Napięcie, prąd, rezystancja

Wyłącznik obwodu to kluczowe urządzenie we współczesnym świecie i jeden z najważniejszych mechanizmów bezpieczeństwa w Twoim domu. Gdy przez instalację elektryczną w budynku przepływa zbyt duży prąd, te urządzenia przerywają zasilanie, aż problem zostanie naprawiony. Bez wyłączników obwodów (lub bezpieczników) użytkowanie elektryczności w gospodarstwach domowych byłoby niepraktyczne z powodu ryzyka pożarów i innych zagrożeń wynikających z prostych problemów z instalacją oraz awarii sprzętu.

Podstawy elektryczności domowej

Aby zrozumieć, jak działają wyłączniki obwodu, warto wiedzieć, jak funkcjonuje elektryczność w gospodarstwie domowym.

Elektryczność jest definiowana przez trzy główne atrybuty:

  1. Napięcie
  2. Prąd
  3. Rezystancja

Prawdopodobnie słyszałeś o wyłącznikach niskonapięciowych i średnionapięciowych, ale co to jest napięcie? Napięcie to „ciśnienie”, które sprawia, że ładunek elektryczny się porusza. Prąd to „przepływ” ładunku — szybkość, z jaką ładunek przemieszcza się przez przewodnik, mierzona w określonym punkcie. Przewodnik oferuje pewną rezystancję dla tego przepływu, która zależy od składu i rozmiaru przewodnika.

Napięcie, prąd i rezystancja są ze sobą wzajemnie powiązane — nie można zmienić jednego bez zmiany drugiego. Prąd jest równy napięciu podzielonemu przez rezystancję (często zapisywane jako I = v / r). To ma intuicyjny sens: jeśli zwiększysz ciśnienie działające na ładunek elektryczny lub zmniejszysz rezystancję, przepłynie więcej ładunku. Jeśli zmniejszysz ciśnienie lub zwiększysz rezystancję, przepłynie mniej ładunku.

Zobaczmy, jak to wszystko działa w Twoim domu

Wyłącznik obwodu: Praca w Twoim domu

Reklama

Sieć dystrybucji energii dostarcza elektryczność z elektrowni do Twojego domu. Wewnątrz domu ładunek elektryczny porusza się w dużym obwodzie, składającym się z wielu mniejszych obwodów. Jeden koniec obwodu, przewód fazowy, prowadzi do elektrowni. Drugi koniec, zwany przewodem neutralnym, prowadzi do ziemi. Ponieważ przewód fazowy jest połączony z wysokoenergetycznym źródłem, a przewód neutralny z elektrycznie neutralnym źródłem (ziemią), występuje napięcie na całym obwodzie — ładunek przemieszcza się, gdy obwód jest zamknięty. Prąd jest uznawany za prąd zmienny, ponieważ szybko zmienia kierunek.

Sieć dystrybucji energii dostarcza elektryczność o stałym napięciu 240 V, ale rezystancja (a więc i prąd) w domu się różni. Różne żarówki i urządzenia elektryczne oferują pewną rezystancję, opisywaną również jako obciążenie. Ta rezystancja sprawia, że urządzenie działa. Żarówka na przykład posiada wewnętrzne włókno, które jest bardzo odporne na przepływ ładunku. Ładunek musi pokonać dużą oporność, aby się przemieszczać, co powoduje nagrzewanie się włókna i świecenie żarówki.

W instalacji budynku przewód fazowy i neutralny nigdy bezpośrednio się nie dotykają. Ładunek przepływający przez obwód zawsze przechodzi przez urządzenie, które działa jak rezystor. W ten sposób rezystancja elektryczna w urządzeniach ogranicza, ile ładunku może przepłynąć przez obwód (przy stałym napięciu i stałej rezystancji, prąd także musi być stały). Urządzenia są zaprojektowane tak, aby utrzymać prąd na stosunkowo niskim poziomie ze względów bezpieczeństwa. Zbyt duży przepływ ładunku przez obwód w danym momencie mógłby spowodować nagrzanie przewodów urządzenia i instalacji budynku do niebezpiecznych poziomów, co mogłoby wywołać pożar.

To sprawia, że system elektryczny działa płynnie przez większość czasu. Jednak czasami zdarza się, że przewód fazowy połączy się  bezpośrednio z przewodem neutralnym lub czymś innym prowadzącym do ziemi. Na przykład silnik wentylatora może przegrzać się i stopić, łącząc ze sobą przewody fazowy i neutralny. Lub ktoś może wbijać gwóźdź w ścianę, przypadkowo przekłuwając jeden z przewodów zasilających. Gdy przewód fazowy jest bezpośrednio połączony z ziemią, opór w obwodzie jest minimalny, więc napięcie przepycha przez przewód ogromną ilość ładunku. Jeśli to się utrzyma, przewody mogą się przegrzać i wywołać pożar.

Zadaniem wyłącznika obwodu jest odcięcie obwodu, gdy prąd przekroczy bezpieczny poziom. W kolejnych sekcjach dowiemy się, jak to robi.

Projekt wyłącznika: Podstawowy

Bardziej zaawansowane wyłączniki obwodu używają elementów elektronicznych (urządzeń półprzewodnikowych) do monitorowania poziomów prądu zamiast prostych urządzeń elektrycznych. Te elementy są dużo bardziej precyzyjne i szybciej wyłączają obwód, ale są także znacznie droższe np wyłącznik APU 30. Z tego powodu większość domów nadal używa tradycyjnych wyłączników obwodu.

Jednym z typów, które można znaleźć wbudowane bezpośrednio w gniazdka, zwłaszcza w pobliżu umywalek łazienkowych, jest wyłącznik różnicowoprądowy czyli RCD. Te zaawansowane wyłączniki są zaprojektowane, aby chronić ludzi przed porażeniem prądem, a nie przed uszkodzeniem instalacji budynku. RCD stale monitoruje prąd w przewodzie neutralnym i fazowym obwodu. Gdy wszystko działa poprawnie, prąd w obu przewodach powinien być dokładnie taki sam. Gdy przewód fazowy bezpośrednio połączy się z ziemią (na przykład gdy ktoś przypadkowo dotknie przewodu fazowego), poziom prądu gwałtownie wzrasta w przewodzie fazowym, ale nie w przewodzie neutralnym. RCD przerywa obwód, jak tylko się to zdarzy, zapobiegając porażeniu prądem. Ponieważ nie musi czekać, aż prąd wzrośnie do niebezpiecznych poziomów, RCD reaguje znacznie szybciej niż konwencjonalny wyłącznik.

Cała instalacja w domu przebiega przez centralny rozdzielacz wyłączników (lub panel skrzynki bezpiecznikowej), zazwyczaj znajdujący się w piwnicy lub w szafie. Typowy centralny panel zawiera około dwunastu przełączników wyłączników prowadzących do różnych obwodów w domu. Skrzynka używa dwóch podtypów wyłączników, znanych jako jednobiegunowe i dwubiegunowe. Jeden obwód może obejmować wszystkie gniazdka w salonie, a inny wszystkie oświetlenie na parterze. Większe urządzenia, takie jak centralna klimatyzacja czy lodówka, zwykle znajdują się na własnym obwodzie.

Reklama