13. Esquemas práticos

Segurança antes de qualquer figura

Os desenhos aqui apresentados são figuras didáticas, de princípio. Não são um projeto de execução, nem uma distribuição de bornes ou de condutores, e não dão autorização para trabalhar sob tensão. Num circuito com tensão de rede (230/400 V) só deve trabalhar um profissional habilitado para isso; a proteção, a ligação à terra, a secção dos condutores e as prescrições no local têm sempre prioridade.

Como ler as figuras? Os desenhos usam os símbolos simplificados habituais dos esquemas elétricos, com designações de aparelhos em vez de texto (o significado de cada uma encontra-o no fim de cada ponto). Os interruptores, contactos e botões estão desenhados em repouso (não acionados, bobinas sem tensão). As cores servem apenas de ajuda: castanho = fase (L1), preto e cinzento = L2 e L3, azul = neutro (N), verde-amarelo = condutor de proteção (PE); em corrente contínua, vermelho = +, azul = 0 V. A linha tracejada significa uma ligação mecânica (por exemplo entre a bobina do relé e o seu contacto). Nas designações, F é a proteção (fusível, disjuntor, relé de sobrecarga), Q o disjuntor ou o interruptor geral, S o interruptor ou botão de pressão, K e KM o relé e o contactor, M o motor, E a iluminação, B o detetor, G a fonte de alimentação.

1. Ligação de um LED: aprenda em baixa tensão

Para começar, convém um circuito de baixa tensão, por exemplo 12 V DC. O LED é um díodo: só conduz num sentido. O ânodo (A) está virado para o lado positivo e o cátodo (K) para o lado negativo; com a polaridade invertida não acende, e o LED pode até ficar danificado. A corrente do LED não se regula a si própria: depois de atingida a tensão de condução (UF) a corrente aumenta abruptamente, pelo que é necessária uma resistência em série ou um acionamento por gerador de corrente; sem isso, o LED danifica-se. O fusível (F1) protege o condutor e o lado da alimentação contra curto-circuito, mas não limita a corrente do LED.

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

Calcule o valor da resistência a partir da folha de características: R1 = (U − UF) / IF. Por exemplo, com uma tensão de alimentação de 12 V, UF ≈ 2 V e IF = 20 mA, R1 = (12 − 2) / 0,02 = 500 Ω; escolha o valor normalizado imediatamente acima (510 Ω), com o que a corrente é de cerca de 19,6 mA. Na resistência perdem-se cerca de 0,2 W, por isso utilize uma resistência de ½ W.

Designações: G1 fonte de alimentação de 12 V em corrente contínua, F1 fusível, S1 interruptor (contacto de fecho), R1 resistência, D1 LED, I sentido da corrente. A figura não pode ser usada para a ligação de um driver de LED com tensão de rede.

2. Ligação de um motor: o papel distinto do circuito de potência e do circuito de comando

O arranque de um motor trifásico não consiste simplesmente em ligar três condutores. O circuito de potência (L1, L2, L3 → motor) e o circuito de comando (a bobina do contactor, os botões de pressão) são circuitos distintos. A figura mostra o circuito de potência do arranque direto: Q1 protege contra curto-circuito e secciona, os contactos principais do contactor KM1 ligam o motor, o relé térmico de sobrecarga F2 vigila 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 contactor (A1–A2) e o contacto auxiliar de F2 (95–96, de abertura) pertencem ao circuito de comando: na parte direita da figura apenas se indica a sua associação; a respetiva ligação é mostrada no ponto 9.

Com um disjuntor-motor, que tem disparador térmico e magnético, o F2 separado pode ser dispensado, porque o disjuntor também protege contra a sobrecarga. O valor de disparo deve ser regulado para a corrente estipulada da chapa de características do motor. A categoria de utilização do contactor (nos motores, tipicamente AC-3), o modo de arranque, a paragem de emergência, a sequência de fases (que decide o sentido de rotação) e a escolha dos aparelhos de proteção são determinados pela chapa de características do motor e pelo projetista.

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

3. Ler um esquema: candeeiro comandado de dois locais

Na ligação de vaivém, dois interruptores de vaivém comandam o mesmo candeeiro. A fase (L) chega, através do disjuntor F1, ao borne comum (COM) de S1. Entre os outros dois bornes de S1 e os dois bornes correspondentes de S2 correm dois condutores de ligação. Do borne comum de S2 o condutor vai ao candeeiro (E1). O neutro (N) liga-se diretamente ao candeeiro. Ao mudar a posição de qualquer um dos interruptores, o estado do candeeiro inverte-se: se ambos os interruptores estiverem sobre o mesmo condutor de ligação, o circuito está fechado e o candeeiro acende; se estiverem em condutores diferentes, o circuito está aberto. A figura mostra o estado desligado.

