Hoe werkt een 3-pins stekker?

In Noord-Amerika betekent een apparaatstekker met drie pinnen dat het apparaat is ontworpen om te worden geaard. Aarding is de functie van een 3-polige stekkerverbinding in een notendop, maar wat betekent het eigenlijk?

Je hebt vast wel eens gehoord dat het een veiligheidsvoorziening is die in het circuit van woningen is ingebouwd, maar als aarding zo belangrijk is voor de veiligheid, waarom worden sommige nieuwe apparaten dan geleverd met 2-pins stekkers in plaats van 3-pins? Spoiler alert: het feit dat de pinnen verschillende maten hebben, geeft een aanwijzing voor het antwoord op deze vraag.

Receptacles zijn aanzienlijk veranderd sinds de eerste afneembare outlet in 1903 door Harvey Hubble werd geïntroduceerd. Voor die tijd was er geen praktische manier om een ​​lamp of apparaat tijdelijk aan te sluiten en los te koppelen van een elektrisch circuit. Hubble's stopcontact veranderde geleidelijk in het NEMA 5-15-stopcontact, de standaard 3-pins stekker en stopcontactcombinatie die tegenwoordig wordt gebruikt voor 120-volt circuits.

Stopcontacten, schakelaars, lampvoeten en andere veelvoorkomende apparaten zijn ontworpen voor wisselstroomcircuits omdat alle woon- en commerciële macht in Noord-Amerika - evenals in elk ander deel van de wereld - komt van inductie generatoren. Wisselstroom heeft andere kenmerken dan gelijkstroom en heeft de overhand gehad sinds de dag dat de gloeilamp werd geperfectioneerd.

De ontwikkeling van de gloeilamp begon in 1806 en ging door in de 19e eeuw totdat deze min of meer werd geperfectioneerd door Thomas Edison en zijn collega's in 1879.

De vraag naar gloeilampen overtrof onmiddellijk ieders vermogen om elektriciteit voor hen te produceren, en de behoefte aan elektriciteitscentrales werd duidelijk. Zo begon een touwtrekken tussen voorstanders van gelijkstroom- (DC) centrales en wisselstroom (AC)-stations - een klein stukje geschiedenis dat bekend staat als de War of the Currents.

Edison en zijn geldschieters stonden duidelijk aan de kant van de opwekking van gelijkstroom, en aan de andere kant Nikola Tesla, een Servische ingenieur die een werknemer van Edison was geweest. Tesla's kamp won de dag en een van de eerste AC-generatoren kwam in 1892 online bij Niagara Falls. Het was bewezen dat wisselstroom goedkoper te produceren en zuiniger te transporteren was dan gelijkstroom.

De opwekking van wisselstroom is afhankelijk van een inductiegenerator, die in wezen bestaat uit een draaiende spoel in een magnetisch veld. De stroom die door de geleider loopt, keert zichzelf bij elke omwenteling om.

Dit betekent dat de elektriciteit die tussen de spoelterminals en alle gloeilampen ertussen stroomt niet rechtstreeks van de ene terminal naar de andere zoals gelijkstroom doet, maar in plaats daarvan keert zichzelf constant om, stroomt naar de ene terminal gedurende de ene halve cyclus en naar de andere tijdens de andere helft fiets.

In plaats van positieve en negatieve aansluitingen heeft een AC-circuit warme en neutrale. Voor elk elektrisch apparaat in een AC-circuit is de hete terminal degene die is aangesloten op de stroomgenerator en is de neutrale terminal degene die de stroom teruggeeft aan de generator.

Als u het circuit onderbreekt, blijft de hete terminal live, maar de neutrale terminal gaat dood. Als je de hete terminal aanraakt, krijg je een schok, maar je voelt niets als je de neutrale terminal aanraakt.

Toen elektriciteitscentrales online kwamen, werden huizen in heel Noord-Amerika geëlektrificeerd en kwamen krachtige wasmachines, stofzuigers en elektrische koelkasten snel beschikbaar. Schokken waren echter gebruikelijk. Draden, schakelaars en stopcontacten waren elektrisch geïsoleerd, maar de isolatie scheurde, scheurde of droeg vaak af, waardoor blootliggende hete draden in contact kwamen met delen van de apparaten die mensen aanraakten. Branden waren frequent vanwege versleten isolatie en losse verbindingen.

