13. Schemi di collegamento pratici

La sicurezza prima di ogni schema

I disegni qui riportati sono schemi didattici e di principio. Non sono un progetto esecutivo, né una disposizione dei morsetti o dei conduttori, e non autorizzano a lavorare sotto tensione. Su un circuito a tensione di rete (230/400 V) può lavorare solo personale abilitato; le protezioni, la messa a terra, la sezione dei conduttori e le prescrizioni in sito hanno sempre la precedenza.

Come leggere gli schemi? I disegni usano i consueti simboli semplificati degli schemi elettrici, con designazioni degli apparecchi al posto del testo (il significato lo trova alla fine di ogni punto). Interruttori, contatti e pulsanti sono disegnati in posizione di riposo (non azionati, bobine non alimentate). I colori sono solo un aiuto: marrone = fase (L1), nero e grigio = L2 e L3, blu = neutro (N), giallo-verde = conduttore di protezione (PE); in corrente continua rosso = +, blu = 0 V. La linea tratteggiata indica un collegamento meccanico (ad esempio tra la bobina del relè e il suo contatto). Nelle designazioni F è la protezione (fusibile, interruttore magnetotermico, relè di sovracorrente), Q l'interruttore automatico o l'interruttore generale, S l'interruttore o il pulsante, K e KM il relè e il contattore, M il motore, E l'illuminazione, B il sensore, G l'alimentatore.

1. Collegamento di un LED: si impara a bassa tensione

Per cominciare serve un circuito a bassa tensione, ad esempio a 12 V DC. Il LED è un diodo: conduce in un solo verso. L'anodo (A) è rivolto verso il positivo, il catodo (K) verso il negativo; con polarità invertita non si accende e il LED può anche danneggiarsi. La corrente del LED non si regola da sola: dopo aver raggiunto la tensione di soglia (UF) la corrente cresce rapidamente, perciò serve una resistenza in serie o un pilotaggio a corrente costante, altrimenti il LED si danneggia. Il fusibile (F1) protegge il conduttore e il lato di alimentazione dal cortocircuito, non limita la corrente del LED.

Legga lo schema nel verso della corrente, dal lato positivo verso il negativo: alimentatore G1 → fusibile F1 → interruttore S1 → resistenza R1 → LED D1 (anodo → catodo) → ritorno al negativo di G1.

Il valore della resistenza si calcola dalla scheda tecnica: R1 = (U − UF) / IF. Ad esempio con alimentazione a 12 V, UF ≈ 2 V e IF = 20 mA risulta R1 = (12 − 2) / 0,02 = 500 Ω; scelga il valore normalizzato immediatamente superiore (510 Ω), così la corrente è circa 19,6 mA. Sulla resistenza si dissipano circa 0,2 W, perciò usi una resistenza da ½ W.

Designazioni: G1 alimentatore a 12 V in corrente continua, F1 fusibile, S1 interruttore (contatto di chiusura), R1 resistenza, D1 LED, I verso della corrente. Lo schema non è utilizzabile per il collegamento di un driver LED a tensione di rete.

2. Collegamento di un motore: il diverso ruolo del circuito di potenza e di quello di comando

L'avviamento di un motore trifase non consiste semplicemente nel collegare tre conduttori. Il circuito di potenza (L1, L2, L3 → motore) e il circuito di comando (la bobina del contattore, i pulsanti) sono circuiti separati. Lo schema mostra il circuito di potenza dell'avviamento diretto: Q1 protegge dal cortocircuito e svolge il sezionamento, i contatti principali del contattore KM1 inseriscono il motore, il relè termico di sovracorrente F2 controlla il sovraccarico prolungato, il motore M1 riceve le tre fasi sui morsetti U1, V1, W1, e il conduttore di protezione (PE) va alla carcassa del motore. La bobina del contattore (A1–A2) e il contatto ausiliario di F2 (95–96, normalmente chiuso) appartengono al circuito di comando: sul lato destro dello schema è indicato soltanto il loro collegamento, il cablaggio è mostrato al punto 9.

