EP0576836A2 - Current limiting element - Google Patents
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Definitions
- PTC resistors can therefore be used as overload protection for circuits. Because of their limited conductivity - carbon-filled polymers, for example, have a specific resistance greater than 1 ⁇ cm - their practical application generally limits them to nominal currents up to approx. 8 A at 30 V and up to approx. 0.2 A at 250 V.
- the filler provided in the first resistance material contains electrically conductive particles in the form of carbon and / or a metal, such as nickel, and / or at least one boride, silicide, oxide and / or carbide, such as TiC2, TiB2, MoSi2 or V2O3, each in undoped or doped form.
- the concentration and the geometric dimensions of the filler provided in the partial resistance bodies 5 are dimensioned such that current commutation can take place locally from a partial resistance body 4 to a partial resistance body 5.
- the filler provided in the partial resistance bodies 5 can, but need not necessarily, form continuous current paths.
- the proportion of the filler forming the partial resistance body 4 can be between 15 and 50 vol% and that of the filler forming the partial resistance body 5 between 5 and 40 vol%, the polymer matrix embedding the filler should have a proportion of 20-60 vol% of the resistance body 3 .
- the resistance bodies 3 can subsequently be cut up by cutting.
- the resistance bodies produced in this way can have, for example, a length of 0.5 to 20 cm and end faces of, for example, 0.5 to 10 cm2.
- the end faces of the resistance structure 3 having a sandwich structure are smoothed, for example by lapping and polishing, and can be connected to the contact connections 1, 2, for example, by soldering with a low-melting solder or by gluing with a conductive adhesive or by hot pressing.
- the current-limiting elements according to FIGS. 6 to 8 can be produced as follows:
- the disks 50 and ring bodies 51 can be produced from powdered ceramic material, such as from suitable metal oxides, by pressing and sintering.
- the diameters of the disks can be, for example, between 0.5 and 5 cm and those of the ring bodies between 1 and 10 cm with a thickness of, for example, between 0.05 and 1 cm.
- the disks 50 are stacked with the contact disks 6 lying between them.
- the contact washers 6 may have holes 7 of any shape in the edge area and may even be designed as a grid.
- the stack is placed in a mold.
- the free space between the contact disks 6 is then filled with polymeric PTC material to form the ring body 40 and the cast stack is cured.
- the top and bottom of the stack are then contacted.
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Abstract
Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem strombegrenzendes Element mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen angeordneten elektrischen Widerstandskörper, welcher PTC-Verhalten aufweisendes erstes Widerstandsmaterial enthält, das unterhalb einer ersten Temperatur einen geringen spezifischen Kaltwiderstand besitzt und mindestens einen zwischen den beiden Kontaktanschlüssen verlaufenden, stromführenden Pfad bildet, und das oberhalb der ersten Temperatur einen verglichen mit seinem spezifischen Kaltwiderstand grossen spezifischen Heisswiderstand besitzt.The invention is based on a current-limiting element with an electrical resistance body which is arranged between two contact connections and contains first resistance material which exhibits PTC behavior, has a low specific cold resistance below a first temperature and forms at least one current-carrying path running between the two contact connections, and which has a high specific hot resistance compared to its specific cold resistance above the first temperature.
Widerstände mit PTC-Verhalten sind schon seit langem Stand der Technik und sind beispielsweise in DE 2 948 350 C2 oder US 4 534 889 A beschrieben. Solche Widerstände enthalten jeweils einen Widerstandskörper aus einem keramischen oder polymeren Material, welches PTC-Verhalten aufweist und unterhalb einer materialspezifischen Grenztemperatur elektrischen Strom gut leitet. PTC-Material ist beispielsweise eine Keramik auf der Basis von dotiertem Bariumtitanat oder ein elektrisch leitfähiges Polymer, etwa ein thermoplastisches, semikristallines Polymer, wie Polyäthylen, mit beispielsweise Russ als leitfähigem Füllstoff. Beim Überschreiten der Grenztemperatur erhöht sich der spezifische Widerstand des Widerstandes auf der Basis eines PTC-Materials sprungartig um viele Grössenordnungen.Resistors with PTC behavior have long been state of the art and are described for example in
PTC - Widerstände können daher als Überlastschutz von Schaltkreisen eingesetzt werden. Wegen ihrer beschränkten Leitfähigkeit - kohlenstoffgefüllte Polymere weisen beispielsweise einen spezifischen Widerstand grösser 1 Ωcm auf - sind sie in ihrer praktischen Anwendung im allgemeinen auf Nennströme bis ca. 8 A bei 30 V und bis ca 0,2 A bei 250 V beschränkt.PTC resistors can therefore be used as overload protection for circuits. Because of their limited conductivity - carbon-filled polymers, for example, have a specific resistance greater than 1 Ωcm - their practical application generally limits them to nominal currents up to approx. 8 A at 30 V and up to approx. 0.2 A at 250 V.
