V Severni Ameriki vtič naprave s tremi zatiči pomeni, da je naprava zasnovana tako, da je ozemljena. Ozemljitev je na kratko funkcija 3-polne vtične povezave, kaj pa to dejansko pomeni?
Verjetno ste že slišali, da gre za varnostno funkcijo, vgrajeno v stanovanjsko vezje, če pa je ozemljitev tako pomembna za varnost, zakaj imajo nekateri novi aparati namesto 3-polnih 2-polne vtiče? Opozorilo spojlerja: Dejstvo, da so nožice različnih velikosti, namiguje na odgovor na to vprašanje.
Posode so se precej spremenile, odkar je Harvey Hubble leta 1903 predstavil prvo snemljivo vtičnico. Pred tem ni bilo praktičnega načina začasnega priključitve in odklopa svetilke ali naprave iz električnega tokokroga. Hubblova vtičnica se je postopoma prelevila v vtičnico NEMA 5-15, ki je danes običajna 3-polna kombinacija vtičev in izhodov, ki se danes uporablja za 120-voltna vezja.
Vtičnice, stikala, osnove svetilk in druge običajne naprave so zasnovane za izmenična tokokroga, ker so vsi stanovanjski in komercialna moč v Severni Ameriki - pa tudi v vseh drugih delih sveta - prihaja iz indukcije generatorji. Napajalnik ima drugačne značilnosti kot enosmerni tok in prevladuje od dneva, ko je bila žarnica izpopolnjena.
Zora električnega omrežja
Razvoj žarnice se je začel leta 1806 in se nadaljeval skozi 19. stoletje, dokler ga Thomas Edison in njegovi kolegi leta 1879 niso več ali manj izpopolnili.
Povpraševanje po žarnicah je takoj preseglo zmožnost vsakogar, da zanje proizvaja električno energijo, in potreba po elektrarnah je postala očitna. Tako se je začelo vlečenje vrvi med zagovorniki postaj za proizvodnjo enosmernega (DC) in postaj z izmeničnim tokom (AC) - majhen del zgodovine, znan kot Vojna tokov.
Edison in njegovi podporniki so bili očitno na strani proizvodnje enosmerne energije, na nasprotni strani pa je bil Nikola Tesla, srbski inženir, ki je bil zaposlen pri Edisonu. Teslov tabor je zmagal dan in leta 1892 je bil na Niagarskih slapovih na spletu eden prvih generatorjev izmeničnega toka. Izkazalo se je, da je izmenična energija cenejša za proizvodnjo in varčnejša za transport kot enosmerna energija.
Zgodnje naprave z izmeničnim tokom so bile neutemeljene in šokantne
Generacija izmenične moči je odvisna od indukcijskega generatorja, ki je v bistvu sestavljen iz predilne tuljave v magnetnem polju. Tok, ki teče skozi vodnik, se z vsakim vrtenjem obrne sam.
To pomeni, da elektrika, ki teče med terminali tuljave in vse žarnice med njimi, ne teče neposredno z enega terminala na drugačen kot enosmerni tok, ampak se nenehno sam obrne, teče proti enemu terminalu v enem polkrogu in proti drugemu med drugo polovico cikel.
Namesto pozitivnih in negativnih sponk ima izmenično vezje vroče in nevtralne. Za katero koli električno napravo v izmeničnem krogu je vroči terminal tisti, ki je priključen na generator električne energije, nevtralni terminal pa tisti, ki vrne moč nazaj v generator.
Če prekinete vezje, vroči priključek ostane vklopljen, nevtralni priključek pa ugasne. Če se dotaknete vročega terminala, boste doživeli šok, a če se dotaknete nevtralnega terminala, ne boste čutili ničesar.
Ko so elektrarne prišle na internet, so se domovi po Severni Ameriki elektrificirali, hitro pa so postali na voljo tudi pralni stroji, sesalniki in električni hladilniki. Šoki pa so bili pogosti. Žice, stikala in vtičnice so bili električno izolirani, vendar se je izolacija pogosto odkrušila, razpokala ali obrabila, tako da so izpostavljene vroče žice ostale v stiku z deli naprav, ki so se jih ljudje dotaknili. Požari so bili pogosti zaradi obrabljene izolacije in ohlapnih povezav.
