CN1226733A - 电阻元件 - Google Patents

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Abstract

非线性的电阻元件的电阻体有PTC特性,埋入热塑料基体中,尤其HD聚乙烯或者热固材料,具有粉末形状的第一种填料,例如为TiB2、TiC、VC、WC、ZrBr2、MoSi2具有最高为10－3Ωcm的特定电阻并且颗粒尺寸为10和40μ之间。第二种填料有变阻特性,颗粒尺寸位于50和200μ之间,特定电阻在场强≥2000V/cm时最大为50Ωcm,优选为15Ωcm。第二种填料的颗粒平均尺寸2—5倍于第一种。第二种填料首先选用Al、B、Ga、In、N、P、As掺杂的SiC或者相应掺杂的ZnO。

Description

电阻元件
本发明涉及权利要求1前序部分所述的电阻元件。这种所说的PTC电阻具有某一阻值，其在一定的切换电流密度的情况下上升数个数量级，并且经常用于限制电流的目的，尤其是在短路电流的情况下。
当切换电流密度达到时的阻值的强烈上升是基于如下事实：通过上升的能量吸收而引起的聚合物基体的加热和扩展，第一种填料所埋入的导电粒子被分开。但是在此结构中也具有如下缺点，这种效果易于集中在切换区域，而在电阻元件的横截面上的实际的延伸在电流方向上是相对短的，以致全部的电压降在一个短的距离内并且转换之后的电能的主要部分存在一个非常小的空间内。这很容易引起电弧并且损坏电阻元件。另外也引起了保持电压的下降，也就是说，该电压在短路结束之后如此建立而能够保持在不是太大的漏电流。
另外还知道进行了许多的尝试以通过混合具有变阻特性的第二种填料来提高这种电阻元件的相应特性。例如US-A-5 313 184公开了一种同源的电阻元件，其含有作为第二种填料的粉末形状的5-30％(体积)的变阻材料。其所产生的电阻元件的电压保持容量的改进并不能满足所有的场合。
以此本发明的任务在于以如下方式改进同源的电阻元件而使它们的电压保持容量明显地上升。
此任务通过权利要求1的特征部分的特征解决。在本发明的电阻元件中，该电流在一定的电流密度和相应的场强范围内大量的转换到第二种填料，这典型地发生在电阻元件的切换区域。这保证了窄的切换区域的形成并不会引起立即的电流中断-可能跟随以电弧或者闪络-但是该电流会通过第二种填料的粒子快速的连续流动，并且在该过程中，该切换区域会扩展到能够在即使在高电压的情况下也不会损坏电阻元件的进行保持的程度。
以此所达到的优点首先在于能够中断非常高的短路电压，并且该保持电压大大高于在已知的电阻元件的情况下电压。按照本发明的电阻元件的相应功率能够只借助于由电阻元件和变阻器所形成的串并联电路经济地实现。
下面本发明只借助于实施例和试验结果进行描述。
图1是试验结构图，以此得到如下所述的结果。
许多混合物通过混合产生，在每种情况下基体的50％(体积)含有第一种填料的由30％(体积)的BASF构成的聚乙烯HX5231，和由电熔炼的Kempten的TiB2的粉末，其中粒子的大小分散在10-30μ的范围内，和第二种填料的20％(体积)。只有在参考例Ref的情况下，第一种填料的50％(体积)进行混合并且没有第二种填料。下面该试验根据第二种填料标出。具体为：
ZnO           ZnO粉末
Var            变阻材料粉末，即以不同的金属氧化物掺杂的ZnO
ZnO+          以Al掺杂的ZnO粉末
SiC+f(精制)   以Al掺杂的SiC粉末，颗粒度45-75μ
SiC+m(中等)   以Al掺杂的SiC粉末，颗粒度90-125μ
SiC+g(粗糙)   以Al掺杂的SiC粉末，颗粒度150-212μ
以Al掺杂的SiC是从电熔炼的Kempten产生。ZnO是从Merck产生并且掺杂。从该混合物中建立电阻元件并且进行试验，以此其能够构成在一个电路中，如图l所示。为此电容C分别充电到300V、850V和1200V。电容C和与之串联的电感L的大小如此进行选择，在50Hz的情况下短路电流为12000A。该短路电流是在电容C全充电时通过开关S产生的。被检测的电阻元件PTC一直具有一个变阻元件Var，其作为一个过压保护器进行并联连接。另外为了测量电气参数，使用一个热照相机对电阻元件进行拍照，以此能够确定能量的分配、尤其是切换区域的长度和任何损坏。用于场强的一个或者两个值，电流密度和所使用的作为第二种填料的粉末的特定阻抗在温度为25℃和电极应用压力为9.38Mpa时进行确定。
在试验中得到的结果能够在说明书的结尾处的表格中找到。表格中的空格表示“无应用性”，“\”表示没有进行试验，“-”表示电阻元件在测量期间损坏，和“+”表示电阻元件在试验期间没有损坏的保留下来，但是没有值测量到。
该试验结果表明了切换区域的扩展是和第二种填料的特定阻抗有很大关系的，测量是在粉末具有足够大的电极应用压力的情况下进行的-可能为几个MPa/cm2-其决定了切换区域的长度并且以此决定了宽的能量分配。其在任何情况下都远远低于为了比较目的而测量的用于粉末的值，该粉末是由未掺杂的ZnO和低压变阻材料构成，该材料是由作为输出材料的Merck公司的D70烧结而成的。如果在所有可能的情况下，其应该在某一场强下，例如经常发生在开关区域-2000V/cm和以上-最大为50Ωcm，优选最大为20Ωcm，或者更好的是15Ωcm，这些值近似于从Al掺杂的ZnO和SiC的粉末中所测量到的结果。
同样比较重要的是粒子的尺寸。如果第二种填料的粒子不是比较大或者只是稍微大于第一种，第一种填料的粒子在第一种填料的粒子分开之后在切换区域可能并不足够于桥接。第二种填料不能达到所需要程度的功能。以此第二种填料的平均粒子尺寸明显超过了第一种填料尺寸，优选至少为2倍。在相对粗糙的第二种填料中，另一方面在切换区域得到不规则的电流分配，这引起了高的本地的能量吸收并且影响了电阻元件的电压保持容量。该系数一般比超过5，以此第二种填料的平均粒子尺寸超过了第一种填料的粒子尺寸。
当然，除了特定的TiB2的材料也能够被选择作为第一种填料的替换，例如TiC、VC、WC、ZrBr2、MoSi2。尤其是对于好的PTC特性，重要的是低的特定电阻。在所有的情况下这不应该超过10-3Ωcm，对于第二种填料如上所解释的，其特定电阻也是非常重要的。该材料的特定电阻在所有的情况下应该低于10-2Ωcm。该粉末的特定电阻在相对低的场强下在任何情况下是高的，以使电阻元件保持高的保持电压并且具有低的泄电流。只有在至少2000V/cm的场强的情况下，这发生在电阻元件的切换区域，该特定的电阻降低到上述特定的低的电阻值，也就是说，该粉末表现了明显的变阻性能。并且通过Al掺杂的SiC或者ZnO，关于第二种填料的的各项需求也能够通过B、Ga、In、N、P、As掺杂的SiC或者ZnO或者通过其他的适合掺杂的半导体来满足。对于聚合物基体，优选是给出一热塑料，例如HD聚乙烯或者一热固材料。
在第一种填料中为了较快的反应，粒子尺寸应该是低的并且优选主要选择在10μ和40μ之间。在第二种填料中粒子尺寸如上所述是大的，优选位于50μ和200μ之间。当然电阻体的组份能够与应用在试验中的一种相脱离。优选给出的比例是第一种填料为30-70％(体积)和第二种填料为10-40％(体积)，并且它们的总量不超过混合物的90％(体积)。
表格：
例子/测量值 Ref  ZnO  Var  ZnO+ SiC+f  SiC+m  SiC+c
场强第二种填料(V/cm) 33404000 32504000  32504000 3164  2292  1888
电流密度第二种填料(Ωcm) 0.030.04 1.3×1040.05  92156 174  169  172
特定电阻第二种填料(Ωcm) 1.1×1051.0×105 2.5×1078.0×104  33.526.0 18.2  13.5  11.0
切换区域(cm)能量密度(J/cm3)300V/500V处 0.3890/+ +/+ 0.3520/+  0.4420  0.6250
切换区域(cm)能量密度(J/cm3)在850V处 - - -  1.8250  1.8216
切换区域(cm)能量密度(J/cm3)在1200V处  1.0400 2.0233  2.0203  -

