У цій статті ми познайомимо вас із клемними колодками(клемами) - важливим елементом будь-якої промислової системи. По суті, клемна колодка - це компонент з ізольованим корпусом, головне (і єдине) завдання якого - надійно з’єднати між собою два або більше проводів. Просто, але без цього «простого» в шафі керування далеко не заїдеш ;)

Чому варто використовувати клемні колодки?

Можливо, виникне логічне запитання: навіщо взагалі ті клемні колодки, якщо дроти можна просто спаяти? Або скрутити між собою й щедро замотати ізоляційною стрічкою?

Можна. Але це далеко не найкраще рішення.

Клеми - значно практичніший і надійніший спосіб з’єднання проводів. Вони дають гнучкість, якої не забезпечить ні пайка, ні «класична» скрутка.

Наприклад, при використанні клемних колодок змінювати проводку дуже просто - дріт можна швидко підключити або від’єднати без болгарки, паяльника й нервів.

Крім того, проводка з клемами виглядає акуратно та впорядковано, а це означає швидку ідентифікацію з’єднань, простіші зміни та значно легший пошук несправностей.
Далі в статті ми покажемо ще кілька вагомих причин, чому клемні колодки - це хороша ідея.

Характеристики клемних колодок

Клемні колодки класифікують за різними ознаками - конструкцією, типом та способом підключення проводів. Давайте розглянемо основні класифікації та характеристики клемних колодок, які найчастіше зустрічаються в сучасній промисловості.

Існує кілька способів, якими дроти фіксуються всередині клемної колодки. Нижче зупинимось на найпопулярніших варіантах, з якими інженери мають справу щодня.

Гвинтові клеми

Гвинтові клеми - мабуть, найпоширеніший спосіб з’єднання проводів. У таких клемах дріт фіксується за допомогою гвинта, який притискає жилу та забезпечує електричний контакт.

Але тут є один важливий момент !
Не перетягуйте гвинт. Надмірне затягування може пошкодити провід, особливо багатожильний, і в результаті ви отримаєте неякісне або навіть потенційно небезпечне з’єднання. Як завжди в інженерії — «міцно» не означає «до упору».

Пружинні клеми / пружинний затиск

Ще один дуже поширений спосіб підключення проводів - пружинні клемні колодки (Spring-Loaded).

З’єднання тут максимально просте: провід просто вставляється в клему, а пружинний механізм сам надійно його фіксує. У більшості таких клем вимагається, щоб провід був обжатий наконечником (ferrule) перед вставленням - і це не примха виробника, а запорука нормального контакту.

Для підключення або від’єднання проводу використовується механізм розблокування пружини. У деяких виробників він виконаний у вигляді фірмового важеля або кнопки, в інших - доведеться скористатися маленькою викруткою. У будь-якому випадку, пайка тут не потрібна, а пальці залишаються цілими.

Push-in / Push-fit клеми

Push-in (або Push-fit) клеми стрімко набирають популярність - і не дарма. Як і у пружинних клемах, тут зазвичай потрібно, щоб провід був обжатий наконечником (ferrule) перед підключенням.

Такі клеми випускають багато виробників, тож вибір на ринку більш ніж достатній.

Підключення гранично просте: вставив провід - і готово. Без гвинтів, без викруток, без зайвих рухів.

Головна відмінність між пружинними (spring-loaded) та push-in клемами полягає у способі від’єднання проводу. У push-in клемах механізм розблокування розташований прямо поруч із місцем введення проводу, що робить демонтаж ще швидшим і зручнішим. Швидко підключив, швидко відключив - монтажники це цінують 

IDC-клеми (Insulation Displacement Connector)

Ще один тип клемних колодок, який спочатку широко використовувався в телекомунікаційній галузі - це IDC (Insulation Displacement Connector).

Головна фішка таких клем у тому, що ізоляцію з проводу знімати не потрібно взагалі. Усередині клеми є два гострі леза, які при підключенні прорізають ізоляцію та безпосередньо контактують із жилою.

На початку IDC-клеми більше підходили для одножильних (solid) проводів, ніж для багатожильних. Проте сьогодні багато виробників вже випускають IDC-рішення, розраховані як на моножильний, так і на башатожильний провід.

Роз’ємні (pluggable) клеми

Як підказує сама назва, роз’ємні клемні колодки мають штекерну частину, яка підключається до відповідного роз’єму (socket).

