Lähdekoodi sivulle Kela (komponentti)

{{Korjattava|Lähteistys puutteellinen}}
[[Tiedosto:Inductors-photo.JPG|thumb|Erilaisia keloja]]
[[Tiedosto:Electronic_component_inductors.jpg|thumb|Erilaisia keloja]]
[[Tiedosto:Inductor.svg|thumb|Ilmasydämisen kelan piirrosmerkki]]

'''Kela''' on passiivinen [[sähkötekniikka|sähkötekniikan]] ja [[elektroniikka|elektroniikan]] komponentti, joka virrallisena luo sisälleen magneettikentän. Sähköisenä komponenttina kelaa käytetään lisäämään virtapiiriin [[induktanssi]]a. Kelan '''käämiä''' käytetään myös magneettikentän synnyttämiseen esimerkiksi releissä ja muuntajissa. Kela valmistetaan usein käämimällä eristettyä johdinlankaa moninkertaisen silmukan muotoon.

== Kelan ja käämin suhde ==
Käämi eli käämitys ({{k-en|winding}})<ref>{{Verkkoviite |osoite= https://www.electropedia.org/iev/iev.nsf/display?openform&ievref=151-13-17 |nimeke=IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 151-13-17: "winding" |julkaisu= electropedia.org |viitattu=2022-03-08|kieli= {{en}}}}</ref> tarkoittaa  ilma- tai magneettisydämen ympärille kerälle kierrettyä johdinta tai johtimia. (Induktio)kela ({{k-en|inductor}}) puolestaan on piirielementti, jota luonnehtii sen induktanssi.<ref>{{Verkkoviite |osoite= https://www.electropedia.org/iev/iev.nsf/display?openform&ievref=151-13-25 |nimeke=IEC 60050 – International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 151-13-25: "inductor" |julkaisu= electropedia.org |viitattu=2022-03-08 |kieli= {{en}}}}</ref> Käytännössä suurin osa keloista on käämejä. 

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

== Rakenne ==
Kela muodostuu [[käämi]]stä 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 [[resistanssi]]a 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 [[induktanssi]]n. Lisäksi suunnittelija määrittää kelan [[resistanssi]]n ja virrankeston.

=== Käämi ===
Tyypillisesti kelan käämi on [[Sähköjohto|johtimesta]] kelasydämen ympärille käämitty sylinterin muotoinen spiraali. Renkaan muotoisen ytimen ympärille käämittyä kelaa kutsutaan [[toroidi (käämi)|toroidiksi]]. Tasaiseksi [[spiraali]]ksi käämittyä kelaa kutsutaan puolestaan pannukakkukelaksi ({{k-en|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 [[eriste]]eltä vaadittava eristyskyky määräytyy eristeen yli vaikuttavan jännitteen mukaan.

Varsinainen (''käämilanka'', {{k-en|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 [[Ferromagnetismi|ferromagneettista]] materiaalia, jolla vahvistetaan kelan luomaa magneettikenttää.<ref name="kela" />

Etenkin suurilla [[taajuus|taajuuksilla]] kelasydämenä käytetään [[ferriitti]]ä pyörrevirtojen välttämiseksi.{{selvennä|Milloin taajuus on suuri?}}

Ilmasydämisiä keloja käytetään esimerkiksi [[Radiotekniikka|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 sääntö|oikean käden säännön]] mukaisesti; mikäli kiedot oikean kätesi käämityksen ympärille siten, että sormenpäät osoittavan virran kiertosuuntaan, niin peukalo osoittaa magneettivuon suunnan.

Kun [[Sähkövirta|virta]] kulkee käämin läpi, energiaa varastoituu kelan [[magneettikenttä]]än. Kelan käämin lävitse kulkevan virran muuttuessa muuttuu myös kelan lävistävä [[magneettivuo]]. Kelan [[induktanssi]] pyrkii vastustamaan tätä magneettivuon muutosta luomalla johtimeen [[Faradayn induktiolaki|Faradayn induktiolain]] mukaisen [[sähkömotorinen voima|sähkömotorisen voiman]] (smv), eli [[jännite|jännitteen]].<ref name= "kela">[http://kompo2010.wikispaces.com/Rautasyd%C3%A4miset+kelat Rautasydäminen kela] {{Wayback |1= http://kompo2010.wikispaces.com/Rautasyd%C3%A4miset+kelat |päiväys= 20140914213619 }}</ref>

:<math>U=-L\frac{dI}{dt}</math>.<ref name=EV/>
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.
:<math>\Phi=LI</math>.<ref name=EV/>

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

:<math>\Phi=L\frac{I}{N}</math>. 
missä ''N'' on kelan käämin johdinkierrosten lukumäärä.

[[Käämivuo]] saadaan kertomalla magneettivuo käämin kierrosten lukumäärällä
:<math>\Psi=N\Phi</math>.

