PLC的输出类型（继电器和晶体管）及选择

1. 引言：科技发展到当今，对PLC的应用已经非常多了。今天我们来介绍PLC的输出类型继电器和晶体管。它们两者的工作参数差别较大，使用前需加以区别，以免误用而导致产品损坏。本文简要介绍了继电器和晶体管输出的特点及使用中的注意事项。

　　2. 继电器和晶体管输出工作原理

　　继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的（如图1所示）。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。从继电器的工作原理可以看出，它是一种机电元件，通过机械动作来实现触点的通断，是有触点元件。

　　图1 电磁式继电器结构图

　　晶体管是一种电子元件，它是通过基极电流来控制集电极与发射极的导通。它是无触点元件。

　　3. 继电器与晶体管输出的主要差别

　　（1）继电器输出

　　优点是不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负载电流可达2A／点；但继电器输出方式不适用于高频动作的负载，这是由继电器的寿命决 定的。其寿命随带负载电流的增加而减少，一般在几十万次至Jl百万次之间，有的公司产品可达1000万次以上，响应时间为10ms。

　　（2）晶体管输出

　　最大优点是适应于高频动作，响应时间短，一般为0.2ms左右，但它只能带 DC 5-30V的负载，最大输出负载电流为0.5A/点，但每4点不得大于0.8A。

　　当你的系统输出频率为每分钟6次以下时，应首选继电器输出，因其电路设计简单，抗干扰和带负载能力强。当频率为10次／min以下时，既可采用继电器输出方式；也可采用PLC输出驱动达林顿三极管（5-10A），再驱动负载，可大大减小。

　　继电器 

    优点：交流及直流负载都可以驱动；负载额定电流大；

　　缺点：动作频率不能太高，同时继电器是有寿命的，一般100万次；

　　晶体管

    优点：动作频率可以达到几百KHZ，无触点，因此不存在机械寿命的说法；

　　缺点：只能接直流负载（一般DC30V以下），电流比较小；

　　双向可控硅（晶闸管输出）：只能接交流的负载，动作频率比较高，寿命长，但负载的额定电流也比较小

　　晶体管主要用于定位控制，要用晶体的输出来发出脉冲。而继电器是不能用发出脉冲的，也就不能定位控制了。如果用继电器去控制定位伺服或是步进的话就还要加定位模块，经济上不划算。而用一个晶体管输出的就可以控制伺服等。就这么回事。  依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短；如果PLC 系统输出频率为每分钟6 次以下，应首选继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。

　　1.负载电压、电流类型不同

　　负载类型：晶体管只能带直流负载，而继电器带交、直流负载均可。

　　电流：晶体管电流0.2A-0.3A，继电器2A。

　　电压：晶体管可接直流24V（一般最大在直流30V左右，继电器可以接直流24V或交流220V。

　　2.负载能力不同

　　晶体管带负载的能力小于继电器带负载的能力，用晶体管时，有时候要加其他东西来带动大负载（如继电器，固态继电器等）。

表1 输出端口规格

　　3.晶体管过载能力小于继电器过载的能力

　　一般来说，存在冲击电流较大的情况时（例如灯泡、感性负载等），晶体管过载能力较小，需要降额更多。

　　4.晶体管响应速度快于继电器

　　继电器输出型原理是CPU驱动继电器线圈，令触点吸合，使外部电源通过闭合的触点驱动外部负载，其开路漏电流为零，响应时间慢（约10ms）。

　　晶体管输出型原理是CPU通过光耦合使晶体管通断，以控制外部直流负载，响应时间快（约0.2ms甚至更小）。晶体管输出一般用于高速输出，如伺服／步进等，用于动作频率高的输出：如温度ＰＩＤ控制， 主要用在步进电机控制，也有伺服控制，还有电磁阀控制（阀动作频率高）。

　　5.在额定工作情况下，继电器有动作次数寿命，晶体管只有老化没有使用次数限制

　　继电器是机械元件所以有动作寿命，晶体管是电子元件，只有老化，没有使用次数限制。继电器的每分钟开关次数也是有限制的，而晶体管则没有。

　　6.使用寿命不同

　　继电器由于是机械元件受到动作次数的寿命限制，且与负载容量有关，详见表2，从表中可以看出，随着负载容量的增加，触点寿命几乎按级数减少。晶体管是电子原件只有老化，没有使用寿命限制。

