V Severnej Amerike znamená zástrčka zariadenia, ktorá má tri kolíky, to, že je zariadenie uzemnené. Uzemnenie je v skratke funkciou 3-pólového konektora, ale čo to vlastne znamená?
Pravdepodobne ste už počuli, že ide o bezpečnostný prvok zabudovaný do bytových obvodov, ale ak je uzemnenie pre bezpečnosť také dôležité, prečo sú niektoré nové spotrebiče vybavené namiesto 2-pólových konektormi 2-pólovými? Varovanie spojlera: Skutočnosť, že kolíky majú rozdielnu veľkosť, poskytuje kľúč k odpovedi na túto otázku.
Odkedy prvý odpojiteľný výstup zaviedol Harvey Hubble v roku 1903, nádoby sa podstatne zmenili. Predtým neexistoval žiadny praktický spôsob dočasného pripojenia a odpojenia žiarovky alebo spotrebiča od elektrického obvodu. Hubblova zásuvka sa postupne premenila na zásuvku NEMA 5-15, čo je štandardná 3-kolíková kombinácia zástrčky a zásuvky, ktorá sa dnes používa pre obvody 120 voltov.
Zásuvky, vypínače, pätice žiaroviek a ďalšie bežné zariadenia sú určené pre obvody striedavého prúdu, pretože všetky obytné a komerčná sila v Severnej Amerike - rovnako ako vo všetkých ostatných častiach sveta - pochádza z indukcie generátory. Napájanie striedavým prúdom má iné vlastnosti ako napájanie jednosmerným prúdom a prevláda odo dňa, keď bola žiarovka zdokonalená.
Dawn of the Power Grid
Vývoj žiarovky sa začal v roku 1806 a pokračoval až do 19. storočia, kým ho v roku 1879 Thomas Edison a jeho kolegovia viac-menej nedokončili.
Dopyt po žiarovkách okamžite predbehol schopnosť kohokoľvek vyrábať pre ne elektrinu a bola zjavná potreba elektrární. Začalo sa tak preťahovanie lanom medzi navrhovateľmi staníc na generovanie jednosmerného prúdu a staníc na striedavý prúd - malý kúsok histórie známy ako Vojna prúdov.
Edison a jeho podporovatelia boli jednoznačne na strane výroby jednosmerného prúdu a na opačnej strane bol Nikola Tesla, srbský inžinier, ktorý bol zamestnancom spoločnosti Edison. Tento deň vyhral Teslov tábor a jeden z prvých generátorov striedavého prúdu bol online v Niagarských vodopádoch v roku 1892. Ukázalo sa, že napájanie zo striedavého prúdu je lacnejšie na výrobu a ekonomickejšie na prepravu ako jednosmerné napájanie.
Skoré zariadenia AC boli neuzemnené a šokujúce
Výroba striedavého prúdu sa spolieha na indukčný generátor, ktorý v podstate pozostáva z rotujúcej cievky v magnetickom poli. Prúd prechádzajúci vodičom sa obráti s každou rotáciou.
To znamená, že elektrina, ktorá prúdi medzi svorkami cievky a všetkými žiarovkami medzi nimi, neprúdi priamo z jednej svorky do iné ako jednosmerný prúd, ale namiesto toho sa neustále obracia, tečie k jednej svorke počas jednej polovice cyklu a k druhej počas druhej polovice cyklu.
Namiesto kladných a záporných svoriek má striedavý obvod horúce a neutrálne. Pre akékoľvek elektrické zariadenie v obvode striedavého prúdu je horúci terminál ten, ktorý je pripojený k generátoru energie, a neutrálny terminál je ten, ktorý vracia energiu späť do generátora.
Ak prerušíte obvod, horúca svorka zostane pod napätím, ale neutrálna svorka zhasne. Ak sa dotknete horúceho terminálu, dostanete šok, ale ak sa dotknete neutrálneho terminálu, nebudete nič cítiť.
Keď boli elektrárne online, domácnosti v celej Severnej Amerike boli elektrifikované a rýchlo boli k dispozícii elektrické práčky, vysávače a elektrické chladničky. Šoky však boli bežné. Drôty, spínače a zásuvky boli elektricky izolované, ale izolácia sa často štiepala, praskala alebo sa opotrebovávala a ponechávala exponované horúce drôty v kontakte s časťami zariadení, ktorých sa ľudia dotýkali. Požiare boli časté kvôli opotrebovanej izolácii a uvoľneným spojom.
Ako pomáha uzemnenie?
