Queda de tensão - Breakdown voltage

Quebra de alta tensão de uma coluna isolante

A tensão de ruptura de um isolador é a tensão mínima que faz com que uma parte de um isolador se torne eletricamente condutiva .

Para diodos , a tensão de ruptura é a tensão reversa mínima que faz com que o diodo conduza sensivelmente ao contrário. Alguns dispositivos (como TRIACs ) também têm uma tensão de ruptura direta .

Avaria elétrica

Os materiais são frequentemente classificados como condutores ou isolantes com base em sua resistividade . Um condutor é uma substância que contém muitas partículas carregadas móveis , chamadas portadoras de carga, que se movem livremente dentro do material. Um campo elétrico é criado através de um pedaço do material aplicando uma diferença de voltagem entre os contatos elétricos em diferentes lados do material. A força do campo faz com que os portadores de carga dentro do material se movam, criando uma corrente elétrica do contato positivo para o contato negativo. Por exemplo, em metais, um ou mais dos elétrons carregados negativamente em cada átomo, chamados elétrons de condução, estão livres para se mover na rede cristalina. Um campo elétrico faz com que uma grande corrente flua, então os metais têm baixa resistividade , tornando-os bons condutores. Em contraste, em materiais como plásticos e cerâmicas, todos os elétrons estão fortemente ligados aos átomos, portanto, em condições normais, há muito poucos portadores de carga móveis no material. Aplicar uma tensão faz com que apenas uma corrente muito pequena flua, dando ao material uma resistividade muito alta , e estes são classificados como isolantes.

No entanto, se um campo elétrico forte o suficiente for aplicado, todos os isoladores se tornam condutores. Se a voltagem aplicada em um pedaço de isolador é aumentada, em um determinado campo elétrico o número de portadores de carga no material aumenta repentinamente e sua resistividade cai, fazendo com que uma forte corrente flua através dele. Isso é chamado de pane elétrica . O colapso ocorre quando o campo elétrico se torna forte o suficiente para puxar elétrons das moléculas do material, ionizando -as. Os elétrons liberados são acelerados pelo campo e atingem outros átomos, criando mais elétrons e íons livres em uma reação em cadeia, inundando o material com partículas carregadas. Isso ocorre em uma intensidade de campo elétrico característica em cada material, medida em volts por centímetro, chamada de rigidez dielétrica .

Quando uma tensão é aplicada em um pedaço de isolador, o campo elétrico em cada ponto é igual ao gradiente da tensão. O gradiente de voltagem pode variar em diferentes pontos do objeto, devido à sua forma ou variações locais na composição. A quebra elétrica ocorre quando o campo primeiro excede a rigidez dielétrica do material em alguma região do objeto. Quando uma área se quebra e se torna condutiva, essa área quase não tem queda de tensão e a tensão total é aplicada em todo o comprimento restante do isolador, resultando em um gradiente e campo elétrico mais altos, causando a quebra de áreas adicionais no isolador. A ruptura se espalha rapidamente em um caminho condutor através do isolador até que se estenda do contato positivo para o negativo. A tensão na qual isso ocorre é chamada de tensão de ruptura desse objeto. A tensão de ruptura varia com a composição do material, a forma de um objeto e o comprimento do material entre os contatos elétricos.

Sólidos

A tensão de ruptura é uma característica de um isolador que define a diferença de tensão máxima que pode ser aplicada ao material antes que o isolador conduza. Em materiais isolantes sólidos, isso geralmente cria um caminho enfraquecido dentro do material, criando mudanças moleculares ou físicas permanentes pela corrente repentina . Dentro dos gases rarefeitos encontrados em certos tipos de lâmpadas, a tensão de ruptura também é às vezes chamada de tensão de ativação .

A tensão de ruptura de um material não é um valor definitivo porque é uma forma de falha e há uma probabilidade estatística de que o material falhará em uma dada tensão. Quando um valor é fornecido, geralmente é a tensão de ruptura média de uma grande amostra. Outro termo também é tensão suportável , em que a probabilidade de falha em uma dada tensão é tão baixa que é considerada, ao projetar o isolamento, que o material não falhará nessa tensão.

Duas medições de tensão de ruptura diferentes de um material são as tensões de ruptura CA e de impulso. A tensão CA é a frequência de linha da rede elétrica . A tensão de ruptura do impulso simula quedas de raios e geralmente usa um aumento de 1,2 microssegundo para a onda atingir 90% de amplitude e, em seguida, cai de volta para 50% de amplitude após 50 microssegundos.

Dois padrões técnicos que regem a execução desses testes são ASTM D1816 e ASTM D3300 publicados pela ASTM.