Kako pomaga ozemljitev?
Recimo, da bi se oseba morala dotakniti vroče žice ali stikala v stiku z vročo žico. Če bi človek nekako lebdel v zraku ali, podobno, v električno izoliranih čevljih, se ne bi zgodilo nič. Če bi oseba stala na tleh z bosimi nogami, bi elektrika skozi človekovo telo tekla na zemljo, ki je največji možni umivalnik.
Za zaustavitev človekovega srca potrebuje le desetino ampera toka (100 mA), zato bi lahko bilo srečanje usodno.
Zdaj pa razmislite, če ima elektrika že na voljo to pot skozi prevodno žico. Žica ima pot do tal z nižjo impedanco kot človeško telo. (Impedanca je na AC vezja kaj odpornost je na enosmerna vezja).
Elektrika vedno izbere pot najmanjšega upora (impedance), zato oseba, ki se dotakne vroče žice, ne bo dobila šoka - ali vsaj ne tako velikega. To je osnovna ideja ozemljitve.
Ozemljitev je dobra tudi za električno opremo. Če pride do kratkega stika zaradi obrabljene izolacije, ohlapnih povezav ali pokvarjene naprave, tal žica zagotavlja nadomestno pot za elektriko, tako da ne izgori vezja in zažene a ogenj. Še enkrat to deluje, ker je impedanca ozemljitvene poti manjša od impedance skozi vezje.
3-pinska vtična funkcija
Ozemljitvena pot v vezju ni preveč dobra, če se nanjo ne morete povezati, temu pa je namenjen tretji zatič na 3-pinskem vtiču. Vtič se priključi na napajalni kabel, ki se nato poveže z električnim aparatom, ki ga uporabljate, ne glede na to, ali gre za sesalnik, mešalnik, električno žago ali delovno svetilko. Vezje v napravi je ožičeno tako, da je vse povezano z ozemljitvenim priključkom.
Ozemljitveni priključek se poveže z ozemljitveno žico v vezju stavbe prek ozemljitvenega zatiča na vtiču. Če ima naprava 3-polni vtič, tretjega noga nikoli ne obidite tako, da ga odrežete ali uporabite 3-polni na 2-pinski adapter. če to storite, naprava, ki jo uporabljate, ni ozemljena in bi lahko bila nevarna.
Barve 3-polnih vtičnih žic po vsem svetu niso enake, so pa standardizirane po vsej Severni Ameriki, vključno s Kanado, ZDA in Mehiko. Nacionalni električni zakonik (NEC) kot barvo nevtralne žice določa belo, vendar ne določa nobenih zahtev glede barv vroče žice ali ozemljitvene žice. Kljub temu obstaja natančno upoštevan dogovor o uporabi rdeče ali črne barve za vročo žico in zelene za ozemljitveno žico. Ozemljitvene žice so prav tako pogosto puščene.
Zakaj imajo nekateri aparati 2-polne vtiče?
NEC je začel zahtevati ozemljeno vezje v pralnicah leta 1947 in zahtevo razširil na večino drugih lokacij leta 1956. Zaradi menjave so bili 2-polni vtiči in vtičnice skorajda zastareli. Dvopolno vtičnico ste lahko namestili edino takrat, ko ste zamenjali obstoječo. Vsa nova prodajna mesta so morala biti s tremi nožicami.
Še danes pa je pogosto videti nove prodajalne z le dvema režama in napajalnimi kabli na novih napravah z le dvema rogljema. Če jih natančno pogledate, boste opazili razliko, ki jih razlikuje od zastarelih, 2-polnih vtičev in vtičnic pred letom 1947. Eden od rogljev je večji od drugega, kar pomeni, da se vtič lahko vtakne v vtičnico samo v eno smer. Ti vtiči in vtičnice so polarizirano. Ker ne morete obrniti usmerjenosti vtiča v vtičnici, ne morete obrniti polarnosti.
V polarizirani svetilki ali napravi se vroča žica poveže z enim priključkom stikala, notranje vezje pa z drugim priključkom, ta pa z nevtralno žico. Stikalo je izolirano od ostalega vezja, zato, ko je odprto, nič ne more priti v stik z vročo žico.
