Wie funktioniert ein 3-Pin-Stecker?

In Nordamerika bedeutet ein Gerätestecker mit drei Stiften, dass das Gerät geerdet ist. Erdung ist kurz und bündig die Funktion einer 3-poligen Steckverbindung, aber was bedeutet das eigentlich?

Sie haben wahrscheinlich gehört, dass es sich um eine Sicherheitsfunktion handelt, die in Haushaltsschaltkreise eingebaut ist, aber wenn die Erdung für die Sicherheit so wichtig ist, warum werden einige neue Geräte mit 2-poligen statt 3-poligen Steckern geliefert? Spoiler-Alarm: Die Tatsache, dass die Pins unterschiedlich groß sind, gibt einen Hinweis auf die Antwort auf diese Frage.

Die Steckdosen haben sich seit der Einführung der ersten abnehmbaren Steckdose durch Harvey Hubble im Jahr 1903 erheblich verändert. Zuvor gab es keine praktische Möglichkeit, eine Lampe oder ein Gerät vorübergehend an einen Stromkreis anzuschließen und von diesem zu trennen. Die Steckdose von Hubble verwandelte sich nach und nach in die NEMA 5-15-Steckdose, die heute die Standardkombination aus 3-poligem Stecker und Steckdose für 120-Volt-Stromkreise ist.

Steckdosen, Schalter, Lampensockel und andere gängige Geräte sind für Wechselstromkreise ausgelegt, da alle Wohn- und Kommerzielle Energie kommt in Nordamerika – wie auch in jedem anderen Teil der Welt – aus Induktion Generatoren. Wechselstrom hat andere Eigenschaften als Gleichstrom und ist seit der Perfektionierung der Glühbirne vorherrschend.

Die Entwicklung der Glühbirne begann 1806 und setzte sich durch das 19. Jahrhundert fort, bis sie 1879 von Thomas Edison und seinen Kollegen mehr oder weniger perfektioniert wurde.

Die Nachfrage nach Glühbirnen überstieg sofort die Möglichkeit, Strom für sie zu produzieren, und der Bedarf an Kraftwerken wurde offensichtlich. So begann ein Tauziehen zwischen den Befürwortern von Gleichstrom-(DC)-Kraftwerken und Wechselstrom-(AC)-Stationen – ein kleines Stück Geschichte, bekannt als der Krieg der Ströme.

Edison und seine Unterstützer standen eindeutig auf der Seite der Gleichstromerzeugung, und auf der anderen Seite stand Nikola Tesla, ein serbischer Ingenieur, der bei Edison angestellt war. Teslas Lager gewann den Tag und einer der ersten Wechselstromgeneratoren ging 1892 an den Niagarafällen ans Netz. Wechselstrom hatte sich als kostengünstiger in der Herstellung und wirtschaftlicher als Gleichstrom erwiesen.

Die Erzeugung von Wechselstrom beruht auf einem Induktionsgenerator, der im Wesentlichen aus einer sich drehenden Spule in einem Magnetfeld besteht. Der durch den Leiter fließende Strom kehrt sich bei jeder Umdrehung um.

Dies bedeutet, dass der Strom, der zwischen den Spulenanschlüssen und allen Glühbirnen dazwischen fließt, nicht direkt von einem Anschluss zum flow anders als Gleichstrom, kehrt sich aber stattdessen ständig um und fließt während einer Halbwelle zu einem Anschluss und während der anderen Hälfte zum anderen Zyklus.

Anstelle von positiven und negativen Anschlüssen hat ein Wechselstromkreis heiße und neutrale Anschlüsse. Bei allen elektrischen Geräten in einem Wechselstromkreis ist die heiße Klemme diejenige, die mit dem Stromgenerator verbunden ist, und die neutrale Klemme ist diejenige, die Strom an den Generator zurückgibt.

Wenn Sie den Stromkreis unterbrechen, bleibt die heiße Klemme unter Spannung, aber die neutrale Klemme wird tot. Wenn Sie das heiße Terminal berühren, bekommen Sie einen Schock, aber Sie werden nichts spüren, wenn Sie das neutrale Terminal berühren.

Als die Kraftwerke ans Netz kamen, wurden Haushalte in ganz Nordamerika elektrifiziert, und Power-Waschmaschinen, Staubsauger und elektrische Kühlschränke wurden schnell verfügbar. Schocks waren jedoch üblich. Drähte, Schalter und Steckdosen waren elektrisch isoliert, aber die Isolierung splitterte, rissig oder nutzte sich ab, sodass freiliegende heiße Drähte in Kontakt mit Teilen der Geräte kamen, die von Menschen berührt wurden. Aufgrund abgenutzter Isolierung und loser Verbindungen kam es häufig zu Bränden.

