13. Schémas de câblage pratiques

La sécurité avant chaque schéma

Les schémas ci-dessous sont des schémas pédagogiques de principe. Ce ne sont ni des plans d’installation, ni des tableaux de bornes, ni des instructions de câblage, et ils n’autorisent aucun travail sous tension. Seules des personnes qualifiées peuvent intervenir sur des circuits à la tension du réseau (230/400 V) ; la protection sur site, la mise à la terre, le dimensionnement des conducteurs et les exigences applicables passent toujours en premier.

Comment lire les schémas. Les dessins utilisent des symboles de schéma simplifiés et normalisés, avec des repères d’appareils au lieu de mots (la signification de chacun est donnée à la fin de chaque section). Les interrupteurs, contacts et boutons sont dessinés dans leur état de repos (non actionnés, bobines hors tension). Les couleurs ne sont qu’une aide : marron = phase (L1), noir et gris = L2 et L3, bleu = neutre (N), vert-jaune = conducteur de protection (PE) ; en courant continu, rouge = +, bleu = 0 V. Une ligne en tirets représente une liaison mécanique (par exemple entre une bobine de relais et son contact). Dans les repères, F désigne une protection (fusible, disjoncteur, relais de surcharge), Q un disjoncteur ou un interrupteur général, S un interrupteur ou un bouton-poussoir, K et KM un relais et un contacteur, M un moteur, E l’éclairage, B un capteur et G une alimentation.

1. Raccorder une LED : s’exercer en très basse tension

Commencez par un circuit en basse tension, par exemple 12 V continu. Une LED est une diode : elle ne conduit que dans un sens. L’anode (A) est tournée vers le plus et la cathode (K) vers le moins ; avec la polarité inversée, elle ne s’allume pas et peut même être détériorée. Une LED ne limite pas elle-même son courant : dès que la tension directe (UF) est atteinte, le courant monte brutalement ; une résistance en série ou un driver à courant constant est donc nécessaire, faute de quoi la LED est détruite. Le fusible (F1) protège le conducteur et le côté alimentation contre un court-circuit ; il ne limite pas le courant de la LED.

Lisez le schéma dans le sens du courant, du plus vers le moins : alimentation G1 → fusible F1 → interrupteur S1 → résistance R1 → LED D1 (anode → cathode) → retour au moins de G1.

Calculez la résistance à partir de la fiche technique : R1 = (U − UF) / IF. Par exemple, avec une alimentation de 12 V, UF ≈ 2 V et IF = 20 mA, R1 = (12 − 2) / 0,02 = 500 Ω ; choisissez la valeur normalisée supérieure (510 Ω), ce qui donne environ 19,6 mA. La résistance dissipe environ 0,2 W, utilisez donc une résistance de ½ W.

Repères : G1 alimentation 12 V continu, F1 fusible, S1 interrupteur (contact à fermeture), R1 résistance, D1 LED, I sens du courant. Ce schéma ne convient pas au câblage d’un driver de LED à la tension du réseau.

2. Raccorder un moteur : séparer la puissance et la commande

Démarrer un moteur triphasé ne consiste pas simplement à raccorder trois conducteurs. Le circuit de puissance (L1, L2, L3 → moteur) et le circuit de commande (la bobine du contacteur, les boutons-poussoirs) sont des circuits distincts. Le schéma montre le circuit de puissance d’un démarrage direct : Q1 protège contre les courts-circuits et sectionne, les contacts principaux du contacteur KM1 commutent le moteur, le relais thermique de surcharge F2 surveille une surcharge prolongée, le moteur M1 reçoit les trois phases aux bornes U1, V1, W1, et le conducteur de protection (PE) va à la carcasse du moteur. La bobine du contacteur (A1–A2) et le contact auxiliaire de F2 (95–96, à ouverture) appartiennent au circuit de commande : à droite du schéma, seule leur liaison est indiquée, et la section 9 montre comment ils sont câblés.

