【非标自动化】2、认识元器件（开关电源）

一、开关电源在设备中的作用是什么

在非标自动化设备中，开关电源最常见的作用是：

把工厂提供的交流电转换成PLC、传感器、继电器、电磁阀等控制元件需要的低压直流电。

最常见的是：

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AC 220V
→ 开关电源
→ DC 24V

这一路DC 24V通常用于：

PLC及扩展模块
HMI
光电传感器、接近传感器
中间继电器
DC 24V接触器线圈
电磁阀
编码器
工业交换机
安全继电器
小型指示灯和蜂鸣器

因此，开关电源处在设备的能量转换层：

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工厂交流电
→ 断路器或熔断器
→ 开关电源
→ 24V直流控制系统

它本身不是逻辑控制器，而是为逻辑控制系统提供稳定电能。

二、为什么叫"开关电源"

这里的"开关"不是指外壳上有一个手动开关，而是指内部功率器件以较高频率不断导通和关断，通过高频变换实现电压转换。

可以粗略理解为：

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交流输入
→ 整流
→ 高频开关变换
→ 变压与隔离
→ 再整流和滤波
→ 稳定直流输出

与传统工频变压器加整流电源相比，开关电源通常具有：

体积更小
重量更轻
效率更高
输入电压范围更宽
输出稳压性能更好
发热相对更低

但它内部结构复杂，也会产生一定的高频电磁干扰。

三、输入是什么，输出是什么

开关电源是非常典型的"输入一种电能，输出另一种电能"的器件。

1. 输入

最常见输入是交流电：

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L：相线
N：中性线
PE：保护地

例如：

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AC 220V
→ L、N输入端

工业开关电源也可能支持宽范围输入，例如概念上：

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AC 100～240V

有些三相工业开关电源则可能输入：

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三相AC 380V

还有一些产品本身是DC/DC电源，例如：

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DC 48V输入
→ DC 24V输出

2. 输出

非标设备中最常见输出是：

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+24V
0V

有些产品可能标为：

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V+
V-

常见其他输出包括：

DC 5V
DC 12V
DC 24V
DC 48V
双路正负电源
多路不同电压输出

普通工业控制柜最常见的仍是单路DC 24V。

四、开关电源在接线结构上怎么理解

从主电路来看，开关电源不像隔离开关、断路器和熔断器那样只是串在一根线上。

它实际上连接在交流输入和直流输出之间：

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交流侧：

L ── 断路器/熔断器 ── 开关电源L
N ───────────────── 开关电源N
PE ──────────────── 开关电源PE

然后从另一侧输出直流：

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开关电源V+ ──→ +24V母线
开关电源V- ──→ 0V母线

因此它有两套不同性质的端子：

输入端：高压交流
输出端：低压直流

这也是电气柜中强电区与弱电控制区的一个重要分界点。

五、使用什么电压和电流

开关电源也要区分输入侧和输出侧。

1. 输入电压

常见：

单相AC 110V
单相AC 220V
AC 100～240V宽范围
三相AC 380V
DC 24V
DC 48V

选型时必须确认：

输入是交流还是直流
单相还是三相
输入允许范围
频率范围
是否有输入电压选择开关
是否支持当地电网

特别要注意一些老式或低成本产品可能有：

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115V / 230V拨动选择开关

如果选择错误，可能直接损坏。

2. 输出电压

自动化设备中最常见：

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DC 24V

输出电压通常可在小范围内调整，例如略微调高或调低，用于补偿线路压降。

但不能随意大幅调高。PLC、传感器和继电器都有允许电压范围。

3. 输出电流

常见规格：

1A
2.5A
5A
10A
20A
40A

例如：

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24V / 5A

表示最大额定输出能力约为：

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24V × 5A = 120W

这里的5A不是说开关电源始终向外强制输出5A，而是：

在额定条件下，下游负载最多可以从它获取约5A电流。

实际电流由负载决定。

六、PLC怎样与开关电源连接

PLC通常是开关电源的负载之一。

典型连接：

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开关电源V+
→ PLC的L+或24V端

开关电源V-
→ PLC的M或0V端

不同PLC端子名称可能是：

L+、M
+24V、0V
V+、V-
24VDC、COM

同时，传感器、继电器和其他24V设备也会从同一个或不同的24V电源取电。

例如：

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开关电源+24V
├── PLC
├── 传感器
├── 中间继电器
├── 接触器线圈
└── 电磁阀

