PLC常用半导体元件的开关特性

  PLC的全部功能都是通过具体的电子电路来完成的，涉及非常丰富的电子电路知识，但对初学者来说，PLC 仅是一门应用技术，只需要懂得PLC的应用知识就可以使用它，不需要去系统地学习电子电路知识。在PLC应用知识中，PLC与外部设备或元器件连接时，特别是与有源电子开关连接时，会涉及一些基本的电子电路知识。编者认为这些知识是初学者应该学习和掌握的。掌握这些知识，才能正确地进行 I/O 端口的连接。这些知识包括常用元器件的开关特性、常用开关电路的结构及其连接等。

  1. 半导体二极管及其单向导电性

  半导体二极管是一个含有一个PN结的电子元件，把它的P区和N区均接上电极引线，并用外壳封装，就制成了一个半导体二极管。从P区引出的电极称为二极管的阳极(或正极)，从N区引出的电极称为二极管的阴极(或负极)。其电路符号如图1.4-1所示。

  图1.4-1 二极管图示

  二极管的单向导电性指当二极管加上正向电压又叫正向偏置(P接 ，N 接-)时，二极管中有较大电流流过，灯泡会亮;而加反向电压又叫反向偏置(P接-，N 接 )时，二极管没有电流流过，灯泡不亮。这种单向导电性在电路中起到了一个开关的作用，如图 1.4-2 所示。加正向电压，相当于开关接近，如图1.4-2(a);加反向电压(或正向电压≤0.3V)时，相当于开关断开，如图1.4-2(b)。

  (a)

  (b)

  图1.4-2 二极管单向导电性

  二极管的应用十分广泛，在电子电路中可以组成整流电路、限幅电路、稳压电路、检波电路、开关电路等。

  二极管的种类也非常多，有整流二极管、开关二极管、稳压二极管、变亮二极管、发光二极管等。发光二极管与光敏二极管组成的光电耦合器在PLC的输入电路中得到了广泛应用。

  2. 晶体管及其开关特性

  晶体管是 20 世纪科学技术领域具有划时代意义的发明。它的发明使自动化和信息化发生了根本性的变革。晶体管的发明者获得了1956年诺贝尔物理奖。

  晶体管又称三极管，是一种具有三个引出极的半导体器件。这三个极分别是基极 B、集电极C和发射极E。在电路中，三极管可以起到电流放大和电子开关的作用。电流放大作用是指当三极管工作在放大区时，一个较小的基极电流 iB 的变化可引起一个集电极电流 ic 的较大变化。电子开关作用则是指，当三极管工作在饱和区和截止区时，其集电极C和发射极E，相当于一个开关的接通和断开。

  三极管按其结构分为 NPN 型和 PNP 型，其符号如图 1.4-3 所示。结构的区别在图上表现为其发射极的箭头指向不同。NPN 型为箭头指向 E 极(向外)，PNP 型为箭头指向极板(向内)。箭头表示了三极管中电流的流向。对NPN型来说，电流由C极流向E极，因此，在电路中，集电极C连接电源正极，发射极E连接电源负极。而PNP型正好相反，电流由E极流向C极，发射极E接电源正极，而集电极C接电源负极。

  三极管的开关特性可以用图1.4-4 NPN 型三极管电路来说明。当其基极电压 VB足够大(略大于0.7V)时，三极管工作在饱和区，这时，集电极——发射极Vce≈0.3V，相当于C-E间短接，如图1.4-4(a)。当基极电压VB=0V 时，三极管工作在截止区，集电极电流很小，接近于0，这时，Vce为电源电压V，相当于C-E间开路，如图1.4-4(b)。只要适当控制基极压 VB的大小，就可以使三极管的C-E处于导通或截止状态，这就是三极管的开关特性。

  (a)NPN型 (b)PNP型

  图1.4-3 三极管图示

  (a)导通特性

  (b)截止特性

  图1.4-4 三极管开关特性

  上面讲到的有源电子开关如接近开关、光电开关、霍尔开关等，一般来说，其开关信号都是由晶体管构成的开关电路产生的。根据半导体类型构成，晶体管开关可分为两种类型∶NPN型和PNP型。

