Avaa päävalikko

Kela (komponentti)

sähkötekniikka
Tämä artikkeli käsittelee sähköteknistä laitetta. Muita merkityksiä, katso täsmennyssivu.
Erilaisia keloja
Erilaisia keloja
Ilmasydämisen kelan piirrosmerkki

Kela ("käämi") on passiivinen sähkö­tekniikan ja elektroniikan komponentti, joka vastustaa lävitseen kulkevan sähkövirran muutosta.

Kelan ja käämin suhdeMuokkaa

Usein itse kelaa (engl. inductor) kutsutaan virheellisesti käämiksi (engl. coil); käämikin on kela, mutta kela on enemmän kuin käämi ja käämissä ei ole kelaa, vaikka kelassa onkin käämi. Sekä kelalla että käämillä on induktanssi.

On myös käämejä joilla ei ole varsinaista yhteyttä kelaan sähkötekniikan komponenttina. Muun muassa sähkömoottoreissa ja muuntajissa on käämejä, jotka eivät muodosta keloja komponentteina, vaan ne ovat muodostamassa sähkömagneettisia kenttiä mekaanisen liikkeen synnyttämiseksi tai energian tai signaalin siirtämiseksi galvaanisesti toisistaan erotettujen virtapiirien välillä.

RakenneMuokkaa

Kela valmistetaan kiertämällä (käämimällä) sähköjohtimesta (käämilangasta) kelasydämen ympärille sopiva käämi. Käämilanka on tyypillisesti emaloitua kuparilankaa.

Toinen kelan osa on kelasydän, jonka ympärille johdin on kierretty. Sydämen materiaali vaikuttaa kelan induktansiin. Yleensä sydämen materiaali on ferromagneettista ainetta, jolla vahvistetaan kelan luomaa magneettikenttää.[1]

Etenkin suurilla taajuuksilla kelasydämenä käytetään ferriittiä.

Ilmasydämisiä keloja käytetään esimerkiksi radiotekniikassa. Ilmasydäminen kela valmistetaan tyypillisesti käämimällä käämilankaa jonkin väliaikaisen ytimen ympärille. Väliaikainen ydin poistetaan kun käämitys on suoritettu ja käämi on tarvittaessa tuettu teipillä, lakalla tai muulla käyttötarkoitukseen sopivalla tavalla.

Käämilangan paksuus määräytyy kelan läpi kulkevan virran mukaan ja eristeen eristyskyky eristeen yli vaikuttavan jännitteen mukaan. Käämilankana voidaan käyttää myös eristämätöntä johdinta, mutta tällöin pitää huomioida ettei käämiin muodostu oikosulkuja. Käytännössä eristämättömiä lankoja käytetään vain pienissä ilmasydämisissä keloissa.

Kelan induktanssiin suuruuteen vaikuttavat sydämen halkaisija, materiaali sekä johdinkierrosten määrä. Myös yksittäisellä johdinlenkillä ja suoralla johtimellakin on pieni induktanssi, mikä joudutaan ottamaan huomioon hyvin suuritaajuuksisia signaaleita käsitteleviä virtapiirejä suunniteltaessa.

Renkaan muotoisen ytimen ympärille käämittyä kelaa kutsutaan toroidiksi.

Kelan osatMuokkaa

Kela koostuu käämitystä – tyypillisesti sylinterin muotoiselle spiraalille kiedotusta – johtimesta (käämi) ja kelasydämestä (mukaanlukien ilmasydän).

Virtapiiriin tarvittavalle kelalle on suunnittelija määritellyt vaadittavan induktanssin, johon vaikuttaa sekä kelan käämi, että kelan sydän. Lisäksi kelalle on saatettu määritellä resistanssi ja minimivirran kesto. Käämilangan valinnalla voidaan vaikuttaa resistanssiin ja virrankestoon. Kelasydämen valinnalla voi vaikuttaa käämiin tarvittavien kierrosten lukumäärään ja täten myös käämin resistanssiin.

Kelalta vaadittava induktanssi voidaan perustaa pelkän käämin (ja ilmasydämen) varaan, mutta erillisellä kelasydämellä käämin kokoa voidaan pienentää ja resistanssia näin ollen myös laskea.

Kelan induktanssi on kelan käämin ja kelan sydämen yhteisvaikutuksesta syntyvä sähkövirran muutosta vastustava voima.

Kelan käämitysMuokkaa

Kelaan tarvittavalle käämille määritellään puolestaan laskennallisesti käämin sisähalkaisija, kierrosten lukumäärä sekä käämilangan paksuus ja eristevahvuus. Kelasydän ja kelan käämi vaikuttavat molemmat kelan induktanssiin, eli mikäli toisen vaikutusta pienentää, niin toisen vaikutusta pitää lisätä. Mitä enemmän kierroksia, niin sitä suurempi induktanssi ja mitä suurempi/voimakkaampi kelasydän, niin sitä suurempi induktanssi.

