DE10146947C5

DE10146947C5 - Elektrisches Bauelement

Info

Publication number: DE10146947C5
Application number: DE10146947A
Authority: DE
Inventors: Axel Dr. Pecina; Manfred Holzer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2001-09-24
Filing date: 2001-09-24
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2021-09-25
Also published as: DE10146947A1; EP1430583A1; WO2003028185A1; DE10146947B4

Abstract

Patentanspruch 1:
(a) Elektrisches Niederspannungs-Bauelement mit einer reversiblen Sicherung für Überspannungen,
(b) bei dem ein Grundkörper vorgesehen ist, der ein Keramikmaterial umfasst,
(c) bei dem wenigstens zwei Kontaktschichten auf der Oberfläche des Grundkörpers vorgesehen sind, zwischen denen ein erster Strompfad durch den Grundkörper definiert ist,
(d) bei dem auf zumindest Teilen der Oberfläche des Grundkörpers ein zweites Material aufgebracht ist, dessen spezifischer elektrischer Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt,
(e) bei dem über das zweite Material ein zweiter Strompfad zwischen den zwei Kontaktschichten definiert ist, der bei Überschreitung der vorgesehenen Betriebsspannung des Bauelements infolge der Aufwärmung des Grundkörpers und des zweiten Materials niederohmiger wird als der erste Strompfad, wobei das zweite Material eine Kurzschlußüberbrückung des Grundkörpers zwischen den beiden Kontaktschichten herstellt, die zum Auslösen einer Sicherung geeignet ist,
(f) wobei das zweite Material im vorgesehenen Betriebstemperaturbereich des elektrischen Bauelements einen hohen ohmischen Widerstand aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einem Grundkörper, der ein Keramikmaterial umfaßt und wenigstens zwei Kontaktschichten auf der Oberfläche aufweist.
Es sind Bauelemente der eingangs genannten Art bekannt, die als Varistoren verwendet werden. Der Grundkörper dieser Bauelemente weist häufig eine Mischung verschiedener Metalloxide, zum Beispiel auf der Basis von Zinkoxid, auf. Die nichtlineare spannungsabhängige Widerstandsänderung von Varistoren wird zum Schutz eines elektrischen Schaltkreises vor Überspannung benutzt. Der Widerstandswert von Varistoren sinkt dabei mit steigender anliegender Spannung.
Beim Auftreten einer Überspannung (Betriebsspannung übersteigt einen zulässigen Grenzwert für den Varistor) jedoch steigt der Durchlaßstrom des Varistors steil an. Die dadurch ebenfalls stark zunehmende Verlustleistung heizt den Varistor auf. Bei länger andauernden Überspannungen kann es dabei zur Erhitzung und zur Brandauslösung kommen. So kam es aufgrund von Nulleiterbrüchen in amerikanischen Stromnetzen, die zu einer Verdoppelung der Netzspannung führten, zur Überhitzung von Varistoren.
Stand der Technik
Aus der Druckschrift DE 331 85 88 ist ein Varistorsicherungselement zum Schutz elektrischer Schaltkreise vor Überspannungen und Übertemperaturen bekannt. Es besteht aus einer mechanischen Konstruktion, bei der auf dem Varistor ein niedrigschmelzendes Lot aufgebracht ist, das eine federnde Stromzuleitung fixiert. Beim Auftreten von Überspannungen und damit verbundener Überhitzung des Varistors schmilzt das Lot, wobei die Federkonstruktion daraufhin eine irreversible niederohmige Kurzschlußüberbrückung mit einer zweiten Stromzuleitung herstellt. Die Nachteile dieser mechanischen Konstruktion bestehen darin, daß sie sehr aufwendig zu realisieren ist und die Kurzschlußüberbrückung irreversibel ist, so daß das Bauelement nach Auslösung der Sicherung ausgetauscht werden muß.
