Il fattore 
di potenza

di Michele Viola

Il fattore di potenza (PF, dall’acronimo in lingua inglese Power Factor) è un parametro dei circuiti elettrici, piuttosto fondamentale, che ha a che fare con la potenza assorbita da un carico elettrico alimentato da una tensione alternata. È una caratteristica di ciascun dispositivo che assorbe potenza quando è alimentato ed è rappresentato da un numero – senza unità di misura – che può assumere qualunque valore compreso tra 0 e 1. Tecnicamente è il rapporto tra la potenza media assorbita – la cosiddetta potenza attiva – e il prodotto dei valori efficaci di tensione e corrente.

Specificando un po’: alimentando un dispositivo elettrico con una tensione alternata, questo in genere assorbe corrente e, contemporaneamente, impegna una potenza elettrica.
La tensione di alimentazione e la corrente assorbita si esprimono in genere tramite i loro valori efficaci, anche detti valori RMS. Il prodotto del valore efficace della tensione di alimentazione per il valore efficace della corrente assorbita ha le dimensioni fisiche di una potenza, ma in genere non corrisponde all’effettiva potenza assorbita e trasformata – quella che scalda la stufa, o che muove l’altoparlante, per intenderci.
Per calcolare l’effettiva potenza assorbita, occorre tenere conto del fattore di potenza:

In pratica, PF = 1 solo quando il carico è puramente resistivo, ovvero quando assorbe una corrente perfettamente sinusoidale e in fase con la tensione di alimentazione.

Se il carico non è resistivo ma è comunque lineare, ovvero ha una componente reattiva, capacitiva o induttiva, allora le forme d’onda della corrente e della tensione sono entrambe sinusoidali ma sfasate tra loro, e il fattore di potenza – in questo caso chiamato anche cosfì – è una funzione trigonometrica dell’angolo di sfasamento.
Al limite, se il carico è perfettamente reattivo, corrente e tensione sono in quadratura – cioè sono sfasate di 90° – quindi la potenza attiva assorbita è nulla. In tal caso, la potenza viene scambiata con l’alimentazione in entrambi i sensi, un po’ come una molla dal punto di vista meccanico, così non c’è una potenza effettivamente e definitivamente assorbita. Spesso l’alimentazione non è però in grado di ri-assorbire energia dal carico, per cui questo scambio risulta di fatto deleterio, almeno dal punto di vista del fornitore.
Più spesso, pur con la tensione di alimentazione sinusoidale, la forma d’onda della corrente assorbita non è sinusoidale ma tende piuttosto ad essere decisamente impulsiva. In questo caso il fattore di potenza è il prodotto di due termini, entrambi minori di 1: il primo è il cosfì, ovvero un fattore di sfasamento, come nel caso di carico lineare ma riferito alla prima armonica della forma d’onda della corrente; il secondo è un fattore di distorsione che dipende in maniera inversa dalla distorsione armonica complessiva THD (Total Harmonic Distorsion). In altri termini, più è alta la distorsione più è basso il fattore di potenza.
Un’elevata distorsione nella corrente assorbita può dare problemi ai dispositivi alimentati dalla stessa linea; in particolare le componenti impulsive si propagano all’indietro sul cavo di alimentazione e raggiungono i dispositivi vicini, anche al di fuori delle pertinenze dell’utilizzatore. Il ronzio nell’impianto audio prodotto dai dimmer al 30% (senza PFC) rappresenta un chiaro esempio del problema.
Il gestore della linea è quindi piuttosto infastidito dai carichi a basso fattore di potenza, soprattutto (ma non solo) a causa delle componenti distorsive. C’è anche una norma europea, IEC 61000-3-2, che limita la distorsione ammessa per i carichi connessi alla rete, così da limitare l’inquinamento elettrico per i carichi adiacenti. Di fatto, i gestori della rete elettrica dei vari paesi pongono un limite inferiore al fattore di potenza – sia al fattore di sfasamento sia al fattore di distorsione – dei carichi significativi.
Per questo, ovvero sia per ragioni normative sia per motivi legati all’inquinamento della rete di alimentazione elettrica locale, attualmente, la maggior parte dei dispositivi elettronici di una certa potenza, di interesse per il nostro settore (fari, finali di potenza, …) integrano, all’interno della sezione di alimentazione, un circuito di correzione del fattore di potenza, indicato in genere con l’acronimo PFC (Power Factor Correction).

La correzione del fattore di potenza si realizza equilibrando la componente reattiva nel caso di carichi lineari, e filtrando le armoniche di distorsione nel caso di assorbimenti impulsivi.
Il filtraggio delle componenti impulsive si può realizzare, in maniera concettualmente piuttosto semplice, con un adeguato filtro LC centrato a 50 Hz (o alla frequenza di rete). Il problema è che per i carichi di potenza servono tipicamente induttanze di valore elevato e capaci di condurre correnti significative, e questo significa in pratica tanto ferro nel nucleo e tanto rame nella bobina, quindi costo, ingombro e peso elevati. I condensatori, d’altra parte, dovranno sopportare tensioni relativamente elevate e presentare parametri parassiti (in particolare le resistenze spurie) abbastanza buoni, quindi anche in questo caso si va incontro a problemi legati ad ingombro e costo.

Un’altra soluzione, che è quella che ovviamente va per la maggiore nei dispositivi moderni, è il controllo elettronico a semiconduttore, ovvero l’interposizione di un dispositivo elettronico in grado di modellare la corrente in ingresso in modo da farne corrispondere la forma a quella della tensione di alimentazione, con una certa approssimazione, ma comunque molto meglio di quello che si può ottenere con un comune circuito di alimentazione a ponte. Il PFC integrato nella sezione di alimentazione è tipicamente composto di più stadi simili agli elementi di base di un alimentatore in commutazione, a valle del primo ponte a diodi. Questo approccio, insieme a un appropriato circuito di controllo che si occupa del coordinamento delle commutazioni, permette di ottenere un fattore di potenza significativamente superiore a 0,9, anche in dispositivi di discreta potenza, e assorbimento intrinseco fortemente impulsivo, come un amplificatore di potenza. Non solo i moderni amplificatori in commutazione, ma anche i tradizionali amplificatori in classe AB o addirittura in classe A presentano lo stesso problema, a causa del ponte a diodi in ingresso, tipicamente seguito da un (grosso) condensatore di livellamento. Una tradizionale sezione di alimentazione a ponte, senza PFC, presenta un fattore di potenza tipico intorno a 0,5, principalmente a causa della distorsione. 

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