L'unità propone semplici impianti utilizzati negli edifici di uso civile, cioè abitazioni private, uffici, alberghi, ospedali e, in generale, i luoghi aperti al pubblico.

Esempi di impianti più complessi sono presentati nella parte del testo dedicata alla progettazione (Applicazioni per progetti e Progetti).

Il primo circuito preso in esame è detto anche punto luce interrotto ed è il più semplice; permette il comando di una lampada da un solo punto. Le parti principali del circuito sono:

• il punto luce, cioè una lampada o un gruppo di lampade che funzionano insieme
• l'alimentazione, cioè i due conduttori di fase e neutro che rendono disponibile la tensione di rete
• il conduttore di protezione PE, di colore giallo-verde, che collega a terra le masse
• l'interruttore unipolare (fig. 1), un dispositivo di comando che interrompe la continuità elettrica consentendo o meno il passaggio di corrente
• tutte le parti che permettono la posa delle condutture e l'installazione degli apparecchi, cioè: cassette di derivazione, scatole per apparecchi modulari, tubi corrugati, canali, passerelle, ecc.

L'interruttore, azionato con un tasto basculante, permette di selezionare una delle due posizioni stabili¹⁾, aperto o chiuso, accendendo o spegnendo la lampada.

Le figure 2 e 3 mostrano diverse rappresentazioni dello stesso circuito:

• lo schema di principio è il più semplice
• lo schema funzionale - superfluo in questo caso - evidenzia la sequenza delle operazioni nell'accensione della lampada
• lo schema unifilare mostra la sezione dei cavi, le scatole di derivazione e la posa dei cavi (sottotraccia)
• lo schema di montaggio evidenzia i morsetti, le scatole di derivazioni (tratteggiate) e in genere i collegamenti tra i vari dispositivi
• lo schema topografico (unifilare) mostra la disposizione nello spazio del circuito e individua i tre conduttori con delle sigle (F_i sta per fase interrotta)
• quello spaccato mostra una vista prospettica del locale dove è installato il circuito

La figura 5 mostra una variante del circuito con una presa a spina per collegare apparecchi mobili (vedi fig. 4). Questa soluzione non è molto utilizzata negli impianti moderni, dove si preferisce ricorrere a due circuiti - e due interruttori principali - separati per le luci e le prese.

Osservazioni sugli schemi:

• si noti come i simboli siano diversi a seconda dello schema utilizzato
• nelle tavole che realizzeremo saranno sufficienti lo schema di principio, quello di montaggio e quello unifilare
• nello schema unifilare useremo una simbologia diversa rispetto a quella del testo per individuare i conduttori
• nello schema di montaggio e in quello unifilare mostreremo il conduttore di protezione
• nello schema di montaggio individueremo i morsetti col rispettivo codice
• i contatti vengono sempre rappresentati a riposo e disposti in modo che il contatto mobile ruoti in senso orario quando vengono azionati

Alcune osservazioni pratiche:

• l'interruttore deve essere inserito nel tratto che collega la fase alla lampada²⁾; il tratto di conduttore che va dall'interruttore alla lampada è detto fase interrotta
• nella morsettiera sul retro dell'interruttore due sigle identificano il contatto mobile e quello fisso (ad esempio L sta per linea d 1 per l'uscita)
• le cassette di derivazione servono per giunzioni e derivazioni (tramite connettori)
• nelle installazioni i conduttori vengono distinti utilizzando colori di versi: di solito:
  • grigio, marrone o nero per la fase
  • blu per il neutro
  • altri colori per gli altri tratti
  • giallo-verde per il conduttore di protezione

Ricordiamo inoltre che:

• le lampade, come tutti gli apparecchi collegati alle prese, sono collegati in parallelo alla medesima tensione di rete (il circuito della lampada è derivato da un circuito principale)
  • la tensione di rete è quella resa disponibile al contatore dall'ente fornitore dell'energia elettrica ed è una tensione alternata, con forma d'onda sinusoidale, frequenza di 50 Hz e valore efficace di 230 Volt
  • tra fase e neutro è presente tensione ma mentre il conduttore del neutro ha un potenziale di 0 Volt quello di fase ha un potenziale diverso da zero
  • il dimensionamento dei cavi, cioè la scelta della loro sezione, è fatta in base al valore della corrente

