Клеммники и клеммные колодки: виды и критерии выбора

Клеммник кажется деталью, в которой нечему ломаться: винт, металлическая обойма и кусок пластика. Но именно соединения чаще всего оказываются причиной отказов, а сгоревшая колодка в щитке или оплавленный разъем в приборе выглядят одинаково: почерневший пластик и обугленный провод. Причина почти всегда одна и та же, и это не превышение тока, а ослабший контакт, который начал греться. Разберем виды клеммников по способу зажима, объясним, почему многожильный провод под винтом требует наконечника, посчитаем на числах, во что обходятся лишние миллиомы переходного сопротивления, и разберем выбор по току, сечению и шагу.

Содержание

• Зачем нужен клеммник
• Переходное сопротивление: расчет нагрева
• Винтовые клеммники
• Пружинные и рычажные
• Ножевые и врезные
• Разъемные клеммники
• Клеммы на DIN-рейку
• Многожильный провод и наконечники
• Шаг, сечение и число контактов
• Ток и напряжение: как читать паспорт
• Сравнительная таблица
• Правила монтажа
• Как найти плохой контакт
• Как выбрать клеммник
• Типичные ошибки
• Частые вопросы

Зачем нужен клеммник

Задача клеммника простая: соединить провода между собой или провод с платой так, чтобы соединение было разборным, надежным и с малым сопротивлением. Пайка дает отличный контакт, но разобрать ее без паяльника невозможно, а скрутка разбирается легко, зато надежной не бывает.

Клеммник решает обе задачи сразу и добавляет третью: он фиксирует провод механически, снимая нагрузку с самого контакта. Дернули за кабель, усилие приняла обойма, а не тонкая жила в месте соединения.

Отсюда и три требования к любой клемме. Достаточное усилие прижима, чтобы контактные поверхности прилегали плотно. Стойкость к вибрации и температурным циклам, чтобы прижим не ослабевал со временем. И защита провода от повреждения: зажим не должен перекусывать жилы.

Переходное сопротивление: расчет нагрева

Любой контакт имеет собственное сопротивление, и хороший клеммник дает единицы миллиом. Кажется, что величина ничтожная, но все меняется, когда через нее идет заметный ток.

Пример. Через клемму течет 16 ампер, переходное сопротивление составляет 1 миллиом. Мощность считаем по формуле P = I² × R: 256 × 0,001 = 0,26 ватта. Такую мощность контакт рассеивает без проблем, нагрев почти незаметен.

Теперь представим, что винт ослаб, окислился или провод зажат плохо, и сопротивление выросло до 50 миллиом. Считаем снова: 256 × 0,05 = 12,8 ватта. Это мощность паяльника, сосредоточенная в объеме размером с горошину.

Здесь и лежит корень почти всех сгоревших колодок. Мощность растет как квадрат тока, поэтому плохой контакт в мощной цепи разогревается лавинообразно: нагрев усиливает окисление, окисление поднимает сопротивление, сопротивление добавляет нагрев. Клеммник при этом может быть рассчитан на втрое больший ток, чем реально течет, и это его не спасет. Причина возгорания это не перегрузка по току, а ослабший зажим.

Отсюда практический вывод: у контактов в силовых цепях нет состояния «почти хорошо». Либо зажим плотный, либо соединение обречено. О самом законе выделения тепла и о расчете мощности написано в статье про виды и характеристики резисторов.

Полезно понимать и то, откуда берется само переходное сопротивление. Две металлические поверхности, как бы гладко они ни выглядели, соприкасаются не всей площадью, а лишь микроскопическими выступами. Реальная площадь контакта составляет доли процента от видимой, и именно через эти пятна идет весь ток. Усилие прижима расплющивает выступы, увеличивает число пятен и снижает сопротивление, поэтому прижим и оказывается решающим фактором.

