Durchschlagsfestigkeit

Die Durchschlagsfestigkeit (meist angegeben in kV/mm) eines Isolators ist diejenige elektrische Feldstärke, welche in dem Material höchstens herrschen darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag (Lichtbogen) kommt.

Hintergrund

Bei der Dimensionierung von elektrischen Baugruppen und Isolationen muss auch darauf geachtet werden, dass insbesondere bei spitzen Leitergeometrien die umgebende Luft durch sogenannte Vorentladungen ionisiert werden kann und der Durchschlag dadurch eher stattfindet oder umgebende Isolationswerkstoffe auf Dauer durch Ultraviolettstrahlung geschädigt werden. Auch eingeschlossene Lufträume haben einen ähnlichen Effekt.

Weiterhin weisen Isolationswerkstoffe entlang ihrer Oberfläche häufig geringere Isolationsfestigkeiten als die umgebende Luft auf (Kriechstromfestigkeit), was zu Kriech- oder Gleitentladungen führen kann. Eine nicht geschlossene feste Isolationsbarriere ist daher auch durch ihre Luft- und Kriechstrecken charakterisiert. Die Kriechwege müssen insbesondere bei Verschmutzungs- und Feuchtigkeitseinfluss sehr viel länger sein, als die Schlagweite in Luft, man erhöht die Kriechwege Baulänge sparend durch Schlitze, Rippen oder Riffelung. Mögliche Kriechwege können auch durch wasserabweisende Imprägnierung oder Lackierung vermieden werden.

Die Durchschlagsfestigkeit E eines Isolationswerkstoffes entspricht einer elektrischen Feldstärke, sie wird dementsprechend auch als Durchschlagsfeldstärke bezeichnet. Sie berechnet sich aus der Durchschlagspannung U bezogen auf die Dicke l der Isolation:

$ E = {{U} \over {l}} $

Materialwerte

Die angegeben Werte stellen nur Richtwerte dar, da die Durchschlagsfestigkeit von weiteren Parametern, wie der genauen Zusammensetzung und Reinheit der Werkstoffe und der Zeit der Einwirkung der Spannung abhängt. Bei Luft und anderen Werkstoffen hängt sie insbesondere von der Luftfeuchtigkeit und vom Luftdruck ab. Bei Luftisolation nennt man den Abstand Luftstrecke, die zur sicheren Isolation hinreichend groß gegenüber dem sich aus der Durchschlagsfestigkeit ergebenden Wert sein muss. Siehe jedoch auch Funkenstrecke.

Überdies ist die Durchschlagspannung bei vielen Stoffen nicht proportional zur Dicke, da es insbesondere bei Gleichspannung zu inhomogener Feldverteilung kommen kann. Daher besitzen dünne Folien höhere Durchschlagsfestigkeiten als große Materialdicken. Bei Hochspannungs-Folienkondensatoren nutzt man dies aus, indem man eine sogenannte innere Reihenschaltung anwendet, bei der das Dielektrikum aus mehreren übereinander angeordneten Isolierstofflagen besteht, die durch nicht kontaktierte Metallschichten voneinander getrennt sind. Dadurch wird die Feldverteilung homogenisiert.

Bei sehr geringen Dicken erzeugen schon geringe Spannungen, die zur Ionisation nicht ausreichen, höchste Feldstärken. So liegt beim Arbeitspunkt von Hirnzellen die Feldstärke in der wenige nm dünnen Zellmembran bei 10.000 kV/mm, Elektroporation tritt erst bei der 10fachen Feldstärke auf.

Durchschlagfestigkeit ausgewählter Materialien
Material Durchschlagsfestigkeit
[kV/mm]
Aggregatzustand
Luft 3,3 [1] gasförmig
Porzellan 30…35 fest
Schwefelhexafluorid 8 gasförmig
Glas, Emaille 10 fest
Quarzglas 40 fest
Destilliertes Wasser 65 - 70 [2] flüssig
Aluminiumoxid (rein) 35 [3] fest
Polycarbonat 25…35 fest
Polyester 25 bis  150  fest
Plexiglas 35…40 fest
FR4 40 fest
Polypropylen bis 100 fest
Polyethylenterephthalat (PET) bis 510 [4] fest
Polystyrol 55…135 fest
Isolieröl 4…20 flüssig
Polyvinylchlorid 30…50 fest
PTFE (Teflon) 40…80 [5] fest
ABS bis 120 fest
Polyoxymethylen bis 120 fest
Glimmer 25…42 fest
Hochvakuum 20…40 [6]
Abhängig von Elektrodenform
– 

Einzelnachweise

  1. http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0205141.htm
  2. William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Taylor & Francis, ISBN 978-1439820773
  3. http://www.metoxit.com/deutsch/downloads/mat_al_d.pdf
  4. http://www.tpl.ch/datasheet/RN_190.de.pdf
  5. http://webphysics.davidson.edu/faculty/dmb/PY430/Friction/teflon.html
  6. http://www.htee.tu-bs.de/forschung/veroeffentlichungen/giere2002.pdf

Siehe auch

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