Con un salvamotore, che ha sia lo sganciatore termico sia quello magnetico, F2 separato si può omettere, perché l'interruttore protegge anche dal sovraccarico. Il valore di intervento va regolato sulla corrente nominale riportata sulla targa del motore. La categoria di impiego del contattore (per i motori tipicamente AC-3), il metodo di avviamento, l'arresto di emergenza, la sequenza delle fasi (che decide il senso di rotazione) e la scelta degli apparecchi di protezione sono stabiliti dalla targa del motore e dal progettista.

Designazioni: Q1 protezione dal cortocircuito (salvamotore o interruttore magnetotermico), KM1 contattore (contatti principali 1–2, 3–4, 5–6; bobina A1–A2), F2 relè termico di sovracorrente (contatto ausiliario 95–96), M1 motore trifase (3~), U1 V1 W1 morsetti del motore.

3. Leggere uno schema elettrico: lampada comandata da due punti

Nel collegamento a deviatori, due deviatori comandano la stessa lampada. La fase (L) arriva, attraverso l'interruttore magnetotermico F1, al morsetto comune (COM) di S1. Tra gli altri due morsetti di S1 e i due morsetti corrispondenti di S2 corrono due conduttori di collegamento. Dal morsetto comune di S2 il conduttore va alla lampada (E1). Il neutro (N) si collega direttamente alla lampada. Il cambio di posizione di uno qualsiasi dei deviatori commuta lo stato della lampada: se entrambi i deviatori sono sullo stesso conduttore di collegamento, il circuito è chiuso e la lampada si accende; se sono su conduttori diversi, il circuito è aperto. Lo schema mostra lo stato spento.

Gli interruttori commutano la fase, non il neutro, così a lampada spenta il portalampada non è in tensione. Il conduttore di protezione (PE) è un conduttore separato e continuo: va alla carcassa dell'apparecchio e non può essere interrotto da un contatto di commutazione. Per il comando da tre o più punti, tra i due deviatori si inserisce un invertitore nei conduttori di collegamento.

Ordine di lettura dello schema: prima individui l'alimentazione e l'utilizzatore, poi gli elementi di manovra, infine segua separatamente il percorso della fase, del neutro e del conduttore di protezione. Colore dei conduttori: la fase di norma è marrone (o nera, grigia), il neutro blu chiaro, il conduttore di protezione giallo-verde; il conduttore di collegamento non ha un colore proprio, ma non usi per esso il blu chiaro né il giallo-verde. I colori nello schema sono solo illustrativi; per le marcature effettive faccia sempre riferimento al progetto, alla documentazione dell'apparecchio e alle prescrizioni applicabili.

Designazioni: F1 interruttore magnetotermico, S1 e S2 deviatore (COM = morsetto comune), E1 lampada, L fase, N neutro, PE conduttore di protezione.

4. Pulsante e relè: perché si separa il comando?

La bobina del relè è azionata da un piccolo segnale di comando (qui 24 V DC), mentre il suo contatto commuta, separato galvanicamente, un circuito distinto (qui un circuito di illuminazione a 230 V protetto da F1). In questo modo il pulsante commuta solo la piccola corrente della bobina, non la corrente dell'utilizzatore. Finché tiene premuto S1, K1 è eccitato e il contatto 13–14 è chiuso; al rilascio K1 si diseccita. Per un funzionamento continuo serve l'autoritenuta (punto 9).

In parallelo alla bobina in corrente continua si collega un diodo di ricircolo (V1): il suo catodo è rivolto verso il lato positivo, così in funzionamento normale è polarizzato inversamente, ma allo spegnimento della bobina scarica la sovratensione induttiva che potrebbe danneggiare il comando. Molti relè o moduli relè ne contengono già uno; il diodo è sensibile alla polarità, e collegato al contrario provoca un cortocircuito. La tensione nominale, la corrente e la categoria di impiego del contatto vanno scelte per il carico effettivo (con un driver LED e con un carico induttivo conta anche la corrente di spunto); la tensione della bobina si adatta al circuito di comando. Il livello di isolamento tra il circuito di comando a 24 V e il circuito di carico a 230 V è garantito dalla scheda tecnica del relè.

