CORRECCIÓN ACTIVA DEL FACTOR DE POTENCIA Se conoce que cualquier sistema electrónico contiene un rectificador de onda completa y un condensador para filtrado en la entrada, como se observa en figura 1. En el circuito de figura 1, un flujo de corriente carga al condensador solo cuando el voltaje alterno disponible por la red eléctrica excede el voltaje en el condensador y como consecuencia, se produce un pico de corriente durante una pequeña fracción del semiciclo del voltaje alterno desde la red eléctrica con un alto nivel de armónicos. El contenido armónico de la forma de onda de corriente pulsada produce corrientes RMS no eficientes, afectando así la potencia real disponible desde la red eléctrica y la eficiencia del suministro eléctrico.
Fig. 1. Rectificador de onda completa produciendo una corriente no sinusoidal. La norma europea EN 61000-3-2 y el estándar IEC555-2 definen los límites del contenido armónico de la corriente de entrada por equipos energizados desde la red eléctrica, para evitar daños en el suministro eléctrico.
Beneficios de un alto factor de potencia Tanto los usuarios como la compañía de distribución de electricidad pueden tomar ventaja operando con un factor de potencia unitario, como se observa en figura 2. Esto significa que se reducirían corrientes RMS no eficientes, debido a que tanto la potencia reactiva como de distorsión serian insignificantes. Utilizando corrección activa del factor de potencia, se puede alcanzar una disminución en el costo de los componentes de una fuente de poder conmutada de cualquier sistema electrónico.
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Fig. 2. Corrector activo de factor de potencia produciendo una corriente sinusoidal. Como beneficio para los usuarios de electricidad, podrían colocar cuatro computadoras de 280W con fuente de poder conmutada con corrector activo de factor de potencia cada una en un contacto de pared, como se observa en figura 3(a). Lo anterior es posible, ya que el voltaje estándar que entrega la red eléctrica debe ser de 115V con capacidad de corriente de 15A para energizar una carga común. Sin embargo, si no se tienen computadoras con fuentes conmutadas corregidas en factor de potencia, la corriente disponible por la red eléctrica seria solo de 9A, lo que limitaría conectar solo dos computadoras en lugar de cuatro. Como beneficio para la compañía de distribución de electricidad, podrían instalarse líneas de distribución de electricidad con dimensiones menores del alambre de cobre, con respecto a las utilizadas actualmente y que están sobredimensionadas, como se ve en figura 3(b). Lo anterior se debe a la potencia de distorsión ligada al contenido armónico de la corriente, que entrega otras frecuencias más la frecuencia de 60Hz, que causa también inconvenientes, tales como sobre-corrientes en el neutro de la red eléctrica y sobre-voltajes resonantes que pueden generar zumbidos. Finalmente para cumplir con las normas EN 61000-3-2 y el estándar IEC555-2 que definen los límites del contenido armónico de la corriente, se requiere implementar un corrector activo de factor de potencia a la entrada de una fuente de poder conmutada. Existen en el mercado circuitos integrados, que funcionan bajo el principio de un convertidor boost y trabajan en modo de transición. En figura 4, se presentan las formas de onda de corriente de un convertidor boost corregido en factor de potencia.
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(a)
(b) Fig. 3. Reducción de potencia reactiva y de distorsión produce corrientes RMS eficientes.
Fig. 4. Formas de onda de corriente de un convertidor boost corregido en factor de potencia
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Circuito integrado L6561 El integrado L6561 es un circuito diseñado para proveer la corrección activa del factor de potencia. El L6561 tiene la capacidad de operar en aplicaciones dentro de un rango de voltaje de entrada desde 85V a 265V con baja distorsión armónica. Su corriente de arranque es de tan solo 10mA aproximadamente. La etapa de salida del L6561 es capaz de manejar MOS o IGBT de potencia con corriente de compuerta de hasta 400mA. En figura 5, se observa el diagrama de bloques del L6561.
