В Северна Америка щепсел на уреда, който има три щифта, означава, че уредът е проектиран да бъде заземен. Заземяването е функцията на 3-пиновата щепселна връзка накратко, но какво всъщност означава това?
Сигурно сте чували, че това е функция за безопасност, вградена в жилищни схеми, но ако заземяването е толкова важно за безопасността, защо някои нови уреди се предлагат с 2-пинови щепсели вместо с 3-пинови? Предупреждение за спойлер: Фактът, че щифтовете са с различни размери, подсказва отговора на този въпрос.
Съдовете са се променили значително, откакто първият разглобяем контакт е представен от Харви Хъбъл през 1903 г. Преди това нямаше практичен начин за временно свързване и изключване на лампа или уред от електрическа верига. Изходът на Хъбъл постепенно се превърна в изход NEMA 5-15, който е стандартната 3-пинова комбинация от щепсели и контакти, използвана днес за 120-волтови вериги.
Изходите, ключовете, основите на лампите и други често срещани устройства са предназначени за променливотокови вериги, тъй като всички жилищни и търговската мощ в Северна Америка - както и във всяка друга част на света - идва от индукция генератори. Променливотоковото захранване има различни характеристики от постояннотоковото захранване и преобладава от деня на усъвършенстване на крушката.
Зората на електропреносната мрежа
Развитието на електрическата крушка започва през 1806 г. и продължава през 19-ти век, докато тя е повече или по-малко усъвършенствана от Томас Едисон и неговите колеги през 1879 година.
Търсенето на крушки с нажежаема жичка веднага надмина способността на всеки да произвежда електричество за тях и необходимостта от електроцентрали стана очевидна. По този начин започна въоръжено преместване между привържениците на станции за генериране на постоянен ток (DC) и станции с променлив ток (AC) - малко парче история, известно като Войната на теченията.
Едисон и неговите поддръжници очевидно бяха от страната на производството на постоянен ток, а от отсрещната страна беше Никола Тесла, сръбски инженер, който беше служител на Едисон. Лагерът на Тесла спечели деня и един от първите генератори на променлив ток дойде онлайн в Ниагарския водопад през 1892 година. Променливотоковото захранване се оказа по-евтино за производство и по-икономично за транспортиране от постояннотоковото захранване.
Ранните устройства с променлив ток бяха необосновани и шокиращи
Генерирането на променливотоково захранване разчита на индукционен генератор, който по същество се състои от въртяща се намотка в магнитно поле. Токът, преминаващ през проводника, се обръща при всяко завъртане.
Това означава, че електричеството, което тече между клемите на бобината и всички крушки между тях, не тече директно от един терминал към друго, както прави постояннотоков ток, но вместо това постоянно се обръща, като тече към единия терминал по време на единия полуцикъл и към другия през другата половина цикъл.
Вместо положителни и отрицателни клеми, веригата за променлив ток има горещи и неутрални. За всяко електрическо устройство в променливотокова верига горещият терминал е този, свързан към генератора на енергия, а неутралният терминал е този, който връща захранването обратно към генератора.
Ако прекъснете веригата, горещият терминал остава активен, но неутралният терминал спира. Ако докоснете горещия терминал, ще получите шок, но няма да почувствате нищо, ако докоснете неутралния терминал.
С включването на електроцентралите домовете в Северна Америка се електрифицираха, а пералните машини, прахосмукачките и електрическите хладилници бяха бързо достъпни. Шоковете обаче бяха често срещани. Проводниците, превключвателите и контактите бяха електрически изолирани, но изолацията често се отчупваше, напукваше се или се износваше, оставяйки откритите горещи проводници в контакт с части от устройствата, които хората докосваха. Пожарите са били чести поради износена изолация и хлабави връзки.
Как помага заземяването?
Да предположим, че човек трябва да се докосне до гореща жица или превключвател в контакт с гореща жица. Ако човекът някак плаваше във въздуха или, съответно, носеше електрически изолирани обувки, нищо нямаше да се случи. Ако човекът стоеше на земята с боси крака, токът щеше да тече през тялото на човека към земята, която е най-голямата електрическа мивка на разположение.
Необходима е само една десета от усилвател на ток (100 mA), за да спре сърцето на човек, така че срещата може да бъде фатална.
Сега помислете дали електричеството вече има този път на разположение през проводящ проводник. Проводникът осигурява път с по-нисък импеданс към земята, отколкото човешкото тяло. (Импеданс е към променливотокови вериги какво съпротива е към постояннотокови вериги).
Електричеството винаги избира пътя на най-малкото съпротивление (импеданс), така че човекът, който докосва горещата жица, няма да получи удар - или поне не толкова голям удар. Това е основната идея зад заземяването.
Заземяването също е добро за електрическото оборудване. Ако възникне късо съединение поради износена изолация, хлабави връзки или счупено устройство, земята проводник осигурява алтернативен път за електричеството, така че да не изгори веригата и да стартира a огън. Отново това работи, тъй като импедансът на земната пътека е по-малък от този през веригата.
3-пиновата щепселна функция
Наземният път във веригата не е много добър, ако нямате начин да се свържете с него и за това е предназначен третият щифт на 3-пинов щепсел. Щепселът се свързва към захранващ кабел, който от своя страна се свързва с използвания електрически апарат, независимо дали става дума за вакуум, смесител, моторен трион или работна лампа. Схемите в апарата са свързани, така че всичко да е свързано към земния му терминал.