Avec un disjoncteur-moteur à déclencheurs thermique et magnétique, un F2 séparé peut être omis, car le disjoncteur protège aussi contre la surcharge. Réglez la valeur de déclenchement sur le courant assigné de la plaque signalétique du moteur. La catégorie d’emploi du contacteur (en général AC-3 pour les moteurs), le mode de démarrage, l’arrêt d’urgence, l’ordre des phases (il détermine le sens de rotation) et le choix des appareils de protection dépendent de la plaque signalétique du moteur et du concepteur.

Repères : Q1 protection contre les courts-circuits (disjoncteur-moteur ou disjoncteur modulaire), KM1 contacteur (contacts principaux 1–2, 3–4, 5–6 ; bobine A1–A2), F2 relais thermique de surcharge (contact auxiliaire 95–96), M1 moteur triphasé (3~), U1 V1 W1 bornes du moteur.

3. Lire un schéma : une lampe commandée de deux endroits

Dans un montage va-et-vient, deux inverseurs commandent une lampe. La phase (L) arrive à la borne commune (COM) de S1 par le disjoncteur modulaire F1. Deux navettes (conducteurs de liaison) relient les deux autres bornes de S1 aux bornes correspondantes de S2. De la borne commune de S2, le conducteur va à la lampe (E1). Le neutre (N) est raccordé directement à la lampe. Actionner l’un ou l’autre interrupteur change l’état de la lampe : quand les deux interrupteurs sont sur la même navette, le circuit est fermé et la lampe est allumée ; quand ils sont sur des navettes différentes, le circuit est ouvert. Le schéma montre l’état éteint.

Les interrupteurs coupent la phase, pas le neutre : lampe éteinte, sa douille n’est donc pas sous tension. Le conducteur de protection (PE) est un conducteur continu distinct : il va au corps du luminaire et ne doit pas passer par un contact de commutation. Pour une commande depuis trois endroits ou plus, un permutateur (inverseur de croisement) est inséré dans les navettes entre les deux inverseurs.

Ordre de lecture : repérez d’abord l’alimentation et le récepteur, puis les organes de commutation, puis suivez séparément la phase, le neutre et le conducteur de protection. Couleurs des conducteurs : la phase est en général marron (ou noire, grise), le neutre bleu clair et le conducteur de protection vert-jaune ; les navettes n’ont pas de couleur propre, mais n’utilisez pour elles ni le bleu clair ni le vert-jaune. Les couleurs du schéma ne sont qu’illustratives ; pour l’identification réelle, appuyez-vous sur l’étude, la documentation des équipements et les exigences applicables.

Repères : F1 disjoncteur modulaire, S1 et S2 inverseur (COM = borne commune), E1 lampe, L phase, N neutre, PE conducteur de protection.

4. Bouton-poussoir et relais : pourquoi séparer la commande ?

Un petit signal de commande actionne la bobine du relais (ici 24 V continu), tandis que son contact commute un circuit distinct, isolé galvaniquement de la bobine (ici un circuit de lampe en 230 V protégé par F1). Le bouton-poussoir ne commute donc que le faible courant de la bobine, et non le courant de la charge. Tant que vous maintenez S1 appuyé, K1 colle et le contact 13–14 se ferme ; quand vous le relâchez, K1 retombe. Pour un fonctionnement durable, il faut un circuit d’auto-maintien (section 9).

Une diode de roue libre (V1) est montée en parallèle sur une bobine à courant continu : sa cathode est tournée vers le plus, elle est donc bloquée en fonctionnement normal, et quand la bobine est coupée, elle absorbe la surtension inductive qui pourrait endommager la commande. De nombreux relais et modules à relais en contiennent déjà une ; la diode est polarisée et provoque un court-circuit si elle est montée à l’envers. Choisissez la tension, le courant et la catégorie d’emploi du contact en fonction de la charge réelle (pour un driver de LED ou une charge inductive, le courant d’appel compte aussi) ; la tension de bobine correspond au circuit de commande. Le niveau d’isolement entre le circuit de commande en 24 V et le circuit de charge en 230 V est garanti par la fiche technique du relais.

Repères : S1 bouton-poussoir (à fermeture), K1 relais (bobine A1–A2, contact à fermeture 13–14), V1 diode de roue libre, F1 fusible, E1 charge (lampe). Le dessin montre deux circuits distincts ; la ligne en tirets est la liaison mécanique entre la bobine et le contact.

