一、問(wèn)題背景
上海正航電子科技有限公司目前提供的PLC按輸出類型分可分為繼電器輸出型和晶體管輸出型。相較于繼電器輸出，晶體管輸出有驅(qū)動(dòng)電流小，頻率高，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。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。在實(shí)際使用中，客戶在晶體管輸出端會(huì)接一些感性負(fù)載，例如:電磁閥。由于感性負(fù)載在接通電源或者斷開(kāi)電源的一瞬間，會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)電壓，而這個(gè)電壓可高達(dá)幾百伏，很容易擊穿PLC輸出的晶體管。正航維修部也曾接到過(guò)客戶使用晶體管輸出的PLC接電磁閥燒壞輸出晶體管的維修品，所以我們建議客戶在接感性負(fù)載時(shí)，加上一些保護(hù)晶體管的元器件。
二、產(chǎn)生原因
通常情況下，一般把帶電感參數(shù)的負(fù)載，即符合電壓超前電流特性的負(fù)載，稱為感性負(fù)載。通俗地說(shuō)，即應(yīng)用電磁感應(yīng)原理制作的大功率電器產(chǎn)品。由于感性負(fù)載在接通電源或者斷開(kāi)電源的一瞬間，會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)電壓，如下圖：
圖1 感性負(fù)載反向電動(dòng)勢(shì)電壓
因?yàn)殡姼惺且源艌?chǎng)的形式儲(chǔ)存電能，所以當(dāng)電流減小時(shí)或突然降為0(電源斷開(kāi))時(shí)，磁能要轉(zhuǎn)換為電能，這個(gè)電能就是電壓(反向電動(dòng)勢(shì))，因?yàn)樗凶璧K電流減小的趨勢(shì)，它勢(shì)必通過(guò)反向電動(dòng)勢(shì)來(lái)給外部電路供能量。根據(jù)P=UI，如果I很小，則U很大，也就是說(shuō)假如電路短路，電感電流突然變?yōu)?，則電感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)非常大，其中能量也只能通過(guò)輻射消耗了。這時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)電壓可高達(dá)幾百伏以上，很容易擊穿驅(qū)動(dòng)晶體管或其他電路元件。
三、解決方案
首先我們了解一下正航PLC內(nèi)部晶體管輸出的內(nèi)部構(gòu)造，正航PLC內(nèi)部晶體管輸出如下圖：
圖2 晶體管輸出內(nèi)部機(jī)構(gòu)圖
當(dāng)PQ0.0有輸出時(shí)，接通光電耦合器S1，光電耦合器是一種把電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成為光學(xué)信號(hào)，然后又回復(fù)電子信號(hào)的半導(dǎo)體器件。光電耦合器接通，驅(qū)動(dòng)晶體管T1導(dǎo)通，Q0.0輸出24V。輸出電路輸出的三極管是一個(gè)PNP型的，所以輸出電流只能是從Q0.0流出的，接線時(shí)要注意。
T1實(shí)際規(guī)格為集電極與發(fā)射極耐壓值100V，集電極電流可達(dá)5A。正航公司對(duì)晶體管輸出的技術(shù)規(guī)范為額定電壓24VDC，額定電流為0.75A，在此額定范圍內(nèi)，已留有足夠的余量。
在實(shí)際使用，我們發(fā)現(xiàn)有些客戶會(huì)在輸出端接一些電磁閥，接觸器等感性器件。由于感性負(fù)載在接通電源或者斷開(kāi)電源的一瞬間，會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)電壓，而這個(gè)電壓可高達(dá)幾百伏，很容易擊穿PLC輸出的晶體管。所以我們建議客戶在接感性器件時(shí)，并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。如下圖：
圖3 并聯(lián)續(xù)流二極管接線圖
感性負(fù)載在通過(guò)電流時(shí)，會(huì)在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電流消失時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)電路中的晶體管產(chǎn)生反向電壓，此時(shí)產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，電壓可高達(dá)幾百伏以上。當(dāng)反向電壓高于晶體管的反向擊穿電壓時(shí)，會(huì)使晶體管造成損壞。續(xù)流二極管并聯(lián)在感性負(fù)載兩端，當(dāng)流過(guò)感性負(fù)載中的電流消失時(shí)，由于二極管的接入正好和反向電動(dòng)勢(shì)方向一致，感性負(fù)載產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)通過(guò)二極管和感性負(fù)載構(gòu)成的回路做功而消耗掉，從而保護(hù)了電路中的晶體管和其它元件的安全。
在電磁閥線圈側(cè)并聯(lián)一個(gè)快速開(kāi)關(guān)二極管，在電磁閥線圈失電時(shí)，產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)沖擊可以得到明顯抑制。如下圖：
圖4-1未接二極管
圖4-2 加并聯(lián)二極管
四、總結(jié)
晶體管輸出型PLC在接感性負(fù)載時(shí)會(huì)出現(xiàn)燒壞輸出點(diǎn)晶體管的情況，這是由于感性負(fù)載在觸點(diǎn)斷開(kāi)瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)可高達(dá)幾百伏，很容易燒壞輸出點(diǎn)的晶體管。在感性負(fù)載兩端反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，通過(guò)續(xù)流二極管和感性負(fù)載構(gòu)成續(xù)流電路，續(xù)流電路可以釋放掉感性負(fù)載中儲(chǔ)存的能量，防止感應(yīng)電壓過(guò)高，擊穿晶體管。
在感性負(fù)載兩端反并聯(lián)續(xù)流二極管要注意以下幾點(diǎn)：
(1)續(xù)流二極管一般選擇快速恢復(fù)二極管或者肖特基二極管(例如1N5819);
(2)續(xù)流二極管與感性負(fù)載必須接觸良好，防止因接觸不良造成元器件損壞;
(3)續(xù)流二極管的極性不能接錯(cuò)，否則將造成短路事故;
(4)續(xù)流二極管對(duì)直流電壓總是反接的，即二極管的負(fù)極接直流電的正極端。
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