13. Circuite practice

Siguranța înaintea oricărei figuri

Desenele de aici sunt figuri didactice, de principiu. Nu sunt proiect de execuție, nici tabel de borne sau de repartizare a conductoarelor și nu autorizează lucrul sub tensiune. La circuitele cu tensiune de rețea (230/400 V) să lucreze numai specialiști autorizați; protecția, legarea la pământ, secțiunea conductoarelor și prescripțiile de la fața locului au întotdeauna prioritate.

Cum citiți figurile? Desenele folosesc simbolurile simplificate uzuale ale schemelor electrice, cu notații de aparat în loc de text (semnificația lor o găsiți la sfârșitul fiecărui punct). Întrerupătoarele, contactele și butoanele sunt desenate în stare de repaus (neacționate, bobinele fără tensiune). Culorile sunt doar un ajutor: maro = fază (L1), negru și gri = L2 și L3, albastru = neutru (N), galben-verde = conductor de protecție (PE); în curent continuu, roșu = +, albastru = 0 V. Linia întreruptă înseamnă legătură mecanică (de exemplu între bobina releului și contactul acestuia). În notații, F este protecția (siguranță, întreruptor automat, releu de suprasarcină), Q este disjunctorul sau întreruptorul general, S este întrerupătorul sau butonul, K și KM sunt releul și contactorul, M este motorul, E este iluminatul, B este senzorul, G este sursa de alimentare.

1. Conectarea unui LED: învățați la joasă tensiune

Pentru început se potrivește un circuit de joasă tensiune, de exemplu de 12 V c.c. LED-ul este o diodă: conduce într-un singur sens. Anodul (A) este orientat spre plus, catodul (K) spre minus; cu polaritate inversă nu luminează și LED-ul se poate chiar deteriora. Curentul LED-ului nu se limitează singur: după atingerea tensiunii directe (UF) curentul crește abrupt, de aceea este necesar un rezistor în serie sau un driver cu curent constant; fără acesta, LED-ul se deteriorează. Siguranța (F1) protejează conductorul și partea de alimentare la scurtcircuit; nu limitează curentul LED-ului.

Citiți schema în sensul curentului, de la plus spre minus: sursa G1 → siguranța F1 → întrerupătorul S1 → rezistorul R1 → LED-ul D1 (anod → catod) → înapoi la minusul lui G1.

Valoarea rezistorului o calculați din fișa tehnică: R1 = (U − UF) / IF. De exemplu, la o tensiune de alimentare de 12 V, UF ≈ 2 V și IF = 20 mA, R1 = (12 − 2) / 0,02 = 500 Ω; alegeți cea mai apropiată valoare standardizată mai mare (510 Ω), astfel încât curentul este de aprox. 19,6 mA. Pe rezistor se disipă aprox. 0,2 W, de aceea folosiți un rezistor de ½ W.

Notații: G1 sursă de alimentare de 12 V c.c., F1 siguranță, S1 întrerupător (contact normal deschis), R1 rezistor, D1 LED, I sensul curentului. Figura nu poate fi folosită pentru conectarea unui driver de LED cu tensiune de rețea.

2. Conectarea unui motor: rolul separat al circuitului de putere și al celui de comandă

Pornirea unui motor trifazat nu înseamnă pur și simplu conectarea a trei conductoare. Circuitul de putere (L1, L2, L3 → motor) și circuitul de comandă (bobina contactorului, butoanele) sunt circuite separate. Figura arată circuitul de putere al pornirii directe: Q1 protejează la scurtcircuit și secționează, contactele principale ale contactorului KM1 conectează motorul, releul termic de suprasarcină F2 supraveghează suprasarcina de durată, motorul M1 primește cele trei faze la bornele U1, V1, W1, iar conductorul de protecție (PE) merge la carcasa motorului. Bobina contactorului (A1–A2) și contactul auxiliar al lui F2 (95–96, normal închis) aparțin circuitului de comandă: în partea dreaptă a figurii este indicată doar legătura lor, iar conectarea lor o arată punctul 9.

