13. Esquemas práticos

Segurança antes de cada diagrama

Os desenhos abaixo são diagramas didáticos conceituais. Eles não são desenhos de instalação, tabelas de bornes nem instruções de ligação, e não autorizam trabalhos elétricos com o circuito energizado. Somente pessoas qualificadas devem trabalhar em circuitos de tensão de rede (230/400 V); a proteção no local, o aterramento, o dimensionamento dos condutores e os requisitos aplicáveis sempre têm prioridade.

Como ler os diagramas. Os desenhos usam símbolos normalizados simplificados de diagramas de circuitos, com designações dos dispositivos em vez de palavras (o significado de cada uma está listado no final de cada seção). Interruptores, contatos e botoeiras são desenhados em seu estado de repouso (não acionados, bobinas desenergizadas). As cores são apenas um auxílio: marrom = fase (L1), preto e cinza = L2 e L3, azul = neutro (N), verde-amarelo = condutor de proteção (PE); em CC, vermelho = +, azul = 0 V. Uma linha tracejada é uma ligação mecânica (por exemplo, entre a bobina de um relé e o seu contato). Nas designações, F é proteção (fusível, disjuntor, relé de sobrecarga), Q é um disjuntor ou chave geral, S é um interruptor ou botoeira, K e KM são um relé e um contator, M é um motor, E é iluminação, B é um sensor e G é uma fonte de alimentação.

1. Ligação de um LED: aprenda em baixa tensão

Comece com um circuito de baixa tensão, como 12 V CC. Um LED é um diodo: conduz em um só sentido. O ânodo (A) fica voltado para o lado positivo e o cátodo (K) para o lado negativo; com a polaridade invertida ele não acende e pode até ser danificado. O LED não limita a própria corrente: ao atingir a tensão direta (UF), a corrente sobe abruptamente, por isso é necessário um resistor em série ou um driver de corrente constante, caso contrário o LED é danificado. O fusível (F1) protege o condutor e o lado da alimentação contra curto-circuito; ele não limita a corrente do LED.

Leia o diagrama no sentido da corrente, do positivo para o negativo: fonte G1 → fusível F1 → interruptor S1 → resistor R1 → LED D1 (ânodo → cátodo) → de volta ao negativo de G1.

Calcule o resistor a partir da folha de dados: R1 = (U − UF) / IF. Por exemplo, com alimentação de 12 V, UF ≈ 2 V e IF = 20 mA, R1 = (12 − 2) / 0,02 = 500 Ω; escolha o próximo valor padronizado acima (510 Ω), o que resulta em cerca de 19,6 mA. O resistor dissipa cerca de 0,2 W, portanto use um resistor de ½ W.

Designações: G1 fonte de 12 V CC, F1 fusível, S1 interruptor (contato NA), R1 resistor, D1 LED, I sentido da corrente. O diagrama não serve para ligar um driver de LED de tensão de rede.

2. Ligação de um motor: separe as funções de potência e de comando

Partir um motor trifásico não é simplesmente ligar três condutores. O circuito de potência (L1, L2, L3 → motor) e o circuito de comando (a bobina do contator, as botoeiras) são circuitos separados. O diagrama mostra o circuito de potência de uma partida direta: Q1 protege contra curtos-circuitos e seccionamento, os contatos principais do contator KM1 comutam o motor, o relé de sobrecarga térmica F2 monitora a sobrecarga prolongada, o motor M1 recebe as três fases nos bornes U1, V1, W1, e o condutor de proteção (PE) vai à carcaça do motor. A bobina do contator (A1–A2) e o contato auxiliar de F2 (95–96, normalmente fechado) pertencem ao circuito de comando: à direita do diagrama só a ligação entre eles está indicada, e a seção 9 mostra como são ligados.

