Напряжение пробоя

редактировать

Высоковольтный пробой гирлянды изоляторов

Напряжение пробоя изолятора - минимальное напряжение, при котором часть изолятора становится электрически проводящей.

Для диодов напряжение пробоя - это минимальное обратное напряжение, которое заставляет диод проводить заметно в обратном направлении. Некоторые устройства (например, TRIAC ) также имеют прямое напряжение пробоя.

Содержание

1 Электрический пробой
2 Твердые вещества
3 Газы и вакуум
4 Диоды и другие полупроводники
5 Электрооборудование
6 См. Также
7 Ссылки

Электрический пробой

Материалы часто классифицируются как электрические проводники или электрические изоляторы в зависимости от их удельного сопротивления. Проводник - это вещество, которое содержит множество подвижных заряженных частиц, называемых носителями заряда, которые могут свободно перемещаться внутри материала. электрическое поле создается на куске материала путем приложения разности напряжений между электрическими контактами на разных сторонах материала. Сила поля заставляет носители заряда в материале перемещаться, создавая электрический ток от положительного контакта к отрицательному. Например, в металлах один или несколько отрицательно заряженных электронов в каждом атоме, называемые 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 пластик и керамика, все электроны прочно связаны с атомами, поэтому при нормальных условиях в материале очень мало подвижных носителей заряда. Подача напряжения вызывает прохождение 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, в определенном электрическом поле количество носителей заряда в материале внезапно резко возрастает, а его удельное сопротивление падает, в результате чего через него протекает сильный ток. Это называется электрический пробой. Пробой происходит, когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы оторвать электроны от молекул материала, ионизируя их. Освободившиеся электроны ускоряются полем и сталкиваются с другими атомами, создавая больше свободных электронов и ионов в цепной реакции, заполняя материал заряженными частицами. Это происходит при характерной напряженности электрического поля в каждом материале, измеряемой в в на сантиметр, называемой его диэлектрической прочностью.

. Когда напряжение подается на кусок изолятора, электрическое поле на каждом точка равна градиенту напряжения. Градиент напряжения может изменяться в разных точках объекта из-за его формы или местных изменений в составе. Электрический пробой происходит, когда поле сначала превышает диэлектрическую прочность материала в некоторой области объекта. После того, как одна область вышла из строя и стала проводящей, в этой области почти не наблюдается падения напряжения, и полное напряжение прикладывается к оставшейся длине изолятора, что приводит к более высокому градиенту и электрическому полю, вызывая разрушение дополнительных областей в изоляторе. Пробой быстро распространяется по проводящему пути через изолятор, пока не перейдет от положительного контакта к отрицательному. Напряжение, при котором это происходит, называется напряжением пробоя этого объекта. Напряжение пробоя зависит от состава материала, формы объекта и длины материала между электрическими контактами.

Твердые тела

Напряжение пробоя - это характеристика изолятора, которая определяет максимальную разность напряжений, которая может быть приложена к материалу до того, как изолятор проведет ток.. В твердых изоляционных материалах это обычно создает ослабленный путь внутри материала за счет постоянных молекулярных или физических изменений под действием внезапного тока. В разреженных газах, присутствующих в некоторых типах ламп, напряжение пробоя также иногда называют напряжением зажигания.

Напряжение пробоя материала не является определенным значением, потому что это форма отказа и существует статистическая вероятность разрушится ли материал при заданном напряжении. Когда указывается значение, это обычно среднее напряжение пробоя большого образца. Другим термином также является выдерживаемое напряжение, где вероятность отказа при заданном напряжении настолько мала, что при проектировании изоляции учитывается, что материал не разрушится при этом напряжении.

Два разных измерения напряжения пробоя материала - это напряжение пробоя переменного тока и импульсное напряжение пробоя. Напряжение переменного тока - это линейная частота сети. Импульсное напряжение пробоя имитирует удары молнии и обычно использует нарастание на 1,2 микросекунды для достижения амплитуды волны 90%, а затем падает обратно до 50% амплитуды через 50 микросекунд.

Два технических стандарта, регулирующих выполнение этих испытаний являются ASTM D1816 и ASTM D3300, опубликованными ASTM.

Газы и вакуум

В стандартных условиях при атмосферном давлении воздух служит отличным изолятором, требующим приложения значительного напряжения 3,0 кВ / мм перед пробоем (например, молния или искра через пластины конденсатора или электроды 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 повреждению устройства, поскольку поломка аналогична короткому замыканию.