Отсюда же понятна и роль окисной пленки. Медь на воздухе покрывается оксидом, который проводит заметно хуже металла. Под достаточным давлением пленка продавливается и разрушается, и контакт остается металлическим. Стоит прижиму ослабнуть, и пленка восстанавливается уже под нагрузкой, а вместе с ней растет сопротивление. Именно поэтому ослабший контакт не просто работает хуже, а деградирует сам себя ускоряющимся образом.

Винтовые клеммники

Самый распространенный тип. Провод заводится в обойму и прижимается винтом либо непосредственно, либо через подвижную пластину.

Сильные стороны очевидны: большое усилие прижима, работа с широким диапазоном сечений, низкая цена, возможность подтянуть соединение позже. Для силовых цепей и толстых проводов это по-прежнему основной вариант.

Слабых сторон две, и обе практические. Первая: соединение требует обслуживания. Медь под давлением медленно течет, температурные циклы и вибрация ослабляют зажим, поэтому винтовые клеммы в ответственных местах положено протягивать при регулярном обслуживании. Вторая: качество зависит от рук монтажника. Недотянул, и контакт плохой. Перетянул, и жила перекусана или сорвана резьба.

Отдельно стоит различать два исполнения. В простом винт давит прямо на провод, что для многожильной жилы плохо: она расплющивается и режется. В исполнении с прижимной пластиной винт двигает металлическую площадку, которая распределяет усилие по всему сечению, и такой вариант заметно бережнее и надежнее.

Материал контакта тоже имеет значение, хотя в паспорте о нем упоминают вскользь. Латунь дешева и применяется в массовых сериях, но она мягче и хуже держит усилие во времени. Луженая медь дает меньшее переходное сопротивление. Стальные детали в зажиме встречаются там, где нужна пружинящая упругость, но сам токопроводящий путь через сталь не ведут: ее удельное сопротивление в разы выше медного.

Отдельная тема это соединение меди с алюминием. Напрямую, в одном зажиме, их не соединяют: пара образует гальванический элемент, во влажной среде начинается электрохимическая коррозия, контакт разрушается и греется. Для таких переходов существуют специальные клеммы с разделенными гнездами и с пастой, препятствующей окислению. В домашней проводке это одна из самых частых причин отказов на границе старой алюминиевой и новой медной части.

Пружинные и рычажные

В этих клеммниках прижим создает не винт, а стальная пружина. Провод либо вставляется в отверстие и защелкивается сам, либо заводится при нажатии на кнопку или подъеме рычажка.

Главное достоинство: усилие прижима задает пружина, а не монтажник. Оно всегда одинаковое, не зависит от настроения и от того, какой отверткой работали. И, что важнее, пружина сохраняет усилие при вибрации и температурных циклах, компенсируя течение меди. Такое соединение не требует протяжки.

Второе достоинство это скорость. Собрать щит на рычажных клеммах втрое быстрее, чем на винтовых.

Ограничения тоже есть. Диапазон сечений у конкретной клеммы уже, чем у винтовой, а на очень больших токах пружинные конструкции применяются реже. И цена выше.

Рычажные варианты стоит выделить особо: рычажок позволяет и вставить, и вынуть провод без инструмента и без повреждения жилы, что удобно при отладке и переборке.

Ножевые и врезные

Отдельный принцип, при котором изоляцию с провода снимать не нужно вовсе. Провод укладывается в паз с острыми металлическими кромками, кромки прорезают изоляцию и врезаются в жилу.

Такое соединение называют врезным, и его сильная сторона это скорость массового монтажа: не нужны зачистка, скрутка и точность. Именно так собирают телефонные и компьютерные розетки, плоские шлейфы и часть бытовой техники.

Ограничения жесткие. Клемма рассчитана на конкретный диаметр провода и конкретный тип изоляции, отклонение приводит либо к недостаточному врезанию, либо к перерезанию жилы. Соединение считается одноразовым: вынули провод, ставьте на новое место паза или меняйте клемму. И для силовых цепей врезной контакт не применяют.

Разъемные клеммники

Конструкция из двух частей: розетка с зажимами для проводов и вилка, распаянная на плате. Провода зажимаются один раз, а дальше блок снимается и ставится целиком.

