U Sjevernoj Americi utikač uređaja koji ima tri pinova znači da je uređaj dizajniran za uzemljenje. Uzemljenje je ukratko funkcija 3-pinske utične veze, ali što to zapravo znači?
Vjerojatno ste čuli da je to sigurnosna značajka ugrađena u stambene sklopove, ali ako je uzemljenje toliko važno za sigurnost, zašto se neki novi uređaji isporučuju s 2-polnim utikačima umjesto s 3-pinskim? Upozorenje spojlera: Činjenica da su igle različitih veličina daje trag za odgovor na ovo pitanje.
Posude su se znatno promijenile otkako je Harvey Hubble 1903. godine prvi odvojivi otvor otvorio. Prije toga nije bilo praktičnog načina privremenog spajanja i odspajanja svjetiljke ili uređaja iz električnog kruga. Hubbleova utičnica postupno se pretvorila u utičnicu NEMA 5-15, koja je standardna 3-pinska kombinacija utikača i izlaza koja se danas koristi za krugove od 120 volti.
Utičnice, prekidači, osnove svjetiljki i drugi uobičajeni uređaji dizajnirani su za izmjenične krugove jer su svi stambeni i komercijalna snaga u Sjevernoj Americi - kao i u svim ostalim dijelovima svijeta - dolazi od indukcije generatori. Naizmjenična struja ima različite karakteristike od istosmjerne i prevladava od dana kada je žarulja usavršena.
Zora elektroenergetske mreže
Razvoj žarulje započeo je 1806. godine i nastavio se kroz 19. stoljeće dok ga Thomas Edison i njegovi kolege nisu više-manje usavršili 1879. godine.
Potražnja za žaruljama sa žarnom niti odmah je nadmašila bilo čiju sposobnost da za njih proizvode električnu energiju, a potreba za proizvodnim stanicama postala je očita. Tako je započelo prevlačenje konopa između pobornika postaja za proizvodnju istosmjerne struje (DC) i postaja izmjenične struje (AC) - mali dio povijesti poznat kao Rat struja.
Edison i njegovi potpornici očito su bili na strani proizvodnje jednosmjerne energije, a na suprotnoj strani bio je Nikola Tesla, srpski inženjer koji je bio Edisonov zaposlenik. Teslin kamp pobijedio je u danu, a jedan od prvih generatora izmjenične struje pojavio se na mreži na slapovima Niagara 1892. godine. Pokazalo se da je izmjenična energija jeftinija za proizvodnju i ekonomičnija za transport od istosmjerne energije.
Rani uređaji naizmjenične struje bili su neutemeljeni i šokantni
Proizvodnja izmjenične struje oslanja se na indukcijski generator, koji se u osnovi sastoji od zavojnice koja se vrti u magnetskom polju. Struja koja prolazi kroz vodič obrće se pri svakom okretanju.
To znači da električna energija koja teče između terminala zavojnice i svih žarulja između njih ne teče izravno s jednog terminala na drugo kao istosmjerna struja, ali se umjesto toga stalno preokreće, teče prema jednom terminalu tijekom jednog poluciklusa i prema drugom tijekom druge polovice ciklus.
Umjesto pozitivnih i negativnih stezaljki, izmjenični krug ima vrući i neutralni. Za bilo koji električni uređaj u izmjeničnom krugu, vrući terminal je onaj koji je spojen na generator električne energije, a neutralni terminal je taj koji vraća snagu natrag u generator.
Ako prekinete krug, vrući terminal ostaje pod naponom, ali neutralni terminal prestaje raditi. Dodirnete li vrući terminal, dobit ćete šok, ali ako dodirnete neutralni terminal, nećete osjetiti ništa.
Kako su elektrane došle na mrežu, domovi širom Sjeverne Amerike postali su elektrificirani, a perilice rublja, usisavači i električni hladnjaci postali su brzo dostupni. Šokovi su, međutim, bili česti. Žice, prekidači i izlazi bili su električno izolirani, ali izolacija je često usitnjena, puknula ili se istrošila, ostavljajući izložene vruće žice u dodiru s dijelovima uređaja koje su ljudi dodirnuli. Požari su bili česti zbog istrošene izolacije i labavih spojeva.