Die Druckschrift JP 09180908 A beschreibt eine Mischkeramik aus einem Heiß- und Kaltleiter in Form einer Reihenschaltung.
Im US-Patent US 4,068,281 wird ein Varistor offenbart, der thermisch mit einem temperatursensitiven Widerstand gekoppelt ist.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu grunde, eine einfach aufgebaute thermische Sicherung für elektrokeramische Bauelemente zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
Die Erfindung beschreibt einen keramischen Grundkörper auf dem wenigstens zwei elektrisch leitende Kontaktschichten angebracht sind. Der keramische Grundkörper ist erfindungsgemäß mit einem zweiten Material elektrisch leitend verbunden, wobei dieses Material in der Regel auf der Oberfläche des keramischen Grundkörpers aufgebracht ist, um dessen elektrische Kennlinie möglichst nicht zu beeinflussen. Das zweite Material weist in vorgesehenem Betriebstemperaturbereich des elektrischen Bauelements einen hohen ohmschen Widerstand auf, wobei sich dessen spezifischer elektrischer Widerstand mit steigender Temperatur verringert. Im normalen Betriebsfall, bei dem die Betriebsspannung einen vorgegebenen zulässigen Grenzwert nicht überschreitet, erfolgt ein Stromfluß zwischen den beiden Kontaktschichten über den keramischen Grundkörper. Das zweite Material ist in der Regel im Normalbetrieb hochohmig und leitet daher den Strom nicht. Bei Überschreitung der Betriebsspannung heizt sich der keramische Grundkörper infolge der zunehmenden Verlustleistung stark auf, so daß auch das auf der Oberfläche des Keramikkörpers befindliche zweite Material aufgewärmt wird und infolgedessen niederohmig wird. Als Folge davon wird bei Überschreitung des Betriebstemperaturbereichs ein zweiter Stromleitungspfad aufgebaut, der beispielsweise durch Randüberschlag eine Kurzschlußüberbrückung auslöst. Möglich ist es auch, das zweite Material elektrisch leitend mit einer externen Sicherung zu verbinden, die im Falle eines Stromflusses ausgelöst wird. Damit wird eine Beschädigung des Bauelements vermieden und die Brandgefahr durch Überhitzung ausgeschlossen.
Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik bestehen darin, daß die thermische Sicherung bereits in dem elektrischen Bauelement auf einfache Art und Weise implementiert werden kann, ohne daß aufwendige mechanische Federkonstruktionen nötig sind. Weiterhin ist die Kurzschlußüberbrückung in der Regel reversibel. Im Falle eines Kurzschlusses kann das elektrokeramische Bauelement nach Abkühlung in der Regel wieder verwendet werden, während bei den mechanischen Sicherungen ein Austausch des Bauelements nötig ist.
Der Grundkörper kann beispielsweise eine Varistorkeramik auf der Basis von Zinkoxid enthalten. Das zweite Material ist vorteilhafterweise ein Heißleiter, der aus Keramiken des Spinelltyps mit der allge meinen Formel AB₂O₄ besteht, wobei A zweiwertige Metalle und B drei- oder vierwertige Metalle darstellt, beispielsweise ZnMn₂O₄. Die A- und B-Plätze können dabei vorteilhafterweise mit den Elementen Magnesium, Mangan, Selen, Kobalt, Nickel, Zink, Aluminium oder Eisen besetzt sein. Dies hat den Vorteil, daß der Grundkörper und das zweite Material zusammen sinterbar sind, was die Herstellung des elektrischen Bauelements stark vereinfacht.
Möglich ist beispielsweise auch die Verwendung einer Perovskitkeramik der folgenden allgemeinen Formel als Heißleiter für das zweite Material: M^II _xM^III _1-xTi^IV _x+yCo^II _yCo^III _1-x-2yO₃, bei der das zweiwertige Metall M^II entweder Strontium oder Barium und das dreiwertige Metall M^III ein Element der Seltenen Erden ist, bei der gilt:
0 ≤ x < 0,85; 0 < y < (1 – x)/2 und x + y ≤ 1.