Designazioni: S1 pulsante (normalmente aperto), K1 relè (bobina A1–A2, contatto 13–14 di chiusura), V1 diodo di ricircolo, F1 fusibile, E1 utilizzatore (lampada). Il disegno mostra due circuiti separati; la linea tratteggiata è il collegamento meccanico tra bobina e contatto.

5. Stella-triangolo: non tutti i motori si avviano allo stesso modo

Nei motori più grandi con avviamento leggero (ad esempio ventilatore, pompa) la corrente di spunto viene ridotta dall'avviamento stella-triangolo. La condizione è un motore a sei terminali, i cui avvolgimenti possono funzionare a triangolo alla tensione concatenata di rete. Lo si legge sulla targa: su una rete a 400 V va bene un motore «400 V Δ» (ad esempio 400/690 V Δ/Y), mentre un motore con targa 230/400 V Δ/Y a 400 V può funzionare solo a stella, perciò qui non è adatto.

Secondo lo schema: il contattore di rete KM1 porta la rete ai morsetti U1, V1, W1. Il contattore stella KM2 collega fra loro i morsetti W2, U2, V2 (centro stella): il motore si avvia a stella, gli avvolgimenti ricevono 1/√3 della tensione concatenata (circa il 58 %, a 400 V circa 230 V), la corrente di spunto e la coppia di avviamento sono circa un terzo di quelle dell'avviamento diretto. Secondo il diagramma temporale KM2 si chiude leggermente (alcune decine di millisecondi) prima di KM1, per non commutare il circuito sotto carico, e dopo il tempo t (impostato dal relè temporizzatore, adattato all'accelerazione della macchina) KM2 si diseccita e, dopo un breve tempo morto, si chiude il contattore triangolo KM3: collega i morsetti U1–W2, V1–U2, W1–V2, e il motore funziona a triangolo, a piena tensione.

KM2 e KM3 non devono mai essere eccitati contemporaneamente: insieme provocherebbero un cortocircuito tra le fasi, perciò l'interblocco elettrico è obbligatorio, quello meccanico è diffuso e consigliato. A stella la coppia è piccola, perciò non è utilizzabile per macchine che partono a carico, e alla commutazione si verificano picchi di corrente e di coppia. Il relè di sovracorrente F2 qui si trova nel ramo di rete, regolato sulla corrente nominale del motore; se controlla la corrente di fase (in serie al ramo dell'avvolgimento), va regolato a circa il 58 % della corrente nominale. Il dimensionamento dei contattori è dato dalla tabella del costruttore.

Designazioni: Q1 protezione dal cortocircuito, KM1 contattore di rete, KM2 Y contattore stella, KM3 Δ contattore triangolo, F2 relè di sovracorrente, M1 motore a sei morsetti (U1 V1 W1 e W2 U2 V2), t tempo di commutazione.

6. Striscia LED: più sezioni non sono un unico LED lungo

La striscia LED richiede un'alimentazione a tensione costante (qui 24 V DC), e la tensione nominale dell'alimentatore deve coincidere con quella della striscia. La striscia è composta da rami preconfezionati (nel disegno resistenza e LED in serie), che sono in parallelo tra la barra positiva e quella negativa, perciò può essere sezionata nei punti di taglio indicati dal costruttore. Nel disegno, semplificando, c'è per ogni ramo un LED e una resistenza; sulla vera striscia a 24 V per ogni ramo ci sono più LED in serie con una resistenza. Polarità: il positivo va alla barra positiva, il negativo alla barra negativa.

Su una striscia lunga la resistenza della barra conduttrice provoca una caduta di tensione e l'estremità della striscia diventa più tenue. Per questo le sezioni vanno alimentate indipendentemente l'una dall'altra, in parallelo (non collegate a catena da capo a capo), e una sezione lunga va alimentata a entrambe le estremità. Una striscia a tensione maggiore (24 V), a pari potenza, assorbe meno corrente e quindi anche la caduta di tensione è minore. Nello schema le sezioni LS1 e LS2 ricevono una coppia di conduttori ciascuna dallo stesso alimentatore G1, ognuna con il proprio fusibile F1 e F2.

