LED Armatürde Güç Faktörü Düzeltme Nasıl Çalışır?

Güç faktörü düzeltme neyi düzeltir?

Bir LED armatür şebekeye bağlandığında, sürücünün ilk işi alternatif gerilimi doğrultmaktır. En basit sürücüde bu iş bir köprü doğrultucu ve arkasındaki büyük bir elektrolitik kondansatörle yapılır. Kondansatör yalnızca şebeke gerilimi kendi gerilimini aştığında, yani her yarım periyodun tepe noktası civarında, kısa bir süre şarj olur. Sonuçta şebekeden çekilen akım sinüs değil, kısa ve sivri darbeler biçimindedir.

Bu durumda iki ayrı kayıp ortaya çıkar:

• Yer değiştirme (faz) etkisi: Akımın temel bileşeni gerilime göre ileri ya da geri kayabilir. Bunun ölçüsü cos φ1'dir.
• Bozulma etkisi: Akım darbeli olduğu için içinde 3., 5., 7. gibi yüksek mertebeli harmonikler bulunur. Bu harmonikler aktif güç taşımaz ama hattı ısıtır.

Güç faktörü bu iki etkinin birleşimidir. Sinüs biçimli gerilim varsayımıyla yaklaşık ilişki şöyledir:

PF = cos φ1 × 1 / √(1 + THDi²)

Burada THDi akımın toplam harmonik bozulmasıdır (ondalık olarak). Örneğin cos φ1 = 0,98 ve THDi = %20 (0,20) ise PF ≈ 0,98 × 1/√1,04 ≈ 0,96 olur. Aynı cos φ1 ile THDi %100'e çıkarsa PF yaklaşık 0,69'a düşer. Bu basit hesap, LED sürücülerde asıl sorunun çoğu zaman faz kayması değil, akım biçimindeki bozulma olduğunu gösterir. Kavramın temelleri için güç faktörü rehberimize bakabilirsiniz.

Güç faktörü düzeltme (PFC, power factor correction), sürücünün şebekeden çektiği akımı gerilimle aynı fazda ve sinüse yakın biçimde tutmaya çalışan devre katıdır.

Pasif ve aktif PFC nasıl çalışır?

Pasif PFC

Pasif yöntemde doğrultucunun önüne ya da arkasına şebeke frekansında çalışan bir bobin (şok), bazen de "valley-fill" adı verilen diyot–kondansatör ağı eklenir. Bobin akımın ani yükselişini yavaşlatır, iletim açısını genişletir. Sonuç olarak akım darbeleri yayvanlaşır ve harmonikler azalır. Avantajı basitlik ve düşük elektronik karmaşıklıktır. Dezavantajları ise 50 Hz'de çalışan bobinin hacmi ve ağırlığı, elde edilen PF'nin sınırlı kalması ve şebeke gerilimiyle performansın değişmesidir. Düşük güçlü ürünlerde zaman zaman tercih edilir.

Aktif PFC

Aktif PFC'de doğrultucudan sonra onlarca–yüzlerce kHz'de anahtarlanan bir dönüştürücü bulunur. En yaygın yapı yükseltici (boost) PFC katıdır: Kontrol entegresi, doğrultulmuş gerilimin anlık değerini referans alır ve bobin akımını her anahtarlama periyodunda bu referansa orantılı olacak şekilde ayarlar. Böylece ortalama giriş akımı, gerilimle aynı biçimi (yarım sinüs) izler. Boost katının çıkışında genellikle şebeke tepe değerinin üzerinde, düzenli bir DC ara gerilim oluşur; ikinci kat (örneğin flyback, LLC veya buck) bu gerilimi LED'in ihtiyaç duyduğu sabit akıma dönüştürür.

Daha düşük güç ve maliyet hedefli tasarımlarda tek katlı PFC yaygındır: Tek bir flyback veya buck-boost katı hem giriş akımını şekillendirir hem de LED akımını düzenler. Bu yapı az bileşenle yüksek PF sağlar; ancak çıkışta şebeke frekansının iki katında (50 Hz şebekede 100 Hz) dalgalanma bırakma eğilimindedir. Bu dalgalanma büyük çıkış kondansatörüyle bastırılmazsa ışıkta titreşime (flicker) dönüşebilir. Yani PFC tasarımı ile ışık kalitesi arasında bir denge vardır.

Karşılaştırma tablosu

Tablodaki eğilimler geneldir; belirli bir ürünün değerleri için mutlaka veri sayfasına bakılmalıdır.

Seçimde hangi teknik parametrelere bakılmalı?

1. Tam yük ve kısmi yükte PF. Veri sayfalarında PF çoğu zaman tek bir sayı olarak "PF > 0,95 (230 V, tam yük)" biçiminde verilir. Asıl bilgi, PF'nin yük oranına göre çizildiği eğridedir. Dimlenen ya da sürücü gücünün altında yüklenen armatürde PF belirgin düşebilir. Düşük yükte giriş EMI filtresindeki X kondansatörlerinin reaktif akımı baskın hale gelir ve sürücü kapasitif davranmaya başlar.

2. THD ve harmonik uygunluğu. Aydınlatma ekipmanı, IEC 61000-3-2 standardında ayrı bir sınıf (C sınıfı) altında değerlendirilir; güce göre farklı sınır yaklaşımları tanımlanmıştır. Hangi güç aralığında hangi limitin uygulandığını standardın güncel konsolide sürümünden kontrol edin. Ayrıntı için THD rehberine bakabilirsiniz.

