機械式溫控儲熱式電熱水器改裝電子式溫控過程心得
前言：
這次的改裝起因，是因為儲熱式熱水器因為使用年限已久，原本的機械溫度開關已經故障，不能正常的切斷加熱。為了避免因為後續故障，造成加熱不會停止，甚至發生火災等危險。特別到光華商場的源達電子，找了一個DIY的套件，號稱單晶片電子式溫控電路，控制確實準確，沒想到，竟成為災難的開始.....。本篇獻給想要從事電子控制設計的從業人員，一個我個人的使用產品過程其心得，希望您能將這個案例，當成警惕......
說明：
儲熱式熱水桶電路原理說明:
我有一台使用7到8年的大型儲熱式電熱水器(見圖一)，因為都是長期置於室外，工作的地點又靠近海邊，所以設備難免都會容易故障損壞，這陣子電熱水器總覺得他怪怪的，不是加熱溫度不夠，就是太熱，所以挑了一個時間，把他的相關線路打開來看了一下。秉持著個人喜歡DIY的精神，於是乎手又很賤的，把機械溫控元件拆了，才發現一件事........
圖一:
那就是機械式的溫控元件已經熔毀了，因為機械式的元件，大都是採用像電鍋裡面用的雙金屬片來控制加熱與否的動作。雙金屬片的原理就是利用兩種不同熱係數的金屬，把他們製作放在一起，然後置於加熱的元件或是鍋爐壁上，當溫度上升到一個程度時，熱係數大的金屬會先膨脹而彎曲，所以會連帶的把黏在他身上的電源接點打開，所以加熱就會因此結束。當溫度下降時，先前受熱彎曲的雙金屬元件，又會因為溫度下降，金屬漸漸冷卻收縮，慢慢恢復原狀，讓電源接點又接合導通，因此電力導通再度對電熱絲供電而加熱。如此週而復始的進行熱水器的加熱或是保持溫度動作。
以上的說明，是電鍋的雙金屬元件動作情形，而我拆的這個電熱水器，他只是把雙金屬元件，做成是圓形的薄片狀金屬，所以會產生類似整個元金屬片往上彎曲的動作，並且藉由這個動作去推開接點。或是源金屬片恢復原狀，讓接點回覆導通的動作。這個做法，我覺得真是高招。
以上是對於儲熱式電熱水器的淺易講解，接下來要說明我所購置的這個電子式溫控電路的動作說明。
電子式溫度控制電路說明:
因為這個電路是由廠商所生產製造，程式不是我寫的，因此我只能就他的動作來說明，首先我要先說說他所標榜的功能，各位看官就往下看吧，見圖二
圖二:
依據說明書上的指示，該電路號稱由單晶片控制，也就是使用我們所常聽到的單晶片8051所構成（是ATMEL公司的產品），因此準確度應該無庸置疑，這點到是讓我很放心，應該不會發生先前的機械式的老化故障才對。接下來產品強調可以設定高溫及低溫的動作溫度，因此照這樣的解釋，我可以設定我的電熱水器低於幾度要加熱，高於幾度就停止加熱，於是乎一切都符合我的原始要求，接下來就是將加熱線路依照指示，安裝起來。這是他的說明書
首先，我看到這個電路有兩個輸出用的Relay及Relay接點所接出的端子台，也就是我們要接到電熱水器的電源，必須經過這個端子台，又因為電熱水器本身是一個蠻大電流的負載，也就是吃電蠻兇的，這個電路上的小小Relay接點，是無法直接負荷電熱水器的電流的。依據電路的說明書，也有交代利用這個小Relay去推動另一個大型的電磁開關，利用這個大型的電磁開關來將電源送給電熱水器，所以想當然，我已經將這個220V的電磁開關準備好的，也依照說明指示，將電路上的小Relay接線到這個大型的電磁開關的線圈上。總而言之，一切都是進行的那麼順利，見圖三，圖四。
圖三:
圖四:先前的SSR位置是採用傳統的大電力用的RELAY，現已經更換，更換原因請參考文內說明。
配線完成準備測試並使用過程說明:
先說明一下，這個電子式溫控器的感溫器，是使用一個DALLAS公司製造的半導體溫度感測元件，編號是DS1821，他的感溫範圍是-55度到+125度的範圍，他的長相有點像是三支腳的黑色TO92包裝的電晶體。溫控電路透過一個插座，將這個溫度感測元件接上一段線路，讓使用者可以將這個感溫器貼在相關的溫度設備上，以便測量設備溫度，以便告知溫度電路控制目前的溫度大小，以利電路判斷溫度，做出相關的控制動作。可是這個溫控感測元件電路所接的電線不夠長，我的電熱水器在浴室的窗戶外，也就是室外。所以，我就將原本焊接在DS1821溫度感測元件上的三條線解焊，並且另外焊接一條長度夠長的三芯電線，並且將他拉到室外，貼在電熱水器原本溫度開關附近，靠近熱水器爐壁上，以便能比較真實的量測到正確的溫度。而且這種半導體元件，不會像機械式的會迅速老化，至少使用年限很久，除非是外力撞擊，或是突波電壓造成損傷，不然幾乎可說是永不壞，見下圖所示:
一切都配置完畢，溫度感測元件已裝好到相關位置，Relay等輸出的配線也都接好線了，送電上去。奇怪？怎麼溫度顯示器上顯示的溫度指示值一值在亂閃？數字也一直都在改變，可以用亂數形容。我第一個念頭想到的就是度感測元件上的三條線，是不是太長了？所以有干擾？我還特別用有隔離網的電線，來做啊！就是有預想到這個問題，結果還是不行，線路也不過是5到6公尺的長度，怎麼訊號就衰減到不能使用的程度了嗎？我想DALLAS公司設計這個溫控感測元件，應該會想到這種長距離的問題吧？不然這種感測器難道要跟控制電路在一起，放在高溫環境中，讓控制電路受損嗎？
有了這樣的合理推敲邏輯，我便開始懷疑是這個電路的設計問題，基於要解決不能正常使用電路的氣憤心理下，透過google大神上網查詢DALLAS公司設計這個溫控感測元件DS1821，努力的K了一下英文的DATASHEET資料，有提到這個元件，可以利用輸出腳接一個約5K歐姆到電源，也就是所謂的PULL HIGH的電路，這個做法可以使訊號穩定，抗干擾。
而我檢查這個溫控電路，竟然沒有這個電阻，因為DS1821的線路上，沒有任何電阻元件。這時的我，後腦杓已經出現三條斜線，太陽穴附近已經留下三滴汗水，而我的前額左側，已經爆出十字型的青筋。我安慰了自己一下，也許是因為作者沒有想到會用在遠距離的感應溫度，也許是為了省一顆電阻的成本，也許.....我已經咬牙切齒了！！我幹嘛替他找臺階下啊？？？！！！
自己在線路上，加了一個4.7K歐姆的電阻，然後元線路再次接上，溫度顯示器終於能正常亮出現在的溫度了，我對著溫控感測元件DS1821哈氣，溫度上升了耶！把他放入水中，溫度正常指示下降了耶！！我像個發現好玩事情的孩子一樣，在那裡玩著我自己發現改過的電路，好有成就感喔！！
日子總是還要過下去的嘛！溫度顯示玩過了，接下來也終於將其他的電源配置，都一說明書配置完畢，依照說明書的指示操作，將溫度的上限及下限設定好了，這時隱隱約約的覺得有問題，但是又不知道問題在哪裡？直到送電時，才知道這個感覺的來由。
電路動作的也是很順利，大型的電磁開關正常動作，並將電力送到電熱水器上，低溫加熱指示燈量，表示開始加熱冷水。我看了一下電子式溫控電路上的零件，噫！電路上有兩個輸出用的Relay，看了一下說明書，上面說一個負責高溫，一個負責低溫。那我是接到哪一個啊？眾多的疑點逐漸浮現，且漸漸地要把我考倒了，見圖五。
圖五:
嗯，溫度的指示都能正常的指示，並且一度一度的往上昇，終於溫度指示來到了我所設定的低溫下限，電熱器仍然加熱中，我這時設定的低溫底限是50度，高溫停止溫度是60度。也就是水溫低於50度時就要加熱，高於60度就要停止加熱。加熱仍然持續中，到了51度時，低溫加熱指示燈滅了。奇怪？怎麼加熱停止，大型的電磁開關跳脫，還沒到我設定的加熱高溫的停止溫度啊？
再回頭翻開說明書看清楚，沒有提到差一度就會停止之類的說明，只看到電路有高溫跟低溫Relay輸出接點，這時候我的心理已經有底了。還好我本身也是有單晶片程式設計基礎，而且前面的問題，已經讓我對這個電路產生了信任的懷疑。原來他這個電路，只是控制到達高溫設定時或是到達低溫設定的溫度時，Relay會有輸出動作，可是他的說明書，從頭到尾，都沒有提到如果使用者的負載是一個有高低溫度範圍溫差時，要如何接線的。我想這種有高低範圍溫度的設定，一定是使用者最常會用到的情況，除非我們是把他用在恆溫的設備上，可是，又有誰的使用溫度，會只有一度的溫差呢？是電子廠的錫爐？還是晶圓廠的恆溫控制？.......請見圖六。
圖六:神奇的說明書
想到這裡，我已經有一把火冒上來了。當然這樣的電路設計，也不能說他有錯，因為他有高溫或是低溫電路的輸出，由使用者自行去配置使用，這樣的電路才有彈性（我還是幫設計者找臺階下）。問題是，他的說明書中，完完全全沒有任何可供參考的範例電路接線。對於沒有任何控制電路經驗的使用者來說，真是一個失敗的產品。這也是台灣目前消費市場上，最為人垢病的現象，就是說明書太過於簡單，使用者都在瞎子摸象。
當然，我也算是有一點電路基礎，這樣的問題並沒有難倒我，稍微想了一下控制線路，並且把他接線接好，又再度送電測試電路的使用狀況。已經到了52度了，所以低溫指示燈的燈是滅的，但是電路病沒有停止加熱，是因為我利用高低溫Relay的a或b接點的輸出配線，才會有這個動作，詳情請參考電力配線圖，便可瞭解。嗯！我想到這裡，應該是沒問題了。53，54，55度，溫度一度一度的往上升，就像我的心情一樣，正往那個勝利成功的高點邁進（太誇張了！）。到了60度時，高溫溫度指示燈亮，加熱停止。這時有想要開香檳的衝動，總之一切努力是值得的，豈知這一切，只是另一場災難的開始........
災難的開始:
洗澡時間到了....令人愉快的熱水沖洗來囉！眼睛稍微瞄了一下新裝設的單晶片溫控電子式電路，是單晶片的喔！溫度的指示挺正常，維持在60度的溫度。打開水龍頭，嗯？溫度怎麼有點低？印象裡60度應該會讓我跳起來才對！是不是水龍頭開關位置不對？把他轉到最左邊，也就是熱水全開！！怎麼還是沒很熱？看看電子式顯示器顯示的溫度是60度沒錯啊？！靠近電路看清楚，奇怪？怎麼高低溫指示燈全部都亮了，這不可能發生的啊！同時有高溫及低溫指示？我來到奇幻世界了嗎？還是回到現實吧！
當機這個念頭重我的腦裡閃過，仔細看電路，所有的燈幾乎都亮了，溫度顯示器的數字都不會閃，大概已經百分之80確定當機了，將電路電源拔掉再插上去，溫度指示顯示變成40度，加熱動作又再度開始，我的身體卻越來越冷了！！火氣及心跳逐漸往上昇。這是什麼亂七八糟的產品啊！OOXX，各式各樣的OX洋酒，都被我端出來點名了！！
只好再度等他加熱了，一直等到溫度到達我所設定的60度時，我開始洗澡了，暫時不去理會他，先把滿身的晦氣及因為冒火產生的流汗洗掉吧。洗玩澡，還真是舒服，快樂的唱著九條好漢在一班，快樂的看電視去了！！咦？為什麼我會唱九條好漢在一班？充其量也只有一條好漢吧！？
晚上準備上廁所睡覺了，回到浴室，正低頭聽瀑布聲，當瀑布快流乾，準備抬頭望故鄉感嘆瀑布之將盡時，眼角瞥見了一個奇怪的數字:65！！這是溫度控制電路上的顯示器所顯示的溫度數字，而且所有在電路上的指示燈，又神奇的全部亮起了！！Oh！My God！神奇的事又發生了，不同的是:這次的當機。那個負責送電給電熱水器，大型的電磁開關並沒有跳脫，而且仍在送電加熱中！！二話不說，先將電源切斷，然後趕緊跑到室外（我褲襠拉鍊不知當時有沒有拉起來？），看看電熱水器怎麼了？
我看到電熱水器外的機械式溫度指示指針，已經緊繃了，也就是我根本不知道現在的水溫是幾度的意思。好在熱水器上的洩壓閥有作用，過熱膨脹的水已經洩出，嚇的我一身冷汗！可惡我又要洗澡了！到底我要為了這個單晶片溫控電子式電路洗幾次澡啊？如果今天我的電熱水器的洩壓閥故障，或是我的電熱水器是放在室內，會發生什麼事呢？如果發生的是火災，會變成如何的一個不可收拾的結局呢？我在冒冷汗之餘問自己，並且慶幸電熱水器裝在室外，洩壓閥是正常的，請見圖七，圖八。
圖七:熱水溫度
圖八:幸好洩壓閥是正常的
冷靜的思考:
已經是幾天後的事了，這段期間都是洗澡時就將那個單晶片溫控電子式電路插電加熱，洗玩澡就將那個單晶片溫控電子式電路拔掉電源，因為我不能冒險了，也不想一直在哪裡洗澡。可是，我也不想這樣在哪裡插拔電源，這真是一個令人生氣又好笑的動作，買單晶片溫控電子式電路就是希望單晶片能發揮自動的功能，結果是適得其反，找一個東西困擾自己，早知道，把故障的機械式溫度開關換掉就行了，何必自找麻煩呢？
可是我覺得，這是我的錯嗎？ 一個該死的設計，我應該為他背負這個責任嗎？可是對於設計者，我已經根本不想跟他聯絡告知這件事了，我只想解決自己眼前的問題。舉凡這類的問題，大都是因為瞬間的大電流電力，因為Relay接點是接觸式的，所以一定會產生火花，並且產生電磁干擾。而脆弱的電子設備，是最怕這一類的干擾，地球上人類的通信器材，人造衛星，都非常怕太陽輻射，有時太陽週期性的火焰大量噴發，就會對地球發出強烈的電離子，這個電離子與地球磁場作用，就會干擾許多的電子設備。所以才會有飛機上不准打手機的規定，就是怕飛機因為電磁撥干擾而失控。
知道了問題的所在，就要想辦法解決他。跟同事研究，採行了許多方法，有用電容的方式，有用突波吸收器的方式，都無法防止當機的發生，只能將低當機發生的機率，卻無法完全防止可能的不停止加熱。但是我突然想到了之前曾經修過一個微波爐，因為他電路中有一個保護電路元件，就是防止因為電源電路或是設備本身因為加熱溫度過高，造成火災而在加熱的電源電路上串接了一個熱電偶。
熱電偶:
什麼是熱電偶？我想先說一下電熱水瓶，其實電熱水瓶構造跟電熱水器是一樣的，只是電熱水瓶的溫度更高，為了防止因為過高的溫度造成危險，一班都會設計在電路上穿接一個溫度保險絲，以防止當溫控電路失控無限制加熱時，這個村度保險絲會在超過他所能承受的溫度下，會變成斷路而阻止繼續加熱，但是他不會因為溫度下降而恢復通路，這是基於成本的考量，及熱水瓶的使用壽命的關係，所以不會使用可重複使用的熱保險元件。
而熱電偶就是一個可以重複使用的感熱元件，購買這個元件時，他有分兩種規格，就是到達設定溫度時是導通，或是到達溫度時是斷路，我們可以依據自己設計的電路要求，去購買正確的規格，這稱為正溫度或是負溫度熱電偶。而且，熱電偶大都是10度的溫度差改變動作狀態。這是什麼意思？這個意思是當你買到的熱電偶時，上面會標示有一個數目字，這個數目字就是他動作的溫度。比如說60，就是代表他是在60度時會短路或是斷路（看你買的是正或是負溫度的熱電偶而定），10度就是當他在60度時假設會斷路，但是溫度降到59度時，依舊是保持斷路，必須當溫度降到50度時，他才又會恢復短路。但是當溫度變成51度時，它仍然是維持短路，必須溫度上升到60度時，才會再度變成斷路。如此週而復始的工作，見圖九，十，十一。
圖九:
圖十:
圖十一:規格，當中的A 50就是50度的意思，溫度50度時，熱電偶導通，60度時斷路，溫度動作範圍10度。
說到這裡，我想有的網友已經會開始笑我了，因為只需要花50元買這一顆熱電偶，就可以取代那個單晶片溫控電子式電路，不是嗎？沒錯！確實是如此，我走了好大一圈，其實這個50元的元件，就可以取代那個千元價值的單晶片溫控電子式電路。但是，單晶片控制的最大好處，就是他可以改變我要的溫度範圍，這樣夏天跟冬天可以使用不同的加熱條件。而且可以直接讀出目前的溫度，這是熱電偶做不到的，而且熱電偶是機械式的，也是會有故障的風險，同時又看不到目前溫度，很讓人擔心的。
綜合運用:
我為什麼會提到熱電偶，我不是不用熱電偶，而是採用單晶片溫控電子式電路嗎？是的，我確實還是要用單晶片溫控電子式電路，可能有網友會說，你真是不怕死啊！我當然怕死啊！所以我決定用單晶片溫控電子式電路+熱電偶，並且在考慮到電磁開關的接點火花可能造成飛過我家上空的飛機掉下來的風險（呵呵！太誇張了吧？）。我決定採用SSR，來取代傳統的電磁開關。