In J. Mat. Sci. 26(1991) 145ff. sind PTC- Widerstände auf der Basis eines mit Boriden, Siliciden oder Carbiden gefüllten Polymers mit sehr hoher spezifischer Leitfähigkeit bei Raumtemperatur angegeben, welche als strombegrenzende Elemente im Prinzip auch in Leistungsschaltkreisen mit Strömen von beispielsweise 50 bis 100 A bei 250 V einsetzbar sein könnten. Derartige Widerstände sind jedoch kommerziell nicht verfügbar und können daher ohne beträchtlichen Aufwand nicht realisiert werden.In J. Mat. Sci. 26 (1991) 145ff. are PTC resistors based on a polymer filled with borides, silicides or carbides with very high specific conductivity at room temperature, which in principle could also be used as current-limiting elements in power circuits with currents of, for example, 50 to 100 A at 250 V. However, such resistors are not commercially available and therefore cannot be implemented without considerable effort.
Wird ein PTC-Widerstand als strombegrenzendes Schutzelement in einem für grosse Betriebsströme und grosse Betriebsspannungen ausgelegten elektrischen Netzwerk eingesetzt, so wird beim Auftreten eines Kurzschlusses während des Abschaltvorganges im PTC-Widertsand beträchtliche Energie umgesetzt. Dies kann insbesondere dann, wenn der Schaltvorgang im PTC-Widerstand inhomogen erfolgt, dazu führen, dass der PTC-Widerstand etwa in der Mitte zwischen den Kontaktanschlüssen lokal überhitzte Bereiche, sogenannter "hot spots", bildet. In den überhitzten Bereichen schaltet der PTC-Widerstand früher in den hochohmigen Zustand als an nicht erhitzten Stellen. Es fällt dann die gesamte am PTC-Widerstand anliegende Spannung über eine relativ kleine Distanz am Ort des höchsten Widerstandes ab. Die damit verbundene hohe elektrische Feldstärke kann dann zu Durchschlägen und zur Beschädigung des PTC-Widerstandes führen.If a PTC resistor is used as a current-limiting protective element in an electrical network designed for large operating currents and large operating voltages, considerable energy is converted in the PTC resistor when a short circuit occurs during the switch-off process. Particularly when the switching process in the PTC resistor is inhomogeneous, this can lead to the PTC resistor forming locally overheated areas, so-called "hot spots", approximately in the middle between the contact connections. In the overheated areas, the PTC resistor switches to the high-resistance state earlier than on not heated areas. The total voltage across the PTC resistor then drops over a relatively small distance at the location of the highest resistance. The associated high electrical field strength can then lead to breakdowns and damage to the PTC resistor.
Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein strombegrenzendes Element mit PCT-Verhalten zu schaffen, welches sich trotz einfachen und kostengünstigen Aufbaus durch homogenes Schaltvermögen und hohe Nennstromtragfähigkeit auszeichnet.The invention, as specified in
Das strombegrenzende Element nach der Erfindung besteht aus leicht handhabbaren Elementen, wie einem Widerstand mit PTC-Verhalten und einem Widerstand mit linearem, nichtlinearem oder PTC-Verhalten, und ist einfach aufgebaut. Es kann daher nicht nur vergleichsweise kostengünstig herstellt werden, sondern kann zugleich auch klein dimensioniert sein. Durch Integration eines oder mehrerer parallel zum PTC-Widerstand angeordneter linearer, nichtlinearer oder gegebenenfalls PTC-Verhalten aufweisender Widerstände wird eine Entlastung des die Schaltfunktion ausführenden PTC-Widerstandes erreicht. Zugleich wird das unerwünschte Auftreten von "hot spots" dadurch unterdrückt, dass der zu begrenzende Strom in den parallel zum PTC-Widerstand geschalteten Widerstand kommutiert. Dadurch werden ein homogenes Schaltverhalten und eine Erhöhung der zulässigen Energiedichte erreicht.The current-limiting element according to the invention consists of easily manageable elements, such as a resistor with PTC behavior and a resistor with linear, non-linear or PTC behavior, and is of simple construction. It can therefore not only be manufactured comparatively inexpensively, but can also be of small dimensions at the same time. By integrating one or more linear, non-linear or possibly PTC resistors arranged in parallel to the PTC resistor, the PTC resistor performing the switching function is relieved. At the same time, the undesirable occurrence of "hot spots" is suppressed by the fact that the current to be limited commutates into the resistor connected in parallel with the PTC resistor. This results in a homogeneous switching behavior and an increase in the permissible energy density.
Lokal auftretende Überspannungen können in einfacher und an die jeweiligen Bedingungen angepasster Weise durch äussere Zusatzbeschaltungen mit Kondensatoren, Varistoren und/oder linearen Widerständen begrenzt werden.Local overvoltages can be easily and externally adapted to the respective conditions Additional circuits with capacitors, varistors and / or linear resistors can be limited.
Durch die Integration des Parallelwiderstandes wird zugleich die im PTC-Widerstand erzeugte Wärmeenergie rascher weggeleitet und so die Nennstromtragfähigkeit des strombegrenzenden Elementes nach der Erfindung erheblich gesteigert. Wenn der Parallelwiderstand aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, sorgt er zudem für eine Homogenisierung der Temperaturverteilung im erfindungsgemässen Widerstand. Hierdurch wird der Gefahr einer lokalen Überhitzung besonders wirksam entgegengetreten.By integrating the parallel resistor, the thermal energy generated in the PTC resistor is also dissipated more quickly, and the nominal current carrying capacity of the current-limiting element according to the invention is considerably increased. If the parallel resistor consists of a material with high thermal conductivity, it also ensures a homogenization of the temperature distribution in the resistor according to the invention. This counteracts the risk of local overheating particularly effectively.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.Preferred exemplary embodiments of the invention and the further advantages achievable therewith are explained in more detail below with reference to drawings.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt, und zwar zeigen die
Figuren 1 bis 3 sowie 5 bis 9- jeweils eine Aufsicht auf einen Schnitt durch jeweils eine von acht bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemässen strombegrenzenden Elementes,
- Fig.4
- eine Aufsicht auf einen längs IV-IV geführten Schnitt durch die Ausführungsform gemäss Fig.3, und
- Fig.10
- eine Aufsicht auf einen längs X-X geführten Schnitt durch die Ausführungsform gemäss Fig.9.
- Figures 1 to 3 and 5 to 9
- each a top view of a section through one of eight preferred embodiments of the current-limiting element according to the invention,
- Fig. 4
- a plan view of a section taken along IV-IV through the embodiment according to Figure 3, and
- Fig. 10
- a top view of a longitudinal section XX through the embodiment according to FIG. 9.
Die in den Figuren 1 bis 10 dargestellten strombegrenzenden Elemente enthalten jeweils einen zwischen zwei Kontaktanschlüssen 1, 2 angeordneten Widerstandskörper 3. Mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichnete Teilwiderstandskörper enthalten erstes Widerstandsmaterial mit PTC-Verhalten. Dieses Widerstandsmaterial besitzt unterhalb einer ersten Temperatur einen geringen spezifischen Kaltwiderstand und bildet nach Einbau in ein durch Strombegrenzung zu schützendes elektrisches Netz mindestens einen zwischen den beiden Kontaktanschlüssen 1, 2 verlaufenden und vorzugsweise Nennstrom führenden Pfad. Oberhalb der ersten Temperatur weist das Widerstandsmaterial einen verglichen mit seinem spezifischen Kaltwiderstand grossen spezifischen Heisswiderstand auf.The current-limiting elements shown in FIGS. 1 to 10 each contain a
Mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnete Teilwiderstandskörper sind von einem zweiten Widerstandsmaterial mit einem spezifischen Widerstand gebildet, der zwischen dem spezifischen Kalt- und dem spezifischen Heisswiderstand des die Teilwiderstandskörpers 4 bildenden ersten Widerstandsmaterials liegt. Das die Teilwiderstandskörper 5 bildende Widerstandsmaterial ist in innigen elektrischen Kontakt mit dem die Teilwiderstandskörper 4 bildenden Widerstandsmaterial gebracht und bildet mindestens einen parallel zu mindestens einem Teilabschnitt des Nennstrom führenden Pfades geschalteten Widerstand.Partial resistance bodies identified by
Der parallel zum stromführenden Pfad geschaltete Widerstand aus zweitem Widerstandsmaterial ist mehrfach grösser als der Kaltwiderstand des ersten Widerstandsmaterials. Vorzugsweise beträgt die Grösse des Widerstandes aus zweitem Widerstandsmaterial etwa das 3-10⁴-fache der Grösse des Kaltwiderstandes des ersten Widerstandsmaterials und weist mit Vorteil selber PTC-Verhalten auf.The resistance made of second resistance material connected in parallel to the current-carrying path is several times greater than the cold resistance of the first resistance material. Preferably, the size of the resistor made of second resistor material is about 3-10ache times the size of the Cold resistance of the first resistance material and advantageously has PTC behavior itself.
Der Widerstandskörper 3 kann wie in Fig.1 dargestellt ist , eine vorzugsweise von einem Polymer, wie einem Duro- oder Thermoplast, gebildete Matrix aufweisen. In diese Matrix sind unter Bildung der Widerstandsmaterialien der Teilwiderstandskörper 4, 5 Füllstoffe eingebettet. Diese Füllstoffe können in Form von Pulver, Fasern und/oder Plättchen vorliegen. Besonders zu bevorzugen sind hierbei als Füllstoffe Kurzfasern oder Plättchen, da dann eine zum Erreichen des PTC-Verhaltens besonders niedrige Perkolationskonzentration eingehalten werden kann.As shown in FIG. 1, the
In Fig.1 sind die in den Teilwiderstandskörpern 4 vorgesehenen Füllstoffe als Kreise und die in den Teilwiderstandskörpern 5 vorgesehenen Füllstoffe als Quadrate gekennzeichnet. Im Normalbetrieb bildet der im Teilwiderstandskörper 4 vorgesehene Füllstoff durch den Widerstandskörper 3 hindurchgehende Strompfade und bewirkt zugleich den PTC-Effekt. Das Material der Teilwiderstandskörper 5 hingegen bildet je nach Zugabemenge lokal oder durch den ganzen Widerstandskörper 3 hindurch perkolierende Pfade aus, in die bei Zunahme des Widerstandes der Strompfade während eines Strombegrenzungsvorganges Strom kommutieren und somit die unerwünschte Ausbildung überhitzter Bereiche in den PTC-Verhalten aufweisenden Teilwiderstandskörpern 4 verhindert werden kann.In FIG. 1, the fillers provided in the
Der im ersten Widerstandsmaterial vorgesehene Füllstoff enthält elektrisch leitende Teilchen in Form von Kohlenstoff und/oder eines Metalls, wie beispielsweise Nickel, und/oder mindestens eines Borids, Silizids, Oxids und/oder Carbids, wie etwa TiC₂, TiB₂, MoSi₂ oder V₂O₃, jeweils in undotierter oder dotierter Form.The filler provided in the first resistance material contains electrically conductive particles in the form of carbon and / or a metal, such as nickel, and / or at least one boride, silicide, oxide and / or carbide, such as TiC₂, TiB₂, MoSi₂ or V₂O₃, each in undoped or doped form.
Der im zweiten Widerstandsmaterial vorgesehene Füllstoff enthält mindestens eine dotierte halbleitende Keramik, etwa auf der Basis von ZnO, SnO₂, SrTiO₃, TiO₂, SiC, YBa₂Cu₃O7-x, ein Metallgranulat, einen intrinsisch elektrisch leitenden oder durch feinen Füllstoff elektrisch leitend gemachten Kunststoff und/oder Kurz- oder Langfasern.The filler provided in the second resistance material contains at least one doped semiconducting ceramic, for example based on ZnO, SnO₂, SrTiO₃, TiO₂, SiC, YBa₂Cu₃O 7-x , a metal granulate, an intrinsically electrically conductive or made of fine filler plastic and / or short or long fibers.
Die Konzentration und die geometrischen Abmessungen des in den Teilwiderstandskörpern 5 vorgesehenen Füllstoffs ist so bemessen, dass lokal jeweils eine Stromkommutierung von einem Teilwiderstandskörper 4 auf einen Teilwiderstandskörper 5 erfolgen kann. Der in den Teilwiderstandskörpern 5 vorgesehene Füllstoff kann, braucht aber nicht notwendigerweise durchgehende Strompfade zu bilden. Der Anteil des die Teilwiderstandskörper 4 bildenden Füllstoffs kann zwischen 15 und 50 Vol% und derjenige des die Teilwiderstandskörper 5 bildenden Füllstoffs zwischen 5 und 40 Vol% betragen, wobei die die Füllstoffe einbettende Polymermatrix einen Anteil von 20-60 Vol% am Widerstandskörper 3 haben sollte.The concentration and the geometric dimensions of the filler provided in the
Wenn der Füllstoff eines Teilwiderstandkörpers aus einem paramagnetischen oder ferromagnetischen Material besteht, können die Partikel beim Aushärten der Polymermatrix oder in der Schmelze der Polymermatrix mit einem starken magnetischen Feld ausgerichtet werden. Das Feld verläuft dabei in Richtung von Kontaktanschluss 1 nach Kontaktanschluss 2. Es bilden sich so als Strompfade wirkende Ketten aus, die überwiegend aus dem Füllstoff der einen oder der anderen Teilwiderstandskörper bestehen.If the filler of a partial resistance body consists of a paramagnetic or ferromagnetic material, the particles can be aligned with a strong magnetic field when the polymer matrix hardens or in the melt of the polymer matrix. The field runs in the direction from
Durch die Integration von Parallelwiderständen in den Widerstand mit PTC-Verhalten wird dieser Widerstand bei der Ausübung von Schaltfunktionen erheblich entlastet. Der Zusatz des Parallelwiderstandes bewirkt zwar oberhalb der Sprungtemperatur des Widerstandes mit PTC-Verhalten eine Reduktion des spezifischen Gesamtwiderstandes des strombegrenzendes Elementes von typischerweise 10⁸ Ωcm auf einen deutlich niedrigeren Wert, welcher mit Vorteil etwa das 3 bis 10⁴-fache des Kaltwiderstandes des Widerstandes mit PTC-Verhalten betragen kann. Hierdurch kann aber der abzuschaltende Strom bereits ausreichend begrenzt und der den Strom führende Schaltkreis mechanisch aufgetrennt werden.By integrating parallel resistors into the resistor with PTC behavior, this resistance is considerably relieved when switching functions are performed. The addition of the parallel resistor causes a resistance above the step temperature of the resistor with PTC behavior Reduction of the specific total resistance of the current-limiting element from typically 10⁸ Ωcm to a significantly lower value, which can advantageously be about 3 to 10⁴ times the cold resistance of the resistor with PTC behavior. In this way, however, the current to be switched off can already be limited sufficiently and the circuit carrying the current can be mechanically separated.
