In diesem Video gehe ich auf die Korrektur des Leistungsfaktors ein. Der Leistungsfaktor ist definiert an die am Verbraucher umgesetzte Wirkleistung bezogen auf die transportierte Gesamtleistung.

Zunächst mal werde ich darauf eingehen, was die Motivation ist, sich mit diesem Thema zu beschäftigen, weiterhin welche Grenzwerte für den Leistungsfaktor die Norm vorgibt.

Am Beispiel einer werde ich zeigen, wie die Problematik sich in der Praxis darstellt. Für die Korrektur des Leistungsfaktors gibt es verschiedene Modi. In erster Linie sind das der kontinuierliche und der Grenzstrommodus. Es gibt weitere etwas seltener verwendete PFC-Lösungen, also PFC-Leistungsfaktor, auf die ich dann eingehen werde.

Am Schluss gibt es wieder Literatur und Links zum Thema. Welche Gründe gibt es dafür, dass der Leistungsfaktor nicht idealerweise eins ist?

Das kann zum einen sein, dass ich eine stark induktive oder kapazitive Last habe. In diesem Fall kann ich nur eine gegenteilige Last, also eine kapazitive Last, parallel zu einer induktiven Last schalten, um das zu kompensieren.

Das wird in diesem Video kein Thema sein. Wenn aber Oberwellen der Grund für einen geringen Leistungsfaktor ist, dann können spezielle Schaltregler dieses Problem lösen, worauf ich in diesem Video eingehen werde.

Was ist nun das Problem bei einem geringen Leistungsfaktor? Ein geringer Leistungsfaktor erhöht Verluste auf dem Transportweg. Das ist für den Energieversorger problematisch, weil er die erhöhte Leistung für den Transportverlust zur Verfügung stellen muss. Im privaten Umfeld wird nur die Wirkleistung berechnet.

Deswegen sind allerdings Oberwellen von Verbrauchern durch eine Norm begrenzt. Die DIN EN 61000 definiert alle Belange der elektromagnetischen Verträglichkeit.

In dem Teil 3.2. werden Grenzwerte für Oberschwingungsströme festgelegt. Es gibt dort verschiedene Klassen. Alles, was nicht Klasse B bis D ist, fällt in die Klasse A. In der Klasse B werden tragbare Elektrowerkzeuge und Elektroschweißgeräte definiert,

in der Klasse C Beleuchtungseinrichtungen, in der Klasse D Computer braune und weiße Ware. Außer für die Klasse C gibt es für Geräte kleiner als 75 Watt keinerlei Grenzwerte. Die Grenzwerte sind für die Klasse A für Oberwellen der dritten Ordnung 2,5 Ampere,

für Oberwellen der fünften Ordnung 1,14 Ampere und so weiter. Für weitere Oberwellen werden weitere Grenzwerte in dieser Klasse definiert. Die Klasse B erlaubt etwas höhere Grenzwerte und zwar Grenzwerte im Faktor 1,5

gegenüber der Klasse A. Die Klasse C definiert auch für kleine Leistungen Grenzwerte. Das liegt daran, dass der einzelne Verbraucher bei einer Beleuchtung zwar nur eine geringe Leistung hat, man aber unter Umständen für eine Beleuchtungseinrichtung eine hohe Anzahl dieser Elemente hat

und deswegen trotzdem auch bei kleiner Leistung der Leistungsfaktor interessant ist. Hier ist maximal 86% für die dritte Ordnung und 61% für die fünfte Ordnung der Grundschwingung definiert.

Auch in der Klasse D hat man unter Umständen viele Geräte in der privaten Wohnung. Deswegen gibt es hier zusätzlich auch für die dritte und fünfte Ordnung und weitere Ordnungen Grenzwerte.

In der Norm ist auch schon gezeigt, wie die Problematik ist, dass man nämlich hier unter Umständen keinen sinusförmigen Stromverlauf hat, obwohl der Spannungsverlauf sinusförmig ist. Ich werde jetzt in einer Messung zeigen, wodurch das verursacht werden kann.

Ich habe hier eine Messung einer LED-Lampe, eine ganz konventionelle LED-Lampe, wie sie üblicherweise in der Wohnung verwendet wird. Ich messe hier den Strom durch die Lampe mit einem Stromtastkopf. Ich messe die Spannung an der Lampe hier mit einem Hochspannungstastkopf.

