O que são harmônicos na fonte de alimentação/driver de LED?

Em um sistema de energia ideal, a tensão e a corrente devem ser ondas senoidais perfeitas e suaves (conhecidas como onda fundamental, com frequência de 50 Hz ou 60 Hz). No entanto, na realidade, muitos dispositivos elétricos (como fontes de alimentação LED) "poluem" essa forma de onda perfeita, fazendo com que a forma de onda da corrente fique distorcida e não seja mais uma onda senoidal suave.

Matematicamente, esta forma de onda distorcida pode ser dividida em uma onda fundamental de 50Hz/60Hz e uma série de ondas senoidais cujas frequências são múltiplos inteiros da frequência fundamental (por exemplo, 100Hz, 150Hz, 200Hz...). Essas ondas senoidais de alta frequência são chamadas de harmônicos.

2º Harmônico: A frequência é 2 vezes a fundamental (100Hz/120Hz)

3º Harmônico: A frequência é 3 vezes a fundamental (150Hz/180Hz)

5º Harmônico: A frequência é 5 vezes a fundamental (250Hz/300Hz)

... e assim por diante.

Causa específica em fontes de alimentação LED:

As fontes de alimentação LED modernas normalmente usam a tecnologia Switched-Mode Power Supply (SMPS). Uma parte fundamental da conversão de corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC) para os chips de LED é o circuito de retificação e filtragem.

Retificação: A energia CA passa por uma ponte retificadora de diodos e se torna CC pulsante.

Filtragem de capacitor: Um grande capacitor eletrolítico é responsável por "suavizar" essa CC pulsante em CC estável.

O problema está aqui: este capacitor de filtro retira corrente da rede apenas por um período muito curto, próximo ao pico da tensão CA, para se carregar rapidamente. Durante a maior parte do restante do ciclo de tensão, ele não consome corrente.

Isso faz com que a fonte de alimentação do LED consuma corrente não como uma onda senoidal contínua, mas como pulsos agudos e estreitos quando vistos do lado da rede. Esta corrente pulsada não senoidal contém uma quantidade significativa de componentes harmônicos, especialmente o 3º, 5º, 7º e outros harmônicos de ordem ímpar.

Compreensão Visual:

Imagine que o lado esquerdo é a corrente senoidal ideal e o lado direito é a forma de onda de corrente distorcida (semelhante a um pulso) produzida por uma fonte de alimentação LED. Esta última pode ser decomposta na onda fundamental e em vários harmônicos sobrepostos a ela.

2. O “papel” dos harmônicos (na verdade, os efeitos negativos)

No campo da eletrônica de potência, os harmônicos são quase sempre considerados um fenômeno negativo. O seu “papel” é causar uma série de problemas e perigos.

1. Aumento de perdas e aquecimento em linhas e equipamentos

Quando correntes harmônicas fluem através de linhas e transformadores, elas causam aquecimento adicional devido ao efeito pelicular, que aumenta a resistência. Isso leva a:

Superaquecimento dos fios, aceleração do envelhecimento do isolamento e até risco de incêndio.

Superaquecimento dos transformadores, que devem ser desclassificados, reduzindo sua capacidade de carga.

2. Causa Corrente Neutra Excessiva na Linha

Em um sistema trifásico de quatro fios, o 3º harmônico e seus múltiplos (3º, 9º, 15º...) são chamados de "harmônicos de sequência zero". Eles não se anulam na linha neutra; em vez disso, eles somam. Isto pode fazer com que a corrente do neutro seja ainda maior que a corrente da fase, levando ao superaquecimento da linha do neutro, o que é muito perigoso.

3. Impacta a qualidade da rede elétrica e outros equipamentos

Distorção de tensão: As correntes harmônicas criam tensões harmônicas através da impedância da rede, fazendo com que a própria tensão da rede fique distorcida. Isto afecta o funcionamento normal de outros equipamentos sensíveis (como instrumentos de precisão, dispositivos de comunicação) ligados à mesma rede.

Disparo Incômodo do Disjuntor: Pode fazer com que os disjuntores ou interruptores de falta à terra desarmem sem uma falha real.

Reduz o Fator de Potência: Embora um "Fator de Potência de Deslocamento" tradicional baixo possa ser corrigido, a presença de harmônicos leva a uma diminuição no Fator de Potência Verdadeiro.

4. Danos aos capacitores

Os capacitores usados ​​para correção do fator de potência em sistemas elétricos são muito sensíveis a harmônicos. Harmônicos podem fazer com que fiquem sobrecarregados com corrente. Em casos graves, isso pode até levar à ressonância, fazendo com que os capacitores inchem, falhem ou explodam.

3. Como lidar com harmônicos? — Correção do Fator de Potência (PFC)

Para resolver o problema harmônico, as fontes de alimentação LED de alta qualidade incorporam um circuito chamado Correção do Fator de Potência (PFC).

Um dos principais objetivos do circuito PFC é gerenciar harmônicos. Ele controla a forma de onda da corrente para fazê-la seguir de perto a forma da onda senoidal de tensão, assim:

Alterar a forma de onda da corrente de pulsos agudos para uma onda senoidal suave.

Suprimindo bastante a geração de correntes harmônicas.

Melhorando simultaneamente o fator de potência (geralmente acima de 0,9).

Dependendo da implementação, o PFC é dividido em:

PFC passivo: Custo mais baixo, desempenho médio, normalmente só aumenta o fator de potência para 0,7-0,8, com capacidade limitada de supressão de harmônicos.

PFC ativo: usa CIs e circuitos de comutação especializados, é muito eficaz, pode aumentar o fator de potência para mais de 0,95 e reduz significativamente o conteúdo harmônico. Esta é a configuração principal para fontes de alimentação LED de médio a alto padrão.

Conceito: Harmônicos em fontes de alimentação LED são múltiplos inteiros da frequência fundamental gerada devido às características operacionais não lineares (consumo de corrente pulsada) da fonte de alimentação, que distorcem a forma de onda da corrente.

Função (Efeitos): Os harmônicos são principalmente negativos, causando aumento de perdas e aquecimento do sistema, sobrecarregando a linha neutra, poluindo a rede elétrica e interferindo em outros equipamentos.

Contramedida: Ao projetar um circuito de correção de fator de potência (PFC) (especialmente PFC ativo) na fonte de alimentação do LED, os harmônicos podem ser efetivamente suprimidos, retornando a forma de onda da corrente para uma onda senoidal. Isto permite que a fonte de alimentação cumpra rigorosas normas harmónicas internacionais (como a norma EN 61000-3-2 da UE).