Os interruptores cortam a fase, não o neutro, pelo que, no estado desligado, o casquilho do candeeiro não está sob fase. O condutor de proteção (PE) é um condutor contínuo à parte: vai à carcaça do candeeiro e não pode ser interrompido por um contacto de interruptor. Para o comando de três ou mais locais, entre os dois interruptores de vaivém intercala-se um interruptor de cruzamento nos condutores de ligação.

Ordem de leitura do esquema: identifique primeiro a alimentação e o recetor, depois os elementos de comando, e por fim siga separadamente o caminho da fase, do neutro e do condutor de proteção. Cor dos condutores: a fase é, em geral, castanha (ou preta, cinzenta), o neutro azul-claro, o condutor de proteção verde-amarelo; o condutor de ligação não tem cor própria, mas não use para isso o azul-claro nem o verde-amarelo. As cores na figura são apenas ilustrativas; para as marcações reais, use sempre o projeto, a documentação do aparelho e as prescrições aplicáveis.

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

4. Botão de pressão e relé: porque é que o comando fica separado?

A bobina do relé é acionada por um pequeno sinal de comando (aqui 24 V DC), e o seu contacto comuta, galvanicamente isolado dela, um circuito à parte (aqui um circuito de iluminação de 230 V protegido por F1). Assim, o botão de pressão só comuta a pequena corrente da bobina, não a corrente do recetor. Enquanto mantiver S1 premido, K1 atrai e o contacto 13–14 fecha; ao soltar, K1 desliga-se. Para um funcionamento contínuo é necessária uma autorretenção (ponto 9).

Em paralelo com a bobina DC liga-se um díodo de roda livre (V1): o seu cátodo fica virado para o lado positivo, pelo que em funcionamento normal está polarizado inversamente, mas ao desligar a bobina escoa o pico de tensão indutivo que poderia danificar o comando. Muitos relés ou módulos de relé já o incluem; o díodo é sensível à polaridade e, ligado ao contrário, provoca um curto-circuito. A tensão, a corrente e a categoria de comutação estipuladas do contacto devem ser escolhidas para a carga real (num driver de LED e numa carga indutiva também conta a corrente de arranque); a tensão da bobina é adaptada ao circuito de comando. O nível de isolamento entre o circuito de comando de 24 V e o circuito de carga de 230 V é garantido pela folha de características do relé.

Designações: S1 botão de pressão (de fecho), K1 relé (bobina A1–A2, contacto 13–14 de fecho), V1 díodo de roda livre, F1 fusível, E1 recetor (candeeiro). O desenho mostra dois circuitos distintos; a linha tracejada é a ligação mecânica entre a bobina e o contacto.

5. Estrela–triângulo: nem todos os motores arrancam da mesma forma

Em motores maiores de arranque fácil (por exemplo ventilador, bomba), o arranque estrela–triângulo reduz a corrente de arranque. A condição é um motor de seis terminais, cujos enrolamentos possam funcionar em triângulo à tensão composta da rede. Lê-se na chapa de características: numa rede de 400 V serve o motor «400 V Δ» (por exemplo 400/690 V Δ/Y), enquanto um motor de chapa 230/400 V Δ/Y a 400 V só pode funcionar em estrela, pelo que não é adequado aqui.

Segundo a figura: o contactor de rede KM1 aplica a rede aos bornes U1, V1, W1. O contactor de estrela KM2 liga entre si os bornes W2, U2, V2 (ponto neutro): o motor arranca em estrela, os enrolamentos recebem 1/√3 da tensão composta (cerca de 58 %, a 400 V cerca de 230 V), e a corrente de arranque e o binário de arranque são cerca de um terço dos do arranque direto. Segundo o diagrama temporal, KM2 fecha um pouco (algumas dezenas de milissegundos) antes de KM1, para não comutar o circuito em carga, e passado o tempo t (regulado no relé temporizado, adaptado ao arranque da máquina) KM2 desliga-se e, após um breve tempo morto, o contactor de triângulo KM3 fecha: liga entre si os bornes U1–W2, V1–U2, W1–V2, e o motor funciona em triângulo, com tensão plena.