Questo circuito, chiamato anche punto luce deviato, permette il comando di una lampada da due punti. Questa soluzione risulta particolarmente utile nelle stanze con due accessi (vedi figura 7). Per realizzarlo serve un dispositivo di comando con tre morsetti detto deviatore. Il deviatore è l'unione di un contatto normalmente chiuso e uno normalmente aperto dove il medesimo contatto mobile permette di aprirne uno chiudendo l'altro. Il contatto mobile, azionato muovendo il tasto basculante, è detto di scambio perché permette di “deviare” la corrente su uno dei due contatti fissi.

Le figure 6 e 7 mostrano diverse rappresentazioni del circuito. Osserviamo che:

• occorrono due deviatori collegati in maniera speculare con la fase collegata al contatto mobile del primo e la lampada al contatto mobile del secondo
• i conduttori tra i deviatori vengono spesso chiamati fasi deviate e quello che va alla lampada fase interrotta (in alternativa fase deviata)
• nei disegni ha senso identificare le varie parti con una sigla (non sempre quella indicata dalle norme che prevede E per la lampada e S per i dispositivi di comando)
• nelle morsettiere dei deviatori è importante distinguere il contatto mobile (spesso indicato con L) dagli altri due (spesso 1 e 2)
• dallo schema di principio risulta chiaro che il circuito che alimenta la lampada può essere chiuso e aperto da due punti

Questo impianto, spesso usato nei lampadari, permette di selezionare la luminosità di un ambiente accendendo separatamente due gruppi di lampade. Il comando dei due circuiti che alimentano le lampade è affidato ad un commutatore che, nella pratica, spesso è sostituito da due interruttori unipolari modulare posti nella stessa scatola e con il morsetti della fase collegati tra loro³⁾.

La figura 8 mostra gli schemi di principio, di montaggio e unifilare dell'impianto.

Questo circuito, detto anche punto luce invertito, permette di comandare una lampada da più di due punti⁴⁾. Per il comando servono due deviatori un numero di invertitori quanti sono i punti restanti (ad esempio per tre punti due deviatori e un invertitore). L'invertitore è un dispositivo a quattro morsetti che si comporta come due deviatori collegati meccanicamente scambiando il collegamento tra i due conduttori in ingresso e i due in uscita. Il funzionamento del circuito è facilmente intuibile osservando lo schema di principio di figura 9a. Sempre in figura 9 sono rappresentati gli schemi di montaggio e unifilare mentre la figura 10 mostra uno schema topografico e una vista prospettica che illustrano la tipica applicazione di questo impianto (camera con tre accessi).

Il circuito con comando a relé è utilizzato negli impianti di illuminazione più estesi dove è richiesto il comando da più punti. Si tratta di una soluzione più complicata rispetto alle precedenti perché prevede due circuiti separati:

• un circuito di comando azionato tramite pulsanti, che può essere anche in bassa tensione (ad esempio 24V alternata)
• un circuito di potenza per l'alimentazione delle lampade

Questo comporta una serie di vantaggi:

• maggiore sicurezza nel caso di comando in bassa tensione
• semplificazione dei collegamenti nel circuito di comando (tutti pulsanti collegati allo stesso modo)
• maggiore flessibilità nel circuito di comando (facilmente estendibile/modificabile senza toccare il circuito di potenza)

Gli svantaggi invece sono:

• maggiore complessità
• rumore all'attivazione del relé (se elettromeccanico)
• possibili malfunzionamenti

I dispositivi necessari per questo tipo di circuito sono:

• il pulsante, che aziona il relé
• il relé, che comanda l'utilizzatore

I pulsanti sono simili agli interruttori unipolari ma con un contatto - normalmente aperto o normalmente chiuso - monostabile. Questo significa che quando cessa l'azione sul pulsante il contatto ritorna automaticamente in una posizione di riposo fissa (aperto o chiuso).

