DE10137873C1

DE10137873C1 - Elektrokeramisches Bauelement

Info

Publication number: DE10137873C1
Application number: DE10137873A
Authority: DE
Inventors: Hermann Gruenbichler; Martin Schwingenschuh
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2002-10-17
Anticipated expiration: 2021-08-03
Also published as: ATE339768T1; EP1412953B1; WO2003017292A3; US7728709B2; JP2004538658A; EP1412953A2; WO2003017292A2; DE50208156D1; TW569244B; US20040264092A1

Abstract

Elektrokeramisches Bauelement mit einer Sicherung vor Überspannung, bei dem ein Strompfad zwischen einem ersten und einem zweiten elektrischen Kontakt (5, 15) definiert ist, der über wenigstens einen keramischen Grundkörper (1) und ein elektrisches Leiterstück (10) verläuft, bei dem das elektrische Leiterstück (10) im direkten Wärmekontakt mit dem Grundkörper steht und so ausgebildet ist, daß es bei Überschreitung der vorgesehenen Betriebsspannung des Bauelements infolge der Aufwärmung des Grundkörpers schmilzt und den Strompfad unterbricht. Elektrische Überschläge zwischen den Bereichen des Strompfades, die durch das elektrische Leiterstück (10) kontaktiert werden, werden durch ein elektrisch isolierendes Material (20) verhindert.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrokeramisches Bauelement mit einer Temperatursicherung.

Zu derartigen Bauelementen gehören zum Beispiel Varistoren. Der Grundkörper solcher bekannter Bauelemente ist häufig aus einer Mischung verschiedener Metalloxide, zum Beispiel auf der Basis von Zinkoxid hergestellt. Varistoren weisen eine nicht-lineare spannungsabhängige Widerstandsänderung auf, die zum Schutz eines elektrischen Schaltkreises vor Überspannung benutzt wird. Der Widerstandswert von Varistoren sinkt dabei mit steigender anliegender Spannung.

Beim Auftreten einer Überspannung (Betriebsspannung über steigt einen zulässigen Grenzwert für den Varistor) steigt der Durchlaßstrom des Varistors steil an. Die dadurch eben falls stark zunehmende Verlustleistung heizt den Varistor auf. Bei länger andauernden Überspannungen kann es dabei zur Überhitzung und zur Brandauslösung kommen.

Aus der Druckschrift DE 33 18 588 ist ein Varistorsicherungs element zum Schutz elektrischer Schaltkreise vor Überspannun gen und Übertemperaturen bekannt. Es besteht aus einer mecha nischen Konstruktion, bei der auf dem Varistor ein niedrig schmelzendes Lot aufgebracht ist, das eine federnde Stromzu leitung fixiert. Beim Auftreten von Überspannungen und damit verbundener Überhitzung des Varistors schmilzt das Lot, wobei die Federkonstruktion daraufhin eine irreversible niederohmi ge Kurzschlußüberbrückung mit einer zweiten Stromzuleitung herstellt. Dabei vergrößert die Federkonstruktion auch die Distanz zwischen der federnden Stromzuleitung und dem Vari stor, um einen elektrischen Überschlag zu verhindern. Die Nachteile dieser mechanischen Konstruktion bestehen darin, daß sie nur sehr aufwendig zu realisieren ist.

In der Druckschrift JP 04 151 804 A ist eine in einem Vari storgehäuse integrierte Temperatursicherung offenbart, die über eine elektrische Leitung mit einer inneren Elektrode des Varistors verbunden ist. Die Temperatursicherung ist dabei von einem Material umgeben, das eine Wärmeleitung zwischen dem Varistor und der Temperatursicherung erlaubt. Im Falle einer Überhitzung des Varistors infolge von länger andauern der Überspannung kann somit die Wärme des Varistors auf die Temperatursicherung übertragen und diese ausgelöst werden. Der Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, daß die Tem peratursicherung nicht im direktem thermischen Kontakt mit dem Varistor steht und deshalb aufgrund von Verlusten während der Wärmeübertragung erst bei höheren Temperaturen ausgelöst wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfa che thermische Sicherung für elektrokeramische Bauelemente zur Verfügung zu stellen, die die genannten Nachteile vermei det.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Die Erfindung beschreibt ein elektrokeramisches Bauelement mit wenigstens einem ersten keramischen Grundkörper. Im nor malen Betriebsfall, bei dem die Betriebsspannung einen vorge gebenen zulässigen Grenzwert nicht überschreitet, erfolgt ein Stromfluß zwischen zwei elektrischen Kontakten über den er sten keramischen Grundkörper und ein elektrisches Leiter stück. Der erste keramische Grundkörper kontaktiert das elek trische Leiterstück und steht deshalb im direkten Wärmekon takt mit ihm. Bei Überschreitung der Betriebsspannung heizt sich der erste keramische Grundkörper infolge der zunehmenden Verlustleistung stark auf, so daß auch das elektrische Lei terstück aufgeheizt wird. Es ist dabei so ausgeführt, daß es ab einer bestimmten Temperatur schmilzt und somit den Strom fluß unterbricht. Ein elektrisch isolierendes Material ver hindert einen elektrischen Überschlag zwischen den elektrisch leitenden Bereichen, die von dem elektrischen Leiterstück kontaktiert wurden und gewährleistet so eine zuverlässige Un terbrechung des Strompfades.

Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik bestehen darin, daß das elektrische Leiterstück erfindungsge mäß im direkten Wärmekontakt mit dem ersten keramischen Grundkörper steht. Aus diesem Grunde muß keine mit Verlusten behaftete Wärmeübertragung durch eine Ummantelung des ersten keramischen Grundkörpers stattfinden. Die Übertemperatursi cherung kann deshalb bereits bei niedrigeren Temperaturen am ersten Grundkörper ausgelöst werden und ist somit wesentlich empfindlicher als herkömmliche Sicherungen. Ein weiterer Vor teil ergibt sich daraus, daß nach dem Schmelzen des elektri schen Leiterstücks ein elektrischer Überschlag erfindungsge mäß in einfacher Weise durch das elektrisch isolierende Mate rial verhindert werden kann. Es sind keine aufwendigen mecha nischen Federkonstruktionen nötig, um die Kontakte nach dem Schmelzen des elektrischen Leiterstücks auseinander zu bewe gen.

Der erste Grundkörper kann beispielsweise eine Varistorkera mik auf der Basis von Zinkoxid enthalten. Das elektrische Leiterstück ist vorteilhafterweise ein niedrigschmelzendes Lot, beispielsweise mit einem Schmelzpunkt zwischen etwa 80°C und 180°C. Als elektrisch isolierendes Material lassen sich beispielsweise riesel- oder fließfähige Materialien wie Quarzsand oder Glaskugeln einsetzen.

Dies hat den Vorteil, daß nach dem Schmelzen des elektrischen Leiterstücks, dem Lot, das riesel- oder fließfähige Material in das flüssige Metall eindringen kann und so zuverlässig die Ausbildung eines Lichtbogens und damit eines elektrischen Überschlags verhindert wird.

Vorteilhafterweise kann eine Verkapselung, beispielsweise aus temperaturbeständigem Kunstoff wie Polyphenylensulfid (PPS) vorgesehen sein, die ein Behältnis für das isolierende rie sel- oder fließfähige Material schafft und dabei gleichzeitig die mechanische Stabilität des Bauelements erhöht.

Das gesamte elektrokeramische Bauelement mit der integrierten Temperatursicherung und der Verkapselung kann vorteilhafter weise von einem einzigen Gehäuse umhüllt werden. Dadurch ent steht ein kompaktes Bauelement mit verringertem Platzbedarf.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Abbildungen aus Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Fig. 1A und 1B zeigen einen erfindungsgemäßen Varistor mit integrierter Temperatursicherung mit zwei kerami schen Grundkörpern in der Aufsicht und im Quer schnitt.

Fig. 2A und 2B zeigen einen erfindungsgemäßen Varistor mit nur einem keramischen Grundkörper in der Aufsicht und im Querschnitt.