3. Mevzuattaki yer değiştirme faktörü şartı. AB'nin (EU) 2019/2020 sayılı ekotasarım tüzüğü, şebekeye doğrudan bağlanan LED ışık kaynakları (MLS) için güce bağlı asgari cos φ1 değerleri tanımlar: 5 W'a kadar sınır yok; 5–10 W arasında 0,5; 10–25 W arasında 0,7; 25 W üzerinde 0,9. Bu şart doğrudan "ayrı sürücülü armatüre" değil, şebekeden beslenen ışık kaynağına yöneliktir; projede hangi ürün tipinin kapsama girdiği güncel konsolide metinden doğrulanmalıdır.

4. Giriş gerilim aralığı. Aktif PFC'li sürücüler genellikle geniş giriş aralığında çalışır; ancak PF ve THD değerleri 230 V'ta verilip 277 V veya 120 V'ta farklı olabilir.

5. Ani akım (inrush). PFC ve giriş kondansatörleri ilk enerjilendirmede kısa süreli yüksek akım çekilmesine neden olur. Bir sigorta veya kontaktöre bağlanabilecek armatür sayısını belirleyen çoğu zaman bu değerdir; sürücü üreticisinin "bir B16 sigortaya en fazla X adet" tablosu kullanılmalıdır.

Örnek hesap: aynı güç, farklı PF

40 W giriş gücündeki bir armatür, 230 V şebekede iki farklı sürücüyle çalıştırılsın.

1. Akım formülü: I = P / (U × PF)
2. PF = 0,95 için: I = 40 / (230 × 0,95) ≈ 0,183 A
3. PF = 0,50 için: I = 40 / (230 × 0,50) ≈ 0,348 A
4. Aynı linyede 50 armatür olduğunu varsayalım: 0,95 PF ile ≈ 9,2 A; 0,50 PF ile ≈ 17,4 A.

Her iki durumda aktif güç 50 × 40 = 2.000 W'tır ve sayaçtaki kWh değişmez. Ancak ikinci durumda hat akımı neredeyse iki katına çıkar: Kablo kesiti, gerilim düşümü, şalter seçimi ve trafo yüklenmesi buna göre etkilenir. Ayrıca harmonik akımların üç fazlı sistemlerde nötr iletkeninde toplanabileceği unutulmamalıdır. Enerji tarafını ayrıca incelemek isterseniz enerji tüketimi hesaplayıcısını kullanabilirsiniz.

Uygulama alanları ve senaryolar

• Ofis ve okul projeleri: Yüzlerce düşük güçlü panel aynı dağıtım panosuna bağlanır. Tek tek küçük görünen harmonik akımlar toplamda nötr akımını ve kompanzasyon panosunun davranışını etkileyebilir.
• Yol ve saha aydınlatması: Uzun hatlar ve gece boyunca dimleme profilleri yaygındır. Gece yarısından sonra %50 seviyesine dimlenen armatürlerde PF ve THD değerlerinin bu seviyede de kabul edilebilir kalması gerekir.
• Kompanzasyonlu sanayi tesisleri: Eski sistemlerden kalan kondansatör grupları, LED dönüşümünden sonra fazla kapasitif reaktif güç üretebilir. Dönüşüm sonrası kompanzasyon ayarlarının ve reaktif enerji kayıtlarının gözden geçirilmesi gerekir.
• Jeneratör ve UPS beslemeli acil devreler: Ani akım ve harmonikler, küçük güçlü kaynaklarda koruma açmalarına yol açabilir.

Sık yapılan hatalar

• PF'yi yalnızca tam yükte değerlendirmek. Gece dimlemesi veya sensörlü kontrol içeren projelerde armatürler zamanın büyük bölümünü kısmi yükte geçirir.
• cos φ ile PF'yi aynı sanmak. Pens ampermetreyle ölçülen ya da etikette yazan cos φ değeri yüksek olsa da harmonik bozulma nedeniyle gerçek PF düşük olabilir.
• Sürücüyü gücünün çok altında yüklemek. 100 W'lık sürücüyle 40 W'lık modül beslemek, PF ve verimi düşürebilir.
• Ani akımı göz ardı etmek. Sigorta başına armatür sayısı yalnızca sürekli akıma göre hesaplanırsa ilk açılışta açmalar yaşanabilir.
• Harmonik uygunluğu beyanla yetinmek. Kritik projelerde akredite laboratuvar raporu ve test koşulları (gerilim, yük oranı) istenmelidir.
• Yüksek PF'yi kaliteli ışıkla eşdeğer saymak. Tek katlı PFC'li ucuz bir sürücü yüksek PF verirken 100 Hz dalgalanma bırakabilir.

Kontrol listesi

• Veri sayfasında PF ve THD değerleri hangi gerilim ve yük oranında verilmiş?
• PF–yük ve THD–yük eğrileri mevcut mu; projedeki dim seviyesinde değerler kabul edilebilir mi?
• IEC 61000-3-2 (C sınıfı) uygunluğu için test raporu var mı?
• Ürün AB pazarına yönelikse (EU) 2019/2020 kapsamındaki yer değiştirme faktörü şartı ürün tipine uygulanıyor mu?
• Sürücü nominal gücü ile modül gücü uyumlu mu (aşırı boyutlandırma yok mu)?
• Ani akım değeri ve sigorta başına armatür tablosu proje hesabına işlendi mi?
• Çıkış akımı dalgalanması (ripple) veya flicker metrikleri ayrıca kontrol edildi mi?
• Mevcut kompanzasyon sistemi LED dönüşümünden sonra yeniden ayarlandı mı?

PFC devresi, LED armatürün şebekeye "iyi komşu" olmasını sağlayan katmandır. Seçimde tek bir PF sayısına değil, yük oranına göre davranışa, harmonik uygunluğuna ve ani akıma birlikte bakmak, sahada sürprizleri büyük ölçüde azaltır. Sürücü seçiminin diğer boyutları için LED sürücü rehberine göz atabilirsiniz.