Phích cắm và ổ cắm điện xoay chiều là gì?

Phích cắm và ổ cắm điện xoay chiều là gì?

Phích cắm và ổ cắm điện xoay chiều (AC power plugs and sockets) được sử dụng để kết nối các thiết bị với nguồn điện lưới nhằm cung cấp năng lượng điện cho chúng. Phích cắm là đầu nối được gắn vào thiết bị điện, thường thông qua dây dẫn. Ổ cắm còn được gọi là ổ ra hoặc ổ điện được cố định tại chỗ, thường lắp trên tường bên trong các công trình, và kết nối với mạch điện xoay chiều. Khi cắm phích vào ổ cắm, thiết bị sẽ nhận điện năng từ mạch này để hoạt động.

Tổng quan về kết nối

Ổ cắm điện một pha có hai lỗ tiếp xúc cho hai chân dẫn điện (power pins ,một chân mang dòng điện từ nguồn cấp đến thiết bị (live, line, hoặc phase pin). Chân còn lại đưa dòng điện trở về nguồn.

Nhiều ổ cắm có thêm lỗ tiếp xúc thứ ba hoặc chân thứ ba để nối đất an toàn. Phích cắm là đầu nối dương, thường có các chân nhô ra tương ứng với lỗ tiếp xúc âm trên ổ cắm. Một số loại phích cắm còn có tiếp điểm âm riêng dùng chỉ cho nối đất.

Thông thường, không có điện áp xuất hiện trên các chân hoặc cực tiếp xúc lộ ra bên ngoài của ổ cắm, do đó chân dẫn điện luôn thuộc về phích cắm chứ không phải ổ cắm.Ngoài việc thiết kế tiếp điểm âm được đặt lõm vào trong ổ, hệ thống phích và ổ cắm còn có các cơ chế an toàn khác nhằm giảm rủi ro điện giật hoặc hư hỏng thiết bị.

Lịch sử phát triển

• Khi điện thương mại được đưa vào sử dụng lần đầu vào những năm 1880, nó chủ yếu phục vụ chiếu sáng. Các thiết bị cầm tay như máy hút bụi, quạt điện, bàn ủi hay máy uốn tóc khi đó được kết nối trực tiếp vào ổ đèn.
• Từ năm 1885, phích hai chấu và ổ cắm tường đã xuất hiện trên thị trường Anh.
• Đến khoảng năm 1910, phích ba chấu có nối đất được giới thiệu lần đầu tiên.
• Sau đó, các cải tiến an toàn dần được áp dụng, và tiêu chuẩn quốc gia đầu tiên cho phích và ổ cắm được ban hành vào năm 1915 tại Vương quốc Anh.

Tính năng an toàn

Bảo vệ khỏi tiếp xúc ngẫu nhiên

• Thiết kế của phích và ổ cắm ngày càng hoàn thiện nhằm giảm nguy cơ điện giật và cháy nổ.
• Phích cắm được tạo hình để ngăn người dùng chạm vào phần dẫn điện; ổ cắm thường được làm lõm để phích khớp sâu vào, tránh tiếp xúc với chấu điện khi đang mang điện.
• Các chân tiếp xúc có thể được bọc cách điện một phần, hạn chế lộ kim loại dẫn điện khi cắm hoặc rút.
• Một số ổ cắm còn có cửa chớp tự động ngăn vật lạ chèn vào các cực đang có điện.
• Ổ cắm thường được thiết kế bao quanh để ngăn ngừa việc vô tình chạm vào dây điện đang mang điện trong tường phía sau. Một số ổ cắm còn có nắp đậy tích hợp (ví dụ: nắp bản lề) che phủ ổ cắm khi không sử dụng, hoặc công tắc để tắt ổ cắm.

Bảo vệ quá dòng

Một số phích cắm – đặc biệt là loại BS 1363 (Type G) của Anh – được tích hợp cầu chì (fuse) để ngắt mạch khi dòng điện vượt quá giới hạn an toàn.

Nối đất

Chân tiếp xúc thứ ba dùng để nối đất, nhằm bảo vệ người dùng khi xảy ra rò điện hoặc hư hỏng cách điện.

Nhiều loại phích được thiết kế sao cho chân nối đất tiếp xúc trước tiên, đảm bảo thiết bị được nối đất trước khi có điện áp hoạt động.

Theo phân loại của IEC (IEC appliance class):

• Lớp I (Class I): Yêu cầu có tiếp điểm nối đất trong phích và ổ cắm.
• Lớp II (Class II): Không nối đất, thay vào đó dùng cách điện kép (double insulation) để bảo vệ người dùng.