Com um disjuntor-motor que tenha disparadores térmico e magnético, é possível dispensar um F2 separado, pois o disjuntor também protege contra sobrecarga. Ajuste o valor de disparo para a corrente nominal da placa do motor. A categoria de utilização do contator (normalmente AC-3 para motores), o método de partida, a parada de emergência, a sequência de fases (que define o sentido de rotação) e a escolha dos dispositivos de proteção dependem da placa do motor e do projetista.

Designações: Q1 proteção contra curto-circuito (disjuntor-motor ou disjuntor termomagnético), KM1 contator (contatos principais 1–2, 3–4, 5–6; bobina A1–A2), F2 relé de sobrecarga térmica (contato auxiliar 95–96), M1 motor trifásico (3~), U1 V1 W1 bornes do motor.

3. Leitura de um diagrama de circuito: uma lâmpada comandada de dois locais

Em um comando de dois pontos (interruptor paralelo, three-way), dois interruptores de duas posições comandam uma lâmpada. A fase (L) chega ao borne comum (COM) de S1 através do disjuntor F1. Dois condutores de retorno (traveller) seguem entre os outros dois bornes de S1 e os bornes correspondentes de S2. Do borne comum de S2 o condutor vai à lâmpada (E1). O neutro (N) liga-se diretamente à lâmpada. Mudar a posição de qualquer um dos interruptores muda o estado da lâmpada: quando os dois interruptores estão no mesmo condutor de retorno, o circuito está fechado e a lâmpada acesa; quando estão em condutores de retorno diferentes, o circuito está aberto. O diagrama mostra o estado desligado.

Os interruptores interrompem a fase, não o neutro, portanto, com a lâmpada apagada, o soquete não está energizado. O condutor de proteção (PE) é um condutor contínuo separado: vai ao corpo da luminária e não deve passar por um contato de comutação. Para comando de três ou mais locais, insere-se um interruptor intermediário (four-way) nos condutores de retorno entre os dois interruptores paralelos.

Ordem de leitura: primeiro identifique a alimentação e a carga, depois os elementos de comutação, e então siga separadamente a fase, o neutro e o condutor de proteção. Cores dos condutores: a fase costuma ser marrom (ou preta, cinza), o neutro azul-claro e o condutor de proteção verde-amarelo; os condutores de retorno não têm cor própria, mas não use azul-claro nem verde-amarelo para eles. As cores no diagrama são apenas ilustrativas; para a identificação real, use o projeto, a documentação dos equipamentos e os requisitos aplicáveis.

Designações: F1 disjuntor termomagnético, S1 e S2 interruptor de duas posições (COM = borne comum), E1 lâmpada, L fase, N neutro, PE condutor de proteção.

4. Botoeira e relé: por que o comando é separado?

Um pequeno sinal de comando aciona a bobina do relé (aqui 24 V CC), enquanto o contato comuta um circuito separado, isolado galvanicamente da bobina (aqui um circuito de lâmpada de 230 V protegido por F1). A botoeira, portanto, comuta apenas a pequena corrente da bobina, não a corrente da carga. Enquanto você mantém S1 pressionada, K1 atrai e o contato 13–14 fecha; ao soltá-la, K1 desatrai. Para uma operação contínua é necessário um circuito de retenção (selo) (seção 9).

Um diodo de roda livre (V1) é ligado em paralelo com uma bobina de CC: seu cátodo fica voltado para o lado positivo, de modo que está polarizado reversamente na operação normal e, quando a bobina é desligada, absorve o pico de tensão indutiva que poderia danificar o comando. Muitos relés e módulos de relé já trazem um; o diodo é sensível à polaridade e causa curto-circuito se ligado ao contrário. Escolha a tensão, a corrente e a categoria de comutação do contato conforme a carga real (para um driver de LED ou uma carga indutiva, a corrente de partida também conta); a tensão da bobina corresponde ao circuito de comando. O nível de isolação entre o circuito de comando de 24 V e o circuito de carga de 230 V é garantido pela folha de dados do relé.

