Điện áp đánh thủng: Phân loại, yếu tố ảnh hưởng và kiểm tra

Nghiên cứu chỉ ra rằng, vật liệu cách điện hoàn toàn có thể dẫn điện nếu có một lượng điện nhất định được đặt vào. Đây được gọi là hiện tượng đánh thủng. Tương ứng, giá trị điện áp tối thiểu khiến hiện tượng này xảy ra gọi là điện áp đánh thủng. Cùng tìm hiểu về khái niệm, cách phân loại và kiểm tra điện áp đánh thủng trong bài viết sau của chúng tôi. 

Khái niệm điện áp đánh thủng

Điện áp đánh thủng (breakdown voltage) hay còn gọi là độ bền điện môi, cường độ điện môi của vật liệu. Đây là mức điện áp tối thiểu khiến vật liệu cách điện không còn duy trì được khả năng ngăn dòng điện mà hoạt động giống như một chất dẫn điện.

Theo lý thuyết, vật liệu cách điện sẽ không dẫn điện. Tuy nhiên, khi điện áp đạt tới một ngưỡng nhất định, lớp cách điện trên vật liệu sẽ bị đánh thủng, làm mất đi khả năng cách điện và trở thành vật dẫn có điện trở lớn.

Thực tế, chất cách điện không thể dẫn điện vì không có điện tích di động tự do. Thế nhưng, khi một số cặp điện tử bị phá vỡ do hiệu điện thế vượt mức, quá trình ion hóa bắt đầu trong vật liệu, làm hình thành các electron di động tự do. Các electron này di chuyển từ đầu dương sang đầu âm gây ra dòng điện. Lúc này, điện áp đánh thủng khiến chất cách điện hoạt động như một chất dẫn điện.

Giá trị điện áp này không cố định, tùy thuộc vào thành phần vật liệu, hình dạng, kích thước,… Ví dụ sứ có độ bền điện môi khoảng 100kV/inch, độ bền điện môi của thủy tinh cao gấp 20 lần sứ, của không khí là 3kV/mm, dây cáp điện có độ bền điện môi lần lượt là 15kV/mm đối với vật liệu PVC và 21kV/mm đối với XLPE… Vì vậy, giá trị mà nhà sản xuất đưa ra thường là giá trị điện áp đánh thủng trung bình. 

Hiện nay, điện áp đánh thủng đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và kiểm tra các thiết bị điện, linh kiện điện tử để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành. 

Phân loại điện áp đánh thủng

Có 3 loại điện áp đánh thủng phổ biến là Diode, Diode Zener và Avalanche breakdown.

Điện áp đánh thủng Diode 

Diode là chất bán dẫn với đặc tính điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Diode tiếp giáp PN được tạo ra từ 2 vật liệu loại P và N, chứa một khe vùng có diễn ra sự trao đổi chất giữa các hạt mang điện tích.

Khi phân cực thuận được đặt vào, dòng điện chạy theo hướng thuận, quá trình dẫn điện diễn ra. Khi đặt phân cực ngược vào, sự dẫn truyền không xảy ra nhưng vẫn có dòng điện ngược nhỏ chạy qua, gọi là dòng điện rò.

Điện áp đánh thủng trong diode là điện áp ngược tối thiểu khiến diode dẫn điện đáng kể theo hướng ngược lại, khiến dòng điện tăng nhanh. Hiện tượng này xảy ra khi điện trường qua mối nối của diode trở nên đủ mạnh để các hạt mang điện chạy qua, phá vỡ hiệu quả hàng rào của mối nối.

Điện áp đánh thủng ngược của diode phụ thuộc rất nhiều vào tính chất vật liệu và nồng độ pha tạp trong chất bán dẫn.

Có hai cơ chế đánh thủng chính trong diode:

Sự đánh thủng Zener: Xảy ra ở điện áp ngược thấp hơn (<5-6V) trong diode Zener, nguyên nhân của sự đánh thủng là do hiện tượng đường hầm cơ học lượng tử của các electron qua mối nối.

Công thức tính toán dòng điện đường hầm di Diode bị đánh thủng như sau:

Sự cố tuyết lở: Xảy ra ở điện áp ngược cao hơn và liên quan đến quá trình ion hóa các nguyên tử bên trong vật liệu bán dẫn, dẫn đến phản ứng dây chuyền tạo ra cặp electron lỗ trống. Loại sự cố này không có giá trị điện áp đánh thủng cụ thể mà được xác định dưới dạng hệ số nhân và tổng dòng điện là tích của hệ số này và dòng điện bão hòa.

Công thức tính hệ số nhân cho sự cố tuyết lở:

Điện áp đánh thủng của Diode Zener

Diode Zener được sử dụng như các khối xây dựng cơ bản để cung cấp điện áp tham chiếu trong các mạch điện tử, đồng thời được thiết kế để hoạt động tại các vùng đánh thủng của diode. 

