13. Praktické zapojenia

Bezpečnosť pred každou schémou

Schémy uvedené tu sú vzdelávacie, princípové schémy. Nie sú realizačným projektom, rozpisom svoriek ani vodičov a nedávajú oprávnenie na práce pod napätím. Na obvodoch so sieťovým napätím (230/400 V) smie pracovať len na to oprávnený odborník; ochrana na mieste, uzemnenie, prierez vodičov a predpisy majú vždy prednosť.

Ako čítať schémy? Schémy používajú obvyklé zjednodušené značky elektrických schém zapojenia, namiesto textu s označeniami zariadení (ich význam nájdete na konci každého bodu). Spínače, kontakty a tlačidlá sú nakreslené v pokojovom stave (neovládané, cievky bez napätia). Farby len pomáhajú: hnedá = fáza (L1), čierna a sivá = L2 a L3, modrá = neutrálny vodič (N), zeleno-žltá = ochranný vodič (PE); pri jednosmernom napätí červená = +, modrá = 0 V. Prerušovaná čiara znamená mechanickú väzbu (napríklad medzi cievkou relé a jeho kontaktom). V označeniach je F ochrana (poistka, istič, nadprúdové relé), Q istič alebo hlavný vypínač, S spínač alebo tlačidlo, K a KM relé a stýkač, M motor, E osvetlenie, B snímač, G zdroj.

1. Zapojenie LED: učte sa na nízkom napätí

Na začiatok sa hodí nízkonapäťový obvod, napríklad 12 V DC. LED je dióda: vedie prúd len jedným smerom. Anóda (A) smeruje k plusovej strane a katóda (K) k mínusovej; pri opačnej polarite nesvieti a LED sa môže aj poškodiť. Prúd LED sa sám nereguluje: po dosiahnutí napätia v priepustnom smere (UF) prúd strmo rastie, preto je potrebný sériový rezistor alebo konštantnoprúdový budič, bez neho sa LED poškodí. Poistka (F1) chráni vodič a napájaciu stranu pred skratom, prúd LED neobmedzuje.

Schému čítajte v smere prúdu, od plusovej strany k mínusovej: zdroj G1 → poistka F1 → spínač S1 → rezistor R1 → LED D1 (anóda → katóda) → späť na mínus zdroja G1.

Hodnotu rezistora vypočítajte z katalógového listu: R1 = (U − UF) / IF. Napríklad pri napájacom napätí 12 V, UF ≈ 2 V a IF = 20 mA je R1 = (12 − 2) / 0,02 = 500 Ω; zvoľte najbližšiu vyššiu normalizovanú hodnotu (510 Ω), prúd bude potom približne 19,6 mA. Na rezistore vzniká strata približne 0,2 W, preto použite rezistor ½ W.

Označenia: G1 zdroj 12 V jednosmerného napätia, F1 poistka, S1 spínač (spínací kontakt), R1 rezistor, D1 LED, I smer prúdu. Schéma sa nehodí na zapojenie LED budiča na sieťové napätie.

2. Zapojenie motora: samostatná úloha hlavného a riadiaceho obvodu

Rozbeh trojfázového motora nie je len pripojenie troch vodičov. Hlavný obvod (L1, L2, L3 → motor) a riadiaci obvod (cievka stýkača, tlačidlá) sú samostatné obvody. Schéma ukazuje hlavný obvod priameho rozbehu: Q1 chráni pred skratom a odpája, hlavné kontakty stýkača KM1 spínajú motor, tepelné nadprúdové relé F2 sleduje trvalé preťaženie, motor M1 dostáva tri fázy na svorkách U1, V1, W1 a ochranný vodič (PE) ide ku kostre motora. Cievka stýkača (A1–A2) a pomocný kontakt F2 (95–96, rozpínací) patria do riadiaceho obvodu: na pravej strane schémy je naznačené len ich prepojenie, ich zapojenie ukazuje bod 9.

Pri motorovom ističi, ktorý má tepelnú aj magnetickú spúšť, možno samostatné F2 vynechať, pretože istič chráni aj pred preťažením. Vypínaciu hodnotu treba nastaviť na menovitý prúd podľa štítku motora. Kategóriu použitia stýkača (pri motoroch zvyčajne AC-3), spôsob rozbehu, núdzové zastavenie, poradie fáz (to rozhoduje o smere otáčania) a výber ochranných prístrojov určuje štítok motora a projektant.