Calcoli dalla potenza: I = P / U. Esempio: 5 m di una striscia da 14,4 W/m sono 72 W, cioè 3 A a 24 V. La potenza dell'alimentatore sia, con un'adeguata riserva, maggiore della potenza di tutte le strisce, la corrente nominale del fusibile maggiore della corrente della sezione, ma minore della portata del conduttore. La lunghezza massima di alimentazione della striscia e i suoi dati sono dati dalla scheda tecnica del costruttore; non la faccia funzionare arrotolata, perché si surriscalda.

Designazioni: G1 alimentatore a tensione costante da 24 V, F1 e F2 fusibile, LS1 e LS2 sezione di striscia LED.

7. Schema unifilare: la logica del quadro in una riga

Lo schema unifilare rappresenta con un'unica linea un circuito a più conduttori (qui L, N e PE), e mostra non i luoghi fisici di installazione, ma l'ordine delle protezioni e degli utilizzatori. Nel disegno: alimentazione (1N~ 230 V dopo il contatore) → interruttore generale Q0 (sezionamento) → due interruttori differenziali (FI1, FI2, 30 mA) → a valle gli interruttori magnetotermici (F1–F4) → circuiti terminali: E1 illuminazione, XS1 e XS2 prese, EH1 piano cottura. Sul cavo, accanto al tratto obliquo, sono indicati il numero dei conduttori e la sezione (ad esempio 3×1,5: tre conduttori, 1,5 mm²).

Perché due interruttori differenziali? L'intervento di un unico apparecchio diseccita l'intero appartamento, due apparecchi lo limitano. B10 e B16 sono la caratteristica di intervento dell'interruttore magnetotermico (B) e la sua corrente nominale (10 e 16 A). I valori d'esempio (B10 e 1,5 mm² per l'illuminazione, B16 e 2,5 mm² per le prese) sono solo indicativi: il valore effettivo dipende dal carico, dalla lunghezza dei conduttori, dalla modalità di posa e dalle prescrizioni. L'esempio del piano cottura EH1 vale per un piano cottura monofase fino a circa 3,6 kW; un piano cottura più grande di norma si collega a un circuito trifase, dimensionato a parte.

Designazioni: Q0 interruttore generale, FI1 e FI2 interruttore differenziale (IΔ: funziona con la corrente differenziale, cioè la corrente di guasto), F1–F4 interruttore magnetotermico, E1 lampada, XS1 e XS2 presa, EH1 piano cottura (utilizzatore fisso).

8. Relè temporizzatore: commutazione dopo un'attesa definita

La bobina del relè temporizzatore (KT1), per effetto del segnale di comando, avvia la temporizzazione e dopo il tempo t impostato commuta il suo contatto. Lo schema mostra un relè con ritardo all'eccitazione: alla chiusura di S1 KT1 riceve tensione, dopo il tempo t il contatto di chiusura temporizzato 15–18 si chiude e la lampada E1 si accende. Quando S1 si apre, la bobina resta senza tensione e il contatto si apre subito. Il diagramma temporale lo mostra: l'inserimento è ritardato, il disinserimento no. Il piccolo arco sul contatto è il segno del ritardo; il lato concavo dell'arco è rivolto verso il movimento ritardato, qui verso la chiusura.

Un relè di questo tipo si usa, ad esempio, nell'avviamento in sequenza delle macchine, nella temporizzazione della commutazione stella-triangolo (punto 5) o nel ritardo di riavviamento del compressore. Il relè con ritardo alla diseccitazione, dopo lo spegnimento, mantiene ancora l'uscita per il tempo t; è la soluzione tipica per la post-ventilazione (ad esempio il ventilatore del bagno) e per l'illuminazione delle scale. I relè temporizzatori multifunzione sanno fare queste cose e anche le funzioni a impulso e a ciclo; la funzione va sempre scelta secondo il tipo di apparecchio.

Designazioni: S1 contatto di comando (qui una sorgente di segnale mantenuta chiusa), KT1 relè temporizzatore (bobina A1–A2, contatto di chiusura temporizzato 15–18), E1 il carico commutato, t tempo di ritardo.