Je nach Anwendungsfall kann zusätzlich eine Beschaltung mit einem externen Parallelwiderstand, Varistor oder Kondensator vorgesehen sein. In jedem Fall werden jedoch durch das strombegrenzende Element nach der Erfindung unerwünschte "hot spots" in den Teilwiderstandskörpern 4 mit PTC-Verhalten unterdrückt, das Schaltverhalten homogenisiert und die zulässige Energiedichte beim Schaltvorgang erhöht. Zugleich wird ein Teil der in den Teilwiderstandskörpern 4 erzeugten Wärme durch die Teilwiderstandskörper 5 abgeleitet. Hierdurch wird die Nennstromtragfähigkeit des strombegrenzenden Elementes nach der Erfindung gegenüber einem strombegrenzenden Element ohne parallelgeschaltete Widerstände erheblich gesteigert.Depending on the application, a connection with an external parallel resistor, varistor or capacitor can also be provided. In any case, however, the current-limiting element according to the invention suppresses undesirable "hot spots" in the
Das Widerstandsmaterial der Teilwiderstandskörper 5 weist im allgemeinen lineares oder aber auch nichtlineares Verhalten auf, kann aber gegebenenfalls entsprechend dem in den Teilwiderstandskörpern 4 vorgesehenen Widerstandsmaterial ebenfalls PTC-Verhalten aufweisen. Weist das Widerstandsmaterial PTC-Verhalten auf, so liegt die Sprungtemperatur gleich oder höher als diejenige des in den Teilwiderstandskörpern 4 enthaltenen Widerstandsmaterials. Hierdurch wird ein zeitlich verzögertes Abschalten in zwei Stufen erreicht. Beim Abschalten induktiver Netze werden so Überspannungen reduziert, da zunächst eine rasche Teilbegrenzung des Stromes und erst dann eine vollkommene Strombegrenzung erfolgt.The resistance material of the
Bei den Ausführungsformen gemäss den Figuren 2 bis 4 ist der Widerstandskörper 3 aus zwei oder mehreren flächenhaften und vorzugsweise jeweils als Platte ausgebildeten Teilwiderstandskörpern 4, 5 aufgebaut. Der in Fig.2 dargestellte Teilwiderstandskörper 5 ist bzw. die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Teilwiderstandskörper 5 sind mit beiden Anschlüssen 1, 2 kontaktiert. Die Teilwiderstandskörper 5 weisen im Normalbetrieb des strombegrenzenden Elementes einen mehrfach höheren Widerstand als die Teilwiderstandskörper 4 auf. Entsprechend den Teilwiderstandskörper 5 sind auch die Teilwiderstandskörper 4 mit beiden Anschlüssen 1, 2 kontaktiert. Die Teilwiderstandskörper 4 und 5 weisen über ihre gesamte flächenhafte Ausdehnung gemeinsame Auflageflächen auf. An diesen Auflageflächen sind die Teilwiderstandskörper 4, 5 in innigen elektrischen Kontakt zueinander gebracht.In the embodiments according to FIGS. 2 to 4, the
Die Widerstandskörper 3 können wie folgt hergestellt werden: Zunächst werden nach einem bei der Herstellung von Widerständen üblichen Verfahren, wie etwa durch Pressen oder Giessen und nachfolgendes Sintern, ca. 0,5 bis 2 mm dicke Platten aus einer elektrisch leitend dotierten Keramik hergestellt. Mit einem Schermischer wird aus Epoxidharz und einem elektrisch leitfähigen Füllstoff, wie beispielsweise TiC, PTC-Material auf der Basis eines Polymers hergestellt. Dieses wird mit einer Dicke von 0,5 bis 4 mm auf eine zuvor hergestellte plattenförmige Keramik gegossen. Gegebenenfalls ist es möglich, die aufgegossene Schicht mit einer weiteren Keramik abzudecken und die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte sukzessive zu wiederholen. Dies führt zu einem Stapel, in dem entsprechend einer Multilayer - Anordnung wechselweise aufeinanderfolgend Schichten aus den beiden verschiedenen Widerstandsmaterialien angeordnet sind. Das Epoxidharz wird sodann bei Temperaturen zwischen 60 und 180°C unter Bildung des Widerstandskörpers 3 ausgehärtet.The
Besonders geeignet ist ein Teilwiderstandskörper 5 aus einem Widerstandsmaterial, welches hohe Zugfestigkeit und/oder hohe Elastizität aufweist, da dann in jedem Fall Wärmespannungen vermieden werden, die durch das starke Erhitzen des Widerstandsmaterials mit PTC-Verhalten hervorgerufen werden können. Als Material hierfür kommen beispielsweise ein gefülltes Elastomer oder Thermoplast oder ein Drahtgewebe infrage.A
Wie aus Fig.4 ersichtlich ist, können die aus zweitem Widerstandsmaterial gebildeten Teilwiderstandskörper 5 über die Teilwiderstandskörper 4 rippenförmig hervorstehen. Die vorstehenden Teile der Teilwiderstandskörper 5 wirken dann als Kühlrippen und bewirken eine besonders gute Ableitung der in den Teilwiderstandskörpern 4 erzeugten Wärme.As can be seen from FIG. 4, the
Anstelle eines duroplastischen PTC-Polymers kann auch ein thermoplastisches PTC-Polymer als Widerstandsmaterial für die Teilwiderstandskörper 4 eingesetzt werden. Dieses wird zunächst zu dünnen Platten oder Folien extrudiert, welche beim Zusammenbau mit den Teilwiderstandskörpern 5 zum Widerstandskörper 3 heissverpresst werden.Instead of a thermosetting PTC polymer, a thermoplastic PTC polymer can also be used as the resistance material for the
Sind die eingesetzte beiden Widerstandsmaterialien jeweils eine Keramik, so können die flächenhaften Teilwiderstandskörper 4, 5 durch Verkleben mittels eines elektrisch anisotrop leitenden Elastomers miteinander verbunden werden. Zwecks Bildung des innigen elektrischen Kontaktes zwischen den unterschiedlichen Keramiken sollte dieses Elastomer eine hohe Klebkraft aufweisen. Zudem sollte dieses Elastomer nur in Richtung der Normalen der flächenhaften Elemente elektrisch leitend sein. Ein derartiges Elastomer ist beispielsweise aus J.Applied Physics 64(1984) 6008 bekannt.If the two resistance materials used are each ceramic, the flat
Die Widerstandskörper 3 können nachfolgend durch Schneiden zerteilt werden. Die solchermassen hergestellten Widerstandskörper können beispielsweise eine Länge von 0,5 bis 20 cm und Stirnflächen von beispielsweise 0,5 bis 10 cm² aufweisen. Die Stirnflächen der Sandwich-Struktur aufweisenden Widerstandskörper 3 werden etwa durch Läppen und Polieren geglättet und können etwa durch Auflöten mit einem niedrigschmelzenden Lot oder durch Aufkleben mit einem leitfähigen Kleber oder durch Heisspressen mit den Kontaktanschlüssen 1, 2 verbunden werden.The
Das strombegrenzende Element gemäss den Figuren 2 bzw. 3 und 4 leitet während des Betriebs eines ihn aufnehmenden Systems normalerweise Strom. Der Strom fliesst hierbei in einem zwischen den Kontaktanschlüssen 1 und 2 verlaufenden elektrisch leitenden Pfad eines Teilwiderstandskörpers 4. Erhitzt sich der Teilwiderstandskörper 4 wegen eines Überstromes so stark, dass er sprungartig seinen Widerstand um viele Grössenordnungen erhöht, so wird der Überstrom begrenzt. Da die Teilwiderstandskörper 5 auf ihrer gesamten Länge innigen elektrischen Kontakt mit den Teilwiderstandskörpern 4 haben und parallel zu deren Überstrom führenden Strompfaden geschaltet sind, werden hierbei stark überhitzte, inhomogene Bereiche in den Teilwiderstandskörper 4 mit PTC-Verhalten vermieden. Vor der Bildung derartiger inhomogener Bereiche kommutiert zumindestens ein Teil des abzuschaltenden Stroms in die Teilwiderstandskörper 5 aus zweitem Widerstandsmaterial. Die vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit der Teilwiderstandskörper 5 sorgt zugleich für eine Homogenisierung der Temperaturverteilung in den Teilwiderstandskörpern 4, wodurch in diesem Teilen die Gefahr lokaler Überhitzungen zusätzlich verringert wird. Darüber hinaus trägt die hohe Wärmeabfuhr in den Teilwiderstandskörpern 5 dazu bei, die Nennstromtragfähigkeit des strombegrenzenden Elementes nach der Erfindung gegenüber derjenigen eines strombegrenzenden Elementes nach dem Stand der Technik erheblich zu vergrössern.The current-limiting element according to FIGS. 2 and 3 and 4 normally conducts electricity during the operation of a system receiving it. The current flows here in an electrically conductive path of a
In Fig.5 ist ein rohrförmig gestalteter und längs seiner Rohrachse geschnittener Widerstand nach der Erfindung dargestellt. Dieser Widerstand enthält einen der stromkommutation dienenden Teilwiderstandskörper 5 und zwei Teilwiderstandskörper 4 mit PTC-Verhalten. Die Teilwiderstandskörper 4, 5 sind jeweils Hohlzylinder und bilden zusammen mit ringförmigen Kontaktanschlüssen ein rohrförmiges strombegrenzendes Element. Dieses Element kann mit Vorteil aus einer hohlzylindrischen Keramik hergestellt werden, welche in einer zylindrischen Giessform auf der Innen- und auf der Mantelfläche mit einer polymeren PTC - Vergussmasse, etwa auf der Basis eines Epoxidharzes, überzogen wird. Anstelle einer hohlzylindrischen kann auch eine vollzylindrische Keramik eingesetzt werden. Ein mit einem solchen Teilwiderstandskörper 5 ausgestattetes strombegrenzendes Element ist besonders einfach herzustellen, wohingegen ein als Rohr ausgebildetes strombegrenzendes Element eine besonders gute Wärmeableitung durch Konvektion aufweist und besonders gut mit einer Flüssigkeit gekühlt werden kann. Wird anstelle eines duromeren Polymers ein thermoplastisches Polymer als PTC-Material verwendet, so kann das PTC-Material direkt auf den Zylinder oder den Hohlzylinder extrudiert werden. Wird als Widerstandsmaterial für den Teilwiderstandskörper 5 ein Polymer/Füllstoff-Komposit verwendet, beispielsweise eines mit einem hohen Füllgrad an C, SiC, ZnO und/oder TiO₂, so kann das strombegrenzende Element nach der Erfindung in besonders einfacher Weise durch Koextrusion hergestellt werden. Hierbei ist es auch möglich, einen Teilwiderstandskörper 5 zu schaffen, der lange koextrudierte Drähte oder Fasern, z.B. auf der Basis von Metall, Kohlenstoff oder Siliciumcarbid, aufweist. Der Teilwiderstandskörper 5 kann auch eine einfache Bewicklung mit einer leitenden Faser oder Draht sein. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird eine besonders gute mechanische Stabilität erreicht.5 shows a tubular resistor according to the invention, which is cut along its tube axis. This resistor contains a
Bei den Ausführungsformen gemäss den Figuren 6 bis 8 weist der Widerstandskörper 3 jeweils die Gestalt eines Vollzylinders mit übereinandergestapelten Teilwiderstandskörpern auf. Die Teilwiderstandskörper aus zweiten Widerstandsmaterial sind als kreisförmige Scheiben 50 oder als Ringkörper 51 und die Teilwiderstandskörper 4 mit PTC-Verhalten sind in kongruenter Weise als Ringkörper 40 oder als kreisförmige Scheiben 41 ausgebildet. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Ausführungsformen sind zusätzlich Kontaktscheiben 6 vorgesehen. Jeder als Scheibe 50 oder Ringkörper 51 ausgebildete Teilwiderstandskörper steht längs seines gesamten Umfanges in innigem elektrischem Kontakt mit einem als Ringkörper 40 oder Scheibe 41 ausgebildeten Teilwiderstandskörpern mit PTC-Verhalten. Jedes Teil 50, 51 und jedes mit ihm kontaktierte Teil 40, 41 ist entweder mit einem der beiden Kontaktanschlüsse 1, 2 und einer Kontaktscheibe 6 oder mit zwei Kontaktscheiben 6 kontaktiert. Die Ringkörper 50 oder die Scheiben 51 mit linearem Widerstandsverhalten bzw. die Ringkörper 40 oder die Scheiben 41 mit PTC-Verhalten sind so bei jeder der Ausführungsformen 6 bis 8 zwischen den Kontaktanschlüssen 1, 2 in Serie geschaltet.In the embodiments according to FIGS. 6 to 8, the
Die strombegrenzenden Elemente nach den Figuren 6 bis 8 können wie folgt hergestellt werden:
Aus pulverförmigem Keramikmaterial, wie etwa aus geeigneten Metalloxiden, können durch Pressen und Sintern die Scheiben 50 und Ringkörper 51 hergestellt werden. Die Durchmesser der Scheiben können beispielsweise zwischen 0,5 und 5 cm und diejenigen der Ringkörper zwischen 1 und 10 cm bei einer beispielsweise zwischen 0,05 und 1 cm betragenden Dicke liegen. Die Scheiben 50 werden mit den dazwischenliegenden Kontaktscheiben 6 übereinandergestapelt. Die Kontaktscheiben 6 können hierbei im Randbereich beliebig geformte Löcher 7 aufweisen und können gegebenenfalls sogar als Gitter ausgebildet sein. Der Stapel wird in eine Giessform eingebracht. Der noch freie Raum zwischen den Kontaktscheiben 6 wird sodann unter Bildung der Ringkörper 40 mit polymerem PTC-Material ausgegossen und der vergossene Stapel ausgehärtet. Ober- und Unterseite des Stapels werden anschliessend kontaktiert.The current-limiting elements according to FIGS. 6 to 8 can be produced as follows:
The
Bei derart hergestellten strombegrenzenden Elementen gewährleisten die metallenen Kontaktscheiben 6 einen geringen Übergangswiderstand in einem durch die jeweils in Serie geschalteten Scheiben 40 bzw. Ringkörper 41 gebildeten Strompfad. Auftretende Überspannungen können über den gesamten kreisförmigen Querschnitt der Scheiben 50 abgeleitet werden. Durch die mit PTC-Material ausgefüllten Löcher 7 wird der Gesamtwiderstand im Strompfad der als Ringkörper 40 ausgebildeten Teilwiderstandskörper mit PTC-Verhalten herabgesetzt. Lokale Überspannungen bei Überhitzungen im Widerstand werden bei dieser Ausführungsform besonders gut vermieden, da der Widerstand durch die Kontaktscheiben 6 in Teilabschnitte unterteilt ist, und da in jedem Teilabschnitt ein als Scheibe 50 ausgebildeter Teilwiderstandskörper aus zweitem Widerstandsmaterial parallel zu einem als Ringkörper 40 ausgebildeten Teilwiderstandskörper mit PTC-Verhalten und damit parallel zu einem Teilabschnitt des die lokalen Überspannungen hervorrufenden Strompfades geschaltet ist.In the case of current-limiting elements produced in this way, the
