I consumi energetici in standby
di: Mario Giorgio Bartolo
fonte: 'Elettricoplus'
29.06.2009
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Molte utenze stabilmente connesse alla rete di alimentazione ac (televisori, pc, Home Theater) presentano una modalità di consumo nota come stato d’attesa (standby mode) nella quale permangono per la maggior parte del tempo. La potenza impegnata, seppur piccola in valore assoluto, causa un accumulo continuo e nascosto di energia sul cui abbattimento iniziano oggi a nascere molte richieste sia di tipo legislativo che da parte dei consumatori. Presto il consumo in standby dovrà essere misurato dal costruttore e riportato sull’etichetta energetica di molte utenze. Contrariamente a quanto si potrebbe essere indotti a pensare, la determinazione di tale consumo richiede strumentazione ed accorgimenti che differiscono da quelli tradizionalmente utilizzati nelle classiche misure di energia. Le potenze da misurare sono, infatti, messe in gioco da valori di corrente dell’ordine delle decine di mA associati a valori di tensione dell’ordine del centinaio di Volt (la tensione di rete); esse richiedono dunque misure al di sotto di qualche Watt, accurate ed affidabili, associate come si vedrà a forme d’onda in corrente poco stabili e spesso rapidamente variabili. Non è un caso se in sede Iec è stata redatta una norma appositamente dedicata a questo tipo di misurazioni (la Iec 62301 oggi anche EN 62301 e Cei 59-33). Conoscere gli aspetti salienti di questa tipologia di misure (le cosiddette “low power BF measurements”) risulterà a breve un requisito molto importante per progettisti e test engineer.
Lo stato di attesa
La modalità di attesa di un’utenza è definita dalla norma EN 62301 come lo stato di consumo minimo che non può essere controllato dall’utilizzatore e che può persistere per un tempo indefinito, quando l’apparecchio è collegato alla rete di alimentazione. Poiché in stato di attesa l’utenza non effettua nessuna delle funzioni per la quale è concepita, esso non è considerato uno stato funzionale. La figura 1 fornisce un quadro generale dei possibili stati di funzionamento di un’apparecchiatura secondo il vocabolario elettrotecnico internazionale (Iev definizione 191-06-03). A seconda del layout e del modo di operare in stato d’attesa, la norma EN 62301 suddivide le utenze in sette tipologie indicate con le lettere dalla A alla G (tabella 1).
Stabilità dello stato d’attesa
Per minimizzare i consumi - in stato di attesa - sono state messe a punto differenti tecniche che coniugano esigenze funzionali dell’apparecchiatura ad esigenze di risparmio energetico. Molte utenze elettroniche di concezione più recente (tv lcd) quando poste in tale modalità attivano funzioni intelligenti dette di “low power standby” (Lps) che ogni costruttore implementa con criteri propri e spesso brevettati. Così ogni sistema fa storia a se: molti carichi in lps presentano funzionamento stabile, altri dopo lo spegnimento attendono in uno stato di potenza superiore prima di scendere ad uno inferiore, altri ancora risultano stabili per intervalli di tempo più o meno lunghi (diversi minuti) ma entrano periodicamente per brevi periodi in stati di energia superiore o inferiore (ad esempio per far funzionare un dispositivo di riscaldamento oppure ricaricare alcuni condensatori, oppure attivare/disattivare temporaneamente determinati controlli). In quest’ultimo caso il sistema presenta funzionamento ciclico: assorbe corrente dalla rete solo per brevissimi intervalli (qualche decina di ms) separati da intervalli relativamente lunghi (diversi secondi) in maniera regolare e ripetitiva. La corrente appare come una serie di brevi impulsi durante ogni ciclo della tensione di rete (figura 2) senza alcun legame con la forma d’onda di quest’ultima: il valor medio dei prodotti tra i valori istantanei di tensione e corrente è basso con abbattimento della potenza assorbita. I termini più comunemente utilizzati per tale modalità attesa sono “burst mode” e “skip cicle”.