Смысл в обслуживании. Прибор можно снять, не разбирая жгут, а на производстве плату проверяют отдельно от корпуса. Для любого устройства, которое предполагается ремонтировать, это заметное удобство.

Важная деталь конструкции это защита от неверной установки. У качественных серий есть ключ, механически не позволяющий вставить блок наоборот или со сдвигом на контакт. Если такой защиты нет, ее роль выполняет внимательность монтажника, а это ненадежно: перевернутый блок питания на плате означает переполюсовку со всеми последствиями, которые разобраны в статье про защиту от перенапряжения.

Клеммы на DIN-рейку

Модульные клеммы, которые защелкиваются на стандартную металлическую рейку и стыкуются друг с другом в ряд. Основа любого щита и промышленного шкафа.

Логика тут в модульности. Нужно больше цепей, добавили клемм. Нужно объединить несколько клемм в одну шину, поставили перемычку в специальный паз, не скручивая провода. Нужно подписать цепи, вставили маркеры в держатели.

Разновидностей много: проходные для простого соединения, с предохранителем внутри, с размыкателем для отключения цепи без снятия провода, заземляющие с контактом на саму рейку.

Обязательный элемент, о котором часто забывают, это концевой фиксатор на краю ряда. Без него весь набор клемм постепенно расползается по рейке, и соединения ослабевают.

Многожильный провод и наконечники

Это тема, на которой ошибаются чаще всего, поэтому разберем ее отдельно.

Многожильный провод состоит из множества тонких проволочек. Под винтом он ведет себя плохо сразу по нескольким причинам. Проволочки расползаются в стороны, и часть из них оказывается вне зажима или, хуже того, торчит наружу и грозит замыканием на соседний контакт. Винт перекусывает крайние жилы, и реальное сечение уменьшается. А со временем пучок уплотняется под давлением, зажим ослабевает сам собой.

Правильное решение это обжимной наконечник, он же гильза. Тонкая металлическая трубка надевается на зачищенный конец и обжимается специальным инструментом, превращая пучок проволочек в монолитный стержень. После этого провод ведет себя под винтом как одножильный.

Лужение многожильного провода перед установкой под винт выглядит аккуратно и кажется правильным, но это прямая дорога к отгоревшему контакту. Припой не держит форму под постоянным давлением: он медленно течет, пучок оседает, зажим ослабевает. Единственный верный вариант это обжимная гильза.

Три правила по наконечникам. Обжимать нужно обжимными клещами, а не плоскогубцами: клещи дают правильную геометрию и достаточное усилие. Размер гильзы подбирается строго по сечению провода. И лудить многожильный провод припоем вместо гильзы нельзя: припой пластичен, он течет под давлением, зажим ослабевает через несколько месяцев, и это классическая причина отгоревших контактов.

 Наконечники и принадлежности к клеммным колодкам есть в разделе кабельных наконечников каталога Эиком.

Шаг, сечение и число контактов

Шаг это расстояние между центрами соседних контактов. Он определяет и посадочное место на плате, и допустимое напряжение между соседними цепями. Ходовые значения для плат: 2,54, 3,5, 3,81, 5,0 и 5,08 миллиметра, для силовых клемм 7,5 и 10 миллиметров и больше.

Здесь есть ловушка: 5,0 и 5,08 миллиметра выглядят одинаково. На двух контактах разница незаметна, но на десяти она накапливается почти в миллиметр, и блок уже не встает в ответную часть. То же касается пары 3,5 и 3,81.

Сечение провода указывается диапазоном, например от 0,2 до 2,5 квадратных миллиметра. Выход за нижнюю границу означает, что тонкий провод болтается в зажиме, за верхнюю что толстый просто не входит либо входит с повреждением.

Число контактов у модульных серий наращивается стыковкой секций, что удобно: вместо поиска колодки на семь контактов берут две по три и одну одиночную.

Ток и напряжение: как читать паспорт

Паспортный ток клеммника это величина, при которой контакт не перегревается сверх допустимого при нормальных условиях. Три поправки, которые надо держать в голове.