Predpokladajme, že sa osoba dotkne živého horúceho drôtu alebo spínača v kontakte s horúcim drôtom. Keby ten človek nejako plával vo vzduchu alebo ekvivalentne nosil elektricky izolované topánky, nič by sa nestalo. Keby však osoba stála na zemi bosou nohou, elektrina by prúdila cez telo osoby k zemi, čo je najväčší dostupný elektrický drez.
Zastavenie srdca človeka trvá len jednu desatinu prúdového zosilňovača (100 mA), takže stretnutie mohlo byť veľmi osudné.
Teraz zvážte, či elektrina už má túto cestu k dispozícii cez vodivý vodič. Drôt poskytuje cestu s nižšou impedanciou k zemi ako ľudské telo. (Impedancia je na striedavé obvody čo odpor je na jednosmerné obvody).
Elektrická energia si vždy zvolí cestu najmenšieho odporu (impedancie), takže osoba, ktorá sa dotkne horúceho drôtu, nebude šokovaná - alebo aspoň nebude taká veľká. To je základná myšlienka uzemnenia.
Uzemnenie je dobré aj pre elektrické zariadenia. Ak dôjde ku skratu z dôvodu opotrebovanej izolácie, uvoľnených spojov alebo rozbitého zariadenia, uzemnenie drôt poskytuje alternatívnu cestu pre elektrinu, aby nespálil obvod a nespustil a oheň. Opäť to funguje, pretože impedancia zemnej cesty je menšia ako impedancia obvodu.
Funkcia 3-kolíkovej zástrčky
Pozemná cesta v obvodoch nie je moc dobrá, ak sa k nej nemáte ako pripojiť, a na to slúži tretí kolík na 3-kolíkovej zástrčke. Zástrčka sa pripája k napájaciemu káblu, ktorý sa pripája k používanému elektrickému prístroju, či už je to vákuum, mixér, motorová píla alebo pracovná lampa. Obvody prístroja sú zapojené tak, aby bolo všetko pripojené k jeho uzemňovacej svorke.
Uzemňovacia svorka sa pripája k uzemňovaciemu vodiču v obvodoch budovy cez uzemňovací kolík na zástrčke. Ak má prístroj 3-pólovú zástrčku, nikdy by ste nemali obísť tretí kolík tak, že ho odrežete alebo použijete 3-kolíkový na 2-kolíkový adaptér. ak to urobíte, zariadenie, ktoré používate, nie je uzemnené a mohlo by byť nebezpečné.
Farby 3-pólového konektora nie sú rovnaké na celom svete, ale sú štandardizované v Severnej Amerike vrátane Kanady, Spojených štátov a Mexika. Národný elektrický predpis (NEC) špecifikuje bielu ako farbu neutrálneho vodiča, ale nestanovuje žiadne požiadavky na farby horúceho alebo uzemňovacieho vodiča. Napriek tomu existuje prísne dodržiavaná konvencia používania červenej alebo čiernej farby pre horúci drôt a zelenej farby pre uzemňovací drôt. Uzemňovacie vodiče sú tiež obyčajne ponechané holé.
Prečo majú niektoré spotrebiče 2-pólové zástrčky?
NEC začal vyžadovať uzemnené obvody v práčovniach v roku 1947 a požiadavku rozšíril na väčšinu ďalších miest v roku 1956. Táto zmena spôsobila, že 2-pólové zásuvky a zásuvky boli takmer zastarané. Jediný prípad, kedy ste mohli nainštalovať 2-pólovú zásuvku, bolo, keď ste vymieňali existujúcu. Všetky nové zásuvky museli byť 3-pólové.
Dnes je bežné vidieť nové zásuvky iba s dvoma slotmi a napájacie káble na nových zariadeniach iba s dvoma hrotmi. Ak sa na ne pozriete pozorne, všimnete si rozdiel, ktorý ich odlišuje od zastaraných 2kolíkových zástrčiek a zásuviek spred roku 1947. Jeden z hrotov je väčší ako druhý, čo znamená, že zástrčka sa do zásuvky zmestí iba jedným spôsobom. Tieto zástrčky a zásuvky sú polarizovaný. Pretože nemôžete obrátiť orientáciu zástrčky v zásuvke, nemôžete obrátiť polaritu.
V polarizovanej žiarovke alebo prístroji sa horúci drôt pripája k jednej svorke spínača a vnútorné obvody sa pripájajú k druhej svorke, ktorá sa zase pripája k nulovému vodiču. Spínač je izolovaný od zvyšku obvodov, takže keď je otvorený, nemôže nič prísť do styku s horúcim drôtom.
