DE2247643A1

DE2247643A1 - Varistor mit integralem temperaturfuehler

Info

Publication number: DE2247643A1
Application number: DE19722247643
Authority: DE
Inventors: Francois Didier Martzloff
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-09-30
Filing date: 1972-09-28
Publication date: 1973-04-05
Also published as: GB1361554A; JPS4842356A; NL7211519A; FR2154671A1; DE2247643C2; JPS553802B2; US3742419A; IT967448B; FR2154671B1; NL172898B; SE382278B; NL172898C

Description

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt

6 Frankfurt/Main 1
Niddastr. 52

27. September 197 2 WK/cs.

2164-RD-4854

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.

Varistor mit integralem Temperaturfühler

Die Erfindung betrifft nicht-lineare Widerstandseinrichtungen der

als Varistoren bezeichneten Klasse, insbesondere Metalloxidvaris- j toren. Die Erfindung beinhaltet Einrichtungen zur Erfassung der ; Betriebstemperatur eines Varistors, welche mit dem Varistor selbst ] einen integralen Teil bilden und insbesondere die Verbindung einer Hilfselektrode oder mehrerer Hilfselektroden. zur Herstellung eines Leitungsweges zur Überwachung (monitoring), der in nächster Nachbarschaft zum Hauptleitungsweg des Varistors liegt oder diesen schneidet zwecks Erfassung der Varistortemperatür.

Einrichtungen mit nicht-linearen Widerstandseigenschaften sind allgemein als Varistoren bekannt und bezeichnet und besitzen viele Anwendungen in Schaltungsanordnungen zum Schutz vor Spannungs-Istoßen* Obwohl diese Varistoreinrichtungen viele vorteilhafte »Eigenschaften besitzen, sind sie wie die meisten anderen Einrich-

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tungen anfällig für eine übermäßige Verlustleistung infolge eines Überlastbetriebes, einer Einfügung in eine falsche Schaltung oder der Verwendung einer Einrichtung mit einem Nennwert der Verlustleistung, der kleiner ist als erforderlich und in all diesen Fällen kann eine übermäßige Temperatur auftreten und eine Zerstörung der Einrichtung erfolgen. Es sind gegenwärtig keine Einrichtungen bekannt, um den Temperaturzustand eines Varistors zu überwachen und insbesondere ist keine Einrichtung bekannt, welche einen integralen Bestandteil mit der Varistoreinrichtung bildet, so daß keine Zeitverzögerung vorliegt, wie sie beim Wärmeübergang aus dem Varistormaterial auf einen äußeren Temperaturfühler inhärent ist.

Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, einen Temperaturfühler zur Überwachung des TemperatUrzustandes eines Varistors zu schaffen, welcher einen integralen Bestandteil der Varistoreinrichtung bildet.

Erfindungsgemäß wird ein Körper aus Varistormateria) -vorgesehen, " vorzugsweise aus einem Metalloxidvaristormaterial (MOV), welcher erste und zweite gegenüberstehende Hauptoberflächen und dazwischen eine dritte Oberfläche besitzt. Eine erste und zweite Elektrode definieren den Hauptleitungsweg durch das Metalloxidvaristormaterial und sind jeweils in Kontakt mit der ersten bzw,, der zweiten der gegenüberstehenden Oberflächen. Eine dritte Elektrode ist in einer Ausführungsform in Kontakt mit der ersten Oberfläche und ist in unmittelbarer Nähe der ersten Elektrode angeordnet.

Sie ergibt einen Monitorleitungsweg, welcher sehr nahe benachbart ' ist dem Hauptleitungsweg zur Überwachung der Betriebstemperatur des Metalloxidvaristorkörpers als Funktion des durch diese dritte Elektrode erfaßten Widerstandes. In einer zweiten Ausführungsform j sind ein Paar Meßfühlerelektroden in Kontakt mit einer dritten j Oberfläche des Metalloxidvaristorkörpers und dienen zur Schaffung eines Monitorleitungsweges, welcher den Hauptleitungsweg schneidet. Der Varistorkörper kann über seinen Monitorleitungsweg in eine Widerstandsbrückenschaltung eingefügt werden, um ein aus-

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gangsseitiges Spannungssignal zu erhalten, welches die Betriebstemperatur des Varistorkörpers anzeigt.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen, bei denen jeweils gleiche Teile in den verschiedenen Abbildungen mit der gleichen Bezugsziffer bezeichnet sind. - ■

Fig. 1φ ist eine Kurvendarstellung der nicht-linearen Widerstandskennlinie und der sich daraus ergebenden Spannungsbegrenzungskennlinie für ein Metalloxidvaristormaterial für verschiedene Werte des Parameters alpha, wobei die Spannung über der Stromstärke pro Flächeneinheit in einem doppelt-logarithmischen Maßstab abgetragen sind. !

Fig. Ib ist eine ähnliche Kurvendarstellung für ein Material mit \ einem bestimmten Wert für alpha, bei der als Parameter j verschiedene Temperaturen in dem Metalloxidvar.istormate-

'. j?'ial gewählt sind.

f ^; .. i

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform ' des Varistors mit integralem Fühler, wobei der Monitor-Leitungsweg nahe bei dem Hauptleitungsweg liegt. j

Fig. 3 zeigt einen Schnitt einer zweiten Ausführungsform der er-j findungsgemäßen Anordnung, bei welcher der.Monitorlei- ; tungsweg den Hauptleitungsweg schneidet.

Die Figuren 4a und 4b zeigen Schaltzeichnungen von Brückenschaltungen, welche geeignet sind zur Erzeugung

, eines Ausgangssignals proportional zur Betriebstemperatur des Metalloxidvaristormaterials.

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Es gibt einige bekannte Materialien, welche nicht-lineare Eigenschaften zeigen, und bei denen zur Ermittlung der quantitativen Beziehung zwischen Strom und Spannung die Verwendung der nachstehenden Gleichung erforderlich ist

dabei bedeutet V die Spannung zwischen zwei Punkten, welche durch einen Körper des hier betrachteten Materials getrennt sind, I 1st der zwischen den beiden Punkten fließende Strom, C ist eine Konstante und cK_ ist ein Exponent, welcher größer als 1 ist. Die Größen C und <& sind Funktionen der Geometrie des aus dem Material gebildeten Körpers und der Zusammensetzung des Materials. C ist hauptsächlich eine Funktion der Korngröße des Materials und eC ist hauptsächlich eine Funktion der Korngrenzenverhältnisse. Solche Materialien, wie beispielsweise SiIiziumkarbid, zeigen nicht-lineare oder expontionelle Widerstandskennlinien und sind in handelsmäßigen Siliziumkarbidvaristoren verwendet worden. Solche nicht-metallischen Varistoren zeigen jedoch üblicherweise einen Exponenten dC, der den Wert 6 nicht übersteigt.

Eine neue Gruppe von Varistormaterialien mit Alphawerten ober-

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halb IO im Stromdichtebereich zwischen 10 - 10 Ampere pro cm wurden kürzlich aus Metalloxiden hergestellt. Es wurden jedoch für dieses neue Metalloxidvaristormaterial (MOV) bisher nur wenige Anwendungsmöglichkeiten angegeben. Die Alphawerte der Metalloxidvaristormaterialien werden als praktisch konstant bleibend

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angegeben im Stromdichtebereich von 10 - 10 Ampere pro cm ; die Alphawerte bleiben jedoch auch bei höheren und niedrigeren Stromdichten ebenfalls hoch, obwohl eine gewisse Abweichung von den maximalen Alphawerten auftreten kann. Das Metalloxidvaristormaterial ist ein polykristallines Keraraikmaterial, welches aus einem bestimmten Metalloxid gebildet ist, wobei geringe Mengen

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eines oder mehrerer Metalloxide zugefügt werden* Beispielsweise kann das vorherrschende Metalloxid Zinkoxid sein mit geringen zugefügten Mengen von Wismut .oxid. Andere ZüsatzmaterialieTi können beispielsweise Aluminiumoxid, Eisenoxid, Magnesiumoxid und Kalziumoxid sein. Das vorherrschende Metalloxid wird mit dem additiven Oxid oder den additiven Oxiden gesintert, um einen gesinterten keramischen Metalloxidkörper zu bilden. Da der Metalloxidvaristor als keramisches Pulver hergestellt wird, kann das Material In die verschiedenartigsten Formen mit verschiedenartigsten Abmessungen gepreßt werden. Da der Metalloxidvaristor polykristallin igt, werden die Eigenschaften oder Kennlinien bestimmt durch die Korn- oder Kristallgröße, die Kornzusammensetzung, die Zusammensetzung der Korngrenze und die Dicke der Korngrenze. Alle diese Faktoren können bei dem Herstellungsverfahren für das Keramikmaterial beherrscht werden.

Die nicht-lineare Widerstandsbeziehung des Metalloxidvaristors '

ist so beschaffen, daß der Widerstand bei sehr niedrigen Strom- ;

stärken im Mikroamperebereich sehr groß ist (bis zu etwa .

IO 000 Megohm) und bei Fortschreiten zu hohen Stromstärken nicht- ;

linear verläuft, bis zu einem äußerst niedrigen Wert (in der ;

Größenordnung von zehntel Ohm). Der Widerstand ist ebenfalls !

stärker nicht-linear bei höheren Alphawerten. Dieses nicht-line- j are Widerstandsverhalten führt zu einer Stromspannungskennlinie,

bei der die Spannung effektiv begrenzt wird. Dabei ist die Span- !

nungsbegrenzungswirkung oder Verklammerungswirkung stärker aus- j

geprägt bei den höheren Werten des Exponenten <sC, wie es aus ■ Figur 1 ersichtlich ist. Daher ist die Stromspannungskennlinie

des Metalloxidvaristors ähnlich der Kennlinie einer Zenerdiode; j

er besitzt jedoch das zusätzliche Kennzeichen, daß er in beiden !