Spannung und Strom durch diese Lampe werden hier dargestellt. In einer Simulation habe ich hier außerdem diese Konfiguration dargestellt.

Ich habe hier also praktisch die Netzspannung von 314 Volt. Ich habe in dem Fuß dieser Lampe üblicherweise einen Gleichrichter. Und ich habe hier dann einen entsprechenden Umsetzer, der dafür sorgt, dass diese Gleichspannung hier in einem konstanten Strom für die LEDs umgesetzt wird.

Wenn man sich diese Simulation ansieht, dann stellt man fest, dass die Spannung am Kondensator konstant absinkt, wenn die Netzspannung unter die Gleichspannung am Kondensator fällt.

Das heißt also, in diesem Fall wird diese Schaltung nur noch durch die Spannung am Kondensator versorgt und die Spannung am Kondensator fällt gleichmäßig ab. Wenn die Netzspannung, der momentanen Wert der Netzspannung, wieder über diesen Wert steigt, dann

wird in diesem Fall der Kondensator aufgeladen und nur während dieser kurzen Phase fließt Strom. Deswegen ist dieser Stromverlauf zu erklären, der also praktisch sehr schnell ansteigt hier und mit der zunehmenden Ladung des Kondensators dann abfällt, bis dann wieder die Netzspannung unter den Wert des Kondensators fällt.

Wenn man sich jetzt mal die Frequenzanalyse dieses Stromverlaufs ansieht, dann hat man hier die Grundwelle bei

50 Hertz und man sieht eben, dass bei der dritten Oberwelle bei 150 Hertz und bei weiteren Oberwellen, also bei der fünften, siebten und so weiter Oberwellen, hier weitere Spitzen entstehen. Man stellt hier eben fest, dass bei dieser Schaltung auch bei großen Oberwellenspitzen auftreten.

Man könnte das dadurch etwas verringern bei den höheren Oberwellen, indem man diese Flanke etwas flacher macht. Das wäre zum Beispiel durch Einfügen eines Widerstandes hier möglich. Das würde den Wirkungsgrad allerdings verringern.

Allerdings ist bei Beleuchtungseinrichtungen nur die dritte und die fünfte Oberwelle von Interesse. Deswegen kann man diese Oberwellen hier durchaus dulden. Hier wird eine Simulation mit LT-Spice gezeigt, die von Professor Ulrich

realisiert wurde. Ausführlich kann man sich das Ganze als YouTube-Video nochmal ansehen. Diese Simulation zeigt einen Schaltregler mit Leistungsfaktorkorrektur. Im Prinzip ist es erstmal ein ganz normaler Boostregler mit einer Stromsteuerung und einer Pulsweitenmodulation, die den Schalter steuert.

Hier wird zunächst einmal die Sollspannung mit der Ausgangsspannung verglichen und das Ganze hier auf einen Multiplikator gegeben. Ohne diesen Multiplikator wäre das erstmal ein ganz normaler Boostregler.

Diese Elemente sind hier als mathematische Elemente realisiert, um die ganze Schaltung übersichtlich zu halten. Durch die Multiplikation mit der gleichgerichteten Wechselspannung an dieser Stelle wird

das Ganze eben zu einem Schaltregler mit Leistungsfaktorkorrektur und kontinuierlichem Strommodus. Ich habe diese Simulation umgesetzt in einer Simulation, bei der ich jetzt etwas näher an der Realisierung bin.

Diese Schaltung realisiert letztendlich das gleiche Verfahren wie das vorherige Bild. Ich verwende hier allerdings bereits Operationsverstärker, wobei das allerdings generische Operationsverstärker sind. In der SPICE Simulation sind generische Operationsverstärker Operationsverstärker, die sich wie ideale Operationsverstärker verhalten.

Das heißt also, wenn man diese Schaltung jetzt konkret aufbauen würde, wäre es sinnvoll nochmal zu gucken, welche Operationsverstärker könnte man in der Realität einsetzen und würde dann eine Simulation nochmal mit realen Operationsverstärkern durchführen.

Der Multiplikator wird hier durch einen Transistor realisiert, der hier praktisch die Spannung am Kollektor mit einer Spannung an der Basis multipliziert.

Dadurch wird hier eben eine Beeinflussung durch den momentanen Wert der gleichgerichteten Wechselspannung erreicht.

