Voltaje de ruptura

La tensión de ruptura de un aislante es la tensión mínima que provoca que una parte del aislante sufra una ruptura eléctrica y se vuelva eléctricamente conductora .

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 polarización inversa. Algunos dispositivos (como los TRIAC ) también tienen una tensión de ruptura directa .

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 en su interior. Se crea un campo eléctrico a través de una porción del material aplicando una diferencia de potencial entre contactos eléctricos situados en lados opuestos del mismo. La fuerza del campo provoca el movimiento de los portadores de carga dentro del material, generando una corriente eléctrica desde el contacto positivo al negativo. Por ejemplo, en los metales , uno o más electrones con carga negativa en cada átomo, llamados electrones de conducción , pueden moverse libremente por la red cristalina. Un campo eléctrico provoca el flujo de una corriente elevada, por lo que los metales tienen baja resistividad , lo que los convierte en buenos conductores. En cambio, en materiales como los plásticos y las cerámicas, todos los electrones están fuertemente ligados a los átomos, por lo que, en condiciones normales, hay muy pocos portadores de carga móviles en el material. La aplicación de un voltaje provoca el flujo de una corriente muy pequeña, lo que confiere al material una resistividad muy alta , y estos materiales se clasifican como aislantes.

Sin embargo, si se aplica un campo eléctrico suficientemente fuerte , todos los aislantes se convierten en conductores. Si se aumenta el voltaje aplicado a través de un aislante, a cierta intensidad de campo eléctrico, el número de portadores de carga en el material aumenta repentinamente de forma enorme y su resistividad disminuye, lo que provoca que fluya una corriente intensa a través de él. Esto se denomina ruptura dieléctrica . La ruptura se produce 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 chocan con 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, denominada rigidez dieléctrica .

Cuando se aplica un voltaje a través de un 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 su composición. La ruptura dieléctrica ocurre cuando el campo supera 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 tiene una caída de voltaje casi nula y el voltaje completo se aplica a lo largo del resto del aislante, lo que resulta en un gradiente y un campo eléctrico más altos, provocando que áreas adicionales del aislante se rompan. La ruptura se propaga rápidamente en una trayectoria conductora a través del aislante hasta que se extiende desde el contacto positivo al negativo. El voltaje al que esto ocurre se denomina voltaje de ruptura de ese objeto. El voltaje de ruptura ^{[ 1 ]} varía con la composición del material, la forma del objeto y la longitud del material entre los contactos eléctricos.

La tensión de ruptura es una característica de un aislante que define la diferencia de potencial máxima que se puede aplicar a través del material antes de que el aislante conduzca. En materiales aislantes sólidos, esto generalmente crea un camino debilitado dentro del material al generar cambios moleculares o físicos permanentes debido a la corriente repentina . En gases enrarecidos presentes en ciertos tipos de lámparas, la tensión de ruptura también se denomina a veces tensión de encendido . ^{[ 2 ]}

La tensión de ruptura de un material no es un valor fijo, ya que se trata de una forma de fallo y existe una probabilidad estadística de que el material falle a una tensión determinada. Cuando se proporciona un valor, suele ser la tensión de ruptura media de una muestra amplia. Otro término es tensión de resistencia , donde la probabilidad de fallo a una tensión determinada es tan baja que, al diseñar el aislamiento, se considera que el material no fallará a dicha tensión.