Ak by zástrčka nemala rôzne veľké hroty, bolo by možné obrátiť polaritu vložením naopak. Horúci drôt by bol v kontakte s obvodmi a prístroj by vás mohol potenciálne šokovať. Pretože nemôžete obrátiť zástrčku alebo polaritu, uzemnenie nie je rozhodujúcim bezpečnostným prvkom a zástrčka nepotrebuje uzemňovací kolík.
Rôzne typy elektrických zásuviek
Zatiaľ diskutovaná 3-kolíková zástrčka je určená pre 120-voltové obvody a zvláda prúd až 15 A. Je to zástrčka a zásuvka NEMA 5-15, kde NEMA je Národná asociácia výrobcov elektriny. Táto zásuvka má štrbiny pre tri piny, ale štrbiny pre horúce a neutrálne kolíky majú rôzne veľkosti, takže ju možno použiť s polarizovanou zástrčkou.
NEMA 1-15 je 2-pólová, polarizovaná verzia tejto zástrčky. 3-pólové konektory mimo Severnej Ameriky nemusia nevyhnutne zodpovedať štandardom NEMA a zvyčajne majú inú konfiguráciu pinov.
Zaujímavou vlastnosťou uzemnenej zástrčky NEMA 5-15 je to, že uzemňovací kolík je asi o 1/8 palca dlhší ako ostatné dva. Logika toho je taká, že keď niečo zapojíte, najskôr sa dostane do kontaktu zemniaci kolík, takže máte vždy zemnú ochranu. Mnoho ľudí inštaluje zásuvku NEMA 5-15 uzemňovacím kolíkom pod zvyšnými dvoma, ale je to hore nohami. Uzemňovací kolík by mal byť na vrchu, aby sa zabránilo všetkému, čo spadne zhora, do kontaktu s vodivými kolíkmi.
Existuje celý katalóg konfigurácií konektorov NEMA na spracovanie aplikácií s napätím 120 a 240 voltov. Niektoré 120-voltové obvody majú dva piny a niektoré tri. Zástrčky a zásuvky pre 240 voltové obvody majú zvyčajne štyri kolíky, pretože tieto obvody majú dva horúce vodiče, neutrálny vodič a zem.
Mimochodom, často vidíte 120-voltové zástrčky a zariadenia označené ako 125, 115 alebo 110 voltov a 240-voltové zásuvky označené ako 250, 230 a 220 voltov. Všetky znamenajú v podstate rovnaké veci. Sieťové napätie v Severnej Amerike je nominálne 240 voltov, ktoré sú v obytnom paneli rozdelené na dve 120 voltové vetvy. Rôzne alternatívne napätia sú spôsobené kolísaním prenosových vedení a poklesom napätia v dôsledku zaťaženia obvodu a vzdialenosti od panelu.
Zásuvky GFCI poskytujú ochranu pred zemnými poruchami
Mnoho domov v Severnej Amerike bolo postavených pred tým, ako NEC vyžadovala uzemnenie obvodu a ich neuzemnené okruhy a zastarané 2-pólové predajne sú „dedko v“. To je vlastne nepríjemnosť, pretože väčšina moderných zariadení má buď 3-pólové zástrčky, alebo polarizované tie. Aj keď je bezpečné zapojiť 2-pólovú zástrčku do 3-pólovej zásuvky, nie je to naopak, takže zariadenie nie je chránené proti zemi.
Najjednoduchším riešením je inštalácia zásuviek prerušovača zemného spojenia (GFCI) v oblastiach domu, ktoré potrebujú uzemnené zásuvky. GFCI má vnútorný istič, ktorý sa vypne vždy, keď zásuvka zistí abnormálnu zmenu prúdu, ako napríklad v prípade, keď sa niekto dotkne živého kontaktu, keď stojí vo vode. GFCI môže zabrániť úrazu elektrickým prúdom, ale nechráni citlivé zariadenia pred prúdovými rázmi a nie je úplnou náhradou uzemnenia.
Kolíky GFCI sú v štandardnej konfigurácii NEMA 5-15, čo znamená dva vertikálne sloty, každý s rôznymi veľkosťami, a polkruhový zemný slot. Spravidla nepotrebujete viac ako jeden GFCI na okruh, pretože akýkoľvek GFCI ochráni zariadenia pripojené po ňom v obvode. Preto môžete chrániť celý okruh výmenou prvého vývodu v okruhu pomocou GFCI.