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艾默生CT 唐愛民
摘要：本文簡要比較了PLC的繼電器和晶體管兩種輸出類型的工作原理及特點,提出了在選型和使用中應(yīng)注意的事項。
關(guān)鍵詞：PLC輸出類型、繼電器、晶體管
1．引言
PLC的輸出類型有繼電器和晶體管兩種類型，兩者的工作參數(shù)差別較大，使用前需加以區(qū)別，以免誤用而導致產(chǎn)品損壞。本文簡要介紹了繼電器和晶體管輸出的特點及使用中的注意事項。
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)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的（如圖1所示）。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。從繼電器的工作原理可以看出，它是一種機電元件，通過機械動作來實現(xiàn)觸點的通斷，是有觸點元件。
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控制集電極與發(fā)射極的導通。它是無觸點元件。
3． 繼電器與晶體管輸出的主要差別
由于繼電器與晶體管工作原理的不同，導致了兩者的工作參數(shù)存在了較大的差異，下面以艾默生EC系列PLC相關(guān)數(shù)據(jù)為例進行比較說明（輸出口主要規(guī)格參見表1）
（1）驅(qū)動負載不同
繼電器型可接交流220V或直流24V負載，沒有極性要求；晶體管型只能接直流24V負載，有極性要求。
繼電器的負載電流比較大可以達到2A，晶體管負載電流為0.2-0.3A。同時與負載類型有關(guān)，具體參見表1。
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項目 |
繼電器輸出端口 |
晶體管輸出端口 |
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外部電源 |
250Vac、30Vdc以下 |
5～24Vdc |
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電路絕緣 |
繼電器機械絕緣 |
光耦絕緣 |
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動作指示 |
繼電器輸出觸點閉合指示燈點亮 |
光耦被驅(qū)動時指示燈點亮 |
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開路時漏電流 |
/ |
小于0.1mA/30Vdc |
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最小負載 |
2mA/5Vdc |
5mA（5～24Vdc） |
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最大輸出電流 |
電阻負載 |
2A/1點；
8A/4點組公共端；
8A/8點組公共端 |
Y0、Y1：0.3A/1點
其他：0.3A/1點
0.8A/4點
1.2A/6點
1.6A/8點
8點以上每增加1點允許總電流增加0.1A |
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感性負載 |
220Vac，80VA |
Y0、Y1：7.2W/24Vdc
其他：12W/24Vdc |
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電燈負載 |
220Vac，100W |
Y0、Y1：0.9W/24Vdc
其他：1.5W/24Vdc |
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響應(yīng)時間 |
ON-OFF |
最多20ms |
Y0、Y1：10us
其他：0.5ms |
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OFF-ON |
最多20ms |
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Y0、Y1最高輸出頻率 |
/ |
每通道100kHz |
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輸出公共端 |
Y0－COM0；Y1－COM1；Y2以后至多每8個端口使用1個公共端，每個公共端之間彼此隔離 |
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熔斷器保護 |
無 |
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表1 輸出端口規(guī)格
（2）響應(yīng)時間不同
繼電器響應(yīng)時間比較慢（約10ms-20ms），晶體管響應(yīng)時間比較快，約0.2ms-0.5ms，Y0、Y1甚至可以達到10 us。
