W Ameryce Północnej wtyczka urządzenia z trzema bolcami oznacza, że urządzenie jest przeznaczone do uziemienia. Uziemienie to w skrócie funkcja 3-pinowego złącza wtykowego, ale co to właściwie oznacza?
Prawdopodobnie słyszałeś, że jest to funkcja bezpieczeństwa wbudowana w obwody domowe, ale jeśli uziemienie jest tak ważne dla bezpieczeństwa, dlaczego niektóre nowe urządzenia są wyposażone w wtyczki 2-pinowe zamiast 3-pinowych? Uwaga, spoiler: Fakt, że szpilki mają różne rozmiary, stanowi wskazówkę do odpowiedzi na to pytanie.
Gniazda znacznie się zmieniły od czasu wprowadzenia pierwszego odłączanego gniazdka przez Harveya Hubble'a w 1903 roku. Wcześniej nie było praktycznego sposobu na tymczasowe podłączenie i odłączenie lampy lub urządzenia od obwodu elektrycznego. Gniazdko Hubble'a stopniowo przekształciło się w gniazdo NEMA 5-15, które jest standardową 3-pinową wtyczką i gniazdem używaną obecnie w obwodach 120-woltowych.
Gniazda, przełączniki, podstawy lamp i inne typowe urządzenia są przeznaczone do obwodów prądu przemiennego, ponieważ wszystkie mieszkalne i siła komercyjna w Ameryce Północnej – jak również w każdej innej części świata – pochodzi z indukcji generatory. Zasilanie prądem przemiennym ma inne właściwości niż prąd stały i dominuje od dnia udoskonalenia żarówki.
Świt sieci energetycznej
Rozwój żarówki rozpoczął się w 1806 roku i trwał przez XIX wiek, aż w 1879 roku został mniej lub bardziej udoskonalony przez Thomasa Edisona i jego współpracowników.
Popyt na żarówki natychmiast przewyższył możliwości produkowania dla nich energii elektrycznej, a zapotrzebowanie na stacje wytwarzające energię stało się oczywiste. W ten sposób rozpoczęło się przeciąganie liny między zwolennikami elektrowni prądu stałego (DC) a stacjami prądu przemiennego (AC) – mały kawałek historii znany jako wojna prądów.
Edison i jego zwolennicy byli wyraźnie po stronie wytwarzania prądu stałego, a po przeciwnej stronie był Nikola Tesla, serbski inżynier, który był pracownikiem Edisona. Obóz Tesli wygrał ten dzień, a jeden z pierwszych generatorów prądu przemiennego pojawił się w sieci nad wodospadem Niagara w 1892 roku. Zasilanie prądem przemiennym okazało się tańsze w produkcji i bardziej ekonomiczne w transporcie niż prąd stały.
Wczesne urządzenia AC były nieuziemione i szokujące
Wytwarzanie prądu przemiennego opiera się na generatorze indukcyjnym, który zasadniczo składa się z wirującej cewki w polu magnetycznym. Prąd przepływający przez przewodnik odwraca się przy każdym obrocie.
Oznacza to, że prąd przepływający między zaciskami cewki i wszystkimi żarówkami między nimi nie płynie bezpośrednio z jednego zacisku do inne jak prąd stały, ale zamiast tego stale się odwraca, płynąc w kierunku jednego zacisku podczas jednej połowy cyklu i w kierunku drugiego podczas drugiej połowy cykl.
Zamiast dodatnich i ujemnych zacisków obwód prądu przemiennego ma gorące i neutralne. W przypadku dowolnego urządzenia elektrycznego w obwodzie prądu przemiennego, gorący zacisk to ten, który jest podłączony do generatora mocy, a zacisk neutralny to ten, który zwraca moc z powrotem do generatora.
Jeśli przerwiesz obwód, gorący zacisk pozostaje pod napięciem, ale zacisk neutralny gaśnie. Jeśli dotkniesz gorącego terminala, doznasz szoku, ale nic nie poczujesz, jeśli dotkniesz neutralnego terminala.
Gdy elektrownie pojawiły się w sieci, domy w całej Ameryce Północnej zostały zelektryfikowane, a pralki elektryczne, odkurzacze i lodówki elektryczne stały się szybko dostępne. Wstrząsy były jednak powszechne. Przewody, przełączniki i gniazdka były izolowane elektrycznie, ale izolacja często pękała, pękała lub ścierała się, pozostawiając odsłonięte gorące przewody w kontakcie z częściami urządzeń, których dotykali ludzie. Pożary były częste z powodu zużytej izolacji i luźnych połączeń.
Jak pomaga uziemienie?