开关电源0V
├── PLC公共端
├── 传感器0V
├── 继电器回路
├── 接触器线圈回路
└── 电磁阀回路

PLC能不能控制开关电源开关

一般情况下，PLC不能直接切断给自己供电的开关电源，因为一旦切断：

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PLC失电
→ PLC程序停止
→ 无法再自行恢复输出

如果需要控制某一路辅助电源，通常会使用：

接触器
继电器
远程使能端
上级控制器
独立电源管理模块

但PLC自己的主供电一般不由PLC自身直接切断。

七、是PNP还是NPN，是源型还是漏型

开关电源本身不是PNP或NPN器件。

它只是提供：

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+24V
0V

PNP、NPN和源型、漏型是后续传感器及PLC输入输出回路的接线概念。

不过，开关电源决定了整个24V系统的供电基准。

例如一个PNP传感器典型连接：

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棕线 → +24V
蓝线 → 0V
黑线 → PLC输入

其中的+24V和0V就是由开关电源提供。

因此可以说：

开关电源本身没有PNP/NPN属性，但它为PNP或NPN控制回路提供直流电源。

八、输出是开关量、模拟量、脉冲还是通信数据

开关电源的主要输出是：

稳定的直流电压和电流。

它不是普通意义上的：

开关量输出
模拟量信号输出
脉冲输出
通信数据输出

不过部分工业开关电源会额外提供状态信号。

1. DC OK触点

部分开关电源带无源继电器触点：

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DC OK

当输出电压正常时，触点处于某个状态；输出异常时改变状态。

可以接PLC数字量输入：

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+24V
→ DC OK触点
→ PLC输入

PLC可以判断：

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24V控制电源正常
24V控制电源异常

2. 晶体管状态输出

有些开关电源会提供电子式状态输出，此时才可能涉及源型或漏型输出。

但必须看具体说明书，不能默认所有电源都有。

3. 通信功能

高端智能电源可能通过工业通信提供：

输出电压
输出电流
温度
剩余寿命
过载记录
设备状态

普通非标设备中并不常见。

九、有哪些重要选型参数

1. 输入电压范围

首先确认现场提供什么电源：

AC 220V
AC 110V
三相AC 380V
DC输入

选型时必须使输入范围覆盖现场电源波动。

2. 输出电压

最常见是DC 24V。

必须确认下游设备需要：

不能把24V直接供给5V设备。

3. 额定输出电流和功率

这是核心参数。

需要统计所有同时工作的24V负载：

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PLC电流
+ HMI电流
+ 传感器电流
+ 继电器线圈电流
+ 电磁阀电流
+ 接触器线圈电流
+ 通信设备电流
+ 其他24V负载

