Lorsque les démarreurs sont dotés d'une protection thermique, c'est-à-dire d'un relais thermique de surcharge temporisé, celui-ci est branché dans le circuit allant directement aux bornes U1, V1, W1 ou V2, W2, U2. Cette protection est également efficace en couplage étoile, puisque ce relais, qui est monté en série avec les enroulements, est parcouru par 0,58 fois le courant assigné du relais = courant nominal du moteur.

Schéma complet → paragraphe Démarreurs automatiques étoile-triangle SDAINL.

En variante au schéma précédent, le relais de protection thermique peut être monté dans la ligne d'alimentation. Le schéma partiel ci-contre montre le schéma dérivé du → paragraphe Démarreurs automatiques étoile-triangle SDAINL. Avec les entraînements dans lesquels le relais F2 déclenche dès le démarrage du moteur en schéma étoile, il est possible de brancher le relais F2 dimensionné pour le courant assigné du moteur, dans la ligne d'alimentation. Le temps de déclenchement se trouve alors multiplié par 4, 5 ou 6. En couplage étoile, le relais est en effet parcouru par le courant, mais ce schéma n'offre pas une protection totale, car le seuil de réponse est dans ce cas égal à 1,73 fois le courant de phase. En revanche, la protection anti-redémarrage est efficace.

En variante aux schémas précédents, le relais thermique de protection peut être disposé dans la branche « triangle ». Le schéma partiel ci-contre montre le schéma dérivé du → paragraphe Démarreurs automatiques étoile-triangle SDAINL. Avec les machines à démarrage très difficile et très lent (centrifugeuses, par exemple), le relais F2, réglé sur 0,58 fois le courant assigné du relais = le courant assigné du moteur, peut aussi être monté sur la connexion contacteur triangle Q15 – contacteur étoile Q13. En couplage étoile, le relais F2 n'est pas parcouru par le courant. Aucune protection n'est pas conséquent assurée au démarrage. Ce schéma n'est donc applicable qu'aux démarrages difficiles ou lents, avec lesquels la réponse d'un relais à transformateur à noyau saturé serait encore trop rapide.