Designações: S1 botoeira (NA), K1 relé (bobina A1–A2, contato 13–14 NA), V1 diodo de roda livre, F1 fusível, E1 carga (lâmpada). O desenho mostra dois circuitos separados; a linha tracejada é a ligação mecânica entre a bobina e o contato.

5. Estrela-triângulo: nem todo motor parte do mesmo jeito

Em motores maiores com partida leve (por exemplo, ventiladores e bombas), a partida estrela-triângulo reduz a corrente de partida. Ela exige um motor de seis bornes cujos enrolamentos possam funcionar em triângulo na tensão de linha da rede. Isso se lê na placa: em uma rede de 400 V, um motor “400 V Δ” (por exemplo, 400/690 V Δ/Y) é adequado, enquanto um motor com placa 230/400 V Δ/Y só pode funcionar em estrela a 400 V e, portanto, não serve.

No diagrama: o contator de linha KM1 liga a rede aos bornes U1, V1, W1. O contator de estrela KM2 une os bornes W2, U2, V2 (o ponto de estrela): o motor parte em estrela, os enrolamentos recebem 1/√3 da tensão de linha (cerca de 58 %, cerca de 230 V em uma rede de 400 V), e tanto a corrente quanto o torque de partida são cerca de um terço dos de uma partida direta. Conforme o diagrama de tempos, KM2 fecha um pouco (algumas dezenas de milissegundos) antes de KM1, para não comutar um circuito com carga, e após o tempo t (ajustado no relé temporizador conforme a aceleração da máquina) KM2 desatrai e, após um breve tempo morto, o contator de triângulo KM3 fecha: ele une os bornes U1–W2, V1–U2, W1–V2 e o motor passa a funcionar em triângulo, com a tensão plena.

KM2 e KM3 nunca devem atrair ao mesmo tempo: juntos eles colocariam as fases em curto-circuito, por isso o intertravamento elétrico é obrigatório, e o intertravamento mecânico é comum e recomendado. O torque em estrela é baixo, portanto o método não é adequado para máquinas que partem sob carga, e a comutação causa um pico de corrente e de torque. Aqui o relé de sobrecarga F2 está no ramal de alimentação, ajustado para a corrente nominal do motor; se monitorasse a corrente de fase (em série com o enrolamento), seria ajustado para cerca de 58 % da corrente nominal. Os contatores são dimensionados pelas tabelas do fabricante.

Designações: Q1 proteção contra curto-circuito, KM1 contator de linha, KM2 Y contator de estrela, KM3 Δ contator de triângulo, F2 relé de sobrecarga, M1 motor de seis bornes (U1 V1 W1 e W2 U2 V2), t tempo de comutação.

6. Fita de LED: várias seções não são um LED comprido

Uma fita de LED precisa de uma alimentação de tensão constante (aqui 24 V CC), e a tensão nominal da fonte deve corresponder à da fita. A fita é formada por ramais prontos (no desenho, um resistor e um LED em série) que estão em paralelo entre os trilhos positivo e negativo, e é por isso que pode ser cortada nos pontos de corte marcados pelo fabricante. Para simplificar, o desenho mostra um LED e um resistor por ramal; em uma fita real de 24 V, vários LEDs estão em série com um resistor em cada ramal. Polaridade: positivo ao trilho positivo, negativo ao trilho negativo.

Em uma fita longa, a resistência do trilho condutor causa queda de tensão e a extremidade distante fica mais fraca. Por isso as seções devem ser alimentadas de forma independente, em paralelo (não encadeadas de ponta a ponta), e uma seção longa pelas duas extremidades. Uma fita de tensão mais alta (24 V) consome menos corrente para a mesma potência, e a queda de tensão também é menor. No diagrama, as seções LS1 e LS2 recebem cada uma o seu par de condutores da mesma fonte G1, cada uma com seu próprio fusível (F1 e F2).