KM2 e KM3 nunca podem atrair em simultâneo: em conjunto provocariam um curto-circuito entre as fases, pelo que o encravamento elétrico é obrigatório e o encravamento mecânico é habitual e recomendado. Em estrela o binário é pequeno, pelo que não é aplicável a uma máquina que arranca em carga, e na comutação ocorre um pico de corrente e de binário. O relé de sobrecarga F2 está aqui no ramo de rede, regulado para a corrente estipulada do motor; se vigiar a corrente de fase (em série com o ramo do enrolamento), deve ser regulado para cerca de 58 % da corrente estipulada. O dimensionamento dos contactores resulta da tabela do fabricante.

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

6. Fita de LED: várias secções não são um único LED comprido

A fita de LED requer uma alimentação de tensão constante (aqui 24 V DC), e a tensão estipulada da fonte deve coincidir com a da fita. A fita é constituída por ramos já preparados (no desenho, resistência e LED em série) ligados em paralelo entre o barramento positivo e o negativo, pelo que pode ser seccionada nos pontos de corte indicados pelo fabricante. No desenho, por simplificação, há por ramo um LED e uma resistência; na fita real de 24 V há, por ramo, vários LED em série com uma resistência. Polaridade: o positivo vai ao barramento positivo, o negativo ao barramento negativo.

Numa fita comprida, a resistência do barramento condutor provoca queda de tensão, e o fim da fita fica mais fraco. Por isso as secções devem ser alimentadas independentemente, em paralelo (não encadeadas de ponta a ponta), e uma secção comprida alimentada pelas duas extremidades. Uma fita de tensão mais alta (24 V) absorve, para a mesma potência, uma corrente menor, pelo que a queda de tensão também é menor. Na figura, as secções LS1 e LS2 recebem um par de condutores próprio da mesma fonte G1, cada uma com o seu fusível F1 e F2.

Calcule a partir da potência: I = P / U. Exemplo: 5 m de uma fita de 14,4 W/m são 72 W, o que a 24 V dá 3 A. A potência da fonte deve ser superior à potência total das fitas, com uma reserva adequada; a corrente estipulada do fusível deve ser superior à corrente da secção, mas inferior à corrente admissível do condutor. O comprimento máximo de alimentação da fita e as suas características constam da folha de características do fabricante; não a faça funcionar enrolada, porque sobreaquece.

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

7. Esquema unifilar: a lógica do quadro numa só linha

O esquema unifilar representa com uma única linha um circuito de vários condutores (aqui L, N e PE) e não mostra os locais físicos de montagem, mas a sequência das proteções e dos recetores. Na figura: alimentação (1N~ 230 V a jusante do contador) → interruptor geral Q0 (seccionamento) → dois interruptores diferenciais (FI1, FI2, 30 mA) → a seguir a eles os disjuntores (F1–F4) → circuitos terminais: E1 iluminação, XS1 e XS2 tomadas, EH1 placa de cozinha. No cabo, ao lado do traço oblíquo figuram o número de condutores e a secção (por exemplo 3×1,5: três condutores, 1,5 mm²).

Porque dois interruptores diferenciais? O disparo de um aparelho comum desliga toda a habitação; dois aparelhos limitam isso. B10 e B16 são a curva de disparo (B) e a corrente estipulada (10, respetivamente 16 A) do disjuntor. Os valores do exemplo (B10 e 1,5 mm² para iluminação, B16 e 2,5 mm² para tomadas) são apenas indicativos: o valor real resulta da carga, do comprimento do condutor, do modo de instalação e das prescrições. O exemplo da placa EH1 é válido no máximo para uma placa monofásica de cerca de 3,6 kW; uma placa maior liga-se, em geral, a um circuito trifásico, dimensionado à parte.

Designações: Q0 interruptor geral, FI1 e FI2 interruptor diferencial (IΔ: atua com a corrente diferencial, isto é, a corrente de defeito), F1–F4 disjuntor, E1 candeeiro, XS1 e XS2 tomada, EH1 placa de cozinha (recetor fixo).

8. Relé temporizado: comutação após uma espera definida

A bobina do relé temporizado (KT1) inicia, por efeito do sinal de comando, a temporização e, passado o tempo t regulado, comuta o seu contacto. A figura mostra um relé com atraso à ligação (atraso à atração): ao fechar S1, KT1 recebe tensão, passado o tempo t o contacto de fecho temporizado 15–18 fecha e o candeeiro E1 acende. Quando S1 deixa de atuar, a bobina fica sem tensão e o contacto abre de imediato. O diagrama temporal mostra isto: a ligação atrasa-se, o desligar não. O pequeno arco no contacto é o sinal do atraso; o lado côncavo do arco está virado para o movimento retardado, aqui para o fecho.