Existen dos mediciones diferentes de la tensión de ruptura de un material: la tensión de ruptura en corriente alterna (CA) y la tensión de ruptura por impulso. La tensión CA corresponde a la frecuencia de la red eléctrica . La tensión de ruptura por impulso simula descargas atmosféricas y, por lo general, utiliza un tiempo de subida de 1,2 microsegundos para que la onda alcance el 90 % de su amplitud, para luego descender al 50 % tras 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 normales a presión atmosférica, el aire actúa como un excelente aislante, requiriendo la aplicación de un voltaje de 3,0 kV/mm para que se produzca una ruptura dieléctrica (por ejemplo, un rayo , una chispa entre las placas de un condensador o los electrodos de una bujía ). Con otros gases, este potencial de ruptura puede disminuir hasta tal punto que dos superficies sin aislamiento con potenciales diferentes podrían provocar la ruptura dieléctrica del gas circundante. Esto puede dañar un aparato, ya que una ruptura dieléctrica 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 ]}$${\displaystyle V_{\text{b}}={\frac {B\,p\,d}{\ln(A\,p\,d)-\ln \left[\ln \left(1+{\frac {1}{\gamma _{\text{se}}}}\right)\right]}},}$$ dónde${\displaystyle V_{\text{b}}}$es el potencial de ruptura en voltios,${\displaystyle A}$y${\displaystyle B}$son constantes que dependen del gas circundante,${\displaystyle p}$representa la presión del gas circundante,${\displaystyle d}$representa la distancia entre los electrodos y${\displaystyle \gamma _{\text{se}}}$representa el coeficiente de emisión de electrones secundarios .

En el artículo sobre la ley de Paschen se ofrece una derivación detallada, así como información de contexto .

La tensión de ruptura es un parámetro de un diodo que define la tensión inversa máxima que se puede aplicar sin provocar un aumento exponencial de la corriente de fuga . Superar la tensión de ruptura de un diodo, en sí mismo, no es destructivo; sin embargo, superar su capacidad de corriente sí lo es. De hecho, los diodos Zener son esencialmente diodos normales fuertemente dopados que aprovechan la tensión de ruptura para regular los niveles de tensión.

Los diodos rectificadores (semiconductores o de tubo/válvula) pueden tener varias especificaciones de voltaje, como el voltaje inverso pico (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 que sus corrientes de ruptura se limiten 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 pueda tener en el circuito circundante, a menudo se especifican las siguientes clasificaciones máximas para transistores bipolares :

V _CEO (a veces escrito BV _CEO o V _(BR)CEO )

La tensión máxima entre colector y emisor que se puede aplicar de forma segura (y con una corriente de fuga no superior a un valor especificado, por lo general) cuando no existe un circuito en la base del transistor para eliminar la fuga entre colector y base. Valores típicos: de 20 voltios a 700 voltios; los primeros transistores de germanio de contacto puntual, como el OC10, tenían valores de alrededor de 5 voltios o menos.

V _CBO

Tensión máxima entre colector y base, con emisor en circuito abierto . Valores típicos: de 25 a 1200 voltios.

V _CER

La tensión máxima nominal entre colector y emisor con una resistencia especificada (o menor) entre base y emisor. Una clasificación más realista para circuitos reales que los escenarios de base abierta o emisor abierto mencionados anteriormente.

V _EBO

La tensión inversa máxima en la base con respecto al emisor. Normalmente ronda los 5 voltios; es mayor para los transistores de germanio y menor para los transistores UHF.

V _CES

Clasificación colector-emisor cuando la base está en cortocircuito con el emisor; equivalente a V _CER cuando R = 0.

V _CEX

Relación colector-emisor cuando se suministra una tensión base-emisor específica, como en algunos escenarios de conmutación de alta tensión.

Los transistores de efecto de campo tienen valores máximos similares; el más importante para los FET de unión es la tensión nominal entre puerta y drenador.

Algunos dispositivos también pueden tener especificada una tasa máxima de cambio de voltaje.

Los transformadores de potencia , interruptores , aparamenta y otros aparatos eléctricos conectados a líneas de transmisión aéreas están expuestos a sobretensiones transitorias inducidas por rayos en el circuito eléctrico. Los aparatos eléctricos tendrán especificado un nivel básico de impulso de rayo (BIL). Este es el valor de cresta de una forma de onda de impulso con una forma de onda estandarizada, diseñada para simular la tensión eléctrica de una sobretensión por rayo o una sobretensión inducida por la conmutación del circuito. El BIL se coordina 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. Por ejemplo, una línea de transmisión con una tensión nominal de 138 kV se diseñaría para un BIL de 650 kV. Se puede especificar un BIL superior al mínimo cuando la exposición a rayos es severa. ^{[ 8 ]}