Phân cực

Trong hệ thống điện có dây trung tính, việc đảm bảo phân cực đúng của phích giúp duy trì phân biệt giữa dây pha và dây trung tính, tăng độ an toàn.

Tuy nhiên, ở những hệ thống cả hai dây đều có điện áp cao so với đất, phân cực không mang lại lợi ích đáng kể.

Định mức điện áp của phích và dây nguồn

Phích cắm và dây nguồn đều có điện áp định mức và dòng điện định mức do nhà sản xuất quy định.

Việc sử dụng phích hoặc dây nguồn không phù hợp với tải tiêu thụ có thể gây mất an toàn điện, dẫn đến quá nhiệt, cháy nổ hoặc hỏng thiết bị.

Trong một số trường hợp, dây nguồn dùng cho thiết bị hai điện áp (120V / 240V) lại chỉ được định mức ở 125V, vì vậy người sử dụng  đặc biệt là khi đi du lịch  cần chú ý chỉ dùng dây có điện áp định mức phù hợp với thiết bị và nguồn điện tại nơi sử dụng.

Thiết bị mở rộng kết nối

Có nhiều phương pháp được sử dụng để tăng số lượng ổ cắm hoặc mở rộng phạm vi tiếp cận nguồn điện.

Dây nối dài

Dây nối dài được dùng để kết nối tạm thời khi ổ cắm điện nằm ngoài tầm với của dây nguồn thiết bị.

Loại dây này có thể ở dạng:

• Ổ cắm đơn gắn trên dây cáp mềm linh hoạt, hoặc
• Thanh ổ cắm nhiều lỗ có thể kết nối nhiều thiết bị cùng lúc.

Một số thanh ổ điện còn được tích hợp thêm các chức năng như:

• Công tắc bật/tắt riêng biệt.
• Bảo vệ chống quá áp.
• Bảo vệ quá dòng.

Bộ chia ổ cắm

Bộ chia ổ cắm (còn gọi là bộ chia điện hoặc splitter) cho phép kết nối hai hoặc nhiều phích cắm vào một ổ cắm duy nhất.

Chúng được sản xuất với nhiều kiểu cấu hình khác nhau, tùy thuộc vào tiêu chuẩn điện áp, loại phích cắm và quy định kỹ thuật của từng quốc gia hoặc khu vực, đồng thời có các mức định mức dòng điện và công suất riêng biệt.

Thiết bị này giúp kết nối nhiều thiết bị điện tiêu thụ công suất nhỏ vào cùng một nguồn điện, thường được sử dụng cho các thiết bị như tivi, đèn bàn, máy tính, bộ sạc điện tử, v.v.

Tương thích chéo

Ổ cắm đa năng

Ổ cắm đa tiêu chuẩn hoặc ổ cắm đa năng được thiết kế để tương thích với hai hoặc nhiều loại phích cắm khác nhau. Tuy nhiên, tại một số quốc gia hoặc khu vực, loại ổ này không đáp ứng quy chuẩn an toàn điện quốc gia, thậm chí vi phạm các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Các tổ chức an toàn điện, Quân đội Hoa Kỳ, và một số nhà sản xuất ổ cắm đã cảnh báo rằng ổ cắm đa năng và bộ chuyển đổi tiềm ẩn nhiều rủi ro an toàn, bao gồm:

• Sai lệch điện áp.
• Lộ chân dẫn điện đang mang điện áp.
• Thiếu kết nối nối đất đúng chuẩn.
• Không có cơ chế bảo vệ quá tải hoặc ngắn mạch.

Ngoài ra, ổ cắm đa năng còn thường không đạt yêu cầu kỹ thuật về:

• Độ bền cơ học.
• Lực giữ phích.
• Giới hạn tăng nhiệt độ linh kiện.

Cáp và phích cắm có thể thay đổi

Thông thường, các nhà sản xuất sẽ trang bị đầu vào IEC 60320 trên thiết bị, kèm theo dây nguồn rời có thể tháo lắp và phích cắm phù hợp, nhằm tránh việc phải sản xuất nhiều phiên bản thiết bị khác nhau chỉ để thay đổi loại phích cắm.

Ngoài ra, phích cắm đôi khi cũng có thể thay đổi được bằng cách sử dụng đầu nối tiêu chuẩn hoặc đầu nối độc quyền.

Bộ chuyển đổi khi đi du lịch

Các bộ chuyển đổi giữa các tiêu chuẩn ổ cắm và phích cắm thường không được bao gồm trong các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế, do đó không có tiêu chí chất lượng chính thức nào được quy định cho chúng. Sự tương thích về mặt cơ họckhông đảm bảo rằng tần số hoặc điện áp của thiết bị và ổ cắm sẽ phù hợp với nhau.

