A rövid válasz: a teljes harmonikus torzítás angol rövidítése THD = Total Harmonic Distortion. A harmonikus zaj rontja a hálózat minőségi paramétereit és mindenféle zűrt okozhat: a vezetékek, transzformátorok túlmelegedhetnek, egyes alkatrészek meghibásodhatnak. A nullvezetéken is folyhat áram, emiatt a védelem indokolatlanul is működésbe léphet. Nagyon sok furcsa, véletlenszerű működési hiba informatikai rendszerekben, vezérlőknél a harmonikus zajra vezethető vissza.
Ha ez a válasz még nem kielégítő, menjünk lépésről lépésre és először tisztázzuk, mit jelent a torzítás váltóáramú hálózatról működtetett tápegységeknél. A torzítás ebben az esetben az áram és a feszültség közötti összefüggésre vonatkozik. Nincs torzítás, ha a bemenő feszültség és az áramkörben folyó áram között mindig egyenes arányosság áll fenn. Ez a helyzet látható az 1. ábrán, amikor egy ohmos ellenállásra váltófeszültséget kapcsolunk. A feszültség-idő és az áram-idő függvényt szabályos szinusz hullám írja le. Az áram – idő függvény alakja nem torzul.
Torzításmentes eset, amikor az áram (I) és a feszültség (U) között egyenes arányosság áll fenn.
Ha az áram nem-lineárisan függ a feszültségtől, akkor az áram időbeli lefutása jelentősen torzul a feszültséghez képest. Egy dióda egyenirányító hatása egy ilyen nemlineáris hatás, amelyet a 2. ábra szemléltet. Az áram exponenciálisan fut fel a feszültség növekedtével nyitó irányban, de negatív feszültségeknél gyakorlatilag nem folyik áram.
Egy nemlineáris áram-feszültség összefüggés és az áram-idő függvény, szinuszos bemenő feszültség esetén
A „harmonikus” jelző azzal kapcsolatos, hogy egy periodikus jelet, legyen akármilyen torz az alakja, a harmonikus rezgőmozgást is leíró szinusz vagy koszinusz függvények összegeként tudjuk megadni. A Fourier analízisnek nevezett eljárás során meghatározzuk, hogy milyen frekvenciájú és amplitúdójú hullámokból keverhető ki a jel-idő függvény.
Egy 50 Hz frekvenciájú, 1 V amplitúdójú szinusz jel és Fourier spektruma
Egy tisztán szinuszos, torzításmentes, 50 Hz frekvenciájú 1 V amplitúdójú jel látható a 3. ábra bal oldalán, ahol a feszültség értékét ábrázoltam az idő függvényében. Mellette ugyanennek a jelnek a Fourier spektruma látható, ami megadja, hogy milyen frekvenciájú és amplitúdójú szinusz hullám összeadásával kapjuk meg a bal oldalon látható jel-idő függvényt. Ebben a spektrumban a várakozásnak megfelelően egy csúcs látható: 50 Hz frekvencián az amplitúdó 1 V.
Két szinusz függvény összeadásából adódó jelet mutat a 4. ábra. Az egyik szinusz függvény frekvenciája 50 Hz, amplitúdója 1 V míg a másik 180 Hz és 2 V amplitúdójú. A jobb oldalon a Fourier spektrumban már két csúcs jelent meg és a csúcsok magassága az amplitúdóknak felel meg.
Egy 50 Hz frekvenciájú, 1 V amplitúdójú ás 180 Hz, 2 V szinuszos jel összege és Fourier spektruma
Hogyan nézhet ki egy nemlineáris elemeket tartalmazó áramkörben, mint amilyen egy LED tápegység, a jel-idő függvény és a hozzá tartozó amplitúdó frekvencia spektrum? A 2. ábra jobb oldalán már bemutatott áram-idő függvényt és a hozzá tartozó Fourier spektrumot mutatja az 5. ábra. A bemenő feszültség jel szabályos szinusz függvénnyel írható le, de a dióda harmonikus torzítása után kapott áram-idő függvény Fourier spektrumában a bemenő jel frekvenciája (alapharmonikus) és annak egész számú többszörösei (felharmonikusok) jelennek meg. Példánkban a bemenő jel frekvenciája 50 Hz, ez az alapharmonikus frekvencia. A második felharmonikus 100 Hz, a harmadik 150 Hz és így tovább. A spektrumról leolvasható az egyes frekvenciához tartozó amplitúdó értéke, I1, I2, stb.
A szinuszfüggvényhez képest jelentősen torzított jel és a hozzá tartozó Fourier spektrum. A spektrumban az bemenő szinusz függvény frekvenciájának (50 Hz) egész számú többszörösei jelennek meg. Ezeket nevezzük felharmonikusoknak.
Ezek az amplitúdók harmonikus torzítás jellemzői. A gyakorlatban az amplitúdóval arányos effektív értékeket szokták megadni. A teljes harmonikus torzítást úgy kapjuk meg, hogy az összes felharmonikus effektív értékét osztjuk az alapharmonikus effektív értékével:
A világítástechnikai berendezésekre vonatkozó EN61000-3-2 szabványban külön szabályozzák a 25 W feletti és az 5-25 W közé eső teljesítményű fogyasztókra a határokat (a páratlan számú felharmonikusok arányát) és az előírások folyamatosan szigorodnak. A hálózat szempontjából minél kisebb a THD% annál jobb. A felharmonikus zavarok fölöslegesen terhelik az elosztóhálózatot, a zaj a világítóberendezéseknél villogást idézhet elő, hálózati zavarokra érzékeny fogyasztók meghibásodhatnak. LED tápegységek adatlapjain 10%-20% közötti maximális THD értékekkel találkozhatunk.
A megfelelő THD érték beállítása a tápegységgyártó feladata és csak a szabványoknak megfelelő termékek hozhatók forgalomba. A legegyszerűbb berendezésekben passzív áramköri elemekkel (kondenzátort és induktivitás tartalmazó szűrőkkel) csökkentik a felharmonikus amplitúdót. A harmonikus szennyezés csökkentésének másik lehetősége az, amikor aktív áramköri egységgel javítják a kimenet jellemzőit. Ezt a módszert gyakran teljesítménytényező javításnak nevezik, angol rövidítéssel PFC (Power Factor Correction). Ez az elnevezés kicsit félrevezető, de ezek az áramkörök a teljesítménytényezőt is javítják, miközben a harmonikus zajt csökkentik.
Egy LED tápegység vagy világítótest vásárlásánál érdemes ránézni a THD értékre is. Sok bosszúságtól kímélhetjük meg magunkat, ha nem szennyezzük az elektromos hálózatot egy zajt generáló berendezéssel.
(bla)