Załóżmy, że dana osoba dotyka gorącego przewodu pod napięciem lub przełącznika stykającego się z gorącym przewodem. Gdyby osoba w jakiś sposób unosiła się w powietrzu lub nosiła elektrycznie izolowane buty, nic by się nie wydarzyło. Gdyby jednak osoba stała na ziemi bosymi stopami, prąd przepływałby przez ciało tej osoby do ziemi, która jest największym dostępnym zlewem elektrycznym.
Wystarczy jedna dziesiąta ampera prądu (100 mA), aby zatrzymać ludzkie serce, więc spotkanie może być śmiertelne.
Teraz zastanów się, czy prąd ma już dostępną ścieżkę przez przewód przewodzący. Przewód zapewnia ścieżkę do ziemi o niższej impedancji niż ludzkie ciało. (Impedancja jest do obwodów prądu przemiennego co odporność jest do obwodów prądu stałego).
Elektryczność zawsze wybiera drogę o najmniejszym oporze (impedancji), więc osoba dotykająca gorącego drutu nie dozna porażenia – a przynajmniej nie tak dużego porażenia. To podstawowa idea uziemienia.
Uziemienie jest również dobre dla sprzętu elektrycznego. W przypadku zwarcia spowodowanego zużytą izolacją, luźnymi połączeniami lub uszkodzonym urządzeniem, uziemienie drut zapewnia alternatywną ścieżkę dla prądu, więc nie przepala obwodu i nie uruchamia się ogień. Ponownie, działa to, ponieważ impedancja ścieżki uziemienia jest mniejsza niż impedancja obwodu.
Funkcja wtyczki 3-Pin
Ścieżka masy w obwodzie nie jest zbyt dobra, jeśli nie masz sposobu, aby się z nią połączyć, i do tego służy trzeci pin we wtyczce 3-pinowej. Wtyczka łączy się z przewodem zasilającym, który z kolei łączy się z używanym urządzeniem elektrycznym, niezależnie od tego, czy jest to odkurzacz, blender, piła elektryczna czy lampa robocza. Obwody w urządzeniu są okablowane tak, że wszystko jest podłączone do zacisku uziemienia.
Zacisk uziemienia łączy się z przewodem uziemiającym w obwodzie budynku za pomocą styku uziemienia na wtyczce. Jeśli urządzenie ma wtyczkę 3-pinową, nigdy nie należy omijać trzeciego pinu przez odcięcie go lub użycie adaptera 3-pin na 2-pin. jeśli to zrobisz, urządzenie, którego używasz, nie jest uziemione i może być niebezpieczne.
Kolory przewodów 3-pinowych nie są takie same na całym świecie, ale są one znormalizowane w całej Ameryce Północnej, w tym w Kanadzie, Stanach Zjednoczonych i Meksyku. National Electrical Code (NEC) określa kolor biały jako kolor przewodu neutralnego, ale nie określa żadnych wymagań dotyczących kolorów przewodu gorącego lub przewodu uziemiającego. Niemniej jednak, istnieje ściśle przestrzegana konwencja używania czerwonego lub czarnego dla przewodu pod napięciem i zielonego dla przewodu uziemiającego. Przewody uziemiające są również często nieosłonięte.
Dlaczego niektóre urządzenia mają wtyczki 2-pinowe?
NEC zaczął wymagać uziemionych obwodów w pralniach w 1947 roku i rozszerzył ten wymóg na większość innych lokalizacji w 1956 roku. Zmiana sprawiła, że 2-pinowe wtyczki i gniazda stały się przestarzałe. Jedynym przypadkiem, w którym można było zainstalować gniazdo 2-stykowe, była wymiana istniejącego. Wszystkie nowe gniazda musiały być 3-pinowe.
Jednak dzisiaj często spotyka się nowe gniazdka z tylko dwoma gniazdami i przewodami zasilającymi w nowych urządzeniach z tylko dwoma bolcami. Jeśli jednak przyjrzysz się im uważnie, zauważysz różnicę, która odróżnia je od przestarzałych, 2-pinowych wtyczek i gniazd sprzed 1947 roku. Jeden z bolców jest większy od drugiego, co oznacza, że wtyczka pasuje do gniazdka tylko w jedną stronę. Te wtyczki i gniazda są spolaryzowany. Ponieważ nie możesz odwrócić orientacji wtyczki w gnieździe, nie możesz odwrócić polaryzacji.
W spolaryzowanej lampie lub urządzeniu gorący przewód łączy się z jednym zaciskiem przełącznika, a obwód wewnętrzny łączy się z drugim zaciskiem, który z kolei łączy się z przewodem neutralnym. Przełącznik jest izolowany od reszty obwodów, więc gdy jest otwarty, nic nie może wejść w kontakt z gorącym przewodem.
