DE19727009A1 - Strombegrenzender Widerstand mit PTC-Verhalten - Google Patents
Strombegrenzender Widerstand mit PTC-VerhaltenInfo
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Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Widerstand nach dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein derartiger Widerstand kann mit Vorteil zum
Begrenzen eines in einem Lastkreis fließende Kurzschluß- oder Überstroms
eingesetzt werden. Ein in Reihe mit dem Widerstand im Lastkreis angeordneter
Schalter unterbricht dann den begrenzten Strom. Dieser Schalter kann daher auf
eine gegenüber der Kurzschlußleistung geringe Abschaltleistung ausgelegt sein.
Ein strombegrenzender Widerstand der zuvor genannten Art ist beispielsweise in
US 5,313,184 A beschrieben. Ein solcher Widerstand enthält zwei
Anschlußelektroden zwischen denen zueinander parallel geschaltet ein
PTC-Verhalten aufweisender Widerstandskörper sowie ein Varistor angeordnet sind. Der
Widerstandskörper und der Varistor kontaktieren einander über die gesamte
Isolationsstrecke zwischen den beiden Anschlußelektroden. Hierdurch werden
lokale Überspannungen im Widerstandskörper und damit unzulässig hohe lokale
thermische Belastungen des Widerstandskörpers vermieden.
Zur Erhöhung der dielektrischen Festigkeit dieses Widerstandes können mehrere
Widerstände in Reihe geschaltet werden. Eine solche Anordnung ist relativ
aufwendig, da sowohl zwischen den einzelnen Widerstandskörpern als auch
zwischen den einzelnen Varistoren metallene Elektroden angeordnet sind. Im
normalen Betriebszustand des Widerstands wird der Strom durch eine
Reihenschaltung von mehreren PTC-Verhalten aufweisenden Widerstandskörpern,
zwischen denen jeweils eine metallene Elektrode angeordnet ist, geführt. Der
Übergangswiderstand zwischen einer metallenen Elektrode und dem Material des
Widerstandskörpers ist im allgemeinen relativ hoch und trägt bei einem für
Strombegrenzungsaufgaben typischen Widerstand mit einem Gesamtwiderstand
von ca. 50 mΩ ebensoviel wie das Material des Widerstandskörpers zum
Gesamtwiderstand bei. Darüber hinaus weisen metallene Elektroden und die
üblicherweise als Material für den Widerstandskörper eingesetzten, füllstoffgefüllten
Polymere unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten und unterschiedliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dadurch können mechanische Spannungen
im Inneren des Widerstandes entstehen, welche gegebenenfalls dessen
mechanische und elektrische Eigenschaften beeinträchtigen.
Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe
zugrunde, einen strombegrenzenden Widerstand mit PTC-Verhalten zu schaffen,
welcher in einfacher und kostengünstiger Weise herstellbar ist und sowohl eine
hohe Nennstromtragfähigkeit und einen weiten Spannungsbereich als auch eine
große Betriebssicherheit aufweist.
Der erfindungsgemäße Widerstand enthält in zylindersymmetrischer Anordnung
einen strukturiert ausgebildeten Varistor oder einen strukturiert ausgebildeten
Varistorstapel jeweils mit in Achsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgenden
kleinen und großen Querschnittsflächen sowie einen PTC-Verhalten aufweisenden
Widerstandskörper. Das Material des Widerstandskörpers umgibt den Varistor bzw.
den Varistorstapel unter Bildung eines nennstromführenden Stromleiters
mantelseitig und füllt von den kleinen Querschnittsflächen begrenzte
Zwischen räume unter Bildung eines elektrischen Kontaktes zwischen benachbarten
Varistorabschnitten mit großem Querschnitt bzw. benachbarten Varistoren auf.
Dieser Widerstand kann mit hohen Spannungen, beispielsweise 5 oder 10 kV,
betrieben werden und weist in vorteilhafter Weise einen einzigen
Widerstandskörper und einen einzigen Varistor bzw. Varistorstapel auf. Dadurch
werden der elektrischen Kontaktierung von Teilelementen dienende, metallene
Elektroden eingespart. Kontaktübergänge zwischen Teilwiderstandskörpern, welche
die Leitfähigkeit des Widerstands vor dem Ausführen des PTC-Übergangs
wesentlich herabsetzen würden, entfallen. Der erfindungsgemäße
strombegrenzende Widerstand kann so bei vergleichbaren Abmessungen mit
höheren Nennströmen belastet werden als ein strombegrenzender Widerstand nach
dem Stand der Technik.
