1. 引言

　　科技發(fā)展到當(dāng)今，對PLC的應(yīng)用已經(jīng)非常多了。今天我們來介紹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(dāng)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(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(dǎo)通。它是無觸點元件。

　　3. 繼電器與晶體管輸出的主要差別

　　（1）繼電器輸出

　　優(yōu)點是不同公共點之間可帶不同的交、直流負(fù)載，且電壓也可不同，帶負(fù)載電流可達2A／點；但繼電器輸出方式不適用于高頻動作的負(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，一般在幾十萬次至Jl百萬次之間，有的公司產(chǎn)品可達1000萬次以上，響應(yīng)時間為10ms。

　　（2）晶體管輸出

　　最大優(yōu)點是適應(yīng)于高頻動作，響應(yīng)時間短，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，但每4點不得大于0.8A。

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

　　繼電器

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

　　缺點：動作頻率不能太高，同時繼電器是有壽命的，一般100萬次；

　　晶體管

優(yōu)點：動作頻率可以達到幾百KHZ，無觸點，因此不存在機械壽命的說法；

　　缺點：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，動作頻率比較高，壽命長，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的話就還要加定位模塊，經(jīng)濟上不劃算。而用一個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)速器的啟動停止應(yīng)采用晶體管輸出，它適應(yīng)于高頻動作，并且響應(yīng)時間短；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)計簡單，抗干擾和帶負(fù)載能力強。

　　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，有時候要加其他東西來帶動大負(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

　　一般來說，存在沖擊電流較大的情況時（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)動繼電器線圈，令觸點吸合，使外部電源通過閉合的觸點驅(qū)動外部負(fù)載，其開路漏電流為零，響應(yīng)時間慢（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／步進等，用于動作頻率高的輸出：如溫度ＰＩＤ控制， 主要用在步進電機控制，也有伺服控制，還有電磁閥控制（閥動作頻率高）。

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

　　繼電器是機械元件所以有動作壽命，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

　　繼電器由于是機械元件受到動作次數(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。

表2 繼電器使用壽命

　　7.價格不同

　　晶體管輸出的價格稍貴一點。

　　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(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。

　　4.1驅(qū)動感性負(fù)載的影響

圖2 驅(qū)動感性負(fù)載時產(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，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(yán)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(fù)載時也同樣存在這個問題，該瞬時高壓可能導(dǎo)致晶體管的損壞。

　　因此當(dāng)驅(qū)動感性負(fù)載時應(yīng)在負(fù)載兩端接入吸收保護電路。當(dāng)驅(qū)動直流回路的感性負(fù)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(fù)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

　　4.2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(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(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，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(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)動感性負(fù)載時應(yīng)在負(fù)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(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?說明中的最大電流。

　　（3）一定要關(guān)注動作頻率。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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。

　　5. 結(jié)論

　　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。 事實證明，根據(jù)負(fù)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。