中介繼電器可縮短直流電磁閥或接觸器的開啟時間。具有快速響應的接觸器可以更快地熄滅電弧，減少觸點磨損。插入式繼電器還可以保護 PLC 免受高壓感應瞬變的影響。
重點總結
- 大型直流馬達接觸器斷開速度較慢。
- 增加一個返馳二極體（例如 1N4002）會使其斷開速度更慢。
- 緩慢斷開會延長電弧時間，從而縮短觸點壽命。
- 大多數具有固態輸出的 PLC 都帶有或需要整合式返馳保護二極體。這會導致系統運作緩慢。
- 中介繼電器既可以保護 PLC，又能為接觸器提供快速斷開。
問題陳述
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問題 1：大型直流接觸器的線圈是電感器。當線圈斷開時，磁場中儲存的能量需要釋放。如果沒有返馳保護，能量會以高壓感應尖峰的形式耗散。這將損壞未受保護的驅動電晶體。
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問題 2：簡單的低壓二極體返馳保護（0.7V）反應遲緩，因為線圈的磁場能量耗散在線圈自身的電阻中，而不是像電弧等離子體或 TVS 二極體的高壓那樣耗散。在所有情況下，能量都必須在線圈自身電阻之外耗散才能快速斷開。
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問題 3：與控制繼電器相比，具有固態輸出的 PLC 更為脆弱。所有 OEM 廠商都提供箝位保護，即傳統的二極體（問題 2）。許多廠商要求使用額外的保護，例如 1N4002 二極體。如果不解決這個問題，將會損壞 PLC 的輸出電晶體。
什麼是中介繼電器？
中介繼電器「插入」在兩個系統之間。他們習慣於：
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提高 PLC 的電流處理能力。
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交叉（「電平轉換」）電壓，例如需要 24VDC PLC 輸出來驅動具有 120 或 277VAC 線圈的接觸器時。
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提高接觸器開啟的速度，從而最大限度地減少電弧並延長使用壽命。
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透過面板隔離提供額外的安全性。該應用程式在 PLC 表面提供專有的 24VDC（藍色電線），並在控制面板的其他位置提供更高的交流電壓。這種有意的隔離有助於故障排除，因為乾淨的面板佈局為每種類型的設備提供了專用空間，更容易排除故障。
演示硬體
本文主要討論接觸器運轉速度此一關鍵點。圖 1 所示的硬體用於示範相關原理。其主要組件包括 Crouzet Millenium Slim PLC、控制繼電器以及一個帶有 24VDC 線圈的接觸器。
圖 1：中介繼電器夾在 Millenium Slim PLC 和三相接觸器之間。
從一開始，我們就必須承認 Crouzet PLC 具有固態輸出功能。它當然能夠直接為大型接觸器直接供電。接觸器的 2.4W 線圈消耗 100mA 的電流，完全在 PLC 設計的最大值 500mA 之內。然而，當我們考慮與消耗接觸器感應能量相關的動態時，PLC 與接觸器的匹配並不好。
技術提示：關閉大型直流接觸器或繼電器可能非常危險。請記住，線圈會將能量儲存在磁場中。同時，電感器「傾向於」保持電流恆定。這會導致所謂的感應反沖，即在線圈斷電的瞬間，電感器會盡其所能地維持電流恆定。如果沒有相應的保護措施，電壓會上升到數百伏，產生電弧來維持電流。這會損壞用於控制線圈的任何半導體開關。通常會加入突波抑制二極體來為電流提供替代路徑。
固態輸出繼電器的引入原因
PLC 與接觸器不匹配的原因在於需要使用突波抑制二極體。雖然 Crouzet PLC 規格書沒有列出具體的過電壓設計最大值，但它確實表明，如圖 2 所示，當存在感性負載時，需要一個二極體。這在工業控制系統中是一種常見的配置。事實上，這種配置非常普遍，以至於許多控制繼電器都將二極體整合到了插座中。圖 1 所示的 Finder 控制繼電器就是這種情況。
圖 2：摘自 Crouzet Millenium Slim PLC 規格書，顯示了電感負載突波抑制二極體的使用。
要知道，Schneider 接觸器確實具有突波抑制二極體，但類型不同。它不使用簡單的二極體，而是採用「雙向二極體」。此二極體箝位約 48VDC 的電壓，本文稍後將對此進行展示。具有半導體輸出的 PLC（例如 Millenium Slim）預計不會允許或承受這種較高的箝位電壓。