In den Fig. 1A und 1B ist eine Serienschaltung von zwei Varistorgrundkörpern 1 und 30 mit jeweils etwa 60 beziehungs weise 75 V Betriebsspannung zu sehen, so daß sich eine Be triebsspannung von etwa 130 V gesamt realisieren läßt. Die beiden Varistorgrundkörper 1 und 30 sind durch das elektri sche Leiterstück 10, ein niedrigschmelzendes Lot mit einem Schmelzpunkt von etwa 80°C bis 180°C, elektrisch leitend mit einander verbunden. Das elektrisch isolierende Material 20 kann vorteilhafterweise als Quarzsand ausgeführt werden, der zwischen den beiden Varistorgrundkörpern angeordnet ist und das Lot 10 umgibt. Als elektrische Kontakte 5 und 15 können beispielsweise verzinnte Kupferdrähte dienen. Ein Kunst stoffring 50, vorteilhafterweise aus einem temperaturbeständigem Kunststoff wie Polyphenylensulfid (PPS) schafft zusammen mit den beiden keramischen Grundkörpern 1 und 30 als Deckel einen Hohleraum für das isolierende Material 20. Verschlossen werden kann der Hohlraum durch einen Stopfen 50A. Zur Verhin derung von Außenüberschlägen kann das gesamte Bauelemente mit integrierter Temperatursicherung vorteilhafterweise von einem Gehäuse 45 umgeben werden, das beispielsweise aus Epoxid kunststoff besteht.

Bei starker Überspannung schmilzt das elektrische Leiterstück 10 des Bauelements zuverlässig innerhalb weniger Sekunden. Zum Zeitpunkt der Auslösung der Temperatursicherung beträgt die Temperatur am Gehäuse des Bauelements nur etwa 120°C. Da durch ist gewährleistet, daß das Bauelement nicht zu brennen beginnt und auch keine Gegenstände in seiner Umgebung in Brand setzt. Gleichzeitig können durch die Verwendung eines etwa 1 mm dicken Lotdrahtes Stromstöße von etwa 8000 A (Im pulsform 8/20 µs) ausgehalten werden. Das heißt, daß durch die erfindungsgemäße Übertemperatursicherung keine Einbußen beim Stromableitvermögen in Kauf genommen werden müssen.

Zur Modifizierung der elektrischen Eigenschaften des erfin dungsgemäßen Varistors, ist es auch möglich, zwei unter schiedliche Varistormaterialien 1 und 30 einzusetzen, bei spielsweise auf der Basis von SiC.

Die Ausführungsform mit den zwei keramischen Grundkörpern hat darüber hinaus den Vorteil, daß eine räumliche Trennung der elektrischen Kontakte 5 und 15 von dem elektrischen Leiter stück 10 möglich ist. Das elektrische Leiterstück befindet sich im Zwischenraum 35 zwischen den beiden Varistorgrundkör pern, während die elektrischen Kontakte jeweils die dem Zwi schenraum abgewandten Seiten 1A, 30A der Varistorgrundkörper kontaktieren. Dadurch läßt sich eine gute thermische Abschir mung des elektrischen Leiterstücks von den elektrischen Kon takten gewährleisten, so daß eine hohe Lötwärmebeständigkeit gegeben ist. Dadurch ist im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Temperatursicherungen ein problemloses Anlöten beziehungswei se Anschweißen der elektrischen Kontakte möglich, ohne die Temperatursicherung auszulösen.

Fig. 2A zeigt eine Aufsicht und Fig. 2B einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Varistor mit nur einem Vari storgrundkörper 1. In diesem Falle ist das elektrische Lei terstück 10 direkt mit dem zweiten elektrischen Kontakt 15 und dem Varistorgrundkörper 1 verbunden. Ein vorteilhafter weise als Kunststoff ausgeführter Ring 50 schafft einen Hohl raum zur Aufnahme des elektrisch isolierenden Materials 20, das bei dieser Ausführung einen elektrischen Überschlag zwi schen dem Varistorgrundkörper 1 und dem zweiten elektrischen Kontakt 15 verhindern soll. Die gesamte Anordnung kann mit einer Abdeckung 50B versehen werden, die das Bauteil verschließt. Weiterhin wird der Varistorgrundkörper 1 von dem ersten elektrischen Kontakt 5 kontaktiert.

Diese alternative Ausführungsform zeigt ähnliche Eigenschaf ten im Falle einer Überhitzung und ähnliches Stromableitver mögen wie die Ausführungsform mit zwei keramischen Grundkör pern.

Die Erfindung ist nicht auf die konkret beschriebenen Ausfüh rungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen der Erfindung liegen selbstverständlich auch weitere Variationen insbesondere be züglich der Anzahl der verwendeten keramischen Grundkörper, ihrer Anordnung zueinander und die Art der verwendeten Kera mikmaterialien.