Darüber hinaus können sowohl der PTC-Verhalten aufweisende Widerstandskörper
als auch der Varistor bzw. der Varistorstapel aus einem Polymer gefertigt sein. Der
erfindungsgemäße Widerstand kann dann mit Vorteil in einem kostengünstigen
und für eine Serienfertigung besonders geeigneten Verfahren, vorzugsweise einem
Spritzgußverfahren, hergestellt werden. Hierbei ist es von besonderem Vorteil,
daß unterschiedlich große Querschnitte im Nennstrompfad des Widerstands leicht
hergestellt und so äußerst einfach Widerstände mit unterschiedlich großen
Nennstromtragfähigkeiten erreicht werden können. Zudem ist der Varistor bzw. der
Varistorstapel stets in definierter Weise zwischen Erd- und Hochspannungspotental
angeordnet.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren
Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei
zeigt:
Fig. 1 in axialer Richtung geschnitten eine erste Ausführungsform eines
strombegrenzenden Widerstands nach der Erfindung mit einem
säulenförmig ausgebildeten, zylindersymmetrischen Varistor,
Fig. 2 in axialer Richtung geschnitten eine zweite Ausführungsform eines
strombegrenzenden Widerstands nach der Erfindung mit einem
mehrere scheibenförmige, durch Abstandselemente voneinander
getrennte Varistoren enthaltenden, zylindersymmetrisch
ausgebildeten Varistorstapel,
Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines gestrichelt umrandeten Teil des
Widerstands gemäß Fig. 1,
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung des gegenüber Fig. 3 abgeänderten und
in einer dritten Ausführungsform des strombegrenzenden Widerstands
nach der Erfindung vorgesehen Teils, und
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung des gegenüber den Fig. 3 und 4
abgeänderten und in einer vierten Ausführungsform des
strombegrenzenden Widerstands nach der Erfindung vorgesehen
Teils.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleichwirkende Teile. Die in den
Fig. 1 bzw. 2 dargestellten, strombegrenzenden Widerstände enthalten jeweils
einen zwischen zwei parallel zueinander ausgerichteten, metallenen
Anschlußelektroden 1, 2 angeordneten und flächenhaft kontaktierten
Widerstandskörper 3 sowie einen Varistor 4 bzw. mehrere in einem Stapel
angeordnete und in Reihe geschaltete Varistoren 40. Die Anschlußelektrode 1
befindet sich auf einem Hochspannungspotential von beispielsweise 10 kV,
wohingegen die Anschlußelektrode 2 sich auf Erdpotential befindet.
Die Varistoren 4, 40 sind vorzugsweise aus einer dotierten Keramik auf der Basis
eines Metalloxids, wie etwa ZnO, oder eines Titanates, wie etwa SrTiO3 oder
BaTiO3, oder eines Carbid es, wie etwa SiC, gebildet. Der in der Ausführungsform
gemäß Fig. 1 vorgesehene Varistor 4 ist säulenförmig und zylindersymmetrisch
ausgebildet und weist neun überwiegend senkrecht zur Varistorachse geführte,
beliebig geformte, vorzugsweise kreisscheibenförmige, Abschnitte 4a auf und
zwischen zwei benachbarten dieser Abschnitte jeweils einen weiteren beliebig
geformten, vorzugsweise kreisscheibenförmigen, Abschnitt 4b mit einem gegenüber
jedem der Abschnitte 4a reduzierten Querschnitt. Die in der Ausführungsform
gemäß Fig. 2 vorgesehenen neun Varistoren 40 sind jeweils beliebig, vorzugsweise
kreisscheibenförmig, geformt und sind Teil eines zylindersymmetrischen Stapels, in
dem die einzelnen Varistoren 40 durch ein Abstandselement 5 aus einem
vorzugsweise metallisch leitenden Material mit einem gegenüber jedem der
mindestens zwei Varistoren 40 reduzierten Querschnitt in axialer Richtung
voneinander beabstandet sind. Die Varistoren 40 können mit Vorteil auch eine
zentral geführte Öffnung aufweisen, durch welche eine Stange geführt ist, welche
den Varistorstapel und die gegebenenfalls auch aus Isoliermaterial bestehenden
Abstandselemente 5 zusammenhält.
Der Varistor 4 bzw. der Stapel von Varistoren 40 weist eine Durchbruchspannung
auf, die oberhalb der Nennspannung des elektrischen Systems liegt, in der der
Widerstand eingesetzt wird.
Der Widerstandskörper 3 besteht aus einem PTC-Verhalten aufweisenden Material
und kann von einem mit einem elektrisch leitenden Füllstoff, wie beispielsweise
Leitfähigkeitsruß, TiC, TiB2, WC oder VC, gefüllten, insbesondere thermo- oder
duroplastischen, Polymer gebildet sein. Das PTC-Verhalten aufweisende Material
füllt von jeweils zwei der Abschnitte 4a und dem dazwischenliegenden Abschnitt 4b,
bzw. von jeweils zwei der Varistoren 40 und einem der Abstandselemente 5
gebildete, ringförmige Zwischenräume 6 aus. Es verbindet daher benachbarte
Varistorabschnitte 4a bzw. benachbarte Varistoren 40 seriell. Ferner umhüllt dieses
Material den gesamten Varistor 4 bzw. den gesamten Varistorstapel, insbesondere
die nach außen weisenden Ränder 4c der Varistorabschnitte 4a bzw. die nach
außen weisenden Ränder 40c der Varistoren 40 als Mantel 7. Lediglich dieser
mantelförmig ausgebildete Teil des PTC-Verhalten aufweisenden Materials führt
oberhalb einer Grenztemperatur einen PTC-Übergang aus, bei dem eine oder
mehrere in Serie geschaltete heiße Zonen auftreten.
Im allgemeinen weist eine solche heiße Zone eine Länge von ca. 2 mm auf und
fällt an einer heißen Zone typischerweise eine Spannung von 200 V ab. Um im
Bereich des Randes jedes Varistorabschnitts 4a bzw. jedes Varistors 40 die
Ausbildung der heißen Zone nicht zu beeinträchtigen, sollte der Abstand der
Varistorabschnitte 4a bzw. der Varistoren 40 jeweils mindestens 2 mm,
vorzugsweise 3-6 mm, betragen. Weist das Varistormaterial eine
Durchschlagsfestigkeit von ca 120 V/mm auf so wird der Varistorabschnitte 4a bzw.
so werden die Varistoren 40 jeweils eine Dicke zwischen ca. 1 und 1,5 mm
aufweisen. Der Abstand zwischen benachbarten Varistorabschnitten 4a bzw.
Varistoren 40 wird dann zweckmäßigerweise ca. 1 bis 4 mm betragen.
Der Varistor 4 kann mit Vorteil aus einem zylinderförmig ausgebildeten
Varistorblock durch materialabhebende Bearbeitung geformt oder aber durch
Spritzgießen hergestellt werden. Beim Spitzgießen können bereits die
Anschlußelektroden 1, 2 eingeformt werden.
Der solchermaßen hergestellte Varistor 4 oder der Varistorstapel werden sodann
mit dem geschmolzenen, PTC-Verhalten aufweisenden Material umhüllt, wobei
dieses Material die Zwischenräume 6 weitgehend porenfrei auffüllt und den Mantel
7 bildet. Der Mantel 7 und die Anschlußelektroden 1, 2 sind in einen Isolierkörper
8, beispielsweise aus einem Silikon, eingebettet, durch den zwei nicht bezeichnete
Stromanschlüsse für die Anschlußelektroden geführt sind.
