Jak funguje 3kolíková zástrčka?

V Severní Americe znamená zástrčka zařízení se třemi kolíky, že je zařízení uzemněno. Uzemnění je ve zkratce funkce 3kolíkového konektoru, ale co to vlastně znamená?

Pravděpodobně jste už slyšeli, že je to bezpečnostní prvek zabudovaný do bytových obvodů, ale pokud je uzemnění pro bezpečnost tak důležité, proč jsou některé nové spotřebiče dodávány s 2kolíkovými zástrčkami místo 3kolíkovými? Upozornění na spoilery: Skutečnost, že kolíky mají různé velikosti, poskytuje vodítko k odpovědi na tuto otázku.

Od doby, kdy první odnímatelný vývod představil Harvey Hubble v roce 1903, se nádoby výrazně změnily. Předtím neexistoval žádný praktický způsob, jak dočasně připojit a odpojit lampu nebo zařízení od elektrického obvodu. Hubbleova zásuvka se postupně proměnila v zásuvku NEMA 5-15, což je standardní kombinace 3kolíkových zástrček a zásuvek, která se dnes používá pro obvody 120 voltů.

Zásuvky, vypínače, patice světel a další běžná zařízení jsou navržena pro střídavé obvody, protože všechny obytné a komerční síla v Severní Americe - stejně jako ve všech ostatních částech světa - pochází z indukce generátory. Napájení střídavým proudem má jiné vlastnosti než stejnosměrné napájení a převládá od doby, kdy byla žárovka zdokonalena.

Vývoj žárovky začal v roce 1806 a pokračoval až do 19. století, dokud ho víceméně nedokonal Thomas Edison a jeho kolegové v roce 1879.

Poptávka po žárovkách okamžitě překonala schopnost kohokoli pro ně vyrábět elektřinu a byla zřejmá potřeba stanic na výrobu energie. Tak začalo přetahování mezi zastánci stanic generujících stejnosměrný proud a stanicemi střídavého proudu - střídavý proud - malý kousek historie známý jako Válka proudů.

Edison a jeho podporovatelé byli zjevně na straně výroby stejnosměrného proudu a na opačné straně byl Nikola Tesla, srbský inženýr, který byl Edisonovým zaměstnancem. Tento den zvítězil tábor Tesly a jeden z prvních generátorů střídavého proudu se připojil k internetu v Niagarských vodopádech v roce 1892. Ukázalo se, že střídavé napájení je levnější na výrobu a hospodárnější na dopravu než stejnosměrné napájení.

Generování střídavého proudu závisí na indukčním generátoru, který v zásadě sestává z rotující cívky v magnetickém poli. Proud procházející vodičem se s každou rotací obrací.

To znamená, že elektřina, která teče mezi svorkami cívky a všemi žárovkami mezi nimi, neteče přímo z jedné svorky do jiné jako stejnosměrný proud, ale místo toho se neustále obrací, teče k jedné svorce během jedné poloviny cyklu a k druhé během druhé poloviny cyklus.

Místo kladných a záporných svorek má střídavý obvod horké a neutrální. U jakéhokoli elektrického zařízení v obvodu střídavého proudu je horká svorka připojena k generátoru energie a neutrální svorka je ta, která vrací energii zpět do generátoru.

Pokud přerušíte obvod, horká svorka zůstane pod napětím, ale neutrální svorka zhasne. Pokud se dotknete horkého terminálu, dostanete šok, ale pokud se dotknete neutrálního terminálu, nebudete nic cítit.

Jak byly elektrárny připojeny k internetu, došlo k elektrifikaci domácností v celé Severní Americe a rychle byly k dispozici elektrické pračky, vysavače a elektrické chladničky. Šoky však byly běžné. Dráty, spínače a zásuvky byly elektricky izolovány, ale izolace se často odlamovala, praskla nebo se opotřebovávala a ponechávala odkryté horké dráty v kontaktu s částmi zařízení, kterých se lidé dotýkali. Požáry byly časté kvůli opotřebované izolaci a uvolněným spojům.