Calcule a partir da potência: I = P / U. Por exemplo, 5 m de uma fita de 14,4 W/m são 72 W, o que dá 3 A a 24 V. A fonte deve ter uma reserva suficiente acima da potência total de todas as fitas, e a corrente nominal do fusível deve ficar acima da corrente da seção, mas abaixo da capacidade de condução de corrente do condutor. O comprimento máximo de alimentação e os dados da fita vêm da folha de dados do fabricante; não a opere enrolada, pois superaquece.

Designações: G1 fonte de tensão constante de 24 V, F1 e F2 fusível, LS1 e LS2 seções de fita de LED.

7. Diagrama unifilar: a lógica do quadro em uma linha

Um diagrama unifilar desenha um circuito de vários condutores (aqui L, N e PE) como uma única linha, e mostra não as posições físicas de instalação, mas a ordem dos dispositivos de proteção e das cargas. No diagrama: alimentação (1N~ 230 V após o medidor de energia) → Q0 chave geral (seccionamento) → dois dispositivos DR (FI1, FI2, 30 mA) → depois deles os disjuntores termomagnéticos (F1–F4) → circuitos terminais: E1 iluminação, XS1 e XS2 tomadas, EH1 cooktop. Em um cabo, a barra inclinada é seguida pelo número de condutores e pela seção (por exemplo, 3×1,5: três condutores de 1,5 mm²).

Por que dois dispositivos DR? Um único dispositivo compartilhado, ao disparar, desenergiza o apartamento inteiro; dois dispositivos limitam isso. B10 e B16 são a curva de disparo (B) e a corrente nominal (10 e 16 A) do disjuntor termomagnético. Os valores do exemplo (B10 e 1,5 mm² para iluminação, B16 e 2,5 mm² para tomadas) são apenas indicativos: o valor real depende da carga, do comprimento do condutor, do método de instalação e dos requisitos. O exemplo do cooktop EH1 vale para um cooktop monofásico de no máximo cerca de 3,6 kW; um cooktop maior normalmente é ligado a um circuito trifásico dimensionado à parte.

Designações: Q0 chave geral, FI1 e FI2 dispositivo DR (IΔ: atua com a corrente diferencial, isto é, de falta), F1–F4 disjuntor termomagnético, E1 lâmpada, XS1 e XS2 tomada, EH1 cooktop (carga fixa).

8. Relé temporizador: comutação após um atraso ajustado

Com um sinal de comando, a bobina do relé temporizador (KT1) começa a contar o tempo e comuta seu contato após o tempo ajustado t. O diagrama mostra um relé com atraso na energização: quando S1 fecha, KT1 é energizado, após o tempo t o contato NA temporizado 15–18 fecha e a lâmpada E1 acende. Quando S1 é solto, a bobina é desenergizada e o contato abre imediatamente. O diagrama de tempos mostra isso: a ligação é atrasada, o desligamento não. O pequeno arco no contato é o símbolo do atraso; o lado côncavo do arco fica voltado para o movimento temporizado, aqui o fechamento.

Esse relé é usado, por exemplo, para partir máquinas em sequência, para temporizar a comutação estrela-triângulo (seção 5) ou para atrasar a nova partida de um compressor. Um relé com atraso na desenergização mantém a saída ligada por um tempo t após o desligamento; essa é a solução típica para ventilação com funcionamento posterior (por exemplo, o exaustor de um banheiro) e para a iluminação de escadas (minuteria). Relés temporizadores multifunção também realizam essas funções, além de funções de pulso e de ciclo; escolha sempre a função conforme o tipo do dispositivo.

Designações: S1 contato de comando (aqui uma fonte de sinal mantida fechada), KT1 relé temporizador (bobina A1–A2, contato NA temporizado 15–18), E1 a carga comutada, t o tempo de atraso.

