Per chi opera nel settore tecnologico, così come per chi semplicemente ama certe materie tecniche, imparare a leggere gli schemi diventa qualcosa di importante. Gli schemi elettrici ed elettronici infatti rappresentano il mezzo per poter operare su impianti elettrici, su apparecchiature, e su circuiti elettronici anche miniaturizzati.
Questo è l’argomento di oggi, in particolare conosceremo i vari tipi di schema, e per ognuno impareremo com’è disegnato, qual’è la simbologia utilizzata, quali sono i componenti principali che possiamo trovare al suo interno, e come si consulta.
Non per ultimo apprenderemo quali vantaggi imparare a leggere gli schemi porta per chi lavora nei settori tecnici industriali come gli elettricisti, gli elettronici, i manutentori, i collaudatori e i programmatori di PLC che lavorano nell’automazione industriale.
1. Le tipologie degli schemi elettrici.
Quando parliamo di schema elettrico ci riferiamo in generale a una rappresentazione grafica che sfrutta determinate simbologie, di tipologie di schemi però ce ne sono tante, e sono molto diverse tra loro; le possiamo raggruppare in quattro categorie.
In effetti possiamo pensare ai tipi di schema come a un ordine gerarchico di questo tipo:
a) Schema dell’impianto.
b) Schema dei quadri elettrici.
c) Schema dei circuiti elettronici.
d) Schema dei circuiti integrati.
Il livello su cui si opera dipende dal contesto e dalla mansione che svolgiamo, per esempio l’elettricista lavora con gli schemi degli impianti e dei quadri elettrici, mentre uno strumentista potrebbe operare con gli schemi elettronici; un ingegnere elettronico potrebbe infine lavorare direttamente nella progettazione dei circuiti integrati presenti all’interno delle schede elettroniche.
Nei prossimi paragrafi conosciamo meglio le diverse tipologie di schema elettrico, cominciando proprio dagli schemi degli impianti.
1.1 Schemi di impianti elettrici.
Lo schema di un impianto elettrico è uno disegno su cui è rappresentato un impianto, solitamente creato basandosi su una planimetria.
Questo tipo di schema è utilizzato per esempio per la progettazione e la realizzazione di impianti elettrici domestici per appartamenti, o per il settore terziario come uffici, negozi, e locali pubblici.
Trattandosi di schemi basati sullo spazio perchè utilizzano planimetrie, le informazioni che contengono riguardano più che altro le direzioni dei collegamenti e l’ubicazione dei punti di comando e delle utenze.
Ecco nella figura seguente un esempio di planimetria e schema elettrico dell’impianto per un’abitazione di media grandezza.
1.1.1 Cosa troviamo negli schemi degli impianti elettrici.
Negli schemi di questo tipo si trovano soprattutto:
a) Componenti come interruttori, deviatori, invertitori, pulsanti e dimmer.
b) Posizione dei punti luce, e negli schemi più completi sono indicate anche la potenza delle lampade e il tipo (per esempio led o fluorescenza).
c) Percorsi delle connessioni tra i punti di comando e le utenze come lampade oppure prese comandate.
d) Posizione delle prese per la forza motrice, e in alcuni casi anche l’ubicazione delle cassette di derivazione.
d) Ubicazione dei centralini degli impianti.
e) Tipo di linea (forza motrice, luci, bus dati, antenne), e negli schemi più dettagliati anche il numero di conduttori e la sezione degli stessi; anche il colore dei cavi può essere indicato.
Nella figura quì sotto vediamo un esempio di quadro centralino per impianto elettrico domestico, tra i componenti distinguiamo gli interruttori magnetotermici e i differenziali.
1.1.2 La simbologia utilizzata per gli schemi degli impianti elettrici.
Negli schemi di impianti elettrici civili, viene utilizzata una simbologia normalizzata (secondo norme CEI in Italia, o IEC a livello internazionale) per rappresentare in modo chiaro e univoco i diversi componenti dell'impianto.
Nell’immagine seguente sono mostrati alcuni simboli più comuni, tra i quali interruttori, prese, bipolari, e interruttori magnetotermici.
