El voltaje de ruptura de un aislador es el voltaje mínimo que hace que una parte de un aislador experimente una ruptura eléctrica y se vuelva eléctricamente conductora .
Para los diodos , el voltaje de ruptura es el voltaje inverso mínimo que hace que el diodo conduzca apreciablemente en sentido inverso. Algunos dispositivos (como los TRIAC ) también tienen un voltaje de ruptura directo .
Los materiales suelen clasificarse como conductores o aislantes según su resistividad . Un conductor es una sustancia que contiene muchas partículas cargadas móviles llamadas portadores de carga que pueden moverse libremente dentro del material. Se crea un campo eléctrico a través de una pieza del material aplicando una diferencia de voltaje entre contactos eléctricos en diferentes lados del material. La fuerza del campo hace que los portadores de carga dentro del material se muevan, creando una corriente eléctrica desde el contacto positivo al contacto negativo. Por ejemplo, en los metales uno o más de los electrones cargados negativamente en cada átomo, llamados electrones de conducción , tienen libertad para moverse por la red cristalina. Un campo eléctrico hace que fluya una gran corriente, por lo que los metales tienen baja resistividad , lo que los convierte en buenos conductores. En cambio, en materiales como el plástico y la cerámica, todos los electrones están estrechamente unidos a los átomos, por lo que en condiciones normales hay muy pocos portadores de carga móviles en el material. La aplicación de un voltaje hace que solo fluya una corriente muy pequeña, lo que le da al material una resistividad muy alta , y estos se clasifican como aislantes.
Sin embargo, si se aplica un campo eléctrico lo suficientemente fuerte, todos los aislantes se convierten en conductores. Si se aumenta la tensión aplicada a través de una pieza de aislante, con una determinada intensidad de campo eléctrico, el número de portadores de carga en el material aumenta enormemente y su resistividad cae, lo que provoca que una fuerte corriente fluya a través de él. Esto se llama avería eléctrica . La descomposición ocurre cuando el campo eléctrico se vuelve lo suficientemente fuerte como para extraer electrones de las moléculas del material, ionizándolos . Los electrones liberados son acelerados por el campo y golpean otros átomos, creando más electrones e iones libres en una reacción en cadena, inundando el material con partículas cargadas. Esto se produce ante una intensidad de campo eléctrico característica de cada material, medida en voltios por centímetro, denominada rigidez dieléctrica .
Cuando se aplica un voltaje a través de un aislador, el campo eléctrico en cada punto es igual al gradiente del voltaje. El gradiente de voltaje puede variar en diferentes puntos del objeto, debido a su forma o variaciones locales en su composición. La ruptura eléctrica ocurre cuando el campo excede por primera vez la rigidez dieléctrica del material en alguna región del objeto. Una vez que un área se ha descompuesto y se ha vuelto conductora, esa área casi no tiene caída de voltaje y el voltaje total se aplica a lo largo de la longitud restante del aislador, lo que resulta en un gradiente y un campo eléctrico más altos, lo que provoca que áreas adicionales en el aislador se descompongan. La rotura se propaga rápidamente en un camino conductor a través del aislante hasta que se extiende desde el contacto positivo al negativo. El voltaje al que esto ocurre se llama voltaje de ruptura de ese objeto. El voltaje de ruptura [1] varía según la composición del material, la forma de un objeto y la longitud del material entre los contactos eléctricos.
El voltaje de ruptura es una característica de un aislador que define la diferencia de voltaje máxima que se puede aplicar a través del material antes de que el aislador conduzca. En materiales aislantes sólidos, esto generalmente [ cita requerida ] crea un camino debilitado dentro del material al crear cambios moleculares o físicos permanentes por la corriente repentina . Dentro de los gases enrarecidos que se encuentran en ciertos tipos de lámparas, el voltaje de ruptura también se denomina a veces voltaje de encendido . [2]
El voltaje de ruptura de un material no es un valor definido porque es una forma de falla y existe una probabilidad estadística de si el material fallará a un voltaje determinado. Cuando se da un valor, suele ser el voltaje de ruptura medio de una muestra grande. Otro término es voltaje soportado , donde la probabilidad de falla a un voltaje dado es tan baja que se considera, al diseñar el aislamiento, que el material no fallará a este voltaje.