Die Ringkörper 40 können auch aus Keramik gesintert sein. Ein Lochen der Kontaktscheiben 6 erübrigt sich dann. Der Kontaktwiderstand kann in diesem Fall durch Pressen oder Verlöten klein gehalten werden.The
Wie aus der Ausführungsform gemäss Fig. 8 ersichtlich ist, können die Teilwiderstandskörper aus zweitem Widerstandsmaterial als Ringkörper 51 und die Teilwiderstandskörper mit PTC-Verhalten als kreisförmige Scheiben 41 ausgebildet sein. Um bei dieser Ausführungsform bei der Verwendung eines polymeren PTC-Materials einen geringen Gesamtwiderstand zu erreichen, empfiehlt es sich, die Löcher 7 in einem zentralen Bereich der Kontaktscheiben 6 vorzusehen.As can be seen from the embodiment according to FIG. 8, the partial resistance bodies made of second resistance material can be used as
Bei der Ausführungsform gemäss den Figuren 9 und 10 ist der Teilwiderstandskörper 5 zylinderförmig ausgebildet und weist Durchgangsbohrungen 8, 9 von beispielsweise 1 bis 5 mm Durchmesser auf. Der Teilwiderstandskörper 5 besteht vorzugsweise aus einem Material, das eine hohe Zugfestigkeit aufweist und/oder elastisch ist. In die Durchgangsbohrungen 8 sind Teilwiderstandskörper 4 eingegossen, vorzugsweise solche auf Duromerbasis, wie etwa Epoxy, oder eingepresst, vorzugsweise solche auf Thermoplastbasis, wie etwa Polyäthylen. Die Durchgangsbohrungen 9 sind zu Kühlzwecken offen gehalten.In the embodiment according to FIGS. 9 and 10, the
In allen Ausführungsformen nach den Figuren 5-10 kann der Teilwiderstand 5 resp. 50, 51 selbst auch PTC-Verhalten aufweisen, genauso wie in den Ausführungsformen gemäss den Figuren 1-4.In all embodiments according to Figures 5-10, the
Wird das strombegrenzende Element nach der Erfindung im Mittelspannungsbereich eingesetzt, d.h. insbesondere in Netzen mit Spannungen im Kilovoltbereich, so sollten seine Abmessungen senkrecht zum Stromfluss klein sein im Vergleich zu seiner Länge parallel zum Stromfluss. Wird das strombegrenzende Element nach der Erfindung im Niederspannungsbereich eingesetzt, d.h. insbesondere in Netzen mit Spannungen bis zu 1 Kilovolt, so sollten seine Abmessungen senkrecht zum Stromfluss gross sein im Vergleich zu seiner Länge parallel zum Stromfluss. Ist das strombegrenzende Element beispielsweise im wesentlichen zylindersymmetrisch ausgebildet, so weist es bei Einsatz für Spannungen im Kilovoltbereich einen im Vergleich zu seiner axialen Länge kleinen Durchmesser und bei Einsatz für Spannungen bis 1000 V einen im Vergleich zu seiner axialen Länge grossen Durchmesser auf.If the current-limiting element according to the invention is used in the medium-voltage range, ie in particular in networks with voltages in the kilovolt range, its dimensions perpendicular to the current flow should be small compared to its length parallel to the current flow. If the current-limiting element according to the invention is used in the low-voltage range, ie in particular in networks with voltages of up to 1 kilovolt, its dimensions perpendicular to the current flow should be large compared to its length parallel to the current flow. If the current-limiting element is, for example, essentially cylindrically symmetrical, then when used for Voltages in the kilovolt range have a small diameter compared to its axial length and, when used for voltages up to 1000 V, have a large diameter compared to its axial length.
- 1, 21, 2
- KontaktanschlüsseContact connections
- 33rd
- WiderstandskörperResistance body
- 4, 54, 5
- TeilwiderstandskörperPartial resistance body
- 66
- KontaktscheibenContact washers
- 77
- LöcherHoles
- 8, 98, 9
- DurchgangsbohrungenThrough holes
- 40, 5140, 51
- RingkörperRing body
- 41, 5041, 50
- ScheibenSlices
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