Die Dreiecksspannung wird in dieser Simulation auch durch eine Schaltung mit generischen Operationsverstärkern erzeugt. Wenn man sich jetzt mal die Simulationsergebnisse anguckt, stellt man fest, dass wir hier zunächst mal die gleichgerichtete Wechselspannung haben, also praktisch eine gleichgerichtete Sinusspannung.

Die Ausgangsspannung folgt hier mit einer gewissen Verzögerung der gleichgerichteten Sinusspannung am Eingang und

der Mittelwert des Stroms durch die Spule folgt direkt der Spannung an der gleichgerichteten Wechselspannung. Dadurch haben wir hier praktisch einen direkten Zusammenhang und wir haben wenig Oberwellen im Stromverlauf.

Wir haben hier durch das Schalten ein gewisses Band und wenn man sich das jetzt einmal anguckt hier im Bereich des Maximalstroms, stellen wir fest, dass der Strom hier dreiecksförmig um einen Mittelwert schwankt.

Die Schwankung ist hier ungefähr gleichmäßig, das heißt, wir haben hier einen ansteigenden Strom durch die Spule und dann einen entsprechenden abfallenden Strom durch die Spule. In der Nähe des Nulldurchgangs haben wir die gleiche Frequenz, weil wir hier mit einer konstanten Dreiecksspannung das Ganze steuern.

Wir haben dann hier allerdings einen wesentlich längeren Anstieg des Stroms durch die Spule und nur einen kurzen Abfall, weil wir auch einen sehr hohen Konvertierungsfaktor von einer sehr geringen Eingangsspannung in die Gleichspannung von annähernd 400 Volt haben.

Dadurch, dass hier relativ lange der Strom ansteigt, haben wir dann hier auch einen mittleren Anstieg des Stroms zu steigendem Strom. Eine andere Möglichkeit zu diesem mittleren Strommodus ist der Grenzstrommodus.

Das zeige ich hier in einem Prinzip-Schaltbild. Beim Grenzstrommodus wird der Strom durch die Spule zwischen zwei Extremwerten geschaltet.

Es wird hier mit dieser Schaltung erkannt, wann der Strom durch die Spule Null ist. Wenn der Strom durch die Spule Null ist, wird durch diese Schaltung dieser Schalter eingeschaltet. Dann fließt Strom durch die Spule, es wird Energie in die Spule eingespeist, bis der Strom der Spule einen bestimmten Maximalwert erreicht hat.

Dann erfolgt wieder eine Umschaltung. Dieser Maximalwert wird bestimmt durch den aktuellen Wert der gleichgerichteten Eingangsspannung,

durch den Vergleich des Istwertes der Ausgangsspannung mit einem Referenzwert. Dadurch wird hier praktisch eine konstante Spannung am Ausgang erzielt.

Wir haben bereits bei dem ersten Strommodus gesehen, dass man aufgrund des großen Frequenzunterschieds zwischen der Netzfrequenz und der Schaltfrequenz das Schalten im Normalfall nur als Band sieht, wenn man die Darstellung so wählt, dass man einen kompletten Zyklus sieht.

In dieser Simulation möchte ich nun im Grenzstrommodus zeigen, wie sich die Frequenz während eines Zyklus der Netzfrequenz verändert.

Damit man das sehen kann, gibt es hier mehrere Möglichkeiten, die Frequenz des Schaltens und die Frequenz der Netzspannung aneinander anzugleichen. Man könnte natürlich die Schaltfrequenz verringern, dann müsste man allerdings die Werte der Induktivität entsprechend verringern.

Damit müsste die Schaltung komplett anders dimensioniert werden. Was man hier in dieser Simulation macht, ist, dass man für die Frequenz der Netzspannung erhöht. Das wird hier durch den Faktor Ratio erzeugt. Das heißt, ich simuliere hier mit einer Netzfrequenz nicht von 50 Hertz, sondern von 500 Hertz.

Hier, wie in der Prinzip-Schaltung, haben wir hier eben die Messung des Nulldurchgangs des Stroms durch die Spule. Und wir haben hier die Messung des Maximalstroms, der hier dann zu einem Ein- und Ausschalten des Schalters führt.

Wenn man sich das jetzt einmal in der Simulation ansieht, dann sieht man hier eben wieder die gleichgerichtete Netzspannung, jetzt mit einer Frequenz von 500 Hertz.

