Kela (komponentti)

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tämä artikkeli käsittelee sähköteknistä laitetta. Muita merkityksiä, katso täsmennyssivu.
Erilaisia keloja
Erilaisia keloja
Kelan piirrosmerkki

Kela eli käämi on passiivinen sähkö­tekniikan ja elektroniikan komponentti, joka vastustaa lävitseen kulkevan sähkövirran muutosta. Se koostuu kierretystä (käämitetystä) johtimesta ja kelasydämestä. Kun virta kulkee kelan läpi, energiaa varastoituu kelan magneettikenttään. Kelan lävitse kulkevan virran muuttuessa muuttuu myös kelan lävistävä magneettivuo. Kelan induktanssi pyrkii vastustamaan tätä magneettivuon muutosta luomalla johtimeen Faradayn induktiolain mukaisen jännitteen.[1]

Keloja tarvitaan kaikissa laitteissa, jotka perustuvat sähkömagneetteihin, esimerkiksi sähkömoottoreissa, muuntajissa ja releissä. Vaihtovirtapiirissä kelan induktanssi aiheuttaa piiriin positiivisen reaktanssin. [1]

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

Kelan mekaaninen vastine on vauhtipyörä.

Rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kela koostuu kierretystä (virta)johtimesta, yleensä eristetystä kuparilangasta. Toinen kelan osa on kelasydän, jonka ympärille johdin on kierretty. Sydämen materiaaliksi käy periaatteessa mikä vain. Yleensä sydämen materiaali on ferromagneettista ainetta, jolla vahvistetaan kelan luomaa magneettikenttää.[1] Ilmasydämisiä keloja käytetään esimerkiksi radiotekniikassa.

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.

Suoran tangon ympärille käämittyä kelaa sanotaan solenoidiksi ja renkaan muotoista kelaa toroidiksi.

Toimintaperiaate[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähkövirta synnyttää johtimen ympärille virran voimakkuuteen verrannollisen magneettivuon. Sähkövirran voimakkuuden muuttuminen muuttaa magneettivuota, mikä Faradayn induktiolain mukaan muodostaa virran muutosta vastustavan 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.

Yhden silmukan lävistävä magneettivuo saadaan virran I ja induktanssin L tulona.

\Phi=LI.

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

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

missä N on kelan kierrosten lukumäärä.

Käämivuo saadaan kertomalla magneettivuo kierrosten lukumäärällä

\Psi=N\Phi.


Induktanssi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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[2]

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[3]

\ X_L = {2  \pi  f   L},

missä f on taajuus ja L kelan induktanssi.

Hyvyysluku Q[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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^2X}{Q}

Varastoitunut energia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kelan magneettikenttään varastoituu energiaa kelan induktanssin L ja kelan läpi kulkevan virran I johdosta[4]:

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

Kuristimet ja reaktorit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.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.

Yhteismuotokuristin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

Käyttökohteina mm. muuntajat, laturit, sähkömagneetti.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]