Поправка на сечение провода. Клемма на 16 ампер не сделает провод сечением 0,5 квадрата пригодным для 16 ампер. Ток ограничивает более слабое звено, а им обычно оказывается провод.

Поправка на температуру. Паспортные цифры даны для комнатной температуры. В закрытом горячем щите допустимый ток снижают.

Поправка на соседей. Когда все контакты плотного ряда нагружены одновременно, они греют друг друга, и допустимый ток на контакт снижается по сравнению с одиночным.

С напряжением проще: смотрят на рабочее напряжение изоляции и на расстояние между соседними контактами. Для сетевых цепей берут клеммники с соответствующим шагом и категорией по перенапряжению, а не первую попавшуюся плату на 2,54 миллиметра.

И последнее про ток, о чем стоит сказать прямо. Паспортная цифра клеммника получена в лабораторных условиях: одиночный контакт, правильно обжатый провод максимального сечения из диапазона, комнатная температура, установившийся режим. В реальном щите не соблюдается ни одно из этих условий полностью. Поэтому практика проста: берите клеммник с запасом не меньше трети по току, а в плотных рядах и в горячих корпусах ближе к половине.

Полезно помнить и про пусковые токи. Двигатели, лампы накаливания и схемы с большой входной емкостью в первый момент потребляют кратно больше номинала, и хотя длится это доли секунды, повторяющиеся броски постепенно разрушают контакт. Подробнее об этом написано в статье про выбор блока питания.

Сравнительная таблица

Правила монтажа

1. Зачищайте на нужную длину. Слишком коротко, и в зажим попадает изоляция. Слишком длинно, и оголенный участок торчит наружу.
2. Ставьте наконечник на многожильный провод. Всегда, когда клемма винтовая.
3. Не лудите провод под винт. Припой течет, и зажим ослабевает через месяцы.
4. Тяните с нужным моментом. Для ответственных соединений производитель указывает момент затяжки, и перетяжка вредна не меньше недотяжки.
5. Один провод на один зажим. Если нужно объединить цепи, используйте перемычки или сдвоенные наконечники, а не два провода под один винт.
6. Разгружайте механику. Кабель фиксируйте стяжкой или вводом, чтобы усилие не приходило на контакт.
7. Протяните повторно. Винтовые соединения в силовых цепях проверяют через некоторое время после первого включения и дальше по регламенту.

Как найти плохой контакт

Плохой контакт коварен тем, что при обычной прозвонке он выглядит нормальным: мультиметр покажет ноль или доли ома и там, и там. Разница проявляется только под нагрузкой.

Способ первый: измерение падения напряжения. Самый точный. Включаем нагрузку и меряем напряжение прямо на клемме, щупами по обе стороны соединения. На исправном контакте падение составит милливольты. Заметное падение, десятые доли вольта и больше, означает, что контакт греется.

Способ второй: температура. Дайте схеме поработать под нагрузкой и осторожно проверьте нагрев клемм. Контакт, заметно более горячий, чем соседние, подозрителен, даже если работает.

Способ третий: осмотр. Потемневший пластик, побуревшая медь, характерный запах перегретого полимера. Все это признаки того, что процесс уже идет.

Приемы измерений и правила безопасной работы с прибором собраны в статье о том, как пользоваться мультиметром.

Как выбрать клеммник

1. Определите тип соединения. Провод к плате, провод к проводу или модульная сборка на рейку.
2. Посчитайте ток. Возьмите паспортное значение с запасом и не забудьте про поправки на температуру и на соседние нагруженные контакты.
3. Проверьте диапазон сечений. Ваш провод должен попадать в него не по краю, а с серединой запаса.
4. Выберите способ зажима. Вибрация и отсутствие обслуживания это пружинные, толстые провода и силовые цепи это винтовые с пластиной.
5. Сверьте шаг. Особенно внимательно в парах 5,0 и 5,08, а также 3,5 и 3,81 миллиметра.
6. Оцените напряжение. Для сетевых цепей нужны увеличенные зазоры между контактами.
7. Решите вопрос обслуживания. Прибор, который будут снимать, заслуживает разъемного клеммника с механическим ключом.

