13. Praktická zapojení

Bezpečnost před každým schématem

Schémata uvedená zde jsou výuková, principiální. Nejsou realizační dokumentací, přiřazením svorek na svorkovnici ani rozpisem vodičů a neopravňují k práci pod napětím. Na obvodech se síťovým napětím (230/400 V) smí pracovat jen osoba k tomu oprávněná a odborně způsobilá; ochrana na místě instalace, uzemnění, průřez vodičů a předpisy mají vždy přednost.

Jak číst schémata? Schémata používají obvyklé zjednodušené značky elektrických schémat zapojení a místo textu označení přístrojů (jejich význam najdete na konci každého bodu). Spínače, kontakty a tlačítka jsou nakresleny v klidovém stavu (neovládané, cívky bez napětí). Barvy jsou jen pomůcka: hnědá = fáze (L1), černá a šedá = L2 a L3, modrá = střední vodič (N), zeleno-žlutá = ochranný vodič (PE); u stejnosměrného napětí červená = +, modrá = 0 V. Čárkovaná čára znamená mechanické spojení (například mezi cívkou relé a jeho kontaktem). V označeních je F ochrana (pojistka, jistič, nadproudové relé), Q jistič nebo hlavní vypínač, S spínač nebo tlačítko, K a KM relé a stykač, M motor, E osvětlení, B čidlo, G zdroj.

1. Zapojení LED: učte se na malém napětí

Začněte s obvodem malého napětí, například 12 V DC. LED je dioda: vede proud jen jedním směrem. Anoda (A) směřuje k plusu, katoda (K) k mínusu; při opačné polaritě nesvítí a může se i poškodit. Proud LED se sám neomezuje: po dosažení propustného napětí (UF) proud strmě roste, proto je nutný sériově zapojený rezistor nebo budič s konstantním proudem, bez nich se LED poškodí. Pojistka (F1) chrání vodič a napájecí stranu před zkratem, proud LED neomezuje.

Schéma čtěte ve směru proudu, od plusu k mínusu: zdroj G1 → pojistka F1 → spínač S1 → rezistor R1 → LED D1 (anoda → katoda) → zpět na mínus zdroje G1.

Hodnotu rezistoru vypočtěte z katalogového listu: R1 = (U − UF) / IF. Například při napájecím napětí 12 V, UF ≈ 2 V a IF = 20 mA vyjde R1 = (12 − 2) / 0,02 = 500 Ω; zvolte nejbližší vyšší normalizovanou hodnotu (510 Ω), proud pak bude asi 19,6 mA. Na rezistoru vzniká ztráta asi 0,2 W, proto použijte rezistor ½ W.

Označení: G1 zdroj stejnosměrného napětí 12 V, F1 pojistka, S1 spínač (spínací kontakt), R1 rezistor, D1 LED, I směr proudu. Schéma nelze použít k zapojení budiče LED na síťové napětí.

2. Zapojení motoru: hlavní a řídicí obvod mají každý svou úlohu

Spuštění třífázového motoru není jen připojení tří vodičů. Hlavní obvod (L1, L2, L3 → motor) a řídicí obvod (cívka stykače, tlačítka) jsou samostatné obvody. Schéma ukazuje hlavní obvod přímého spouštění: Q1 chrání před zkratem a odpojuje, hlavní kontakty stykače KM1 spínají motor, tepelné nadproudové relé F2 hlídá trvalé přetížení, motor M1 dostává tři fáze na svorkách U1, V1, W1 a ochranný vodič (PE) vede ke kostře motoru. Cívka stykače (A1–A2) a pomocný kontakt relé F2 (95–96, rozpínací) patří do řídicího obvodu: na pravé straně schématu je naznačeno pouze jejich propojení, jejich zapojení ukazuje bod 9.