然后增加合理余量。

例如总负载估算为4A，不宜刚好选择4A电源，通常需要留出余量，尤其要考虑：

电磁阀同时吸合
接触器吸合浪涌
扩展模块
后续增加传感器
环境温度降容
长期可靠性

4. 峰值电流能力

很多负载启动时瞬时电流比稳定电流大，例如：

电容性负载
PLC和HMI上电
接触器线圈
电磁阀
工业计算机
DC电机

有些电源允许短时间输出超过额定电流，有些则很快进入限流或保护。

因此要看：

峰值输出电流
峰值持续时间
过载曲线
是否允许重复峰值

5. 输出纹波和噪声

输出并不是绝对平直的24V，通常会有少量纹波和高频噪声。

普通PLC和继电器一般不敏感，但以下设备可能更关注：

模拟量传感器
称重模块
高精度测量设备
编码器
通信模块
音频或视觉相关设备

必要时可能需要：

独立电源
DC滤波器
隔离模块
合理接地和布线

6. 稳压精度

输入电压和负载变化时，输出24V应保持在允许范围内。

需要关注：

线性调整率
负载调整率
输出精度
温度漂移

初学阶段可以先理解为：

负载变化后，输出电压不能明显漂移。

7. 效率

效率越高，相同输出功率下损耗和发热越小。

例如输出120W，若效率不高，会有更多能量转化为柜内热量。

这会影响：

柜内温升
电源寿命
是否需要风扇
电气柜尺寸

8. 工作温度和降容

开关电源通常不是在所有温度下都能满功率输出。

环境温度升高后，可能需要降额使用。

例如：

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低温时可输出100%
高温时只能输出80%

具体要看厂家降容曲线。

因此，不能只按铭牌功率选型，还要考虑：

柜内温度
是否靠近变频器
是否有风扇
是否安装在密闭柜
环境温度
海拔

9. 过载保护方式

常见方式包括：

恒流限流
打嗝模式
关断锁定
电压下垂
自动恢复

例如打嗝模式可以理解为：

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检测到过载
→ 暂停输出
→ 等待
→ 再尝试启动
→ 若仍过载再次暂停

此时现场可能看到：

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24V反复出现又消失
PLC反复重启
继电器反复吸合

10. 短路保护

输出短路后，电源应进入保护，而不是无限输出电流。

但短路保护并不意味着可以长期保留错误接线。

需要确认：

短路时的输出模式
是否自动恢复
是否需要重新上电
长期短路是否允许

11. 过压保护

如果内部稳压失效，过压保护应避免输出电压过高，损坏PLC和传感器。

12. 过温保护

温度过高时，部分电源会：

降低输出
自动关断
冷却后恢复

13. 隔离能力

工业AC/DC开关电源通常在输入与输出之间具有电气隔离。

这意味着交流高压侧和24V低压侧不是直接导通关系。

需要关注：

隔离耐压
绝缘等级
安全认证

但有隔离不代表输出侧完全不需要接地设计。

14. 并联和冗余能力

有些电源支持并联扩容：

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两台24V电源并联
→ 提供更大电流

有些支持冗余：

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电源A
       → 冗余模块 → 24V负载
电源B

一台故障时，另一台继续供电。

不能把两台普通开关电源直接随意并联，因为输出电压微小差异可能导致严重电流不均。

15. 启动时间和保持时间

启动时间

上电后多久输出稳定24V。

保持时间

交流输入短暂掉电后，输出还能维持多久。

保持时间越长，越有利于设备跨越短暂电网波动，但不能代替UPS。

16. EMC与抗干扰能力

需要关注：

传导干扰
辐射干扰
浪涌
静电放电
电快速瞬变
电压跌落

工业环境中，接触器、变频器和电磁阀都会制造干扰，因此工业电源与普通廉价适配器的要求不同。

十、正常工作时是什么状态

正常状态通常为：

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输入交流电压正常
电源运行指示灯亮
输出电压稳定在设定值附近
负载正常工作
无异常声音
无明显焦味
外壳温度处于允许范围

常见检查点：

AC输入端有电
DC输出约为24V
指示灯稳定
PLC不反复重启
传感器工作稳定
电磁阀吸合正常
电源没有持续打嗝

开关电源运行时会有一定温升，这不一定是故障。

十一、故障时会出现什么现象

1. 完全没有24V输出

可能原因：

上游断路器断开
输入熔断器熔断
AC输入缺失
输入接线松动
开关电源内部损坏
过压保护锁定
内部保险损坏
输入电压选择错误

2. 输出电压偏低

例如应为24V，实际只有18V或20V。

可能原因：

负载过重
电源功率不足
输出线路压降过大
接线端子松动
某个负载短路或半短路
电源老化
输出调节旋钮被误调

3. 24V反复出现和消失

典型表现：

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PLC启动
→ 电压下降
→ 电源保护
→ PLC掉电
→ 电源恢复
→ PLC再次启动