La un disjunctor-motor care are atât declanșator termic, cât și magnetic, F2 separat poate lipsi, deoarece disjunctorul protejează și la suprasarcină. Valoarea de declanșare trebuie reglată la curentul nominal de pe plăcuța de identificare a motorului. Categoria de utilizare a contactorului (la motoare, de regulă AC-3), modul de pornire, oprirea de urgență, succesiunea fazelor (aceasta decide sensul de rotație) și alegerea aparatelor de protecție sunt stabilite de plăcuța de identificare a motorului și de proiectant.

Notații: Q1 protecție la scurtcircuit (disjunctor-motor sau întreruptor automat), KM1 contactor (contacte principale 1–2, 3–4, 5–6; bobină A1–A2), F2 releu termic de suprasarcină (contact auxiliar 95–96), M1 motor trifazat (3~), U1 V1 W1 bornele motorului.

3. Citirea unei scheme electrice: lampă comandată din două locuri

La conexiunea cu comutatoare cap-scară, două comutatoare cap-scară comandă aceeași lampă. Faza (L) ajunge prin întreruptorul automat F1 la borna comună (COM) a lui S1. Între celelalte două borne ale lui S1 și bornele corespunzătoare ale lui S2 merg două conductoare de legătură. De la borna comună a lui S2 conductorul merge la lampă (E1). Neutrul (N) se conectează direct la lampă. Comutarea oricărui comutator schimbă starea lămpii: dacă ambele comutatoare se află pe același conductor de legătură, circuitul este închis și lampa luminează; dacă se află pe conductoare diferite, circuitul este deschis. Figura arată starea oprită.

Comutatoarele întrerup faza, nu neutrul, astfel că, în stare oprită, dulia lămpii nu este sub tensiune. Conductorul de protecție (PE) este un conductor separat, continuu: merge la carcasa corpului de iluminat și nu poate fi întrerupt de un contact de comutare. Pentru comanda din trei sau mai multe locuri, între cele două comutatoare cap-scară se intercalează, în conductoarele de legătură, un comutator cruce.

Ordinea de citire a schemei: identificați mai întâi alimentarea și consumatorul, apoi elementele de comutare, iar la sfârșit urmăriți separat traseul fazei, al neutrului și al conductorului de protecție. Culoarea conductoarelor: faza este de regulă maro (sau negru, gri), neutrul albastru deschis, conductorul de protecție galben-verde; conductoarele de legătură nu au o culoare proprie, dar nu folosiți pentru ele albastrul deschis și galben-verde. Culorile din figură au doar rol ilustrativ; pentru marcajele reale folosiți întotdeauna proiectul, documentația aparatului și prescripțiile aplicabile.

Notații: F1 întreruptor automat, S1 și S2 comutator cap-scară (COM = bornă comună), E1 lampă, L fază, N neutru, PE conductor de protecție.

4. Buton și releu: de ce este separată comanda?

Bobina releului este acționată de un semnal mic de comandă (aici 24 V c.c.), iar contactul său comută, separat galvanic de aceasta, un circuit distinct (aici un circuit de lampă de 230 V protejat cu F1). Astfel butonul comută doar curentul mic al bobinei, nu curentul consumatorului. Cât timp țineți apăsat S1, K1 anclanșează și contactul 13–14 se închide; la eliberare, K1 revine în repaus. Pentru funcționare de durată este necesară automenținerea (punctul 9).

Paralel cu bobina de c.c. se conectează o diodă de regim liber (V1): catodul ei este orientat spre plus, deci în funcționare normală este polarizată invers, iar la deconectarea bobinei preia vârful de tensiune inductivă, care ar putea deteriora comanda. Multe relee sau module de releu conțin deja una; dioda este sensibilă la polaritate, iar conectată invers provoacă scurtcircuit. Tensiunea nominală, curentul și categoria de comutare a contactului se aleg pentru sarcina reală (la un driver de LED și la o sarcină inductivă contează și curentul de șoc la conectare); tensiunea bobinei se potrivește circuitului de comandă. Nivelul de izolație dintre circuitul de comandă de 24 V și circuitul de sarcină de 230 V este garantat de fișa tehnică a releului.