考慮到接觸器的動態特性，單二極體（0.6VDC）與箝位電路（48VDC）之間的差異不容忽視。如本文所述，箝位電感損耗電壓與繼電器的斷開速度直接相關。對於 Schneider 接觸器的直流線圈而言，這一點尤其重要，因為當 PLC 要求使用單二極體突波抑制器時，其斷開時間會超過 100ms。
一種可行的解決方案是使用中介繼電器。這樣可以為嵌入式雙向二極體組件提供足夠的工作空間。中介繼電器的常開（N.O.）特性可以輕鬆應對更高的電壓。同時，中介繼電器的小型線圈也與 PLC 更相容。實驗表明，小型控制繼電器的斷開速度不如大型接觸器那麼敏感。
中介繼電器演示
本實驗的原理圖如圖 3 所示。中介控制繼電器由 PLC 驅動。中介繼電器的常開觸點用於驅動大型接觸器的線圈。根據 PLC 規格書的建議，電路中還包含一個斷路器，以在發生故障時最大程度地減少損失。
圖 3：PLC、中間繼電器 (CR 1) 和接觸器的接線圖。
圖 4 顯示了繼電器斷開時的波形。此事件始於 PLC 輸出的下降沿（橘色）。大約 8ms 後，中間繼電器斷開，可以從接觸器線圈的下降沿（藍色）看出。大約 37ms 後，接觸器斷開，可以從接觸器電壓波形的不連續性看出。這是由於銜鐵與線圈之間的接近程度變化導致電感變化所引起的。此操作的總耗時約為 45ms。然而，這並非本文的重點。相反，我們需要關注的是接觸器的波形。
本文的核心論點是，接觸器的線圈允許負擺幅至 48VDC。如果沒有中介繼電器，這是不允許的。此時只需要一個突波抑制二極體。如前文所述，PLC 直接連接到接觸器的後果是接觸器動作遲緩，斷開速度慢。
圖 4：與 PLC、Finder 控制繼電器和 Schneider 接觸器相關的電壓波形。
結論
關鍵動態是與接觸器相關的電壓波形。安裝中介繼電器後，可自由增加至雙向二極體箝位的極限。大部分感應能量透過此箝位以相對較高的電壓 𝑃 =𝐼𝐸 快速消散，而不是慢得多的 𝑃 =𝐼2𝑅，其中 R 是接觸器的內阻。這是穩態和動態方面之間的一個微妙點。穩態分析顯示接觸器和 PLC 匹配良好。動態地，所需的單二極體箝位會降低系統性能，從而導致出現問題的減速。
歡迎您提出意見和建議。關於與接觸電弧和壽命相關的動態的資訊是特別需要的。
不要讓 PLC 吃掉返馳電壓
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問題
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定義“中介繼電器”一詞。
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列舉至少 4 個使用中介繼電器的理由。
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繪製中介繼電器的梯形圖。假設一個 24VDC PLC，具有源輸出，以及一個帶有 120VAC 線圈的大型接觸器。
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使用藍白相間帶藍條紋的導線有何意義？
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一個接觸器的線圈電壓為 24V，電流為 0.25A。計算該線圈的功率。
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什麼是 TVS 二極體？提示：本文中包含答案。
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描述繼電器線圈返馳電壓（感應反沖）的成因。
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當我們描述具有「半導體」輸出的 PLC 時，指的是什麼？
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為什麼傳統二極體不適合用於具有直流線圈的大型接觸器？
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中介繼電器是否適用於具有繼電器輸出的 PLC？提示：您是否考慮了設計人員可能使用中介繼電器的所有原因？
批判性思考問題
關於圖 4，是什麼原因導致電流波形在 45ms 處出現下降？提示：本文中包含答案。
能量儲存在繼電器的線圈中。描述儲存的能量與磁場之間的關係。此外，描述當繼電器線圈斷開時，這些儲存的能量最終會釋放到哪裡。
從系統層面來看，描述驅動感應負載（例如馬達）的接觸器緩慢斷開會產生什麼影響。提示：描述由此產生的直接問題以及對維護的長期影響。
本文簡要介紹了面板隔離作為中介繼電器的重要用途。請透過繪製一個基於電壓隔離的隔離面板草圖來詳細說明。並標示各種控制線的顏色。提示：目前有幾種不同的標準，建議以 IEC 60204-1 為起點。Siemens 提供的控制面板參考手冊中對此有很好的描述。