9. Retenção do contator: START não precisa ficar pressionado

Na retenção, um breve toque na botoeira START (S1, NA) faz o contator KM1 atrair. O contato auxiliar 13–14 de KM1 fecha em paralelo com S1 e passa a alimentar a bobina, de modo que S1 pode ser solta. O contato STOP (S0, NF) e o contato NF 95–96 do relé de sobrecarga F2 estão em série com a bobina: qualquer um deles interrompe o circuito, KM1 desatrai, o contato auxiliar também abre, e o motor só parte de novo após um novo START.

O STOP é um contato NF (normalmente fechado) porque, assim, até um fio rompido ou um borne solto leva ao estado parado e seguro: uma falha no circuito de comando não pode manter o motor em funcionamento. Os contatos de comando ficam do lado da fase (L) e a bobina do lado do neutro, de modo que uma falta à terra não faz o contator atrair. Após uma falta de tensão, um circuito de retenção não parte sozinho, o que é desejável; com uma chave permanentemente fechada (comando a dois fios), a máquina pode partir sozinha quando a tensão volta. Esta é uma lógica de comando que deve ser projetada junto com as proteções reais, os intertravamentos e a proteção contra religamento inesperado, conforme a análise de riscos da máquina.

Designações: F1 fusível do circuito de comando, S0 STOP (NF), F2 relé de sobrecarga 95–96 (NF), S1 START (NA), KM1 contator (bobina A1–A2, contato auxiliar 13–14 NA).

10. Luminária com sensor de presença

O sensor de presença (B1, aqui PIR, infravermelho passivo) comuta o condutor fase da lâmpada com seu contato de comutação interno (L → L′). Ele tem três bornes: L e N alimentam o próprio sensor, por isso ele precisa de fase e neutro permanentes; L′ é a saída comutada que vai à lâmpada. O outro borne da lâmpada liga-se ao neutro, e o condutor de proteção vai ao corpo da luminária. Se a caixa do interruptor não tiver condutor neutro (apenas a fase e o condutor para a lâmpada, como em uma instalação convencional com interruptor), um sensor de três fios não pode ser ligado: é necessário um sensor de dois fios.

Ao aprender, separe mentalmente a detecção (PIR), a decisão (a eletrônica do sensor: sensibilidade, atraso, limiar de luminosidade), a comutação (L′) e a carga; isso torna compreensíveis a maioria das tarefas de iluminação automática. A capacidade de carga da saída, as condições para cargas de LED ou indutivas (carga mínima, corrente de partida) e qualquer acionamento manual são sempre informados pela documentação do dispositivo.

Designações: F1 disjuntor termomagnético, B1 sensor de presença (PIR; L, N, L′ comutado), E1 lâmpada, L fase, N neutro, PE condutor de proteção.

11. Um sensor de 24 V na entrada do controlador

Um sensor industrial de três fios usa condutores de alimentação separados e um condutor de sinal separado. As cores usuais dos condutores e a atribuição do conector M12 são: marrom (BN, borne 1) = +24 V, azul (BU, borne 3) = 0 V, preto (BK, borne 4) = sinal de saída. O sensor recebe energia da fonte G1; o CLP lê apenas o sinal (o condutor preto).

Um sensor PNP liga sua saída a +24 V quando ativo. A corrente de sinal então passa pela entrada do CLP e retorna a 0 V, de modo que o ponto comum da entrada (aqui 1M) é ligado a 0 V, e o 0 V do sensor, da fonte e da entrada é comum. Um sensor NPN, ao contrário, liga sua saída a 0 V e exige uma entrada de polaridade oposta. O tipo de entrada, o nível de tensão e a capacidade de carga do sensor devem ser compatibilizados conforme as folhas de dados do CLP e do sensor; uma incompatibilidade faz a entrada não funcionar ou pode danificar os equipamentos.

Designações: G1 fonte de 24 V CC, B1 sensor PNP (BN, BU, BK), PLC1 controlador (DI0 entrada digital, 1M o ponto comum da entrada), I corrente do circuito de sinal.