Tempo di osservazione
Nonostante, in linea di principio, lo stato di attesa possa persistere per un tempo indefinito, si considera sufficiente misurare la potenza in standby per un periodo limitato la cui durata dipende dalle caratteristiche della modalità di attesa. Viste le differenti modalità che è possibile incontrare è assolutamente necessario, prima di iniziare qualunque misura, identificare un eventuale funzionamento ciclico di lps al quale sono associati differenti stati di energia. A tal fine si osserva l’utenza in modalità di attesa per un tempo sufficientemente lungo da assicurare che una eventuale sequenza automatica venga completamente eseguita. Il tempo di misura dovrebbe preferibilmente includere diversi cicli di funzionamento. Questo criterio può essere utilizzato solamente quando la potenza misurata è stabile. Una variazione inferiore al 5% di quest’ultima su un periodo di 5 min è da considerarsi indice di stabilità. La misura si effettua collegando l’utenza allo strumento e selezionando il modo standby. Dopo aver lasciato stabilizzare il carico per almeno 5 min, viene controllato il consumo di potenza per non meno di 5 min supplementari. Se durante gli ultimi 5 min il livello della potenza non si scosta più del 5% rispetto al valore massimo osservato, il carico può essere considerato stabile e la potenza può essere direttamente registrata dallo strumento al termine dei 5 min. Nel caso in cui il valore della potenza non possa essere ritenuto stabile, si rende necessario effettuare una media dei valori di potenza letti durante un intervallo di tempo che comprenda l’intero ciclo di differenziazione degli stati energetici (la norma EN 62301 richiede un periodo minimo di 5 minuti), oppure, in alternativa, registrare il consumo di energia sullo stesso intervallo di tempo e dividendo il risultato per la durata dell’intervallo stesso. Per gli apparecchi portatili (definiti come apparecchi destinati a funzionare con pile ricaricabili, quando non collegati ad una sorgente di alimentazione), la misura deve essere effettuata sul caricatore oppure sul supporto/base, con l’apparecchio scollegato.
Tempo di media e frequenza di campionamento della corrente
Elettricamente il consumo in stato d’attesa di un’assegnata utenza non può essere valutato con le usuali tecniche di misura ad integrazione potenza-tempo, che fornirebbero in molti casi risultati nulli o inconsistenti. Non è ad esempio possibile ottenere misurazioni con la precisione richiesta utilizzando il tradizionale misuratore Ferranti (contatore di kilowatt-ore a disco rotante) in quanto molti carichi di bassa potenza non sono in grado di superare la coppia di avvio richiesta dando luogo ad indicazioni nulle. Associati alla misura esistono, inoltre, un certo numero di problemi originati dalle caratteristiche della corrente in gioco che come detto può presentare andamento di tipo burst. Il problema viene risolto utilizzando analizzatori di tipo numerico i quali campionano separatamente le forme d’onda di tensione e corrente ai capi dell’utenza moltiplicandone i relativi valori istantanei diverse migliaia di volte per ciclo.
All’interno del misuratore tali relazioni vengono implementate nel discreto con una risoluzione in energia inferiore o uguale a 0,1 mWh. Per garantire una buona stabilità di lettura la maggior parte degli analizzatori accumula il valor medio di potenza ottenuto dall’integrazione e ne aggiorna la visualizzazione una o due volte al secondo sulla base degli ultimi campioni acquisiti. È fondamentale che venga scelta al meglio la giusta combinazione tra tempo di media e tempo di aggiornamento del display per evitare visualizzazioni instabili (la tabella 2 fornisce in merito alcune indicazioni di massima). Normalmente sul display vengono visualizzati i valori rms di tensione, corrente potenza ed armoniche (di corrente). Questa metodologia costituisce l’approccio raccomandato nel caso in cui vi siano dei dubbi riguardo al comportamento dell’apparecchio oppure alla stabilità del modo di attesa. La durata del ciclo di funzionamento (dell’ordine delle decine di secondi) e la brevità degli intervalli durante i quali la corrente viene effettivamente assorbita (dell’ordine dei millisecondi) costituiscono due vincoli stringenti. Occorre che la forma d’onda della corrente venga campionata su un intervallo di tempo sufficientemente ampio (tale da ottenere un valor medio stabile) e nel contempo con una frequenza sufficientemente elevata (tale da acquisire le rapide variazioni della corrente senza perdita di dati). L’abbinamento di tali due esigenze realizza un vincolo stringente per le caratteristiche del misuratore. Come spesso accade in ambito tecnico il compromesso appare la via migliore e gli ordini di grandezza utilizzati per queste due grandezze sono:
- tempo di media regolabile tra qualche decina e qualche centinaia di secondi;
- frequenza di campionamento - qualche centinaia di kHz.
