Comprendre la tension de claquage (breakdown voltage) : définition, importance et applications

La tension de claquage (breakdown voltage), aussi appelée rigidité diélectrique ou tension d'amorçage, est la quantité de force électrique requise pour transformer les propriétés électriques d'un objet. Le plus souvent, elle s'applique aux isolants. La tension de claquage est la tension minimale nécessaire pour forcer un isolant à conduire une certaine quantité d'électricité. Cette mesure n'a de sens que par rapport à un système existant ; c'est le point où un matériau défie les attentes de l'opérateur sur son fonctionnement.

Isolants et rupture diélectrique

Les isolants, par définition, ne conduisent pas l'électricité. La tension de claquage est le point où un matériau cesse d'être isolant et devient résistif ; c'est-à-dire qu'il conduit l'électricité à une certaine proportion du courant total. Les isolants sont caractérisés par des atomes aux électrons fortement liés. Les forces atomiques maintenant ces électrons en place dépassent la plupart des tensions extérieures qui pourraient induire un flux d'électrons. Cette force est finie, cependant, et peut toujours potentiellement être dépassée par une tension externe, qui fera alors circuler des électrons à un certain taux à travers la substance.

Qualité de l'isolant et tension de claquage

Toutes choses égales par ailleurs, la qualité d'un isolant augmente avec sa tension de claquage. Ainsi, la porcelaine, avec une rigidité diélectrique d'environ 100 kilovolts par pouce, est un isolant médiocre. Le verre, qui claque à 20 fois la tension de la porcelaine, est bien meilleur.

Diodes et tension de claquage

Les diodes ont aussi une tension de claquage. Les diodes simples sont conçues pour conduire l'électricité dans un seul sens, dit « direct » (forward). À une tension suffisamment haute, la diode peut être faite pour conduire en « inverse » (reverse). Certaines diodes, appelées diodes d'avalanche, sont conçues pour cet usage. À basses tensions, elles conduisent dans un sens seulement. À un point spécifique, elles conduisent aussi efficacement dans l'autre sens. Cela les distingue des isolants et autres diodes, qui même au-dessus du niveau de claquage, maintiennent une résistance relativement haute. Sans surprise, les triodes et autres composants électroniques spécialisés claquent aussi à un certain point et commencent à conduire l'électricité le long du chemin dicté par une tension suffisamment haute.

Difficulté de détermination précise et marge de sécurité

En pratique, déterminer la tension de claquage exacte d'un matériau est difficile. Un nombre spécifique attaché à cette quantité n'est pas une constante fiable comme un point de fusion ; c'est une moyenne statistique. Conséquemment, lors de la conception d'un circuit, il faut s'assurer que sa tension maximale est bien en dessous de la plus basse tension de claquage de l'un des matériaux impliqués. Un système électrique n'est bon que par la plus petite tension de claquage de l'un de ses composants.