Angenommen, eine Person würde einen spannungsführenden heißen Draht oder einen Schalter berühren, der mit einem heißen Draht in Kontakt steht. Würde die Person irgendwie in der Luft schweben oder entsprechend elektrisch isolierte Schuhe tragen, würde nichts passieren. Wenn die Person jedoch mit nackten Füßen auf dem Boden stünde, würde der Strom durch den Körper der Person zur Erde fließen, die die größte verfügbare elektrische Senke ist.

Es braucht nur ein Zehntel Ampere Strom (100 mA), um das Herz einer Person zu stoppen, so dass die Begegnung sehr gut tödlich sein könnte.

Überlegen Sie nun, ob der Strom diesen Weg bereits durch einen leitenden Draht zur Verfügung hat. Der Draht bietet einen niedrigeren Impedanzpfad zur Erde als ein menschlicher Körper. (Impedanz ist an Wechselstromkreisen was Widerstand ist für Gleichstromkreise).

Strom wählt immer den Weg des geringsten Widerstands (Impedanz), damit die Person, die den heißen Draht berührt, keinen oder zumindest nicht so großen Schock bekommt. Das ist die Grundidee der Erdung.

Erdung ist auch gut für elektrische Geräte. Tritt ein Kurzschluss aufgrund abgenutzter Isolierung, lockerer Verbindungen oder eines defekten Geräts auf, muss die Masse Draht bietet einen alternativen Weg für den Strom, damit der Stromkreis nicht durchbrennt und ein Feuer. Auch dies funktioniert, weil die Impedanz des Erdungspfades geringer ist als die durch die Schaltung.

Ein Massepfad in der Schaltung ist nicht gut, wenn Sie keine Möglichkeit haben, ihn anzuschließen, und dafür ist der dritte Pin eines 3-poligen Steckers da. Der Stecker wird an ein Netzkabel angeschlossen, das wiederum an das verwendete elektrische Gerät angeschlossen wird, sei es ein Staubsauger, ein Mixer, eine Motorsäge oder eine Arbeitslampe. Die Schaltung im Gerät ist so verdrahtet, dass alles mit seinem Erdungsanschluss verbunden ist.

Die Erdungsklemme wird über den Erdungsstift am Stecker mit dem Erdungsdraht in der Gebäudeschaltung verbunden. Wenn ein Gerät einen 3-Pin-Stecker hat, sollten Sie den dritten Pin niemals durch Abschneiden oder Verwenden eines 3-Pin-zu-2-Pin-Adapters umgehen. Wenn Sie dies tun, ist das von Ihnen verwendete Gerät nicht geerdet und könnte gefährlich sein.

Die Farben der 3-poligen Steckerkabel sind nicht auf der ganzen Welt gleich, aber sie sind in ganz Nordamerika, einschließlich Kanada, den Vereinigten Staaten und Mexiko, standardisiert. Der National Electrical Code (NEC) spezifiziert Weiß als Farbe des Neutralleiters, stellt jedoch keine Anforderungen an die Farben des heißen Drahtes oder Erdleiters. Nichtsdestotrotz gibt es eine eng befolgte Konvention, Rot oder Schwarz für den heißen Draht und Grün für den Erdungsdraht zu verwenden. Erdungsdrähte werden auch häufig blank gelassen.

Das NEC begann 1947 mit der Forderung nach geerdeten Schaltkreisen in Waschküchen und weitete die Anforderung 1956 auf die meisten anderen Standorte aus. Die Verschiebung machte 2-polige Stecker und Steckdosen so gut wie überflüssig. Das einzige Mal, dass Sie eine 2-polige Steckdose installieren konnten, war, wenn Sie eine vorhandene ersetzten. Alle neuen Steckdosen mussten 3-polig sein.

Doch heute ist es üblich, neue Steckdosen mit nur zwei Steckplätzen und Netzkabel an neuen Geräten mit nur zwei Zinken zu sehen. Wenn Sie sich diese jedoch genau ansehen, werden Sie den Unterschied erkennen, der sie von veralteten 2-poligen Steckern und Steckdosen vor 1947 unterscheidet. Einer der Zinken ist größer als der andere, sodass der Stecker nur in einer Richtung in die Buchse passt. Diese Stecker und Steckdosen sind polarisiert. Da Sie die Ausrichtung des Steckers in der Buchse nicht umkehren können, können Sie die Polarität nicht umkehren.

In einer polarisierten Lampe oder einem polarisierten Gerät ist der heiße Draht mit einem Anschluss des Schalters verbunden, und die interne Schaltung ist mit dem anderen Anschluss verbunden, der wiederum mit dem Neutralleiter verbunden ist. Der Schalter ist vom Rest der Schaltung isoliert, so dass im geöffneten Zustand nichts mit dem heißen Draht in Berührung kommen kann.

