Cosa sono le armoniche nell'alimentatore/driver led?

In un sistema di alimentazione ideale, la tensione e la corrente dovrebbero essere onde sinusoidali perfette e uniformi (nota come onda fondamentale, con una frequenza di 50 Hz o 60 Hz). Tuttavia, in realtà, molti dispositivi elettrici (come gli alimentatori LED) "inquinano" questa forma d'onda perfetta, facendo sì che la forma d'onda corrente diventi distorta e non sia più un'onda sinusoidale liscia.

Matematicamente, questa forma d'onda distorta può essere scomposta in un'onda fondamentale di 50 Hz/60 Hz e in una serie di onde sinusoidali le cui frequenze sono multipli interi della frequenza fondamentale (ad esempio, 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz...). Queste onde sinusoidali ad alta frequenza sono chiamate armoniche.

2a armonica: la frequenza è 2 volte la fondamentale (100Hz/120Hz)

3a armonica: la frequenza è 3 volte la fondamentale (150Hz/180Hz)

5a armonica: la frequenza è 5 volte la fondamentale (250Hz/300Hz)

...e così via.

Causa specifica negli alimentatori LED:

I moderni alimentatori LED utilizzano in genere la tecnologia Switched-Mode Power Supply (SMPS). Una parte fondamentale della conversione della corrente alternata (CA) in corrente continua (CC) per i chip LED è il circuito di rettifica e filtraggio.

Rettifica: l'alimentazione CA passa attraverso un raddrizzatore a ponte a diodi e diventa CC pulsante.

Filtraggio del condensatore: un grande condensatore elettrolitico è responsabile di "uniformare" questa corrente continua pulsante in una corrente continua stabile.

Il problema sta qui: questo condensatore di filtro assorbe corrente dalla rete solo per un breve periodo vicino al picco della tensione CA per caricarsi rapidamente. Per la maggior parte del resto del ciclo di tensione, non assorbe corrente.

Ciò fa sì che l'alimentatore LED assorba corrente non come un'onda sinusoidale continua, ma come impulsi acuti e stretti se visti dal lato della griglia. Questa corrente pulsata non sinusoidale contiene una quantità significativa di componenti armoniche, in particolare la 3a, 5a, 7a e altre armoniche di ordine dispari.

Comprensione visiva:

Immagina che il lato sinistro sia la corrente sinusoidale ideale e che il lato destro sia la forma d'onda di corrente distorta (simile a un impulso) prodotta da un alimentatore LED. Quest'ultima può essere scomposta nell'onda fondamentale e ad essa sovrapposte varie armoniche.

2. Il "ruolo" delle armoniche (in realtà, gli effetti negativi)

Nel campo dell’elettronica di potenza le armoniche sono quasi sempre considerate un fenomeno negativo. Il loro "ruolo" è quello di causare una serie di problemi e pericoli.

1. Aumento delle perdite e del riscaldamento nelle linee e nelle apparecchiature

Quando le correnti armoniche fluiscono attraverso linee e trasformatori, provocano un riscaldamento aggiuntivo dovuto all'effetto pelle, che aumenta la resistenza. Ciò porta a:

Surriscaldamento dei cavi, accelerazione dell'invecchiamento dell'isolamento e rischio di incendio.

Surriscaldamento dei trasformatori, che devono essere declassati, riducendone la capacità di carico.

2. Causa un'eccessiva corrente di linea neutra

In un sistema trifase a quattro fili, la 3a armonica e i suoi multipli (3a, 9a, 15a...) sono chiamati "armoniche a sequenza zero". Nella linea neutra non si annullano a vicenda; invece si sommano. Ciò può far sì che la corrente del neutro sia addirittura maggiore della corrente di fase, provocando il surriscaldamento della linea del neutro, il che è molto pericoloso.

3. Impatto sulla qualità della rete elettrica e su altre apparecchiature

Distorsione di tensione: le correnti armoniche creano tensioni armoniche attraverso l'impedenza di rete, causando una distorsione della tensione di rete stessa. Ciò influisce sul normale funzionamento di altre apparecchiature sensibili (come strumenti di precisione, dispositivi di comunicazione) collegate alla stessa rete.

Scatto intempestivo dell'interruttore automatico: può causare lo scatto degli interruttori automatici o degli interruttori differenziali senza che si verifichi un guasto effettivo.

Riduce il fattore di potenza: mentre un tradizionale "fattore di potenza di spostamento" basso può essere corretto, la presenza di armoniche porta ad una diminuzione del vero fattore di potenza.

4. Danni ai condensatori

I condensatori utilizzati per il rifasamento negli impianti elettrici sono molto sensibili alle armoniche. Le armoniche possono causare un sovraccarico di corrente. Nei casi più gravi, ciò può persino portare a risonanza, provocando il rigonfiamento, il guasto o l'esplosione dei condensatori.

3. Come trattare le armoniche? — Correzione del fattore di potenza (PFC)

Per risolvere il problema armonico, gli alimentatori LED di alta qualità incorporano un circuito chiamato correzione del fattore di potenza (PFC).

Uno degli obiettivi principali del circuito PFC è gestire le armoniche. Controlla la forma d'onda della corrente per farla seguire da vicino la forma dell'onda sinusoidale della tensione, quindi:

Modifica della forma d'onda corrente da impulsi acuti a un'onda sinusoidale uniforme.

Sopprime notevolmente la generazione di correnti armoniche.

Contemporaneamente miglioramento del fattore di potenza (solitamente superiore a 0,9).

A seconda dell’implementazione, il PFC si divide in:

PFC passivo: costo inferiore, prestazioni medie, in genere aumenta il fattore di potenza solo a 0,7-0,8, con capacità di soppressione armonica limitata.

PFC attivo: utilizza circuiti integrati e circuiti di commutazione specializzati, è molto efficace, può aumentare il fattore di potenza oltre 0,95 e riduce significativamente il contenuto armonico. Questa è la configurazione tradizionale per gli alimentatori LED di fascia medio-alta.

Concetto: Le armoniche negli alimentatori LED sono multipli interi della frequenza fondamentale generata a causa delle caratteristiche operative non lineari (assorbimento di corrente pulsata) dell'alimentatore, che distorcono la forma d'onda della corrente.

Ruolo (effetti): le armoniche sono principalmente negative e causano maggiori perdite e riscaldamento del sistema, sovraccaricando la linea neutra, inquinando la rete elettrica e interferendo con altre apparecchiature.

Contromisura: progettando un circuito di correzione del fattore di potenza (PFC) (in particolare PFC attivo) nell'alimentatore LED, le armoniche possono essere efficacemente soppresse, restituendo la forma d'onda di corrente a un'onda sinusoidale. Ciò consente all'alimentatore di soddisfare i severi standard internazionali sulle armoniche (come lo standard EN 61000-3-2 dell'UE).