U motorového jističe, který má tepelnou i magnetickou spoušť, lze samostatné F2 vynechat, protože jistič chrání i před přetížením. Vypínací hodnotu je nutné nastavit na jmenovitý proud podle štítku motoru. Kategorii použití stykače (u motorů obvykle AC-3), způsob spouštění, nouzové zastavení, sled fází (ten rozhoduje o smyslu otáčení) a volbu ochranných přístrojů určují štítek motoru a projektant.

Označení: Q1 ochrana proti zkratu (motorový jistič nebo jistič), KM1 stykač (hlavní kontakty 1–2, 3–4, 5–6; cívka A1–A2), F2 tepelné nadproudové relé (pomocný kontakt 95–96), M1 třífázový motor (3~), U1 V1 W1 svorky motoru.

3. Čtení schématu zapojení: svítidlo ovládané ze dvou míst

Při zapojení se střídavými přepínači (řazení 6) ovládají jedno svítidlo dva střídavé přepínače. Fáze (L) přichází přes jistič F1 na společnou (COM) svorku S1. Mezi dvěma dalšími svorkami S1 a odpovídajícími dvěma svorkami S2 vedou dva spojovací vodiče. Ze společné svorky S2 vede vodič ke svítidlu (E1). Střední vodič (N) je připojen přímo ke svítidlu. Přepnutím kteréhokoli přepínače se stav svítidla změní: pokud oba přepínače stojí na stejném spojovacím vodiči, obvod je sepnutý a svítidlo svítí; pokud stojí na různých vodičích, obvod je rozpojený. Schéma ukazuje vypnutý stav.

Přepínače spínají fázi, nikoli střední vodič, takže ve vypnutém stavu není objímka svítidla pod napětím. Ochranný vodič (PE) je samostatný, nepřerušený vodič: vede k tělesu svítidla a nesmí být veden přes spínací kontakt. Pro ovládání ze tří nebo více míst se mezi oba střídavé přepínače do spojovacích vodičů zařazuje křížový přepínač (řazení 7).

Pořadí čtení schématu: nejprve určete napájení a spotřebič, poté spínací prvky a nakonec sledujte zvlášť cestu fáze, středního vodiče a ochranného vodiče. Barvy vodičů: fáze je obvykle hnědá (nebo černá, šedá), střední vodič světle modrý, ochranný vodič zeleno-žlutý; spojovací vodiče nemají vlastní barvu, ale světle modrou a zeleno-žlutou pro ně nepoužívejte. Barvy ve schématu jsou jen ilustrativní; ke skutečnému značení vždy použijte projekt, dokumentaci přístroje a platné předpisy.

Označení: F1 jistič, S1 a S2 střídavý přepínač (COM = společná svorka), E1 svítidlo, L fáze, N střední vodič, PE ochranný vodič.

4. Tlačítko a relé: proč je řízení oddělené?

Cívku relé ovládá malý řídicí signál (zde 24 V DC), jeho kontakt však spíná samostatný obvod, galvanicky oddělený (zde obvod svítidla 230 V jištěný pojistkou F1). Tlačítko tak spíná jen malý proud cívky, nikoli proud spotřebiče. Dokud držíte S1 stisknuté, relé K1 přitáhne a kontakt 13–14 sepne; po uvolnění K1 odpadne. Pro trvalý chod je nutné samodržení (bod 9).

Paralelně ke stejnosměrné cívce se zapojuje ochranná (nulová) dioda (V1): její katoda směřuje k plusu, takže je za normálního provozu v závěrném směru, při vypnutí cívky však svede indukované přepětí, které by mohlo poškodit řízení. Mnoho relé nebo reléových modulů ji již obsahuje; dioda je citlivá na polaritu, při opačném zapojení způsobí zkrat. Jmenovité napětí, proud a kategorii použití kontaktu je třeba zvolit podle skutečné zátěže (u budiče LED a indukční zátěže se počítá i zapínací proudový ráz); napětí cívky odpovídá řídicímu obvodu. Úroveň izolace mezi řídicím obvodem 24 V a zátěžovým obvodem 230 V zaručuje katalogový list relé.