Este tipo de relé usa-se, por exemplo, no arranque sequencial de máquinas, na temporização da comutação estrela–triângulo (ponto 5) ou no atraso do rearranque de um compressor. O relé com atraso ao desligar mantém a saída durante o tempo t depois do desligamento; é a solução típica para a pós-ventilação (por exemplo ventilador de casa de banho) e para a iluminação de escadas. Os relés temporizados multifunções também realizam estas e as funções de impulso e de ciclo; a função deve ser sempre escolhida segundo o tipo de aparelho.

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

9. Autorretenção do contactor: o START não tem de ficar premido

Na autorretenção, uma breve pressão no botão START (S1, de fecho) faz atrair o contactor KM1. O contacto auxiliar 13–14 do próprio KM1 fecha em paralelo com S1 e assume a alimentação da bobina, pelo que S1 pode ser solto. O contacto STOP (S0, de abertura) e o contacto de abertura 95–96 do relé de sobrecarga F2 estão em série com a bobina: qualquer um deles interrompe o circuito, KM1 desliga-se, o contacto auxiliar também abre, e o motor só volta a arrancar depois de novo START.

O STOP é um contacto de abertura (NC) porque, mesmo em caso de rotura do condutor ou de borne solto, resulta o estado parado, seguro: uma falha do circuito de comando não pode manter o motor ligado. Os contactos de comando estão do lado da fase (L), a bobina do lado do neutro, pelo que um defeito à terra não faz atrair o contactor. Depois de uma falta de tensão, o comando com autorretenção não arranca por si, o que é desejável; num circuito comandado por um interruptor permanentemente fechado (a dois condutores), porém, a máquina pode arrancar sozinha ao regressar a tensão. Trata-se de lógica de comando, que deve ser projetada, juntamente com as proteções efetivas, os encravamentos e a proteção contra o rearranque inesperado, segundo a avaliação de risco da máquina.

Designações: F1 fusível do circuito de comando, S0 STOP (de abertura), F2 relé de sobrecarga 95–96 (de abertura), S1 START (de fecho), KM1 contactor (bobina A1–A2, contacto auxiliar 13–14 de fecho).

10. Luz com detetor de movimento

O detetor de movimento (B1, aqui PIR, infravermelho passivo) comuta, com o seu contacto interno, o condutor de fase do candeeiro (L → L′). Tem três bornes: L e N são a alimentação do próprio detetor, pelo que o detetor precisa de fase permanente e de neutro permanente; L′ é a saída comutada, que vai ao candeeiro. O outro borne do candeeiro liga-se ao neutro, e à carcaça do candeeiro o condutor de proteção. Se na caixa do interruptor não houver condutor neutro (apenas a fase e o condutor que vai ao candeeiro, como na instalação tradicional com interruptor), o detetor de três condutores não pode ser ligado: para isso é preciso um detetor de dois condutores.

Para aprender, separe mentalmente a deteção (PIR), a decisão (a eletrónica do detetor: sensibilidade, temporização, limiar de luz), a comutação (L′) e o recetor; isso torna compreensível a maioria das tarefas de iluminação automática. A capacidade de carga da saída, as condições para carga de LED ou indutiva (carga mínima, corrente de arranque) e a possibilidade de comando manual são sempre indicadas na documentação do aparelho.

Designações: F1 disjuntor, B1 detetor de movimento (PIR; L, N, L′ comutado), E1 candeeiro, L fase, N neutro, PE condutor de proteção.

11. Detetor de 24 V na entrada do autómato

O detetor industrial de três condutores usa condutores de alimentação e condutor de sinal distintos. As cores habituais dos condutores e a distribuição do conector M12: castanho (BN, terminal 1) = +24 V, azul (BU, terminal 3) = 0 V, preto (BK, terminal 4) = sinal de saída. O detetor recebe a alimentação da fonte G1, e o PLC lê apenas o sinal (o condutor preto).