5. Étoile-triangle : tous les moteurs ne démarrent pas de la même façon

Pour les moteurs plus puissants à démarrage facile (par exemple ventilateurs et pompes), le démarrage étoile-triangle réduit le courant de démarrage. Il exige un moteur à six bornes dont les enroulements peuvent fonctionner en triangle sous la tension composée du réseau. Cela se lit sur la plaque signalétique : sur un réseau de 400 V, un moteur « 400 V Δ » (par exemple 400/690 V Δ/Y) convient, alors qu’un moteur dont la plaque indique 230/400 V Δ/Y ne peut fonctionner qu’en étoile sous 400 V et ne convient donc pas.

Sur le schéma : le contacteur de ligne KM1 relie l’alimentation aux bornes U1, V1, W1. Le contacteur étoile KM2 réunit les bornes W2, U2, V2 (le point neutre) : le moteur démarre en étoile, les enroulements reçoivent 1/√3 de la tension composée (environ 58 %, soit environ 230 V sur un réseau de 400 V), et le courant comme le couple de démarrage valent environ un tiers de ceux d’un démarrage direct. D’après le chronogramme, KM2 se ferme légèrement (quelques dizaines de millisecondes) avant KM1 afin de ne pas commuter un circuit en charge, et après le temps t (réglé sur le relais temporisé selon le démarrage de la machine), KM2 retombe et, après un court temps mort, le contacteur triangle KM3 se ferme : il réunit les bornes U1–W2, V1–U2, W1–V2 et le moteur fonctionne en triangle sous pleine tension.

KM2 et KM3 ne doivent jamais coller en même temps : ensemble, ils court-circuiteraient les phases ; le verrouillage électrique est donc obligatoire, et le verrouillage mécanique est courant et recommandé. Le couple en étoile est faible, la méthode ne convient donc pas aux machines qui démarrent en charge, et la commutation provoque une pointe de courant et de couple. Ici, le relais de surcharge F2 est placé dans la branche d’alimentation, réglé sur le courant assigné du moteur ; s’il surveillait le courant de phase (en série avec l’enroulement), il serait réglé à environ 58 % du courant assigné. Les contacteurs sont dimensionnés d’après les tableaux du constructeur.

Repères : Q1 protection contre les courts-circuits, KM1 contacteur de ligne, KM2 Y contacteur étoile, KM3 Δ contacteur triangle, F2 relais de surcharge, M1 moteur à six bornes (U1 V1 W1 et W2 U2 V2), t temps de commutation.

6. Ruban de LED : plusieurs tronçons ne font pas une seule longue LED

Un ruban de LED exige une alimentation à tension constante (ici 24 V continu), et la tension assignée de l’alimentation doit correspondre à celle du ruban. Le ruban est constitué de branches préfabriquées (sur le dessin, une résistance et une LED en série) placées en parallèle entre le rail positif et le rail négatif, ce qui permet de le couper aux points de coupe indiqués par le fabricant. Par simplicité, le dessin montre une LED et une résistance par branche ; sur un vrai ruban de 24 V, plusieurs LED sont en série avec une résistance dans chaque branche. Polarité : le plus au rail plus, le moins au rail moins.

Sur un long ruban, la résistance du rail conducteur provoque une chute de tension et l’extrémité éloignée devient moins lumineuse. Les tronçons doivent donc être alimentés indépendamment, en parallèle (pas en chaîne bout à bout), et un long tronçon par ses deux extrémités. Un ruban de tension plus élevée (24 V) absorbe moins de courant pour la même puissance, la chute de tension est donc aussi plus faible. Sur le schéma, les tronçons LS1 et LS2 reçoivent chacun leur propre paire de conducteurs de la même alimentation G1, chacun avec son propre fusible (F1 et F2).

Calculez à partir de la puissance : I = P / U. Par exemple, 5 m de ruban de 14,4 W/m représentent 72 W, soit 3 A sous 24 V. L’alimentation doit avoir une réserve suffisante au-dessus de la puissance totale de tous les rubans, et le courant assigné du fusible doit être supérieur au courant du tronçon mais inférieur au courant admissible du conducteur. La longueur maximale d’alimentation et les données du ruban figurent dans la fiche technique du fabricant ; ne le faites pas fonctionner enroulé, car il surchaufferait.

