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POWER
HIGH VOLTAGE
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- ELETTRONICA OGGI 459 - GENNAIO/FEBBRAIO 2017
ticolarmente vulnerabili alla migrazione elettrochi-
mica. L’umidità può facilitare la corrosione da ioni
formando filamenti conduttivi. La crescita di dendriti
può essere causata dalla ridistribuzione di ioni me-
tallici. Le sollecitazioni prodotte dall’alta tensione ac-
celerano questi processi elettrochimici (come i baffi
di stagno possono formarsi senza la presenza di un
campo elettromagnetico). Le microstrutture cristalli-
ne creato dalla migrazione di ioni creano gradienti
ad altissima tensione e intensi campi elettrici, che
possono portare alla rottura prematura tra i nodi del-
la tensione. Adeguati controlli nella progettazione e
produzione sono fondamentali e in genere devono
superare gli standard di settore documentati.
Il problema dell’isolamento
Le emissioni di elettroni indotte dal campo elettro-
statico possono causare guasti nel periodo iniziale
di funzionamento nei sistemi di isolamento, soprat-
tutto in ambienti con temperature elevate. Il guasto
elettrico si verifica quando il campo elettrico nel
materiale isolante è abbastanza forte da accelerare
i portatori di carica liberi (elettroni e ioni) a una ve-
locità sufficiente a distaccare gli elettroni dagli ato-
mi, ionizzando gli atomi. Questi elettroni e ioni creati
vengono a loro volta accelerati e collidono con altri
atomi, creando più portatori di carica, in una reazio-
ne in cascata a valanga. L’isolante si riempirà quindi
di questi portatori di carica mobili e la sua resistenza
si ridurrà drasticamente. Questo bombardamento di
ioni, insieme alla potenziale esposizione della super-
ficie dell’isolatore di cariche parziali, effetto corona e
ozono, possono deteriorare rapidamente il materiale
isolante fino al verificarsi di guasti catastrofici.
Le impurità nei materiali isolanti, quali aria intrappo-
lata (Fig. 1), liquidi, umidità e particelle estranee ridu-
cono la tensione di breakdown.
Incapsulando sotto vuoto si
riduce l’aria intrappolata e un
processo sviluppato e control-
lato attentamente è essenziale
a garantire un incapsulamento
senza problemi. Inoltre, i ma-
teriali incompatibili possono
causare sacche locali di in-
capsulante non polimerizzato a
causa del catalizzatore attirato
verso un materiale estraneo e
lontano dal materiale di base. I
sistemi di isolamento deve es-
sere non igroscopico.
Un altro fattore da considerare riguarda il gradiente
di tensione sull’isolamento. Secondo la legge di Cou-
lomb la forza è inversamente proporzionale alla su-
perficie di una sfera. Un controllo non adeguato del
gradiente di tensione può creare un’elevata intensità
del campo elettrico e un’alta densità di carica localiz-
zata. La legge di Paschen definisce la relazione non
lineare dei livelli di tensione di breakdown nei gas a
differenti pressioni. Nei sistemi avionici, in particola-
re, bisogna lavorare nei pressi della zona più suscet-
tibile della curva di Paschen, che richiede processi di
progettazione e produzione ad altissimo livello.
Per alcuni potrebbe sembrare una buona idea com-
binare diversi materiali isolanti per garantire un’ade-
guata capacità di resistenza alla tensione. Tuttavia,
la differenza di costante dielettrica negli isolanti dà
luogo ad una intensità di campo elettrico non uni-
forme in tutto l’isolante (legge di Kirchhoff). L’inten-
sità di campo elettrico concentrata può causare la
rottura dell’isolante. Le capacità parassite possono
causare una distribuzione di tensione non uniforme,
in particolare in applicazioni AC. Tensione e corren-
te transitorie applicate ai componenti e ai materia-
li possono causare istantanei guasti catastrofici, o
danni che possono accumularsi nel tempo e ridurre
la robustezza del sistema fino a quando non insorge
il guasto. Poiché l’energia (in Joule) è uguale a ½ CV
2
,
l’energia immagazzinata, trasferita durante una sca-
rica, è molto più elevata tanto maggiore è la tensione.
Impulsi transitori ripetuti, come quelli che si verifi-
cano durante eventi di archi voltaici esterni, possono
dar luogo a tensione non volute e sollecitazioni termi-
che sui componenti e materiali, mentre elementi pa-
rassiti, come capacità e induttanze, entrano in gioco
durante gli eventi transitori conseguenti a compor-
tamenti imprevisti come il rimbalzo induttivo sull’u-
scita ad alta tensione o la
distribuzione non uniforme
della tensione tra i compo-
nenti interni. I componenti
ed i materiali utilizzati nella
progettazione devono esse-
re selezionati per resistere
a tali eventi e sollecitazioni.
Un occhio all’ambiente
La salute e le questioni am-
bientali hanno fatto sì che
i ritardanti di fiamma bro-
murati siano stati sostituiti
da altri materiali, come il
Fig. 1 – Esempio di una grande bolla d’aria in
un incapsulamento assemblato