Označení: S1 tlačítko (spínací), K1 relé (cívka A1–A2, kontakt 13–14 spínací), V1 ochranná dioda, F1 pojistka, E1 spotřebič (svítidlo). Schéma ukazuje dva samostatné obvody; čárkovaná čára je mechanické spojení cívky a kontaktu.

5. Hvězda–trojúhelník: ne každý motor se rozbíhá stejně

U větších motorů s lehkým rozběhem (například ventilátor, čerpadlo) snižuje rozběhový proud spouštění hvězda–trojúhelník. Podmínkou je motor se šesti vývody, jehož vinutí mohou pracovat v trojúhelníku na sdruženém napětí sítě. To je vidět na štítku: v síti 400 V je vhodný motor „400 V Δ“ (například 400/690 V Δ/Y), motor se štítkem 230/400 V Δ/Y však může při 400 V pracovat jen v hvězdě, a proto se sem nehodí.

Podle schématu: síťový stykač KM1 přivádí síť na svorky U1, V1, W1. Stykač hvězdy KM2 spojuje svorky W2, U2, V2 (uzel hvězdy): motor se rozbíhá v hvězdě, vinutí dostávají 1/√3 sdruženého napětí (asi 58 %, při 400 V asi 230 V), rozběhový proud i rozběhový moment jsou asi třetinové oproti přímému spouštění. Podle časového diagramu sepne KM2 o málo (několik desítek milisekund) dříve než KM1, aby nespínal zatížený obvod, a po době t (nastavuje ji časové relé podle rozběhu stroje) KM2 odpadne a po krátké prodlevě sepne stykač trojúhelníku KM3: spojí svorky U1–W2, V1–U2, W1–V2 a motor běží v trojúhelníku s plným napětím.

KM2 a KM3 nesmějí nikdy přitáhnout současně: společně by způsobily zkrat mezi fázemi, proto je elektrické blokování povinné a mechanické blokování je běžné a doporučené. V hvězdě je moment malý, proto se tento způsob nehodí pro stroje rozbíhající se pod zátěží, a při přepnutí vzniká proudový a momentový ráz. Nadproudové relé F2 je zde v přívodní větvi, nastavené na jmenovitý proud motoru; pokud by hlídalo fázový proud (v sérii s větví vinutí), nastavovalo by se na asi 58 % jmenovitého proudu. Dimenzování stykačů vychází z tabulek výrobce.

Označení: Q1 ochrana proti zkratu, KM1 síťový, KM2 Y hvězdový, KM3 Δ trojúhelníkový stykač, F2 nadproudové relé, M1 motor se šesti svorkami (U1 V1 W1 a W2 U2 V2), t doba přepnutí.

6. LED pásek: více úseků není jedna dlouhá LED

LED pásek vyžaduje napájení konstantním napětím (zde 24 V DC) a jmenovité napětí zdroje se musí shodovat s napětím pásku. Pásek se skládá z hotových větví (na výkresu rezistor a LED v sérii), které jsou mezi kladnou a zápornou napájecí dráhou zapojeny paralelně, proto jej lze dělit na místech určených výrobcem. Na výkresu je zjednodušeně na každou větev jedna LED a jeden rezistor; na skutečném pásku 24 V je ve větvi několik LED v sérii s jedním rezistorem. Polarita: plus na kladnou dráhu, mínus na zápornou dráhu.

Na dlouhém pásku způsobuje odpor vodivé dráhy úbytek napětí a konec pásku svítí slaběji. Proto je třeba úseky napájet nezávisle, paralelně (ne řetězit konec ke konci) a dlouhý úsek z obou konců. Pásek s vyšším napětím (24 V) odebírá při stejném výkonu menší proud, takže je menší i úbytek napětí. Na schématu dostávají úseky LS1 a LS2 každý vlastní dvojici vodičů ze stejného zdroje G1, každý s vlastní pojistkou (F1 a F2).