Fig. 5. Diagrama de bloques del L6561. Entre los circuitos para corrección de factor de potencia usando configuración boost, está el L6561, que puede satisfactoriamente ser usado en convertidores realimentados, así como también ofrecer ventajas para conseguir alto factor de potencia en adaptadores CA/CD para equipo móvil y de oficina, cargadores de batería aislados de la red eléctrica y fuentes de poder conmutadas de baja potencia. Actualmente, el alto factor de potencia es alcanzado por la configuración boost del L6561, lo que presenta un beneficio adicional, pero no la principal razón para ser está una solución atractiva. De hecho, aunque un factor de potencia alto de 0.9 puede ser fácilmente alcanzado, es un desafío real el actuar de acuerdo con las normas de EMC (compatibilidad electromagnética), considerando la distorsión armónica de la corriente, especialmente en aplicaciones con la red eléctrica. Existen, sin embargo diversas aplicaciones en el rango de baja potencia, para la cual las normas de EMC no aplican, lo que puede beneficiar las ventajas ofrecidas por el L6561. Estas ventajas se mencionan a continuación:
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(a) Operación en modo de transición asegura bajas pérdidas de encendido en al MOS o IGBT y el alto factor de potencia reduce la disipación del rectificador de onda completa. Esto puede evitar el requerimiento de disipadores de calor. (b) Eficiencia es alta incluso con cargas ligeras, ya que el consumo de corriente del L6561 reduce la disipación de potencia en ambos resistor de arranque y circuito de auto-polarización. (c) El L6561 tiene alta linealidad, y su multiplicador dinámico provee un amplio rango de condiciones de operación, en términos de variaciones de entrada y cambios de carga. Existe también, por otro lado, algunos inconvenientes relacionados al modo de transición, limitando así las aplicaciones que el L6561 puede proporcionar y las cuales deben ser tomadas en cuenta. (a) El rizo de frecuencia doble de la red eléctrica sobre la salida, es inevitable si un alto factor de potencia es deseado, y un condensador mayor de salida puede reducir está cantidad. (b) La respuesta transitoria del L6561 es pobre.
Características de operación Entre las características de importancia para el L6561, se pueden mencionar que: (a) La salida de voltaje conserva la operación en modo de transición para dar una corrección del factor de potencia deseado a su valor de 0.9. Esto se provee por la razón del valor de resistores externos R5 y R6, como se observa en el convertidor boost corregido en factor de potencia de figura 6, y tomando en consideración la entrada negativa del amplificador de error que es polarizada a 2.5V. Los valores típicos para R5, R6, y condensador de compensación, son indicados en los circuitos de aplicación proporcionados por el fabricante del L6561. (b) La corriente es monitoreada dentro del L6561 y cuando alcanza cerca de 37 A, el voltaje del multiplicador es forzado a disminuir, así se reduce la energía proveniente desde la red eléctrica. Si la corriente excede 40 A, la protección de sobre-voltaje es disparada, y el transistor de potencia es apagado hasta que la corriente caiga aproximadamente por debajo de 10A. Sin embargo, si persiste un sobre-voltaje, un comparador interno confirma la condición de sobre-voltaje, manteniendo al transistor en estado apagado. (c) El detector de corriente cero (pin 5) puede ser utilizado para deshabilitar al L6561. Por el aterrizado del pin 5, el L6561 reducirá su consumo de corriente a 1.4mA para 14.5V como fuente de voltaje. Liberando el pin 5, el temporizador interno, se activará y reiniciará el funcionamiento del L6561.
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A continuación se describe la función de cada pin del circuito L6561 para que se pueda comprender su principio de funcionamiento, basado en el modo de transición. Pin 1 (INV): Entrada inversora del amplificador de error, en el que se conecta un divisor resistivo entre la salida de voltaje regulado y el pin 1, para proveer un voltaje realimentado. Pin 2 (COMP): Salida del amplificador de error, en donde una red realimentada de compensación, es colocada entre el pin 2 y el pin 1. Pin 3 (MULT): Entrada de la etapa multiplicadora, en donde un divisor resistivo conecta al pin 3 la señal rectificada de onda completa, entonces una señal de voltaje proporcional a la señal rectificada aparece en el pin3. Pin 4 (CS): Entrada al comparador del lazo de control, en donde la corriente es monitoreada por un resistor y el voltaje resultante en el resistor es aplicado al pin 4. Pin 5 (ZCD): Entrada de detección de corriente cero. Si este pin es conectado a GND, el L6561 es deshabilitado. Pin 6 (GND): Retorno de corriente para el L6561 y circuitos de control. Pin 7 (GD): Salida del L6561 para manejo de compuerta del MOS ó IGBT. Pin 8 (VCC): Fuente de voltaje del L6561 y circuitos de polarización. Utilizando el L6561 como circuito corrector activo del factor de potencia, se propone en figura 6 el diagrama eléctrico de un convertidor boost corregido en factor de potencia.
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Fig. 6. Convertidor boost corregido en factor de potencia.
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