Notații: S1 buton (normal deschis), K1 releu (bobină A1–A2, contact 13–14 normal deschis), V1 diodă de regim liber, F1 siguranță, E1 consumator (lampă). Desenul arată două circuite separate; linia întreruptă este legătura mecanică dintre bobină și contact.

5. Stea–triunghi: nu toate motoarele pornesc la fel

La motoarele mai mari cu pornire ușoară (de exemplu ventilator, pompă), pornirea stea–triunghi reduce curentul de pornire. Condiția este un motor cu șase borne, ale cărui înfășurări pot funcționa în triunghi la tensiunea de linie a rețelei. Aceasta se citește pe plăcuța de identificare: într-o rețea de 400 V este potrivit un motor „400 V Δ” (de exemplu 400/690 V Δ/Y), în timp ce un motor cu plăcuța 230/400 V Δ/Y poate funcționa la 400 V doar în stea, deci nu este potrivit aici.

Conform figurii: contactorul de rețea KM1 aplică rețeaua la bornele U1, V1, W1. Contactorul de stea KM2 leagă între ele bornele W2, U2, V2 (punctul de stea): motorul pornește în stea, înfășurările primesc 1/√3 din tensiunea de linie (aprox. 58%, la 400 V aprox. 230 V), iar curentul de pornire și cuplul de pornire sunt aprox. o treime din cele ale pornirii directe. Conform diagramei de timp, KM2 se închide cu puțin (câteva zeci de milisecunde) înaintea lui KM1, ca să nu comute un circuit aflat în sarcină, iar după timpul t (reglat la releul de timp, adaptat accelerării mașinii) KM2 revine în repaus și, după un scurt timp mort, se închide contactorul de triunghi KM3: leagă bornele U1–W2, V1–U2, W1–V2, iar motorul funcționează în triunghi, la tensiune plină.

KM2 și KM3 nu au voie să anclanșeze niciodată simultan: împreună ar provoca scurtcircuit între faze, de aceea interblocarea electrică este obligatorie, iar interblocarea mecanică este uzuală și recomandată. În stea cuplul este mic, deci metoda nu se aplică la mașini care pornesc în sarcină, iar la comutare apare un șoc de curent și de cuplu. Releul de suprasarcină F2 se află aici în ramura de rețea, reglat la curentul nominal al motorului; dacă ar supraveghea curentul de fază (în serie cu înfășurarea), ar trebui reglat la aprox. 58% din curentul nominal. Dimensionarea contactoarelor o dă tabelul producătorului.

Notații: Q1 protecție la scurtcircuit, KM1 contactor de rețea, KM2 Y contactor de stea, KM3 Δ contactor de triunghi, F2 releu de suprasarcină, M1 motor cu șase borne (U1 V1 W1 și W2 U2 V2), t timpul de comutare.

6. Banda LED: mai multe tronsoane nu înseamnă un singur LED lung

Banda LED necesită o alimentare la tensiune constantă (aici 24 V c.c.), iar tensiunea nominală a sursei trebuie să coincidă cu cea a benzii. Banda este formată din ramuri prefabricate (în desen, un rezistor și un LED în serie), legate în paralel între bara pozitivă și cea negativă, de aceea poate fi tăiată în tronsoane în locurile marcate de producător. În desen, simplificat, apare câte un LED și un rezistor pe ramură; pe banda reală de 24 V, pe fiecare ramură sunt mai multe LED-uri în serie cu un rezistor. Polaritate: plusul merge la bara pozitivă, minusul la bara negativă.

Pe o bandă lungă, rezistența barei conductoare provoacă o cădere de tensiune, iar capătul benzii devine mai slab luminos. De aceea tronsoanele trebuie alimentate independent unul de altul, în paralel (nu înlănțuite cap la cap), iar un tronson lung, la ambele capete. O bandă de tensiune mai mare (24 V) absoarbe, la aceeași putere, un curent mai mic, deci și căderea de tensiune este mai mică. În figură, tronsoanele LS1 și LS2 primesc fiecare o pereche separată de conductoare de la aceeași sursă G1, fiecare cu propria siguranță (F1 și F2).