Předpokládejme, že by se osoba měla dotknout živého horkého drátu nebo spínače v kontaktu s horkým drátem. Pokud by osoba nějak vznášela ve vzduchu nebo rovnocenně měla elektricky izolované boty, nic by se nestalo. Pokud by však osoba stála na zemi bosýma nohama, elektřina by proudila tělem osoby na Zemi, což je největší dostupný elektrický dřez.

Zastavení srdce člověka zabere jen jednu desetinu proudu (100 mA), takže setkání mohlo být velmi osudné.

Nyní zvažte, zda elektřina již má tuto cestu k dispozici prostřednictvím vodivého drátu. Drát poskytuje cestu s nižší impedancí k zemi než lidské tělo. (Impedance je na střídavé obvody co odpor je na stejnosměrné obvody).

Elektřina vždy volí cestu nejmenšího odporu (impedance), takže osoba dotýkající se horkého drátu nebude šokována - nebo alespoň nebude tak velká jako šok. To je základní myšlenka uzemnění.

Uzemnění je dobré i pro elektrická zařízení. Pokud dojde ke zkratu z důvodu opotřebené izolace, uvolněných spojů nebo rozbitého zařízení, uzemnění vodič poskytuje alternativní cestu pro elektřinu, takže nespálí obvod a nespustí a oheň. To opět funguje, protože impedance zemní cesty je menší než impedance obvodu.

Cesta uzemnění v obvodech není moc dobrá, pokud k ní nemáte způsob připojení, a k tomu slouží třetí pin na 3pinové zástrčce. Zástrčka se připojuje k napájecímu kabelu, který se připojuje k používanému elektrickému zařízení, ať už je to vakuum, mixér, motorová pila nebo pracovní lampa. Obvody v přístroji jsou zapojeny tak, aby bylo vše připojeno k jeho zemnící svorce.

Uzemňovací svorka se připojuje k uzemňovacímu vodiči v obvodech budovy přes zemnicí kolík na zástrčce. Pokud má spotřebič 3kolíkovou zástrčku, nikdy byste neměli obcházet třetí kolík odříznutím nebo použitím 3kolíkového na 2kolíkového adaptéru. pokud to uděláte, zařízení, které používáte, není uzemněno a mohlo by být nebezpečné.

3kolíkové barvy vodičů nejsou stejné po celém světě, ale jsou standardizovány v Severní Americe, včetně Kanady, Spojených států a Mexika. Národní elektrotechnický předpis (NEC) specifikuje bílou barvu neutrálního vodiče, ale nestanovuje žádné požadavky na barvy žhavého nebo uzemňovacího vodiče. Přesto existuje pečlivě dodržovaná konvence, že se pro horký vodič používá červená nebo černá a pro zemnící vodič zelená. Uzemňovací vodiče jsou také běžně ponechány holé.

NEC začal vyžadovat uzemněné obvody v prádelnách v roce 1947 a požadavek rozšířil na většinu dalších míst v roce 1956. Díky posunu byly 2kolíkové zásuvky a zásuvky téměř zastaralé. Jediný případ, kdy jste mohli nainstalovat 2kolíkovou zásuvku, bylo, když jste vyměňovali stávající. Všechny nové zásuvky musely být 3kolíkové.

Přesto je dnes běžné vidět nové zásuvky s pouhými dvěma sloty a napájecí kabely na nových zařízeních s pouhými dvěma hroty. Pokud se na ně podíváte pozorně, uvidíte rozdíl, který je odlišuje od zastaralých 2kolíkových zástrček a zásuvek před rokem 1947. Jeden z hrotů je větší než druhý, což znamená, že zástrčka se do zásuvky vejde pouze jedním způsobem. Tyto zástrčky a zásuvky jsou polarizovaný. Protože nemůžete obrátit orientaci zástrčky v zásuvce, nemůžete obrátit polaritu.

V polarizované lampě nebo zařízení se horký vodič připojuje k jedné svorce spínače a vnitřní obvody se připojují k druhé svorce, která se zase připojuje k neutrálnímu vodiči. Spínač je izolován od zbytku obvodů, takže když je otevřený, nemůže nic přijít do styku s horkým drátem.

