13. 実用的な回路

すべての図の前に：安全について

以下の図は概念的な学習用の図です。施工図、端子表、配線手順ではなく、通電状態での電気作業を許可するものでもありません。商用電圧（230/400 V）の回路で作業できるのは有資格者のみです。現場の保護、接地、導体のサイズ決定、および適用される要件が常に優先されます。

図の読み方。図には簡略化した標準の回路図記号を使い、文字の代わりに機器記号を付けています（それぞれの意味は各セクションの末尾に記載）。スイッチ、接点、押しボタンは静止状態（操作されておらず、コイルは無励磁）で描かれています。色は補助にすぎません。茶 = 相（L1）、黒とグレー = L2とL3、青 = 中性線（N）、緑/黄 = 保護導体（PE）。直流では赤 = +、青 = 0 V です。破線は機械的な連結（例：リレーのコイルとその接点の間）を表します。機器記号では、Fは保護（ヒューズ、遮断器、過負荷リレー）、Qは遮断器または主開閉器、Sはスイッチまたは押しボタン、KとKMはリレーと電磁接触器、Mはモーター、Eは照明、Bはセンサー、Gは電源装置を表します。

1. LEDの接続：低電圧で学ぶ

まずは12 V DCなどの低電圧回路から始めます。LEDはダイオードであり、一方向にしか電流を流しません。アノード（A）がプラス側、カソード（K）がマイナス側を向きます。極性が逆だと点灯せず、損傷することもあります。LEDは自分で電流を制限しません。順方向電圧（UF）に達すると電流が急激に増えるため、直列抵抗または定電流ドライバーが必要で、これがないとLEDが壊れます。ヒューズ（F1）は短絡から導体と電源側を保護するもので、LEDの電流を制限するものではありません。

図は電流の向き、つまりプラスからマイナスへ読みます。G1電源装置 → F1ヒューズ → S1スイッチ → R1抵抗 → D1 LED（アノード → カソード）→ G1のマイナスへ戻る、という順です。

抵抗はデータシートから計算します。R1 = (U − UF) / IF。例えば、12 Vの電源、UF ≈ 2 V、IF = 20 mA なら、R1 = (12 − 2) / 0.02 = 500 Ω となります。次に大きい標準値（510 Ω）を選ぶと、約19.6 mAになります。抵抗の消費電力は約0.2 Wなので、½ Wの抵抗を使います。

記号：G1 12 V DC電源装置、F1 ヒューズ、S1 スイッチ（a接点）、R1 抵抗、D1 LED、I 電流の向き。この図は、商用電圧のLEDドライバーの配線には使えません。

2. モーターの接続：主回路と制御回路を分ける

三相モーターの始動は、単に3本の導体をつなぐことではありません。主回路（L1、L2、L3 → モーター）と制御回路（電磁接触器のコイル、押しボタン）は別々の回路です。図は直入れ始動の主回路を示しています。Q1が短絡を保護して回路を開路し、電磁接触器KM1の主接点がモーターを開閉し、熱動式過負荷リレーF2が長時間の過負荷を監視し、モーターM1は端子U1、V1、W1で三相を受け、保護導体（PE）はモーターのフレームに接続されます。電磁接触器のコイル（A1–A2）とF2の補助接点（95–96、b接点）は制御回路に属します。図の右側にはその連結だけを示しており、配線の方法はセクション9で説明します。

熱動と電磁の両方の引き外し機構を備えたモーター保護用遮断器を使う場合、遮断器が過負荷も保護するため、別のF2は省略できます。動作値はモーターの銘板の定格電流に設定します。電磁接触器の使用区分（モーターでは通常AC-3）、始動方式、非常停止、相順（回転方向を決めます）、保護機器の選定は、モーターの銘板と設計者によって決まります。

記号：Q1 短絡保護（モーター保護用遮断器または配線用遮断器）、KM1 電磁接触器（主接点1–2、3–4、5–6、コイルA1–A2）、F2 熱動式過負荷リレー（補助接点95–96）、M1 三相モーター（3~）、U1 V1 W1 モーター端子。