Подобрать деталь по шагу, сечению, току и типу зажима удобно фильтрами в разделе клеммных блоков каталога Эиком, где собрано более 50 тысяч позиций. Модульные клеммы для щитов вынесены в раздел клеммных колодок для DIN-рейки, а клеммники для установки на плату в раздел межплатных соединителей провод-плата.

Типичные ошибки

• Многожильный провод под винт без наконечника. Жилы расползаются и перекусываются, зажим со временем ослабевает.
• Лужение провода вместо гильзы. Припой пластичен и течет под давлением, соединение ослабевает через месяцы.
• Два провода под один зажим. Более тонкий оказывается прижат слабее и начинает греться первым.
• Перетянутый винт. Перекушенная жила или сорванная резьба, и то и другое означает замену клеммы.
• Спутали шаг 5,0 и 5,08. На длинной колодке расхождение накапливается, и блок не встает.
• Выбор клеммы по току без учета провода. Ток ограничивает самое слабое звено цепи, а им обычно оказывается сам провод.
• Нет разгрузки по механике. Натяжение кабеля постепенно вытягивает жилу из зажима.
• Нет концевого фиксатора на DIN-рейке. Ряд клемм расползается, соединения ослабевают.
• Не протянули повторно. Медь течет под давлением, и через сезон работы затяжка уже не та.

Частые вопросы

Нужен ли наконечник на многожильный провод?

Для винтовых клемм да, практически всегда. Без гильзы тонкие проволочки расползаются, часть из них перекусывается винтом, а сам пучок со временем уплотняется под давлением, из-за чего зажим ослабевает. Обжимной наконечник превращает пучок в монолитный стержень, и провод ведет себя как одножильный. Обжимать нужно клещами, а не плоскогубцами. Для пружинных клемм наконечник тоже желателен, но там требование мягче.

Можно ли залудить провод вместо наконечника?

Нет, и это одна из самых распространенных ошибок. Припой пластичен и медленно течет под постоянным давлением винта, поэтому зажим ослабевает уже через несколько месяцев, а дальше растет переходное сопротивление и начинается нагрев. Для соединений под зажим применяют только обжимные гильзы.

Почему клеммник греется, если ток в пределах нормы?

Потому что греет не ток сам по себе, а произведение квадрата тока на переходное сопротивление контакта. При 16 амперах и сопротивлении 1 миллиом выделяется около 0,26 ватта, что незаметно. Стоит контакту ослабнуть и сопротивлению вырасти до 50 миллиом, и в той же точке выделяется уже почти 13 ватт. Причина перегрева это ослабший или окисленный зажим, а не превышение паспортного тока.

Чем пружинный клеммник лучше винтового?

Усилие прижима задает пружина, а не рука монтажника, поэтому оно всегда одинаковое и сохраняется при вибрации и температурных циклах. Такое соединение не требует периодической протяжки и собирается заметно быстрее. Взамен диапазон сечений у конкретной клеммы уже, цена выше, а на очень больших токах пружинные конструкции применяются реже, чем винтовые.

Итог: клеммник выбирают не только по току, но и по диапазону сечений, шагу и способу зажима, а надежность соединения решает не паспортная цифра, а плотность контакта. Многожильный провод под винт идет только с обжимной гильзой, лудить его нельзя, а винтовые соединения в силовых цепях требуют повторной протяжки. Клеммные блоки, модульные клеммы для DIN-рейки, наконечники и перемычки к ним есть в разделе разъемов каталога Эиком.

Читать также

• Предохранители: виды, характеристики и маркировка
• Реле: устройство, виды и принцип работы
• Пайка для начинающих: паяльник, припой, флюс и первые навыки
• Как выбрать блок питания для устройства
• Как пользоваться мультиметром: режимы, прозвонка и проверка деталей