Pokud by zástrčka neměla různě velké hroty, bylo by možné obrátit polaritu vložením vzhůru nohama. Horký vodič by byl v kontaktu s obvody a zařízení by vás mohlo potenciálně šokovat. Protože nemůžete obrátit zástrčku nebo polaritu, uzemnění není zásadním bezpečnostním prvkem a zástrčka nepotřebuje zemnící kolík.

Dosud diskutovaná 3kolíková zástrčka je navržena pro obvody 120 V a zvládá proud až 15 A. Je to zástrčka a zásuvka NEMA 5-15, kde NEMA je Národní asociace výrobců elektrotechniky. Tato zásuvka má štěrbiny pro tři piny, ale štěrbiny pro horké a neutrální kolíky mají různé velikosti, takže ji lze použít s polarizovanou zástrčkou.

NEMA 1-15 je 2kolíková polarizovaná verze této zástrčky. 3kolíkové konektory mimo Severní Ameriku nemusí nutně odpovídat standardům NEMA a obvykle mají různé konfigurace kolíků.

Zajímavou vlastností uzemněné zástrčky NEMA 5-15 je to, že zemnící kolík je asi o 1/8 palce delší než ostatní dva. Logika za tím spočívá v tom, že když něco zapojíte, zemnící kolík nejprve kontaktuje, takže máte vždy zemní ochranu. Mnoho lidí instaluje zásuvku NEMA 5-15 se zemnícím kolíkem pod dalšími dvěma, ale to je vzhůru nohama. Zemnící kolík by měl být nahoře, aby se zabránilo kontaktu všeho, co spadne shora, s vodivými kolíky.

Existuje celý katalog konfigurací konektorů NEMA pro zpracování aplikací 120 a 240 voltů. Některé 120voltové obvody mají dva piny a některé tři. Zástrčky a zásuvky pro 240voltové obvody mají obvykle čtyři piny, protože tyto obvody mají dva horké vodiče, neutrální vodič a zem.

Mimochodem, často vidíte 120voltové zástrčky a zařízení s označením 125, 115 nebo 110 voltů a 240 voltová zařízení s označením 250, 230 a 220 voltů. To vše znamená v podstatě stejné věci. Síťové napětí v Severní Americe je nominálně 240 voltů, které je v obytném panelu rozděleno na dvě 120voltové nohy. Různá střídavá napětí jsou způsobena kolísáním přenosových vedení a poklesy napětí v důsledku zatížení obvodu a vzdálenosti od panelu.

Mnoho domů v Severní Americe bylo postaveno před tím, než NEC vyžadovala uzemnění obvodu a jejich neuzemněné obvody a zastaralé 2kolíkové prodejny jsou „zachovány“. To je vlastně nepříjemnost, protože většina moderních zařízení má buď 3kolíkové zástrčky, nebo polarizované ty. I když je bezpečné zapojit 2kolíkovou zástrčku do 3kolíkové zásuvky, opak není pravdivý a ponechává zařízení bez zemní ochrany.

Nejjednodušším řešením je instalace vývodů přerušovače zemního spojení (GFCI) v oblastech domu, které potřebují uzemněné vývody. GFCI má vnitřní jistič, který se vypne, kdykoli zásuvka zjistí abnormální změnu proudu, která by byla způsobena tím, že se někdo dotkne živého kontaktu, když stojí ve vodě. GFCI může zabránit úrazu elektrickým proudem, ale nechrání citlivé zařízení před proudovými rázy a není úplnou náhražkou uzemnění.

Kolíky GFCI jsou ve standardní konfiguraci NEMA 5-15, což znamená dva svislé sloty, každý různých velikostí, a půlkruhový zemnící slot. Obvykle nepotřebujete více než jeden GFCI na obvod, protože jakýkoli GFCI bude chránit zařízení připojená po něm v obvodu. Můžete tedy chránit celý okruh změnou první zásuvky v obvodu pomocí GFCI.