Rautasydämiset kelat

Rautasydämisen kelan käämityksen keskelle on asetettu rautasydän vahvistamaan kelan kykyä varastoida energiaa magnetoitumisen avulla. Nykyisin rautasydämiä käytetään yhä vähemmän ja niitä korvataan taloudellisimmilla metalliseoksilla.

Teoriaa

kela.png
Kuparijohdin käämittynä

Kela ylipäätään on elektroniikassa ja muilla sähkötekniikan aloilla yleisesti käytetty vaihtovirran laite/komponentti. Se valmistetaan kiertämällä johdinta, joka on usein kuparia. [1] Kelan toimintaperiaate perustuu sen kykyyn varastoida energiaa synnyttämäänsä magneettikenttään. Tätä kykyä nimitetään induktanssiksi L. [2] Induktanssin suuruus riippuu kelan kierrosten lukumäärästä ja sydämen materiaalista sekä mitoista (tai tarkemmin sydämen aikaansaamasta vuosta). Sen yksikkö on henry (H).

Kelan energia:


energia.GIF
L induktanssi, I sähkövirta


Induktanssi:


induktanssi.GIF
N johdinkierrosten lkm, u sydämen permeabiliteetti
A sydämen poikkipinta-ala, l magneettisen piirin pituus




Rakenne

kokonaisuus.png
Rautasydäminen kela osana kontaktoria

Tavanomainen rautasydäminen kela koostuu kahdesta pääkomponentista: käämitty kela ja itse rautasydän. Kela on usein käämitty kuparista tai vastaavasta johteesta. Käämityksen kierrosten lukumäärä on vaihteleva ja se riippuu kelan käyttötarkoituksesta. Yksinkertaisimmillaan se voi olla yksi kierros kuparilankaa.[3]

Rautasydän puolestaan tehdään usein useasta rautalevystä, jotka ovat hyvin lähekkäin, mutta erillään toisistaan. Levyjä kutsutaan dynamolevyiksi. Ne asetellaan erilleen, jotta voidaan minimoida rautasydämeen syntyvien pyörrevirtojen määrä - tai tarkemmin ottaen estää pyörrevirtojen pääsy levyltä toiselle. Tällöin lämpöhäviöt ovat pienemmät ja hyötysuhde kasvaa.[4] Sydän voi myös olla umpirautaa. Yksinkertaisen rautasydämisen kelan voi tehdä myös kotikonstein kiertämällä kuparilankaa rautanaulan ympärille.

Kelassa voi myös olla ns. väliulosottoja kahden vaadittavan liitäntäjohdon lisäksi, ja ne voivat olla missä tahansa kohtaa kelaa.[5]

Toimintaperiaate

rautasydan.png
Rautasydän

Sähkövirta synnyttää aina käämin sisälle magneettikentän. Rautasydämisessä kelassa kulkevan virran muutos aiheuttaa johtimen ympärille muuttuvan magneettivuon, joka puolestaan synnyttää sähkömotorisen voiman. Tämä magnetoi rautasydämen ja täten vahvistaa magneettikenttää käämin sisällä. Raudasta valmistettu sydän on voimakkaasti magnetoituva. Magneettikentän kasvu puolestaan lisää kelan kykyä varastoida energiaa - toisinsanottuna kykyä vastustaa virran muuttumista. Tästä syystä kela vastustaa vaihtovirran kulkua, mutta tasavirran se päästää lävitseen lähes häviöttä.

Käyttötarkoituksia

Keloja käytetään yleisesti (ei vain rautasydämisiä) esimerkiksi häiriönpoistoon kaikenlaisessa elektroniikassa. Häiriönpoistokelaa kutsutaan kuristimeksi. Keloja käytetään myös yli- ja alipäästösuotimiin, kuten kaiuttimen jakosuotimissa, sekä magneettikentän luomiseen esimerkiksi kuvaputkitelevisioiden pysty- ja vaakapoikkeutuksissa.[6]

Käyttökohteita


Ongelmat

Rautasydän kuumenee herkästi. [7] Ylikuumenemisesta on haittaa laitteelle itselleen sekä myös ympäristölle (esim. paloturvallisuus). Suuren kokoluokan rautasydämissä tulee huomioida tarkasti laitteen jäähdytys esimerkiksi tuulettimilla ja passiivisilla jäähdytinkomponenteilla. Kuumenemista estää myös sydämen rakentaminen ohuista levyistä (kts. toimintaperiaate). Kuumeneminen aiheutuu induktion aiheuttamista pyörrevirroista.

Luokittelu

Keloja voidaan luokitella monella eri tavalla, esimerkiksi jo pelkästään sydämen materiaalin mukaan. Tarkasteltaessa nimenomaan rautasydämisiä keloja ryhmittelyperiaatteena voi olla esimerkiksi taajuusalue, sillä jokaisella kelalla on sille ominainen taajuusalue, johon se on vaihtovirtapiirissä suunniteltu.

Kuten tavallisia vastuskomponettejakin, keloja on sekä kiinteitä että säädettäviä (kts. Säätövastukset). Säädettävien kelojen idea on, että rautasydäntä liikutetaan ulos- ja sisäänpäin käämityksen sisällä. Tällöin kelan induktanssi (ja sen myötä impedanssi) muuttuu magneettikentän muutoksen myötä. Kiinteissä keloissa rautasydän on kiinteä.

Vastuskomponenttejen tavoin kelakomponenteillekin on olemassa värikooditaulukko sen tyypin ja vahvuuden mukaan, kuitenkin vain kelan rakenteen ollessa ns. läpivientikomponentti. Ensimmäinen värimerkintä on hopean värinen leveä rengas, joka erottaa kelat muutoin samaltanäyttävistä vastuskomponenteista. Muut värit ilmoittavat induktanssin arvot ja toleranssin eli tarkkuusluokan. [8]

Muita kelatyyppejä


  1. ^ http://fi.wikipedia.org/wiki/Kela_%28komponentti%29 katsottu 28.1.2010
  2. ^ http://fi.wikipedia.org/wiki/Induktanssi katsottu 28.1.2010
  3. ^ http://www.tokem.fi/teku/virt_amk/elko/Kurssin_sisalto/Passiiviset_/Kelat/body_kelat.html
  4. ^ http://fi.wikipedia.org/wiki/Muuntaja katsottu 28.1.2010 katsottu 4.2.2010
  5. ^ http://koti.mbnet.fi/~huhtama/ele/index.php?si=ml21.sis&pa= Tekijä: Kari Huhtama; katsottu 4.2.2010
  6. ^ http://koti.mbnet.fi/~huhtama/ele/index.php?si=ml21.sis&pa= Tekijä: Kari Huhtama; Katsottu 4.2.2010
  7. ^ http://www.leenakorpinen.fi/archive/svt_opus/9muuntajat_ja_sahkolaitteet.pdf katsottu 28.1.2010
  8. ^ http://www.tokem.fi/teku/virt_amk/elko/Kurssin_sisalto/Passiiviset_/Kelat/body_kelat.html katsottu 4.2.2010