Gdyby wtyczka nie miała różnych rozmiarów bolców, można by odwrócić biegunowość, wkładając ją do góry nogami. Gorący przewód miałby kontakt z obwodami, a urządzenie mogłoby potencjalnie spowodować porażenie prądem. Ponieważ nie można odwrócić wtyczki ani polaryzacji, uziemienie nie jest kluczową funkcją bezpieczeństwa, a wtyczka nie wymaga bolca uziemiającego.
Różne typy gniazd elektrycznych
Omawiana dotychczas wtyczka 3-bolcowa jest przeznaczona do obwodów 120-woltowych i może obsługiwać prąd o natężeniu do 15 amperów. To wtyczka i gniazdko NEMA 5-15, gdzie NEMA jest Krajowym Stowarzyszeniem Producentów Urządzeń Elektrycznych. To gniazdo ma gniazda na trzy piny, ale gniazda pinów gorących i neutralnych mają różne rozmiary, więc można go używać z wtyczką spolaryzowaną.
NEMA 1-15 to 2-pinowa, spolaryzowana wersja tej wtyczki. Wtyczki 3-pinowe poza Ameryką Północną niekoniecznie są zgodne ze standardami NEMA i zwykle mają różne konfiguracje pinów.
Ciekawą cechą uziemionej wtyczki NEMA 5-15 jest to, że pin uziemiający jest o około 1/8 cala dłuższy niż pozostałe dwa. Logika za tym polega na tym, że kiedy coś podłączasz, najpierw styka się styk uziemienia, więc zawsze masz zabezpieczenie uziemienia. Wiele osób instaluje gniazdo NEMA 5-15 z kołkiem uziemiającym poniżej pozostałych dwóch, ale to do góry nogami. Sworzeń uziemiający powinien znajdować się na górze, aby zapobiec stykaniu się ze stykami przewodzącymi przedmiotów spadających z góry.
Istnieje cały katalog konfiguracji wtyczek NEMA do obsługi aplikacji 120- i 240-woltowych. Niektóre obwody 120-woltowe mają dwa styki, a niektóre trzy. Wtyczki i gniazda do obwodów 240 V mają zwykle cztery styki, ponieważ te obwody mają dwa gorące przewody, przewód neutralny i uziemienie.
Nawiasem mówiąc, często widzisz wtyczki i urządzenia 120 V oznaczone 125, 115 lub 110 V oraz 240 V oznaczone 250, 230 i 220 V. To wszystko oznacza zasadniczo te same rzeczy. Napięcie sieciowe w Ameryce Północnej wynosi nominalnie 240 woltów, które jest podzielone na dwie 120-woltowe nogi w panelu mieszkalnym. Różne napięcia przemienne wynikają z wahań linii przesyłowych i spadków napięcia spowodowanych obciążeniem obwodu i odległością od panelu.
Gniazda GFCI zapewniają ochronę ziemnozwarciową
Wiele domów w Ameryce Północnej zostało zbudowanych zanim NEC wymagało uziemienia obwodu, a ich nieuziemione obwody i przestarzałe 2-stykowe sklepy są „dziadkiem”. To właściwie niedogodność, ponieważ większość nowoczesnych urządzeń ma wtyczki 3-pinowe lub spolaryzowane te. Podczas gdy włożenie 2-pinowej wtyczki do 3-pinowego gniazda jest bezpieczne, odwrotność jest nieprawidłowa i pozostawia urządzenie bez uziemienia.
Najłatwiejszym obejściem tego problemu jest zainstalowanie gniazd przerywacza obwodu ziemnozwarciowego (GFCI) w obszarach domu, które wymagają uziemionych gniazd. GFCI ma wewnętrzny wyłącznik, który uruchamia się za każdym razem, gdy wylot wykryje nienormalną zmianę prądu, na przykład spowodowaną dotknięciem kontaktu pod napięciem podczas stania w wodzie. GFCI może zapobiec porażeniu prądem, ale nie chroni wrażliwego sprzętu przed przepięciami prądowymi i nie jest całkowitym substytutem uziemienia.
Piny GFCI są w standardowej konfiguracji NEMA 5-15, co oznacza dwie pionowe szczeliny, każda o różnych rozmiarach, oraz półokrągłą szczelinę uziemiającą. Zwykle nie potrzebujesz więcej niż jednego GFCI na obwód, ponieważ każdy GFCI będzie chronić urządzenia podłączone za nim w obwodzie. Dlatego możesz chronić cały obwód, zmieniając pierwsze gniazdo w obwodzie za pomocą GFCI.