ToimintaMuokkaa

Sähkövirta synnyttää käämin johdinkierrosten ympärille virran voimakkuuteen verrannollisen magneettivuon oikeankäden säännön mukaisesti; mikäli kiedot oikean kätesi käämityksen ympärille siten, että sormenpäät osoittavan virran kiertosuuntaan, niin peukalo osoittaa magneettivuon suunnan.

Kun virta kulkee käämin läpi, energiaa varastoituu kelan magneettikenttään. Kelan käämin lävitse kulkevan virran muuttuessa muuttuu myös kelan lävistävä magneettivuo. Kelan induktanssi pyrkii vastustamaan tätä magneettivuon muutosta luomalla johtimeen Faradayn induktiolain mukaisen sähkömotorisen voiman (smv), eli jännitteen. [1]

 .[2]

kelan napojen yli oleva jännite, missä L on kelan induktanssi ja I kelan lävistävä virta.

Käämin yhden silmukan lävistävä magneettivuo saadaan virran I ja induktanssin L tulona.

 .[2]

Ideaalisessa tapauksessa käämimällä johdin monikierroksiseksi virran synnyttämä magneettivuo voimistuu verrannollisena kelan käämin kierrosten lukumäärään. Magneettivuo saadaan laskettua

 .

missä N on kelan käämin johdinkierrosten lukumäärä.

Käämivuo saadaan kertomalla magneettivuo käämin kierrosten lukumäärällä

 .

Vaihtovirtapiirissä kelan induktanssi aiheuttaa piiriin positiivisen reaktanssin.[1]

Piiriteknisesti kelan vastakohta on kondensaattori, jonka kapasitanssi aiheuttaa negatiivisen reaktanssin.

Kelan mekaaninen vastine on vauhtipyörä.

InduktanssiMuokkaa

Kelan kykyä vastustaa virran muutoksia kuvaa sen induktanssi, jonka yksikkö on henry (H). Induktanssin L läpi kulkevan sähkövirran I muutos aiheuttaa kelan napojen yli jänniteen[3]

Esimerkiksi kela, jonka induktanssi on 1 H, muodostaa päidensä yli 1 V jännitteen, kun sen läpi kulkeva virta muuttuu 1 A/s (ampeerin sekunnissa). Ilmiöstä johtuen esimerkiksi releiden kelojen yli kytketään usein suojadiodi oikosulkemaan käämivirran nopeasta katkaisusta aiheutuva vastakkaissuuntainen jännitepiikki.

Keloja käytetään erityisesti vaihtovirtapiireissä sen induktiivisen reaktanssin vuoksi. Sitä mitataan ohmeina kuten resistanssiakin. Toisin kuin vastuksen resistanssi, induktiivinen reaktanssi riippuu vaihtovirran taajuudesta ja se lasketaan kaavalla[4]

 ,

missä f on taajuus ja L kelan induktanssi.

Hyvyysluku QMuokkaa

Kelan epäideaalisuuksia kuvataan hyvyysluvulla Q. Esimerkiksi kelaan käytettävällä johtimella on aina resistanssia, joka aiheuttaa energian muuttumista lämmöksi.

Lämmöksi muuttuva teho lasketaan kaavalla

 

Varastoitunut energiaMuokkaa

Kelan magneettikenttään varastoituu energiaa kelan induktanssin L ja kelan läpi kulkevan virran I johdosta[5]:

 

Kuristimet ja reaktoritMuokkaa

 
Helvarin kuristimia loisteputki- ja kaasupurkausvalaisimille

Suurta kelaa, jota käytetään virran rajoittamiseen, kutsutaan myös kuristimeksi. Kuristinta voidaan myös käyttää jännitepiikkien muodostamiseen, näin muodostunut virtapiikki esimerkiksi sytyttää loistevalaisimen.

Vielä suurempia voimavirtaverkossa käytettäviä kuristimia suurilla rautasydämillä kutsutaan myös reaktoreiksi.[6][7][8][9] Nämä ovat rakenteeltaan suurjännitemuuntajien kaltaisia ja yleensä öljytäytteisiä. Reaktoreita on neljäntyyppisiä: rinnakkaisreaktorit, nollapistereaktorit, sarjareaktorit ja tasoitusreaktorit.

Rinnakkaisreaktori kompensoi ilmajohtojen kapasitiivista tehoa, jolloin vältetään jännitteen hallitsematon nousu erityisesti linjojen pienillä kuormituksilla. Linjan kuormituksen muuttuminen ilman reaktoria voisi aiheuttaa virtapiikin, tätä kautta valokaaren ja/tai linjaan kytkettyjen laitteiden rikkoutumisen.

Nollapistereaktorilla lisätään muuntajan nollapisteen tai rinnakkaisreaktorin impedanssia. Yksivaiheisten vikojen aikana reaktori rajoittaa vikavirtaa nollapisteessä ja johdon tila palautuu entiselleen nopeammin. Nollapistereaktoreita käytetään tähteen kytkettyjen muuntajien yhteydessä, kolmioon kytketyissä muuntajissa taas ei ole nollapistettä eikä nollapistereaktoria tällöin käytetä.