Calculați din putere: I = P / U. Exemplu: 5 m dintr-o bandă de 14,4 W/m înseamnă 72 W, adică 3 A la 24 V. Puterea sursei să fie, cu o rezervă suficientă, mai mare decât puterea totală a benzilor, iar curentul nominal al siguranței să fie mai mare decât curentul tronsonului, dar mai mic decât curentul admisibil al conductorului. Lungimea maximă de alimentare a benzii și datele ei le dă fișa tehnică a producătorului; nu o folosiți înfășurată, deoarece se supraîncălzește.

Notații: G1 sursă de 24 V cu tensiune constantă, F1 și F2 siguranță, LS1 și LS2 tronsoane de bandă LED.

7. Schemă monofilară: logica tabloului pe o singură linie

Schema monofilară reprezintă cu o singură linie un circuit cu mai multe conductoare (aici L, N și PE) și arată nu locurile fizice de montaj, ci succesiunea protecțiilor și a consumatorilor. În figură: alimentare (1N~ 230 V după contor) → întreruptorul general Q0 (secționare) → două dispozitive diferențiale (DDR: FI1, FI2, 30 mA) → după ele întreruptoarele automate (F1–F4) → circuite terminale: E1 iluminat, XS1 și XS2 prize, EH1 plită. Lângă liniuța oblică de pe cablu se află numărul de conductoare și secțiunea (de exemplu 3×1,5: trei conductoare, 1,5 mm²).

De ce două dispozitive diferențiale? Declanșarea unui singur aparat comun scoate de sub tensiune întregul apartament; două aparate limitează acest efect. B10 și B16 sunt caracteristica de declanșare (B) și curentul nominal (10, respectiv 16 A) ale întreruptorului automat. Valorile din exemplu (B10 și 1,5 mm² la iluminat, B16 și 2,5 mm² la prize) sunt doar orientative: valoarea reală depinde de sarcină, de lungimea conductorului, de modul de pozare și de prescripții. Exemplul plitei EH1 este valabil cel mult pentru o plită monofazată de aprox. 3,6 kW; o plită mai mare se conectează, de regulă, la un circuit trifazat dimensionat separat.

Notații: Q0 întrerupător general, FI1 și FI2 dispozitiv diferențial (IΔ: acționează la curentul diferențial, adică la curentul de defect), F1–F4 întreruptor automat, E1 lampă, XS1 și XS2 priză, EH1 plită (consumator fix).

8. Releu de timp: comutare după o așteptare determinată

Bobina releului de timp (KT1) pornește, sub acțiunea semnalului de comandă, temporizarea și își comută contactul după timpul reglat t. Figura arată un releu cu întârziere la anclanșare (la acționare): la închiderea lui S1, KT1 primește tensiune, după timpul t se închide contactul temporizat normal deschis 15–18, iar lampa E1 se aprinde. Când semnalul S1 încetează, bobina rămâne fără tensiune, iar contactul se deschide imediat. Diagrama de timp arată acest lucru: conectarea este întârziată, deconectarea nu. Arcul mic de pe contact indică temporizarea; partea concavă a arcului este orientată spre mișcarea întârziată, aici spre închidere.

Un astfel de releu se folosește, de exemplu, la pornirea mașinilor în succesiune, la temporizarea comutării stea–triunghi (punctul 5) sau la întârzierea repornirii unui compresor. Releul cu întârziere la declanșare menține ieșirea încă timpul t după deconectare; aceasta este soluția tipică pentru ventilarea ulterioară (de exemplu ventilatorul de baie) și pentru iluminatul casei scării. Releele de timp multifuncționale pot realiza și aceste funcții, precum și funcții de impuls și ciclice; funcția se alege întotdeauna în funcție de tipul aparatului.

Notații: S1 contact de comandă (aici o sursă de semnal menținută închisă), KT1 releu de timp (bobină A1–A2, contact temporizat normal deschis 15–18), E1 sarcina comutată, t timpul de întârziere.