3. 回路図の読み方：2か所から操作するランプ

3路スイッチでは、2つの切替スイッチで1つのランプを制御します。相（L）は配線用遮断器F1を通って、S1の共通（COM）端子に届きます。S1の残る2つの端子とS2の対応する端子の間には、2本の渡り線が通っています。S2の共通端子からランプ（E1）へ導体が出ます。中性線（N）はランプに直接つながります。どちらのスイッチを切り替えてもランプの状態が変わります。両方のスイッチが同じ渡り線側にあるときは回路が閉じてランプが点灯し、異なる渡り線側にあるときは回路が開きます。図は消灯状態を示しています。

スイッチが開閉するのは中性線ではなく相なので、ランプが消灯しているとき、ソケットには電圧がかかりません。保護導体（PE）は独立した連続した導体で、照明器具の本体につながり、開閉接点を通してはいけません。3か所以上から操作する場合は、2つの切替スイッチの間の渡り線に4路スイッチ（中間スイッチ）を挿入します。

読む順序：まず電源と負荷を見分け、次に開閉要素を見て、それから相、中性線、保護導体を別々にたどります。導体の色：相は通常茶（または黒、グレー）、中性線は水色、保護導体は緑/黄です。渡り線には固有の色がありませんが、水色や緑/黄は使わないでください。図の色は説明用にすぎません。実際の識別には、設計図、機器の資料、適用される要件を使ってください。

記号：F1 配線用遮断器、S1とS2 切替スイッチ（COM = 共通端子）、E1 ランプ、L 相、N 中性線、PE 保護導体。

4. 押しボタンとリレー：なぜ制御を分けるのか

小さな制御信号でリレーのコイル（ここでは24 V DC）を動作させ、その接点が、コイルからガルバニック絶縁された別の回路（ここではF1で保護された230 Vのランプ回路）を開閉します。したがって押しボタンが開閉するのは小さなコイル電流だけで、負荷電流ではありません。S1を押している間はK1が吸引され、13–14の接点が閉じます。離すとK1は復帰します。動作を持続させるには自己保持回路が必要です（セクション9）。

直流コイルにはフリーホイールダイオード（V1）を並列に接続します。そのカソードをプラス側に向けるので、通常動作では逆バイアスとなり、コイルを切るときに生じる誘導性のサージ電圧を吸収して、制御部の損傷を防ぎます。多くのリレーやリレーモジュールには、すでに内蔵されています。ダイオードには極性があり、逆に接続すると短絡します。接点の電圧、電流、開閉区分は、実際の負荷に合わせて選びます（LEDドライバーや誘導性負荷では突入電流も考慮します）。コイル電圧は制御回路に合わせます。24 Vの制御回路と230 Vの負荷回路の間の絶縁レベルは、リレーのデータシートで保証されています。

記号：S1 押しボタン（a接点）、K1 リレー（コイルA1–A2、接点13–14 a接点）、V1 フリーホイールダイオード、F1 ヒューズ、E1 負荷（ランプ）。図には2つの別々の回路が描かれています。破線はコイルと接点の機械的な連結です。

5. スター・デルタ：すべてのモーターが同じように始動するわけではない

始動が軽い大型のモーター（例：ファンやポンプ）では、スター・デルタ始動によって始動電流を減らせます。これには、電源の線間電圧でデルタ結線で運転できる巻線を持つ、6端子のモーターが必要です。銘板で確認できます。400 Vの電源では「400 V Δ」のモーター（例：400/690 V Δ/Y）が適しており、230/400 V Δ/Yの銘板のモーターは400 Vではスター結線でしか運転できないため、適しません。

図の説明：主電磁接触器KM1が、電源を端子U1、V1、W1に接続します。スター電磁接触器KM2は端子W2、U2、V2（スター点）を結びます。モーターはスターで始動し、巻線には線間電圧の1/√3（約58 %、400 Vの電源では約230 V）が加わり、始動電流も始動トルクも直入れ始動の約3分の1になります。タイミングチャートのとおり、KM2は、負荷のかかった回路を開閉しないよう、KM1より少し（数十ミリ秒）早く閉じ、時間t（機械の立ち上がりに合わせてタイマーリレーで設定）の後にKM2が復帰し、短い無電圧時間を置いてデルタ電磁接触器KM3が閉じます。KM3は端子U1–W2、V1–U2、W1–V2を結び、モーターは全電圧のデルタで運転されます。