Der Vorteil dieser Verbindung besteht darin, daß sie gegenüber sauren Galvanikbädern stabil ist, die zum Aufbringen der elektrisch leitenden Kontaktschichten eingesetzt werden können, so daß keine weiteren Vorsichtsmaßnahmen beim Galvanisieren nötig sind.
Das zweite Material und die Kontaktschichten können auch elektrisch leitend verbunden sein, so daß im Falle einer Überspannung und daraus resultierender Überhitzung des Bauelements ein direkter Stromfluß zwischen den beiden Kontaktschichten möglich werden kann.
Ausführungsbeispiel
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Abbildungen, einem Diagramm und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
1 zeigt einen Scheibenvaristor mit den Kontaktflächen und dem zweiten aufgebrachten Material.
2 zeigt einen Vielschichtvaristor mit Elektrodenstreifen.
3 zeigt einen Varistor in Vielschichtausführung mit kammartig ineinander greifenden Elektrodenstreifen.
4 zeigt in einem Diagramm einen Vergleich elektrischer Kennlinien erfindungsgemäßer und herkömmlicher Varistoren.
5 zeigt eine Schaltung, bei der ein erfindungsgemäßer Varistor parallel zu einer zu schützenden Last geschaltet ist.
In 1 ist als erfindungsgemäßes Bauelement eine Varistorscheibe 1 zu sehen, die an beiden Stirnseiten mit einem Heißleiter 15 versehen ist. Die Mantelflächen sind jeweils mit den Kontaktschichten 5 und 10 versehen, wobei die Kontaktschichten und der Heißleiter elektrisch leitend miteinander verbunden sein können. Ebenso ist es möglich, daß die Kontaktschichten nur den Varistor kontaktieren und nicht den Heißleiter, so daß zwischen beiden ein sogenannter Freirand entsteht.
In 2 ist ein Varistor in Vielschichtausführung zu sehen. Dabei kontaktieren Elektrodenstreifen 20 im Varistorgrundkörper 1 die eventuell auch mehrschichtigen Kontaktschichten 5 und 10. Dabei werden Elektrodenbündel 30 und 35 gebildet, die jeweils eine Kontaktfläche 5 oder 10 kontaktieren. Die Kontaktflächen erlauben die Oberflächenmontage (SMD-Fähigkeit) des Bauelements. Das zweite Material ist als Heißleiter 15 auf den Varistorgrundkörper aufgebracht. Diese Vielschichtausführung verringert den Innenwiderstand des Varistors gegenüber einer Einschichtausführung wie in 1 dargestellt.
In 3 ist eine alternative Ausführungsmöglichkeit des in 2 dargestellten Bauelements zu sehen. In diesem Falle greifen die Elektroden der verschiedenen Elektrodenbündel kammartig ineinander.