（3）使用壽命不同
繼電器由于是機械元件受到動作次數(shù)的壽命限制，且與負載容量有關(guān)，詳見表2，從表中可以看出，隨著負載容量的增加，觸點壽命幾乎按級數(shù)減少。晶體管是電子原件只有老化，沒有使用壽命限制。
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負荷容量 |
動作頻率條件 |
觸點壽命 |
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220VAC，15VA |
1秒ON/1秒OFF |
320萬次 |
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220VAC，30VA |
1秒ON/1秒OFF |
120萬次 |
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220VAC，60VA |
1秒ON/1秒OFF |
30萬次 |
表2 繼電器使用壽命
4．繼電器與晶體管輸出選型原則
繼電器型輸出驅(qū)動電流大，響應(yīng)慢，有機械壽命，適用于驅(qū)動中間繼電器、接觸器的線圈、指示燈等動作頻率不高的場合。晶體管輸出驅(qū)動電流小，頻率高，壽命長，適用于控制伺服控制器、固態(tài)繼電器等要求頻率高、壽命長的應(yīng)用場合。在高頻應(yīng)用場合，如果同時需要驅(qū)動大負載，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。
5． 驅(qū)動感性負載的影響
圖2 驅(qū)動感性負載時產(chǎn)生的瞬間高壓
繼電器控制接觸器等感性負載的開合瞬間，由于電感具有電流具有不可突變的特點，因此根據(jù)U=L*(dI/dt)，將產(chǎn)生一個瞬間的尖峰電壓在繼電器的兩個觸點之間，該電壓幅值超過繼電器的觸點耐壓的降額；繼電器采用的電磁式繼電器，觸點間的耐受電壓是1000V（1min），若觸點間的電壓長期的工作在1000V左右的話，容易造成觸點金屬遷移和氧化，出現(xiàn)接觸電阻變大、接觸不良和觸點粘接的現(xiàn)象。而且動作頻率越快現(xiàn)象越嚴重。瞬間高壓如下圖2所示，持續(xù)的時間在1ms以內(nèi)，幅值為1KV以上。晶體管輸出為感性負載時也同樣存在這個問題，該瞬時高壓可能導致晶體管的損壞。
因此當驅(qū)動感性負載時應(yīng)在負載兩端接入吸收保護電路。當驅(qū)動直流回路的感性負載（如繼電器線圈）時，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)動交流回路的感性負載時，用戶電路需并聯(lián)RC浪涌吸收電路，以保護PLC的輸出觸點。PLC輸出觸點的保護電路如圖3所示。
圖3 PLC輸出觸點的保護電路
6． 使用中應(yīng)注意的事項
目前市場上經(jīng)常出現(xiàn)繼電器問題的客戶現(xiàn)場有一個共同的特點就是：出現(xiàn)故障的輸出點動作頻率比較快，驅(qū)動的負載都是繼電器、電磁閥或接觸器等感性負載而且沒有吸收保護電路。因此建議在PLC輸出類型選擇和使用時應(yīng)注意以下幾點：
（1） 一定要關(guān)注負載容量。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載容量有關(guān)，當負載容量增加時，觸點壽命將大大降低（如表2所示），因此要特別關(guān)注。
（2） 一定要關(guān)注負載性質(zhì)。根據(jù)第4節(jié)的分析，感性負載在開合瞬間會產(chǎn)生瞬間高壓，因此表面上看負載容量可能并不大，但是實際上負載容量很大，繼電器的壽命將大大縮短，因此當驅(qū)動感性負載時應(yīng)在負載兩端接入吸收保護電路。尤其在工作頻率比較高時務(wù)必增加保護電路。從客戶的使用情況來看，增加吸收保護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)動電容負載，在導通瞬間將產(chǎn)生沖擊浪涌電流，因此原則上輸出端口不宜接入容性負載，若有必要，需保證其沖擊浪涌電流小于規(guī)格（見表1）說明中的最大電流。
（3） 一定要關(guān)注動作頻率。當動作頻率較高時，建議選擇晶體管輸出類型，如果同時還要驅(qū)動大電流則可以使用晶體管輸出驅(qū)動中間繼電器的模式。當控制步進電機/伺服系統(tǒng)，或者用到高速輸出/PWM波，或者用于動作頻率高的節(jié)點等場合，只能選用晶體管型。PLC對擴展模塊與主模塊的輸出類型并不要求一致，因此當系統(tǒng)點數(shù)較多而功能各異時，可以考慮繼電器輸出的主模塊擴展晶體管輸出或晶體管輸出主模塊擴展繼電器輸出以達到最佳配合。
事實證明，根據(jù)負載性質(zhì)和容量以及工作頻率進行正確選型和系統(tǒng)設(shè)計，輸出口的故障率明顯下降，客戶十分滿意。
參考文獻：
艾默生EC20系列可編程控制器用戶手冊
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