Напряжение пробоя изолятора — это минимальное напряжение, при котором часть изолятора подвергается электрическому пробою и становится электропроводной .
Для диодов напряжение пробоя — это минимальное обратное напряжение, которое обеспечивает значительную обратную проводимость диода. Некоторые устройства (например, симисторы ) также имеют прямое напряжение пробоя .
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 на куске материала путем приложения разницы напряжений между электрическими контактами на разных сторонах материала. Сила поля заставляет носители заряда внутри материала двигаться, создавая электрический ток от положительного контакта к отрицательному контакту. 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 вызывает протекание очень небольшого тока, что придает материалу очень высокое удельное сопротивление , и он классифицируется как изолятор.
Однако если приложить достаточно сильное электрическое поле , все изоляторы станут проводниками. Если увеличить напряжение, приложенное к куску изолятора, при определенной напряженности электрического поля количество носителей заряда в материале внезапно значительно увеличится, а его удельное сопротивление упадет, что приведет к протеканию через него сильного тока. Это называется электрическим пробойом . Пробой происходит, когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы вытягивать электроны из молекул материала, ионизируя их. Высвободившиеся электроны ускоряются полем и ударяются о другие атомы, создавая больше свободных электронов и ионов в цепной реакции, наполняя материал заряженными частицами. Это происходит при характерной напряженности электрического поля в каждом материале, измеряемой в вольтах на сантиметр, называемой его диэлектрической прочностью .
Когда напряжение прикладывается к куску изолятора, электрическое поле в каждой точке равно градиенту напряжения . Градиент напряжения может различаться в разных точках объекта из-за его формы или местных различий в составе. Электрический пробой происходит, когда поле впервые превышает электрическую прочность материала в некоторой области объекта. Как только одна область выходит из строя и становится проводящей, в этой области почти не наблюдается падения напряжения, и полное напряжение прикладывается по всей оставшейся длине изолятора, что приводит к более высокому градиенту и электрическому полю, что приводит к разрушению дополнительных областей изолятора. Пробой быстро распространяется по проводящему пути через изолятор, пока не распространится от положительного контакта к отрицательному. Напряжение, при котором это происходит, называется напряжением пробоя этого объекта. Напряжение пробоя [1] зависит от состава материала, формы объекта и длины материала между электрическими контактами.
Напряжение пробоя — это характеристика изолятора , которая определяет максимальную разность напряжений , которая может быть приложена к материалу до того, как изолятор начнет проводить ток. В твердых изоляционных материалах это обычно [ нужна ссылка ] создает ослабленный путь внутри материала, создавая постоянные молекулярные или физические изменения из-за внезапного тока . В разреженных газах, содержащихся в некоторых типах ламп, напряжение пробоя также иногда называют напряжением зажигания . [2]
Напряжение пробоя материала не является определенной величиной, поскольку это форма разрушения, и существует статистическая вероятность того, что материал выйдет из строя при данном напряжении. Когда указывается значение, обычно это среднее напряжение пробоя большого образца. Другой термин — выдерживаемое напряжение , при котором вероятность отказа при данном напряжении настолько мала, что при проектировании изоляции считается, что материал не выйдет из строя при этом напряжении.
Двумя различными измерениями напряжения пробоя материала являются переменное напряжение и импульсное напряжение пробоя. Напряжение переменного тока — это частота сети . Импульсное напряжение пробоя имитирует удары молнии и обычно использует подъем на 1,2 микросекунды, чтобы волна достигла амплитуды 90%, а затем через 50 микросекунд снова падает до амплитуды 50%. [3]
Два технических стандарта, регулирующих проведение этих испытаний, — это ASTM D1816 и ASTM D3300, опубликованные ASTM. [4]
В стандартных условиях при атмосферном давлении воздух служит отличным изолятором, требующим приложения значительного напряжения 3,0 кВ/мм перед пробой (например, удар молнии или искрение на обкладках конденсатора или электродах свечи зажигания ). . В частичном вакууме этот потенциал пробоя может уменьшиться до такой степени, что две неизолированные поверхности с разными потенциалами могут вызвать электрический пробой окружающего газа. Это может привести к поломке аппарата, поскольку поломка аналогична короткому замыканию.
В газе напряжение пробоя можно определить по закону Пашена .
Напряжение пробоя в частичном вакууме представлено как [5] [6] [7]
где потенциал пробоя в вольтах постоянного тока , а также константы , которые зависят от окружающего газа, представляют давление окружающего газа, представляют расстояние в сантиметрах между электродами, [ необходимы пояснения ] и представляют собой коэффициент вторичной электронной эмиссии .
Подробный вывод и некоторая справочная информация приведены в статье о законе Пашена .
Напряжение пробоя — это параметр диода , который определяет наибольшее обратное напряжение , которое можно приложить, не вызывая экспоненциального увеличения тока утечки в диоде. Превышение напряжения пробоя диода само по себе не является разрушительным; хотя, превышение его нынешней мощности будет. Фактически, стабилитроны — это, по сути, просто сильнолегированные обычные диоды, которые используют напряжение пробоя диода для регулирования уровней напряжения.
Выпрямительные диоды (полупроводниковые или ламповые/ламповые) могут иметь несколько номинальных напряжений, например пиковое обратное напряжение (PIV) на диоде и максимальное среднеквадратичное входное напряжение в цепи выпрямителя (которое будет намного меньше).
Для многих малосигнальных транзисторов ток пробоя должен быть ограничен гораздо меньшими значениями, чтобы избежать чрезмерного нагрева. Чтобы избежать повреждения устройства и ограничить влияние чрезмерного тока утечки на окружающую цепь, часто указываются следующие максимальные номиналы биполярных транзисторов:
Полевые транзисторы имеют схожие максимальные номиналы, наиболее важным для переходных полевых транзисторов является номинальное напряжение затвор-сток.
Для некоторых устройств также может быть указана максимальная скорость изменения напряжения.
Силовые трансформаторы , автоматические выключатели , распределительные устройства и другое электрическое оборудование, подключенное к воздушным линиям электропередачи, подвергаются воздействию переходных грозовых перенапряжений, наведенных в силовой цепи. Для электрооборудования будет указан базовый уровень грозового импульса (BIL). Это пиковое значение импульсного сигнала стандартизированной формы, предназначенное для имитации электрического напряжения, вызванного грозовым перенапряжением или перенапряжением, вызванным переключением цепи. BIL согласован с типичным рабочим напряжением устройства. Для линий электропередачи высокого напряжения уровень импульса связан с зазором относительно земли компонентов, находящихся под напряжением. Например, линия электропередачи номиналом 138 кВ будет рассчитана на BIL 650 кВ. В случае сильного воздействия молнии может быть установлен более высокий BIL, чем минимальный. [8]
![{\displaystyle V_{\mathrm {b} }={\frac {B\,p\,d}{\ln \left(A\,p\,d\right)-\ln \left[\ln \left (1+{\frac {1}{\gamma _{\mathrm {se} }}}\right)\right]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7f348ebeab0b16e187a858c2d3fbbe16080ff926)