Počítejte z výkonu: I = P / U. Příklad: 5 m pásku s 14,4 W/m má 72 W, což je při 24 V proud 3 A. Výkon zdroje má být s dostatečnou rezervou vyšší než celkový výkon všech pásků, jmenovitý proud pojistky větší než proud úseku, ale menší než proudová zatížitelnost vodiče. Největší délku napájení pásku a jeho údaje uvádí katalogový list výrobce; nepoužívejte jej svinutý, protože se přehřívá.

Označení: G1 zdroj konstantního napětí 24 V, F1 a F2 pojistka, LS1 a LS2 úseky LED pásku.

7. Jednopólové schéma: logika rozváděče na jedné čáře

Jednopólové schéma zobrazuje vícevodičový obvod (zde L, N a PE) jedinou čarou a neukazuje fyzická místa instalace, ale pořadí ochran a spotřebičů. Na schématu: přívod (1N~ 230 V za elektroměrem) → Q0 hlavní vypínač (odpojení) → dva proudové chrániče (FI1, FI2, 30 mA) → za nimi jističe (F1–F4) → koncové obvody: E1 osvětlení, XS1 a XS2 zásuvky, EH1 varná deska. U kabelu je vedle šikmé čárky uveden počet vodičů a průřez (například 3×1,5: tři vodiče, 1,5 mm²).

Proč dva proudové chrániče? Vypnutí jednoho společného přístroje odpojí od proudu celý byt, dva přístroje to omezují. B10 a B16 jsou vypínací charakteristika (B) a jmenovitý proud (10, resp. 16 A) jističe. Ukázkové hodnoty (B10 a 1,5 mm² pro osvětlení, B16 a 2,5 mm² pro zásuvky) jsou jen orientační: skutečnou hodnotu určují zátěž, délka vedení, způsob uložení a předpisy. Příklad varné desky EH1 platí nejvýše pro jednofázovou desku asi do 3,6 kW; větší varná deska se obvykle připojuje na třífázový, samostatně dimenzovaný obvod.

Označení: Q0 hlavní vypínač, FI1 a FI2 proudový chránič (IΔ: působí rozdílovým, tedy reziduálním (poruchovým) proudem), F1–F4 jistič, E1 svítidlo, XS1 a XS2 zásuvka, EH1 varná deska (pevně připojený spotřebič).

8. Časové relé: sepnutí po nastavené prodlevě

Cívka časového relé (KT1) po řídicím signálu spustí odměřování času a po nastavené době t přepne svůj kontakt. Schéma ukazuje relé se zpožděným přítahem (zpožděným zapnutím): po sepnutí S1 dostane KT1 napětí, po době t sepne zpožděný spínací kontakt 15–18 a svítidlo E1 se zapne. Po rozepnutí S1 je cívka bez napětí a kontakt se okamžitě rozepne. Časový diagram to ukazuje: zapnutí je zpožděno, vypnutí ne. Malý oblouček na kontaktu je značkou zpoždění; dutá strana oblouku směřuje ke zpožděnému pohybu, zde k sepnutí.

Takové relé se používá například při postupném spouštění strojů, k časování přepnutí hvězda–trojúhelník (bod 5) nebo ke zpoždění opětovného spuštění kompresoru. Relé se zpožděným odpadem (zpožděným vypnutím) drží výstup po vypnutí ještě po dobu t; to je typické řešení dobíhání ventilace (například ventilátoru v koupelně) a osvětlení schodiště. Víceúčelová časová relé umějí tyto funkce i impulzní a cyklické funkce; funkci vždy volte podle typu přístroje.

Označení: S1 řídicí kontakt (zde trvale sepnutý zdroj signálu), KT1 časové relé (cívka A1–A2, zpožděný spínací kontakt 15–18), E1 spínaná zátěž, t doba zpoždění.