Stel dat een persoon een onder spanning staande hete draad zou aanraken, of een schakelaar in contact met een hete draad. Als de persoon op de een of andere manier in de lucht zou zweven of, gelijkwaardig, elektrisch geïsoleerde schoenen zou dragen, zou er niets gebeuren. Als de persoon echter met blote voeten op de grond zou staan, zou de elektriciteit door het lichaam van de persoon naar de aarde stromen, de grootste beschikbare elektrische gootsteen.

Er is slechts een tiende van een ampère stroom (100 mA) nodig om iemands hart te stoppen, dus de ontmoeting kan heel goed fataal zijn.

Overweeg nu of de elektriciteit dat pad al beschikbaar heeft via een geleidende draad. De draad biedt een pad met een lagere impedantie naar aarde dan een menselijk lichaam. (Impedantie is naar AC-circuits wat? weerstand is naar DC-circuits).

Elektriciteit kiest altijd de weg van de minste weerstand (impedantie), dus de persoon die de hete draad aanraakt, krijgt geen schok - of in ieder geval niet zo'n grote schok. Dat is het basisidee achter aarden.

Aarding is ook goed voor elektrische apparatuur. Als er kortsluiting ontstaat door versleten isolatie, losse verbindingen of een defect apparaat, is de massa draad biedt een alternatief pad voor de elektriciteit, zodat het circuit niet doorbrandt en een brand. Nogmaals, dit werkt omdat de impedantie van het grondpad kleiner is dan die door het circuit.

Een aardingspad in het circuit is niet veel goeds als je geen manier hebt om er verbinding mee te maken, en daar is de derde pin op een 3-pins stekker voor. De stekker wordt aangesloten op een netsnoer dat op zijn beurt wordt aangesloten op het gebruikte elektrische apparaat, of het nu een stofzuiger, blender, elektrische zaag of werklamp is. De schakelingen in het apparaat zijn zo bedraad dat alles is aangesloten op de aardklem.

De aardingsklem wordt via de aardingspen op de stekker aangesloten op de aardingsdraad in het circuit van het gebouw. Als een apparaat een 3-pins stekker heeft, mag u de derde pin nooit omzeilen door deze af te knippen of een 3-pins naar 2-pins adapter te gebruiken. als u dit doet, is het apparaat dat u gebruikt niet geaard en kan het gevaarlijk zijn.

De kleuren van de 3-pins stekkerdraad zijn niet overal ter wereld hetzelfde, maar ze zijn gestandaardiseerd in Noord-Amerika, inclusief Canada, de Verenigde Staten en Mexico. De National Electrical Code (NEC) specificeert wit als de kleur van de neutrale draad, maar stelt geen eisen aan de kleuren van de hete draad of aarddraad. Desalniettemin is er een nauwgezette conventie om rood of zwart te gebruiken voor de hete draad en groen voor de aardingsdraad. Aardingsdraden worden ook vaak kaal gelaten.

De NEC begon in 1947 geaarde circuits in wasruimtes te eisen en breidde de vereiste in 1956 uit naar de meeste andere locaties. De verschuiving maakte 2-pins stekkers en stopcontacten bijna overbodig. De enige keer dat u een 2-pins stopcontact kon installeren, was wanneer u een bestaande vervangt. Alle nieuwe stopcontacten moesten 3-pins zijn.

Maar tegenwoordig is het gebruikelijk om nieuwe stopcontacten te zien met slechts twee slots en netsnoeren op nieuwe apparaten met slechts twee pinnen. Als je deze echter goed bekijkt, zie je het verschil dat ze onderscheidt van verouderde, pre-1947, 2-pins stekkers en stopcontacten. Een van de pinnen is groter dan de andere, waardoor de stekker maar op één manier in het stopcontact past. Deze stekkers en stopcontacten zijn: gepolariseerd. Aangezien u de oriëntatie van de stekker in het stopcontact niet kunt omkeren, kunt u de polariteit niet omkeren.

In een gepolariseerde lamp of apparaat wordt de hete draad aangesloten op één aansluiting van de schakelaar en wordt het interne circuit aangesloten op de andere aansluiting, die op zijn beurt is aangesloten op de neutrale draad. De schakelaar is geïsoleerd van de rest van het circuit, dus als deze open is, kan er niets in contact komen met de hete draad.

