Kela (komponentti)

Erilaisia keloja

Erilaisia keloja

Kelan piirrosmerkki

Kela (myös induktori tai käämi) on passiivinen sähkötekniikan ja elektroniikan komponentti, joka voi varastoida energiaa sen läpi kulkevan sähkövirran synnyttämään magneettikenttään. Varastoitunut energia pyrkii vastustamaan kelan läpi kulkevan virran muutoksia, mitä ominaisuutta kuvataan induktanssilla. Induktanssin yksikkö on Henry (H).

Kelalla on tärkeä merkitys kaikissa laitteissa, joissa käytetään sähkömagneetteja, esimerkiksi sähkömoottorissa ja muuntajassa. Vaihtovirtapiirissä kelaa käytetään muodostamaan piiriin positiivinen reaktanssi. Sähköisesti kelan vastakohta on kondensaattori, jolla on negatiivinen reaktanssi.

Kelan mekaaninen vastine on vauhtipyörä.

Rakenne

Kela tehdään tyypillisesti kiertämällä eli käämimällä sähköjohdin tätä tarkoitusta varten valmistetun ferromagneettisen sydämen ympärille. On mahdollista tehdä myös ilmasydäminen kela. Tällöin sydänaineena toimii ilma, ja kela rakennetaan esimerkiksi muovisen tukirungon päälle. Mikäli johdin on tarpeeksi jäykkä, voidaan ilmasydäminen kela tehdä myös ilman erillistä tukirunkoa.

Etenkin suurilla taajuuksilla sydämenä käytetään ferriittiä. Kelan induktanssiin suuruuteen vaikuttavat sydämen muoto, materiaali sekä johdinkierrosten määrä. Myös yksittäisellä johdinlenkillä ja suoralla johtimellakin on pieni induktanssi, mikä joudutaan ottamaan huomioon hyvin suuritaajuuksisia signaaleita käsitteleviä virtapiirejä suunniteltaessa.

Eri muotoisia keloja

Jos sydän jonka ympärille kelan johdin on käämitty, on suora tanko, on kyseessä solenoidi. Jos se on ympyrän muotoinen, kelaa sanotaan toroidiksi.

Toimintaperiaate

Sähkövirta synnyttää johtimen ympärille virran voimakkuuteen verrannollisen magneettivuon. Sähkövirran voimakkuuden muuttuminen muuttaa magneettivuota, mikä Faradayn induktiolain mukaan muodostaa virran muutosta vastustavan sähkömotorisen voiman eli jännitteen. Kiertämällä johdin kelaksi magneettikenttä voimistuu, ja se on verrannollinen kelan kierrosten lukumäärään. Jos kelan sisällä on raudasta tai muusta ferromagneettisesta aineesta valmistettu, korkean permeabiliteetin omaava sydän, sen vaikutuksesta kelan induktanssi voi kasvaa jopa 2000-kertaiseksi.

Induktanssi

Kelan kykyä vastustaa virran muutoksia kuvaa sen induktanssi, jota mitataan henryissä (H). Kun induktanssin L läpi kulkee virta I, niin sen päiden yli vaikuttaa jännite

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

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 diodi estämään nopeista virranmuutoksista aiheutuneita jännitepiikkejä.

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

$\ X_L = {2 \pi f L}$,

missä f on taajuus ja L kelan induktanssi.

Hyvyysluku Q

Häviöttömässä induktanssissa sähköenergiaa ei muutu lämmöksi, vaikka kelan läpi kulkee virtaa ja kelan yli on jännite. Käytännössä kelalla kuitenkin on aina resistanssia (ellei johdinta ole valmistettu suprajohtavasta materiaalista). Kelan vaikutusta sähkövirtaan voidaan kuvata sijaiskytkentämallilla, jossa resistanssin ja induktanssin kuvitellaan olevan sarjaan kytkettyjä. Puhutaan kelan Q-arvosta eli hyvyysluvusta, joka on kelan reaktanssi jaettuna sen sisäisellä resistanssilla. Mitä suurempi on Q-arvo, sen pienempiä ovat kelan häviöt. Hyvin suuri Q-arvo tarkoittaa, että kela on lähes ideaalinen, pieni Q-arvo taasen, että sisäinen resistanssi vaikuttaa merkittävästi kelan sisältävän virtapiirin toimintaan. Esimerkiksi elektroniikan suodattimien käytännön suunnittelussa käytetyissä kaavoissa on Q-arvo usein jo mukana.

Kelan sisäisessä resistanssissa muuttuu tehoa lämmöksi. Häviävä teho voidaan laskea kaavalla

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

Varastoitunut energia

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

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

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

Yhteismuotokuristin

Yhteismuotokuristimessa (englanniksi common mode choke) 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).

Katso myös

• Reaktanssi
• Häviökerroin
• Magneettivuon tiheys
• Kondensaattori
• Muuntaja
• Rele
• Sähkömagneetti
• Puola (moottoritekniikka)
• Magneettivahvistin