Man sieht hier eben dann die Pulsweitenmodulation. Das heißt, die Weite des Einschaltzeitpunkt variiert. Der ist hier eben sehr lang. Das heißt also, hier wird für einen sehr langen Zeitraum bei einer sehr geringen Spannung die Spannung auf die Spule gelegt.

Bei einer sehr hohen Eingangsspannung wird eben nur für einen kürzeren Zeitpunkt die Spannung auf die Spule gelegt und einen entsprechend längeren Zeitraum wird die Spule Energie in den Ausgang transportieren.

Wenn man jetzt hier einmal eine Messung macht und vergleicht die Spannungsspitzen hier und macht dann einen Vergleich der Zeiten, einmal in dem Bereich der maximalen Spannung, in dem Vergleich der minimalen Spannung,

und berechnet dann die Frequenzen, stellt man fest, dass die Frequenz hier bei maximaler Spannung 22,9 Kilohertz ist und bei minimaler Spannung ist die Frequenz 33,4 Kilohertz. Das heißt, bei diesem Verfahren ist die Frequenz des Schaltens nicht wie bei dem mittleren Strommodus konstant, sondern variabel.

Wenn wir das jetzt mal mit dem mittleren Strommodus vergleichen, stellen wir also fest, dass bei dem mittleren Strommodus der Strom um ein gewisses Band nur schwankt, währenddessen er hier praktisch von Null bis auf den Maximalwert schwankt.

Wenn man das jetzt mal vergleicht hier und hier praktisch die Schwankung des Stroms bei einem mittleren

Strommodus hier einträgt, stellt man natürlich fest, dass die Frequenz bei dem mittleren Strommodus sehr viel größer ist, weil eben bei gleicher Anstiegsflanke natürlich sehr viel häufiger ein Anstieg und Abfall an der Spule notwendig ist.

Wenn man jetzt diese beiden Modi mal direkt miteinander vergleicht, stellt man fest, man hat bei dem kontinuierlichen Strommodus eine kleinere Stromamplitude, man hat einen kleineren Effektivwert des Stromes, dadurch braucht man auch

einen kleineren EMI-Filter, die Induktivität muss einen kleineren Maximalstrom vertragen, man hat eine konstante Schaltfrequenz und dieses Verfahren ist deswegen auch für sehr hohe Leistungen geeignet. Beim Grenzstrommodus hat man geringere Umschaltverluste, weil seltener umgeschaltet

wird und zumindest ein Umschaltvorgang bei einer stromlosen Spule passiert. Man hat weniger Umschaltungen, auch das verringert natürlich die Umschaltverluste, man hat einen geringeren Schaltungsaufwand und dieses Verfahren ist deswegen auch für kleinere Leistungen geeignet.

Ich mache eine kleine Zwischenbilanz. Die Leistungsfaktorkorrektur wird üblicherweise mit einem Boost-Schaltregler realisiert, der einen zusätzlichen Regelkreis hat, um eine konstante Ausgangsspannung bei der variablen Eingangsspannung zu realisieren.

Alles, was ich bisher zum Boostregler gesagt habe, ist auch auf die Leistungsfaktorkorrektur anwendbar.

Die Steuerung kann über einen Strom- oder Spannungsmodus erfolgen, dadurch ergibt sich die entsprechende Dimensionierung des Regelfilters, auch die Zeitinvariante-Simulation, wie in den vorherigen Videos gezeigt, ist hier möglich.

Bei der Leistungsfaktorkorrektur wird üblicherweise der kontinuierliche Strommodus oder der Grenzstrommodus verwendet. Dadurch ist der Verlauf der Stromhöhkurve während der Netz-Halbwelle definiert.

Beim klassischen Schaltregler gibt es den Modus mit konstanter und variabler Frequenz. Beim klassischen Schaltregler ist das oft durch einen Eingangspin konfigurierbar. Bei der Leistungsfaktorkorrektur ist die Frequenz beim Grenzstrommodus variabel und beim kontinuierlichen Strommodus ist sie konstant.

Bei der Leistungsfaktorkorrektur wird dieser Modus normalerweise durch das IC vorgegeben, weil die Schaltungen so stark unterschiedlich sind.

Die Schaltfrequenz ist beim kontinuierlichen Strommodus höher und es wird nie im Nulldurchgang geschaltet. Dafür ist der Maximaldurchstrom beim mittleren Strommodus niedriger.