Sarjareaktoreiden tarkoitus on vaihtovirtaverkossa rajoittaa vikavirtaa siirtoverkon oikosulkutilanteissa ja/tai valvoa tehon siirtymistä vakaissa olosuhteissa. Reaktorin rajoittaessa vikavirran riittävän alhaiselle tasolle, se voi suojata järjestelmän laitteita rikkoutumiselta. Sarjareaktori myös estää johdinten hallitsemattomia virtapiikkejä jotka voivat aiheuttaa valokaaria ja vakavia vaurioita järjestelmässä.

Tasoitusreaktorit kuuluvat tärkeänä osana korkeajännitetasavirtajärjestelmiin. Niiden tarkoituksena on vähentää ns. virran sykintää tasasuuntauksen jälkeen koko kuormitusvirran kulkiessa reaktorin läpi. Sykinnällä tarkoitetaan tasasuuntaajalta tulevassa tasavirrassa olevia jatkuvia harmonisia virtoja.selvennä Reaktorin tarkoituksena on luoda korkea impedanssi harmonisille virroille, vähentää niiden suuruutta ja näin tasoittaa edelleen tasavirtaa.

Tasoitusreaktorit ovat hyvin suuria käämityksen suuren kierroslukumäärän ja suuren sydämen takia, molemmat tekijät nostavat reaktorin impedanssin tarvittavalle tasolle. Tasoitusreaktorin induktanssi on myös hyvin suuri. Tämä on myös yksi tärkeistä tasavirtaa vakavoivista tekijöistä.

YhteismuotokuristinMuokkaa

Yhteismuotokuristimessa (englanniksi common mode choke, CMC) on kaksi tai useampia käämejä samansuuntaisesti. Yhteismuotokuristin päästää lävitseen eromuotoiset virrat, mutta estää yhteismuotoisen virran kulkua. Esim. differentiaalisen signaalilinjan (vaikkapa RS-485-väylän) signaalijännite säilyy lähes muuttumattomana, mutta molemmissa signaaleissa samanlaisena oleva signaali suodattuu. Yhteismuotokuristimia käytetään usein radiotaajuisten häiriöiden vaimentamiseen (EMC-suojaus).

KäyttötarkoituksiaMuokkaa

Keloja käytetään mm. häiriönpoistoon sekä ali- ja ylipäästösuotimina, kuten kaiuttimen jakosuotimena.

Sähkömagneetti on kelan sovellus, jossa kelan ydin on rautaa. Sähkömagneeti vaatii tasavirran toimiakseen.

Sähkömuuntajassa ei ole kelaa. Muuntajan käämit muodostavat periaatteessa muuntajan sydämen kanssa kelat, mutta kela ei ole mikään muuntajan erillinen osa. Muuntajan sydämen ympärillä on aina vahintään kaksi käämiä jotka vuorovaikuttavat sähkömagneettisesti toistensa kanssa siirtäen energiaa käämien välillä. Energia siirtyy virtapiiristä toiseen käämien välisen keskinäisinduktanssin välityksellä. Kelassa on vain yksi käämi, kun muuntajassa käämejä on vähintään kaksi. Saman kelasydämen ympärillä voi toki olla useampi käämi, mutta kelan ollessa kyseessä niistä käytetään vain yhtä kerrallaan tai muutoin kyseessä on muuntaja ja käämien virrat vaikuttavat toisiinsa.


Käyttökohteina mm. radiot, televisiot, puhelimet, autot...

Katso myösMuokkaa

LähteetMuokkaa

  1. a b c Rautasydäminen kela
  2. a b c Voipio, Erkki: Sähkö- ja magneettikentät, s. 159–163. Moniste 381. Espoo: Otakustantamo, 1987. ISBN 951-672-038-2.
  3. Induktio, Lenzin laki; Internetix
  4. Induktiivisuuden ABC 2004, sivu 8; Würth Elektronik Oy
  5. Induktio, Magneettikentän energia; Internetix
  6. Ihonen, Turo: Loissähkön hallinnan muutosten vaikutus jakeluverkkoyhtiölle (PDF) Fingrid.fi. 24.6.2015. Helsinki: Elenia. Viitattu 12.1.2016.
  7. Järvinen, Joni: Loistehon kompensoinnin hallinta Kilpilahden alueella (PDF) (Insinöörityö) Theseus.fi. 2.2.2015. Metropolia Ammattikorkeakoulu. Viitattu 12.1.2016.
  8. Väisänen, Pasi: Loistehon kompensointi jakeluverkkoyhtiössä (PDF) (Diplomityö) cc.tut.fi. 2012. Tampere: Tampereen teknillinen yliopisto. Viitattu 12.1.2016.
  9. Zhang, Wen Wen: Loistehon säätö ja kompensointi (PDF) (Diplomityö) Doria.fi. 2014. Lappeenranta: Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Viitattu 12.1.2016.

KirjallisuuttaMuokkaa

  • Wiio, Osmo A.; Somerikko, Unto V.: Nuorten radiokirja. Tekniikan maailma, 1963.