9. Autoritenuta del contattore: START non resta premuto

Nell'autoritenuta, una breve pressione del pulsante START (S1, normalmente aperto) eccita il contattore KM1. Il contatto ausiliario 13–14 di KM1 si chiude in parallelo a S1 e subentra nell'alimentazione della bobina, così S1 può essere rilasciato. Il contatto STOP (S0, normalmente chiuso) e il contatto normalmente chiuso 95–96 del relè di sovracorrente F2 sono in serie alla bobina: uno qualsiasi interrompe il circuito, KM1 si diseccita, anche il contatto ausiliario si apre, e il motore riparte solo dopo un nuovo START.

STOP è un contatto normalmente chiuso (NC) perché, in caso di rottura di un conduttore o di un morsetto allentato, si ottiene comunque lo stato di arresto, sicuro: un guasto del circuito di comando non può tenere inserito il motore. I contatti di manovra sono sul lato della fase (L), la bobina sul lato del neutro, così un guasto a terra non eccita il contattore. Dopo una mancanza di tensione il comando con autoritenuta non riparte da solo, il che è auspicabile; in un circuito comandato da un interruttore tenuto chiuso (a due fili), invece, al ritorno della tensione la macchina può avviarsi da sola. È logica di comando, che va progettata insieme alle protezioni effettive, agli interblocchi e alla protezione contro il riavviamento inatteso, secondo la valutazione dei rischi della macchina.

Designazioni: F1 fusibile del circuito di comando, S0 STOP (normalmente chiuso), F2 relè di sovracorrente 95–96 (normalmente chiuso), S1 START (normalmente aperto), KM1 contattore (bobina A1–A2, contatto ausiliario 13–14 di chiusura).

10. Luce con sensore di movimento

Il sensore di movimento (B1, qui PIR, a infrarossi passivi) con il suo contatto di commutazione interno commuta il conduttore di fase della lampada (L → L′). Ha tre morsetti: L e N sono l'alimentazione propria del sensore, perciò al sensore servono una fase permanente e un neutro permanente; L′ è l'uscita commutata, che va alla lampada. L'altro morsetto della lampada si collega al neutro, e alla carcassa dell'apparecchio il conduttore di protezione. Se nella scatola dell'interruttore non c'è il conduttore neutro (solo la fase e il conduttore che va alla lampada, come nell'installazione tradizionale con interruttore), il sensore a tre fili non si può collegare: serve un sensore nella versione a due fili.

Nello studio separi mentalmente il rilevamento (PIR), la decisione (l'elettronica del sensore: sensibilità, ritardo, soglia di luminosità), la commutazione (L′) e l'utilizzatore; questo rende comprensibili la maggior parte dei compiti di illuminazione automatica. La capacità di carico dell'uscita, le condizioni necessarie per un carico LED o induttivo (carico minimo, corrente di inserzione) e la possibilità di esclusione manuale sono sempre indicate dalla documentazione dell'apparecchio.

Designazioni: F1 interruttore magnetotermico, B1 sensore di movimento (PIR; L, N, L′ commutata), E1 lampada, L fase, N neutro, PE conduttore di protezione.

11. Sensore a 24 V sull'ingresso del controllore

Il sensore industriale a tre fili usa conduttori di alimentazione separati e un conduttore di segnale separato. I colori usuali dei conduttori e la disposizione dei contatti del connettore M12: marrone (BN, terminale 1) = +24 V, blu (BU, terminale 3) = 0 V, nero (BK, terminale 4) = segnale di uscita. L'alimentazione il sensore la riceve dall'alimentatore G1, il PLC legge solo il segnale (il conduttore nero).

Il sensore PNP, da attivo, commuta la sua uscita sul +24 V. In questo caso la corrente di segnale scorre attraverso l'ingresso del PLC e si richiude sullo 0 V, perciò il punto comune dell'ingresso (qui 1M) si collega allo 0 V, e lo 0 V del sensore, dell'alimentatore e dell'ingresso è comune. Il sensore NPN, invece, commuta la sua uscita sullo 0 V, e per esso serve un ingresso con polarità inversa. Il tipo di ingresso, il livello di tensione e la capacità di carico del sensore vanno accordati secondo la scheda tecnica del PLC e del sensore; in caso di discordanza l'ingresso non funziona, o l'apparecchio può danneggiarsi.

