1.6. Пробивное напряжение конденсатора: когда диэлектрик перестаёт быть изолятором

Теория электрических цепей  /  1.6. Пробивное напряжение конденсатора

Когда мы подаём напряжение на обкладки конденсатора, между ними возникает электрическое поле. Чем выше напряжение — тем сильнее поле. Но у любого диэлектрика есть предел: при слишком высокой напряжённости он перестаёт быть изолятором — и происходит электрический пробой.

Это явление называют пробивным напряжением конденсатора — максимальным напряжением, которое он может выдержать без разрушения диэлектрика.

Что такое пробой диэлектрика?

Диэлектрик — это материал, который не проводит ток. Но при очень сильном электрическом поле электроны в его атомах могут «вырваться» из связей — и диэлектрик начинает проводить ток. Это и есть пробой.

После пробоя диэлектрик часто теряет свои изолирующие свойства навсегда — особенно если это твёрдый диэлектрик (например, слюда или керамика). В жидкостях и газах пробой может быть обратимым — если напряжение снизить, диэлектрик восстанавливает свои свойства.

Как связано пробивное напряжение с напряжённостью поля?

Пробой наступает, когда напряжённость электрического поля в диэлектрике достигает критического значения — электрической прочности материала.

Для однородного поля (например, между параллельными пластинами) напряжённость связана с напряжением простой формулой:

где U - напряжение между пластинами; l - расстояние между ними.

Тогда пробивное напряжение можно найти как:

где Eпр - электрическая прочность диэлектрика (в В/м); l - толщина диэлектрика.

Чем тоньше диэлектрик — тем ниже пробивное напряжение. Но при этом ёмкость конденсатора растёт. Поэтому в производстве конденсаторов идёт постоянный компромисс: сделать диэлектрик тоньше для большей ёмкости — но не так, чтобы он пробивался при рабочем напряжении.

Номинальное, рабочее и пробивное напряжение — в чём разница?

У каждого конденсатора указываются три ключевые характеристики:

— Номинальное напряжение — то, что указано на корпусе. Это максимально допустимое напряжение, при котором конденсатор может работать длительное время без потери параметров.

— Рабочее напряжение — фактическое напряжение, при котором конденсатор эксплуатируется в устройстве. Оно должно быть на 20–50% ниже номинального, чтобы обеспечить запас надёжности.

— Пробивное напряжение — то, при котором диэлектрик разрушается. Обычно оно в 1,5–2 раза выше номинального.

Например, если на конденсаторе написано «25 В», значит:

— его можно безопасно использовать при напряжении до 25 В,
— пробой произойдёт при 37,5–50 В (в зависимости от качества диэлектрика),
— в реальном устройстве его лучше использовать при 15–20 В — для долговечности.

От чего зависит электрическая прочность диэлектрика?

Электрическая прочность — это физическое свойство материала. Она зависит от:

— типа диэлектрика (воздух, масло, керамика, плёнка ПЭТ, слюда и др.),

— толщины диэлектрика,

— наличия дефектов, пузырьков или загрязнений,

— температуры,

— влажности (особенно для воздушных и бумажных конденсаторов).

Некоторые примеры электрической прочности:

— Воздух — около 3 кВ/мм

— Масло — 10–15 кВ/мм

— Слюда — 100–200 кВ/мм

— Полиэтилен — 20–30 кВ/мм

— Керамика — 10–100 кВ/мм (зависит от состава)

Чем выше прочность — тем тоньше можно делать диэлектрик, и тем меньше размеры конденсатора при той же ёмкости.

Почему важно знать пробивное напряжение?

Потому что пробой — это не просто сбой, это разрушение. После пробоя конденсатор может:

— короткозамкнуться (внутренний контакт между обкладками),

— потерять ёмкость,

— вздуваться, дымиться или даже взрываться (особенно в электролитических конденсаторах).

Поэтому в проектировании электронных устройств инженеры всегда учитывают запас по напряжению — особенно в сетевых устройствах, где возможны импульсные перенапряжения.

Пример: Расчёт минимальной толщины диэлектрика

Какова должна быть минимальная толщина диэлектрика из полиэтилена, чтобы конденсатор мог работать при напряжении 400 В?

Известно:

— Электрическая прочность полиэтилена — 25 кВ/мм = 25 000 В/мм.

— Рабочее напряжение — 400 В.

— Для надёжности примем запас — используем 50% от пробивного напряжения.

Тогда:

Ответ: толщина диэлектрика должна быть не менее 0,032 мм.

▌Интересный факт:

В высоковольтных линиях электропередачи используются специальные конденсаторы с масляным диэлектриком — они выдерживают напряжения до сотен киловольт. А в современных смартфонах — крошечные керамические конденсаторы, толщиной в доли микрона, которые работают при 3–5 В, но должны выдерживать кратковременные скачки до 10 В. Без учёта пробивного напряжения ни один электронный прибор не был бы надёжным — от фонарика до космического аппарата.