Напряжение пробоя - Breakdown voltage

Высоковольтный пробой гирлянды изоляторов

В напряжение пробоя из изолятор это минимальное напряжение, при котором часть изолятора становится электрически проводящий.

За диоды, напряжение пробоя - это минимальное обратное напряжение, которое заставляет диод проводить заметно обратное. Некоторые устройства (например, ТРИАК ) также есть напряжение прямого пробоя.

Электрический пробой

Материалы часто классифицируются как проводники или же изоляторы на основе их удельное сопротивление. Проводник - это вещество, содержащее много подвижных заряженные частицы называется носители заряда которые могут свободно перемещаться внутри материала. An электрическое поле создается на куске материала путем приложения разницы напряжений между электрическими контактами на разных сторонах материала. Сила поля заставляет носители заряда внутри материала перемещаться, создавая электрический ток от положительного контакта к отрицательному. Например, в металлы один или несколько отрицательно заряженных электроны в каждом атоме, называемом электроны проводимости могут свободно перемещаться по кристаллической решетке. Электрическое поле вызывает протекание большого тока, поэтому металлы имеют низкую удельное сопротивление, делая их хорошими проводниками. В отличие от таких материалов, как пластик и керамика все электроны прочно связаны с атомами, поэтому в нормальных условиях в материале очень мало подвижных носителей заряда. Подача напряжения вызывает протекание только очень небольшого тока, что придает материалу очень высокую удельное сопротивление, и они классифицируются как изоляторы.

Однако если достаточно сильный электрическое поле применяется, все изоляторы становятся проводниками. Если напряжение, приложенное к части изолятора, увеличивается, в определенном электрическом поле количество носителей заряда в материале внезапно резко увеличивается, а его удельное сопротивление падает, вызывая сильный ток, протекающий через него. Это называется электрический пробой. Пробой происходит, когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы оторвать электроны от молекул материала. ионизирующий 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, измеренной в вольт на сантиметр, называется его диэлектрическая прочность.

Когда на кусок изолятора подается напряжение, электрическое поле в каждой точке равно градиент 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 напряжение пробоя этого объекта. Напряжение пробоя зависит от состава материала, формы объекта и длины материала между электрическими контактами.

Твердые тела

Напряжение пробоя - характеристика изолятор что определяет максимум Напряжение разница, которая может быть нанесена на материал до того, как изолятор станет проводящим. В твердых изоляционных материалах это обычно^{[нужна цитата ]} создает ослабленный путь в материале, создавая постоянные молекулярные или физические изменения внезапными Текущий. В разреженных газах некоторых типов ламп напряжение пробоя также иногда называют поражающее напряжение.^[1]

Напряжение пробоя материала не является определенным значением, потому что это форма отказа, и существует статистическая вероятность того, что материал выйдет из строя при заданном напряжении. Когда указывается значение, это обычно среднее напряжение пробоя большого образца. Другой термин также выдержать напряжение, где вероятность отказа при данном напряжении настолько мала, что при проектировании изоляции учитывается, что материал не разрушится при этом напряжении.

Два различных способа 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, чтобы волна достигла амплитуды 90%, а затем снова падает до амплитуды 50% через 50 микросекунд.^[2]

Два технических стандарта, регулирующих проведение этих испытаний, - это ASTM D1816 и ASTM D3300, опубликованные ASTM.^[3]

Газы и вакуум

В стандартных условиях при атмосферном давлении воздух служит отличным изолятором, требуя приложения значительного напряжения 3,0 кВ / мм перед разрушением (например, молния, или же искрение через пластины конденсатор, или электроды свеча зажигания ). В частичном вакуум, 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 можно определить по формуле Закон Пашена.

Напряжение пробоя в частичном вакууме представлено как^[4][5][6]

${ displaystyle V _ { mathrm {b}} = { frac {B , p , d} { ln left (A , p , d right) - ln left [ ln left (1 + { frac {1} { gamma _ { mathrm {se}}}} right) right]}}}$

куда ${ Displaystyle V _ { mathrm {b}}}$ потенциал пробоя в вольтах ОКРУГ КОЛУМБИЯ, ${ displaystyle A}$ и ${ displaystyle B}$ находятся константы которые зависят от окружающего газа, ${ displaystyle p}$ представляет собой давление окружающего газа, ${ displaystyle d}$ представляет собой расстояние в сантиметрах между электродами,^{[требуется разъяснение ]} и ${ displaystyle gamma _ { mathrm {se}}}$ представляет Вторичная электронная эмиссия Коэффициент.

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

Диоды и прочие полупроводники

Схема диода I-V

Напряжение пробоя параметр из диод что определяет самый большой реверс Напряжение который может применяться, не вызывая экспоненциального увеличения утечки Текущий в диоде. Превышение напряжения пробоя диода само по себе не является разрушительным; хотя, превышение его текущей мощности будет. Фактически, Стабилитроны по сути просто сильно допированный обычные диоды, 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 RMS входное напряжение на схему выпрямителя (которое будет намного меньше).

Многие малосигнальные транзисторы должны иметь любые 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, следующие биполярный Часто указываются максимальные характеристики транзистора:

V_{Исполнительный директор} (иногда пишется BV_{Исполнительный директор} или же V_{(BR) генеральный директор})

Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером, которое может быть безопасно приложено (и с не более чем определенным током утечки, часто), когда нет цепи на базе транзистора, чтобы устранить утечку коллектор-база. Типичные значения: от 20 до 700 вольт; очень ранние германиевые точечные транзисторы, такие как OC10, имели значения около 5 вольт или меньше.

V_CBO

Максимальное напряжение коллектор-база, с обрывом эмиттера. Типичные значения от 25 до 1200 вольт.

V_CER

Максимальное номинальное напряжение между коллектором и эмиттером с некоторым заданным сопротивлением (или меньше) между базой и эмиттером. Более реалистичный рейтинг для реальных схем, чем описанные выше сценарии с открытой базой или открытым излучателем.

V_EBO

Максимальное обратное напряжение на базе по отношению к эмиттеру. Обычно около 5 вольт - больше для германиевых транзисторов, обычно меньше для УВЧ транзисторов.

V_CES

Рейтинг коллектора на эмиттер при замыкании базы на эмиттер; эквивалентно V_CER когда р = 0.

V_CEX

Номинал коллектор-эмиттер при подаче определенного напряжения база-эмиттер, например, в некоторых сценариях переключения высокого напряжения.

Полевые транзисторы имеют аналогичные максимальные характеристики, наиболее важным для транзисторов с переходом является номинальное напряжение затвор-сток.

Некоторые устройства могут также иметь максимальная скорость изменения указанного напряжения.

Электрические аппараты

Мощность трансформаторы, Автоматические выключатели, распределительное устройство и другое электрическое оборудование, подключенное к потолку линии передачи подвергаются кратковременным импульсным перенапряжениям молнии, индуцированным в силовой цепи. Электрический аппарат будет иметь базовый уровень грозового импульса (BIL) указано. 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 высокого напряжения линии передачи, уровень импульса связан с зазором до земли компонентов, находящихся под напряжением. Например, линия электропередачи на 138 кВ будет спроектирована для BIL 650 кВ. При сильном воздействии молнии может быть указан более высокий BIL, чем минимальный.^[7]

Смотрите также

Рекомендации