Bezugszeichenliste

1

keramischer Grundkörper

1

A dem Zwischenraum

35

abgewandte Seite des ersten kerami schen Grundkörpers

5

erster elektrischer Kontakt

10

elektrisches Leiterstück

15

zweiter elektrischer Kontakt

20

elektrisch isolierendes Material

30

zweiter keramischer Grundkörper

30

A dem Zwischenraum

35

abgewandte Seite des zweiten kerami schen Grundkörpers

35

Bereich zwischen dem ersten keramischen Grundkörper

1

und dem zweiten keramischen Grundkörper

30

45

Gehäuse

50

Verkapselung für den Hohlraum zur Aufnahme des isolie renden Materials

20

50

A Stopfen zum Verschließen des Hohlraums

50

B Abdeckung zum Verschließen des Hohlraums

Claims

1. Elektrisches Bauelement mit einer Sicherung vor Überspan nungen,
mit wenigstens einem ersten keramischen Grundkörper (1),
bei dem ein Strompfad zwischen einem ersten Kontakt (5) am keramischen Grundkörper (1) und einem zweiten Kontakt (15) definiert ist, der über den ersten keramischen Grundkörper (1) und ein, den ersten keramischen Grundkörper kontaktie rendes, elektrisches Leiterstück (10) verläuft,
bei dem, ein, das elektrische Leiterstück (10) umschlie ßendes, elektrisch isolierendes Material so angeordnet ist, daß ein elektrischer Überschlag zwischen den Berei chen des Strompfades, die durch das elektrische Leiter stück (10) überbrückt werden, verhindert wird,
bei dem das elektrische Leiterstück (10) so ausgebildet ist, daß es bei Überschreitung der vorgesehenen Betriebs spannung des Bauelements infolge der Aufwärmung des ersten Grundkörpers schmilzt.

2. Elektrisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem das elektrische Leiterstück (10) mit dem zweiten elektrischen Kontakt (15) verbunden ist,
bei dem das elektrisch isolierende Material (20) zwischen dem ersten keramischen Grundkörper (1) und dem zweiten elektrischen Kontakt (15) angeordnet ist.

3. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1,
bei dem das elektrische Leiterstück (10) den ersten Grund körper (1) mit einem zweiten Grundkörper (30) elektrisch leitend verbindet,
bei dem direkt am ersten Grundkörper (1) der erste Kontakt (5) und am zweiten Grundkörper (30) der zweite Kontakt (15) angeordnet ist,
bei dem das elektrisch isolierende Material (20) zwischen dem ersten und zweiten Grundkörper angeordnet ist.

4. Elektrisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem das elektrische Leiterstück (10) thermisch von den elektrischen Kontakten (5, 15) isoliert ist.

5. Elektrisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
bei dem die beiden Grundkörper (1, 30) übereinander gesta pelt sind,
bei dem das elektrische Leiterstück (10) in dem Zwischen raum (35) zwischen den beiden Grundkörpern (1, 30) angeord net ist,
bei dem die elektrischen Kontakte (5, 15) jeweils die dem Zwischenraum (35) abgewandten Seiten (1A,30A) der Grund körper (1, 30) kontaktieren.

6. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei dem eine Verkapselung (50) vorgesehen ist, die einen Hohlraum zur Aufnahme des isolierenden Materials (20) schafft und abschließt.

7. Elektrisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Verkapselung (50) temperaturbeständig ist.

8. Elektrisches Elektrisches Bauelement nach einem der vor hergehenden Ansprüche, bei dem ein Gehäuse (45) angebracht ist, das die Grundkör per (1 oder 1, 30), das elektrische Leiterstück (10), das elektrisch isolierende Material (20) mit der Verkapselung (50) und zumindest teilweise die elektrischen Kontakte (5, 15) umschließt.

9. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei dem die Grundkörper (1 oder 1, 30) eine Varistorkeramik umfassen.

10. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei dem die Grundkörper (1 oder 1, 30) eine Varistorkeramik auf der Basis von ZnO umfassen.

11. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei dem das elektrisch isolierende Material (20) riesel- oder fließfähig ist.

12. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei dem das elektrisch isolierende Material (20) Quarzsand oder Glaskugeln ist.

13. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das elektrische Leiterstück (10) ein Lot ist.

14. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei dem das elektrische Leiterstück (10) ein Lot mit einem Schmelzpunkt zwischen etwa 80°C und 180°C ist.