聊聊控制電路里電源：不僅僅是電源

電源往往被認(rèn)為是直流控制電路中最重要的考慮因素之一——但我們也不能忽視其他關(guān)鍵因素：電源濾波器、轉(zhuǎn)換器和備用電源模塊。

輸入電源是任何電氣控制系統(tǒng)的基本配置。沒有電源，就沒有傳感器、控制器、負(fù)載設(shè)備，什么都沒有。因此，電源行業(yè)在現(xiàn)代制造業(yè)中受到如此關(guān)注也就不足為奇了。幾乎每個(gè)供應(yīng)商和供應(yīng)商都提供各種面板安裝或 DIN 導(dǎo)軌安裝選項(xiàng)，用于為控制電路提供直流和交流電源。

我們可能都熟悉正常的電源陣容。220VAC轉(zhuǎn)24VAC的變壓器、或者轉(zhuǎn)24VDC的直流電源。但除了這些設(shè)備之外，還有許多與電源相關(guān)的其他設(shè)備，所以讓我們花一些時(shí)間來討論為控制電子設(shè)備供電的其他一些元器件。

圖 1.電源和調(diào)節(jié)對(duì)于任何現(xiàn)代控制系統(tǒng)都至關(guān)重要。圖片由Canva提供

電源轉(zhuǎn)換器

電源轉(zhuǎn)換器是將直流電壓從一個(gè)電平分配到多個(gè)其他電平的一種非常常見的方法。當(dāng)一個(gè)電壓電平被引入系統(tǒng)時(shí)，這種設(shè)備很常見，可能是一個(gè) 24 伏的支路，然后必須將其作為輸出提供給各種 24、12 和 5 伏設(shè)備。為每個(gè)電壓要求單獨(dú)的電源會(huì)很昂貴，并且需要將220 伏交流電引入子面板。

相反，當(dāng)提供不同的輸入電平時(shí)，這些稱為 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)備可用于輸出單個(gè) DC 電壓。存在兩個(gè)這樣的轉(zhuǎn)換器系列。首先，最常見的是直流降壓轉(zhuǎn)換器，它將輸入電壓降低到較低的穩(wěn)定輸出。另一種稱為升壓轉(zhuǎn)換器，可將輸入電壓升高到輸出。

對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，可能會(huì)出現(xiàn) 24 伏的輸入饋電并進(jìn)一步降低到 12 和 5 伏，因此 24 伏是常見的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸入。但是，當(dāng)輸入電源用于電機(jī)或其他負(fù)載設(shè)備時(shí)，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這些轉(zhuǎn)換器的輸入范圍為 10-30 伏（類似于許多離散傳感器）或高達(dá) 90 伏直流電。

這些轉(zhuǎn)換器存在許多外形尺寸，包括面板安裝和 DIN 導(dǎo)軌版本。我見過的最有趣的例子之一是接線端子樣式，例如 WAGO 的圖 2示例，它具有低電流輸出，但設(shè)計(jì)非常高效，非常適合小型機(jī)柜空間。

圖 2.接線端子 DC-DC 轉(zhuǎn)換器外形尺寸。圖片由WAGO提供

直流濾波器

與分立 PCB 設(shè)計(jì)相比，控制電路中的 DC 濾波器不太常見，原因有兩個(gè)。首先，控制電路中的負(fù)載設(shè)備需要更多電流，而小的雜散干擾信號(hào)通常不足以影響負(fù)載。其次，對(duì)于那些足夠敏感的電路，已經(jīng)存在許多解決方案，包括差分信號(hào)、雙絞線、屏蔽等。

但是對(duì)于極端或非常敏感的直流電路，可以使用濾波器從原本正常的電路中減去高頻“噪聲”信號(hào)。對(duì)于直流控制電壓，電平會(huì)突然變化，但不會(huì)像交流電路中那樣快速來回切換。這意味著在直流情況下任何高頻信號(hào)都是不需要的，但可能允許低頻（較慢）變化。

這些設(shè)備最常見的是面板安裝，直接連接到控制柜內(nèi)部或靠近電源需求點(diǎn)的機(jī)器上，以最大限度地減少濾波器后的進(jìn)一步干擾。這些也可以作為 PCB 級(jí)芯片或作為單個(gè)應(yīng)用案例的組件集（通常為設(shè)計(jì)工程師）購買。Vicor Power Products 創(chuàng)造了一系列這樣的設(shè)計(jì)，電壓輸入處于低 DC 范圍內(nèi)，輸出穩(wěn)定，沒有高頻噪聲。

圖 3.輸入直流線路濾波器。圖片由Vicor提供

應(yīng)用電源

本節(jié)可能仍被認(rèn)為是簡單的供電場景，但更進(jìn)一步介紹了直接在最終設(shè)備所在位置供電的解決方案，而不是為安全起見，將一個(gè)大電源放在中央機(jī)柜中，然后從機(jī)柜中分配出去. 每臺(tái)機(jī)器上的電源是一個(gè)不錯(cuò)的概念，因?yàn)殚L直流線會(huì)導(dǎo)致電壓損失（以及成本），但是在現(xiàn)場的機(jī)器上放置開放式機(jī)箱組件是有風(fēng)險(xiǎn)的。濕氣、振動(dòng)和溫度不能與敏感的電子元件很好地混合。

IP67 級(jí)密封電源

允許將電源（輸入和輸出）連接到一個(gè)完全與外部灰塵和濕氣密封的模塊，對(duì)于一些較臟的現(xiàn)場情況來說是一個(gè)很好的解決方案。如果水或油濺或沖洗是一個(gè)問題，明智的做法是找到能夠處理此類環(huán)境的設(shè)備。否則，請(qǐng)為電源故障和定期更換做好準(zhǔn)備。在這些設(shè)備上找不到螺釘端子，而是依靠螺紋連接，例如信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)電纜已經(jīng)很常見的 M12品種。Murr Elektronik 擁有這樣的設(shè)備，即 Emparro67 系列，就是為了這個(gè)目的。

圖 4.具有密封輸入和輸出的 EMPARRO67 電源。圖片由Murr Elektronik提供

以太網(wǎng)供電 (PoE)

如果設(shè)備要聯(lián)網(wǎng)到中央控制器，那我們?yōu)槭裁葱枰W(wǎng)絡(luò)和電源線呢？為什么不使用相同的捆綁包？這正是PoE 的重點(diǎn)。通過為現(xiàn)場設(shè)備提供電壓的專用 PoE“注入器”，可以減少布線，并且由于雙絞線布線的性質(zhì)，系統(tǒng)已經(jīng)內(nèi)置了更高的抗干擾能力。

概括

一篇文章不可能涵蓋與現(xiàn)場設(shè)備電源相關(guān)的所有產(chǎn)品范圍。這樣的任務(wù)是無數(shù)書籍、文章、視頻等的主題。只需了解可用的選項(xiàng)，就可以幫助構(gòu)建和改進(jìn)具有更大靈活性和更少損失的系統(tǒng)，同時(shí)仍為任何類型的未來升級(jí)做計(jì)劃。

獨(dú)學(xué)而無友，則孤陋寡聞；如今，各行業(yè)內(nèi)卷嚴(yán)重，如果不想被這個(gè)時(shí)代拋棄，可以加入我們大家庭一起進(jìn)步，如果想和工控各行業(yè)人員交流，并且想獲得更多的軟件，圖紙，程序，可以關(guān)注公眾號(hào)：工控老周PLC，加入粉絲群！