В газе напряжение пробоя может быть определено по закону Пашена.

Напряжение пробоя в частичном вакууме представлено как

V b = B pd ln ⁡ (A pd) - пер ⁡ [пер ⁡ (1 + 1 γ se)] {\ 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]}}}

{\ 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]}}}

где $V b {\ displaystyle V _ {\ mathrm {b}}}$ $V _ {{\ mathrm {b} }}$ - потенциал пробоя в вольтах DC, $A {\ displaystyle A}$ $A$ и $B {\ displaystyle B}$ $B$ - константы, которые зависят от окружающего газа, $p {\ displaystyle p}$ $p$ представляет давление окружающего газа, $d {\ displaystyle d}$ $d$ представляет расстояние в сантиметрах между электродами, а $γ se {\ displaystyle \ gamma _ {\ mathrm {se}}}$ $\ gamma _ {{\ mathrm {se}}}$ представляет Вторичная электронная эмиссия Коэффициент.

Подробный вывод и некоторая справочная информация приведены в статье о законе Пашена.

Диоды и другие полупроводники

Диаграмма IV диода

Напряжение пробоя - параметр диода , который определяет наибольшее обратное напряжение, которое может быть приложено, не вызывая экспоненциального увеличения тока утечки в диоде. Превышение напряжения пробоя диода само по себе не является разрушительным; хотя, превышение его текущей мощности будет. Фактически, стабилитроны по сути являются просто сильнолегированными обычными диодами, которые используют напряжение пробоя диода для регулирования уровней напряжения.

Выпрямительные диоды (полупроводниковые или трубчатые / вентильные) могут иметь несколько значений напряжения, например, пиковое обратное напряжение (PIV) на диоде и максимальное среднеквадратичное значение входного напряжения в цепи выпрямителя. (что будет намного меньше).

Многие малосигнальные транзисторы должны иметь токи пробоя, ограниченные до гораздо более низких значений, чтобы избежать чрезмерного нагрева. Чтобы избежать повреждения устройства и ограничить влияние чрезмерного тока утечки на окружающую цепь, часто указываются следующие максимальные характеристики биполярного транзистора:

VCEO (иногда пишется BV CEO или V (BR) CEO): Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером, которое может быть безопасно приложено (и с не более чем определенным током утечки, часто), когда нет цепи в основании транзистор предназначен для устранения утечки коллектор-база. Типичные значения: от 20 до 700 вольт; очень ранние германиевые точечные транзисторы, такие как OC10, имели значения около 5 вольт или меньше.
VCBO: максимальное напряжение между коллектором и базой при разомкнутой цепи эмиттера. Типичные значения от 25 до 1200 В.
VCER: Максимальное номинальное напряжение между коллектором и эмиттером с некоторым заданным сопротивлением (или меньше) между базой и эмиттером. A более реалистичный рейтинг для реальных цепей, чем описанные выше сценарии с открытой базой или открытым излучателем.
VEBO: m Максимальное обратное напряжение на базе по отношению к эмиттеру. Обычно около 5 вольт - больше для германиевых транзисторов, обычно меньше для СВЧ транзисторов.
VCES: Номинал коллектора на эмиттер, когда база замкнута на эмиттер; эквивалент V CER при R = 0.
VCEX: Номинал коллектора к эмиттеру при подаче определенного напряжения база-эмиттер, например, в некоторых сценариях переключения высокого напряжения.

. Поле- Эффектные транзисторы имеют схожие максимальные номиналы, наиболее важным из них для полевых транзисторов с переходом является номинальное напряжение затвор-сток.

Для некоторых устройств также может быть указана максимальная скорость изменения напряжения.

Электрооборудование

Силовые трансформаторы, автоматические выключатели, распределительное устройство и другое электрическое оборудование, подключенное к воздушной передаче линии подвергаются переходным импульсным перенапряжениям молнии, наводимым в силовой цепи. Электрооборудование будет иметь заданный базовый уровень грозового импульса (BIL). Это пиковое значение формы импульса со стандартизованной формой волны, предназначенное для имитации электрического напряжения при грозовом скачке или скачке, вызванном переключением цепи. BIL соответствует типичному рабочему напряжению устройства. Для высоковольтных линий передачи уровень импульса связан с зазором относительно земли компонентов, находящихся под напряжением. Например, линия электропередачи на 138 кВ будет спроектирована для BIL 650 кВ. При сильном воздействии молнии может быть указан BIL, превышающий минимальный.

См. Также

Ссылки