In 4 zeigt die I/U-Varistorkennlinien eines herkömmlichen Varistors 40 bei 25°C und 40A bei 150°C und eines erfindungsgemäßen Varistors 45 (25°C) und 45A (150°C) in doppelt logarithmischer Darstellung. Der herkömmliche Varistor besteht aus einer Varistorscheibe, die eine Varistorkeramik auf der Basis von Zinkoxid enthält und zwei Kontaktschichten auf der Oberfläche aufweist. Auf dem erfindungsgemäßen Varistor ist zusätzlich wie in 1 gezeigt eine zweite Schicht als Heißleiter (ZnMn₂O₄) aufgebracht, die elektrisch leitend mit den Kontaktschichten in Verbindung steht. Zu sehen ist, daß sich bei 25°C die Varistorkennlinien des herkömmlichen Varistors 40 und des erfindungsgemäßen Varistors 45 kaum unterscheiden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei normaler Betriebstemperatur, die bei den erfindungsgemäßen Varistoren in der Regel zwischen Raumtemperatur und 80°C beträgt, das zweite heißleitende Material die Kennlinie des Grundkörpers kaum beeinflußt. Bei einer Überschreitung des zulässigen Betriebstemperaturbereichs, etwa bei 150 bis 200°C weichen die Varistorkennlinien des herkömmlichen Varistors 40A und des erfindungsgemäßen Varistors 45A stark voneinander ab. Dies ist darauf zurückzuführen, daß aufgrund des jetzt niederohmigen Stromleitungspfades über das zweite Material im erfindungsgemäßen Varistor deutlich mehr Strom als im herkömmlichen Varistor fließt. Dies hat zur Folge, daß es im erfindungsgemäßen Varistor bei einer gegebenen Stromstärke infolge des Kurzschlusses zu einem Spannungsabfall im Vergleich zum herkömmlichen Varistor kommt. Besonders deutlich ist dies bei 1 μA Stromstärke zu erkennen. In diesem Fall wurde an dem erfindungsgemäßen Varistor eine Spannung von 2,4 V im Vergleich zu 21,6 V bei einem herkömmlichen Varistor gemessen.
In 5 ist eine beispielhafte Schaltung zu sehen, bei der ein erfindungsgemäßer Varistor parallel zu einer zu schützenden Last (Verbraucher) 50 geschaltet ist. Der keramische Grundkörper 1 des Varistors auf der Basis von ZnO ist dabei über die erste und zweite Kontaktschicht 5, 10 mit den elektrischen Leitungen des Schaltkreises verbunden. Auf den Mantelflächen des keramischen Grundkörper befindet sich das zweite Material 15 in Form eines Heißleiters auf der Basis von ZnMn₂O₄, das direkt elektrisch leitend mit den beiden Kontaktschichten verbunden ist. In Serie zu der parallen Anordnung aus Last und Varistor ist eine Sicherung 55 geschaltet. Die gesamte Schaltung wird von einer Spannungsquelle 60 (Gleich- oder Wechselspannung) mit Strom versorgt. Kurze Spannungsspitzen werden dadurch abgefangen, daß in herkömmlicher Weise der Varistor aufgrund seiner erhöhten Leitfähigkeit einen Teil des Stromes abführt. Bei länger andauernden Überspannungen kommt es zu einer Überhitzung des keramischen Grundkörpers des Varistors. In diesem Fall wird der Heißleiter niederohmig und stellt eine Kurzschlußüberbrückung zwischen den beiden Kontaktflächen 5, 10 des keramischen Grundkörpers her. Aufgrund der Kurzschlußüberbrückung kann die Sicherung 55 ausgelöst werden, die daraufhin die Last 50 und den Varistor von der Spannungsquelle 60 abtrennt.
Die Erfindung ist nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen der Erfindung liegen selbstverständlich auch weitere Variationen insbesondere bzgl. der Bauform des elektrischen Bauelements und der Anordnung des zweiten Materials.

