Der Leistungsfaktor (PF) einer Wechselstromquelle (AC) bezeichnet das Verhältnis zwischen der an der Last anliegenden Wirkleistung (Watt) und der Scheinleistung (VA) in dem Schaltkreis.
Es gilt:
PF = Wirkleistung (W) : Scheinleistung (VA)
Aus der obigen Gleichung geht hervor, dass der Wert von PF zwischen 0 und 1 liegen kann. Wenn die Wirkleistung und die Scheinleistung identisch sind, ist PF =1. Das ist nur der Fall, wenn die Wellenformen von Strom und Spannung phasengleich und sinusförmig sind (Abbildung 1). Sind jedoch beide sinusförmig, aber nicht phasengleich, ist die Scheinleistung höher als die Wirkleistung. PF entspricht dem Cosinus des Phasenwinkels θ zwischen der Strom- und Spannungswellenform. In anderen Worten: PF = Cosθ. In der Praxis ist PF = 1 eine ideale Situation, wenn die Last rein resistiv und linear ist. In der Realität gehören AC/DC-Offline-Stromversorgungen, wie sie in elektronischen Systemen vorkommen, zu den Schaltnetzgeräten und stellen eine nicht-lineare Last dar.
Abbildung 1: Der Leistungsfaktor beträgt 1, wenn die Wellenformen von Eingangsstrom und -spannung phasengleich und sinusförmig sind. (Quelle: Infineon)
Da es sich bei heutigen Stromversorgungen in der Regel um Schaltnetzgeräte handelt, weisen sie eine nicht-sinusförmige Wellenform auf und führen zu einem Phasenwinkel θ zwischen den Wellenformen des Eingangsstroms und der Eingangsspannung. Wenn die Wellenform des Stroms nicht mit der Wellenform der Spannung übereinstimmt (Abbildung 2), führt dies gemäß Cosθ zu einem Leistungsfaktor < 1.="" beispiel:="" wenn="" θ="45°," dann="" pf="Cos45" =="" 0,707.="" ein="" leistungsfaktor="">< 1="" führt="" außer="" zu="" leistungsverlusten="" auch="" zu="" oberschwingungen,="" die="" durch="" den="" nullleiter="" fließen="" und="" andere="" geräte="" stören,="" die="" an="" die="" netzstromleitung="" angeschlossen="" sind.="" je="" niedriger="" der="" pf-wert,="" desto="" höher="" der="" oberschwingungsgehalt="" in="" der="" netzstromleitung="" und="" umgekehrt.="">
Abbildung 2: Der Leistungsfaktor ist kleiner als 1, wenn die Wellenform des Stroms nicht mit der Wellenform der Spannung übereinstimmt. (Quelle: Infineon)
Dementsprechend gibt es strenge Vorschriften zur Begrenzung des zulässigen Klirrfaktors in der Netzstromleitung. Eine gängige europäische Vorschrift ist EN61000-3-2. Durch sie soll die Rückkopplung von Oberschwingungen durch elektronische Geräte in das Stromnetz begrenzt werden. Sie gilt für alle elektronischen Systeme der Klasse D (beispielsweise PCs, einschließlich Notebooks und PC-Monitore) sowie für Radio- und TV-Empfangsgeräte, die mehr als 75 W verbrauchen. Klasse D ist eine der vier (A, B, C und D) in der Norm EN61000-3-2 festgelegten Kategorien. Die Norm schreibt für jede Klasse unterschiedliche Grenzwerte für Oberschwingungsströme fest. Es handelt sich mittlerweile um eine international zu Grunde gelegte Norm.&nsbp;
Damit sich die Oberschwingungsvorschriften von Normen wie EN61000-3-2 einhalten lassen und eine hohe PF-Gesamtleistung beibehalten werden kann, müssen die AC/DC-Eingangswandler, die in elektronischen Systemen mit einem Verbrauch von mehr als 75 W zum Einsatz kommen, über eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) verfügen. Der Einbau einer PFC sorgt für einen hohen PF-Wert und damit für weniger Oberschwingungen. Es gibt heutzutage für zahlreiche Stromnetztopologien eine ganze Reihe passiver und aktiver Techniken für Frontend-Stromabnehmer.
Passive PFCs
Die einfachste Methode zur Kontrolle von Oberschwingungsströmen besteht in der Nutzung eines passiven Filters, der einen Induktor und einen Kondensator umfasst. Ein solcher LC-Filter lässt Strom nur mit der Leitungsfrequenz (z. B. 50 oder 60 Hz) passieren und verringert die Oberschwingungen, sodass ein nicht-lineares Gerät wie eine lineare Last erscheint und den Leistungsfaktor in die Nähe des Wertes 1 gelangt. Der Nachteil ist jedoch, dass der Filter einen hochwertigen Hochstrominduktor und einen Hochspannungskondensator erfordert, wodurch er unhandlich und kostspielig wird.
Aktive PFCs
Abbildung 3: Die aktive PFC nutzt einen Halbleiter-Controller, der zwischen dem Eingangsgleichrichter und dem Speicherkondensator platziert wird; der Gleichspannungswandler ist ihm nachgeschaltet. (Quelle: ON Semiconductor)
Die aktive PFC nutzt einen Halbleiter-Controller-Chip, der zwischen dem Eingangsgleichrichter und dem Speicherkondensator platziert wird; der Gleichspannungswandler ist ihm nachgeschaltet (s. Abbildung 3). Dieses Schaltschema gleicht die Wellenform des Eingangsstroms an die der Eingangsspannung an und erzielt damit einen hohen PF-Wert, in der Regel über 0,9. Grundsätzlich gibt es drei Arten integrierter Schaltkreise mit aktiven PFC-Controllern. Dazu gehören CRM (Critical-conduction Mode, Betrieb an der Lückgrenze), CCM (Continuous-conduction Mode, Betrieb mit nicht-lückendem Strom) und DCM (Discontinuous-conduction Mode, Betrieb mit lückendem Strom). Mehrere Hersteller bieten eine breite Palette an integrierten Schaltkreisen mit diesen aktiven PFC-Controllern. Dabei hält jeder Anbieter seine eigenen Versionen und Nutzungsbegründungen bereit.