Označenia: Q1 ochrana pred skratom (motorový istič alebo istič), KM1 stýkač (hlavné kontakty 1–2, 3–4, 5–6; cievka A1–A2), F2 tepelné nadprúdové relé (pomocný kontakt 95–96), M1 trojfázový motor (3~), U1 V1 W1 svorky motora.

3. Čítanie schémy zapojenia: svietidlo ovládané z dvoch miest

Pri zapojení so striedavými prepínačmi ovládajú dva striedavé prepínače to isté svietidlo. Fáza (L) prichádza cez istič F1 na spoločnú (COM) svorku S1. Medzi dvoma ďalšími svorkami S1 a zodpovedajúcimi dvoma svorkami S2 vedú dva spojovacie vodiče. Zo spoločnej svorky S2 ide vodič k svietidlu (E1). Neutrálny vodič (N) je pripojený priamo k svietidlu. Preklopenie ktoréhokoľvek prepínača zmení stav svietidla: ak sú oba prepínače na tom istom spojovacom vodiči, obvod je uzavretý a svietidlo svieti; ak sú na rôznych vodičoch, obvod je rozpojený. Schéma ukazuje vypnutý stav.

Prepínače spínajú fázu, nie neutrálny vodič, takže vo vypnutom stave nie je objímka svietidla pod napätím. Ochranný vodič (PE) je samostatný, súvislý vodič: ide ku krytu telesa svietidla a nesmie sa prerušiť spínacím kontaktom. Na ovládanie z troch alebo viacerých miest sa medzi dva striedavé prepínače do spojovacích vodičov vkladá krížový prepínač.

Poradie čítania schémy: najprv určite napájanie a spotrebič, potom spínacie prvky, nakoniec sledujte osobitne dráhu fázy, neutrálneho a ochranného vodiča. Farby vodičov: fáza je zvyčajne hnedá (alebo čierna, sivá), neutrálny vodič svetlomodrý, ochranný vodič zeleno-žltý; spojovacie vodiče nemajú vlastnú farbu, ale svetlomodrú a zeleno-žltú na ne nepoužívajte. Farby na schéme sú len ilustračné; na skutočné označenie vždy použite projekt, dokumentáciu zariadenia a platné predpisy.

Označenia: F1 istič, S1 a S2 striedavý prepínač (COM = spoločná svorka), E1 svietidlo, L fáza, N neutrálny vodič, PE ochranný vodič.

4. Tlačidlo a relé: prečo je riadenie oddelené?

Cievku relé ovláda malý riadiaci signál (tu 24 V DC), jeho kontakt však spína samostatný obvod, galvanicky oddelený (tu 230 V obvod svietidla istený poistkou F1). Tlačidlo teda spína len malý prúd cievky, nie prúd spotrebiča. Kým držíte S1 stlačené, K1 pritiahne a kontakt 13–14 sa zopne; po uvoľnení K1 odpadne. Na trvalú činnosť treba samoudržanie (bod 9).

K cievke na jednosmerné napätie sa paralelne zapája voľnobežná dióda (V1): jej katóda smeruje k plusovej strane, takže je za normálnej prevádzky polarizovaná v závernom smere, pri odpojení cievky však odvedie indukčný napäťový ráz, ktorý by mohol poškodiť riadenie. Mnohé relé alebo reléové moduly ju už obsahujú; dióda je citlivá na polaritu a zapojená opačne spôsobí skrat. Menovité napätie, prúd a kategóriu použitia kontaktu treba zvoliť podľa skutočnej záťaže (pri LED budiči a pri induktívnej záťaži sa počíta aj zapínací prúdový ráz); napätie cievky zodpovedá riadiacemu obvodu. Izolačnú úroveň medzi 24 V riadiacim obvodom a 230 V záťažovým obvodom zaručuje katalógový list relé.

