El factor de potencia (PF) de una fuente de corriente alterna (CA) se define como la relación entre la potencia real (vatios) que fluye a la carga y la potencia aparente (VA) en el circuito
Se da de la siguiente manera:
PF = potencia real (W)/potencia aparente (VA)
La ecuación anterior demuestra que el PF es un número que puede variar entre 0 y 1. El PF es 1 cuando la potencia real y la potencia aparente son iguales. Esto sucede únicamente cuando las formas de las ondas de corriente y de tensión son sinusoidales y se encuentran en fase (Figura 1). Sin embargo, si ambas son sinusoidales pero se encuentran fuera de fase, la potencia aparente es mayor que la potencia real y el PF es el coseno del ángulo de fase θ entre las formas de ondas de corriente y de tensión. En otras palabras, PF = Cosθ. En la práctica, PF = 1 es una situación ideal donde la carga es puramente resistiva y lineal. En la realidad, los suministros de energía fuera de línea de CA/CC que se encuentran en los sistemas electrónicos son de modo conmutado y presentan una carga no lineal.
Figura 1: el factor de forma es 1 cuando las formas de las ondas de la corriente de entrada y de la tensión son sinusoidales y se encuentran en fase. (Fuente: Infineon)
Debido a que los suministros de energía en la actualidad son, principalmente, de modo conmutado, trazan una forma de onda no sinusoidal, lo que produce un ángulo de fase θ entre las formas de ondas de la corriente de entrada y de la tensión. Cuando la forma de la onda de corriente no sigue la forma de la onda de tensión (Figura 2), el PF resultante se encuentra debajo de 1 basado en el Cosθ. Por ejemplo, si θ = 45°, PF = Cos45 = 0.707. Además de las pérdidas de potencia, un PF < 1 hace que la armonía descienda de la línea neutral y altere a otros dispositivos conectados a la línea de red eléctrica de CA. Cuanto menor es el número del PF, mayor es el contenido de armonía para la línea de CA, y viceversa.
Figura 2: el factor de potencia se encuentra debajo de 1 cuando la forma de la onda de corriente no sigue la forma de la onda de tensión. (Fuente: Infineon)
Luego, existen reglamentaciones estrictas para limitar la distorsión de armonía permitida en la línea de red eléctrica de CA. Una conocida reglamentación europea es la EN61000-3-2, que se introdujo para limitar en envío de armonías reflejadas del equipo electrónico a la red eléctrica. Se aplica a todos los sistemas electrónicos clase D, como PC (incluye notebooks y monitores de PC), y receptores de radio y TV que consumen más de 75 W. La clase D es una de las cuatro clases (A, B, C y D) categorizadas según el estándar EN61000-3-2, que impone diferentes límites de armonía en la corriente para cada clase. En la actualidad, es un estándar internacional.
Para cumplir con los requisitos de armonía de las reglamentaciones, como la EN61000-3-2, y mantener un rendimiento general de PF alto, es necesario incorporar la corrección del factor de potencia (PRC) en módulos frontales del convertidor de CA/CC que se usan en los sistemas electrónicos que consumen más de 75 W. Implementar la PFC logra un número de PF alto y garantiza armonías bajas. En la actualidad, existe una cantidad de técnicas pasivas y activas disponibles para numerosas topologías de suministro de energía que se usan en las partes frontales de la CA.
PFC pasivas
La manera más simple de controlar la corriente armónica es usar un filtro pasivo con un inductor y un capacitor. Al pasar la corriente únicamente en la frecuencia de la línea (por ej., 50 o 60 Hz), el filtro LC reduce la armonía, lo que permite al dispositivo no lineal parecerse a una carga lineal; además, ayuda al PF a acercarse a la unidad. Sin embargo, la desventaja es que el filtro requiere un inductor de alta corriente de gran valor y un capacitor de alta tensión que son voluminosos y costosos.
PFC activas
Figura 3: la solución de PFC activa usa un controlador de semiconductor, que se ubica entre el rectificador de entrada y el capacitor de almacenamiento, seguido de un convertidor de CC/CC. (Fuente: ON Semiconductor)
La solución de PFC activa usa un chip controlador semiconductor, que se ubica entre el rectificador de entrada y el capacitor de almacenamiento, seguido de un convertidor de CC/CC, como lo muestra la Figura 3. El circuito forma la corriente de entrada para adaptarse a la forma de la onda de la tensión de entrada y alcanzar un mayor valor de PF, generalmente superior 0.9. Básicamente, existen tres tipos diferentes de circuitos integrados (IC) para los controladores de PFC activa. Incluyen el modo de conducción crítica (CrM), el modo de conducción continua (CCM) y el modo de conducción discontinua (DCM). Existen varios fabricantes que ofrecen una variedad de IC para controladores de PFC activa y cada proveedor ofrece sus propias versiones junto con la lógica para usarlas.