Un descargador de chispas consiste en una disposición de dos electrodos conductores separados por un espacio generalmente lleno de un gas como el aire , diseñado para permitir que una chispa eléctrica pase entre los conductores. Cuando la diferencia de potencial entre los conductores excede el voltaje de ruptura del gas dentro del espacio, se forma una chispa , ionizando el gas y reduciendo drásticamente su resistencia eléctrica . Luego fluye una corriente eléctrica hasta que se interrumpe el camino del gas ionizado o la corriente se reduce por debajo de un valor mínimo llamado "corriente de mantenimiento". Esto suele suceder cuando el voltaje cae, pero en algunos casos ocurre cuando el gas calentado se eleva, estirando y luego rompiendo el filamento de gas ionizado. Por lo general, la acción de ionizar el gas es violenta y disruptiva, y a menudo produce sonido (que va desde un chasquido para una bujía hasta un trueno para la descarga de un rayo ), luz y calor .
Los descargadores de chispas se utilizaron históricamente en los primeros equipos eléctricos, como transmisores de radio con descargadores de chispas , máquinas electrostáticas y máquinas de rayos X. Su uso más extendido hoy en día es en bujías para encender el combustible en motores de combustión interna , pero también se utilizan en pararrayos y otros dispositivos para proteger los equipos eléctricos de transitorios de alto voltaje.
En el aire, la resistencia a la ruptura es de unos 30 kV/cm al nivel del mar. [1]
La luz emitida por una chispa no proviene de la corriente de electrones en sí, sino del medio material que emite fluorescencia en respuesta a las colisiones de los electrones. Cuando los electrones chocan con las moléculas de aire en el espacio, excitan sus electrones orbitales a niveles de energía más altos . Cuando estos electrones excitados vuelven a sus niveles de energía originales, emiten energía en forma de luz. Es imposible que se forme una chispa visible en el vacío . Sin materia intermedia capaz de realizar transiciones electromagnéticas , la chispa será invisible (véase arco de vacío ).
Los descargadores de chispas son esenciales para el funcionamiento de varios dispositivos electrónicos.
Una bujía utiliza un espacio entre chispas para iniciar la combustión . El calor de la estela de ionización, pero más importante aún, la radiación ultravioleta y los electrones libres calientes (ambos causan la formación de radicales libres reactivos) [ cita requerida ] encienden una mezcla de combustible y aire dentro de un motor de combustión interna o un quemador en un horno o estufa. Cuanto más radiación ultravioleta se produce y se propaga con éxito en la cámara de combustión, más avanza el proceso de combustión. [ cita requerida ]
La mezcla propulsora de oxígeno e hidrógeno del motor principal del transbordador espacial se encendió con un encendedor de chispa. [2]
Los descargadores de chispas se utilizan con frecuencia para evitar que las sobretensiones dañen los equipos. Los descargadores de chispas se utilizan en interruptores de alta tensión , transformadores de gran potencia , en centrales eléctricas y subestaciones eléctricas . Estos interruptores están construidos con una gran cuchilla de conmutación operada a distancia con una bisagra como un contacto y dos resortes de láminas que sostienen el otro extremo como segundo contacto. Si se abre la cuchilla, una chispa puede mantener la conexión entre la cuchilla y el resorte en conducción. La chispa ioniza el aire, que se vuelve conductor y permite que se forme un arco, que mantiene la ionización y, por lo tanto, la conducción. Una escalera de Jacob en la parte superior del interruptor hará que el arco se eleve y finalmente se extinga. También se pueden encontrar pequeñas escaleras de Jacob montadas en la parte superior de los aisladores cerámicos de las torres de alta tensión. A veces se las llama descargadores de cuerno. Si alguna vez una chispa logra saltar sobre el aislador y dar lugar a un arco, se extinguirá.
Los descargadores de chispas más pequeños se utilizan a menudo para proteger equipos eléctricos o electrónicos sensibles de sobretensiones de alto voltaje . En versiones sofisticadas de estos dispositivos (llamados descargadores de tubo de gas), [3] un pequeño descargador de chispas se rompe durante una sobretensión anormal, desviando de forma segura la sobretensión a tierra y protegiendo así el equipo. Estos dispositivos se utilizan habitualmente para líneas telefónicas cuando entran en un edificio; los descargadores de chispas ayudan a proteger el edificio y los circuitos telefónicos internos de los efectos de los rayos . Los descargadores de chispas menos sofisticados (y mucho menos costosos) se fabrican utilizando condensadores cerámicos modificados ; en estos dispositivos, el descargador de chispas es simplemente un espacio de aire cortado entre los dos cables conductores que conectan el condensador al circuito. Una sobretensión provoca una chispa que salta de un cable conductor a otro a través del espacio dejado por el proceso de corte. Estos dispositivos de bajo coste se utilizan a menudo para evitar arcos dañinos entre los elementos del cañón de electrones dentro de un tubo de rayos catódicos (TRC). [ cita requerida ]
Los pequeños descargadores de chispas son muy comunes en las centralitas telefónicas , ya que los cables telefónicos largos son muy susceptibles a las sobretensiones inducidas por los rayos . Los descargadores de chispas más grandes se utilizan para proteger las líneas eléctricas .
En ocasiones, se implementan descargadores de chispas en las placas de circuito impreso de los productos electrónicos mediante el uso de dos pistas de PCB expuestas y muy espaciadas. Se trata de un método prácticamente sin coste para añadir una protección rudimentaria contra sobretensiones a los productos electrónicos. [4]
Los transils y trisils son las alternativas de estado sólido a los descargadores de chispas para aplicaciones de menor potencia. Las bombillas de neón también se utilizan para este fin.
