1. 引言

　　科技發(fā)展到當(dāng)今，對(duì)PLC的應(yīng)用已經(jīng)非常多了。今天我們來(lái)介紹PLC的輸出類型繼電器和晶體管。它們兩者的工作參數(shù)差別較大，使用前需加以區(qū)別，以免誤用而導(dǎo)致產(chǎn)品損壞。本文簡(jiǎn)要介紹了繼電器和晶體管輸出的特點(diǎn)及使用中的注意事項(xiàng)。

　　2. 繼電器和晶體管輸出工作原理

　　繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的（如圖1所示）。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。從繼電器的工作原理可以看出，它是一種機(jī)電元件，通過機(jī)械動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)的通斷，是有觸點(diǎn)元件。

圖1 電磁式繼電器結(jié)構(gòu)圖

晶體管是一種電子元件，它是通過基極電流來(lái)控制集電極與發(fā)射極的導(dǎo)通。它是無(wú)觸點(diǎn)元件。

　　3. 繼電器與晶體管輸出的主要差別

　?。?）繼電器輸出

　　優(yōu)點(diǎn)是不同公共點(diǎn)之間可帶不同的交、直流負(fù)載，且電壓也可不同，帶負(fù)載電流可達(dá)2A／點(diǎn)；但繼電器輸出方式不適用于高頻動(dòng)作的負(fù)載，這是由繼電器的壽命決 定的。其壽命隨帶負(fù)載電流的增加而減少，一般在幾十萬(wàn)次至Jl百萬(wàn)次之間，有的公司產(chǎn)品可達(dá)1000萬(wàn)次以上，響應(yīng)時(shí)間為10ms。

　　（2）晶體管輸出

　　最大優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)于高頻動(dòng)作，響應(yīng)時(shí)間短，一般為0.2ms左右，但它只能帶 DC 5-30V的負(fù)載，最大輸出負(fù)載電流為0.5A/點(diǎn)，但每4點(diǎn)不得大于0.8A。

　　當(dāng)你的系統(tǒng)輸出頻率為每分鐘6次以下時(shí)，應(yīng)首選繼電器輸出，因其電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，抗干擾和帶負(fù)載能力強(qiáng)。當(dāng)頻率為10次／min以下時(shí)，既可采用繼電器輸出方式；也可采用PLC輸出驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓三極管（5-10A），再驅(qū)動(dòng)負(fù)載，可大大減小。

　　繼電器

優(yōu)點(diǎn)：交流及直流負(fù)載都可以驅(qū)動(dòng)；負(fù)載額定電流大；

　　缺點(diǎn)：動(dòng)作頻率不能太高，同時(shí)繼電器是有壽命的，一般100萬(wàn)次；

　　晶體管

優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)作頻率可以達(dá)到幾百KHZ，無(wú)觸點(diǎn)，因此不存在機(jī)械壽命的說(shuō)法；

　　缺點(diǎn)：只能接直流負(fù)載（一般DC30V以下），電流比較小；

　　雙向可控硅（晶閘管輸出）：只能接交流的負(fù)載，動(dòng)作頻率比較高，壽命長(zhǎng)，但負(fù)載的額定電流也比較小

　　晶體管主要用于定位控制，要用晶體的輸出來(lái)發(fā)出脈沖。而繼電器是不能用發(fā)出脈沖的，也就不能定位控制了。如果用繼電器去控制定位伺服或是步進(jìn)的話就還要加定位模塊，經(jīng)濟(jì)上不劃算。而用一個(gè)晶體管輸出的就可以控制伺服等。就這么回事。 依據(jù)生產(chǎn)工藝要求，各種指示燈、變頻器/數(shù)字直流調(diào)速器的啟動(dòng)停止應(yīng)采用晶體管輸出，它適應(yīng)于高頻動(dòng)作，并且響應(yīng)時(shí)間短；如果PLC 系統(tǒng)輸出頻率為每分鐘6 次以下，應(yīng)首選繼電器輸出，采用這種方法，輸出電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，抗干擾和帶負(fù)載能力強(qiáng)。

　　1.負(fù)載電壓、電流類型不同

　　負(fù)載類型：晶體管只能帶直流負(fù)載，而繼電器帶交、直流負(fù)載均可。

　　電流：晶體管電流0.2A-0.3A，繼電器2A。

　　電壓：晶體管可接直流24V（一般最大在直流30V左右，繼電器可以接直流24V或交流220V。

　　2.負(fù)載能力不同

　　晶體管帶負(fù)載的能力小于繼電器帶負(fù)載的能力，用晶體管時(shí)，有時(shí)候要加其他東西來(lái)帶動(dòng)大負(fù)載（如繼電器，固態(tài)繼電器等）。

表1 輸出端口規(guī)格

　　3.晶體管過載能力小于繼電器過載的能力

　　一般來(lái)說(shuō)，存在沖擊電流較大的情況時(shí)（例如燈泡、感性負(fù)載等），晶體管過載能力較小，需要降額更多。

　　4.晶體管響應(yīng)速度快于繼電器

　　繼電器輸出型原理是CPU驅(qū)動(dòng)繼電器線圈，令觸點(diǎn)吸合，使外部電源通過閉合的觸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，其開路漏電流為零，響應(yīng)時(shí)間慢（約10ms）。

　　晶體管輸出型原理是CPU通過光耦合使晶體管通斷，以控制外部直流負(fù)載，響應(yīng)時(shí)間快（約0.2ms甚至更小）。晶體管輸出一般用于高速輸出，如伺服／步進(jìn)等，用于動(dòng)作頻率高的輸出：如溫度ＰＩＤ控制， 主要用在步進(jìn)電機(jī)控制，也有伺服控制，還有電磁閥控制（閥動(dòng)作頻率高）。

　　5.在額定工作情況下，繼電器有動(dòng)作次數(shù)壽命，晶體管只有老化沒有使用次數(shù)限制

　　繼電器是機(jī)械元件所以有動(dòng)作壽命，晶體管是電子元件，只有老化，沒有使用次數(shù)限制。繼電器的每分鐘開關(guān)次數(shù)也是有限制的，而晶體管則沒有。

　　6.使用壽命不同

　　繼電器由于是機(jī)械元件受到動(dòng)作次數(shù)的壽命限制，且與負(fù)載容量有關(guān)，詳見表2，從表中可以看出，隨著負(fù)載容量的增加，觸點(diǎn)壽命幾乎按級(jí)數(shù)減少。晶體管是電子原件只有老化，沒有使用壽命限制。

表2 繼電器使用壽命

　　7.價(jià)格不同

　　晶體管輸出的價(jià)格稍貴一點(diǎn)。

　　4. 繼電器與晶體管輸出選型原則

　　繼電器型輸出驅(qū)動(dòng)電流大，響應(yīng)慢，有機(jī)械壽命，適用于驅(qū)動(dòng)中間繼電器、接觸器的線圈、指示燈等動(dòng)作頻率不高的場(chǎng)合。晶體管輸出驅(qū)動(dòng)電流小，頻率高，壽命長(zhǎng)，適用于控制伺服控制器、固態(tài)繼電器等要求頻率高、壽命長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合。在高頻應(yīng)用場(chǎng)合，如果同時(shí)需要驅(qū)動(dòng)大負(fù)載，可以加其他設(shè)備（如中間繼電器，固態(tài)繼電器等）方式驅(qū)動(dòng)。

　　4.1驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載的影響

圖2 驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的瞬間高壓

　　繼電器控制接觸器等感性負(fù)載的開合瞬間，由于電感具有電流具有不可突變的特點(diǎn)，因此根據(jù)U=L*（dI/dt），將產(chǎn)生一個(gè)瞬間的尖峰電壓在繼電器的兩個(gè)觸點(diǎn)之間，該電壓幅值超過繼電器的觸點(diǎn)耐壓的降額；繼電器采用的電磁式繼電器，觸點(diǎn)間的耐受電壓是1000V（1min），若觸點(diǎn)間的電壓長(zhǎng)期的工作在1000V左右的話，容易造成觸點(diǎn)金屬遷移和氧化，出現(xiàn)接觸電阻變大、接觸不良和觸點(diǎn)粘接的現(xiàn)象。而且動(dòng)作頻率越快現(xiàn)象越嚴(yán)重。瞬間高壓如下圖2 所示，持續(xù)的時(shí)間在1ms以內(nèi)，幅值為1KV以上。晶體管輸出為感性負(fù)載時(shí)也同樣存在這個(gè)問題，該瞬時(shí)高壓可能導(dǎo)致晶體管的損壞。

