Kela (komponentti)

Kela on passiivinen sähkö­tekniikan ja elektroniikan komponentti, joka virrallisena luo sisälleen magneettikentän. Sähköisenä komponenttina kelaa käytetään lisäämään virtapiiriin induktanssia. Kelan käämiä käytetään myös magneettikentän synnyttämiseen esimerkiksi releissä ja muuntajissa. Kela valmistetaan usein käämimällä eristettyä johdinlankaa moninkertaisen silmukan muotoon.

Erilaisia keloja

Erilaisia keloja

Ilmasydämisen kelan piirrosmerkki

Kelan ja käämin suhde

Käämi eli käämitys (engl. winding) tarkoittaa ilma- tai magneettisydämen ympärille kerälle kierrettyä johdinta tai johtimia. (Induktio)kela (engl. inductor) puolestaan on piirielementti, jota luonnehtii sen induktanssi. Käytännössä suurin osa keloista on käämejä.

Kaikki käämit eivät kuitenkaan ole keloja. Esimerkiksi muuntajien ensiö- ja toisiokäämit kytkeytyvät yhteen niiden välisen keskinäisinduktanssin kautta, eivätkä ne siis toimi kelana, koska niillä on muutakin kuin itseinduktanssia.

Rakenne

Kela muodostuu käämistä ja joko kiinteästä tai ilman muodostamasta kelasydämestä. Kelan induktanssin suuruuteen vaikuttaa kelasydän (halkaisija ja materiaali) ja johdinkierrosten määrä. Mikäli toisen vaikutusta pienentää, niin toisen vaikutusta pitää lisätä.

Kelalta vaadittava induktanssi voidaan perustaa pelkän käämin (ja ilmasydämen) varaan, mutta erillisellä kelasydämellä käämin kokoa – johtimen pituutta – voidaan pienentää ja resistanssia näin ollen myös laskea. Mitä enemmän kierroksia, niin sitä suurempi induktanssi (ja myös resistanssi), ja mitä suurempi ja magneettisesti aktiivisempi kelasydän, niin sitä suurempi induktanssi.

Myös yksittäisellä johdinlenkillä ja suoralla johtimella on pieni induktanssi, mikä joudutaan ottamaan huomioon hyvin suuritaajuuksisia signaaleita käsitteleviä virtapiirejä suunniteltaessa. Virtapiirin suunnittelija määrittelee kelan induktanssin. Lisäksi suunnittelija määrittää kelan resistanssin ja virrankeston.

Käämi

Tyypillisesti kelan käämi on johtimesta kelasydämen ympärille käämitty sylinterin muotoinen spiraali. Renkaan muotoisen ytimen ympärille käämittyä kelaa kutsutaan toroidiksi. Tasaiseksi spiraaliksi käämittyä kelaa kutsutaan puolestaan pannukakkukelaksi (engl. pancake coil). Pannukakkukelalla ei tyypillisesti ole mitään kiinteää kelasydäntä.

Kelan käämille määritellään laskennallisesti käämin sisähalkaisija, kierrosten lukumäärä sekä käämilangan paksuus ja eristevahvuus. Käämilangan paksuus vaikuttaa resistanssiin ja virrankestoon ja se määräytyy kelan läpi kulkevan virran mukaan. Mitä paksumpaa lankaa, niin sitä suurempi virrankesto ja pienempi resistanssi. Käämilangan eristeeltä vaadittava eristyskyky määräytyy eristeen yli vaikuttavan jännitteen mukaan.

Varsinainen (käämilanka, engl. magnet wire) on ohuella emalikerroksella päällystettyä kupari- tai alumiinilankaa. Käämilankana voidaan käyttää myös eristämätöntä johdinta, mutta tällöin pitää varmistaa, ettei käämiin muodostu oikosulkuja. Käytännössä eristämättömiä johtimia käytetään vain pienissä ilmasydämisissä keloissa.

Kelasydän

Kelasydän on alue, jonka ympärille käämin johdin on kierretty. Kela voi olla myös ilmasydäminen.

Kelalta vaadittava induktanssi voidaan perustaa pelkän käämin (ja ilmasydämen) varaan, mutta kiinteällä kelasydämellä käämin kokoa voidaan pienentää ja säästää johdinmateriaalia sekä pienentää resistanssia. Yleensä sydän on ferromagneettista materiaalia, jolla vahvistetaan kelan luomaa magneettikenttää.

Etenkin suurilla taajuuksilla kelasydämenä käytetään ferriittiä pyörrevirtojen välttämiseksi.

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.

Toiminta

Sähkövirta synnyttää käämin johdinkierrosten ympärille virran voimakkuuteen verrannollisen magneettivuon oikean käden 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.

$U=-L{\frac {dI}{dt}}$.

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.

$\Phi =LI$.

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

$\Phi =L{\frac {I}{N}}$.

missä N on kelan käämin johdinkierrosten lukumäärä.

Käämivuo saadaan kertomalla magneettivuo käämin kierrosten lukumäärällä

$\Psi =N\Phi$.

Vaihtovirtapiirissä kelan induktanssi aiheuttaa piiriin positiivisen reaktanssin.

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

Kelan mekaaninen analogia on vauhtipyörä.

Induktanssi

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.

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

$\ X_{L}={2\pi fL}$,

missä f on taajuus ja L kelan induktanssi.

Hyvyysluku Q

Kelan epäideaalisuuksia kuvataan hyvyysluvulla Q. Esimerkiksi kelaan käytettävällä johtimella on aina resistanssia, joka aiheuttaa energian muuttumista lämmöksi. Lämmöksi muuttuva teho lasketaan kaavalla

$P={\frac {I^{2}X}{Q}}$

Varastoitunut energia

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

$E_{\mathrm {kela} }={1 \over 2}LI^{2}$

Kuristimet ja reaktorit

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. 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. 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. Myös tasoitusreaktorin induktanssi on hyvin suuri. Tämä on myös yksi tärkeistä tasavirtaa vakavoivista tekijöistä.

Yhteismuotokuristin

Tämänkaltaisia yhteismuotokuristimia käytetään usein sähköverkkoon kytkettävissä hakkuriteholähteissä vaimentamaan sähköverkkoon päin johtuvia suurtaajuisia häiriöitä.

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).

Käyttötarkoituksia

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

Sähkömagneetti on kelan sovellus, jossa kelan ydin on rautaa. Sähkömagneetti vaatii tasavirran toimiakseen.^lähde?

Sähkömuuntajassa ei ole kelaa.^selvennä 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.

Käyttökohteita ovat muun muassa radiot, televisiot, puhelimet ja autot.

Katso myös

• Reaktanssi
• HPM
• Häviökerroin
• Magneettivuon tiheys
• Kondensaattori
• Muuntaja
• Rele
• Sähkömagneetti
• Puola (moottoritekniikka)
• Magneettivahvistin
• LCR-mittari

Kirjallisuutta

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

Aiheesta muualla

• Ideaalinen käämi AC-piirissä ja induktiivinen reaktanssi Opetus.tv. 3.9.2012. Viitattu 9.3.2022.