可能原因：

输出短路
严重过载
峰值电流过大
电源进入打嗝模式
某个电磁阀或线圈损坏
电源容量太小

4. 设备偶发重启

可能原因：

电源余量不足
瞬时负载过大
输入电压跌落
输出端子松动
24V布线过长
电磁阀和PLC共用电源，干扰严重
线圈反向浪涌没有抑制
开关电源老化
柜内温度过高

5. 电源异常发热

可能原因：

长期接近满载
环境温度高
通风口被堵
安装间距不足
输出短路或过载
输入电压异常
电源内部器件老化

6. 输出电压正常，但PLC仍异常

可能原因不一定在电源本体：

PLC端电压因线路压降不足
0V公共端接触不良
瞬态跌落万用表看不到
干扰导致PLC复位
PLC自身故障
某路负载回灌电压
接地和屏蔽不合理

十二、如何通过万用表定位故障

涉及交流高压输入端测量时，应由具备相应能力和防护条件的人员操作。

1. 测量输入侧

测量开关电源L与N之间：

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应有正常交流输入电压

如果输入没有电：

检查上游隔离开关
检查断路器
检查熔断器
检查接线
检查工厂电源

如果输入正常但无输出，问题更可能在电源本体或输出侧严重故障。

2. 测量空载输出

断开大部分负载后，测量：

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V+ 与 V-

正常24V电源通常应接近设定值。

若空载正常、接负载后明显下降，说明：

负载过大
某个负载异常
电源容量不足
输出线路接触不良

3. 分支排查

当24V短路或过载时，可以逐路断开负载：

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先断开电磁阀支路
再断开传感器支路
再断开继电器支路
再断开HMI支路

当断开某一路后电压恢复，故障大概率位于该分支。

这种方式比直接更换开关电源更有效。

4. 测量电源端和负载端电压

例如：

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电源输出端：24.1V
PLC端：21.5V

说明电源本身可能正常，问题在：

导线过细
线路过长
端子接触不良
分配模块压降
某个连接点发热

5. 断电后查短路

完成可靠断电并等待电容放电后，可以测量24V与0V之间电阻。

如果阻值异常低，可能存在：

负载短路
接线错误
线圈击穿
二极管接反
电源输出端短路

但大量电子设备接在总线上时，万用表读数可能受电容充电影响，不能仅凭蜂鸣就断定短路。

6. 测量输出电流

可以使用：

直流钳形表
电源自带显示
分支电流监测模块

不建议随意把普通万用表电流档串入整个24V大电流回路，接线错误可能烧毁表内保险或造成短路。

十三、PLC如何监控开关电源

PLC不能只依靠"自己还在运行"判断电源健康，因为严重掉电时PLC也会停止。

可以采用以下方式。

1. DC OK触点

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电源DC OK触点
→ PLC数字量输入

PLC可记录：

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24V电源异常

2. 独立电压监测继电器

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24V输出
→ 电压监测继电器
→ PLC输入

可以设置：

欠压报警
过压报警
延时报警

3. 模拟量监控

通过电压变送模块将24V转换成PLC模拟量范围，再由PLC读取具体电压。

4. 分支电子保护模块

现代控制柜有时会在24V电源后增加电子断路器或电子保护模块：

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24V开关电源
→ 电子保护模块
├── PLC支路
├── 传感器支路
├── 电磁阀支路
└── HMI支路

PLC可以知道具体是哪一路：

过流
短路
已断开

这比所有24V负载共用一个总保险更容易排查。

十四、安装位置和机械结构有什么要求

1. 电气位置

典型位置是：

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工厂电源
→ 主隔离开关
→ 总断路器
→ 控制电源支路断路器或熔断器
→ 开关电源
→ DC 24V分配和保护
→ PLC、传感器、继电器等