Repères : G1 alimentation à tension constante 24 V, F1 et F2 fusible, LS1 et LS2 tronçons de ruban de LED.

7. Schéma unifilaire : la logique du tableau en une ligne

Un schéma unifilaire représente un circuit à plusieurs conducteurs (ici L, N et PE) par une seule ligne, et montre non pas les positions physiques d’installation, mais l’ordre des appareils de protection et des récepteurs. Sur le schéma : alimentation (1N~ 230 V après le compteur d’énergie) → Q0 interrupteur général (sectionnement) → deux interrupteurs différentiels (FI1, FI2, 30 mA) → derrière eux les disjoncteurs modulaires (F1–F4) → circuits terminaux : E1 éclairage, XS1 et XS2 prises, EH1 plaque de cuisson. Sur un câble, le trait oblique est suivi du nombre de conducteurs et de la section (par exemple 3×1,5 : trois conducteurs de 1,5 mm²).

Pourquoi deux interrupteurs différentiels ? Un seul appareil commun, en déclenchant, mettrait tout le logement hors tension ; deux appareils limitent cet effet. B10 et B16 sont la courbe de déclenchement (B) et le calibre (10 et 16 A) du disjoncteur modulaire. Les valeurs de l’exemple (B10 et 1,5 mm² pour l’éclairage, B16 et 2,5 mm² pour les prises) ne sont qu’indicatives : la valeur réelle dépend de la charge, de la longueur des conducteurs, du mode de pose et des exigences. L’exemple de la plaque EH1 vaut pour une plaque monophasée d’au plus environ 3,6 kW ; une plaque plus puissante est normalement raccordée à un circuit triphasé dimensionné séparément.

Repères : Q0 interrupteur général, FI1 et FI2 interrupteur différentiel (IΔ : il agit sur le courant différentiel, c’est-à-dire le courant de défaut), F1–F4 disjoncteur modulaire, E1 lampe, XS1 et XS2 prise, EH1 plaque de cuisson (charge fixe).

8. Relais temporisé : commuter après un délai réglé

Sur un signal de commande, la bobine du relais temporisé (KT1) démarre la temporisation et commute son contact après le temps réglé t. Le schéma montre un relais temporisé à l’enclenchement : quand S1 se ferme, KT1 est alimenté, après le temps t le contact à fermeture temporisé 15–18 se ferme et la lampe E1 s’allume. Quand S1 est relâché, la bobine est hors tension et le contact s’ouvre aussitôt. Le chronogramme le montre : la mise en marche est retardée, l’arrêt ne l’est pas. Le petit arc sur le contact est le symbole de la temporisation ; le côté concave de l’arc est tourné vers le mouvement retardé, ici la fermeture.

Un tel relais sert, par exemple, à démarrer des machines en séquence, à temporiser la commutation étoile-triangle (section 5) ou à retarder le redémarrage d’un compresseur. Un relais temporisé au déclenchement maintient sa sortie pendant le temps t après la coupure ; c’est la solution typique pour une ventilation à post-fonctionnement (par exemple le ventilateur d’une salle de bains) et pour l’éclairage d’escalier (minuterie). Les relais temporisés multifonctions savent aussi faire ces fonctions ainsi que des fonctions d’impulsion et de cycle ; choisissez toujours la fonction selon le type d’appareil.

Repères : S1 contact de commande (ici une source de signal maintenue fermée), KT1 relais temporisé (bobine A1–A2, contact à fermeture temporisé 15–18), E1 la charge commutée, t le temps de temporisation.