9. Automenținerea contactorului: START nu rămâne apăsat

La automenținere, apăsarea scurtă a butonului START (S1, normal deschis) face contactorul KM1 să anclanșeze. Contactul auxiliar 13–14 al lui KM1 se închide în paralel cu S1 și preia alimentarea bobinei, astfel că S1 poate fi eliberat. Contactul STOP (S0, normal închis) și contactul normal închis 95–96 al releului de suprasarcină F2 sunt în serie cu bobina: oricare dintre ele întrerupe circuitul, KM1 revine în repaus, contactul auxiliar se deschide și el, iar motorul repornește abia după un nou START.

STOP este un contact normal închis (NC) deoarece, chiar și la ruperea unui conductor sau la slăbirea unei borne, rezultă starea oprită, sigură: o defecțiune a circuitului de comandă nu poate menține motorul pornit. Contactele de comutare sunt pe partea fazei (L), bobina pe partea neutrului, astfel că o punere la pământ nu face contactorul să anclanșeze. După o întrerupere a tensiunii, comanda cu automenținere nu repornește singură, ceea ce este de dorit; în schimb, la un circuit comandat cu un contact menținut închis (cu două conductoare), mașina poate porni singură la revenirea tensiunii. Aceasta este logică de comandă, care trebuie proiectată împreună cu protecțiile reale, interblocările și protecția împotriva repornirii neașteptate, conform evaluării riscurilor mașinii.

Notații: F1 siguranța circuitului de comandă, S0 STOP (normal închis), F2 releu de suprasarcină 95–96 (normal închis), S1 START (normal deschis), KM1 contactor (bobină A1–A2, contact auxiliar 13–14 normal deschis).

10. Lumină cu senzor de mișcare

Senzorul de mișcare (B1, aici PIR, infraroșu pasiv) comută cu contactul său intern de comutare conductorul de fază al lămpii (L → L′). Are trei borne: L și N alimentează senzorul însuși, deci acesta are nevoie de fază permanentă și de neutru permanent; L′ este ieșirea comutată, care merge la lampă. Cealaltă bornă a lămpii se conectează la neutru, iar la carcasa corpului de iluminat merge conductorul de protecție. Dacă în doza întrerupătorului nu există conductor neutru (doar faza și conductorul care merge la lampă, ca la montajul clasic cu întrerupător), senzorul cu trei conductoare nu poate fi conectat: este necesar un senzor în execuție cu două conductoare.

La învățare, separați mental detecția (PIR), decizia (electronica senzorului: sensibilitate, temporizare, prag de lumină), comutarea (L′) și consumatorul; astfel devine ușor de înțeles majoritatea sarcinilor de iluminat automat. Capacitatea de comutare a ieșirii, condițiile pentru sarcini cu LED sau inductive (sarcină minimă, curent de șoc la conectare) și posibilitatea comenzii manuale prioritare le indică întotdeauna documentația aparatului.

Notații: F1 întreruptor automat, B1 senzor de mișcare (PIR; L, N, L′ comutat), E1 lampă, L fază, N neutru, PE conductor de protecție.

11. Senzor de 24 V la intrarea controlerului

Un senzor industrial cu trei conductoare folosește conductoare de alimentare separate și un conductor de semnal separat. Culorile uzuale ale conductoarelor și atribuirea pinilor conectorului M12 sunt: maro (BN, pinul 1) = +24 V, albastru (BU, pinul 3) = 0 V, negru (BK, pinul 4) = semnal de ieșire. Senzorul primește alimentarea de la sursa G1, iar PLC-ul citește doar semnalul (conductorul negru).

Un senzor PNP, când este activ, comută ieșirea la +24 V. În acest caz curentul de semnal circulă prin intrarea PLC-ului și se închide spre 0 V, de aceea punctul comun al intrării (aici 1M) se conectează la 0 V, iar 0 V al senzorului, al sursei și al intrării este comun. Un senzor NPN, în schimb, comută ieșirea la 0 V și necesită o intrare cu polaritate inversă. Tipul intrării, nivelul de tensiune și capacitatea de încărcare a senzorului trebuie corelate conform fișelor tehnice ale PLC-ului și ale senzorului; în caz de nepotrivire, intrarea nu funcționează sau echipamentul se poate deteriora.

Notații: G1 sursă de alimentare de 24 V c.c., B1 senzor PNP (BN, BU, BK), PLC1 controler (DI0 intrare digitală, 1M punctul comun al intrării), I curentul circuitului de semnal.