O detetor PNP, quando ativo, comuta a sua saída para +24 V. Nesse caso a corrente do sinal circula pela entrada do PLC e fecha-se em 0 V, pelo que o ponto comum da entrada (aqui 1M) se liga a 0 V, e o 0 V do detetor, da fonte e da entrada é comum. O detetor NPN, pelo contrário, comuta a sua saída para 0 V, e requer uma entrada de polaridade inversa. O tipo de entrada, o nível de tensão e a capacidade de carga do detetor devem ser compatibilizados segundo a folha de características do PLC e do detetor; em caso de discordância, a entrada não funciona ou o equipamento pode ficar danificado.

Designações: G1 fonte de 24 V DC, B1 detetor PNP (BN, BU, BK), PLC1 autómato (DI0 entrada digital, 1M ponto comum da entrada), I a corrente do circuito de sinal.

12. Inversão do sentido de rotação do motor

Num motor trifásico, a troca de duas fases inverte o sentido de rotação. Na figura, KM1 liga as fases L1, L2, L3 diretamente aos bornes U1, V1, W1 (marcha à frente), e KM2 troca as fases L1 e L2 (marcha atrás: L1 → V1, L2 → U1, L3 → W1). Os dois contactores recebem corrente da mesma alimentação, pelo que, se atraíssem em simultâneo, surgiria um curto-circuito entre as fases. KM1 e KM2 nunca podem funcionar em conjunto, pelo que o encravamento não é opcional.

O encravamento deve ser feito eletricamente (o contacto auxiliar de abertura de um contactor, por exemplo KM1 21–22, em série com a bobina do outro contactor) e, se possível, também mecanicamente (um elemento mecânico que liga os dois contactores; na figura, a seta dupla entre as linhas tracejadas). A inversão em andamento causaria um forte pico de corrente e de binário, pelo que o comando em geral só permite o arranque no sentido contrário depois da paragem. O desenho mostra o circuito de potência; o comando (START separado por sentido, STOP comum) deve ser completado segundo o ponto 9; a proteção de fim de curso, a travagem e a proteção contra o rearranque inesperado fazem parte do plano de segurança da máquina.

Designações: Q1 proteção contra curto-circuito, KM1 marcha à frente, KM2 marcha atrás, F2 relé de sobrecarga, M1 motor trifásico, o ⇄ entre os dois contactores é o encravamento mecânico.

13. Porque dividimos em vários circuitos?

No quadro, os recetores de finalidades diferentes partem, em regra, de ramos de proteção distintos. Na figura, a seguir ao interruptor geral Q0 e ao interruptor diferencial FI1 há três circuitos: F1 iluminação (E1–E3), F2 tomadas (XS1–XS3), F3 placa de cozinha (EH1). Se no circuito de tomadas ocorrer uma sobrecorrente ou um curto-circuito (o símbolo do raio), só F2 dispara: a iluminação e a placa continuam em serviço (na figura, o circuito disparado está a cinzento tracejado).

A vantagem é uma localização de avarias mais clara (vê-se que circuito está com defeito), uma proteção mais direcionada (cada circuito tem um disjuntor dimensionado para o seu condutor e a sua carga) e uma melhor continuidade de serviço (uma avaria numa tomada não deve deixar a habitação às escuras). Os grandes consumidores (placa de cozinha, forno, termoacumulador, ar condicionado) recebem em geral um circuito próprio. O interruptor diferencial FI1, por seu lado, dispara com a corrente de defeito (com a diferença entre as correntes do condutor de fase e do neutro, por exemplo em caso de defeito à massa ou de fuga) e desliga todos os circuitos a jusante; por isso, num quadro maior usam-se vários interruptores diferenciais (veja o ponto 7). O agrupamento exato resulta do projeto, das cargas e dos requisitos aplicáveis.

Designações: Q0 interruptor geral, FI1 interruptor diferencial, F1–F3 disjuntor (B10, B16 a curva e a corrente), E1–E3 candeeiro, XS1–XS3 tomada, EH1 placa de cozinha (exemplo menor, monofásico).

Perguntas de treino

1. Porque é que no circuito do LED é necessária a limitação de corrente, e como se calcula o valor da resistência?
2. Qual é a diferença entre a função de comutação do contactor e a função de proteção contra sobrecarga?
3. Porque é que o PE não pode passar por um interruptor?
4. Porque é que se usa um contacto de abertura (NC) para o botão STOP?
5. Porque é que o contactor de estrela e o de triângulo, ou o de marcha à frente e o de marcha atrás, não podem atrair em simultâneo?

Se quiser documentar um projeto de forma clara, continue com os símbolos e a simbologia e depois com o capítulo cabos e circuitos.