Kako pomaže uzemljenje?
Pretpostavimo da bi osoba trebala dodirnuti vruću žicu ili prekidač u kontaktu s vrućom žicom. Da ta osoba nekako lebdi u zraku ili, jednako tome, nosi električno izolirane cipele, ništa se ne bi dogodilo. Ako bi osoba stajala na zemlji bosih nogu, električna energija bi tijelom te osobe tekla do zemlje, koja je najveći dostupan umivaonik.
Potrebna je samo jedna desetina pojačala struje (100 mA) da zaustavi čovjekovo srce, pa bi susret vrlo dobro mogao biti fatalan.
Sada razmislite ima li struja već dostupan taj put kroz provodnu žicu. Žica pruža put do tla manje impedancije od ljudskog tijela. (Impedancija je na izmjenične krugove što otpornost je na istosmjerne krugove).
Električna energija uvijek bira put najmanjeg otpora (impedancije), tako da osoba koja dodiruje vruću žicu neće dobiti šok - ili barem ne tako velik šok. To je osnovna ideja uzemljenja.
Uzemljenje je dobro i za električnu opremu. Ako se kratki spoj dogodi zbog istrošene izolacije, labavih spojeva ili pokvarenog uređaja, zemlje žica osigurava alternativni put za električnu energiju tako da ne izgori krug i pokrene a vatra. Opet, ovo djeluje jer je impedancija uzemljenja manja od one kroz krug.
3-pinska funkcija utikača
Put uzemljenja u strujnom krugu nije mnogo dobar ako se ne možete spojiti na njega, a upravo tome služi treći pin na 3-pinskom utikaču. Utikač se spaja na kabel za napajanje koji se pak spaja na električni aparat koji se koristi, bez obzira radi li se o usisavaču, miješalici, električnoj pili ili radnoj lampi. Strujni krugovi u uređaju ožičeni su tako da je sve spojeno na njegov terminal za uzemljenje.
Terminal za uzemljenje spaja se na žicu za uzemljenje u strujnom krugu zgrade preko uzemljivača na utikaču. Ako aparat ima 3-pinski utikač, nikada ne biste trebali zaobići treći pin tako što ćete ga odsjeći ili upotrijebiti 3-pinski na 2-pinski adapter. ako to učinite, uređaj koji upotrebljavate nije uzemljen i mogao bi biti opasan.
Boje 3-pinskih utikača nisu iste u cijelom svijetu, ali su standardizirane u cijeloj Sjevernoj Americi, uključujući Kanadu, Sjedinjene Države i Meksiko. Nacionalni električni zakonik (NEC) određuje bijelu boju kao boju neutralne žice, ali ne uspostavlja nikakve zahtjeve za boje vruće žice ili žice za uzemljenje. Ipak, postoji pomno praćena konvencija da se crvena ili crna boja koristi za vruću žicu, a zelena za žicu za uzemljenje. Žice za uzemljenje također se često ostavljaju gole.
Zašto neki uređaji imaju 2-polne utikače?
NEC je počeo zahtijevati uzemljeni krug u praonicama rublja 1947., a zahtjev je proširio na većinu drugih mjesta 1956. godine. Smjenom su 2-polni utikači i utičnice postali gotovo zastarjeli. Jedino kada ste mogli instalirati 2-pinsku utičnicu bilo je kada ste zamjenjivali postojeću. Sva nova prodajna mjesta morala su biti 3-pinska.
Ipak, danas je uobičajeno vidjeti nove utičnice sa samo dva utora i kabele za napajanje na novim uređajima sa samo dva zubaca. Ako ih dobro pogledate, uočit ćete razliku koja ih razlikuje od zastarjelih, 2-pinskih utikača i utičnica prije 1947. godine. Jedan je od zubaca veći od drugog, što znači da utikač može ući u utičnicu samo na jedan način. Ovi utikači i utičnice su polarizirano. Budući da ne možete obrnuti orijentaciju utikača u utičnici, ne možete poništiti polaritet.
