Напряжение пробоя

Высоковольтный пробой гирлянды изоляторов

Напряжение пробоя из изолятора минимального напряжения , которое вызывает часть изолятора , чтобы стать электрический проводящими .

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

Электрический пробой [ править ]

Материалы часто классифицируются как проводники или 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 создаются через часть материала путем приложения разности потенциалов 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 электроновв каждом атоме так называемые электроны 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. Приложение 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 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 электрическим пробоем . 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, измеренной ввольт на сантиметр, называемый его диэлектрической прочностью .

Когда напряжение подается на кусок изолятора, электрическое поле в каждой точке равно градиентунапряжения. 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 [ править ]

Напряжение пробоя - это характеристика изолятора , определяющая максимальную разность напряжений, которая может быть приложена к материалу до того, как изолятор начнет проводить. В твердых изоляционных материалах это обычно ^{[ необходима цитата ]} создает ослабленный путь внутри материала, создавая постоянные молекулярные или физические изменения под действием внезапного тока . В разреженных газах некоторых типов ламп напряжение пробоя также иногда называют напряжением зажигания . ^[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. Другим термином также является выдерживаемое напряжение , когда вероятность отказа при заданном напряжении настолько мала, что при проектировании изоляции учитывается, что материал не разрушится при этом напряжении.

Два различных измерения напряжения пробоя материала - это напряжение пробоя переменного тока и импульсное напряжение пробоя. Напряжение переменного тока - это 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 [ править ]

В стандартных условиях при атмосферном давлении, воздух служит отличным изолятором, что требует применения значительного напряжения 3,0 кВ / мм до разрыва вниз (например, молнии или искрения через обкладками конденсатора , или электродами 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 можно определить по закону 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]}}}

где - потенциал пробоя в вольтах постоянного тока , а - константы, которые зависят от окружающего газа, представляют давление окружающего газа, представляют расстояние в сантиметрах между электродами, ^[^{требуется пояснение}^] и представляют собой коэффициент вторичной электронной эмиссии . ${\ Displaystyle V _ {\ mathrm {b}}}$ ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle B}$ ${\ displaystyle p}$ ${\ displaystyle d}$ ${\ displaystyle \ gamma _ {\ mathrm {se}}}$

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

Диоды и другие полупроводники [ править ]

Схема диода IV

Напряжение пробоя является параметром из диода , который определяет наибольшее обратное напряжение , которое может быть применено , не вызывая экспоненциальное увеличение утечки тока в диоде. Превышение напряжения пробоя диода само по себе не является разрушительным; хотя, превышение его текущей мощности будет. Фактически, стабилитроны - это, по сути, просто сильно легированные обычные диоды, которые используют напряжение пробоя диода для регулирования уровней напряжения.

Выпрямительные диоды (полупроводниковые или трубчатые / вентильные) могут иметь несколько номинальных значений напряжения, таких как пиковое обратное напряжение (PIV) на диоде и максимальное среднеквадратичное входное напряжение в цепи 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, часто указываются следующие максимальные параметры биполярного транзистора:

V _CEO (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 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 при разомкнутой цепи эмиттера . Типовые 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 при R = 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.

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

Электрооборудование [ править ]

Силовые трансформаторы , автоматические выключатели , распределительные устройства и другое электрическое оборудование, подключенное к воздушным линиям электропередачи , 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 электропередачи, 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]

См. Также [ править ]

Лавина
Лавинный диод
Диэлектрическая прочность
Электрическое древоведение
Фигура Лихтенберга

Ссылки [ править ]

↑ JM Meek и JD Craggs, Электрический пробой газов, John Wiley & Sons, Чичестер, 1978.
↑ Емельянов А.А., Изв. Высш. Учебн. Зав., Физ., 1989, № 3, с. 4, стр. 103.
^ Kalyatskii, II, Кассиры, GM, и Смирнов Г.В., Приб. Тех. Эксп., 1974. 4, стр. 84.
^ Г. Каттон, К. Маркетта, Л. Торриси, Г. Делла Меа, А. Каранта, В. Ригато и С. Зандолин, Обработка поверхности высоковольтных электродов для извлечения сверхпроводящего циклотронного луча, IEEE. Пер. DEI, Vol. 4, стр. 218 <223, 1997.
^ H. Moscicka-Grzesiak, H. Gruszka и M. Stroinski, '' Влияние кривизны электрода на предразрядные явления и электрическую прочность при 50 Гц вакуума
^ RV Latham, Высоковольтная вакуумная изоляция: основные концепции и технологическая практика, Academic Press, Лондон, 1995.
^ DG Fink, HW Beaty, Стандартный справочник для инженеров-электриков, одиннадцатое издание , McGraw-Hill, 1978, ISBN 007020974X , стр. 17-20 и далее.

[1] JM Meek и JD Craggs, Электрический пробой газов, John Wiley & Sons, Чичестер, 1978.

[2] Емельянов А.А., Изв. Высш. Учебн. Зав., Физ., 1989, № 3, с. 4, стр. 103.

[3] Kalyatskii, II, Кассиры, GM, и Смирнов Г.В., Приб. Тех. Эксп., 1974. 4, стр. 84.

[4] Г. Каттон, К. Маркетта, Л. Торриси, Г. Делла Меа, А. Каранта, В. Ригато и С. Зандолин, Обработка поверхности высоковольтных электродов для извлечения сверхпроводящего циклотронного луча, IEEE. Пер. DEI, Vol. 4, стр. 218 <223, 1997.

[5] H. Moscicka-Grzesiak, H. Gruszka и M. Stroinski, '' Влияние кривизны электрода на предразрядные явления и электрическую прочность при 50 Гц вакуума

[6] RV Latham, Высоковольтная вакуумная изоляция: основные концепции и технологическая практика, Academic Press, Лондон, 1995.

[7] DG Fink, HW Beaty, Стандартный справочник для инженеров-электриков, одиннадцатое издание , McGraw-Hill, 1978, ISBN 007020974X , стр. 17-20 и далее.

[1]