¿Qué sucede si conecto un capacitor de baja tensión nominal a un alto voltaje?

Una respuesta literal es esto :

Hay tres condensadores soplados; dos pueden verse como espirales de material gris aún razonablemente in situ, el tercero no es más que la base y los terminales internos. Todos se clasificaron para 6.3 V pero, ante una falla en el regulador de potencia, se conectaron a la increíble cantidad de 7,5 V. Una cantidad insignificante, por lo que uno podría pensar, pero la lata externa de ese tercer condensador explotó con tal fuerza que perforó un agujero en una pieza de plástico de 3 mm, a unos 80 mm de distancia, y se incrustó en una batería en el otro lado.

Todo ese material marrón es un material fibroso similar al cartón, y llega a todas partes. No sé si hay algún tipo de aceite dentro del condensador que se seca cuando está expuesto al aire, pero sí sé que se adhiere como pegamento a lo que sea que caiga.

Tienes que tener cuidado con estas ecuaciones.

c = q / v, Q = CV, todos se ven muy bien, pero solo se aplican dentro de los límites a los que se aplican .

Para un capacitor, uno de los límites es mantener el voltaje lo suficientemente bajo como para que el dieléctrico del capacitor permanezca intacto. A medida que aumenta la tensión del terminal, la tensión eléctrica aumenta en el dieléctrico y, finalmente, se rompe. Cuando eso sucede, ya no tienes un condensador. En el mejor de los casos, te quedas con un cortocircuito o un circuito abierto. En el peor de los casos, tiene un laboratorio lleno de humo y / o un viaje a la sala de emergencias.

Los fabricantes de capacitores son muy útiles para imprimir el voltaje máximo que soportarán sus tapas antes de que dejen de ser condensadores. Por lo general, puede sobrepasar un poco, un pequeño porcentaje, al costo de la vida útil del condensador. Si lo excede en un 10% del porcentaje, verá que la vida útil de su capacitor se vuelve cero.

Si quieres saber por qué sucede algo en el mundo real, necesitas un modelo más complejo que la fórmula teórica pura.

¿Cómo se hacen los condensadores? Son dos láminas delgadas de material eléctricamente conductor con una delgada lámina de material aislante eléctrico colocadas entre ellas. La capacitancia está dada por la geometría de estas hojas. Necesita un aislante más delgado o una superficie más grande para una mayor capacidad.

En teoría, el aislador no permite que los electrones fluyan a través de él. Los materiales en la vida real se comportan de manera diferente. Con suficiente voltaje aplicado, cualquier aislante se verá obligado a permitir que los electrones fluyan a través de él.

El voltaje de ruptura donde esto ocurre depende del material, también de su geometría. Una lámina más delgada de aislante se descompondrá a un voltaje más bajo que uno más grueso.

Este fenómeno de descomposición suele ser altamente energético, porque la pequeña cantidad de corriente se disipará como calor en la enorme resistencia del aislador. Esto también podría ser una simplificación del fenómeno de la vida real de la ruptura de sobretensión. También pueden producirse reacciones químicas que pueden cambiar el comportamiento del condensador.

Entonces, si desea hacer un pequeño capacitor de alta capacitancia, deberá limitarse a bajos voltajes. Los de alto voltaje y alta capacitancia son grandes por esta razón.

Según @ andy, la fórmula debe aplicarse de la manera correcta.

por @andy y predicho por @ user44635, el capacitor fallará cuando el voltaje se eleve más allá de algún límite.

La forma en que falla y los efectos de los mismos depende de

• el voltaje de falla,
• energía almacenada (\ $ \ frac {1} {2} CV ^ 2 \ $ en el momento de la falla),
• tasa de cambio en la carga y el voltaje,
• tipo de condensador,
• defectos de material y fabricación,
• factores ambientales como la humedad y la temperatura, fuentes de alimentación adjuntas.

@ceteras agrega algunas ideas útiles a @ user44635 y muestra cómo siempre debemos estar conscientes tanto de la teoría como de las relaciones prácticas en lo que estamos tratando.

Los efectos pueden ser insignificantes: una bocanada de humo o peligrosos, potencialmente mortales y catastróficos.

En un incidente en la década de 1960, un condensador relativamente pequeño (creo que era de 33 pF o más) (aproximadamente 150 mm por 25 mm cuadrados) que mi padre fabricó provocó una gran cantidad de daños colaterales. Un pequeño pueblo de aproximadamente 100 mil habitantes se quedó sin luces durante un fin de semana. La tapa estaba en una línea de CA de 33 kV o 100 kV. Fue utilizado como parte de un divisor capacitivo para la medición de voltaje.

Falló debido a defectos de diseño y fabricación. No recuerdo si alguien fue asesinado o gravemente herido. Esto podría haber sido fácilmente el caso.

Por @Loren, los cálculos se resuelven de la siguiente manera, tomando 33kV y 33pF (que es lo que parece recordar que se marcaron como)

\ $ \ frac {1} {2} CV ^ 2 = \ frac {1} {2} \ times (33 \ times 10 ^ {- 12}) \ times (33 \ times 1.4 \ times 10 ^ 3 ) ^ 2 \ $

= ~ 35mJ (e & oe gracias @peter @loren)

El factor de 1.4 corrige RMS- > peak peak, los límites máximos tienden a fallar en los picos.

La descarga de la tapa tomaría en la región de 1 ms con un rendimiento de 35 W (quizás mucho más rápido).

@ 100kV obtienes 9 veces la energía y la potencia - 320mJ.

El dieléctrico falló, probablemente debido a una imperfección. Todo el suministro de la ciudad (varios MVA, incluso en esos días) se redirigió hacia el límite, aire ionizado, el resto es historia. El extremo caliente habría sido una barra de bus, el extremo del suelo se unió a otra tapa como divisor paralelo al indicador de panel de neón.

Suficiente para despertar al operador pero poco más. La contribución de la línea eléctrica a través del aire ionizado, habría durado un poco más y habría hecho el daño.

En presencia de

  high power
  high voltage 
  high current 
  capacitors
  inductors
  high energy electrical systems of all forms 

mucha energía puede almacenarse y liberarse rápidamente a voltajes y corrientes anormales para los circuitos.

@Charlie muestra un buen ejemplo de bajo voltaje.

Las tapas electrolíticas son interesantes en el modo de falla, ya que los fluidos (a menudo en geles) pueden hervir y causar una falla explosiva del volumen de gases calientes que ahora ocupan su interior. Es posible que alcancen temperaturas superiores a 100celcius antes de que exploten y liberen vapor sobrecalentado.

Los ingenieros siempre deben preocuparse por la seguridad de sí mismos y de los demás.

La carga de un condensador siempre tiene algún riesgo, ya que puede fallar incluso cuando se opera dentro de sus límites nominales debido a la fabricación, la manipulación, el medio ambiente o por cualquier otro motivo.

Q = CV, entonces, si la capacitancia permanece constante y aumenta el voltaje, la carga debe aumentar. Conectar un capacitor a un voltaje que exceda sus clasificaciones es pedir una bocanada de humo o incluso algunos fuegos artificiales.