Če vtič ne bi imel različno velikih rogljev, bi lahko obrnili polarnost, tako da ga postavite na glavo. Vroča žica bi bila v stiku z vezjem, naprava pa bi vas lahko pretresla. Ker ne morete obrniti vtiča ali polaritete, ozemljitev ni ključna varnostna lastnost in vtič ne potrebuje ozemljitvenega zatiča.
Različne vrste električnih vtičnic
Do sedaj obravnavani vtič s tremi zobci je zasnovan za 120-voltne tokokroge in za obdelavo do 15 amperov toka. Gre za vtičnico in vtičnico NEMA 5-15, kjer je NEMA nacionalno združenje proizvajalcev električne energije. Ta vtičnica ima reže za tri nožice, vendar so reže za vroče in nevtralne zatiče različne velikosti, zato jo lahko uporabljate s polariziranim vtičem.
NEMA 1-15 je dvopolna polarizirana različica tega vtiča. 3-polni vtiči zunaj Severne Amerike niso nujno v skladu s standardi NEMA in imajo običajno različne konfiguracije pinov.
Zanimiva lastnost ozemljenega vtiča NEMA 5-15 je, da je ozemljitveni zatič približno 1/8 palca daljši od ostalih dveh. Logika tega je, da ko nekaj priključite, ozemljitveni zatič najprej vzpostavi stik, tako da imate vedno zaščito pred tlemi. Mnogi namestijo vtičnico NEMA 5-15 z ozemljitvenim zatičem pod druga dva, vendar je to obrnjeno na glavo. Ozemljitveni zatič mora biti na vrhu, da prepreči, da bi se vse, kar pade od zgoraj, dotaknilo prevodnih zatičev.
Obstaja celoten katalog konfiguracij vtičev NEMA za obdelavo 120- in 240-voltnih aplikacij. Nekatera 120-voltna vezja imajo dva zatiča, nekatera pa tri. Vtiči in vtičnice za 240-voltne tokokroge imajo običajno štiri zatiče, ker imajo ta vezja dve vroči žici, nevtralno žico in ozemljitev.
Mimogrede, pogosto vidite 120-voltne vtiče in naprave z oznako 125, 115 ali 110 voltov in 240-voltne z oznakami 250, 230 in 220 voltov. Vse to pomeni v bistvu iste stvari. Linijska napetost v Severni Ameriki je nominalno 240 voltov, ki je v stanovanjski plošči razdeljena na dve 120-voltni nogi. Različne izmenične napetosti so posledica nihanj v daljnovodih in padcev napetosti zaradi obremenitve vezja in oddaljenosti od plošče.
Posode GFCI zagotavljajo zaščito pred zemeljskimi napakami
Številni domovi v Severni Ameriki so bili zgrajeni, preden je NEC zahteval ozemljitev vezij, njihova neutemeljena vezja in zastareli 2-pinski prodajalne so "vnučene." To je pravzaprav neprijetnost, ker ima večina sodobnih naprav bodisi 3-pinske vtiče bodisi polarizirane tistih. Čeprav je 2-polni vtič varno priključiti v 3-polno vtičnico, obratno ne drži in naprava ostane brez zaščite pred tlemi.
Najlažja rešitev je namestitev vtičnic prekinjevalnika tokokroga (GFCI) na območja hiše, ki potrebujejo ozemljene vtičnice. GFCI ima notranji odklopnik, ki se sproži vsakič, ko vtičnica zazna nenormalno spremembo toka, kakršno bi lahko povzročil nekdo, ki bi se dotaknil stika v živo, ko bi stal v vodi. GFCI lahko prepreči električni udar, vendar ne ščiti občutljive opreme pred trenutnimi napetostmi in ni popoln nadomestek za ozemljitev.
Zatiči GFCI so v standardni konfiguraciji NEMA 5-15, kar pomeni dve navpični reži, različne velikosti, in polkrožno talno režo. Običajno ne potrebujete več kot enega GFCI na vezje, ker bo kateri koli GFCI zaščitil naprave, ki so ožičene po njem v vezju. Celotno vezje lahko torej zaščitite s spremembo prve vtičnice v tokokrogu z GFCI.