Dos mediciones diferentes del voltaje de ruptura de un material son los voltajes de ruptura de CA y de impulso. La tensión alterna es la frecuencia de línea de la red eléctrica . El voltaje de ruptura por impulso simula la caída de un rayo y generalmente utiliza un aumento de 1,2 microsegundos para que la onda alcance el 90% de amplitud, luego vuelve a caer al 50% de amplitud después de 50 microsegundos. [3]
Dos normas técnicas que rigen la realización de estas pruebas son ASTM D1816 y ASTM D3300 publicadas por ASTM. [4]
En condiciones estándar a presión atmosférica, el aire sirve como un excelente aislante, requiriendo la aplicación de un voltaje significativo de 3,0 kV/mm antes de fallar (por ejemplo, un rayo o chispas a través de las placas de un capacitor o los electrodos de una bujía ). . Utilizando otros gases, este potencial de ruptura puede disminuir hasta el punto de que dos superficies no aisladas con potenciales diferentes podrían inducir la ruptura eléctrica del gas circundante. Esto puede dañar un aparato, ya que una avería es análoga a un cortocircuito.
En un gas, el voltaje de ruptura puede determinarse mediante la ley de Paschen .
El voltaje de ruptura en un vacío parcial se representa como [5] [6] [7]
donde es el potencial de ruptura en voltios CC , y son constantes que dependen del gas circundante, representa la presión del gas circundante, representa la distancia en centímetros entre los electrodos, [ se necesita aclaración ] y representa el coeficiente de emisión de electrones secundarios .
En el artículo sobre la ley de Paschen se proporciona una derivación detallada y algunos antecedentes .
El voltaje de ruptura es un parámetro de un diodo que define el voltaje inverso más grande que se puede aplicar sin causar un aumento exponencial en la corriente de fuga en el diodo. Exceder el voltaje de ruptura de un diodo, per se, no es destructivo; aunque, se superará su capacidad actual. De hecho, los diodos Zener son esencialmente diodos normales fuertemente dopados que aprovechan el voltaje de ruptura de un diodo para regular los niveles de voltaje.
Los diodos rectificadores (semiconductores o tubo/válvula) pueden tener varios voltajes nominales, como el voltaje inverso máximo (PIV) a través del diodo y el voltaje de entrada RMS máximo al circuito rectificador (que será mucho menor).
Muchos transistores de pequeña señal necesitan tener corrientes de ruptura limitadas a valores mucho más bajos para evitar un calentamiento excesivo. Para evitar daños al dispositivo y limitar los efectos que una corriente de fuga excesiva puede tener en el circuito circundante, a menudo se especifican las siguientes clasificaciones máximas de transistores bipolares :
Los transistores de efecto de campo tienen clasificaciones máximas similares; la más importante para los FET de unión es la clasificación de voltaje de drenaje de puerta.
Algunos dispositivos también pueden tener especificada una tasa máxima de cambio de voltaje.
Los transformadores de potencia , disyuntores , aparamenta y otros aparatos eléctricos conectados a líneas de transmisión aéreas están expuestos a sobretensiones transitorias inducidas por rayos en el circuito de potencia. Los aparatos eléctricos tendrán especificado un nivel básico de impulso del rayo (BIL). Este es el valor de cresta de una forma de onda de impulso con una forma de onda estandarizada, destinada a simular la tensión eléctrica de una sobretensión por rayo o una sobretensión inducida por la conmutación de un circuito. El BIL está coordinado con el voltaje de funcionamiento típico del aparato. Para líneas de transmisión de alto voltaje , el nivel de impulso está relacionado con la distancia a tierra de los componentes energizados. Como ejemplo, una línea de transmisión con capacidad de 138 kV se diseñaría para un BIL de 650 kV. Se puede especificar un BIL más alto que el mínimo, cuando la exposición a los rayos sea severa. [8]
![{\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]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7f348ebeab0b16e187a858c2d3fbbe16080ff926)