Um bei solchen Widerständen die Bildung von heißen Zonen an den dielektrisch
hoch belasteten Außenkanten der Varistorabschnitte 4a bzw. der Varistoren 40 zu
vermeiden, weisen wie aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich ist, die Ränder 4c eine
Beschichtung 8 aus Isoliermaterial auf, beispielsweise auf der Basis eines
Polymers, wie insbesondere eines Elastomers, etwa Silkon, oder eines
Thermoplasts, wie etwa Polyäthylen. Hierbei ist es von Vorteil, wenn das
Isoliermaterial entsprechend Fig. 3 die Ränder 4c und deren beiden Kanten
wulstförmig umgibt.
Von zusätzlichem Vorteil ist es, wenn - wie aus Fig. 4 ersichtlich - das Material des
Widerstandskörpers im Bereich mindestens eines der Ränder 4c und der
gegebenenfalls vorgesehenen Beschichtung 8 unter Bildung eines Wulstes 9
bogenförmig nach außen geführt ist. Durch den auf der Mantelfläche des
Widerstandskörpers 3 gelegenen Radius des Wulstes 9, welcher größer ist als der
Radius des Randes 4c bzw. der Beschichtung 8, ist im stromführenden Mantel 7
eine Ansprechzone 10 definiert, in der beim PTC-Übergang erhitztes Material sich
nach außen ausdehnen und sich eine gut lokalisierte, nach außen weisende
heiße Zone 11 bilden kann. Hierdurch werden unerwünscht hohe Stromdichten an
anderen Stellen des Mantels 7 vermieden und wird der PTC-Übergang nicht
mechanisch unterdrückt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist das Material des Widerstandskörpers in
Bereich mindestens eines der Ränder unter Bildung einer ringförmigen
Einschnürung 12 nach außen geführt. Hierdurch wird entsprechend der
Ausführungsform gemäß Fig. 4 die Bildung der heißen Zone 11 in einem genau
lokalisierten Bereich definiert.
1, 2
Anschlußelektroden
3
Widerstandskörper
4
Varistor
4
a,
4
b Abschnitte
4
c Ränder
5
Abstandselement
6
Zwischenräume
7
Mantel
8
Isolierkörper
9
Wulst
10
Ansprechzone
11
heiße Zone
12
Einschnürung
40
Varistoren
40
c Ränder
Claims (5)
1. Strombegrenzender Widerstand mit zwei parallel zueinander angeordneten
Anschlußelektroden (1, 2), einem von den Anschlußelektroden (1, 2)
flächenhaft kontaktierten und PTC-Verhalten aufweisenden
Widerstandskörper (3) und mindestens einem mit dem Widerstandskörper (3)
in elektrisch leitendem Kontakt befindlichen zylindersymmetrischen Varistor
(4, 40), dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (4) säulenförmig
ausgebildet ist und mindestens zwei überwiegend senkrecht zur
Varistorachse geführte erste Abschnitte (4a) aufweist und einen dazwischen
angeordneten zweiten Abschnitt (4b) mit einem gegenüber jedem der ersten
Abschnitte (4a) reduzierten Querschnitt oder Teil eines
zylindersymmetrischen Stapels von mindestens zwei Varistoren (40) ist,
welche durch ein Abstandselement (5) mit einem gegenüber jedem der
mindestens zwei Varistoren (40) reduzierten Querschnitt in axialer Richtung
voneinander beabstandet sind, und daß Material des Widerstandskörpers
(3) einen von den mindestens zwei ersten Abschnitten (4a) und dem zweiten
Abschnitt (4b) oder den mindestens zwei Varistoren (40) und dem
Abstandselement (5) gebildeten Zwischenraum (6) ausfüllt und die nach
außen weisenden Ränder (4c, 40c) der mindestens zwei Abschnitte (4a)
oder der mindestens zwei Varistoren (40) umschließt.
2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder (4c)
mit Isoliermaterial (Isolierkörper 8) beschichtet sind.
3. Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das
Isoliermaterial die Ränder (4c) wulstförmig umgibt.
4. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Material des Widerstandskörpers (3) im Bereich mindestens eines
der Ränder (4c) unter Bildung eines Wulstes (9) bogenförmig nach außen
geführt ist.
5. Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Material des Widerstandskörpers (3) im Bereich mindestens eines
der Ränder (4c) unter Bildung einer ringförmigen Einschnürung (12) nach
außen geführt ist.
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