[[Vaihtovirta]]piirissä kelan induktanssi aiheuttaa piiriin positiivisen [[reaktanssi]]n.<ref name="kela" />

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 (yksikkö)|henry]] (H). Induktanssin L läpi kulkevan sähkövirran I muutos aiheuttaa kelan napojen yli jänniteen<ref>[http://materiaalit.internetix.fi/fi/opintojaksot/5luonnontieteet/fysiikka/fysiikka7/induktio Induktio, Lenzin laki] Internetix</ref>.

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

Keloja käytetään erityisesti [[vaihtovirta]]piireissä sen [[induktiivinen reaktanssi|induktiivisen reaktanssin]] vuoksi. Sitä mitataan [[ohmi|ohmeina]] kuten [[resistanssi]]akin. Toisin kuin vastuksen resistanssi, induktiivinen reaktanssi riippuu vaihtovirran taajuudesta ja se lasketaan kaavalla<ref>[http://www.wurthelektronik.fi/site/media/pdf/we/kuvasto/emc_suunnitteluopas/WE-Induktiivisuuden_ABC_2004.pdf Induktiivisuuden ABC 2004, sivu 8] Würth Elektronik Oy</ref>

:<math>\ X_L = {2  \pi  f   L}</math>,

missä ''f'' on [[taajuus]] ja ''L'' kelan [[induktanssi]].

== Hyvyysluku Q ==
Kelan epäideaalisuuksia kuvataan [[Hyvyysluku|hyvyysluvulla Q]]. Esimerkiksi kelaan käytettävällä johtimella on aina [[resistanssi]]a, joka aiheuttaa energian muuttumista [[lämpö|lämmöksi]]. Lämmöksi muuttuva [[teho]] lasketaan kaavalla

:<math>P=\frac{I^2X}{Q}</math>

== Varastoitunut energia ==
Kelan magneettikenttään varastoituu [[energia]]a kelan induktanssin ''L'' ja kelan läpi kulkevan [[sähkövirta|virran]] ''I'' johdosta<ref>[http://materiaalit.internetix.fi/fi/opintojaksot/5luonnontieteet/fysiikka/fysiikka7/induktio Induktio, Magneettikentän energia; Internetix]</ref>:

:<math> E_\mathrm{kela} = {1 \over 2} L I^2 </math>

== Kuristimet ja reaktorit ==
[[Tiedosto:LAjaHID.jpg|thumb|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 [[Loistevalaisin|loistevalaisimen]]. 

Vielä suurempia voimavirtaverkossa käytettäviä kuristimia suurilla rautasydämillä kutsutaan myös ''reaktoreiksi''.<ref>{{Verkkoviite |nimeke= Loissähkön hallinnan muutosten vaikutus jakeluverkkoyhtiölle |tekijä= Ihonen, Turo |osoite= http://www.fingrid.fi/fi/asiakkaat/asiakasliitteet/Kayttotoimikunta/2015/24.6.2015/Loistehon_hallinta_Elenia.pdf |tiedostomuoto= PDF |sivusto= Fingrid.fi |julkaisupaikka= Helsinki |julkaisija= Elenia |ajankohta= 2015-06-24 |viitattu= 2016-01-12 |arkisto= https://web.archive.org/web/20160807061928/http://www.fingrid.fi/fi/asiakkaat/asiakasliitteet/Kayttotoimikunta/2015/24.6.2015/Loistehon_hallinta_Elenia.pdf |arkistoitu= 2016-08-07 }}</ref><ref>{{Verkkoviite |nimeke= Loistehon kompensoinnin hallinta Kilpilahden alueella |tekijä= Järvinen, Joni |osoite= https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/86907 /Loistehon%20kompensoinnin%20hallinta%20Kilpilahden%20alueella.pdf |tiedostomuoto= PDF |selite= Insinöörityö |sivusto= Theseus.fi |julkaisija= Metropolia Ammattikorkeakoulu |ajankohta= 2015-02-02 |viitattu= 2016-01-12 }}{{Vanhentunut linkki|bot=InternetArchiveBot }}</ref><ref>{{Verkkoviite |nimeke= Loistehon kompensointi jakeluverkkoyhtiössä |tekijä= Väisänen, Pasi |osoite= https://dspace.cc.tut.fi/dpub/bitstream/handle/123456789/21284/Vaisanen.pdf |tiedostomuoto= PDF |selite= Diplomityö |sivusto= cc.tut.fi |julkaisupaikka= Tampere |julkaisija= Tampereen teknillinen yliopisto |ajankohta= 2012 |viitattu= 2016-01-12 |arkisto= https://web.archive.org/web/20160917203138/https://dspace.cc.tut.fi/dpub/bitstream/handle/123456789/21284/Vaisanen.pdf |arkistoitu= 2016-09-17 }}</ref><ref>{{Verkkoviite |nimeke= Loistehon säätö ja kompensointi |tekijä= Zhang, Wen Wen |osoite= http://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/100091/Loistehon%20s%c3%a4%c3%a4t%c3%b6%20ja%20kompensointi.pdf |tiedostomuoto= PDF |selite= Diplomityö |sivusto= Doria.fi |julkaisupaikka= Lappeenranta |julkaisija= Lappeenrannan teknillinen yliopisto |ajankohta= 2014 |viitattu= 2016-01-12 |arkisto= https://web.archive.org/web/20160911041255/http://www.doria.fi/bitstream/handle/10024/100091/Loistehon%20s%c3%a4%c3%a4t%c3%b6%20ja%20kompensointi.pdf |arkistoitu= 2016-09-11 }}</ref> Nämä ovat rakenteeltaan suurjännite[[Muuntaja|muuntajien]] 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 [[muuntaja]]n [[Tähtipiste|nollapiste]]en tai rinnakkaisreaktorin [[impedanssi]]a. Yksivaiheisten vikojen aikana reaktori rajoittaa vikavirtaa nollapisteessä ja johdon tila palautuu entiselleen nopeammin. Nollapistereaktoreita käytetään [[Tähti-kolmiomuunnos|tähteen]] kytkettyjen muuntajien yhteydessä, [[Tähti-kolmiomuunnos|kolmioon]] kytketyissä muuntajissa taas ei ole [[nollapiste]]ttä eikä nollapistereaktoria tällöin käytetä.

'''Sarjareaktoreiden''' tarkoitus on [[vaihtovirta]][[Sähköverkko|verkossa]] rajoittaa vikavirtaa [[Sähköverkko|siirtoverkon]] [[oikosulku]]tilanteissa 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 korkeajännite[[tasavirta]]järjestelmiin. Niiden tarkoituksena on vähentää ns. virran sykintää tasasuuntauksen jälkeen koko kuormitusvirran kulkiessa reaktorin läpi. Sykinnällä tarkoitetaan [[tasasuuntaaja]]lta tulevassa tasavirrassa olevia jatkuvia harmonisia virtoja.{{selvennä|Mitä ovat harmoniset virrat?}} Reaktorin tarkoituksena on luoda korkea [[impedanssi]] harmonisille virroille, vähentää niiden suuruutta ja näin tasoittaa edelleen [[tasavirta]]a.

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 ===
[[Kuva:Common mode choke 2A with 20mH inductance.jpg|pienoiskuva|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 [[Elektroniikan suodattimet|ali- ja ylipäästösuotimina]], kuten kaiuttimen [[Jakosuodin|jakosuotimena]].

[[Sähkömagneetti]] on kelan sovellus, jossa kelan ydin on rautaa. Sähkömagneetti vaatii tasavirran toimiakseen.{{Lähde}}

[[Sähkömuuntaja]]ssa 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 [[virtapiiri]]stä toiseen käämien välisen [[keskinäisinduktanssi]]n 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 [[radio]]t, [[televisio]]t, [[puhelin|puhelimet]] ja [[auto]]t.

== Katso myös ==
*[[Reaktanssi]]
*[[HPM]]
*[[Häviökerroin]]
*[[Magneettivuon tiheys]]
*[[Kondensaattori]]
*[[Muuntaja]]
*[[Rele]]
*[[Sähkömagneetti]]
*[[Puola (moottoritekniikka)]]
*[[Magneettivahvistin]]
*[[LCR-mittari]]

==  Lähteet  ==
{{Viitteet|sarakkeet|viitteet
<ref name=EV>{{Kirjaviite |Tekijä=Voipio, Erkki |Nimeke=Sähkö- ja magneettikentät |Selite=Moniste 381 |Sivut=159–163 |Julkaisija=Otakustantamo |Julkaisupaikka=Espoo |Vuosi=1987 |ISBN= 951-672-038-2}}</ref>
}}

== Kirjallisuutta ==
* {{Kirjaviite |Tekijä=Wiio, Osmo A.; Somerikko, Unto V. |Nimeke=Nuorten radiokirja |Julkaisija=Tekniikan Maailma |Vuosi=1963}}

== Aiheesta muualla ==
* {{Verkkoviite|osoite= https://opetus.tv/lukio-ops2016/fysiikka/fy6/ideaalinen-kaami-ac-piirissa-ja-induktiivinen-reaktanssi/ |nimeke=Ideaalinen käämi AC-piirissä ja induktiivinen reaktanssi |julkaisu=Opetus.tv |ajankohta=2012-09-03 |viitattu=2022-03-09 }}

{{Metatieto}}

[[Luokka:Elektroniikan komponentit]]
[[Luokka:Sähkömagnetismi]]
[[Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit]]