Напряжение пробоя изолятора

Введение

Напряжение, при котором изолятор становится проводящим.

Пробивное напряжение изолятора – это минимальное напряжение, при котором происходит электрический пробой части изолятора, и он становится электрически проводящим. Для диодов пробивное напряжение – это минимальное обратное напряжение, при котором диод начинает заметно проводить в обратном направлении. Некоторые устройства (например, TRIAC) также имеют прямое пробивное напряжение.

Электрический сбой

Материалы часто классифицируются как проводники или изоляторы на основе их удельного сопротивления. Проводник – это вещество, содержащее множество подвижных заряженных частиц, называемых носителями заряда, которые могут свободно перемещаться внутри материала. Электрическое поле создается в объеме материала путем приложения разности напряжений между электрическими контактами на разных сторонах материала. Сила этого поля заставляет носители заряда в материале двигаться, создавая электрический ток от положительного контакта к отрицательному. Например, в металлах один или несколько отрицательно заряженных электронов в каждом атоме, называемых электронами проводимости, могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Электрическое поле вызывает протекание большого тока, поэтому металлы имеют низкое удельное сопротивление, что делает их хорошими проводниками. В отличие от таких материалов, как пластмассы и керамика, все электроны прочно связаны с атомами, поэтому в нормальных условиях в материале очень мало подвижных носителей заряда. Приложение напряжения приводит к протеканию лишь небольшого тока, что обуславливает высокое удельное сопротивление материала, и такие материалы классифицируются как изоляторы. Однако, если приложить достаточно сильное электрическое поле, любой изолятор становится проводником. При увеличении напряжения, приложенного к изолятору, при определенной напряженности электрического поля количество носителей заряда в материале внезапно и значительно возрастает, а его удельное сопротивление падает, что приводит к протеканию сильного тока. Это явление называется электрическим пробоем. Пробой происходит, когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы вырвать электроны из молекул материала, ионизируя их. Освобожденные электроны ускоряются полем и сталкиваются с другими атомами, создавая больше свободных электронов и ионов в цепной реакции, насыщая материал заряженными частицами. Это происходит при характерной для каждого материала напряженности электрического поля, измеряемой в вольтах на сантиметр, и называется диэлектрической прочностью. Когда напряжение приложено к изолятору, электрическое поле в каждой точке равно градиенту напряжения. Градиент напряжения может изменяться в разных точках объекта из-за его формы или локальных изменений в составе. Электрический пробой происходит, когда поле впервые превышает диэлектрическую прочность материала в некоторой области объекта. После того, как одна область пробита и стала проводящей, падение напряжения на ней практически отсутствует, и полное напряжение прикладывается к оставшейся длине изолятора, что приводит к увеличению градиента и напряженности электрического поля, вызывая пробой дополнительных областей изолятора. Пробой быстро распространяется по проводящему каналу через изолятор, пока не соединит положительный и отрицательный контакты. Напряжение, при котором это происходит, называется напряжением пробоя данного объекта. Напряжение пробоя зависит от состава материала, формы объекта и длины материала между электрическими контактами.

Materials are often classified as conductors or insulators based on their resistivity. A conductor is a substance which contains many mobile charged particles called charge carriers which are free to move about inside the material. An electric field is created across a piece of the material by applying a voltage difference between electrical contacts on different sides of the material. The force of the field causes the charge carriers within the material to move, creating an electric current from the positive contact to the negative contact. For example, in metals one or more of the negatively charged electrons in each atom, called conduction electrons, are free to move about the crystal lattice. An electric field causes a large current to flow, so metals have low resistivity, making them good conductors. In contrast in materials like plastics and ceramics all the electrons are tightly bound to atoms, so under normal conditions there are very few mobile charge carriers in the material. Applying a voltage causes only a very small current to flow, giving the material a very high resistivity, and these are classed as insulators. However, if a strong enough electric field is applied, all insulators become conductors. If the voltage applied across a piece of insulator is increased, at a certain electric field strength the number of charge carriers in the material suddenly increases enormously and its resistivity drops, causing a strong current to flow through it. This is called electrical breakdown. Breakdown occurs when the electric field becomes strong enough to pull electrons from the molecules of the material, ionizing them. The released electrons are accelerated by the field and strike other atoms, creating more free electrons and ions in a chain reaction, flooding the material with charged particles. This occurs at a characteristic electric field strength in each material, measured in volts per centimeter, called its dielectric strength. When a voltage is applied across a piece of insulator, the electric field at each point is equal to the gradient of the voltage. The voltage gradient may vary at different points across the object, due to its shape or local variations in composition. Electrical breakdown occurs when the field first exceeds the dielectric strength of the material in some region of the object. Once one area has broken down and become conductive, that area has almost no voltage drop and the full voltage is applied across the remaining length of the insulator, resulting in a higher gradient and electric field, causing additional areas in the insulator to break down. The breakdown quickly spreads in a conductive path through the insulator until it extends from the positive to the negative contact. The voltage at which this occurs is called the breakdown voltage of that object. Breakdown voltage varies with the material composition, shape of an object, and the length of material between the electrical contacts.