Заземителният терминал се свързва със заземяващия проводник във веригата на сградата чрез заземителния щифт на щепсела. Ако уредът има 3-пинов щепсел, никога не трябва да заобикаляте третия щифт, като го отрязвате или използвате адаптер 3-пинов към 2-пинов. ако направите това, устройството, което използвате, не е заземено и може да бъде опасно.
Цветовете с 3-пинов щепсел не са еднакви по целия свят, но са стандартизирани в Северна Америка, включително Канада, САЩ и Мексико. Националният електрически кодекс (NEC) определя бялото като цвят на неутралния проводник, но не установява никакви изисквания за цветовете на горещия проводник или заземяващия проводник. Въпреки това има стриктно спазвана конвенция да се използва червено или черно за горещия проводник и зелено за заземяващия проводник. Заземяващите проводници също често остават оголени.
Защо някои уреди имат 2-пинови щепсели?
NEC започна да изисква заземени схеми в пералните помещения през 1947 г. и разшири изискването на повечето други места през 1956 г. Смяната направи 2-пинови щепсели и контакти почти не остарели. Единственият път, когато можете да инсталирате 2-пинов контакт, е когато подменяте съществуващ. Всички нови обекти трябваше да бъдат 3-пинови.
И все пак днес е обичайно да виждате нови контакти само с два слота и захранващи кабели на нови уреди само с два зъба. Ако ги разгледате отблизо, ще забележите разликата, която ги отличава от остарелите, преди 1947 г., 2-пинови щепсели и контакти. Един от зъбците е по-голям от другия, което означава, че щепселът може да се побере в гнездото само по един начин. Тези щепсели и контакти са поляризиран. Тъй като не можете да обърнете ориентацията на щепсела в контакта, не можете да обърнете полярността.
В поляризирана лампа или уред горещият проводник се свързва с единия извод на превключвателя, а вътрешната схема се свързва с другия извод, който от своя страна се свързва с неутралния проводник. Превключвателят е изолиран от останалата част от веригата, така че когато е отворен, нищо не може да влезе в контакт с горещия проводник.
Ако щепселът нямаше зъби с различен размер, ще можете да обърнете полярността, като го поставите с главата надолу. Горещият проводник ще бъде в контакт с веригата и устройството може потенциално да ви удари. Тъй като не можете да обърнете щепсела или полярността, заземяването не е важна характеристика за безопасност и щепселът не се нуждае от заземен щифт.
Различни видове електрически контакти
Обсъжданият досега 3-зъбен щепсел е предназначен за 120-волтови вериги и за работа с до 15 ампера ток. Това е щепселът и контактът NEMA 5-15, където NEMA е Националната асоциация на производителите на електрическа енергия. Този контакт има слотове за три щифта, но слотовете за горещ и неутрален щифт са с различни размери, така че може да се използва с поляризиран щепсел.
NEMA 1-15 е 2-пиновата, поляризирана версия на този щепсел. 3-пиновите щепсели извън Северна Америка не отговарят непременно на стандартите на NEMA и обикновено имат различни конфигурации на щифтове.
Интересна особеност на заземения щепсел NEMA 5-15 е, че заземяващият щифт е с около 1/8 инча по-дълъг от другите два. Логиката зад това е, че когато включите нещо, заземяващият щифт осъществява контакт първо, така че винаги имате защита на земята. Много хора инсталират изхода на NEMA 5-15 със заземяващия щифт под другите два, но това е с главата надолу. Заземяващият щифт трябва да е отгоре, за да се предотврати контакта на всичко, което падне отгоре, с проводящите щифтове.
Съществува цял каталог с конфигурации на щепсели NEMA за обработка на 120- и 240-волтови приложения. Някои 120-волтови вериги имат два извода, а други имат три. Щепселите и контактите за 240-волтови вериги обикновено имат четири щифта, тъй като тези вериги имат два горещи проводника, неутрален проводник и заземяване.
Между другото, често виждате 120-волтови щепсели и уреди с етикет 125, 115 или 110 волта и 240-волтови с надписи 250, 230 и 220 волта. Всички те означават по същество едни и същи неща. Линейното напрежение в Северна Америка е номинално 240 волта, което е разделено на два 120-волтови крака в жилищния панел. Различните алтернативни напрежения се дължат на колебания в далекопроводите и падане на напрежението поради натоварване на веригата и разстояние от панела.
GFCI гнездата осигуряват защита от земна повреда
Много домове в Северна Америка са построени преди NEC да изисква заземяване на веригата и техните незаземени вериги и остарели 2-пинови търговските обекти са „внуци“. Това всъщност е неудобство, защото повечето съвременни устройства имат или 3-пинови щепсели, или поляризирани нечий. Въпреки че е безопасно да включите 2-пинов щепсел в 3-пинов контакт, обратното не е вярно и оставя устройството без земна защита.
Най-лесното решение е да се инсталират изводи за прекъсвач на веригата с прекъсвач на земята (GFCI) в зони на къщата, които се нуждаят от заземени контакти. GFCI има вътрешен прекъсвач, който се задейства, когато контактът открие необичайна промяна в тока, която би била причинена от някой, който докосва контакт под напрежение, докато стои във вода. GFCI може да предотврати токов удар, но не предпазва чувствителното оборудване от токови пренапрежения и не е пълен заместител на заземяването.
Щифтовете на GFCI са в стандартната конфигурация NEMA 5-15, което означава два вертикални слота, всеки с различни размери, и полукръгъл слот за земя. Обикновено не се нуждаете от повече от един GFCI на верига, тъй като всеки GFCI ще предпази устройствата, окабелени след него във веригата. Следователно можете да защитите цяла верига, като промените първия изход във веригата с GFCI.