Se utiliza una chispa disparada en un flash de entrehierro para producir destellos de luz fotográfica en el dominio de submicrosegundos.
Una chispa irradia energía a lo largo del espectro electromagnético . Hoy en día, esto suele considerarse una interferencia ilegal de radiofrecuencia y se suprime, pero en los primeros días de las comunicaciones por radio (1880-1920), este era el medio por el cual se transmitían las señales de radio, en el transmisor de chispa no modulado . Muchas chispas de radio incluyen dispositivos de refrigeración, como la chispa giratoria y los disipadores de calor , ya que la chispa se calienta bastante con el uso continuo a alta potencia.
Un descargador esférico calibrado se romperá a un voltaje altamente repetible, cuando se corrija la presión del aire, la humedad y la temperatura. Un espacio entre dos esferas puede proporcionar una medición de voltaje sin ningún dispositivo electrónico o divisor de voltaje, con una precisión de aproximadamente el 3%. Un descargador se puede utilizar para medir CA, CC o pulsos de alto voltaje, pero para pulsos muy cortos, se puede colocar una fuente de luz ultravioleta o una fuente radiactiva en uno de los terminales para proporcionar una fuente de electrones. [5]
Los descargadores de chispas pueden utilizarse como interruptores eléctricos porque tienen dos estados con una resistencia eléctrica significativamente diferente. La resistencia entre los electrodos puede ser tan alta como 10 12 ohmios cuando los electrodos están separados por gas o vacío, lo que significa que fluye poca corriente incluso cuando existe un alto voltaje entre los electrodos. La resistencia cae tan bajo como 10 -3 ohmios cuando los electrodos están conectados por plasma, lo que significa que la disipación de energía es baja incluso con alta corriente. Esta combinación de propiedades ha llevado al uso de descargadores de chispas como interruptores eléctricos en aplicaciones de energía pulsada donde la energía se almacena a alto voltaje en un condensador y luego se descarga a alta corriente. Los ejemplos incluyen láseres pulsados , cañones de riel , generadores Marx , fusión , investigación de campos magnéticos pulsados ultrafuertes y activación de bombas nucleares .
Cuando un espacio de chispa consta de solo dos electrodos separados por gas, la transición entre los estados no conductores y conductores está regida por la ley de Paschen . En combinaciones típicas de presión y distancia entre electrodos, la ley de Paschen dice que la descarga de Townsend llenará el espacio entre los electrodos con plasma conductor siempre que la relación entre la intensidad del campo eléctrico y la presión exceda un valor constante determinado por la composición del gas. La velocidad con la que se puede reducir la presión está limitada por el flujo estrangulado , mientras que el aumento del campo eléctrico en un circuito de descarga de condensador está limitado por la capacitancia en el circuito y la corriente disponible para cargar la capacitancia . Estas limitaciones en la velocidad con la que se puede iniciar la descarga significan que los espacios de chispa con dos electrodos suelen tener una alta fluctuación . [6]
Los descargadores de chispas con disparador son una clase de dispositivos con algunos medios adicionales de disparo para lograr una baja fluctuación. Lo más común es que se trate de un tercer electrodo, como en un trigatrón . El voltaje del electrodo disparador se puede cambiar rápidamente porque la capacitancia entre él y los otros electrodos es pequeña. En un descargador de chispas con disparador, la presión del gas se optimiza para minimizar la fluctuación y, al mismo tiempo, evitar la activación involuntaria. Los descargadores de chispas con disparador se fabrican en versiones selladas permanentemente con un rango de voltaje limitado y en versiones presurizadas por el usuario con un rango de voltaje proporcional al rango de presión disponible. Los descargadores de chispas con disparador comparten muchas similitudes con otros tubos llenos de gas, como los tiratrones , los krytrones , los ignitrones y los crossatrones .
Los espacios de vacío activados, o sprytrons , se parecen a los espacios de chispa activados tanto en apariencia como en construcción, pero se basan en un principio operativo diferente. Un espacio de vacío activado consiste en tres electrodos en una envoltura de vidrio o cerámica hermética que ha sido evacuada. Esto significa que, a diferencia de un espacio de chispa activado, un espacio de vacío activado opera en el espacio de parámetros a la izquierda del mínimo de Paschen donde la ruptura es promovida por el aumento de la presión. La corriente entre los electrodos está limitada a un valor pequeño por la emisión de campo en el estado no conductor. La ruptura se inicia evaporando rápidamente el material de un electrodo activador o un revestimiento resistivo adyacente. Una vez que se inicia el arco de vacío , un espacio de vacío activado se llena con plasma conductor como en cualquier otro espacio de chispa. Un espacio de vacío activado tiene un rango de voltaje operativo más grande que un espacio de chispa activado sellado porque las curvas de Paschen son mucho más pronunciadas a la izquierda del mínimo de Paschen que a presiones más altas. Los espacios de vacío activados también son resistentes a la radiación porque en el estado no conductor no contienen ningún gas que pueda ionizarse por radiación . [7]
También se utilizan como matamoscas. Los dos electrodos se implementan como redes metálicas colocadas a una distancia ligeramente mayor que la necesaria para que el voltaje salte. Cuando un insecto se aventura entre los electrodos, la distancia entre ellos se reduce gracias al cuerpo del insecto, que es conductor, y se produce una descarga de chispas que electrocuta y quema al insecto.
En este uso, el mecanismo de espacio de chispa se utiliza a menudo junto con un cebo, como una luz, para atraer al insecto hacia el espacio de chispa.
Vídeos de la Escalera de Jacob: