Was passiert, wenn ich einen Niederspannungskondensator an eine Hochspannung anschließe?

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Wenn c = q / v ist, selbst wenn ich es an ein höheres V anschließe, kann seine Ladung Q proportional abnehmen, oder? Warum sollte mein Kondensator beschädigt werden? oder wird das interne elektrische Feld zu hoch und führt dazu, dass das Dielektrikum zusammenbricht? Oder würde es einfach zu undicht werden und sich dann aufgrund der stark erhöhten Eigenerwärmung überhitzen?

Prasanna
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Youtube-Suche nach explodierenden Kondensatoren, um eine visuelle Darstellung zu erhalten
PlasmaHH
Sie möchten die resultierenden Teile nicht berühren. Der Elektrolyt ist für den Anfang ätzend.
bwDraco
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Nur einmal in meinem Leben habe ich tatsächlich eine Kappe gesprengt. Es war nicht schön, selbst wenn die Explosion vollständig im Gehäuse des Geräts enthalten war (ein generischer USB-Hub). Dieser Geruch lehrt Sie, Kondensatoren mit Respekt zu behandeln.
bwDraco

Antworten:

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Eine wörtliche Antwort ist diese :

KNALL

Es gibt drei durchgebrannte Kondensatoren; zwei können als Spiralen aus grauem Material angesehen werden, die sich noch in situ befinden, die dritte ist nichts anderes als die Basis und die internen Anschlüsse. Sie waren alle für 6,3 V ausgelegt, wurden jedoch aufgrund eines Ausfalls des Leistungsreglers an satte 7,5 V angeschlossen. Eine vernachlässigbare Menge, so würde man meinen, aber die äußere Dose dieses dritten Kondensators blies mit solcher Kraft ab, dass sie ein Loch in ein Stück 3 mm Plastik - etwa 80 mm entfernt - stanzte und sich auf der anderen Seite in eine Batterie einbettete.

Das ganze braune Zeug ist ein faserartiges Material, das Pappe ähnelt, und es kommt überall hin. Ich weiß nicht, ob sich im Kondensator Öl befindet, das trocknet, wenn es Luft ausgesetzt ist, aber ich weiß, dass es wie Klebstoff an dem haftet, auf dem es landet.

CharlieHanson
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Die Kondensatoren im Vordergrund haben oben kreuzförmige Kerben. Ich würde vermuten, dass dies ihnen helfen wird, kontrolliert zu platzen. Das heißt, sie sind absichtlich so konstruiert, dass sie bei hohem Druck platzen, aber bevor sie sich zu einem wirklich kolossalen Druck aufbauen.
Level River St
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@steveverrill Sie sind (oder waren ) alle Cross-Top-Versionen. Derjenige, der der Vorderseite am nächsten liegt, hat begonnen, sich auszudehnen, war jedoch nicht geplatzt, bevor einer der Serieninduktoren vollständig durchgebrannt war und die Versorgung der Kappen unterbrochen hatte. Es scheint, dass der Schaden manchmal zu schnell verursacht wird und die Kappe katastrophal bläst. Ich habe zum Beispiel noch nie gesehen, dass ein Kondensator mit umgekehrter Polarität mit Würde ausfällt. Es war immer ein totaler Ausbruch.
CharlieHanson
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Hier ist eine Frage mit Antworten, die dies bestätigen. Electronics.stackexchange.com/q/7929/50922 . Ohne die Kreuzmarkierungen hätten die Kondensatordosen eine Weile länger gedauert, aber der Schaden wäre viel schlimmer gewesen. Sehen Sie, wie sie so konstruiert sind, dass sie von oben nach unten und nicht von unten nach oben versagen. Ich bin Chemieingenieur und Sie können platzende Scheiben bekommen, die genau wie die Spitzen von Kondensatoren aussehen, um sie auf Druckbehältern zu installieren. Wenn Sie herausfinden, wie viel Energie in komprimierten Dämpfen gespeichert ist, und diese durch die Masse dividieren, ist das Verhältnis enorm. Daher werden beim Platzen sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht.
Level River St
Ich schlage vor, dass die Spannung, der sie ausgesetzt waren, erheblich größer als 7,5 V gewesen sein muss.
user207421
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Mann, das war nicht "wörtlich". Es war grafisch . ; -]
Sredni Vashtar
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Sie müssen mit diesen Gleichungen vorsichtig sein.

c = q / v, Q = CV, alle sehen sehr gut aus, gelten aber nur innerhalb der Grenzen, für die sie gelten .

Bei einem Kondensator besteht eine der Grenzen darin, die Spannung so niedrig zu halten, dass das Kondensatordielektrikum intakt bleibt. Wenn Sie die Klemmenspannung erhöhen, steigt die elektrische Spannung über dem Dielektrikum an und bricht schließlich zusammen. In diesem Fall haben Sie keinen Kondensator mehr. Im besten Fall bleibt Ihnen ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung. Im schlimmsten Fall haben Sie ein Labor voller Rauch und / oder einen Ausflug in die Notaufnahme.

Kondensatorhersteller sind sehr hilfreich beim Drucken der maximalen Spannung, die ihre Kappen halten, bevor sie keine Kondensatoren mehr sind. Sie können dies im Allgemeinen ein wenig, einige Prozent, auf Kosten der Kondensatorlebensdauer überschreiten. Wenn Sie es um 10 Prozent überschreiten, wird Ihre Kondensatorlebensdauer Null.

Neil_UK
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JA! Die Leute denken nicht darüber nach, wie die Komponenten tatsächlich funktionieren. Wenn Sie die Platten einer Kappe aufladen, wird eine mechanische Kraft proportional zur elektrostatischen Feldstärke der Ladung ausgeübt. Die Platten biegen sich. Wenn Sie überladen, biegen sie sich. Wenn sie sich biegen, kommen sie näher, was nur die Anziehungskraft zwischen den Platten und die mechanische Kraft erhöht. Wenn sie sich so weit biegen, dass sie sich berühren, sind sie absolut kurz, was den Elektrolyten mit den dargestellten Konsequenzen zum Kochen bringt.
Peter Wone
@Peter Wone: Biegeplatten eines Elektrolytkondensators (siehe Etiketten sorgfältig)? RoTFL
Incnis Mrsi
Ich weiß, dass sie zusammengerollt sind. Die mechanischen Kräfte treten immer noch auf und der Kontakt ist immer noch katastrophal.
Peter Wone
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@Peter Wone: Ein elektromagnetisches Feld erzeugt sicherlich „mechanische Kräfte“, aber angesichts des Aufbaus eines Elektrolytkondensators neigen sie dazu, den Aluminiumoxidfilm zu zerdrücken (BTW Al₂O₃ ist normalerweise ein starkes Material) und verbiegen wahrscheinlich nichts in der Prozess. Natürlich kann der (eventuelle) Abbau von Aluminiumoxid wie bei jedem festen Isolator durch elektrostatische Anziehung unterstützt werden, aber dies hat nichts mit der vernünftigerweise definierten "Anziehung zwischen Platten" zu tun.
Incnis Mrsi
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Wenn Sie wissen möchten, warum in der realen Welt etwas passiert, benötigen Sie ein komplexeres Modell als die reine theoretische Formel.

Wie werden die Kondensatoren hergestellt? Sie sind zwei dünne Schichten aus elektrisch leitendem Material, zwischen denen eine dünne Schicht aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist. Die Kapazität ergibt sich aus der Geometrie dieser Bleche. Für eine höhere Kapazität benötigen Sie einen dünneren Isolator oder eine größere Oberfläche.

Theoretisch lässt der Isolator nicht zu, dass die Elektronen durch ihn fließen. Materialien im wirklichen Leben verhalten sich anders. Wenn genügend Spannung angelegt ist, wird jeder Isolator gezwungen, Elektronen durch ihn fließen zu lassen.

Die Durchschlagspannung, bei der dies geschieht, hängt vom Material und auch von seiner Geometrie ab. Eine dünnere Isolatorschicht bricht bei einer niedrigeren Spannung zusammen als eine dickere.

Dieses Durchbruchphänomen ist normalerweise sehr energiereich, da die geringe Strommenge als Wärme auf den großen Widerstand des Isolators abgeführt wird. Dies könnte auch eine Vereinfachung des realen Phänomens des Überspannungsausfalls sein. Es können auch chemische Reaktionen auftreten, die das Verhalten des Kondensators verändern können.

Wenn Sie also einen kleinen Kondensator mit hoher Kapazität herstellen möchten, muss dieser auf niedrige Spannungen begrenzt werden. Hochspannung mit hoher Kapazität sind aus diesem Grund groß.

ceteras
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Und für Ingenieure wird all dieses komplizierte Verhalten in der realen Welt von den Herstellern auf eine Nennspannung vereinfacht: D
Slebetman
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Per @andy muss die Formel richtig angewendet werden.

Per @andy und von @ user44635 vorhergesagt, fällt der Kondensator aus, wenn die Spannung über einen bestimmten Grenzwert angehoben wird.

Die Art und Weise, wie es versagt und welche Auswirkungen es hat, hängt davon ab

  • die Ausfallspannung,
  • gespeicherte Energie ( zum Zeitpunkt des Ausfalls),12CV2
  • Änderungsrate von Ladung und Spannung,
  • Art des Kondensators,
  • Material- und Herstellungsfehler,
  • Umweltfaktoren wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur, angeschlossene Stromquellen.

@ceteras fügt @ user44635 einige nützliche Erkenntnisse hinzu und zeigt, wie wir uns immer sowohl der theoretischen als auch der praktischen Beziehungen bewusst sein müssen, mit denen wir uns befassen.

Die Auswirkungen können unbedeutend sein - eine Rauchwolke oder gefährlich, lebensbedrohlich und katastrophal.