9. Auto-maintien d’un contacteur : MARCHE ne reste pas appuyé

Dans un auto-maintien, un court appui sur le bouton-poussoir MARCHE (S1, à fermeture) fait coller le contacteur KM1. Le contact auxiliaire 13–14 de KM1 se ferme en parallèle avec S1 et prend le relais pour alimenter la bobine, de sorte que S1 peut être relâché. Le contact ARRÊT (S0, à ouverture) et le contact à ouverture 95–96 du relais de surcharge F2 sont en série avec la bobine : l’un ou l’autre interrompt le circuit, KM1 retombe, le contact auxiliaire s’ouvre aussi, et le moteur ne redémarre qu’après un nouvel appui sur MARCHE.

ARRÊT est un contact à ouverture (NF) parce que même un fil coupé ou une borne desserrée conduit alors à l’état arrêté, sûr : un défaut dans le circuit de commande ne doit pas maintenir le moteur en marche. Les contacts de commande sont du côté de la phase (L) et la bobine du côté du neutre, de sorte qu’un défaut à la terre ne fait pas coller le contacteur. Après une coupure de tension, un circuit à auto-maintien ne redémarre pas de lui-même, ce qui est souhaitable ; avec un interrupteur maintenu fermé (commande à deux fils), la machine peut redémarrer d’elle-même au retour de la tension. C’est une logique de commande qui doit être conçue avec les protections, verrouillages et la protection contre le redémarrage intempestif réels, selon l’appréciation du risque de la machine.

Repères : F1 fusible du circuit de commande, S0 ARRÊT (à ouverture), F2 relais de surcharge 95–96 (à ouverture), S1 MARCHE (à fermeture), KM1 contacteur (bobine A1–A2, contact auxiliaire à fermeture 13–14).

10. Éclairage à détecteur de mouvement

Le détecteur de mouvement (B1, ici PIR, infrarouge passif) commute le conducteur de phase de la lampe par son contact de sortie interne (L → L′). Il a trois bornes : L et N alimentent le détecteur lui-même, il lui faut donc une phase permanente et un neutre permanent ; L′ est la sortie commutée qui va à la lampe. L’autre borne de la lampe est raccordée au neutre, et le conducteur de protection va au corps du luminaire. Si la boîte d’interrupteur n’a pas de conducteur neutre (seulement la phase et le conducteur vers la lampe, comme dans une installation classique à interrupteur), un détecteur à trois fils ne peut pas être raccordé : il faut un détecteur à deux fils.

Pour apprendre, séparez mentalement la détection (PIR), la décision (l’électronique du détecteur : sensibilité, temporisation, seuil de luminosité), la commutation (L′) et la charge ; cela rend compréhensibles la plupart des automatismes d’éclairage. Le pouvoir de coupure de la sortie, les conditions pour les charges LED ou inductives (charge minimale, courant d’appel) et toute commande manuelle de forçage sont toujours donnés par la documentation de l’appareil.

Repères : F1 disjoncteur modulaire, B1 détecteur de mouvement (PIR ; L, N, L′ commutée), E1 lampe, L phase, N neutre, PE conducteur de protection.

11. Un capteur 24 V sur l’entrée d’un automate

Un capteur industriel à trois fils utilise des conducteurs d’alimentation distincts et un conducteur de signal distinct. Les couleurs de conducteurs et l’affectation du connecteur M12 habituelles sont : marron (BN, borne 1) = +24 V, bleu (BU, borne 3) = 0 V, noir (BK, borne 4) = signal de sortie. Le capteur reçoit son énergie de l’alimentation G1 ; l’automate ne lit que le signal (le conducteur noir).

Un capteur PNP commute sa sortie au +24 V quand il est actif. Le courant de signal traverse alors l’entrée de l’automate et revient au 0 V, de sorte que le point commun de l’entrée (ici 1M) est relié au 0 V, et le 0 V du capteur, de l’alimentation et de l’entrée est commun. Un capteur NPN, au contraire, commute sa sortie au 0 V et exige une entrée de polarité opposée. Le type d’entrée, le niveau de tension et le pouvoir de coupure du capteur doivent être adaptés d’après les fiches techniques de l’automate et du capteur ; une inadéquation laisse l’entrée inopérante ou peut endommager les équipements.

Repères : G1 alimentation 24 V continu, B1 capteur PNP (BN, BU, BK), PLC1 automate (DI0 entrée numérique, 1M point commun de l’entrée), I courant du circuit de signal.

12. Inversion du sens de rotation d’un moteur

Sur un moteur triphasé, l’échange de deux phases inverse le sens de rotation. Sur le schéma, KM1 relie les phases L1, L2, L3 directement aux bornes U1, V1, W1 (marche avant), et KM2 échange les phases L1 et L2 (marche arrière : L1 → V1, L2 → U1, L3 → W1). Les deux contacteurs sont alimentés par la même source, de sorte que s’ils collaient ensemble, il y aurait un court-circuit entre les phases. KM1 et KM2 ne doivent jamais fonctionner ensemble, c’est pourquoi le verrouillage n’est pas facultatif.

Le verrouillage doit être à la fois électrique (un contact auxiliaire à ouverture d’un contacteur, par exemple KM1 21–22, en série avec la bobine de l’autre contacteur) et, de préférence, mécanique (un élément mécanique reliant les deux contacteurs ; sur le schéma, la double flèche entre les lignes en tirets). Une inversion en marche provoquerait une forte pointe de courant et de couple, la commande n’autorise donc normalement un démarrage dans le sens opposé qu’après l’arrêt. Le dessin montre le circuit de puissance ; la commande (un MARCHE distinct pour chaque sens et un ARRÊT commun) se complète comme à la section 9 ; la protection par fins de course, le freinage et la protection contre le redémarrage intempestif relèvent de la conception de sécurité de la machine.

Repères : Q1 protection contre les courts-circuits, KM1 contacteur marche avant, KM2 contacteur marche arrière, F2 relais de surcharge, M1 moteur triphasé, ⇄ entre les deux contacteurs : le verrouillage mécanique.

13. Pourquoi diviser en plusieurs circuits ?

Dans un tableau, les récepteurs de destinations différentes partent normalement sur des départs de protection distincts. Sur le schéma, après l’interrupteur général Q0 et l’interrupteur différentiel FI1, il y a trois circuits : F1 éclairage (E1–E3), F2 prises (XS1–XS3), F3 plaque de cuisson (EH1). Si une surintensité ou un court-circuit survient dans le circuit de prises (le symbole d’éclair), seul F2 déclenche : l’éclairage et la plaque de cuisson restent en service (sur le schéma, le circuit déclenché est en tirets gris).

L’avantage est une recherche de défaut plus facile (on voit quel circuit est en cause), une protection mieux ciblée (chaque circuit reçoit un disjoncteur dimensionné pour son propre conducteur et sa charge) et une meilleure continuité de service (un défaut sur les prises ne plonge pas le logement dans le noir). Les charges importantes (plaque de cuisson, four, chauffe-eau, climatisation) ont en général leur propre circuit. L’interrupteur différentiel FI1, en revanche, déclenche sur le courant différentiel (de défaut), c’est-à-dire la différence entre les courants de phase et de neutre, par exemple lors d’un défaut à la terre ou d’un courant de fuite, et coupe tous les circuits placés derrière lui ; c’est pourquoi les tableaux plus importants utilisent plusieurs interrupteurs différentiels (voir la section 7). Le regroupement exact s’établit d’après l’étude, les charges et les exigences applicables.

Repères : Q0 interrupteur général, FI1 interrupteur différentiel, F1–F3 disjoncteur modulaire (B10, B16 sont la courbe et le calibre), E1–E3 lampe, XS1–XS3 prise, EH1 plaque de cuisson (un exemple monophasé de plus faible puissance).

Questions d’entraînement

1. Pourquoi le circuit de LED exige-t-il une limitation de courant, et comment calcule-t-on la résistance ?
2. Quelle est la différence entre la fonction de commutation d’un contacteur et la fonction de protection contre les surcharges ?
3. Pourquoi PE ne doit-il pas passer par un interrupteur ?
4. Pourquoi utilise-t-on un contact à ouverture (NF) pour le bouton ARRÊT ?
5. Pourquoi les contacteurs étoile et triangle, ou marche avant et marche arrière, ne peuvent-ils jamais coller en même temps ?

Si vous voulez documenter clairement une étude, poursuivez avec les symboles et jeux de symboles, puis avec le chapitre câbles et circuits.