Als de stekker geen pinnen van verschillende afmetingen had, zou u de polariteit kunnen omkeren door hem ondersteboven te plaatsen. De hete draad zou in contact komen met het circuit en het apparaat zou u mogelijk een schok kunnen geven. Omdat u de stekker of de polariteit niet kunt omkeren, is aarding geen cruciale veiligheidsvoorziening en heeft de stekker geen aardingspin nodig.

De tot nu toe besproken 3-polige stekker is ontworpen voor 120 volt circuits en kan tot 15 ampère stroom aan. Het is de NEMA 5-15 stekker en stopcontact, waar NEMA de National Electrical Manufacturer's Association is. Dit stopcontact heeft sleuven voor drie pinnen, maar de sleuven voor warme en neutrale pinnen hebben verschillende afmetingen, dus het kan worden gebruikt met een gepolariseerde stekker.

De NEMA 1-15 is de 2-pins, gepolariseerde versie van deze stekker. 3-pins stekkers buiten Noord-Amerika voldoen niet noodzakelijk aan de NEMA-normen en hebben meestal verschillende pinconfiguraties.

Een interessant kenmerk van de NEMA 5-15 geaarde stekker is dat de aardingspin ongeveer 1/8 inch langer is dan de andere twee. De logica hierachter is dat, wanneer je iets inplugt, de massapin als eerste contact maakt, zodat je altijd aardbeveiliging hebt. Veel mensen installeren de NEMA 5-15-uitgang met de aardingspin onder de andere twee, maar dat is ondersteboven. De aardingspen moet bovenop zitten om te voorkomen dat iets dat van bovenaf valt in contact komt met de geleidende pennen.

Er bestaat een volledige catalogus met NEMA-stekkerconfiguraties voor 120- en 240-volt-toepassingen. Sommige 120-volt circuits hebben twee pinnen en sommige hebben er drie. Stekkers en stopcontacten voor 240 volt-circuits hebben meestal vier pinnen, omdat deze circuits twee hete draden, een neutrale draad en een aarde hebben.

Overigens zie je vaak stekkers van 120 volt en apparaten met het label 125, 115 of 110 volt en 240 volt met het label 250, 230 en 220 volt. Deze betekenen allemaal in wezen dezelfde dingen. De lijnspanning in Noord-Amerika is nominaal 240 volt, die in het woonpaneel is verdeeld in twee poten van 120 volt. De verschillende alternatieve spanningen zijn te wijten aan fluctuaties in de transmissielijnen en spanningsdalingen als gevolg van circuitbelasting en afstand tot het paneel.

Veel huizen in Noord-Amerika werden gebouwd voordat de NEC aarding van het circuit vereiste, en hun niet-geaarde circuits en verouderde 2-pins verkooppunten zijn "grootvader in." Dat is eigenlijk een ongemak, omdat de meeste moderne apparaten ofwel 3-pins stekkers hebben of gepolariseerd zijn degenen. Hoewel het veilig is om een ​​2-pins stekker in een 3-pins stopcontact te steken, is het omgekeerde niet waar en blijft het apparaat zonder aardingsbeveiliging.

De eenvoudigste oplossing is om aardlekschakelaars (GFCI) te installeren in delen van het huis die geaarde stopcontacten nodig hebben. Een GFCI heeft een interne stroomonderbreker die uitschakelt wanneer het stopcontact een abnormale stroomverandering detecteert, zoals zou worden veroorzaakt door iemand die een actief contact aanraakt terwijl hij in het water staat. Een aardlekschakelaar kan elektrocutie voorkomen, maar beschermt gevoelige apparatuur niet tegen stroompieken en is geen volledige vervanging voor aarding.

De pinnen van een GFCI bevinden zich in de standaard NEMA 5-15-configuratie, wat twee verticale sleuven betekent, elk van verschillende grootte, en een halfronde grondsleuf. U hebt meestal niet meer dan één GFCI per circuit nodig, omdat elke GFCI apparaten beschermt die daarna in het circuit zijn aangesloten. U kunt dus een heel circuit beveiligen door het eerste stopcontact in het circuit te vervangen met een GFCI.