Designazioni: G1 alimentatore 24 V DC, B1 sensore PNP (BN, BU, BK), PLC1 controllore (DI0 ingresso digitale, 1M punto comune dell'ingresso), I corrente del circuito di segnale.

12. Inversione del senso di rotazione del motore

In un motore trifase lo scambio di due fasi inverte il senso di rotazione. Nello schema KM1 collega le fasi L1, L2, L3 direttamente ai morsetti U1, V1, W1 (avanti), KM2 scambia le fasi L1 e L2 (indietro: L1 → V1, L2 → U1, L3 → W1). I due contattori ricevono corrente dalla stessa alimentazione, perciò se si eccitassero insieme si produrrebbe un cortocircuito tra le fasi. KM1 e KM2 non devono mai funzionare insieme, perciò l'interblocco non è facoltativo.

L'interblocco va realizzato elettricamente (con il contatto ausiliario normalmente chiuso di un contattore, ad esempio KM1 21–22, in serie alla bobina dell'altro contattore) e possibilmente anche meccanicamente (un elemento meccanico che collega i due contattori; nello schema la doppia freccia tra le linee tratteggiate). L'inversione durante la marcia provocherebbe un forte picco di corrente e di coppia, perciò il comando di norma consente l'avviamento nel senso opposto solo dopo l'arresto. Il disegno mostra il circuito di potenza, il comando (START separato per ogni senso, STOP comune) va completato secondo il punto 9; la protezione di fine corsa, la frenatura e la protezione contro il riavviamento inatteso fanno parte del piano di sicurezza della macchina.

Designazioni: Q1 protezione dal cortocircuito, KM1 contattore avanti, KM2 contattore indietro, F2 relè di sovracorrente, M1 motore trifase, ⇄ tra i due contattori è l'interblocco meccanico.

13. Perché si suddivide in più circuiti?

Nel quadro gli utilizzatori di diversa destinazione partono, di norma, su rami di protezione separati. Nello schema, dopo l'interruttore generale Q0 e l'interruttore differenziale FI1 ci sono tre circuiti: F1 illuminazione (E1–E3), F2 prese (XS1–XS3), F3 piano cottura (EH1). Se nel circuito prese si verifica una sovracorrente o un cortocircuito (il simbolo del fulmine), interviene solo F2: l'illuminazione e il piano cottura restano in servizio (nello schema il circuito scattato è grigio tratteggiato).

Il vantaggio è una ricerca guasti più chiara (si vede quale circuito è guasto), una protezione più mirata (ogni circuito riceve un interruttore magnetotermico dimensionato per il proprio conduttore e il proprio carico) e una migliore continuità di servizio (un guasto a una presa non lasci l'appartamento al buio). I grandi utilizzatori (piano cottura, forno, scaldabagno, climatizzatore) di norma ricevono un circuito proprio. L'interruttore differenziale FI1, invece, interviene sulla corrente di guasto (sulla differenza tra la corrente del conduttore di fase e quella del neutro, ad esempio in caso di guasto a massa o di dispersione) e diseccita tutti i circuiti a valle; per questo in un quadro più grande si usano più interruttori differenziali (vedere il punto 7). Il raggruppamento preciso si stabilisce in base al progetto, ai carichi e ai requisiti applicabili.

Designazioni: Q0 interruttore generale, FI1 interruttore differenziale, F1–F3 interruttore magnetotermico (B10, B16 la caratteristica e la corrente), E1–E3 lampada, XS1–XS3 presa, EH1 piano cottura (esempio più piccolo, monofase).

Domande di esercizio

1. Perché nel circuito del LED serve una limitazione di corrente, e come si calcola il valore della resistenza?
2. Qual è la differenza tra il compito di commutazione del contattore e il compito della protezione dal sovraccarico?
3. Perché il PE non può passare attraverso un interruttore?
4. Perché per il pulsante STOP si usa un contatto normalmente chiuso (NC)?
5. Perché il contattore stella e quello triangolo, e i contattori avanti e indietro, non possono eccitarsi contemporaneamente?

Se vuole documentare un progetto in modo chiaro, prosegua con i simboli e gli insiemi di simboli, poi con il capitolo cavi e circuiti.