1.1.3 Perchè sono importanti gli schemi elettrici degli impianti.
Intanto dobbiamo dire che per legge, il progetto comprensivo di schema elettrico è obbligatorio per ambienti a uso civile di superficie maggiore di 400 metri quadrati, e anche più piccoli se parliamo di ambienti particolari, come locali destinati al settore terziario, commerciale, studi medici, nonché luoghi sottoposti a particolari prescrizioni di sicurezza, a rischio di incendio o di esplosione.
Redigere uno schema elettrico aiuta oltre che gli elettricisti che realizzano il lavoro, anche chi un domani dovrà effettuare delle modifiche sull’impianto per migliorarlo, per sostituire parti danneggiate, ed effettuare qualsiasi altro intervento.
Soprattutto negli ambienti grandi e divisi in diversi locali e piani, avere gli schemi elettrici sempre aggiornati è il modo migliore per non trovarsi mai a dover operare “alla cieca”.
1.2 Schemi di quadri elettrici.
Quando si costruisce un quadro elettrico, che sia di distribuzione, d’automazione o per bordo macchina, lo si fa seguendo uno schema dove vengono rappresentati nel dettaglio tutti i componenti che compongono il quadro stesso.
A differenza dello schema di un impianto elettrico, nello schema di un quadro elettrico l’attenzione è focalizzata soprattutto sui collegamenti tra le varie apparecchiature all’interno del quadro, e dei collegamenti tra le apparecchiature del quadro e i dispositivi esterni; l’aspetto della posizione degli oggetti, nello schema di un quadro elettrico passa in secondo piano.
Nell’immagine seguente vediamo una pagina di schema dove sono rappresentate delle utenze, in questo caso valvole pneumatiche; notiamo i morsetti di collegamento che portano alimentazione, comuni, e segnali PLC.
1.2.1 Cosa troviamo negli schemi dei quadri elettrici.
Prendendo come esempio un quadro d’automazione, si distinguono due grandi aree funzionali, ovvero la sezioni di potenza e quella ausiliaria di controllo.
All’interno di questo tipo di schema elettrico troviamo:
a) Apparecchiature di alimentazione come trasformatori e alimentatori, accoppiati spesso a interruttori e sezionatori, tra i quali l’interruttore generale del quadro.
b) Dispositivi di protezione tra cui interruttori magnetotermici, differenziali e fusibili.
c) Apparecchi di comando come relè, contattori (teleruttori), relè statici. Questi dispositivi sono spesso controllati da contatti ausiliari pilotati da pulsanti, selettori, o direttamente da controllori come i PLC.
d) Siglatura delle apparecchiature in modo da poterle distinguere facilmente e localizzarle nel quadro, nonché le caratteristiche, per esempio le soglie di intervento per le protezioni, il numero di contatti ausiliari, oppure il modello specifico dell’apparecchio stesso.
d) Le morsettiere di interfaccia tra il quadro e le apparecchiature in campo.
e) La parte di controllo nel caso di quadri equipaggiati con PLC, DCS, o altre apparecchiature logiche programmabili.
f) I collegamenti tra le apparecchiature all’interno del quadro, per esempio tra alimentazioni e dispositivi di protezione, e poi tra questi dispositivi e quelli di comando.
g) Collegamenti tra i dispositivi interni al quadro e le apparecchiature esterne, per esempio tra un contattore e il sezionatore in campo al quale è connesso un motore. Ogni collegamento (filo) è numerato per essere facilmente identificabile nel quadro.
h) Ci sono informazioni negli schemi dei quadri elettrici che servono a rintracciare ogni componente nei vari fogli, dato che schemi di questo tipo quasi sempre sono costituiti da multifogli, a volte contenenti centinaia di pagine.
La cross reference (riferimenti incrociati) è il mezzo con il quale su ogni pagina sono indicati i rimandi di ogni oggetto, per cui per esempio dove c’è una bobina di un relè, sono indicate tutte le pagine e il punto in ogni pagina dove i contatti di quel relè sono stati utilizzati.
Per fare questo lo schema elettrico industriale contiene su ogni pagina un cartiglio che divide la pagina i colonne, e contiene anche informazioni riguardo alle revisioni.