12. Reversão de um motor

Em um motor trifásico, a troca de duas fases inverte o sentido de rotação. No diagrama, KM1 liga as fases L1, L2, L3 diretamente aos bornes U1, V1, W1 (sentido horário), e KM2 troca as fases L1 e L2 (sentido inverso: L1 → V1, L2 → U1, L3 → W1). Os dois contatores são alimentados pela mesma rede, portanto, se atraíssem juntos, haveria um curto-circuito entre as fases. KM1 e KM2 nunca devem operar juntos, e é por isso que o intertravamento não é opcional.

O intertravamento deve ser tanto elétrico (um contato auxiliar NF de um contator, por exemplo KM1 21–22, em série com a bobina do outro contator) quanto, de preferência, mecânico (um elemento mecânico que liga os dois contatores; no diagrama, a seta dupla entre as linhas tracejadas). Reverter com o motor em movimento causaria um grande pico de corrente e de torque, por isso o comando normalmente permite a partida no sentido oposto somente após a parada total. O desenho mostra o circuito de potência; o comando (um START separado para cada sentido e um STOP comum) deve ser completado como na seção 9; a proteção por chave de fim de curso, a frenagem e a proteção contra religamento inesperado fazem parte do projeto de segurança da máquina.

Designações: Q1 proteção contra curto-circuito, KM1 contator de sentido direto, KM2 contator de sentido inverso, F2 relé de sobrecarga, M1 motor trifásico, ⇄ entre os dois contatores é o intertravamento mecânico.

13. Por que dividir em vários circuitos?

Em um quadro de distribuição, as cargas de finalidades diferentes normalmente partem de ramais de proteção separados. No diagrama, após a chave geral Q0 e o dispositivo DR FI1, há três circuitos: F1 iluminação (E1–E3), F2 tomadas (XS1–XS3), F3 cooktop (EH1). Se ocorrer uma sobrecorrente ou um curto-circuito no circuito de tomadas (o símbolo de raio), apenas F2 dispara: a iluminação e o cooktop continuam em operação (no diagrama, o circuito desligado está em cinza tracejado).

A vantagem é a localização mais fácil de defeitos (vê-se qual circuito está com problema), a proteção mais direcionada (cada circuito recebe um disjuntor dimensionado para o seu próprio condutor e carga) e a melhor continuidade de operação (uma falha nas tomadas não deixa o apartamento no escuro). Grandes cargas (cooktop, forno, aquecedor, ar-condicionado) costumam ter o próprio circuito. O dispositivo DR FI1, porém, dispara com a corrente residual (de falta), isto é, a diferença entre as correntes de fase e de neutro, por exemplo em uma falta à terra ou fuga de corrente, e desliga todos os circuitos atrás dele; é por isso que quadros maiores usam vários dispositivos DR (veja a seção 7). O agrupamento exato é feito a partir do projeto, das cargas e dos requisitos aplicáveis.

Designações: Q0 chave geral, FI1 dispositivo DR, F1–F3 disjuntor termomagnético (B10, B16 são a curva e a corrente), E1–E3 lâmpada, XS1–XS3 tomada, EH1 cooktop (um exemplo monofásico menor).

Perguntas para praticar

1. Por que o circuito de LED precisa de limitação de corrente, e como se calcula o resistor?
2. Qual é a diferença entre a função de comutação de um contator e a função da proteção contra sobrecarga?
3. Por que o PE não deve passar por um interruptor?
4. Por que se usa um contato NF (normalmente fechado) para a botoeira STOP?
5. Por que os contatores de estrela e de triângulo, ou os contatores de sentido direto e inverso, nunca podem atrair ao mesmo tempo?

Se quiser documentar um projeto com clareza, continue com símbolos e conjuntos de símbolos e depois com o capítulo fios e circuitos.