1: keramischer Grundkörper
5: erste Kontaktschicht
10: zweite Kontaktschicht
15: zweites Material
20: Elektrodenstreifen
25: Bereich des Grundkörpers zwischen den Elektrodenschichten
30: erstes Elektrodenbündel
35: zweites Elektrodenbündel
40: I/U-Kennlinie eines herkömmlichen Varistors bei 25°C
40A: I/U-Kennlinie eines herkömmlichen Varistors bei 150°C
45: I/U-Kennlinie eines erfindungsgemäßen Varistors bei 25°C
45A: I/U-Kennlinie eines erfindungsgemäßen Varistors bei 150°C
50: Last
55: Sicherung
60: Spannungsquelle

Claims

Patentanspruch 1: (a) Elektrisches Niederspannungs-Bauelement mit einer reversiblen Sicherung für Überspannungen, (b) bei dem ein Grundkörper vorgesehen ist, der ein Keramikmaterial umfasst, (c) bei dem wenigstens zwei Kontaktschichten auf der Oberfläche des Grundkörpers vorgesehen sind, zwischen denen ein erster Strompfad durch den Grundkörper definiert ist, (d) bei dem auf zumindest Teilen der Oberfläche des Grundkörpers ein zweites Material aufgebracht ist, dessen spezifischer elektrischer Widerstand mit steigender Temperatur abnimmt, (e) bei dem über das zweite Material ein zweiter Strompfad zwischen den zwei Kontaktschichten definiert ist, der bei Überschreitung der vorgesehenen Betriebsspannung des Bauelements infolge der Aufwärmung des Grundkörpers und des zweiten Materials niederohmiger wird als der erste Strompfad, wobei das zweite Material eine Kurzschlußüberbrückung des Grundkörpers zwischen den beiden Kontaktschichten herstellt, die zum Auslösen einer Sicherung geeignet ist, (f) wobei das zweite Material im vorgesehenen Betriebstemperaturbereich des elektrischen Bauelements einen hohen ohmischen Widerstand aufweist.
Elektrisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem der Grundkörper (1) eine Varistorkeramik umfaßt.
Elektrisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem die Varistorkeramik auf ZnO basiert.
Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem das zweite Material (15) einen Heißleiter aus einer Spinell-Keramik der Zusammensetzung AB₂O₄ umfaßt, bei dem A ein zweiwertiges und B ein drei- oder vierwertiges Metall ist, oder eine Perowskitverbindung der folgenden allgemeinen chemischen Formel umfaßt: M^II _xM^III _1-xTi^IV _x+yCo^II _yCo^III _1-x-2yO₃ bei der M^II ein zweiwertiges Metall ist und Strontium oder Barium umfaßt, und bei der M^III ein dreiwertiges Metall der seltenen Erden ist, wobei gilt: 0 < x < 0,85; 0 < y < (1 – x)/2 und x + y ≤ 1.
Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, – bei dem das zweite Material (15) eine Spinell-Keramik der Formel ZnMn₂O₄ umfaßt.
Elektrisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, – bei dem die Zusammensetzung der Spinell-Keramik so gewählt ist, daß das zweite Material (15) mit dem Keramikmaterial des Grundkörpers (1) gemeinsam sinterbar ist.
Elektrisches Bauelement nach einen der vorhergehenden Ansprüche, – bei dem im Grundkörper (1) elektrisch leitende Elektrodenschichten (20) angeordnet sind, die durch Bereiche (25) des Keramikmaterials voneinander abgetrennt sind, – bei dem jeweils mehrere Elektrodenschichten mit einer Kontaktschicht (5 oder 10) elektrisch leitend verbunden sind und ein Elektrodenbündel bilden.
Elektrische Schaltung mit einem elektrischen Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – bei der der Grundkörper (1) über die beiden Kontaktschichten (5, 10) in die elektrische Schaltung parallel zu einer Last (50) integriert ist, – bei der eine Sicherung (55) seriell zu der Anordnung aus elektrischem Bauelement und Last geschaltet ist, – bei der das zweite Material (15) so ausgeführt ist, daß es bei einer Überhitzung des elektrischen Bauelements eine Kurzschlußüberbrückung zwischen den beiden Kontaktschichten (5, 10) herstellt, so daß die Sicherung (55) ausgelöst wird.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5 bis 6 mit den Verfahrenschritten, – das Keramikmaterial des Grundkörpers (1) wird im grünen oder gesinterten Zustand mit dem zweiten Material (4) versehen, – der Grundkörper und das zweite Material werden anschließend gemeinsam gesintert, – die Kontaktschichten (5, 10) werden anschließend auf den Grundkörper aufgebracht.
Verfahren nach Anspruch 9, – bei dem die Kontaktschichten durch ein galvanisches Verfahren aufgebracht werden.