Le revisioni sono fondamentali per rintracciare modifiche effettuate al diagramma nel corso del tempo.
i) Uno schema di quadro elettrico può contenere una lista dei cavi con descrizione della funzione e tipologia, l’elenco dei materiali (distinta base) per acquistare le apparecchiature, elenco ingressi e uscite del PLC, e anche elenchi di targhette da stampare e applicare sugli oggetti del quadro o in campo.
Se vuoi puoi anche leggere l’articolo di approfondimento sulla lettura degli schemi dei quadri d’automazione.
Ecco nella figura seguente l’interno di un quadro di questo tipo, possiamo identificare protezioni per i motori, contattori, morsetti, plc e molto altro.
1.2.2 La simbologia degli schemi elettrici dei quadri segue sostanzialmente le indicazioni della norma CEI 64-8. Nella figura che segue troviamo alcuni simboli comuni, tra i quali pulsanti, selettori, contatti ed elettrovalvole.
1.2.3 Perchè sono importanti gli schemi dei quadri elettrici.
Realizzare un quadro elettrico comporta collegare solitamente molti fili. Tanto per dare un’idea, un impianto automatizzato che controlla 50 valvole pneumatiche, necessita di 50 cavi multipolari (solitamente 7 x 1 mmq) dal quadro alle valvole, e all’interno del quadro i fili che portano i segnali dai 7 conduttori alle alimentazioni, ai comuni, e ai segnali di ingresso e uscita del PLC.
Si intuisce che all’interno di un quadro di questo tipo i cavi di varia sezione possono facilmente raggiungere il numero di diverse migliaia, per cui avere uno schema elettrico dettagliato e aggiornato è fondamentale per le figure professionali come i progettisti, i montatori, cablatori, collaudatori, elettricisti industriali, programmatori e trasfertisti.
Lo schema elettrico è necessario per:
a) Realizzare il quadro elettrico.
b) Effettuare i cablaggi all’interno del quadro.
c) Collegare le apparecchiature in campo.
d) Programmare i PLC e i sistemi di controllo, ed eventualmente i sistemi HMI e SCADA.
e) Collaudare il quadro elettrico e le apparecchiature in campo.
f) Effettuare modifiche al quadro e nell’impianto.
g) Svolgere attività di ricerca guasti e di manutenzione.
Se sei interessato a questa tipologia di schema, su questo sito trovi anche il corso di lettura schemi elettrici e di manutentore di stabilimento.
1.3 Schemi elettronici delle apparecchiature.
Qualsiasi apparecchiatura elettrica ed elettronica presente in un impianto elettrico o in un quadro elettrico, a sua volta viene progettata e costruita basandosi su degli schemi elettronici.
Lo schema elettronico mostra le sezioni dei circuiti organizzati per funzionalità e scopo, oltre che tutti i collegamenti tra i componenti elettronici attivi e passivi.
Quando poi il circuito viene realizzato sulle schede, la disposizione vera dei componenti viene decisa seguendo parametri che riguardano la funzione di ogni componente, le dispersioni di calore, e naturalmente anche la forma e dimensione finale che la scheda deve assumere, per essere alloggiata all’interno dei contenitori plastici o metallici.
Ecco nell’immagine seguente lo schema elettronico di una ricevitore radio, si notano i diversi stadi relativi alla sintonia, alla demodulazione e alla bassa frequenza.
1.3.1 Cosa troviamo negli schemi dei circuiti elettronici.
I circuiti sono al terzo posto nella gerarchia degli schemi elettrici, e un circuito elettronico oggi può anche essere di dimensioni molto ridotte, grazie alla miniaturizzazione dei componenti integrati.
In questo tipo di schema troviamo:
a) Componenti passivi e attivi, tra cui resistenze, condensatori, induttori, transistor, diodi, e altro. Ognuno di questi componenti, preso singolarmente, svolge una determinata azione sui segnali elettrici, diversi componenti connessi in un determinato modo diventano un circuito funzionale che svolge un compito preciso.
Per esempio combinando resistenze e condensatori (oppure induttanze) otteniamo dei filtri, le induttanze tuttavia sono anche impiegate nei circuiti di radiofrequenza, quindi le troviamo sia nelle circuiterie cosiddette di bassa (come quelle per l’audio) che in schemi destinati al condizionamento dei segnali radio (alta frequenza).