Označenia: S1 tlačidlo (spínacie), K1 relé (cievka A1–A2, kontakt 13–14 spínací), V1 voľnobežná dióda, F1 poistka, E1 spotrebič (svietidlo). Výkres ukazuje dva samostatné obvody; prerušovaná čiara je mechanická väzba medzi cievkou a kontaktom.

5. Hviezda–trojuholník: nie každý motor sa rozbieha rovnako

Pri väčších motoroch s ľahkým rozbehom (napríklad ventilátor, čerpadlo) znižuje rozbehový prúd rozbeh hviezda–trojuholník. Podmienkou je šesťsvorkový motor, ktorého vinutia môžu pracovať v trojuholníku pri združenom napätí siete. To je vidieť na štítku: v sieti 400 V je vhodný motor „400 V Δ“ (napríklad 400/690 V Δ/Y), motor so štítkom 230/400 V Δ/Y však môže pri 400 V pracovať len v hviezde, preto sa sem nehodí.

Podľa schémy: sieťový stýkač KM1 privádza sieť na svorky U1, V1, W1. Stýkač hviezdy KM2 spája svorky W2, U2, V2 (uzol hviezdy): motor sa rozbieha v hviezde, vinutia dostávajú 1/√3 združeného napätia (približne 58 %, pri 400 V približne 230 V), rozbehový prúd aj rozbehový moment sú približne tretinové oproti priamemu rozbehu. Podľa časového diagramu sa KM2 zopne mierne (o niekoľko desiatok milisekúnd) pred KM1, aby nespínal zaťažený obvod, a po čase t (nastavuje ho časové relé, prispôsobené rozbehu stroja) KM2 odpadne a po krátkej prestávke sa zopne stýkač trojuholníka KM3: spája svorky U1–W2, V1–U2, W1–V2 a motor beží v trojuholníku pri plnom napätí.

KM2 a KM3 nikdy nesmú pritiahnuť naraz: spolu by spôsobili skrat medzi fázami, preto je elektrické blokovanie povinné a mechanické blokovanie je bežné a odporúčané. V hviezde je moment malý, preto sa tento spôsob nehodí pre stroje, ktoré sa rozbiehajú pod záťažou, a pri prepnutí vzniká prúdový a momentový ráz. Nadprúdové relé F2 je tu v sieťovej vetve, nastavené na menovitý prúd motora; ak sleduje fázový prúd (v sérii s vetvou vinutia), treba ho nastaviť na približne 58 % menovitého prúdu. Stýkače sa dimenzujú podľa tabuliek výrobcu.

Označenia: Q1 ochrana pred skratom, KM1 sieťový, KM2 Y hviezdový, KM3 Δ trojuholníkový stýkač, F2 nadprúdové relé, M1 šesťsvorkový motor (U1 V1 W1 a W2 U2 V2), t čas prepnutia.

6. LED pás: viac úsekov nie je jedna dlhá LED

LED pás vyžaduje napájanie konštantným napätím (tu 24 V DC) a menovité napätie zdroja musí zodpovedať napätiu pásu. Pás sa skladá z hotových vetiev (na výkrese rezistor a LED v sérii), ktoré sú medzi kladnou a zápornou lištou zapojené paralelne, preto ho možno rozdeliť na výrobcom označených miestach strihu. Na výkrese je zjednodušene na vetvu jedna LED a jeden rezistor; na skutočnom 24 V páse je vo vetve viac LED v sérii s jedným rezistorom. Polarita: plus na kladnú lištu, mínus na zápornú lištu.

Na dlhom páse spôsobuje odpor vodivej lišty úbytok napätia a koniec pásu bude slabšie svietiť. Preto treba úseky napájať nezávisle, paralelne (nezreťaziť ich koniec ku koncu) a dlhý úsek z oboch koncov. Pás s vyšším napätím (24 V) odoberá pri rovnakom výkone menší prúd, takže je menší aj úbytok napätia. Na schéme dostávajú úseky LS1 a LS2 samostatný pár vodičov z toho istého zdroja G1, každý s vlastnou poistkou (F1 a F2).

Počítajte z výkonu: I = P / U. Príklad: 5 m pásu s výkonom 14,4 W/m je 72 W, čo je pri 24 V 3 A. Výkon zdroja má byť s dostatočnou rezervou väčší než celkový výkon všetkých pásov, menovitý prúd poistky väčší než prúd úseku, ale menší než prúdová zaťažiteľnosť vodiča. Maximálnu dĺžku napájania pásu a jeho údaje uvádza katalógový list výrobcu; neprevádzkujte ho zvinutý, pretože sa prehrieva.

Označenia: G1 zdroj konštantného napätia 24 V, F1 a F2 poistka, LS1 a LS2 úseky LED pásu.

7. Jednopólová schéma: logika rozvádzača v jednom riadku

Jednopólová schéma zobrazuje viacvodičový obvod (tu L, N a PE) jednou čiarou a ukazuje nie fyzické miesta montáže, ale poradie ochrán a spotrebičov. Na schéme: prívod (1N~ 230 V za elektromerom) → Q0 hlavný vypínač (odpojenie) → dva prúdové chrániče (FI1, FI2, 30 mA) → za nimi ističe (F1–F4) → koncové obvody: E1 osvetlenie, XS1 a XS2 zásuvky, EH1 varná doska. Pri kábli je vedľa šikmej čiarky uvedený počet vodičov a prierez (napríklad 3×1,5: tri vodiče, 1,5 mm²).

Prečo dva prúdové chrániče? Vypnutie jedného spoločného prístroja odpojí od napätia celý byt, dva prístroje to obmedzujú. B10 a B16 je vypínacia charakteristika (B) a menovitý prúd (10, resp. 16 A) ističa. Príkladové hodnoty (B10 a 1,5 mm² pre osvetlenie, B16 a 2,5 mm² pre zásuvky) sú len orientačné: skutočnú hodnotu určuje záťaž, dĺžka vedenia, spôsob uloženia a predpisy. Príklad varnej dosky EH1 platí pre jednofázovú varnú dosku s výkonom najviac približne 3,6 kW; väčšiu varnú dosku zvyčajne pripájajú na trojfázový, samostatne dimenzovaný obvod.

Označenia: Q0 hlavný vypínač, FI1 a FI2 prúdový chránič (IΔ: pracuje s rozdielovým, teda poruchovým prúdom), F1–F4 istič, E1 svietidlo, XS1 a XS2 zásuvka, EH1 varná doska (pevný spotrebič).

8. Časové relé: spínanie po uplynutí stanoveného oneskorenia

Cievka časového relé (KT1) po riadiacom signáli spustí odmeriavanie času a po nastavenom čase t zopne svoj kontakt. Schéma ukazuje relé s oneskoreným pritiahnutím (oneskorené pri zapnutí): pri zopnutí S1 dostane KT1 napätie, po čase t sa oneskorený spínací kontakt 15–18 zopne a svietidlo E1 sa zapne. Po rozpojení S1 je cievka bez napätia a kontakt sa okamžite rozpojí. Časový diagram to ukazuje: zapnutie je oneskorené, vypnutie nie. Malý oblúk na kontakte je značka oneskorenia; dutá strana oblúka smeruje k oneskorenému pohybu, tu k zopnutiu.

Takéto relé sa používa napríklad pri postupnom spúšťaní strojov, pri časovaní prepnutia hviezda–trojuholník (bod 5) alebo pri oneskorení opätovného spustenia kompresora. Relé s oneskoreným odpadnutím (oneskorené pri vypnutí) drží výstup po vypnutí ešte čas t; to je typické riešenie dobehu vetrania (napríklad kúpeľňový ventilátor) a schodiskového osvetlenia. Viacfunkčné časové relé zvládajú aj tieto funkcie, ako aj impulzné a cyklické funkcie; funkciu treba vždy zvoliť podľa typu prístroja.

Označenia: S1 riadiaci kontakt (tu trvale zopnutý zdroj signálu), KT1 časové relé (cievka A1–A2, oneskorený spínací kontakt 15–18), E1 spínaná záťaž, t doba oneskorenia.

9. Samoudržanie stýkača: START nezostáva stlačený

Pri samoudržaní krátke stlačenie tlačidla START (S1, spínacie) pritiahne stýkač KM1. Vlastný pomocný kontakt 13–14 stýkača KM1 sa zopne paralelne s S1 a prevezme napájanie cievky, takže S1 možno pustiť. Kontakt STOP (S0, rozpínací) a rozpínací kontakt 95–96 nadprúdového relé F2 sú v sérii s cievkou: ktorýkoľvek preruší obvod, KM1 odpadne, pomocný kontakt sa tiež rozpojí a motor sa znovu rozbehne až po novom START.

STOP je rozpínací (NC) kontakt preto, že aj pri pretrhnutí vodiča alebo uvoľnení svorky nastane zastavený, bezpečný stav: porucha riadiaceho obvodu nesmie udržať motor zapnutý. Spínacie kontakty sú na strane fázy (L), cievka na strane neutrálneho vodiča, takže zemný skrat stýkač nepritiahne. Po výpadku napätia sa obvod so samoudržaním sám nespustí, čo je žiaduce; pri obvode riadenom trvale zopnutým spínačom (dvojvodičové riadenie) sa však stroj po obnovení napätia môže sám rozbehnúť. Je to riadiaca logika, ktorú treba navrhnúť spolu so skutočnými ochranami, blokovaniami a ochranou proti neočakávanému opätovnému spusteniu, podľa posúdenia rizika stroja.

Označenia: F1 poistka riadiaceho obvodu, S0 STOP (rozpínací), F2 nadprúdové relé 95–96 (rozpínací), S1 START (spínací), KM1 stýkač (cievka A1–A2, pomocný kontakt 13–14 spínací).

10. Svetlo s pohybovým snímačom

Pohybový snímač (B1, tu PIR, pasívny infračervený) spína svojím vnútorným spínacím kontaktom fázový vodič svietidla (L → L′). Má tri svorky: L a N sú vlastné napájanie snímača, takže snímač potrebuje trvalú fázu aj trvalý neutrálny vodič; L′ je spínaný výstup, ktorý ide k svietidlu. Druhá svorka svietidla je pripojená na neutrálny vodič a ku krytu telesa svietidla ide ochranný vodič. Ak v prístrojovej krabici nie je neutrálny vodič (je tam len fáza a vodič k svietidlu, ako pri bežnej inštalácii so spínačom), trojvodičový snímač sa pripojiť nedá: na to treba dvojvodičový snímač.

Pri učení si v mysli oddeľte detekciu (PIR), rozhodovanie (elektronika snímača: citlivosť, oneskorenie, prah osvetlenia), spínanie (L′) a spotrebič; vďaka tomu bude zrozumiteľná väčšina úloh automatického osvetlenia. Zaťažiteľnosť výstupu, podmienky pre LED alebo induktívnu záťaž (minimálna záťaž, zapínací prúdový ráz) a možnosť ručného prebitia vždy uvádza dokumentácia zariadenia.

Označenia: F1 istič, B1 pohybový snímač (PIR; L, N, spínané L′), E1 svietidlo, L fáza, N neutrálny vodič, PE ochranný vodič.

11. 24 V snímač na vstupe riadiaceho automatu

Trojvodičový priemyselný snímač používa samostatné napájacie vodiče a samostatný signálny vodič. Zvyčajné farby vodičov a obsadenie konektora M12: hnedý (BN, kolík 1) = +24 V, modrý (BU, kolík 3) = 0 V, čierny (BK, kolík 4) = výstupný signál. Napájanie dostáva snímač zo zdroja G1, PLC číta len signál (čierny vodič).

PNP snímač pripojí v aktívnom stave svoj výstup na +24 V. Prúd signálu potom tečie cez vstup PLC a vracia sa na 0 V, preto je spoločný bod vstupu (tu 1M) pripojený na 0 V a 0 V snímača, zdroja a vstupu je spoločná. NPN snímač naopak pripojí výstup na 0 V, preto potrebuje vstup s opačnou polaritou. Typ vstupu, napäťovú úroveň a zaťažiteľnosť snímača treba zosúladiť podľa katalógových listov PLC a snímača; pri nezhode vstup nefunguje alebo sa zariadenie môže poškodiť.

Označenia: G1 zdroj 24 V DC, B1 snímač PNP (BN, BU, BK), PLC1 riadiaci automat (DI0 digitálny vstup, 1M spoločný bod vstupu), I prúd signálneho obvodu.

