La descarga de barrera dieléctrica ( DBD ) es la descarga eléctrica entre dos electrodos separados por una barrera dieléctrica aislante. Originalmente llamada descarga silenciosa (inaudible) y también conocida como descarga de producción de ozono [1] o descarga parcial [2] , fue descrita por primera vez por Ernst Werner von Siemens en 1857. [3]
El proceso normalmente utiliza corriente alterna de alto voltaje , que va desde frecuencias de RF más bajas hasta frecuencias de microondas . [4] Sin embargo, se desarrollaron otros métodos para extender el rango de frecuencia hasta la CC. Un método era utilizar una capa de alta resistividad para cubrir uno de los electrodos. Esto se conoce como descarga de barrera resistiva. [5] Otra técnica que utiliza una capa semiconductora de arseniuro de galio ( GaAs ) para reemplazar la capa dieléctrica, permite que estos dispositivos sean impulsados por un voltaje de CC entre 580 V y 740 V. [6]
Los dispositivos DBD se pueden fabricar en muchas configuraciones, normalmente planas, utilizando placas paralelas separadas por un dieléctrico , o cilíndricas, utilizando placas coaxiales con un tubo dieléctrico entre ellas. [7] En una configuración coaxial común, el dieléctrico tiene la misma forma que los tubos fluorescentes comunes . Se llena a presión atmosférica con un gas raro o una mezcla de gas raro y haluro , con las paredes de vidrio actuando como barrera dieléctrica. Debido al nivel de presión atmosférica, estos procesos requieren altos niveles de energía para mantenerse. Los materiales dieléctricos comunes incluyen vidrio, cuarzo, cerámica y polímeros. La distancia de separación entre electrodos varía considerablemente, desde menos de 0,1 mm en pantallas de plasma, varios milímetros en generadores de ozono y hasta varios centímetros en láseres de CO2 .
Dependiendo de la geometría, el DBD se puede generar en un volumen (VDBD) o en una superficie (SDBD). Para el VDBD, el plasma se genera entre dos electrodos, por ejemplo, entre dos placas paralelas con un dieléctrico en el medio. [8] En el SDBD, las microdescargas se generan en la superficie de un dieléctrico, lo que da como resultado un plasma más homogéneo que el que se puede lograr utilizando la configuración VDBD [9] En el SDBD, las microdescargas se limitan a la superficie, por lo tanto, su densidad es mayor en comparación con el VDBD. [10] El plasma se genera sobre la superficie de una placa SDBD. Para encender fácilmente el VDBD y obtener una descarga distribuida uniformemente en el espacio, se puede utilizar un DBD de preionización. [8]
Se puede construir un generador de plasma DBD compacto y económico particular basado en los principios de la descarga directa piezoeléctrica . En esta técnica, el alto voltaje se genera con un transformador piezoeléctrico, cuyo circuito secundario actúa también como electrodo de alto voltaje. Dado que el material del transformador es un dieléctrico, la descarga eléctrica producida se asemeja a las propiedades de la descarga de barrera dieléctrica. [11] [12]
Se ha demostrado que la manipulación del electrodo encapsulado y su distribución a lo largo de la capa dieléctrica altera el rendimiento del actuador de plasma de descarga de barrera dieléctrica (DBD). [13] Los actuadores con un electrodo inicial poco profundo pueden impartir impulso y potencia mecánica al flujo de manera más eficiente. [14] [15]
Una multitud de arcos aleatorios se forman en el espacio de operación que excede los 1,5 mm entre los dos electrodos durante las descargas en gases a la presión atmosférica. [16] A medida que las cargas se acumulan en la superficie del dieléctrico, se descargan en microsegundos (millonésimas de segundo), lo que lleva a su reformación en otra parte de la superficie. De manera similar a otros métodos de descarga eléctrica, el plasma contenido se mantiene si la fuente de energía continua proporciona el grado requerido de ionización , superando el proceso de recombinación que conduce a la extinción del plasma de descarga. Tales recombinaciones son directamente proporcionales a las colisiones entre las moléculas y, a su vez, a la presión del gas, como lo explica la Ley de Paschen . El proceso de descarga causa la emisión de un fotón energético , cuya frecuencia y energía corresponden al tipo de gas utilizado para llenar el espacio de descarga.
Los DBD se pueden utilizar para generar radiación óptica mediante la relajación de especies excitadas en el plasma. La principal aplicación en este caso es la generación de radiación ultravioleta. Estas lámparas ultravioleta excimer pueden producir luz con longitudes de onda cortas que se pueden utilizar para producir ozono a escala industrial. El ozono todavía se utiliza ampliamente en el tratamiento industrial del aire y el agua. [7] Los intentos de principios del siglo XX de producir ácido nítrico y amoníaco a nivel comercial utilizaron DBD [17], ya que se generan varios compuestos de nitrógeno y oxígeno como productos de descarga. [3]
Desde el siglo XIX, los DBD eran conocidos por su descomposición de diferentes compuestos gaseosos, como NH 3 , H 2 S y CO 2 . Otras aplicaciones modernas incluyen la fabricación de semiconductores, procesos germicidas, tratamiento de superficies de polímeros, láseres de CO 2 de alta potencia que se utilizan normalmente para soldadura y corte de metales, control de la contaminación y paneles de visualización de plasma , control de flujo aerodinámico ... La temperatura relativamente más baja de los DBD lo convierte en un método atractivo para generar plasma a presión atmosférica.