Quando si combinano diversi circuiti otteniamo sistemi complessi, per esempio, come già accennato, una radio contiene una sezione per la ricezione e la sintonia, e una per la demodulazione e amplificazione del segnale audio.
b) Negli schemi elettronici sono indicati i collegamenti tra i singoli componenti, questi collegamenti si trasformeranno in piste conduttive nel momento in cui si crea la scheda dove i componenti saranno alloggiati.
c) I componenti possono essere siglati in maniera univoca, e mostrati con di fianco le caratteristiche, per esempio la resistenza per una resistenza elettrica, la capacità per un condensatore, o ancora il modello di un particolare transistor o di un circuito integrato.
Nell’immagine che segue possiamo vedere alcuni condensatori, delle resistenze, diodi e anche dei microchip.
1.3.2 La simbologia degli schemi elettronici.
La simbologia utilizzata per i circuiti elettronici è completamente differente dalle altre. Troviamo alcuni simboli comuni nell’immagine che segue, la quale mostra resistenze, transistors, generatori di segnale, termistori, diodi rettificatori e trasformatori.
1.3.3 Perchè sono importanti gli schemi dei circuiti elettronici.
Gli schemi elettronici, oltre che per realizzare i progetti, sono importanti per i tecnici che devono intervenire in caso di guasto.
Lo schema dettagliato, unito all’esperienza di chi opera, permette di localizzare componenti danneggiati e sostituirli; ci sono anche situazioni in cui un circuito elettronico deve essere modificato, per aggiungere una certa funzionalità.
Un esempio di questo tipo è quando si vuole modificare una radio per aggiungere dei canali in ricezione o trasmissione: il circuito di sintonia deve essere ampliato con una scheda, e questa scheda va inserita in punti specifici del circuito elettronico, più precisamente nella sezione della radio frequenza.
1.4 Schemi dei circuiti integrati.
Senza circuiti integrati difficilmente potremmo costruire apparecchiature, e di conseguenza non potremmo realizzare nemmeno quadri elettrici e impianti elettrici.
Anche questi mini circuiti sono progettati a partire da uno schema elettronico, nell’esempio che segue possiamo vedere un diffusissimo integrato chiamato NE555, utilizzato per funzioni di timer (come temporizzatore), di generazione di impulsi e di oscillazione.
1.4.1 Cosa troviamo negli schemi dei circuiti integrati.
Lo schema di un circuito integrato rappresenta la disposizione e il collegamento dei vari componenti elettronici interni o esterni al chip, utilizzando simboli standard. In particolare questo tipo di diagrammi mostra:
a) I pin (o terminali) del circuito integrato, numerati e spesso etichettati con la loro funzione (es. Vcc, GND, IN, OUT).
b) La logica interna (per i circuiti integrati digitali), come porte logiche and, or, xor, flip-flop, contatori, ecc.
c) La configurazione interna (per gli analogici), come amplificatori operazionali, transistor, resistori e condensatori integrati.
d) I collegamenti elettrici tra i vari elementi, indicando il flusso del segnale o della corrente.
Ecco nell’immagine seguente un potente microprocessore per computer.
1.4.2 I simboli utilizzati negli schemi dei circuiti integrati.
La simbologia per questo tipo di schemi è relativa a quella per la logica booleana o alle funzioni operazionali. Eccone alcuni esempi nell’immagine quì sotto, che mostra diverse tipologie di latch, il flip-flop, porte AND, NAND, OR e NOR; troviamo anche degli operazionali.
1.4.3 Perchè sono importanti gli schemi dei circuiti integrati.
A differenza di ciò che avviene per gli altri tipi di schema elettrico, difficilmente lo schema interno di un integrato viene utilizzato per apportare modifiche al circuito stesso.
Solitamente questo disegno viene consultato per diagnosticare malfunzionamenti, testando i pin per verificare i vari segnali.
Lo schema di un integrato può essere anche utilizzato per identificare esattamente cosa contiene, ed eventualmente cercare un circuito simile, quando quel chip in particolare non è più disponibile.