9. Samodržení stykače: START není třeba držet stisknutý

Při samodržení krátké stisknutí tlačítka START (S1, spínací) přitáhne stykač KM1. Vlastní pomocný kontakt 13–14 stykače KM1 sepne paralelně k S1 a převezme napájení cívky, takže S1 lze uvolnit. Kontakt STOP (S0, rozpínací) a rozpínací kontakt 95–96 nadproudového relé F2 jsou s cívkou zapojeny v sérii: kterýkoli z nich obvod přeruší, KM1 odpadne, pomocný kontakt se také rozepne a motor se znovu rozběhne až po novém stisknutí START.

STOP je rozpínací (NC) kontakt proto, že i při přerušení vodiče nebo uvolnění svorky nastane zastavený, bezpečný stav: porucha řídicího obvodu nesmí udržet motor zapnutý. Spínací kontakty jsou na straně fáze (L), cívka na straně středního vodiče, takže zemní spojení stykač nepřitáhne. Po výpadku napětí se obvod se samodržením sám nerozběhne, což je žádoucí; u obvodu ovládaného trvale sepnutým spínačem (dvouvodičové ovládání) se však stroj může po obnovení napětí sám rozběhnout. Jde o řídicí logiku, kterou je třeba navrhnout společně se skutečnými ochranami, blokováními a ochranou proti neočekávanému opětovnému spuštění, podle posouzení rizik stroje.

Označení: F1 pojistka řídicího obvodu, S0 STOP (rozpínací), F2 nadproudové relé 95–96 (rozpínací), S1 START (spínací), KM1 stykač (cívka A1–A2, pomocný kontakt 13–14 spínací).

10. Svítidlo s pohybovým čidlem

Pohybové čidlo (B1, zde PIR, pasivní infračervené) svým vnitřním spínacím kontaktem spíná fázový vodič svítidla (L → L′). Má tři svorky: L a N jsou napájení samotného čidla, takže čidlo potřebuje trvalou fázi i trvalý střední vodič; L′ je spínaný výstup, který vede ke svítidlu. Druhá svorka svítidla se připojuje na střední vodič a k tělesu svítidla vede ochranný vodič. Pokud v krabici vypínače není střední vodič (jen fáze a vodič ke svítidlu, jako u klasické instalace s vypínačem), třívodičové čidlo nelze zapojit: je třeba čidlo v dvouvodičovém provedení.

Při učení si v duchu oddělte detekci (PIR), rozhodování (elektronika čidla: citlivost, zpoždění, práh osvětlení), spínání (L′) a spotřebič; díky tomu je srozumitelná většina úloh automatického osvětlení. Zatížitelnost výstupu, podmínky pro LED nebo indukční zátěž (minimální zátěž, zapínací proud) a možnost ručního přebití vždy uvádí dokumentace přístroje.

Označení: F1 jistič, B1 pohybové čidlo (PIR; L, N, spínané L′), E1 svítidlo, L fáze, N střední vodič, PE ochranný vodič.

11. Čidlo 24 V na vstupu řídicího systému

Třívodičové průmyslové čidlo používá samostatné napájecí vodiče a samostatný signální vodič. Obvyklé barvy vodičů a rozložení vývodů konektoru M12: hnědá (BN, vývod 1) = +24 V, modrá (BU, vývod 3) = 0 V, černá (BK, vývod 4) = výstupní signál. Napájení čidlo dostává ze zdroje G1, PLC čte pouze signál (černý vodič).

Čidlo PNP v sepnutém stavu připojuje svůj výstup na +24 V. Signální proud pak teče přes vstup PLC a vrací se na 0 V, proto se společný bod vstupu (zde 1M) připojuje na 0 V a 0 V čidla, zdroje i vstupu je společná. Čidlo NPN naproti tomu spíná výstup na 0 V a vyžaduje vstup s opačnou polaritou. Typ vstupu, napěťovou úroveň a zatížitelnost čidla je třeba sladit podle katalogových listů PLC a čidla; při nesouladu vstup nefunguje, nebo může dojít k poškození zařízení.

