La tensión de ruptura de un aislante es la tensión mínima que hace que una parte de un aislante experimente una ruptura eléctrica y se vuelva conductor de electricidad .
En el caso de los diodos , la tensión de ruptura es la tensión inversa mínima que hace que el diodo conduzca de forma apreciable en sentido inverso. Algunos dispositivos (como los TRIAC ) también tienen una tensión de ruptura directa .
Los materiales se clasifican a menudo como conductores o aislantes en función de su resistividad . Un conductor es una sustancia que contiene muchas partículas cargadas móviles llamadas portadores de carga que son libres de moverse dentro del material. Se crea un campo eléctrico a través de una pieza del material aplicando una diferencia de voltaje entre los 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 , son libres de 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 contraste, en materiales como plásticos y cerámicas , todos los electrones están fuertemente 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 fluya solo 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 el voltaje aplicado a un trozo de aislante, a una determinada intensidad de campo eléctrico, el número de portadores de carga en el material aumenta de repente enormemente y su resistividad cae, lo que provoca que fluya una fuerte corriente a través de él. Esto se llama ruptura eléctrica . La ruptura ocurre cuando el campo eléctrico se vuelve lo suficientemente fuerte como para extraer electrones de las moléculas del material, ionizándolas . 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 ocurre a una intensidad de campo eléctrico característica en cada material, medida en voltios por centímetro, llamada rigidez dieléctrica .
Cuando se aplica un voltaje a través de un trozo de aislante, 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 la 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 roto y se ha vuelto conductora, esa área casi no tiene caída de voltaje y el voltaje completo se aplica a lo largo de la longitud restante del aislante, lo que da como resultado un gradiente y un campo eléctrico más altos, lo que hace que se rompan áreas adicionales en el aislante. La ruptura se propaga rápidamente en una ruta conductora 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 con la composición del material, la forma de un objeto y la longitud del material entre los contactos eléctricos.
La tensión de ruptura es una característica de un aislante que define la diferencia máxima de tensión que se puede aplicar a través del material antes de que el aislante conduzca. En materiales aislantes sólidos, esto generalmente [ cita requerida ] crea un camino debilitado dentro del material al crear cambios físicos o moleculares permanentes por la corriente repentina . Dentro de los gases enrarecidos que se encuentran en ciertos tipos de lámparas, la tensión de ruptura también se denomina a veces tensión de impacto . [2]
La tensión de ruptura de un material no es un valor definitivo porque es una forma de fallo y existe una probabilidad estadística de que el material falle a una tensión determinada. Cuando se da un valor, suele ser la tensión de ruptura media de una muestra grande. Otro término es tensión no disruptiva , en la que la probabilidad de fallo a una tensión determinada es tan baja que se considera, al diseñar el aislamiento, que el material no fallará a esta tensión.
Dos medidas diferentes de la tensión de ruptura de un material son la tensión de CA y la tensión de ruptura por impulso. La tensión de CA es la frecuencia de línea de la red eléctrica . La tensión de ruptura por impulso simula la caída de un rayo y, por lo general, utiliza un aumento de 1,2 microsegundos para que la onda alcance el 90 % de amplitud y luego vuelve a caer al 50 % de amplitud después de 50 microsegundos. [3]
Dos normas técnicas que regulan la realización de estas pruebas son ASTM D1816 y ASTM D3300 publicadas por ASTM. [4]
En condiciones estándar a presión atmosférica, el aire actúa como un excelente aislante, requiriendo la aplicación de un voltaje significativo de 3,0 kV/mm antes de que se rompa (por ejemplo, un rayo , o una chispa entre las placas de un condensador , o los electrodos de una bujía ). Al utilizar otros gases, este potencial de ruptura puede disminuir hasta tal punto que dos superficies no aisladas con diferentes potenciales podrían inducir la ruptura eléctrica del gas circundante. Esto puede dañar un aparato, ya que una ruptura es análoga a un cortocircuito.
En un gas, la tensión de ruptura se puede determinar mediante la ley de Paschen .
La tensión de ruptura en un vacío parcial se representa como [5] [6] [7]
donde es el potencial de ruptura en voltios DC , y son constantes que dependen del gas circundante, representa la presión del gas circundante, representa la distancia en centímetros entre los electrodos, [ aclaración necesaria ] y representa el coeficiente de emisión de electrones secundarios .
En el artículo sobre la ley de Paschen se ofrece una derivación detallada y alguna información de fondo .
La tensión de ruptura es un parámetro de un diodo que define la tensión inversa más grande que se puede aplicar sin provocar un aumento exponencial de la corriente de fuga en el diodo. Exceder la tensión de ruptura de un diodo, en sí, no es destructivo; sin embargo, exceder su capacidad de corriente sí lo será. De hecho, los diodos Zener son básicamente diodos normales altamente dopados que aprovechan la tensión de ruptura de un diodo para proporcionar regulación de los niveles de tensión.
Los diodos rectificadores (semiconductores o de tubo/válvula) pueden tener varios valores nominales de voltaje, como el voltaje inverso de pico (PIV) a través del diodo y el voltaje de entrada RMS máximo al circuito rectificador (que será mucho menor).
Muchos transistores de señal pequeña necesitan que las corrientes de ruptura se limiten a valores mucho más bajos para evitar un calentamiento excesivo. Para evitar daños en el dispositivo y limitar los efectos que una corriente de fuga excesiva puede tener en el circuito circundante, se suelen especificar los siguientes valores nominales máximos de los transistores bipolares :
Los transistores de efecto de campo tienen valores nominales máximos similares, siendo el más importante para los FET de unión el valor nominal de voltaje de drenaje de compuerta.
Algunos dispositivos también pueden tener una tasa máxima de cambio de voltaje especificada.
Los transformadores de potencia , los disyuntores , los cuadros de distribución y otros aparatos eléctricos conectados a líneas aéreas de transmisión están expuestos a sobretensiones transitorias inducidas por rayos en el circuito de potencia. Los aparatos eléctricos tendrán un nivel básico de impulso por rayo (BIL) especificado. 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 circuitos. El BIL está coordinado con la tensión de funcionamiento típica del aparato. Para líneas de transmisión de alta tensión , el nivel de impulso está relacionado con la distancia a tierra de los componentes energizados. A modo de ejemplo, una línea de transmisión con una capacidad nominal 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 rayos es grave. [8]