KM2とKM3は同時に吸引されてはいけません。同時に吸引されると相間が短絡するため、電気的インターロックは必須で、機械的インターロックも一般的であり推奨されます。スターではトルクが小さいため、負荷がかかった状態で始動する機械には向かず、切り替え時には電流とトルクのサージが生じます。ここでは過負荷リレーF2は電源側の枝にあり、モーターの定格電流に設定します。相電流（巻線と直列）を監視する場合は、定格電流の約58 %に設定します。電磁接触器のサイズはメーカーの表から決めます。

記号：Q1 短絡保護、KM1 主、KM2 Y スター、KM3 Δ デルタ電磁接触器、F2 過負荷リレー、M1 6端子モーター（U1 V1 W1とW2 U2 V2）、t 切り替え時間。

6. LEDテープ：複数の区間は1本の長いLEDではない

LEDテープには定電圧の電源（ここでは24 V DC）が必要で、電源装置の定格電圧はテープのものと一致させなければなりません。テープは、プラス線とマイナス線の間に並列に接続された既製の枝（図では抵抗とLEDの直列）で構成されているため、メーカーが示す切断位置で切ることができます。わかりやすくするため、図では1つの枝に1つのLEDと1つの抵抗を描いていますが、実際の24 Vのテープでは、各枝で複数のLEDが1つの抵抗と直列になっています。極性：プラスはプラス線へ、マイナスはマイナス線へ。

長いテープでは、導体の抵抗によって電圧降下が生じ、遠い端が暗くなります。そのため、区間はそれぞれ独立して並列に給電し（端から端へ数珠つなぎにしない）、長い区間は両端から給電します。高電圧（24 V）のテープは同じ電力でも電流が小さいため、電圧降下も小さくなります。図では、区間LS1とLS2が同じ電源装置G1から別々の導体のペアを受け、それぞれに専用のヒューズ（F1とF2）があります。

電力から計算します。I = P / U。例えば、14.4 W/mのテープ5 mは72 Wで、24 Vでは3 Aです。電源装置にはすべてのテープの合計電力に対して十分な余裕を持たせ、ヒューズの定格電流は区間の電流より大きく、かつ導体の許容電流より小さくします。最大給電長とテープの仕様はメーカーのデータシートに従ってください。巻いたまま使うと過熱するので、避けてください。

記号：G1 24 V定電圧電源装置、F1とF2 ヒューズ、LS1とLS2 LEDテープの区間。

7. 単線結線図：盤の論理を1本の線で

単線結線図は、複数導体の回路（ここではL、N、PE）を1本の線で描き、物理的な設置位置ではなく、保護機器と負荷の順序を示します。図では、電源（電力量計の後の1N~ 230 V）→ Q0主開閉器（遮断）→ 2つの漏電遮断器（FI1、FI2、30 mA）→ その後ろの配線用遮断器（F1–F4）→ 末端回路：E1照明、XS1とXS2コンセント、EH1コンロ、となっています。ケーブルでは、スラッシュの後に導体数と断面積が付きます（例：3×1.5は、1.5 mm²の導体3本）。

なぜ漏電遮断器が2つあるのでしょうか。共有の1つが動作すると住戸全体が停電しますが、2つに分けることでそれを抑えられます。B10とB16は、配線用遮断器の動作特性（B）と定格電流（10 Aと16 A）です。例示の値（照明にB10と1.5 mm²、コンセントにB16と2.5 mm²）はあくまで目安で、実際の値は負荷、導体の長さ、施工方法、要件によって決まります。EH1のコンロの例は、最大約3.6 kWまでの単相コンロに当てはまります。それより大きなコンロは、通常、別に設計された三相回路に接続します。

記号：Q0 主開閉器、FI1とFI2 漏電遮断器（IΔ：差動電流、つまり漏れ電流で動作）、F1–F4 配線用遮断器、E1 ランプ、XS1とXS2 コンセント、EH1 コンロ（固定負荷）。

8. タイマーリレー：設定した遅れの後に動作する

制御信号を受けると、タイマーリレー（KT1）のコイルが計時を始め、設定時間tの後に接点を切り替えます。図はオンディレイリレーを示しています。S1が閉じるとKT1が励磁され、時間tの後に限時動作のa接点15–18が閉じて、ランプE1が点灯します。S1を離すとコイルは無励磁になり、接点はただちに開きます。タイミングチャートはこの様子を示しています。投入は遅れ、遮断は遅れません。接点の小さな円弧は遅れを表す記号で、円弧のへこんだ側が遅れて動作する向き（ここでは閉じる方向）を向いています。

このようなリレーは、例えば機械を順番に始動する場合、スター・デルタの切り替え（セクション5）のタイミングを取る場合、コンプレッサーの再始動を遅らせる場合などに使われます。オフディレイリレーは、切った後も時間tの間出力を保持します。これは、後運転換気（例：浴室のファン）や階段の照明の典型的な方式です。多機能タイマーリレーは、これらに加えてパルスや周期の機能も実現できます。機能は必ず機器の種類に応じて選んでください。

記号：S1 制御接点（ここでは閉じたままの信号源）、KT1 タイマーリレー（コイルA1–A2、限時動作a接点15–18）、E1 開閉される負荷、t 遅延時間。

9. 電磁接触器の自己保持：STARTは押し続けない

自己保持では、START（S1、a接点）押しボタンを短く押すと、電磁接触器KM1が吸引されます。KM1の補助接点13–14がS1と並列に閉じてコイルへの給電を引き継ぐため、S1を離せます。STOP（S0、b接点）とオーバーロードリレーF2の95–96のb接点は、コイルと直列です。どちらか一方でも回路を遮断するとKM1が復帰し、補助接点も開き、モーターは新たにSTARTを押すまで再始動しません。

STOPがb接点（NC）なのは、断線や端子の緩みがあっても、停止した安全な状態になるようにするためです。制御回路の故障でモーターが回り続けてはいけません。開閉接点は相（L）側、コイルは中性線側にあるため、地絡が起きても電磁接触器は吸引されません。電圧が失われた後、自己保持回路は自動では再始動しません。これは望ましい動作です。スイッチを常時閉じたままにする方式（2線式制御）では、電圧の復帰時に機械が勝手に再始動することがあります。これは、機械のリスクアセスメントに従って、実際の保護、インターロック、不意の再始動の防止とあわせて設計すべき制御ロジックです。

記号：F1 制御回路のヒューズ、S0 STOP（b接点）、F2 過負荷リレー95–96（b接点）、S1 START（a接点）、KM1 電磁接触器（コイルA1–A2、補助接点13–14 a接点）。

10. 人感センサー付き照明

人感センサー（B1、ここではPIR、受動赤外線）は、内蔵の開閉接点でランプの相導体を開閉します（L → L′）。端子は3つあります。LとNはセンサー自体への給電用なので、常時の相と常時の中性線が必要です。**L′**はランプにつながる開閉出力です。ランプのもう一方の端子は中性線に接続し、保護導体は照明器具の本体に接続します。スイッチボックスに中性線がない場合（従来の開閉設備のように、相とランプへの導体だけの場合）は、3線式のセンサーは接続できず、2線式のセンサーが必要です。

学習するときは、検知（PIR）、判断（センサーの電子回路：感度、遅延、明るさのしきい値）、開閉（L′）、負荷を頭の中で切り分けてください。そうすれば、自動照明の多くの課題を理解できます。出力の負荷定格、LEDや誘導性負荷の条件（最小負荷、突入電流）、手動での強制操作については、必ず機器の資料に従ってください。

記号：F1 配線用遮断器、B1 人感センサー（PIR、L、N、開閉されるL′）、E1 ランプ、L 相、N 中性線、PE 保護導体。

11. コントローラー入力に接続する24 Vセンサー

3線式の産業用センサーは、給電用の導体と信号用の導体を別々に使います。一般的な導体の色とM12コネクターの割り当ては次のとおりです。茶（BN、端子1）= +24 V、青（BU、端子3）= 0 V、黒（BK、端子4）= 出力信号。センサーは電源装置G1から電力を受け、PLCが読むのは信号（黒の導体）だけです。

