auch Platz auf der Leiterplatte.

TVS-Diode sorgt für Absicherung des Touchscreen-Displays

Bei der Bedienung der Steuerung des Durchlauferhitzers und bei der Status-Abfrage berühren Benutzer das Display. So ist es anfällig für ESD durch menschlichen Kontakt. Eine TVS-Diode schützt den Schaltkreis des Touchscreen-Displays. Die Modelle der TVS-Dioden entsprechen der IEC 61000-4-2 und dem Electrostatic Discharge Immunity Test. Sie bieten ESD-Schutz bis zu 30 kV, entweder bei Luft- oder Kontaktentladung.

Klare Datenübertragung über drahtlose Schnittstelle im Warmwasserbereiter

Smarte Geräte kommunizieren zumeist kabellos. Daher können Steuerinformationen von PCs, PLCs, Tablets und Smartphones von der drahtlosen Schnittstelle empfangen und Daten übertragen werden. Der Schutz der Datenleitungen vor ESD verhindert eine Verfälschung dieser Daten. Bild 3 zeigt bidirektionale TVS-Dioden-Arrays. Versionen dieser TVS-Diode können ±12 kV Kontakt-ESD-Entladungen und 40 A aus einer schnellen Transiente sicher absorbieren. Diese Dioden minimieren die Signalverzerrung mit einer Kapazität von weniger als 0,1 pf, die dem Schaltkreis hinzugefügt wird.

Sie können auch Polymer-ESDs zum Schutz der Datenleitungen verwenden. Diese haben eine geringe Kapazität, typischerweise unter 0,25 pF. Der Ableitstrom liegt unter 10 nA, um den Stromverbrauch in der Wireless Interface-Schaltung zu minimieren.

Effizient und langlebig

Das Heizelement eines elektrischen Warmwasserbereiters wird gewöhnlich über einen TRIAC (Zweirichtungs-Thyristortriode) gesteuert. Er benötigt nur eine Treiberschaltung mit geringem Stromverbrauch, die prellfreies Umschalten der Stromzufuhr zum Heizelement ermöglicht. Der Schalter ist geräuschlos. TRIACS bieten hohe Zuverlässigkeit. Sie finden Versionen mit einer Stromstoßkapazität von bis zu 250 A und einer Spannungskapazität von bis zu 100 V. Die Halbleiterschaltung eines TRIACs sorgt für einen zuverlässigen, langlebigen Betrieb.

Tanklose Warmwasserbereiter haben in der Regel ein Heizelement. Größere Systeme hingegen können auch über zwei verfügen, wobei eines im oberen Teil des Tanks sitzt und das zweite unten. Zum schnellen Aufheizen verwenden tanklose Systeme zumeist einen 40-A- oder 90-A-TRIAC. Er ist kleiner als ein elektromechanisches Relais mit einer ähnlichen Kontaktstromstärke. Bei Tanksystemen werden gewöhnlich TRIACs mit geringerer Leistung – 16 A oder 25 A – verwendet. Thermistor-Temperaturfühler überwachen die Wassertemperatur am Wassereingang und -ausgang. Ein Thermistor bietet eine genauere Temperaturüberwachung als andere Temperatursensortypen. So kann seine schnelle thermische Reaktion zur Effizienz beitragen. Nutzen Sie auch die Vorteile des kleinen Formfaktors.

Warmwasserbereiter: Schutz, Steuerung, Sensor

Um Ihren Warmwasserbereiter zu schützen und seine Zuverlässigkeit zu erhöhen, benötigen Sie nur wenige Komponenten. Sparen Sie Zeit bei der Entwicklung und den Konformitätstests, indem Sie in den Projektplan die drei Technologien aufnehmen: Schutz des Stromkreises, effiziente Steuerung und Sensorik.

Von Ryan Sheahen.

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