Bộ chuyển đổi cho phép người dùng kết nối thiết bị điện vào ổ cắm nước ngoài, nhưng không thay đổi điện áp hoặc tần số. Để đảm bảo tương thích điện, bộ biến áp điện áp (voltage converter) là cần thiết khi điện áp nguồn khác với điện áp định mức của thiết bị.

Sự không tương thích về tần số giữa nguồn điện và thiết bị có thể vẫn gây ra sự cố, ngay cả khi điện áp đã phù hợp. Một số thiết bị có công tắc chọn điện áp để người dùng điều chỉnh theo nguồn điện địa phương.

Hiện nay, nhiều thiết bị hiện đại sử dụng bộ chuyển đổi nguồn AC có khả năng chấp nhận dải điện áp từ 100–240 V, tần số 50 hoặc 60 Hz, nghĩa là chúng có thể sử dụng ở hầu hết các quốc gia trên thế giới, chỉ cần có bộ chuyển đổi phích cắm phù hợp (plug adaptor).

Các loại tiêu chuẩn ổ cắm và phích cắm hiện đang được sử dụng

• AS/NZS 3112 – Tiêu chuẩn Úc/New Zealand (Loại I – Type I)
• Argentina: Tiêu chuẩn IRAM 2073 (phích) và IRAM 2071 (ổ cắm)
• Trung Quốc: GB 2099.1 và GB 1002 (Loại A và I)
• BS 546 – Tiêu chuẩn Anh cũ (Loại D và M)
• BS 1363 – Tiêu chuẩn Anh hiện hành (Loại G)
• BS 4573 – Ổ cắm chuyên dụng cho máy cạo râu (UK shaver plug)
• CEE 7/3 socket và CEE 7/4 plug – Chuẩn Đức Schuko (Loại F)
• CEE 7/5 socket và CEE 7/6 plug – Chuẩn Pháp (Loại E)
• CEE 7/7 plug – Phích cắm kết hợp, tương thích với cả ổ cắm loại E và F
• CEE 7/16 Alternative I – Biến thể hẹp
• CEE 7/16 Alternative II “Europlug” (Loại C) – Phích cắm phổ biến ở châu Âu
• Phích Đan Mạch (Loại K) – Danish plug
• IEC 60906-1 (Loại N) – Chuẩn quốc tế đề xuất bởi IEC (phổ biến tại Brazil và Nam Phi)
• Tiêu chuẩn Nam Phi SANS 164-2 – Dựa trên IEC Type N
• Tiêu chuẩn Brazil NBR 14136 – Biến thể quốc gia của Type N
• Israel SI32 (Loại H) – Chuẩn Israel
• Italy (Loại L) – Chuẩn Ý
• NEMA 1-15 – Phích hai chân không nối đất (ungrounded plug, Type A)
• NEMA 5-15 – Phích ba chân có nối đất (grounded plug, Type B)
• IEC 60906-2 – Tiêu chuẩn đề xuất cho khu vực châu Mỹ
• Thụy Sĩ SN 441011 (Loại J) – Ổ cắm 10 A và phích cắm Type J
• TIS 166-2549 (Loại O) – Chuẩn quốc gia Thái Lan

Ổ cắm và phích cắm chuyên dụng

Ổ cắm và phích cắm chuyên dụng được thiết kế nhằm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đặc biệt trong môi trường dân dụng, công nghiệp, thương mại hoặc các cơ sở đặc thù như y tế, sân khấu, hoặc trung tâm dữ liệu.

Một số hệ thống sử dụng ổ cắm và phích cắm chuyên dụng bao gồm:

• Ổ cắm có nối đất: Dùng cho hệ thống máy tính, thiết bị điện tử.
• Thiết bị kết nối đèn chiếu sáng – DCL: Tiêu chuẩn châu Âu dành cho đèn trần và đèn treo, giúp dễ dàng lắp đặt và bảo trì hệ thống chiếu sáng.
• Nguồn điện khẩn cấp: Cung cấp nguồn điện tạm thời trong tình huống mất điện, dùng cho hệ thống an toàn, báo cháy hoặc chiếu sáng khẩn cấp.
• Nguồn điện liên tục – UPS: Dùng cho thiết bị quan trọng hoặc thiết bị hỗ trợ sự sống, đảm bảo nguồn điện ổn định và không bị gián đoạn.
• Nguồn điện cách ly: Dành cho dụng cụ y tế, thiết bị điện trong môi trường ẩm ướt hoặc dao cạo điện, giúp ngăn ngừa rò rỉ điện và tăng an toàn cho người sử dụng.
• Nguồn điện cân bằng hoặc kỹ thuật: Sử dụng trong phòng thu âm, phòng dựng hình ảnh, nhằm giảm nhiễu và méo tín hiệu âm thanh.
• Ổ cắm công nghiệp CEE 17 (IEC 60309): Là loại ổ cắm công nghiệp ba pha, chống nước và bụi (IP44).
• Ổ cắm công suất cao: Dành cho thiết bị tiêu thụ công suất lớn như máy sấy quần áo, lò nướng điện, máy điều hòa không khí, với dòng định mức cao hơn (High current rating) để đảm bảo an toàn.