12. Zmena smeru otáčania motora

Pri trojfázovom motore zámena dvoch fáz zmení smer otáčania. Na schéme KM1 spája fázy L1, L2, L3 priamo na svorky U1, V1, W1 (vpred), KM2 zamieňa fázy L1 a L2 (vzad: L1 → V1, L2 → U1, L3 → W1). Oba stýkače sú napájané z toho istého prívodu, preto by pri súčasnom pritiahnutí vznikol skrat medzi fázami. KM1 a KM2 nikdy nesmú pracovať spolu, preto blokovanie nie je voliteľné.

Blokovanie treba vyriešiť elektricky (rozpínací pomocný kontakt jedného stýkača, napríklad KM1 21–22, v sérii s cievkou druhého stýkača) a podľa možnosti aj mechanicky (mechanický prvok spájajúci oba stýkače; na schéme dvojitá šípka medzi prerušovanými čiarami). Zmena smeru za chodu by spôsobila veľký prúdový a momentový ráz, preto riadenie zvyčajne povolí rozbeh v opačnom smere až po zastavení. Výkres ukazuje hlavný obvod; riadenie (osobitné START pre každý smer, spoločné STOP) treba doplniť podľa bodu 9; ochrana koncových polôh, brzdenie a ochrana proti neočakávanému opätovnému spusteniu sú súčasťou bezpečnostného návrhu stroja.

Označenia: Q1 ochrana pred skratom, KM1 stýkač vpred, KM2 stýkač vzad, F2 nadprúdové relé, M1 trojfázový motor, ⇄ medzi dvoma stýkačmi je mechanické blokovanie.

13. Prečo rozdeľujeme na viac obvodov?

V rozvádzači spotrebiče s rôznym určením zvyčajne vychádzajú zo samostatných ochranných vetiev. Na schéme sú za hlavným vypínačom Q0 a prúdovým chráničom FI1 tri obvody: F1 osvetlenie (E1–E3), F2 zásuvky (XS1–XS3), F3 varná doska (EH1). Ak v zásuvkovom obvode nastane nadprúd alebo skrat (symbol blesku), vypne len F2: osvetlenie a varná doska zostanú v prevádzke (na schéme je vypnutý obvod sivý, prerušovaný).

Výhodou je prehľadnejšie hľadanie porúch (vidíte, ktorý obvod je chybný), cielenejšia ochrana (každý obvod dostane istič dimenzovaný na vlastný vodič a záťaž) a lepšia nepretržitosť prevádzky (porucha zásuvky nenechá byt v tme). Veľké spotrebiče (varná doska, rúra, bojler, klimatizácia) zvyčajne dostanú vlastný obvod. Prúdový chránič FI1 však vypína pri rozdielovom (chybovom) prúde, teda pri rozdiele prúdov fázového a neutrálneho vodiča, napríklad pri skrate na kostru, zemnom skrate alebo zvodovom prúde, a odpojí všetky obvody za sebou; preto sa vo väčšom rozvádzači používa viac prúdových chráničov (pozri bod 7). Presné zoskupenie sa robí podľa projektu, záťaží a platných požiadaviek.

Označenia: Q0 hlavný vypínač, FI1 prúdový chránič, F1–F3 istič (B10, B16 sú charakteristika a prúd), E1–E3 svietidlo, XS1–XS3 zásuvka, EH1 varná doska (menší, jednofázový príklad).

Otázky na precvičenie

1. Prečo je v obvode LED potrebné obmedzenie prúdu a ako vypočítate hodnotu rezistora?
2. Aký je rozdiel medzi spínacou úlohou stýkača a úlohou ochrany proti preťaženiu?
3. Prečo sa PE nesmie viesť cez spínač?
4. Prečo sa pre tlačidlo STOP používa rozpínací (NC) kontakt?
5. Prečo nesmú naraz pritiahnuť stýkač hviezdy a stýkač trojuholníka, ani stýkač vpred a stýkač vzad?

Ak chcete projekt prehľadne zdokumentovať, pokračujte kapitolou Grafické značky a sada značiek a potom kapitolou Vedenia a obvody.