Напряжение пробоя изолятора — это минимальное напряжение, которое приводит к электрическому пробою части изолятора и ее способности проводить электрический ток .
Для диодов напряжение пробоя — это минимальное обратное напряжение, которое заставляет диод проводить заметно в обратном направлении. Некоторые устройства (например, симисторы ) также имеют прямое напряжение пробоя .
Материалы часто классифицируются как проводники или изоляторы на основе их удельного сопротивления . Проводник — это вещество, которое содержит много подвижных заряженных частиц, называемых носителями заряда , которые могут свободно перемещаться внутри материала. Электрическое поле создается через кусок материала путем приложения разности 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 этого, в таких материалах, как пластик и керамика, все электроны прочно связаны с атомами, поэтому при нормальных условиях в материале очень мало подвижных носителей заряда. Приложение напряжения вызывает протекание только очень небольшого тока, что придает материалу очень высокое удельное сопротивление , и они классифицируются как изоляторы.
Однако, если приложить достаточно сильное электрическое поле , все изоляторы станут проводниками. Если напряжение, приложенное к куску изолятора, увеличивается, при определенной напряженности электрического поля число носителей заряда в материале внезапно резко увеличивается, а его удельное сопротивление падает, в результате чего через него протекает сильный ток. Это называется электрическим пробоем . Пробой происходит, когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы вытягивать электроны из молекул материала, ионизируя их. Освобожденные 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 меняться 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. Как только одна область пробита и становится проводящей, в этой области почти нет падения напряжения, и полное напряжение прикладывается к оставшейся длине изолятора, что приводит к более высокому градиенту и электрическому полю, заставляя дополнительные области в изоляторе пробиваться. Пробой быстро распространяется по проводящему пути через изолятор, пока не распространится от положительного до отрицательного контакта. 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 разницу напряжений , которая может быть приложена к материалу до того, как изолятор начнет проводить ток. В твердых изоляционных материалах это обычно [ требуется ссылка ] создает ослабленный путь внутри материала, создавая постоянные молекулярные или физические изменения внезапным током . В разреженных газах, содержащихся в определенных типах ламп, напряжение пробоя также иногда называют напряжением удара . [2]
Напряжение пробоя материала не является определенным значением, поскольку это форма отказа, и существует статистическая вероятность того, что материал выйдет из строя при заданном напряжении. Когда указывается значение, оно обычно является средним напряжением пробоя большого образца. Другой термин — выдерживаемое напряжение , когда вероятность отказа при заданном напряжении настолько мала, что при проектировании изоляции считается, что материал не выйдет из строя при этом напряжении.
Два различных измерения напряжения пробоя материала — это переменное и импульсное напряжение пробоя. Переменное напряжение — это частота линии электросети . Импульсное напряжение пробоя имитирует удары молнии и обычно использует подъем в 1,2 микросекунды для того, чтобы волна достигла 90% амплитуды, а затем снова падает до 50% амплитуды через 50 микросекунд. [3]
Два технических стандарта, регламентирующих проведение этих испытаний, — это ASTM D1816 и ASTM D3300, опубликованные ASTM. [4]
В стандартных условиях при атмосферном давлении воздух служит отличным изолятором, требуя приложения значительного напряжения 3,0 кВ/мм перед пробоем (например, молния или искрение на пластинах конденсатора или электродах свечи зажигания ). При использовании других газов этот потенциал пробоя может уменьшиться до такой степени, что две неизолированные поверхности с разными потенциалами могут вызвать электрический пробой окружающего газа. Это может повредить аппарат, поскольку пробой аналогичен короткому замыканию.
В газе пробивное напряжение можно определить по закону Пашена .
Напряжение пробоя в частичном вакууме представляется как [5] [6] [7]
где Не удалось проанализировать (SVG (MathML можно включить через плагин для браузера): Недопустимый ответ («Расширение Math не может подключиться к Restbase.») от сервера «http://localhost:6011/en.wikipedia.org/v1/»:): {\displaystyle V_\mathrm{b}} — это потенциал пробоя в вольтах постоянного тока , а — константы , зависящие от окружающего газа, представляют давление окружающего газа, представляют расстояние в сантиметрах между электродами, [ необходимо разъяснение ] 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 может быть приложено без экспоненциального увеличения тока утечки в диоде. Превышение напряжения пробоя диода само по себе не является разрушительным; хотя превышение его токовой емкости будет разрушительным. Фактически, стабилитроны — это просто сильно легированные обычные диоды, которые используют напряжение пробоя диода для обеспечения регулирования уровней напряжения.
Выпрямительные диоды (полупроводниковые или ламповые/ламповые) могут иметь несколько номиналов напряжения, таких как пиковое обратное напряжение (ПИН) на диоде и максимальное среднеквадратичное входное напряжение в схеме выпрямителя (которое будет намного меньше).
Многие транзисторы с малым сигналом должны иметь любые токи пробоя, ограниченные гораздо более низкими значениями, чтобы избежать чрезмерного нагрева. Чтобы избежать повреждения устройства и ограничить воздействие чрезмерного тока утечки на окружающую цепь, часто указываются следующие максимальные номинальные характеристики биполярного транзистора:
Полевые транзисторы имеют схожие максимальные номинальные характеристики, для транзисторов с плоским переходом наиболее важным является номинальное напряжение затвор-сток.
Для некоторых устройств может быть также указана максимальная скорость изменения напряжения.
Силовые трансформаторы , выключатели , распределительные устройства и другие электрические приборы, подключенные к воздушным линиям электропередачи, подвергаются воздействию переходных перенапряжений молнии, индуцированных в силовой цепи. Для электрических приборов будет указан базовый уровень импульса молнии (BIL). Это пиковое значение формы импульса со стандартизированной формой волны, предназначенное для имитации электрического напряжения перенапряжения молнии или перенапряжения, индуцированного переключением цепи. BIL координируется с типичным рабочим напряжением прибора. Для высоковольтных линий электропередачи уровень импульса связан с зазором до земли находящихся под напряжением компонентов. Например, линия электропередачи с номиналом 138 кВ будет спроектирована для BIL 650 кВ. Может быть указан более высокий BIL, чем минимальный, где воздействие молнии является серьезным. [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)