Провід у такій клемі зазвичай затискається гвинтом, а електричне з’єднання з пристроєм здійснюється через пару “штекер–роз’єм”. Це дуже зручно в тих випадках, коли потрібне швидке від’єднання  - наприклад, для обслуговування, заміни модуля або транспортування обладнання.

Вийняв штекер - і все відключено. Без викрутки, без зайвих маніпуляцій і без ризику переплутати дроти при зворотному підключенні

Клеми з плоским контактом (Tab Connector)

У клемних колодках типу Tab Connector провід, під’єднаний до наконечника, насувається на плоский контакт (tab). Сам провід може бути обжатий або припаяний до наконечника - усе залежить від типу використовуваного конектора та вимог до з’єднання.

Також існують комбіновані варіанти, де з одного боку клеми використовується плоский контакт (tab), а з іншого - класичний гвинтовий затиск. Це зручно, коли потрібно швидко підключити або від’єднати обладнання, але при цьому зберегти надійне стаціонарне з’єднання з проводкою.

Типи клем

Гаразд, із найпоширенішими способами підключення ми вже розібралися. Тепер давайте перейдемо до різних типів клемних колодок і подивимось, чим вони відрізняються між собою та де зазвичай застосовуються.

Заземлювальні клеми

На перший погляд заземлювальна клемна колодка виглядає як звичайна гвинтова. Але різниця тут принципова.

Замість з’єднання проводів між собою, така клема підключає вхідний провід до заземлення (PE).

Фактично провід замикається на панель керування, DIN-рейку або іншу монтажну поверхню, на якій встановлена клема. Про DIN-рейки ми ще поговоримо трохи пізніше - там теж є свої нюанси.

Клеми з запобіжником

Клемні колодки з запобіжником мають вбудований запобіжник, який встановлюється послідовно між вхідним і вихідним проводом. Це дозволяє обійтися без окремого зовнішнього захисту від перевантаження по струму - усе вже інтегровано прямо в клему.

Для зручності обслуговування та діагностики багато виробників додають вбудований світлодіод індикації перегоряння запобіжника. Один погляд - і одразу зрозуміло, живий запобіжник чи настав час його замінити.

Клеми для термопар

Клемні колодки для термопар спеціально розроблені для підключення термопарних проводів. І тут важливий момент: термопари не можна підключати до звичайних клемних колодок - і це не примха виробників, а фізика.

Щойно провід термопари контактує з іншим провідним матеріалом усередині стандартної клеми, утворюється небажане спаювання (junction). А будь-які різнорідні метали, з’єднані між собою, створюють новий термоелектричний перехід і, відповідно, паразитну напругу. Результат - похибки вимірювання, які з’являються буквально «з повітря».

Щоб уникнути утворення додаткових спаїв, деякі термопарні клеми затискають провід термопари напряму - з одного боку на інший, без сторонніх металів між ними.

Інші виробники пішли ще далі та розробили термопарні клемні колодки, в яких внутрішня контактна пластина виготовлена з того ж металу, що й провід термопари. Так вимірювання залишаються чесними, а інженер - спокійним.

Багаторівневі клеми

Дуже часто простір усередині шафи керування або електрощита обмежений. А коли місця мало, доводиться думати не лише про схему, а й про геометрію.

Щоб зекономити простір, окремі клемні колодки об’єднують у групи або блоки, які зазвичай виконуються у багаторівневому (multi-level) форматі.

Кількість рівнів у таких клемах може бути різною. Наприклад, трирівнева клемна колодка (triple-level) має три окремі шари підключення, що дозволяє значно підвищити щільність монтажу без розширення шафи. 

Клеми для розгалуження живлення

Окремої уваги заслуговують клемні колодки для розгалуження живлення. Їх використовують у ситуаціях, коли потрібно подати одне джерело живлення на кілька споживачів - швидко, акуратно й без «павутиння» з перемичок.

Такі клеми дозволяють розподіляти живлення (24 В DC, 230 В AC тощо) з одного входу на кілька виходів, зберігаючи надійний контакт і зрозумілу структуру проводки. Часто вони мають збільшений переріз вхідної клеми та кілька вихідних контактів меншого номіналу.

У промислових шафах керування ці клеми зазвичай застосовують для:

• розподілу живлення на датчики та виконавчі механізми;
• живлення модулів вводу/виводу;
• організації шин +24 V / 0 V без зайвих перемичок.

Результат - чиста, логічна схема, менше шансів помилитися при монтажі й значно простіше обслуговування. А ще монтажник не намагається впихнути три дроти під один гвинт - що вже саме по собі великий плюс

Клеми для підключення давачів

Для підключення давачів у системах автоматизації часто використовують компактні сигнальні клемні колодки, спеціально розраховані на роботу з малими струмами та точними сигналами. Такі клеми дозволяють акуратно підвести живлення до давача та одночасно зняти сигнальну лінію, не перетворюючи клемний ряд у хаос із перемичок.