Các loại phích cắm đặc biệt

Phích cắm đui đèn

Phích cắm đui đèn là loại phích cắm được thiết kế để lắp vào ổ đui đèn thay cho bóng đèn, nhằm kết nối các thiết bị điện với mạch chiếu sáng.Trong giai đoạn đầu của việc sử dụng điện sinh hoạt, mạch chiếu sáng và mạch ổ cắm chưa được tách biệt rõ ràng. Ở một số khu vực, điện năng dùng cho chiếu sáng có mức giá rẻ hơn so với điện dùng cho thiết bị khác. Nhờ đó, phích cắm đui đèn cho phép người tiêu dùng kết nối các thiết bị điện nhỏ (như bàn ủi, quạt, máy hút bụi…) trực tiếp vào mạch đèn để giảm chi phí điện năng.

Phích chuyển đổi kiểu Liên Xô

• Một số thiết bị điện được sản xuất và bán tại Liên Xô sử dụng loại phích cắm phẳng không tiếp địa, có thêm ổ cắm xuyên tiếp ở phía trên, cho phép xếp chồng nhiều phích cắm lên cùng một ổ điện.
• Các ống đồng của ổ cắm phụ không được che kín hai đầu, chỉ được lõm vào khoảng 3 mm, nên tiếp xúc điện kém do phải phụ thuộc vào chân phích cắm phụ dạng chẻ đôi để giữ chặt điểm tiếp xúc.
• Các chân của phích cắm phụ này không có lớp cách điện và không thể cắm hoàn toàn vào ổ cắm trụ, để lại khoảng hở khoảng 5 mm giữa phích cắm chính và phích cắm phụ.
• Loại bộ chuyển đổi này chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị công suất thấp, chẳng hạn như radio, đèn bàn, quạt nhỏ hoặc thiết bị gia dụng nhẹ.

Phích cắm Walsall Gauge của Anh

• So với phích cắm tiêu chuẩn BS 1363 được sử dụng phổ biến tại Vương quốc Anh, mỗi chân cắm của phích Walsall Gauge được xoay 90 độ so với vị trí thông thường.
• Loại phích cắm/ổ cắm này được sử dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm của các trường đại học (đặc biệt là các mạch điện cấp nguồn từ pin) và bởi Đài BBC.
• Hiện nay, phích Walsall Gauge vẫn còn được sử dụng trong một số khu vực của hệ thống Tàu điện ngầm London để cấp nguồn xoay chiều 110 V AC cho các thiết bị điện đặc thù.

Đầu nối Magic Security của thương hiệu BTicino (Ý)

Vào những năm 1960, công ty BTicino của Ý đã giới thiệu một loại đầu nối mới mang tên “Magic Security”, được thiết kế để thay thế cho các đầu nối tiêu chuẩn Europlug hoặc CEI 23-16 đang được sử dụng thời đó.

Ổ cắm Magic Security có dạng hình chữ nhật, được trang bị các chốt định vị và rãnh khóa nhằm:

• Giữ đúng cực tính của phích cắm
• Ngăn ngừa việc cắm sai loại phích có định mức dòng điện khác.

Hệ thống này bao gồm:

• Ba loại đầu nối điện xoay chiều một pha có định mức 10 A, 16 A và 20 A,
• Cùng với một loại đầu nối công nghiệp ba pha định mức 10 A. Mỗi loại được thiết kế với vị trí chốt định vị khác nhau, đảm bảo phích cắm và ổ cắm không thể ghép sai loại hoặc sai dòng điện định mức.

Ổ cắm Magic Security còn được bảo vệ bằng nắp an toàncó chữ “Magic” in trên bề mặt. Nắp này chỉ có thể mở bằng cách nhấn đều áp lực lên toàn bộ bề mặt, giúp ngăn ngừa việc đưa vật lạ vào trong ổ cắm.

Các tiếp điểm điện được bố trí ở hai bên thân phích cắm, và chỉ được cấp điện khi phích đã được cắm hoàn toàn vào ổ — điều này đảm bảo an toàn điện tuyệt đối cho người dùng.