PNPセンサーは、動作時に出力を+24 Vにします。信号電流はPLC入力を通って0 Vに戻るため、入力の共通点（ここでは1M）を0 Vに接続し、センサー、電源装置、入力の0 Vを共通にします。これに対してNPNセンサーは、出力を0 Vにするため、逆極性の入力が必要です。入力の種類、電圧レベル、センサーの負荷定格は、PLCとセンサーのデータシートに従って合わせてください。合っていないと、入力が動作しないか、機器が損傷することがあります。

記号：G1 24 V DC電源装置、B1 PNPセンサー（BN、BU、BK）、PLC1 コントローラー（DI0 デジタル入力、1M 入力の共通点）、I 信号回路の電流。

12. モーターの正逆転

三相モーターでは、2つの相を入れ替えると回転方向が逆になります。図では、KM1が相L1、L2、L3を端子U1、V1、W1にそのまま接続し（正転）、KM2が相L1とL2を入れ替えます（逆転：L1 → V1、L2 → U1、L3 → W1）。両方の電磁接触器は同じ電源から給電されているため、同時に吸引されると相間で短絡します。KM1とKM2は同時に動作してはなりません。そのためインターロックは任意ではありません。

インターロックは、電気的なもの（一方の電磁接触器のb接点、例えばKM1の21–22を、もう一方の電磁接触器のコイルと直列にする）に加えて、できれば機械的なもの（2つの電磁接触器を結ぶ機械要素。図では破線の間の二重矢印）にします。運転中に切り替えると大きな電流とトルクのサージが生じるため、制御では通常、停止してからでないと反対方向への始動を許可しません。図は主回路を示しています。制御（方向ごとに別のSTARTと共通のSTOP）はセクション9のように仕上げてください。リミットスイッチによる保護、制動、不意の再始動の防止は、機械の安全設計の一部です。

記号：Q1 短絡保護、KM1 正転、KM2 逆転電磁接触器、F2 過負荷リレー、M1 三相モーター、⇄ 2つの電磁接触器の間は機械的インターロック。

13. なぜ複数の回路に分けるのか

分電盤では、用途の異なる負荷は、通常、別々の保護の枝から始まります。図では、主開閉器Q0と漏電遮断器FI1の後に3つの回路があります。F1 照明（E1–E3）、F2 コンセント（XS1–XS3）、F3 コンロ（EH1）です。コンセント回路で過電流や短絡が起きた場合（稲妻の記号）は、F2だけが動作し、照明とコンロは稼働したままです（図では、動作した回路は灰色の破線で示されています）。

利点は、故障箇所の特定がしやすいこと（どの回路が故障か分かります）、保護がより的確になること（各回路に、その導体と負荷に合った遮断器が付きます）、運転の継続性が高まること（コンセントの故障で住戸が真っ暗にならない）です。大きな負荷（コンロ、オーブン、ボイラー、エアコン）には、通常、専用の回路を設けます。一方、漏電遮断器FI1は、残留電流（漏れ電流）、つまり相と中性線の電流の差（例：地絡や漏電のとき）で動作し、その後ろのすべての回路を遮断します。大きな盤で複数の漏電遮断器を使うのはこのためです（セクション7を参照）。正確なグループ分けは、設計、負荷、適用される要件に基づいて行います。

記号：Q0 主開閉器、FI1 漏電遮断器、F1–F3 配線用遮断器（B10、B16は特性と電流）、E1–E3 ランプ、XS1–XS3 コンセント、EH1 コンロ（小さめの単相の例）。

練習問題

1. LED回路で電流制限が必要なのはなぜですか。また、抵抗はどのように計算しますか。
2. 電磁接触器の開閉の役割と、過負荷保護の役割は、どう違いますか。
3. PEをスイッチ経由で配線してはいけないのはなぜですか。
4. STOPボタンにb接点（NC）を使うのはなぜですか。
5. スターとデルタの電磁接触器、または正転と逆転の電磁接触器が、同時に吸引されてはいけないのはなぜですか。

設計を分かりやすく文書化したい場合は、図記号と図記号セットに進み、続いて電線と回路の章をご覧ください。