Bei einem Vorfall in den 1960er Jahren löste ein relativ kleiner Kondensator - ich glaube, es waren ungefähr 33 pF - (ungefähr 150 mm x 25 mm im Quadrat), den mein Vater hergestellt hatte, eine Menge Kollateralschäden aus. Eine kleine Stadt mit etwa 100.000 Einwohnern war am Wochenende ohne Licht. Die Kappe befand sich entweder auf einer 33-kV- oder einer 100-kV-Wechselstromleitung. Es wurde als Teil eines kapazitiven Teilers zur Spannungsmessung verwendet.

Es scheiterte an Konstruktions- und Herstellungsfehlern. Ich erinnere mich nicht, ob jemand getötet oder schwer verletzt wurde. Dies hätte leicht der Fall sein können.

Per @Loren funktionieren die Berechnungen wie folgt: 33kV und 33pF (was ich anscheinend daran erinnere, dass sie als markiert sind)

12CV2=12×(33×1012)×(33×1.4×103)2

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

Der Faktor 1,4 korrigiert RMS-> Spitzenspannung, Kappen neigen dazu, an den Spitzen zu versagen.

Das Entladen der Kappe würde im Bereich von 1 ms dauern und 35 W ergeben (möglicherweise viel schneller).

Bei 100 kV erhalten Sie die 9-fache Energie und Leistung - 320 mJ.

Das Dielektrikum versagte wahrscheinlich aufgrund einer Unvollkommenheit. Die gesamte Stadtversorgung (mehrere MVA, auch in jenen Tagen) wurde in Richtung der Kappe umgeleitet, luftionisiert, der Rest ist Geschichte. Das heiße Ende wäre eine Sammelschiene gewesen, das Masseende war an einer anderen Kappe als Teiler parallel zu einer Neonanzeige angebracht.

Genug, um den Bediener zu wecken, aber sonst wenig. Der Beitrag der Stromleitung durch ionisierte Luft hätte etwas länger gedauert und den Schaden angerichtet.

In Anwesenheit von

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

Bei für die Schaltung anormalen Spannungen und Strömen kann viel Energie schnell gespeichert und freigesetzt werden.

@Charlie zeigt ein schönes Niederspannungsbeispiel.

Elektrolytkappen sind im Versagensmodus interessant, da die Flüssigkeiten (oft in Gelen) kochen und ein explosives Versagen aufgrund des Volumens heißer Gase verursachen können, die sich jetzt in ihrem Inneren befinden. Sie können Temperaturen über 100 ° C erreichen, bevor sie explodieren und überhitzten Dampf abgeben.

Ingenieure müssen sich immer um die Sicherheit ihrer selbst und anderer kümmern.

Das Laden eines Kondensators birgt immer ein gewisses Risiko, da er selbst bei Betrieb innerhalb seiner Nenngrenzen aufgrund von Herstellung, Handhabung, Umweltbedingungen oder aus anderen Gründen ausfallen kann.

ChrisR
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Ich bekomme nicht viel Strom in diesem Kondensator, selbst wenn die Leitung 100 kV war. Wenn es nun mit einem Kurzschluss reagiert und 100 kV versucht, durch es zu fließen, ist das eine ganz andere Sache.
Loren Pechtel
Hallo Loren, wie wir von @Charlie sehen, passieren immer wieder überraschende Dinge mit Kappen, und es ist oft (normalerweise?) Die angeschlossene Umgebung, die den Schaden verursacht. Ich werde meine Antwort in Kürze etwas detaillierter bearbeiten.
ChrisR
Picofaraden sind 10 ^ -12, nicht 10 ^ -6 (Mikro). Ihre Energiezahlen sind um den Faktor eine Million niedriger, weshalb sie wahrscheinlich nicht mit @ Loren übereinstimmen. Mit ziemlicher Sicherheit war alles Dramatische auf das Versagen zurückzuführen, das zu einem Kurzschluss führte oder möglicherweise eine Ionisierung der Luft auslöste, wodurch Strom aus dem Netz fließen konnte.
Peter Cordes
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Q = CV Wenn also die Kapazität konstant bleibt und Sie die Spannung erhöhen, muss sich die Ladung erhöhen. Wenn Sie einen Kondensator an eine Spannung anschließen, die seine Nennwerte überschreitet, müssen Sie eine Rauchwolke oder sogar ein Feuerwerk anfordern.

Andy aka
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@ChrisR An wen richten Sie den Kommentar? Der Staub in Ihrem Augenkommentar bedarf möglicherweise einer Erklärung hinsichtlich seiner Relevanz.
Andy aka
Entschuldigung @andy, ich werde versuchen, in Zukunft vorsichtiger zu sein.
ChrisR
@ChrisR Sie können neue Kommentare schreiben und die alten Kommentare löschen - das ist kein Problem, und ich würde Ihnen empfehlen, dies zu tun, wenn Sie der Meinung sind, dass sie irreführend sind. Ich fragte, weil ich nicht sicher war, worauf du fährst.
Andy aka
Ich habe den Kommentar in Form einer Antwort gepostet.
ChrisR