Diode Zener có thể làm việc ở các vùng phân cực ngược – nơi xảy ra hiện tượng đánh thủng do hiệu ứng Zener. Trong hiệu ứng này, khi điện trường của diode phân cực tăng lên sẽ diễn ra sự đào hầm của các electron hóa trị vào vùng dẫn khiến các hạt mang điện tích thiểu số gia tăng, dòng điện ngược từ đó cũng tăng theo. Các nhà khoa học gọi đây là hiệu ứng Zener và điện áp tối thiểu tại thời điểm hiệu ứng Zener bắt đầu diễn ra được gọi là điện áp đánh thủng Zener. 

Đánh thủng kiến trúc Avalanche breakdown 

Trong trường hợp diode bị pha tạp nhẹ, sự cố xảy ra do hiệu ứng kiểu tháp Avalanche. Trong hiệu ứng này, điện trường tăng làm cho diode hoạt động theo phân cực ngược khiến các hạt mang điện thiểu số thu được động năng và va chạm với các cặp lỗ trống điện tử làm phá vỡ liên kết cộng hóa trị của chúng và tạo ra các hạt mang điện mới.

Sự gia tăng của các hạt mang điện tối thiểu là nguyên nhân dẫn đến sự gia tăng dòng điện ngược chiều gây ra hiện tượng đánh thủng. Ở đây, điện áp đánh thủng được gọi là điện áp đánh thủng kiểu thác Avalanche breakdown voltage.

Các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp đánh thủng

Sự cố điện

Sự cố điện thường xảy ra sau một thời gian thiết bị vận hành. Trong quá trình này, lớp cách điện chịu tác dụng của lực nhiệt, hóa học và cơ học sẽ khiến tính chất cách điện bị lão hóa và suy giảm. 

Dưới tác động của điện áp cao, hiện tượng phóng điện cục bộ hay tồn tại bong bóng bên trong lớp cách điện,... độ bền của lớp cách điện sẽ giảm xuống. Khi phải tải điện trong thời gian dài hay xảy ra tình trạng quá tải điện áp, hiện tượng đánh thủng do điện sẽ xảy ra. 

Chất rắn

Trong các vật liệu rắn (ví dụ cáp điện), phóng điện cục bộ trong thời gian dài làm suy giảm chất cách điện và kim loại gần khe hở điện áp. Đến một ngưỡng điện áp nhất định, một dòng các hạt mang điện tràn ra, gây ra hiện tượng đánh thủng, biến vật liệu rắn trở thành vật dẫn điện. 

Điện áp đánh thủng của vật liệu rắn không phải một giá trị xác định mà là một dạng hỏng hóc ở điện áp nhất định. Một thuật ngữ khác liên quan đến điện áp đánh thủng là điện áp chịu đựng, ở đó, xác suất hỏng hóc của thiết bị liên quan đến điện áp thấp đến mức mà khi thiết kế cách điện, nhà sản xuất khẳng định vật liệu sẽ không bị ảnh hưởng ở ngưỡng này. 

Hai công thức đo điện áp đánh thủng của vật liệu được xác định là điện áp đánh thủng AC và điện áp xung. Điện áp AC là tần số đường dây của nguồn điện chính. Điện áp đánh thủng xung mô phỏng sét đánh và thường sử dụng mức tăng 1,2 micro giây để sóng đạt biên độ 90%, sau đó giảm xuống biên độ 50% sau 50 micro giây. 

Không khí

Trong điều kiện tiêu chuẩn ở áp suất khí quyển, không khí chính là chất cách điện tuyệt vời với điện áp đánh thủng khoảng 3kV/mm. Sự đánh thủng này cũng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ ẩm, phạm vi nhiệt độ.

Trong chất khí, điện áp đánh thủng có thể được xác định theo định luật Paschen, theo công thức:

Trong đó:

• Vb: điện áp đánh thủng tính bằng VDC
• A và B: hằng số phụ thuộc vào khí xung quanh
• p: áp suất của khí xung quanh
• d: khoảng cách giữa các điện cực (đơn vị mm)
• γse: hệ số phát xạ electron thứ cấp

Diode và các chất bán dẫn

Thực tế, diode Zener là diode đã bị pha tạp nên khai thác giá trị điện áp đánh thủng để cung cấp khả năng điều chỉnh mức điện áp diode. 

Diode chỉnh lưu (bán dẫn hoặc đèn/van) có thể có một số định mức điện áp, ví dụ điện áp nghịch đỉnh (PIV) trên diode và điện áp đầu vào RMS tối đa của mạch chỉnh lưu (thường nhỏ hơn nhiều).