什麼是SSR？英文是Solid state releys，中文稱做是固態繼電器，這是一種用半導體製作，用於大電流的元件，他的好處就是在大電流的動作開關狀態，不會產生火花，也就是不會產生干擾。當然缺點也有，就是售價高，無法承受強大的外力衝擊，還有就是散熱問題。不過當今的電子業發達，製作生產技術也在不斷提昇。一顆40安培240V的omrom 歐姆龍SSR，不過在600元之譜，而且應該會繼續降價才對，因為生產的廠商越來越多，在業界的使用率也越來越多。在競爭的壓力下，價格勢必會往下降的，屆時傳統的Relay，大概只會用在不必考慮干擾跟環境惡劣的地點中使用。當然，傳統的Relay還是有其優點的。SSR還有一個最重要的特性，就是他的反應速度極快，應為是電子式的，幾乎是瞬間動作的，機械式的電磁開關是不可能做到的。而且SSR的動作是安靜無聲的，機械性的開關這點也是無法做到的，見圖十二。
圖十二
SSR+熱電偶+單晶片溫控電子式電路，幾乎已經是萬無一失了。SSR的使用，是採取光偶合的方式，其實跟Relay是很像的，他的一次側，就像是Relay的線圈。只是SSR沒有線圈，當送入SSR規格的啟動電位（比如說+5V）給SSR的一次側時，SSR的二次側，也就是大電流側會導通，我們就是將電源接到這個二次側的一端，然後另一端接向負載側，也就是電熱水器。我們可以把SSR的二次側，當成是一個開關來用就行了。只是打開二次側時，就必須要送規格的電源到一次側（送多少電源，要看SSR的規格而定，一般都是一個很大的範圍，從5V~48V都可以，規格有分AC或是DC，所以真的是很方便使用），這樣就可以開關SSR了。
至於熱電偶要裝在哪裡？前面有提到SSR一次側的啟動電源，我就是把熱電偶跟SSR一次側電源電路串接在一起。也就是要打開SSR一次側的電源，電源必須先經過串接的熱電偶，然後才能到達SSR的一次測。而熱電偶本身要將他貼在電熱水器的加熱器的爐壁上，也就是他應該要跟單晶片溫控電子式電路的溫控感測元件DS1821在一起或是附近。而且為了安全，我是串接兩個熱電偶，降低故障的發生率，因為依照機路的數學式，一個發生故障的機率假設是萬分之一，那麼兩個同時故障的機率便是萬分之一乘上萬分之一，應該是億分之一吧？如此發生事故的機率，幾乎已經是微乎其微了，在統計上已經是可以被忽略的。就算單晶片溫控電子式電路發生當機，當溫度到達熱電偶動作的溫度時，SSR一次側也會因為熱電偶斷路，而停止二次側的動作。這樣再把當機的機率算進去，幾乎是沒有危險了。因為改用SSR之後，單晶片溫控電子式電路到目前為止，就從來沒有發生當機的記錄了。億分之一再乘上當機的機率，對於數學不好的白熊來說，還是不要去算好了。
結尾:
能夠看到這裡的網友，不知道您現在的心情如何？或許我是長篇大論牽拖了一番，可是這都是我自己血淋淋的經驗及教訓。當然也從中驗證及學習學校中所學的理論，證明正確的知識是經得起考驗的。而不良的設計，以及忽視基礎使用法則，或甚至抱持投機取巧的設計，是會害死人的。不要以為這是您一時的疏忽，別人就可以因為您的疏忽，而原諒您並且忘記死亡的痛苦。在此奉勸從事設計生產製造的從業人員，要記得您的良心，以及您的社會責任，尤其是設計跟身體生命有關的產品。不是將產品設計出來，拿到設計費用，將產品賣到市場中的消費者手上，就以為您的責任沒了。相反的，這時您的責任才正開始計算呢！今天有發生火災嗎？原因為何？電線走火啊！？電風扇起火了，電毯莫名其妙的燒起來了，電視機爆炸了！！........
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