开关电源输入侧通常需要独立保护。

输出侧也应根据支路情况配置：

熔断器
小型断路器
电子保护器
分路端子

不能因为开关电源内部有短路保护，就完全不做下游分支保护。

2. 柜内物理位置

一般安装在：

控制柜中上部或中部
靠近AC配电区与DC控制区的交界处
DIN导轨或安装板上
便于散热和更换的位置

不宜：

紧贴变频器散热口
紧贴制动电阻
安装在柜底容易进水的位置
被大量线槽遮挡散热孔
与高温器件挤在一起

3. 安装方向

很多工业电源要求垂直安装，并规定：

上下散热距离
左右安装距离
是否允许并排
是否需要降容

应按说明书安装，不应任意横放或倒装。

4. 强弱电布线

输入侧AC线与输出侧24V线应合理分开。

特别是：

AC输入线
变频器动力线
电机线

不要与：

模拟量线
编码器线
通信线
低电平传感器线

长距离并行布置。

5. PE接地

带PE端子的金属外壳工业电源应按要求连接保护地。

PE主要作用包括：

触电保护
EMC泄放
外壳故障保护

不能因为输出是24V，就省略输入侧PE连接。

6. 0V是否接地

这是另一个问题。

开关电源的：

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PE

和输出侧：

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0V

不是同一个概念。

某些设备会将24V的0V在一个规定位置与PE连接，形成参考点；有些系统则保持浮地或采用其他接地方案。

不能随意多点连接，否则可能形成：

地环路
干扰电流
故障电流路径不明确

应根据系统接地方案统一设计。

十五、同类产品为什么有几十种型号

因为开关电源型号由大量参数组合决定：

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输入电压
＋ 输出电压
＋ 输出电流
＋ 输出功率
＋ 单相或三相
＋ DIN导轨或面板安装
＋ 防护等级
＋ 工作温度
＋ 峰值过载能力
＋ 并联和冗余能力
＋ DC OK触点
＋ 通信功能
＋ 认证标准

例如都是24V电源，也可能有：

24V 1A
24V 2.5A
24V 5A
24V 10A
24V 20A

同样是24V 10A，还可能分为：

单相220V输入
三相380V输入
普通型
高峰值型
冗余型
宽温型
超薄型
带通信型
防水型

不同设备的空间、负载、可靠性和环境要求不同，因此型号很多。

十六、开关电源与变压器有什么区别

变压器本身主要改变交流电压：

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AC 220V
→ 变压器
→ AC 24V

而开关电源通常输出稳定直流：

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AC 220V
→ 开关电源
→ DC 24V

开关电源内部往往也有高频变压器，但整体不仅是变压，还包含：

整流
高频开关
稳压
滤波
保护

所以不能把开关电源简单称为"变压器"。

十七、开关电源与普通电源适配器有什么区别

原理可能相似，但工业开关电源更强调：

DIN导轨安装
螺钉端子接线
宽温环境
工业抗干扰
长期连续运行
过载能力
散热设计
工业认证
便于柜内维护
状态触点和冗余功能

普通消费级适配器不一定适合长期安装在工业控制柜中。

十八、24V电源为什么要分支保护

假设一台10A开关电源同时给以下负载供电：

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PLC：1A
传感器：1A
HMI：1A
电磁阀：5A
继电器：1A
其他：1A

如果某一个传感器线短路，开关电源可能仍然可以输出很大电流。

如果没有分支保护，可能出现：

整个24V电源被拉低
PLC和HMI一起掉电
短路线发热
故障难以定位

更合理的是：

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24V开关电源
├── 2A保护 → PLC/HMI
├── 2A保护 → 传感器
├── 6A保护 → 电磁阀
└── 2A保护 → 继电器及其他

这样某个支路短路时，可以只切断该支路。

十九、选型时如何估算开关电源容量

先建立负载清单：

负载	数量	单个电流	同时工作电流
PLC及扩展	1套	1.0A	1.0A
HMI	1台	0.6A	0.6A
传感器	20个	0.02A	0.4A
中间继电器	10个	0.03A	0.3A
电磁阀	8个	0.15A	0.6A
接触器线圈	4个	0.1A	0.4A

合计：

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约3.3A

然后还需要考虑：

同时动作情况
吸合冲击
后续扩展
温度降容
长期运行余量

因此可能选择5A或更高规格，而不是刚好选3.5A。

但也不是越大越好。电源功率过大可能增加：

成本
体积
短路故障能量
分支保护难度

选型应以负载计算和厂家曲线为依据。

二十、开关电源最核心的认识

可以把开关电源理解成控制柜里的"能源翻译器"：

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输入：
工厂提供的高压交流电

内部：
整流、开关变换、隔离、滤波、稳压

输出：
PLC和传感器可使用的稳定低压直流电

一句话概括：

开关电源负责把设备的交流电转换成稳定的低压直流电。它本身不属于PNP或NPN器件，也不是逻辑输出设备；选型时需要同时考虑输入电压、输出电压、总负载电流、峰值电流、温度降容、过载方式、纹波、接地、散热和分支保护。