聊聊控制电路里电源：不仅仅是电源

作者：工控老周PLC

电源往往被认为是直流控制电路中最重要的考虑因素之一——但我们也不能忽视其他关键因素：电源滤波器、转换器和备用电源模块。
 
输入电源是任何电气控制系统的基本配置。没有电源，就没有传感器、控制器、负载设备，什么都没有。因此，电源行业在现代制造业中受到如此关注也就不足为奇了。几乎每个供应商和供应商都提供各种面板安装或 DIN 导轨安装选项，用于为控制电路提供直流和交流电源。
 
我们可能都熟悉正常的电源阵容。220VAC转24VAC的变压器、或者转24VDC的直流电源。但除了这些设备之外，还有许多与电源相关的其他设备，所以让我们花一些时间来讨论为控制电子设备供电的其他一些元器件。

图 1.电源和调节对于任何现代控制系统都至关重要。图片由Canva提供

电源转换器
 
电源转换器是将直流电压从一个电平分配到多个其他电平的一种非常常见的方法。当一个电压电平被引入系统时，这种设备很常见，可能是一个 24 伏的支路，然后必须将其作为输出提供给各种 24、12 和 5 伏设备。为每个电压要求单独的电源会很昂贵，并且需要将220 伏交流电引入子面板。
 
相反，当提供不同的输入电平时，这些称为 DC-DC 转换器的设备可用于输出单个 DC 电压。存在两个这样的转换器系列。首先，最常见的是直流降压转换器，它将输入电压降低到较低的稳定输出。另一种称为升压转换器，可将输入电压升高到输出。
 
对于工业应用，可能会出现 24 伏的输入馈电并进一步降低到 12 和 5 伏，因此 24 伏是常见的 DC-DC 转换器输入。但是，当输入电源用于电机或其他负载设备时，您可能会发现这些转换器的输入范围为 10-30 伏（类似于许多离散传感器）或高达 90 伏直流电。
 
这些转换器存在许多外形尺寸，包括面板安装和 DIN 导轨版本。我见过的最有趣的例子之一是接线端子样式，例如 WAGO 的图 2示例，它具有低电流输出，但设计非常高效，非常适合小型机柜空间。

图 2.接线端子 DC-DC 转换器外形尺寸。图片由WAGO提供

直流滤波器
 
与分立 PCB 设计相比，控制电路中的 DC 滤波器不太常见，原因有两个。首先，控制电路中的负载设备需要更多电流，而小的杂散干扰信号通常不足以影响负载。其次，对于那些足够敏感的电路，已经存在许多解决方案，包括差分信号、双绞线、屏蔽等。
 
但是对于极端或非常敏感的直流电路，可以使用滤波器从原本正常的电路中减去高频“噪声”信号。对于直流控制电压，电平会突然变化，但不会像交流电路中那样快速来回切换。这意味着在直流情况下任何高频信号都是不需要的，但可能允许低频（较慢）变化。
 
这些设备最常见的是面板安装，直接连接到控制柜内部或靠近电源需求点的机器上，以最大限度地减少滤波器后的进一步干扰。这些也可以作为 PCB 级芯片或作为单个应用案例的组件集（通常为设计工程师）购买。Vicor Power Products 创造了一系列这样的设计，电压输入处于低 DC 范围内，输出稳定，没有高频噪声。

图 3.输入直流线路滤波器。图片由Vicor提供

应用电源
 
本节可能仍被认为是简单的供电场景，但更进一步介绍了直接在最终设备所在位置供电的解决方案，而不是为安全起见，将一个大电源放在中央机柜中，然后从机柜中分配出去. 每台机器上的电源是一个不错的概念，因为长直流线会导致电压损失（以及成本），但是在现场的机器上放置开放式机箱组件是有风险的。湿气、振动和温度不能与敏感的电子元件很好地混合。
 
IP67 级密封电源
 
允许将电源（输入和输出）连接到一个完全与外部灰尘和湿气密封的模块，对于一些较脏的现场情况来说是一个很好的解决方案。如果水或油溅或冲洗是一个问题，明智的做法是找到能够处理此类环境的设备。否则，请为电源故障和定期更换做好准备。在这些设备上找不到螺钉端子，而是依靠螺纹连接，例如信号和网络电缆已经很常见的 M12品种。Murr Elektronik 拥有这样的设备，即 Emparro67 系列，就是为了这个目的。

图 4.具有密封输入和输出的 EMPARRO67 电源。图片由Murr Elektronik提供

以太网供电 (PoE)
 
如果设备要联网到中央控制器，那我们为什么需要网络和电源线呢？为什么不使用相同的捆绑包？这正是PoE 的重点。通过为现场设备提供电压的专用 PoE“注入器”，可以减少布线，并且由于双绞线布线的性质，系统已经内置了更高的抗干扰能力。