表2  继电器使用寿命

　　7.价格不同

　　晶体管输出的价格稍贵一点。

4. 继电器与晶体管输出选型原则

　　继电器型输出驱动电流大，响应慢，有机械寿命，适用于驱动中间继电器、接触器的线圈、指示灯等动作频率不高的场合。晶体管输出驱动电流小，频率高，寿命长，适用于控制伺服控制器、固态继电器等要求频率高、寿命长的应用场合。在高频应用场合，如果同时需要驱动大负载，可以加其他设备（如中间继电器，固态继电器等）方式驱动。

　　4.1驱动感性负载的影响

　　图2  驱动感性负载时产生的瞬间高压

　　继电器控制接触器等感性负载的开合瞬间，由于电感具有电流具有不可突变的特点，因此根据U=L*（dI/dt），将产生一个瞬间的尖峰电压在继电器的两个触点之间，该电压幅值超过继电器的触点耐压的降额；继电器采用的电磁式继电器，触点间的耐受电压是1000V（1min），若触点间的电压长期的工作在1000V左右的话，容易造成触点金属迁移和氧化，出现接触电阻变大、接触不良和触点粘接的现象。而且动作频率越快现象越严重。瞬间高压如下图2 所示，持续的时间在1ms以内，幅值为1KV以上。晶体管输出为感性负载时也同样存在这个问题，该瞬时高压可能导致晶体管的损坏。

　　因此当驱动感性负载时应在负载两端接入吸收保护电路。当驱动直流回路的感性负载（如继电器线圈）时，用户电路需并联续流二极管（需注意二极管极性）；若驱动交流回路的感性负载时，用户电路需并联RC浪涌吸收电路，以保护PLC的输出触点。PLC输出触点的保护电路如图3所示。

　　4.2使用中应注意的事项

　　目前市场上经常出现继电器问题的客户现场有一个共同的特点就是：出现故障的输出点动作频率比较快，驱动的负载都是继电器、电磁阀或接触器等感性负载而且没有吸收保护电路。因此建议在PLC输出类型选择和使用时应注意以下几点：

　　（1）一定要关注负载容量。输出端口须遵守允许最大电流限制（如表1所示），以保证输出端口的发热限制在允许范围。继电器的使用寿命与负载容量有关，当负载容量增加时，触点寿命将大大降低（如表2所示），因此要特别关注。

　　（2）一定要关注负载性质。根据第4节的分析，感性负载在开合瞬间会产生瞬间高压，因此表面上看负载容量可能并不大，但是实际上负载容量很大，继电器的寿命将大大缩短，因此当驱动感性负载时应在负载两端接入吸收保护电路。尤其在工作频率比较高时务必增加保护电路。从客户的使用情况来看，增加吸收保护电路后的改善效果十分明显。

　　根据电容的特性，如果直接驱动电容负载，在导通瞬间将产生冲击浪涌电流，因此原则上输出端口不宜接入容性负载，若有必要，需保证其冲击浪涌电流小于规格（见表1）说明中的最大电流。

　　（3）一定要关注动作频率。当动作频率较高时，建议选择晶体管输出类型，如果同时还要驱动大电流则可以使用晶体管输出驱动中间继电器的模式。当控制步进电机/伺服系统，或者用到高速输出/PWM波，或者用于动作频率高的节点等场合，只能选用晶体管型。PLC对扩展模块与主模块的输出类型并不要求一致，因此当系统点数较多而功能各异时，可以考虑继电器输出的主模块扩展晶体管输出或晶体管输出主模块扩展继电器输出以达到最佳配合。

　　5. 结论

　　本文简要比较了PLC的继电器和晶体管两种输出类型的工作原理及特点，提出了在选型和使用中应注意的事项。 事实证明，根据负载性质和容量以及工作频率进行正确选型和系统设计，输出口的故障率明显下降，客户十分满意。