¿Qué son los armónicos en la fuente de alimentación/controlador de LED?

En un sistema de energía ideal, el voltaje y la corriente deben ser ondas sinusoidales suaves y perfectas (conocida como onda fundamental, con una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz). Sin embargo, en realidad, muchos dispositivos eléctricos (como las fuentes de alimentación LED) "contaminan" esta forma de onda perfecta, lo que hace que la forma de onda de la corriente se distorsione y deje de ser una onda sinusoidal suave.

Matemáticamente, esta forma de onda distorsionada se puede descomponer en una onda fundamental de 50 Hz/60 Hz y una serie de ondas sinusoidales cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental (por ejemplo, 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz...). Estas ondas sinusoidales de alta frecuencia se denominan armónicos.

2do armónico: la frecuencia es 2 veces la fundamental (100 Hz/120 Hz)

3er Armónico: La frecuencia es 3 veces la fundamental (150Hz/180Hz)

5to Armónico: La frecuencia es 5 veces la fundamental (250Hz/300Hz)

...etcétera.

Causa específica en fuentes de alimentación LED:

Las fuentes de alimentación LED modernas suelen utilizar tecnología de fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS). Una parte clave de la conversión de corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) para los chips LED es el circuito de rectificación y filtrado.

Rectificación: la energía CA pasa a través de un puente rectificador de diodos y se convierte en CC pulsante.

Filtrado de condensadores: un condensador electrolítico grande es responsable de "suavizar" esta CC pulsante hasta convertirla en CC estable.

El problema radica aquí: este condensador de filtro solo extrae corriente de la red durante un tiempo muy corto cerca del pico del voltaje de CA para cargarse rápidamente. Durante la mayor parte del resto del ciclo de voltaje, no consume corriente.

Esto da como resultado que la fuente de alimentación del LED consuma corriente no como una onda sinusoidal continua, sino como pulsos agudos y estrechos cuando se ve desde el lado de la red. Esta corriente pulsada no sinusoidal contiene una cantidad significativa de componentes armónicos, especialmente los armónicos tercero, quinto, séptimo y otros de orden impar.

Comprensión visual:

Imagine que el lado izquierdo es la corriente sinusoidal ideal y el lado derecho es la forma de onda de corriente distorsionada (tipo pulso) producida por una fuente de alimentación LED. Este último se puede descomponer en la onda fundamental y en varios armónicos superpuestos a ella.

2. El "papel" de los armónicos (en realidad, los efectos negativos)

En el campo de la electrónica de potencia, los armónicos casi siempre se consideran un fenómeno negativo. Su "papel" es provocar una serie de problemas y peligros.

1. Aumento de Pérdidas y Calentamiento en Líneas y Equipos

Cuando las corrientes armónicas fluyen a través de líneas y transformadores, provocan un calentamiento adicional debido al efecto piel, lo que aumenta la resistencia. Esto lleva a:

Sobrecalentar los cables, acelerar el envejecimiento del aislamiento e incluso suponer un riesgo de incendio.

Sobrecalentamiento de transformadores, los cuales deben ser desclasificados, reduciendo su capacidad de carga.

2. Provoca una corriente de línea neutra excesiva

En un sistema trifásico de cuatro hilos, el 3º armónico y sus múltiplos (3º, 9º, 15º...) se denominan "armónicos de secuencia cero". No se anulan entre sí en la línea neutral; en cambio, se suman. Esto puede hacer que la corriente del neutro sea incluso mayor que la corriente de la fase, lo que provoca un sobrecalentamiento de la línea del neutro, lo cual es muy peligroso.

3. Afecta la calidad de la red eléctrica y otros equipos

Distorsión de voltaje: las corrientes armónicas crean voltajes armónicos a través de la impedancia de la red, lo que hace que el voltaje de la red se distorsione. Esto afecta el funcionamiento normal de otros equipos sensibles (como instrumentos de precisión, dispositivos de comunicación) conectados a la misma red.

Disparos molestos del disyuntor: Puede causar que los disyuntores o interruptores de falla a tierra se disparen sin una falla real.

Reduce el factor de potencia: si bien se puede corregir un "factor de potencia de desplazamiento" tradicional bajo, la presencia de armónicos conduce a una disminución en el factor de potencia real.

4. Daño a los condensadores

Los condensadores utilizados para la corrección del factor de potencia en sistemas eléctricos son muy sensibles a los armónicos. Los armónicos pueden hacer que se sobrecarguen con corriente. En casos graves, esto puede incluso provocar resonancia, lo que hace que los condensadores se abulten, fallen o exploten.

3. ¿Cómo lidiar con los armónicos? — Corrección del factor de potencia (PFC)

Para solucionar el problema de los armónicos, las fuentes de alimentación LED de alta calidad incorporan un circuito llamado Corrección del Factor de Potencia (PFC).

Uno de los principales objetivos del circuito PFC es gestionar los armónicos. Controla la forma de onda actual para que siga de cerca la forma de la onda sinusoidal de voltaje, de esta manera:

Cambiar la forma de onda actual de pulsos agudos a una onda sinusoidal suave.

Suprimiendo en gran medida la generación de corrientes armónicas.

Mejora simultánea del factor de potencia (normalmente por encima de 0,9).

Dependiendo de la implementación, PFC se divide en:

PFC pasivo: menor costo, rendimiento promedio, generalmente solo aumenta el factor de potencia a 0,7-0,8, con capacidad limitada de supresión de armónicos.

PFC activo: utiliza circuitos integrados y circuitos de conmutación especializados, es muy eficaz, puede elevar el factor de potencia por encima de 0,95 y reduce significativamente el contenido de armónicos. Esta es la configuración principal para fuentes de alimentación LED de gama media a alta.

Concepto: Los armónicos en las fuentes de alimentación LED son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental generada debido a las características operativas no lineales (consumo de corriente pulsada) de la fuente de alimentación, que distorsionan la forma de onda de la corriente.

Función (efectos): Los armónicos son principalmente negativos y provocan mayores pérdidas y calentamiento del sistema, sobrecargan la línea neutra, contaminan la red eléctrica e interfieren con otros equipos.

Contramedida: Al diseñar un circuito de corrección del factor de potencia (PFC) (especialmente PFC activo) en la fuente de alimentación del LED, los armónicos se pueden suprimir de manera efectiva, devolviendo la forma de onda de corriente a una onda sinusoidal. Esto permite que la fuente de alimentación cumpla con estrictos estándares internacionales de armónicos (como el estándar EN 61000-3-2 de la UE).