Označení: G1 zdroj 24 V DC, B1 čidlo PNP (BN, BU, BK), PLC1 řídicí systém (DI0 digitální vstup, 1M společný bod vstupu), I proud signálního obvodu.

12. Změna smyslu otáčení motoru

U třífázového motoru změní smysl otáčení výměna dvou fází. Na schématu KM1 spojuje fáze L1, L2, L3 přímo se svorkami U1, V1, W1 (vpřed), KM2 zaměňuje fáze L1 a L2 (vzad: L1 → V1, L2 → U1, L3 → W1). Oba stykače jsou napájeny ze stejného přívodu, proto by při současném přitažení vznikl zkrat mezi fázemi. KM1 a KM2 nesmějí nikdy pracovat současně, a proto blokování není volitelné.

Blokování je nutné řešit elektricky (rozpínací pomocný kontakt jednoho stykače, například KM1 21–22, v sérii s cívkou druhého stykače) a pokud možno i mechanicky (mechanický prvek spojující oba stykače; na schématu dvojitá šipka mezi čárkovanými čarami). Změna směru za chodu by způsobila velký proudový a momentový ráz, proto řízení obvykle povolí spuštění opačným směrem až po zastavení. Schéma ukazuje hlavní obvod; řízení (pro každý směr samostatný START, společný STOP) je třeba doplnit podle bodu 9; ochrana koncovými spínači, brzdění a ochrana proti neočekávanému opětovnému spuštění jsou součástí bezpečnostní koncepce stroje.

Označení: Q1 ochrana proti zkratu, KM1 stykač vpřed, KM2 stykač vzad, F2 nadproudové relé, M1 třífázový motor, ⇄ mezi oběma stykači je mechanické blokování.

13. Proč se dělí na více obvodů?

V rozváděči spotřebiče různého určení obvykle vycházejí samostatnými jištěnými větvemi. Na schématu jsou za hlavním vypínačem Q0 a proudovým chráničem FI1 tři obvody: F1 osvětlení (E1–E3), F2 zásuvky (XS1–XS3), F3 varná deska (EH1). Pokud v zásuvkovém obvodu vznikne nadproud nebo zkrat (symbol blesku), vypne jen F2: osvětlení a varná deska zůstanou v provozu (na schématu je vypnutý obvod čárkovaně šedý).

Výhodou je přehlednější odstraňování poruch (vidíte, který obvod je vadný), cílenější ochrana (každý obvod dostane jistič dimenzovaný na svůj vodič a zátěž) a lepší kontinuita provozu (porucha zásuvky nenechá byt ve tmě). Velké spotřebiče (varná deska, trouba, bojler, klimatizace) obvykle dostanou vlastní obvod. Proudový chránič FI1 však vypíná při rozdílovém (poruchovém) proudu, tedy při rozdílu proudů fázového a neutrálního vodiče, například při zkratu na kostru, zemním spojení nebo svodovém proudu, a odpojuje všechny obvody za ním; proto se ve větším rozváděči používá více proudových chráničů (viz bod 7). Přesné rozdělení vychází z projektu, zátěží a platných požadavků.

Označení: Q0 hlavní vypínač, FI1 proudový chránič, F1–F3 jistič (B10, B16 jsou charakteristika a proud), E1–E3 svítidlo, XS1–XS3 zásuvka, EH1 varná deska (menší, jednofázový příklad).

Otázky k procvičení

1. Proč je v obvodu LED nutné omezení proudu a jak se vypočítá hodnota rezistoru?
2. Jaký je rozdíl mezi spínací úlohou stykače a úlohou ochrany před přetížením?
3. Proč nelze PE vést přes spínač?
4. Proč se pro tlačítko STOP používá rozpínací (NC) kontakt?
5. Proč nesmějí současně přitáhnout stykač hvězdy a stykač trojúhelníku, ani stykač vpřed a stykač vzad?

Pokud chcete návrh přehledně zdokumentovat, pokračujte kapitolou o značkách a sadách značek a poté kapitolou o vedení a obvodech.