Die einfachste Form der Leistungsfaktorkorrektur ist die Einschaltdauer, mit der die Spannung an die Spule gelegt wird, konstant zu halten. Dadurch, dass zu einem beliebigen Zeitpunkt die aktuelle Spannung, die man an die Spule anlegt, immer der

aktuellen Netzspannung entspricht, wird dann nach konstanter Einschaltdauer auch der Maximalstrom der Spule dieser maximalen Spannung entsprechen. Allerdings muss diese Zeit natürlich kurz gegen die Periodendauer der Netzspannung sein.

Wenn der Strom durch die Induktivität dann wieder Null ist oder wenn die Ausgangsspannung relevant abgesunken ist, wird dann wieder die aktuelle Spannung für konstante Zeit auf die Induktivität geschaltet.

Zusätzlich kann man hier natürlich auch die Eingangsspannung noch als Kriterium mit einbringen, aber in jedem Fall ist die Einschaltzeit hier konstant. Man hat dann hier auch wieder einen Flip-Flop, mit dem also wieder entweder der konstante Puls auf die Spule gelegt wird oder es eben dann zurückgesetzt wird.

Also wird bei der Leistungsfaktorkorrektur zunächst mal in einem Schritt die gleichgerichtete Netzspannung in eine Gleichspannung von 400 Volt ohne galvanische Trennung umgesetzt, um dann in einem zweiten Schritt mit einem Transformator diese Gleichspannung in eine gewünschte niedrigere Gleichspannung umzusetzen.

Das kann man grundsätzlich auch in einem Schritt machen, indem man mit dem Baustein z .B. FAN6961 von ON Semiconductor einen Sperrwandler baut, der gleichzeitig auch eine Leistungsfaktorkorrektur machen kann.

Die Anwendbarkeit ist allerdings begrenzt, weil der Sperrwandler vom Konzept her die gesamte Energie bei ihrem

Schallzyklus abspeichert in dem Transformator und daher ist das Konzept des Sperrwandlers eher für kleine Leistungen gedacht. Und wie wir ja am Anfang schon gesehen haben, ist bei Anwendungen kleiner als 75 Watt eine Leistungsfaktorkorrektur nicht notwendig.

Es gibt eine Alternative, und zwar von Texas Instruments gibt es einen Baustein, bei dem es so, dass in einem Baustein zwei Schaltausgänge vorhanden sind, sodass im Grunde genommen die Leistungsfaktorkorrektur in üblicher Weise hier erfolgt und eine Wandlung, die dann

auch als Durchwurfswandler gemacht werden kann, mit einem variablen Gleichrichter mit einem zweiten Schaltausgang gesteuert wird.

Bei der klassischen Leistungsfaktorkorrektur wird zunächst mal mit einem Brückengleichrichter die Netzspannung gleichgerichtet, um dann erst die Leistungsfaktorkorrektur zu machen. Nun hat ein normaler Gleichrichter immer eine Durchlassspannung von etwa 0,7 Volt, d.h. man verliert dort schon mal zweimal 0,7, also 1,4 Volt.

Das kann man durch eine Variante ohne vorgeschalteten Brückengleichrichter zum Teil vermeiden. Das vermeidet man dadurch, dass man die Gleichrichter teilweise durch Mosfets ersetzt. Der Mosfet hat eine deutlich geringere Durchlassspannung.

Allerdings sieht man auch, dass der Aufwand durchaus erheblich ist, der zusätzliche Aufwand erheblich ist. Man braucht auch zusätzliche Dioden und man kann auf die Dioden nicht vollständig verzichten, sodass diese Lösung

eher geeignet ist für wirklich höhere Leistungen, bei denen man noch das letzte bisschen Wirkungsgrad herauskitzeln möchte.

Wir haben hier dann von Texas Instruments eine Lösung, bei der bei dreifachigen phasigen Drehstrom eine Leistungsfaktorkorrektur gemacht werden kann. Das erfolgt hiermit entsprechend Schaltelementen in jeder der drei Phasen und Inaktivitäten in jeder Phase.

Wie man aber sieht ist das eine sehr aufwendige Lösung mit einem eigenen Prozessor, der die Schaltvorgänge steuert und das ist eigentlich eher nur für Leistungen größer als ein Kilowatt relevant.

Am Schluss gibt es wieder die übliche Literatur in Form dieser zwei Bücher und eine große Anzahl von Links zu diesem Thema.