　　因此當(dāng)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)應(yīng)在負(fù)載兩端接入吸收保護(hù)電路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流回路的感性負(fù)載（如繼電器線圈）時(shí)，用戶電路需并聯(lián)續(xù)流二極管（需注意二極管極性）；若驅(qū)動(dòng)交流回路的感性負(fù)載時(shí)，用戶電路需并聯(lián)RC浪涌吸收電路，以保護(hù)PLC的輸出觸點(diǎn)。PLC輸出觸點(diǎn)的保護(hù)電路如圖3所示。

圖3 PLC輸出觸點(diǎn)的保護(hù)電路

　　4.2使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)

　　目前市場(chǎng)上經(jīng)常出現(xiàn)繼電器問題的客戶現(xiàn)場(chǎng)有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是：出現(xiàn)故障的輸出點(diǎn)動(dòng)作頻率比較快，驅(qū)動(dòng)的負(fù)載都是繼電器、電磁閥或接觸器等感性負(fù)載而且沒有吸收保護(hù)電路。因此建議在PLC輸出類型選擇和使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　（1）一定要關(guān)注負(fù)載容量。輸出端口須遵守允許最大電流限制（如表1所示），以保證輸出端口的發(fā)熱限制在允許范圍。繼電器的使用壽命與負(fù)載容量有關(guān)，當(dāng)負(fù)載容量增加時(shí)，觸點(diǎn)壽命將大大降低（如表2所示），因此要特別關(guān)注。

　　（2）一定要關(guān)注負(fù)載性質(zhì)。根據(jù)第4節(jié)的分析，感性負(fù)載在開合瞬間會(huì)產(chǎn)生瞬間高壓，因此表面上看負(fù)載容量可能并不大，但是實(shí)際上負(fù)載容量很大，繼電器的壽命將大大縮短，因此當(dāng)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)應(yīng)在負(fù)載兩端接入吸收保護(hù)電路。尤其在工作頻率比較高時(shí)務(wù)必增加保護(hù)電路。從客戶的使用情況來(lái)看，增加吸收保護(hù)電路后的改善效果十分明顯。

　　根據(jù)電容的特性，如果直接驅(qū)動(dòng)電容負(fù)載，在導(dǎo)通瞬間將產(chǎn)生沖擊浪涌電流，因此原則上輸出端口不宜接入容性負(fù)載，若有必要，需保證其沖擊浪涌電流小于規(guī)格（見表1?說(shuō)明中的最大電流。

　　（3）一定要關(guān)注動(dòng)作頻率。當(dāng)動(dòng)作頻率較高時(shí)，建議選擇晶體管輸出類型，如果同時(shí)還要驅(qū)動(dòng)大電流則可以使用晶體管輸出驅(qū)動(dòng)中間繼電器的模式。當(dāng)控制步進(jìn)電機(jī)/伺服系統(tǒng)，或者用到高速輸出/PWM波，或者用于動(dòng)作頻率高的節(jié)點(diǎn)等場(chǎng)合，只能選用晶體管型。PLC對(duì)擴(kuò)展模塊與主模塊的輸出類型并不要求一致，因此當(dāng)系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)較多而功能各異時(shí)，可以考慮繼電器輸出的主模塊擴(kuò)展晶體管輸出或晶體管輸出主模塊擴(kuò)展繼電器輸出以達(dá)到最佳配合。

　　5. 結(jié)論

　　本文簡(jiǎn)要比較了PLC的繼電器和晶體管兩種輸出類型的工作原理及特點(diǎn)，提出了在選型和使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)。 事實(shí)證明，根據(jù)負(fù)載性質(zhì)和容量以及工作頻率進(jìn)行正確選型和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，輸出口的故障率明顯下降，客戶十分滿意。