Caratteristiche del trasduttore di misura
Nelle misure dei consumi in stato d’attesa l’ordine di grandezza delle correnti in gioco è di qualche decina di mA (una corrente di 10 mA a 230 V dà luogo ad una potenza di 2,3 W), quindi al di sotto della sensibilità di molte pinze amperometriche tradizionali con le quali la misura potrebbe essere poco accurata o totalmente oscurata da rumore. Ad esempio, se una pinza con portata 10 A viene utilizzata per misurare una corrente di 10 mA, la lettura sarebbe un millesimo del valore di fondo scala ed il trasduttore potrebbe non registrare alcuna corrente o introdurre un errore elevato. Inoltre quando l’andamento della corrente di standby presenta asimmetrie rispetto lo zero si ha l’esistenza di una componente continua che fornisce contributo alla potenza assorbita, ma rende impossibile l’utilizzo di trasformatori di corrente (che fornirebbero un errore proporzionale alla componente dc) e contatori a disco rotante (nei quali le componenti continue esercitano una coppia frenante che dà origine ad ulteriori errori). Per questi ed altri motivi il trasduttore di misura costituisce l’anello più critico della catena, in quanto da esso dipende pesantemente l’accuratezza della misura stessa. Esso deve essere dotato di adeguate caratteristiche in termini di sensibilità, rapporto S/N, range dinamico, cmrr, banda passante, fattore di picco ed incertezza (la tabella 3 fornisce i requisiti di incertezza richiesti in funzione della potenza misurata). Nelle misure dei consumi in standby ottime performance in tal senso si ottengono utilizzando resistori di sensing in serie al carico funzionanti come trasduttori corrente-tensione: la corrente viene determinata per via indiretta misurando la caduta di tensione ai capi del resistore (figura 3). Al fine di migliorare accuratezza e risposta in frequenza della misura il resistore deve essere di tipo non induttivo e di precisione preferibilmente a quattro terminali (connessione Kelvin). Il valore ohmico e la potenza vengono stabiliti in funzione della corrente prevista (calcolabile nota la potenza in standby dichiarata dal costruttore) e della sensibilità del voltmetro utilizzato. Quest’ultimo deve essere dotato di un buon rapporto di reiezione del modo comune (Cmrr) in quanto destinato a misurare una piccola differenza di potenziale tra due punti (i terminali del resistore) che possono presentare un elevato potenziale rispetto terra.
Fattore di picco del misuratore
Sebbene il fattore di picco Kp (rapporto tra valore di picco e valore efficace) sia a rigore riferito alle forme d’onda, esso figura spesso tra le caratteristiche degli strumenti di misura. Un’assegnata forma d’onda caratterizzata da un Kp noto può essere, infatti, acquisita senza errore solo da un misuratore in grado di seguirne appieno la dinamica. Al fine di seguire con sufficiente precisione l’andamento burst della corrente di standby è necessario che il misuratore sia di tipo a vero valore efficace (True Rms) con fattore di picco superiore a quello effettivo della corrente per evitare attenuazioni sul valore di picco e conseguenti errori sull’integrazione della potenza. I fattori di cresta delle correnti assorbite dalla maggior parte delle utenze poste in stato di attesa sono dell’ordine di 3 o 4 ma in alcune circostanze possono raggiungere valori di 8-10. Gli strumenti di qualità forniscono una indicazione del tipo “over range” quando la forma d’onda misurata presenta fattore di cresta superiore a quello nominale dello strumento. La distorsione della corrente assorbita richiede che l’analizzatore risulti sensibile all’energia delle componenti armoniche fino alla frequenza di almeno 2,5 kHz. Componenti di ordine superiore a 49 (2450 Hz) presentano, infatti, energia estremamente bassa e quindi una loro esclusione dalla misura causerebbe un errore trascurabile. Per quanto riguarda la tensione con la quale viene alimentata l’utenza durante le misure, essa deve presentare residuo armonico inferiore al 2% fino alla 13-ma componente armonica (compresa) e fattore di picco compreso tra 1,34 ed 1,49. È sconsigliabile utilizzare allo scopo la tensione della rete pubblica in quanto, anche se l’impedenza di rete è sufficientemente bassa da scongiurare l’assenza di fenomeni di flat top (tosatura) e la tensione si presenta generalmente sinusoidale, l’impedenza stessa non è stabile durante il normale esercizio. Ciò rende la tensione soggetta a variazioni, buchi e brevi interruzioni aventi occorrenza aleatoria: sia nel tempo, in uno specifico terminale di consegna, sia nella posizione, per un fissato istante di tempo. Per questi motivi, a favore della riproducibilità della misura, è consigliabile utilizzare una sorgente da laboratorio (ac Power Source).
Dati di misura da indicare nel test report
La norma EN 62301 indica quali informazioni debbano essere riportate nel test report di valutazione dei consumi in standby. Oltre alle consuete informazioni relative all’apparecchio (marca, modello, tipo e numero di serie, descrizione, tensione e frequenza di alimentazione, potenza apparente, fattore di potenza, configurazione di prova) ed ai parametri di prova (temperatura ambiente, tensione e frequenza di prova, Thd del sistema di alimentazione, altre informazioni e documentazione relative agli strumenti, ai settaggi, al banco di misura) è necessario registrare i seguenti dati inerenti il consumo in stato d’attesa:
- potenza media in Watt arrotondata alla seconda cifra decimale (per carichi uguali o superiori a 10 W si devono riportare tre cifre significative);
- metodo di misura utilizzato (della potenza media o dell’energia accumulata come descritto nella norma);
- energia accumulata e periodo di misura (secondi/minuti/ore);
- descrizione dell’eventuale modo di programmazione dell’apparecchio;
- sequenza di eventi per raggiungere lo stato in cui l’apparecchio cambia automaticamente modo;
- ogni nota ritenuta utile relativa alla descrizione del funzionamento dell’utenza.
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