I relé (vedi unità 5 del modulo 2) sono componenti elettromeccanici o statici (elettronici) che si comportano come interruttori con comando a distanza. In pratica con i relé è possibile controllare carichi di una certa potenza con segnali di bassa intensità. Nel relè sono presenti sia il circuito di comando che quello di potenza; in un relé elettromeccanico troviamo:

• la bobina, che fa parte del circuito di comando e viene eccitata con la pressione dei pulsanti
• i contatti, che fanno parte del circuito di potenza e alimentano l'utilizzatore

Il tipo di relé che viene usato negli impianti di illuminazione è quello passo-passo (o bistabile o relé interruttore). In questo tipo di relé quando si eccita la bobina premendo il pulsante si provoca alternativamente l'apertura e la chiusura di un contatto. Questo permette di accendere e spegnere un punto luce con una singola pressione di un pulsante, come nel circuito di figura 14. Osserviamo che:

• il circuito di comando non è in bassa tensione (si veda la figura 15 per questo tipo di soluzione)
• lo schema funzionale è particolarmente utile perché più leggibile e perché evidenzia:
  • la separazione tra i circuiti di comando e di potenza
  • la logica del comando

Osserviamo inoltre che negli schemi si usa la stessa sigla per il contatto e la bobina del relé che, pur disposti in due rami distinti, risultano collegati con un tratteggio.

Secondo le norme CEI sono ambienti a maggiore rischio elettrico:

• bagni
• piscine
• locali medici
• cantieri

Per questi ambienti sono previste delle misure di sicurezza particolari. Nel caso dei bagni si individuano delle zone di pericolosità nelle quali è possibile o meno installare e utilizzare apparecchiature elettriche. La figura 18 mostra le quattro zone per una vasca da bagno e un piatto doccia. Oltre la zona 3, a tre metri dal bordo della vasca, non occorrono misure particolari. La tabella 1 indica cosa è possibile installare/utilizzare nelle varie zone (notare l'indicazione del grado di protezione degli involucri per la penetrazione dei liquidi). Osserviamo che:

• nelle zone 0, 1 e 2 non è possibile installare né prese né interruttori
• nella zona 3 è possibile installare prese ma con misure di sicurezza aggiuntive
• è richiesto un collegamento equipotenziale per le tubature

Il progetto di un impianto elettrico è piuttosto complesso e richiede una buona conoscenza di norme, metodi e componentistica. Questo paragrafo mostra rapidamente i vari passaggi coinvolti nella definizione del progetto di un impianto di un'unità abitativa.

Il primo passo è il calcolo della potenza installata presunta ottenuta considerando ubicazione e dimensione dell'abitazione (vedi tabella 2). Questo valore va corretto applicando dei coefficienti di contemporaneità che tengono conto del fatto che non tutti gli apparecchi funzionano contemporaneamente (vedi tabella 3). Il valore corretto è utilizzato come potenza convenzionale, per dimensionare i circuiti, e serve anche a determinare la potenza contrattuale da utilizzare con l'ente distributore dell'energia elettrica.

Nelle abitazioni la distribuzione dell'energia avviene attraverso un centralino di distribuzione, collegato al punto di consegna dove è installato il contatore, dal quale si diramano dei circuiti di distribuzione per alimentare i vari apparecchi. Una situazione molto comune è quella al centro di figura 21, dove i circuiti sono tre: uno da 10 A (conduttori con sezione 1,5 mm²) per le luci, un da 10 A per le prese e uno da 16 A (conduttori con sezione 2,5mm²) per i grossi elettrodomestici fissi. Come si vede dalla figura ogni circuito è dotato di un suo interruttore automatico installato nel centralino insieme all'interruttore generale.

Per determinare la sezione dei conduttori si considerano:

• la corrente di impiego I_b, corrispondente alla potenza convenzionale del circuito
• la portata del cavo I_z, cioè il massimo valore di corrente che può circolare senza che si superi la temperatura massima sopportabile dagli isolanti⁵⁾ (per un esempio si veda la tabella 4)

e si sceglie un cavo I_z > I_b. La scelta si fa anche valutando la caduta di tensione nel cavo, che deve essere minore del 4%, e i valori minimi previsti dalle norme indicati nella tabella 5.