Твердые вещества

Напряжение пробоя – характеристика изолятора, определяющая максимальную разность потенциалов, которую можно приложить к материалу до начала проводимости. В твердых изоляционных материалах это обычно приводит к образованию ослабленного проводящего пути внутри материала, вызывая необратимые молекулярные или физические изменения под воздействием резкого тока. В разреженных газах, используемых в некоторых типах ламп, напряжение пробоя также иногда называют напряжением зажигания. Напряжение пробоя материала не является фиксированной величиной, поскольку представляет собой форму разрушения и имеет статистическую вероятность наступления при заданном напряжении. При указании значения обычно подразумевается среднее напряжение пробоя для большой выборки. Другой термин – напряжение выдержки, при котором вероятность разрушения при заданном напряжении настолько мала, что при проектировании изоляции считается, что материал не выйдет из строя при этом напряжении. Существуют два различных метода измерения напряжения пробоя материала: переменного тока и импульсного напряжения. Напряжение переменного тока соответствует частоте питающей сети. Импульсное напряжение имитирует воздействие грозовых разрядов и обычно имеет время нарастания до 90% амплитуды в 1,2 микросекунды, после чего амплитуда снижается до 50% за 50 микросекунд. Два технических стандарта, регламентирующих проведение этих испытаний, – ASTM D1816 и ASTM D3300, опубликованные организацией ASTM.

Диоды и другие полупроводники

Напряжение пробоя — параметр диода, определяющий максимальное обратное напряжение, которое можно приложить без возникновения экспоненциального увеличения тока утечки в диоде. Превышение напряжения пробоя диода само по себе не является разрушительным, однако превышение его допустимого тока — да. Фактически, диоды Зенера — это сильно легированные обычные диоды, использующие напряжение пробоя диода для стабилизации напряжения. Выпрямительные диоды (полупроводниковые или ламповые) могут иметь несколько номинальных напряжений, таких как максимальное обратное напряжение (PIV) на диоде и максимальное действующее (RMS) входное напряжение для выпрямительной схемы (которое будет значительно меньше). Для многих малосигнальных транзисторов необходимо ограничивать токи пробоя гораздо более низкими значениями, чтобы избежать чрезмерного нагрева. Чтобы предотвратить повреждение устройства и ограничить влияние избыточного тока утечки на окружающую схему, часто указываются следующие максимальные параметры биполярных транзисторов:

VCEO (иногда записывается как BVCEO или V(BR)CEO) — максимальное напряжение между коллектором и эмиттером, которое можно безопасно приложить (и при этом ток утечки не превышает заданное значение), когда на базе транзистора нет цепи для отвода тока утечки базы-коллектора. Типичные значения: от 20 вольт до 700 вольт; очень ранние германиевые точечно-контактные транзисторы, такие как OC10, имели значения около 5 вольт или меньше. VCBO — максимальное напряжение коллектор-база при разомкнутом эмиттере. Типичные значения: от 25 до 1200 вольт. VCER — максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном сопротивлении (или меньшем) между базой и эмиттером. Более реалистичный параметр для реальных схем, чем сценарии с разомкнутой базой или эмиттером, описанные выше. VEBO — максимальное обратное напряжение на базе относительно эмиттера. Обычно около 5 вольт и более для германиевых транзисторов, и меньше для ВЧ-транзисторов. VCES — напряжение коллектор-эмиттер при закороченном соединении база-эмиттер; эквивалентно VCER при R = 0. VCEX — напряжение коллектор-эмиттер при подаче определенного напряжения на базу-эмиттер, например, в некоторых схемах высокочастотного переключения. Транзисторы с полевым управлением имеют аналогичные максимальные параметры, наиболее важным из которых для полевых транзисторов с управляющим p-n переходом является напряжение затвор-сток. Некоторые устройства также могут иметь указанную максимальную скорость изменения напряжения.

Электрические приборы

Трансформаторы питания, выключатели, коммутационные аппараты и другое электрооборудование, подключенное к воздушным линиям электропередачи, подвергается воздействию переходных импульсных перенапряжений, наведенных в силовой цепи при ударах молнии. Для электрооборудования указывается базовый уровень импульсного перенапряжения (BIL). Это амплитуда импульса стандартной формы, предназначенная для имитации электрических напряжений, возникающих при ударе молнии или при коммутационных переключениях в цепи. BIL координируется с типичным рабочим напряжением оборудования. Для высоковольтных линий электропередачи уровень импульсного перенапряжения связан с расстоянием до земли от находящихся под напряжением элементов. Например, линия электропередачи номиналом 138 кВ может быть спроектирована для BIL 650 кВ. Если существует высокая вероятность ударов молнии, может быть указан BIL выше минимального значения.