El plasma en sí se utiliza para modificar o limpiar ( limpieza de plasma ) superficies de materiales (por ejemplo, polímeros , superficies de semiconductores ), que también pueden actuar como barrera dieléctrica, o para modificar gases [18], aplicándose además a la limpieza de plasma "suave" y aumentando la adhesión de superficies preparadas para recubrimiento o pegado ( tecnologías de pantallas planas ).
Una descarga de barrera dieléctrica es un método de tratamiento de plasma de textiles a presión atmosférica y temperatura ambiente. El tratamiento se puede utilizar para modificar las propiedades de la superficie del textil para mejorar la humectabilidad , mejorar la absorción de tintes y la adhesión , y para la esterilización . El plasma DBD proporciona un tratamiento en seco que no genera aguas residuales ni requiere el secado del tejido después del tratamiento. Para el tratamiento de textiles, un sistema DBD requiere unos pocos kilovoltios de corriente alterna, entre 1 y 100 kilohercios. El voltaje se aplica a electrodos aislados con un espacio de tamaño milimétrico a través del cual pasa el tejido. [19]
Una lámpara excimer se puede utilizar como una fuente potente de luz ultravioleta de longitud de onda corta, útil en procesos químicos como la limpieza de superficies de obleas semiconductoras. [20] La lámpara se basa en una descarga de barrera dieléctrica en una atmósfera de xenón y otros gases para producir los excimeros.
Un proceso adicional al utilizar gas cloro para eliminar bacterias y contaminantes orgánicos en los suministros de agua potable. [21] El tratamiento de piscinas públicas, acuarios y estanques de peces implica el uso de radiación ultravioleta producida cuando se utiliza una mezcla dieléctrica de gas xenón y vidrio. [22] [23]
Una aplicación en la que los DBD pueden utilizarse con éxito es la modificación de las características de la superficie de un material. La modificación puede tener como objetivo un cambio en su hidrofilia, la activación de la superficie, la introducción de grupos funcionales, etc. Las superficies poliméricas son fáciles de procesar utilizando DBD que, en algunos casos, ofrecen un área de procesamiento elevada. [24] [25]
Las descargas de barrera dieléctrica se utilizaron para generar plasmas difusos de volumen relativamente grande a presión atmosférica y se aplicaron para inactivar bacterias a mediados de la década de 1990. [26] Esto eventualmente condujo al desarrollo de un nuevo campo de aplicaciones, las aplicaciones biomédicas de los plasmas. En el campo de la aplicación biomédica, han surgido tres enfoques principales: terapia directa, modificación de la superficie y deposición de polímeros de plasma. Los polímeros de plasma pueden controlar y dirigir las interacciones biológicas-biomateriales (es decir, adhesión, proliferación y diferenciación) o la inhibición de la adhesión de bacterias. [27]
El interés en los actuadores de plasma como dispositivos de control de flujo activo está creciendo rápidamente debido a su falta de piezas mecánicas, peso ligero y alta frecuencia de respuesta. [28] [29]
Por su naturaleza estos dispositivos tienen las siguientes propiedades:
El funcionamiento con ondas sinusoidales continuas o con ondas cuadradas se utiliza principalmente en instalaciones industriales de alta potencia. El funcionamiento pulsado de los DBD puede generar mayores eficiencias de descarga.
Los controladores para este tipo de carga eléctrica son generadores de alta frecuencia que en muchos casos contienen un transformador para la generación de alto voltaje. Se parecen a los equipos de control utilizados para operar lámparas fluorescentes compactas o lámparas fluorescentes de cátodo frío . El modo de operación y las topologías de los circuitos para operar lámparas [DBD] con ondas sinusoidales o cuadradas continuas son similares a los controladores estándar. En estos casos, la energía que se almacena en la capacitancia del DBD no tiene que recuperarse a la fuente intermedia después de cada encendido. En cambio, permanece dentro del circuito (oscila entre la capacitancia del [DBD] y al menos un componente inductivo del circuito) y solo la potencia real , que es consumida por la lámpara, tiene que ser proporcionada por la fuente de alimentación. Por el contrario, los controladores para el funcionamiento pulsado sufren un factor de potencia bastante bajo y en muchos casos deben recuperar completamente la energía del DBD. Dado que el funcionamiento pulsado de las lámparas [DBD] puede conducir a una mayor eficiencia de la lámpara, la investigación internacional condujo a conceptos de circuitos adecuados. Las topologías básicas son flyback resonante [30] y medio puente resonante [31] . Un circuito flexible que combina las dos topologías se proporciona en dos solicitudes de patente [32] [33] y se puede utilizar para controlar de forma adaptativa DBD con capacitancia variable.
En "Comportamiento resonante de generadores de pulsos para el accionamiento eficiente de fuentes de radiación óptica basadas en descargas de barrera dieléctrica" se ofrece una descripción general de diferentes conceptos de circuitos para el funcionamiento pulsado de fuentes de radiación óptica DBD. [34]