  图1.4-5(a)为 NPN 型集电极开路电子开关输出电路结构。图中 24V 电源为电子开关本身内部控制电路电源，而信号回路电源则要另外提供。开关信号在晶体管集电极—发射极间形成，因此，信号源两端是“输出”端和“0V”端。形成回路电流时，电流必须流入电子开关，这是一种电流输入型电子开关电路结构。而图1.4-5(b)为PNP型集电极开路电子开关电路，其信号输出端口为“ 24V”端和“输出”端。电流是流出的，是一种电流输出型电子开关电路结构。

  (a)NPN型电子开关

  (b)

  图1.4-5 有源电子开关电路

  上面所述的电子开关输出有三条线，一般称为三线制电子开关，此外还有二线制输出电子开关。

  二线制有源开关仅有两根线，它既是电源线，也是开关信号线，有直流和交流两种规格。如图1.4-6所示。

  (a)

  (b)

  图1.4-6 二线制有源开关

  图1.4-6(a)中，D为极性保护二极管，防止电源接反时击穿晶体管。由图可知，当晶体管饱和导通时，产生负载回路电流I，负载得电。反之，晶体管截止，负载失电。

  与三线制电子开关不同。二线制电子开关在晶体管截止时，负载、二极管D和内部电路仍然存在一个负载电流回路，这个回路的电流称之为二线制开关的静态泄漏电流。这个指标非常重要，如果泄漏电流过大，负载也会得电，造成误动作。三线制电子开关也存在泄漏由流，但它不经过负载，所以可以不考虑。为了保证二线制开关的正常工作，通常要求泄漏电流小于 1mA。直流二线制开关的两根线是有极性的。在实际接线中，L 必须接电源正极，L-必须接电源负极，不能搞错。

  图 1.4-6(b)为交流二线制电子开关电路结构，由于整流桥本身有极性保护，所以去掉了二极管 D。其电源为交流电，当负载为继电器线圈时，可以利用继电器触点来替代电子开关的开关功能。

  3. 光电耦合器及其应用

  在脉冲数字电路中，用于接通和关断电路的二极管又称开关二极管，它的特点是反向快复时间短，能满足高频和超高频应用的需要。而发光二极管(LED)是一种特殊品种的二极管，在正向偏置情况下，只要流过发光二极管的正向工作电流在所规定的范围内，二极管会发出一定颜色、一定亮度的光。

  光敏三极管是根据半导体中光发生伏特效应而研制的一种受到光照时会产生较大电流的特殊品种三极管，又叫光电三极管。

  把发光二极管和光敏三极管组成一体形成的光电器件又称光电耦合器，其工作原理如图1.4-7所示。给发光二极管加上正向偏置电压，发光二极管中有电流IF流过，发出的光照射到光敏三极管上时，光敏三极管如加有电压，则会有电流 IL产生，表示其C-E间为导通状态。当发光二极管没有电流IF流过(表示外加偏置电压为0)时，它没有光发出，光敏三极管无电流产生，表示C-E间相当于开路状态。由工作原理分析可知，光电耦合器是一种以光为媒介来传输电信号的电-光-电转换器件。在信号传输的过程中，输入信号电路和输出信号电路不存在电路上的联系，也就是说，光电耦合器的输入电路和输出电路在电气上是绝缘的，互相隔离的。对于开关电路，往往要求控制电路和开关电路之间要有很好的电隔离，这对于一般的电子开关来说是很难做到的，但采用光电耦合器就很容易实现了。光电耦合器的另一个重要特点是信号只能从输入端向输出端传输。信号的传递是单向的，这就使得光电耦合有了很强的抗干扰能力，工作稳定可靠，响应速度快，所以，它在各种电路中得到了广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一，几乎所有PLC均采用光电耦合器作为开关量输入电路。

  图 1.4-8 所示是一种两个发光二极管反向并接组成输入电路的光电耦合器。它的特点是输入端只要有电压(与极性无关)就会产生输入电流，信号的传输与外加电源极性无关，可适应不同电源需要的电路。三菱FX PLC就采用了这种形式的光电耦合电路。

  图1.4-7 光电耦合工作原理

  图1.4-8 反向并接输入光电耦合器