Зазвичай одна клема об’єднує кілька логічно пов’язаних точок — наприклад, +24 V, 0 V та сигнальний провід. Це значно спрощує монтаж, зменшує кількість з’єднань і робить схему зрозумілою навіть без детального креслення.

Такі клеми часто мають:

• зручні перемички для розподілу живлення між кількома давачами;
• тестові гнізда для перевірки сигналу без відключення проводу;
• чітке маркування каналів, що економить час під час пусконалагодження;
• компактну конструкцію, ідеальну для щільного монтажу на DIN-рейці.

У підсумку підключення давачів стає логічним і охайним, а діагностика - швидкою та безболісною.

Клеми для підключення трансформаторів струму

Для підключення трансформаторів струму (ТС) використовують спеціальні клемні колодки, оскільки вторинні кола ТС мають свої особливості й дуже не люблять помилок.

Головна вимога - безпечне замикання вторинної обмотки. Якщо розімкнути коло трансформатора струму під навантаженням, на його вторинній обмотці може з’явитися небезпечна висока напруга. Саме тому клеми для ТС зазвичай оснащуються вбудованим короткозамикаючим механізмом, який автоматично замикає вторинне коло під час відключення вимірювального приладу.

Такі клемні колодки зазвичай мають:

• короткозамикаючі перемички або ножі;
• окремі точки для підключення приладу обліку або аналізатора;
• можливість безпечного обслуговування без ризику для персоналу;
• чітке маркування фаз і напрямку струму.

У результаті трансформатор струму завжди працює в правильному режимі, вимірювання залишаються коректними, а обслуговування можна виконувати без страху отримати «несподіваний сюрприз» у вигляді високої напруги.

Монтаж клем

Клемні колодки можуть монтуватися різними способами, однак найпоширеніший варіант - це, без сумнівів, DIN-рейка.

DIN-рейка - стандартна металева рейка, яка використовується для кріплення компонентів усередині електричних шаф, щитів і монтажних панелей. Вона стала універсальною основою для більшості елементів автоматики: клем, автоматів, реле, блоків живлення тощо. Монтаж на DIN-рейку швидкий, акуратний і легко масштабується - додав ще одну клему, і поїхали далі.

Окрім DIN-рейки, існують і інші способи монтажу, які застосовують залежно від умов експлуатації та конструкції обладнання:

• Гвинтовий монтаж на монтажну панель - клеми кріпляться безпосередньо до металевої або пластикової панелі за допомогою гвинтів. Такий варіант часто використовують у вібронавантажених середовищах або там, де потрібна підвищена механічна надійність.
• Монтаж на друковану плату (PCB) - компактні клеми можуть бути запаяні безпосередньо в плату. Це типове рішення для електронних модулів, контролерів і пристроїв серійного виробництва.
• Монтаж у корпус або на шасі пристрою — застосовується в готових приладах, де клеми є частиною конструкції корпусу та слугують зовнішнім інтерфейсом підключення.
• Панельний монтаж (panel mount) - клеми встановлюються на передню або задню панель шафи, часто з доступом ззовні. Зручно для підключення польових кабелів без відкривання шафи.

Завдяки такому різноманіттю варіантів монтажу клемні колодки легко адаптуються під будь-яку задачу - від компактного датчика до великої промислової шафи. Головне - вибрати правильний варіант ще на етапі проєктування, а не після того, як місце вже закінчилось.

Висновок

Клемні колодки - це ті самі «дрібниці», без яких жодна електрична шафа нормально не працює. Вони забезпечують надійне з’єднання проводів, порядок у проводці та зручність обслуговування, а ще рятують чимало часу під час монтажу й налагодження.

Як ми побачили, клемні колодки бувають дуже різними: з гвинтовим або пружинним затиском, для сигналів, живлення, термопар, трансформаторів струму, з запобіжниками, багаторівневі та роз’ємні. Кожен тип створений під свою задачу, і універсальних рішень тут, на щастя, не існує.

Правильно підібрані клеми роблять систему безпечнішою, надійнішою та значно зрозумілішою - як для монтажника, так і для інженера, який прийде обслуговувати шафу через кілька років. Тож якщо хочете, щоб у шафі було не лише «працює», а й «працює красиво», починати варто саме з клемних колодок.