Để tránh làm hỏng thiết bị và hạn chế tác động của các dòng rò gây ra cho mạch xung quanh, bóng bán dẫn lưỡng cực được chỉ định mức điện áp tối đa như sau:

• VCEO: Điện áp tối đa giữa cực thu và cực phát khi không có mạch nào ở chân bóng bán dẫn để loại bỏ rò rỉ cực thu - cực phát, có các giá trị điển hình: 20V - 700V.
• VCBO: Điện áp cực đại từ cực thu đến cực gốc, với cực phát hở mạch, giá trị điển hình từ 25V đến 1200V. 
• VEBO: Điện áp ngược tối đa trên đế so với bộ phát, giá trị thông thường là khoảng 5V và sẽ cao hơn đối với bóng bán dẫn Germani, ít hơn đối với bóng bán dẫn UHF.

Thiết bị điện

Thiết bị điện thường có mức xung sét cơ bản (BIL). Đây là giá trị đỉnh của dạng sóng xung có dạng sóng chuẩn, nhằm mô phỏng ứng suất điện áp (điện áp nguy hiểm) của xung sét hoặc xung sét do chuyển mạch gây ra. 

Đối với đường dây truyền tải điện áp cao, mức xung sét liên quan đến khoảng cách từ mặt đất đến các thành phần mang điện. Ví dụ, đường dây truyền tải có điện áp định mức 138kV sẽ được thiết kế cho BIL là 650kV. 

Ngoài các yếu tố trên, áp suất không khí thấp hơn, độ ẩm cao hơn, bụi hoặc chất gây ô nhiễm bề mặt và sự hiện diện của các giọt nước từ sương mù hoặc mưa đều sẽ ảnh hưởng đến điện áp đánh thủng.

Cách kiểm tra điện áp đánh thủng

Đánh thủng điện là nguyên nhân dẫn đến tình trạng nổ cầu chì hoặc ngắn mạch. Vì vậy để đảm bảo an toàn khi sử dụng và tăng tuổi thọ cho thiết bị trên, có thể kiểm tra điện áp đánh thủng bằng 2 loại máy móc chuyên dụng phổ biến sau:

Máy đo điện áp đánh thủng dầu cách điện

Máy đo điện áp đánh thủng dầu cách điện là thiết bị kiểm tra điện áp hoàn toàn tự động, có khả năng xác định điện áp đánh thủng của các chất lỏng cách điện. 

Các tính năng nổi bật:

• Có đến mười trình tự kiểm tra và người dùng có thể lập trình miễn phí. 
• Máy đã được lập trình sẵn các tiêu chuẩn kiểm tra chung cho cả trong và ngoài nước. 
• Có hiện thị đồ họa với đèn nền và đa dạng ngôn ngữ cho bạn lựa chọn.
• Lớp vỏ bao bọc bên ngoài được làm bằng nhôm chắc chắn và buồng thử nghiệm được che chắn cẩn thận. 

Máy đo điện áp đánh thủng

Máy đo điện áp đánh thủng là thiết bị chuyên để kiểm tra điện cách trở và điện áp chịu đựng của các linh kiện và thiết bị điện khác nhau, kiểm tra điện trở ở 500V hoặc 1000V và điện áp chịu đựng lên đến 500VA. 

Các tính năng nổi bật:

• Có thể lưu tới 10 cài đặt thử nghiệm.
• Kiểm tra được liên độ cách điện 500/1000V và điện áp chịu đựng với công suất máy biến áp là 500VA. 
• Có thể kiểm tra điện áp đánh thủng ở chế độ tự động. 

Câu hỏi thường gặp về điện áp đánh thủng

Câu hỏi 1: Điện áp đánh thủng của không khí là bao nhiêu?

Trả lời: Trong điều kiện tiêu chuẩn, không khí có điện áp đánh thủng khoảng 3kV/mm.

Câu hỏi 2: Phân biệt điện áp đánh thủng và độ bền điện môi?

Trả lời: Về bản chất, độ bền điện môi nhấn mạnh giá trị cường độ điện trường tối đa mà vật liệu điện có thể chịu được, tức là hiệu suất cách điện của điện môi. Trong khi đó, điện áp đánh thủng là giá trị điện áp mà vật liệu điện bị đánh thủng dưới một cường độ điện trường nhất định.

BTB Electric vừa giới thiệu đến bạn tổng quan về điện áp đánh thủng. Theo lý thuyết, thuật ngữ này là một dạng hỏng hóc của thiết bị. Tuy nhiên trong thực tế, sự đánh thủng điện môi lại đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế các mạch tích hợp và các thiết bị điện tử trạng thái rắn khác. 

Chúng tôi sẽ thường xuyên cập nhật những thông tin mới nhất về thuật ngữ ngành điện tại: https://btb-electric.com/vi/tin-tuc/kien-thuc-nganh/thuat-ngu-nganh-dien/. Bạn vui lòng truy cập để theo dõi.