Induktiokela tai "kipinäkela" on eräänlainen sähkömuuntaja. Sitä käytetään tuottamaan korkeajännitepulsseja pienjännitteisestä tasavirtasyötöstä. Toisiokäämin jännitteen indusoimiseksi tarvittavien vuonmuutosten aikaansaamiseksi ensiökäämin tasavirta katkaistaan toistuvasti värähtelevällä mekaanisella kosketuksella, jota kutsutaan katkaisijaksi.

Induktiokela oli ensimmäinen muuntajatyyppi. Sitä käytettiin laajalti röntgenlaitteissa, kipinähaukkuradiolähettimissä, valokaarivalaisimissa ja lääketieteellisissä puoskarilaitteissa 1880-luvulta 1920-luvulle. Nykyään sitä käytetään yleisesti vain polttomoottoreiden sytytyskeloissa ja fysiikan opetuksessa induktion havainnollistamiseen.

Toimintaperiaate

Induktiokelan periaate perustuu magneettivuon muutokseen. Kela koostuu ensiö- ja toisiokäämeistä, jotka on kääritty yhteisen magneettisen piirin (yleensä rautasydämen) ympärille. Kun ensiökäämin pienjännitteinen virta katkaistaan nopeasti, magneettivuo muuttuu äkillisesti ja indusoi toisiokäämiin korkean vaihtojännitteen. Mekaaninen katkaisija (interrupter) tai myöhemmissä sovelluksissa elektroninen katkaisija aiheuttaa nämä toistuvat virran katkeamiset.

Rakenne ja tärkeät osat

  • Ensiökäämi: muutaman kymmenen kierroksen paksummasta johtimesta, läpi kulkee paksu tasavirta.
  • Toisiokäämi: suuri määrä ohuita johtimia (usein satoja tai tuhansia kierroksia), tuottaa suuren jännitteen.
  • Rautasydän: pehmoteräksinen sydän suurentaa induktiivisuutta ja siten jännitteenmuutoksen vaikutusta.
  • Katkaisija (interrupter): alkuperäisissä keleissä mekaaninen kosketin, joka avaa ja sulkee ensiökäämin virtapiirin nopeasti.
  • Kondensaattori (kondensaattori/kondensaattori-pari): kytketään usein ensiökäämin rinnalle suojaten kosketuspintoja ja muodostamaan värähtelevä piiri, jolloin syntyy lyhyt, korkeataajuinen ja voimakkaampi kipinätoiminto.

Historia lyhyesti

Induktiokelan tunnettu kehittäjä on usein mainittu Heinrich Ruhmkorff, jonka paranneltu versio 1800-luvun puolivälissä yleistyi ja sai laajaa käyttöä. 1800–1900-lukujen vaihteessa induktiokeloja käytettiin laajasti röntgensäteilyn ja varhaisten langattomien lähettimien tuottamiseen. Monet aikakauden sähkö- ja lääketieteelliset laitteet perustuivat kipinäkelojen tuottamiin suurijännitepulssseihin.

Miten kelan suorituskykyä säädellään

Kelan antama jännite ja pulssin luonne riippuvat muun muassa ensiön ja toision kierrosluvusta, syöttöjännitteen voimakkuudesta, katkaisunopeudesta, kondensaattorin ominaisuuksista sekä magneettisesta piirestä. Ilman kondensaattoria kosketuspinnat kuluvat nopeasti ja syntyvä jännite voi olla lyhyempi ja heikompi. Kondensaattori yhdessä kelan kanssa voi tuottaa värähtelevän piirin, jolloin syntyy damped oscillation -tyyppinen korkea jännite ja pidempi kipinä.

Nykyaikainen käyttö

  • Auton sytytysjärjestelmät: modernit polttomoottoreiden sytytyskelat ovat periaatteessa induktiokeloja, mutta ne on toteutettu nykyaikaisella elektroniikalla (transistoriohjauksella), usein erillisillä "coil pack" -yksiköillä tai suoraan sylinterin päässä "coil-on-plug" -ratkaisuina. Niiden tehtävä on tuottaa tarpeeksi korkeajännitteinen kipinä sytytystulpalle (tyypillisesti kymmenistä kilovolteista jopa yli 30–40 kV vaihtelevasti).
  • Opetus ja demonstraatiot: kouluissa ja yliopistoissa induktiokeloja käytetään induktion periaatteen osoittamiseen ja kipinöiden synnyn havainnollistamiseen.
  • Laboratoriokäyttö ja harrastus: pienimuotoisissa kokeissa ja harrasteelektroniikassa induktiokeloja voidaan käyttää korkeajännitetestaukseen, valaistukseen vanhan mallin kaasupurkauslampuilla ja näyttelykohteissa. Historiallisia keloja säilytetään myös museoissa.

Esimerkkejä suoritusarvoista

Vanhoissa röntgen- ja radiolähettimissä kipinäkelo saattoi tuottaa jopa satojen kilovoltien jännitteitä, kun taas nykyaikaiset autokäytössä olevat kelat tuottavat tyypillisesti kymmeniä kilovoltteja riittävän sytytyskipinän luomiseksi. Tarkka arvo riippuu rakenteesta ja käyttötarkoituksesta.

Turvallisuus

Induktiokela tuottaa korkean jännitteen, joka voi aiheuttaa vakavia vammoja tai tappavan sähköiskun. Vaikka kelan läpi kulkeva virta on yleensä pieni, kipinän energia ja suora kosketus korkeajännitejohtoon ovat vaarallisia. Lisäksi kelan kytketty kondensaattori voi säilyttää varauksen pitkään. Perusohjeet turvalliseen käsittelyyn:

  • Älä koske kelaan tai sen johtimiin jännitteellä ollessa.
  • Käytä asianmukaisia eristeitä ja suojavälineitä (kumihanskat, voimavirtakäyttöön soveltuvat työkalut).
  • Varmista laite maadoitus ja käytä häiriövaimentimia, jos laitetta käytetään elektronisten laitteiden lähellä.
  • Vältä kelojen käyttöä kotikonstein röntgen- tai muun ionisoivan säteilyn tuottamiseen ilman asiantuntemusta ja luvitusta.

Yhteenveto

Induktiokela eli kipinäkela oli aikansa keskeinen korkean jännitteen lähde ja sitä käytettiin laajasti teollisuudessa, tieteessä ja lääketieteessä ennen nykyaikaisten muuntajien ja elektronisten kytkentöjen yleistymistä. Nykyisin sen tärkein käytännön sovellus on polttomoottorien sytytyksessä sekä opetuskäytössä, mutta periaate — magneettivuon nopea muutos tuottaa korkean jännitteen — on edelleen keskeinen osa sähkötekniikan opetusta ja monia nykyaikaisia laitteita.