Wenn der Stecker keine unterschiedlich großen Zinken hätte, könnten Sie die Polarität umkehren, indem Sie ihn verkehrt herum einstecken. Der heiße Draht würde mit den Schaltkreisen in Kontakt kommen und das Gerät könnte Ihnen möglicherweise einen Schlag versetzen. Da Sie den Stecker oder die Polarität nicht umkehren können, ist die Erdung kein entscheidendes Sicherheitsmerkmal und der Stecker benötigt keinen Erdungsstift.

Der bisher diskutierte 3-polige Stecker ist für 120-Volt-Stromkreise und bis zu 15 Ampere Strom ausgelegt. Es ist der NEMA 5-15 Stecker und Steckdose, wobei NEMA die National Electrical Manufacturer's Association ist. Diese Steckdose hat Steckplätze für drei Pins, aber die Hot- und Neutral-Pin-Steckplätze sind unterschiedlich groß, sodass sie mit einem polarisierten Stecker verwendet werden können.

Der NEMA 1-15 ist die 2-polige, polarisierte Version dieses Steckers. 3-Pin-Stecker außerhalb Nordamerikas entsprechen nicht unbedingt den NEMA-Standards und haben in der Regel unterschiedliche Pin-Konfigurationen.

Ein interessantes Merkmal des geerdeten NEMA 5-15-Steckers ist, dass der Erdungsstift etwa 1/8 Zoll länger ist als die anderen beiden. Die Logik dahinter ist, dass beim Einstecken der Erdungsstift zuerst Kontakt hat, sodass Sie immer Erdungsschutz haben. Viele Leute installieren die NEMA 5-15-Steckdose mit dem Erdungsstift unter den anderen beiden, aber das ist auf dem Kopf. Der Erdungsstift sollte oben sein, um zu verhindern, dass alles, was von oben fällt, die leitenden Stifte berührt.

Es existiert ein vollständiger Katalog von NEMA-Steckerkonfigurationen für 120- und 240-Volt-Anwendungen. Einige 120-Volt-Schaltungen haben zwei Pins und andere drei. Stecker und Steckdosen für 240-Volt-Stromkreise haben normalerweise vier Stifte, da diese Stromkreise zwei heiße Drähte, einen Neutralleiter und eine Masse haben.

Übrigens sieht man oft 120-Volt-Stecker und -Geräte mit der Aufschrift 125, 115 oder 110 Volt und 240-Volt-Stecker mit der Aufschrift 250, 230 und 220 Volt. Diese bedeuten alle im Wesentlichen die gleichen Dinge. Die Netzspannung in Nordamerika beträgt nominell 240 Volt, die im Wohnpanel auf zwei 120-Volt-Steine ​​aufgeteilt wird. Die verschiedenen Wechselspannungen sind auf Schwankungen in den Übertragungsleitungen und Spannungsabfälle aufgrund der Schaltungslast und des Abstands vom Panel zurückzuführen.

Viele Häuser in Nordamerika wurden gebaut, bevor der NEC eine Erdung des Stromkreises verlangte, und ihre ungeerdeten Stromkreise und veralteten 2-poligen Outlets sind "großväterlicherseits". Das ist eigentlich umständlich, denn die meisten modernen Geräte haben entweder 3-Pin-Stecker oder polarisiert Einsen. Während es sicher ist, einen 2-poligen Stecker in eine 3-polige Steckdose zu stecken, ist das Gegenteil der Fall und das Gerät bleibt ohne Erdungsschutz.

Die einfachste Problemumgehung besteht darin, Steckdosen mit Fehlerstromschutzschalter (GFCI) in Bereichen des Hauses zu installieren, die geerdete Steckdosen benötigen. Ein FI-Schutzschalter verfügt über einen internen Unterbrecher, der immer dann auslöst, wenn die Steckdose eine abnormale Stromänderung erkennt, wie sie beispielsweise dadurch verursacht würde, dass jemand einen spannungsführenden Kontakt berührt, während er im Wasser steht. Ein FI-Schutzschalter kann einen Stromschlag verhindern, schützt aber empfindliche Geräte nicht vor Stromstößen und ist kein vollständiger Ersatz für die Erdung.

Die Pins eines GFCI haben die Standardkonfiguration NEMA 5-15, das heißt zwei vertikale Schlitze unterschiedlicher Größe und ein halbkreisförmiger Erdungsschlitz. Normalerweise benötigen Sie nicht mehr als einen GFCI pro Stromkreis, da jeder GFCI die Geräte schützt, die nach ihm im Stromkreis verdrahtet sind. Sie können daher einen gesamten Stromkreis schützen, indem Sie die erste Steckdose im Stromkreis mit einem FI-Schutzschalter austauschen.