Gases e vácuo

Em condições padrão de pressão atmosférica, o ar serve como um excelente isolante, exigindo a aplicação de uma tensão significativa de 3,0 kV / mm antes de quebrar (por exemplo, relâmpagos ou faíscas nas placas de um capacitor ou os eletrodos de uma vela de ignição ) . No vácuo parcial , esse potencial de ruptura pode diminuir a tal ponto que duas superfícies não isoladas com potenciais diferentes podem induzir a ruptura elétrica do gás circundante. Isso pode danificar um aparelho, pois uma avaria é análoga a um curto-circuito.

Em um gás, a tensão de ruptura pode ser determinada pela lei de Paschen .

A tensão de ruptura em um vácuo parcial é representada como

onde representa a potencial decomposição em volts CC , e são constantes que dependem do gás circundante, representa a pressão do gás circundante, representa a distância em centímetros entre os eléctrodos, e representa o secundário Electron Emissão Coeficiente.

Uma derivação detalhada e algumas informações básicas são fornecidas no artigo sobre a lei de Paschen .

Diodos e outros semicondutores

Diagrama de diodo IV

A tensão de ruptura é um parâmetro de um diodo que define a maior tensão reversa que pode ser aplicada sem causar um aumento exponencial na corrente de fuga no diodo. Exceder a tensão de ruptura de um diodo, por si só, não é destrutivo; embora, excedendo sua capacidade atual será. Na verdade, os diodos Zener são essencialmente diodos normais fortemente dopados que exploram a tensão de ruptura de um diodo para fornecer a regulação dos níveis de tensão.

Os diodos retificadores (semicondutores ou tubo / válvula) podem ter várias classificações de tensão, como o pico de tensão inversa (PIV) através do diodo e a tensão de entrada RMS máxima para o circuito retificador (que será muito menor).

Muitos transistores de pequeno sinal precisam ter quaisquer correntes de interrupção limitadas a valores muito mais baixos para evitar aquecimento excessivo. Para evitar danos ao dispositivo e limitar os efeitos que a corrente de fuga excessiva pode ter no circuito circundante, as seguintes classificações máximas do transistor bipolar são frequentemente especificadas:

V CEO (às vezes escrito BV CEO ou V (BR) CEO )
A tensão máxima entre o coletor e o emissor que pode ser aplicada com segurança (e com não mais do que alguma corrente de fuga especificada, muitas vezes) quando nenhum circuito na base do transistor está lá para remover o vazamento da base do coletor. Valores típicos: 20 volts até 700 volts; os primeiros transistores de contato do ponto de germânio, como o OC10, tinham valores em torno de 5 volts ou menos.
V CBO
A tensão máxima do coletor para a base, com circuito aberto do emissor . Valores típicos de 25 a 1200 volts.
V CER
A classificação de tensão máxima entre o coletor e o emissor com alguma resistência especificada (ou menos) entre a base e o emissor. Uma classificação mais realista para circuitos do mundo real do que os cenários de base aberta ou emissor aberto acima.
V EBO
A tensão reversa máxima na base em relação ao emissor. Normalmente em torno de 5 volts - mais para transistores de germânio, menos para transistores UHF normalmente.
V CES
Classificação do coletor para o emissor quando a base está em curto com o emissor; equivalente a V CER quando R = 0.
V CEX
Classificação de coletor para emissor quando uma voltagem de base-emissor específica é fornecida, como em alguns cenários de comutação de alta voltagem.

Os transistores de efeito de campo têm classificações máximas semelhantes, a mais importante para FETs de junção é a classificação de tensão porta-dreno.

Alguns dispositivos também podem ter uma taxa máxima de mudança de voltagem especificada.

Aparato elétrico

Transformadores de energia , disjuntores , dispositivos de manobra e outros aparelhos elétricos conectados a linhas de transmissão aéreas são expostos a surtos de tensão transitórios induzidos no circuito de energia. Os aparelhos elétricos terão um nível básico de impulso de raio (BIL) especificado. Este é o valor de crista de uma forma de onda de impulso com uma forma de onda padronizada, destinada a simular o estresse elétrico de uma onda de relâmpago ou uma onda induzida por comutação de circuito. O BIL é coordenado com a tensão operacional típica do aparelho. Para linhas de transmissão de alta tensão , o nível de impulso está relacionado à distância até o solo dos componentes energizados. Como exemplo, uma linha de transmissão nominal de 138 kV seria projetada para um BIL de 650 kV. Um BIL mais alto pode ser especificado do que o mínimo, onde a exposição a raios é severa.

Veja também

Referências