U polariziranoj svjetiljci ili uređaju, vruća žica spaja se na jedan terminal prekidača, a unutarnji krug spaja na drugi terminal, koji se pak spaja na neutralnu žicu. Prekidač je izoliran od ostatka sklopa, pa kad je otvoren, ništa ne može doći u kontakt s vrućom žicom.
Da utikač nema zupčanike različite veličine, mogli biste preokrenuti polaritet stavljajući ga naopako. Vruća žica bila bi u kontaktu s krugom, a uređaj bi vas potencijalno mogao šokirati. Budući da ne možete preokrenuti utikač ili polaritet, uzemljenje nije presudna sigurnosna značajka, a utikač ne treba pin za uzemljenje.
Različite vrste električnih utičnica
Do sada raspravljani trokraki utikač dizajniran je za 120-voltne krugove i podnosi struju do 15 ampera. To je utikač i utičnica NEMA 5-15, gdje je NEMA Nacionalno udruženje proizvođača električne energije. Ova utičnica ima utore za tri pina, ali utor za vrući i neutralni pin imaju različite veličine, pa se može koristiti s polariziranim utikačem.
NEMA 1-15 je 2-pinska, polarizirana verzija ovog utikača. 3-pinski utikači izvan Sjeverne Amerike nisu nužno u skladu s NEMA standardima i obično imaju različite konfiguracije pinova.
Zanimljiva značajka uzemljenog utikača NEMA 5-15 je da je uzemljeni klin oko 1/8 inča duži od druga dva. Logika toga stoji da, kad nešto priključite, uzemljivač prvo uspostavi kontakt, tako da uvijek imate zaštitu uzemljenja. Mnogi ljudi instaliraju utičnicu NEMA 5-15 s uzemljenom iglom ispod druge dvije, ali to je naopako. Osovina za uzemljenje trebala bi biti na vrhu kako bi spriječila da sve što padne odozgo dođe u kontakt s provodnim klinovima.
Postoji čitav katalog konfiguracija utikača NEMA za obradu aplikacija od 120 i 240 volti. Neki krugovi od 120 volti imaju dva pina, a neki tri. Utikači i utičnice za 240-voltne krugove obično imaju četiri pina, jer ti krugovi imaju dvije vruće žice, neutralnu žicu i masu.
Inače, često vidite utikače i uređaje od 120 volti s oznakom 125, 115 ili 110 volti i one od 240 volta s oznakama 250, 230 i 220 volti. Sve to u osnovi znače iste stvari. Linijski napon u Sjevernoj Americi nominalno je 240 volti, koji je podijeljen na dvije noge od 120 volti na stambenoj ploči. Različiti izmjenični naponi posljedica su fluktuacija u dalekovodima i padova napona uslijed opterećenja kruga i udaljenosti od ploče.
GFCI posude pružaju zaštitu od zemaljskih kvarova
Mnoge kuće u Sjevernoj Americi izgrađene su prije nego što NEC zatraži uzemljenje kruga, a njihovi neuzemljeni krugovi i zastarjeli 2-pinski prodajna mjesta su "pradjedovi". To je zapravo neugodnost, jer većina modernih uređaja ima ili 3-pinske utikače ili polarizirane one. Iako je sigurno priključiti 2-pinski utikač u 3-pinsku utičnicu, obrnuto nije točno i uređaj ostavlja bez zaštite uzemljenja.
Najlakše zaobilazno rješenje je instaliranje utičnica prekidača kruga uzemljenja (GFCI) u područjima kuće koja trebaju uzemljene utičnice. GFCI ima unutarnji prekidač koji se aktivira kad god utičnica otkrije abnormalne promjene struje, poput onih koje bi netko dotaknuo kontakt pod naponom dok stoji u vodi. GFCI može spriječiti strujni udar, ali ne štiti osjetljivu opremu od strujnih udara i nije potpuna zamjena za uzemljenje.
Pribadače GFCI-a su u standardnoj konfiguraciji NEMA 5-15, što znači dva okomita utora, svaki različitih veličina, i polukružni utor za zemlju. Obično vam nije potreban više od jednog GFCI po krugu, jer će bilo koji GFCI zaštititi uređaje ožičene nakon njega u krugu. Stoga možete zaštititi cijeli krug mijenjanjem prvog izlaza u krugu s GFCI.