12. Inversarea sensului de rotație al motorului

La un motor trifazat, schimbarea între ele a două faze inversează sensul de rotație. În figură, KM1 conectează fazele L1, L2, L3 direct la bornele U1, V1, W1 (înainte), iar KM2 schimbă între ele fazele L1 și L2 (înapoi: L1 → V1, L2 → U1, L3 → W1). Cele două contactoare primesc curent din aceeași alimentare, deci dacă ar anclanșa simultan, între faze ar apărea un scurtcircuit. KM1 și KM2 nu au voie să funcționeze niciodată împreună, de aceea interblocarea nu este opțională.

Interblocarea trebuie realizată electric (contactul auxiliar normal închis al unui contactor, de exemplu KM1 21–22, în serie cu bobina celuilalt contactor) și, pe cât posibil, și mecanic (un element mecanic care leagă cele două contactoare; în figură, săgeata dublă dintre liniile întrerupte). Inversarea în timpul funcționării ar provoca un șoc mare de curent și de cuplu, de aceea comanda permite, de regulă, pornirea în sens opus numai după oprire. Desenul arată circuitul de putere; comanda (un START separat pentru fiecare sens, un STOP comun) trebuie completată conform punctului 9; protecția la capăt de cursă, frânarea și protecția împotriva repornirii neașteptate fac parte din proiectul de securitate al mașinii.

Notații: Q1 protecție la scurtcircuit, KM1 contactor înainte, KM2 contactor înapoi, F2 releu de suprasarcină, M1 motor trifazat, ⇄ dintre cele două contactoare este interblocarea mecanică.

13. De ce împărțim în mai multe circuite?

În tablou, consumatorii cu destinații diferite pornesc, de regulă, pe ramuri de protecție separate. În figură, după întrerupătorul general Q0 și dispozitivul diferențial FI1 sunt trei circuite: F1 iluminat (E1–E3), F2 prize (XS1–XS3), F3 plită (EH1). Dacă în circuitul de prize apare un supracurent sau un scurtcircuit (simbolul de fulger), declanșează numai F2: iluminatul și plita rămân în funcțiune (în figură, circuitul declanșat este gri, cu linie întreruptă).

Avantajul este depistarea mai ușoară a defectelor (vedeți care circuit este defect), protecția mai țintită (fiecare circuit primește un întreruptor automat dimensionat pentru propriul conductor și propria sarcină) și continuitatea mai bună în funcționare (un defect la o priză să nu lase apartamentul în întuneric). Consumatorii mari (plită, cuptor, boiler, aer condiționat) primesc, de regulă, un circuit propriu. Dispozitivul diferențial FI1 declanșează însă la curentul diferențial rezidual (de defect), adică la diferența dintre curenții conductorului de fază și ai celui neutru, de exemplu la un defect la masă sau la pământ ori la o scurgere de curent, și deconectează toate circuitele aflate în aval; de aceea, într-un tablou mai mare se folosesc mai multe dispozitive diferențiale (vezi punctul 7). Gruparea exactă se stabilește pe baza proiectului, a sarcinilor și a cerințelor aplicabile.

Notații: Q0 întrerupător general, FI1 dispozitiv diferențial, F1–F3 întreruptor automat (B10, B16 sunt caracteristica și curentul), E1–E3 lampă, XS1–XS3 priză, EH1 plită (un exemplu mai mic, monofazat).

Întrebări de exersare

1. De ce este necesară limitarea curentului în circuitul unui LED și cum calculați valoarea rezistorului?
2. Care este diferența dintre rolul de comutare al unui contactor și rolul protecției la suprasarcină?
3. De ce nu se poate trece conductorul PE printr-un întrerupător?
4. De ce se folosește un contact normal închis (NC) pentru butonul STOP?
5. De ce nu pot anclanșa simultan contactorul de stea și cel de triunghi, respectiv contactorul pentru înainte și cel pentru înapoi?

Dacă doriți să documentați clar un proiect, continuați cu capitolul Simboluri și set de simboluri, apoi cu capitolul Cabluri și circuite.