Gli interruttori posti nel centralino di distribuzione svolgono tre funzioni principali:

• il sezionamento per manutenzione, che consiste nell'isolare il circuito aprendo tutti i conduttori attivi (fase e neutro); questa manovra è effettuata manualmente
• la protezione dei circuiti, interrompendo automaticamente l'alimentazione in caso di sovracorrenti
• la protezione delle persone, con l'interruttore differenziale coordinato con l'impianto di terra

La protezione delle persone è affidata ad un interruttore differenziale che, in caso di corrente dispersa a terra, deve intervenire entro 5 secondi e garantire che in caso di guasto la tensione tra masse e terra non superi il valore di 50 Volt.

La protezione dei circuiti è affidata ad interruttori automatici magnetotermici e, più raramente, a fusibili⁶⁾. Nel primo caso si sceglie l'interruttore in modo che valga:

`I_b<I_n<I_z`

dove I_n è la corrente nominale dell'interruttore, cioè la corrente di non intervento dell'interruttore, mentre I_b e I_z sono la corrente di impiego del circuito e la portata del cavo. Il fusibile invece viene scelto in modo che valga:

`I_f < 1,45 I_z`

dove I_f è la corrente convenzionale di intervento del fusibile che garantisce l'intervento del fusibile.

Gli interruttori automatici servono a proteggere i cavi dalle sovracorrenti, cioè correnti superiori alla portata del cavo. Si distingue tra due casi:

• correnti di sovraccarico, che possono circolare in assenza di guasti in condizioni particolari (avvio di motori, troppi apparecchi funzionanti contemporaneamente)
• correnti di cortocircuito, quando si ha un guasto e un contatto a bassa resistenza tra due parti a tensione diversa

Nel primo caso abbiamo correnti di poco superiori a quella nominale (da 3 a 10 volte) che possono essere sopportate, ma per breve tempo; nel cortocircuito le correnti sono elevatissime e l'interruttore deve intervenire immediatamente. Per questo motivo il comando di apertura è affidato a due diversi dispositivi⁷⁾:

• il relé termico per le correnti di sovraccarico
• il relé magnetico per quelle di cortocircuito

Gli interruttori che li contengono entrambi sono detti interruttori automatici magnetotermici. La figura 23 mostra il principio di funzionamento di uno sganciatore termico. Una lamina bimetallica, realizzata con due materiali con coefficiente di dilatazione differente, viene attraversata da corrente. Oltre una certa soglia il calore prodotto per effetto Joule produce una dilatazione diversa nei due metalli, quindi una deformazione della lamina che aziona il meccanismo di sgancio. Questo tipo di protezione è detta a tempo inverso perché:

• non interviene istantaneamente
• interviene più rapidamente per correnti elevate e più lentamente per correnti più basse

ed è indicata per le correnti di sovraccarico.

La figura 24 mostra il principio di funzionamento di uno sganciatore magnetico. La corrente, attraversando la bobina di un elettromagnete, attira un ancora (la parte mobile). Il movimento dell'ancora è contrastato da una molla che in condizioni di funzionamento normale ne impedisce il movimento; quando si verifica un cortocircuito la forza esercitata dall'elettromagnete prevale e il movimento dell'ancora aziona il meccanismo di sgancio. Questo tipo di protezione è detta a tempo indipendente perché superata una determinata soglia lo scatto è istantaneo.

La scelta di un interruttore magnetotermico si fa valutando la caratteristica di intervento fornita dal costruttore. Questa riporta nell'asse delle ascisse un valore normalizzato di corrente (riferito cioè alla corrente nominale) e nell'asse delle ordinate il tempo (figure 25 e 26). Nella caratteristica si distinguono:

• un tratto orizzontale corrispondente all'azione del relé magnetico (tempo indipendente)
• un tratto curvo corrispondente all'azione del relé termico (tempo inverso)

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