Claims (12)

1． 具有一个设在两个接触端子之间的电阻体的电阻元件，该电阻体是由聚合物基体和一第一种粉末形状的填料和一第二种粉末形状的填料组成，该第一种粉末形状的填料具有最高为10-3Ωcm的特定电阻，该第二种粉末形状的填料具有随场强的增加而下降的电阻，其特征在于，该第二种填料的特定电阻在场强≥2000V/cm时不大于50Ωcm。
2． 如权利要求1的电阻元件，其特征在于，第二种填料的材料的特定电阻至少为10-2Ωcm。
3． 如权利要求1或者2的电阻元件，其特征在于，第二种填料的平均颗粒尺寸大于第一种填料的平均颗粒尺寸。
4． 如权利要求3的电阻元件，其特征在于，第一种填料的平均颗粒尺寸和第二种填料的平均颗粒尺寸的商至少为2。
5． 如权利要求3或者4的电阻元件，其特征在于，第一种填料的平均颗粒尺寸和第二种填料的平均颗粒尺寸的商至多为5。
6． 如权利要求1至5之一的电阻元件，其特征在于，第二种填料主要由至少下列材料组成：掺杂的SiC粉末、掺杂的ZnO粉末。
7． 如权利要求1至6之一的电阻元件，其特征在于，第二种填料的颗粒尺寸主要位于50μ和200μ之间。
8． 如权利要求1至7之一的电阻元件，其特征在于，第一种填料主要由TiB2、TiC、VC、WC或者ZrBr2的粉末组成。
9． 如权利要求1至8之一的电阻元件，其特征在于，第一种填料的颗粒尺寸主要位于10μ和40μ之间。
10．如权利要求1至9之一的电阻元件，其特征在于，聚合物基体主要由热塑料，尤其是由HD聚乙烯或者热固材料组成。
11．如权利要求1至10的电阻元件，其特征在于，第一种填料占电阻体的比例为30和70％(体积)之间。
12．如权利要求1至11的电阻元件，其特征在于，第二种填料占电阻体的比例为10和40％(体积)之间。
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