Richtungen und über einen größeren Strombereich symmetrisch ist. \>

Der- he itungsmechanIsmus des Metalloxidvaristors ist bis jetzt noch nicht klar verstanden. Er ist jedoch völlig unähnlich dem bei Zenerdioden vorliegenden Lawinenmechanismus (avalauche). Eine

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mögliche theoretische Erklärung seiner Wirkungsweise liegt in einer Strombegrenzung durch Raumladung. Der Nennwert für die Spannung und der Spannungsbereich, bei denen der Varistoreffekt auftritt, sind bestimmt durch die bestimmte Zusammensetzung des Metalloxidvaristormaterials und die Dicke des Preßlings bei dem Herstellungsvorgang. Der Metalloxidvaristor beinhaltet Leitfähigkeitsänderungen an den Korngrenzen und dies führt zu dem Vorteil, daß durch Masse und Abmessung bedingte Erscheinungen auftreten (bulk phenomenon). Dies gestattet jedoch eine grolle Flexibilität bei der Auslegung eines Varistors für bestimmte Anwendungsfälle durch einfache Änderung der Abmessungen des Körpers aus Metalloxidvaristormaterial. D.h. bei Abwesenheit von in engem Abstand entlang einer Oberfläche des Metalloxidvaristorkörpers angebrachten Elektroden erfolgt der Stromdurchgang im wesentlichen durch die Hauptmasse des Materials hindurch. Diese Eigenschaft der Bestimmung des Verhaltens durch Masse und Abmessungen des Metalloxidvaristors gestattet auch eine viel größere Kapazität zur Handhabung von Energie im Vergleich zu Einrichtungen, die in ihrer Wirkungsweise auf Übergangsbereichen (junctions) beruhen. Da eine Metalloxidvaristoreinrichtung mit jeder gewünschten Dicke aufgebaut werden kann, kann sie bei viel höheren Spannungen betrieben werden als die mit Übergangsbereichen ausgestattete Zenerdiode und kann in einem Bereich von einigen Volt bis mehreren kilo Volt verwendet werden. Die Spannungsänderungen über einer Siliziumkarbidvaristoreinrichtung sind viel größer als über einer Metalloxidvaristoreinrichtung für eine vorgegebene Stromänderung und daher besitzt der Siliziumkarbidvaristor einen viel kleiner ren Betriebsbereich für die Spannung, wodurch seine Anwendungsmöglichkeit begrenzt ist. Die thermische Leitfähigkeit von Metalloxidvaristormaterial ist relativ hoch (etwa halb so groß wie die ! Leitfähigkeit von Aluminiumoxid) und dadurch besitzt es eine viel größere Fähigkeit zur Handhabung von Verlustleistung als Siliziumkarbid. Es zeigt eine vernachläßigbare Schaltzeit, da seine Ansprechzelt im Bereich unterhalb von einer Nanosek. liegt. Schließ-

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lieh können Metalloxidvaristormaterial und die daraus hergestellten Einrichtungen genau maschinell bearbeitet werden, sie können gelötet und bei sehr niedrigen Spannungen betrieben werden. Diese Möglichkeiten sind nicht vorhanden für das Siliziumkarbid mit einem größeren Korn.

Die Spannungsstromkennlinie nach Figur la zeigt das nicht-lineare oder exponentielle Widerstandsverhalten des Metalloxidvaristormaterials und insbesondere die Erhöhung der Nicht-Linearität und die Steigerung der Spannungsbegrenzungseigenschaft, welche bei höheren Werten des Exponenten c£- erhalten wird. Auf der Abszisse ist die Spannung in Volt angegeben, welche über den Anschlüssen des Hauptleitungsweges der Metalloxidvaristoreinrichtung entsprechend dem durch die Einrichtung fließenden Strom erscheint. Auf der Ordinate sind die Stromstärken abgetragen als Stromstärke oder Stromdichte durch den Körper des Metalloxidvaristormaterials. Obwohl bei Verwendung linearer Maßstäbe in der Kurve die Verringerung der Kurvensteigung und damit die Verminderung der i Widerstandswerte bei Erhöhung der Stromstärken ersichtlich ist, können solche Kurven leicht verfälscht werden durch die Wahl der

Maßstäbe und aus diesem Grunde wurden doppeltlogarithmische Skalen verwendet, um eine Gruppe von Kurven zu erhalten, die jeweils in dem angezeigten Bereich der Stromstärke praktisch geradlinig bleiben. Aus den Kurven der Fig. la ist ersichtlich, daß bei nied-| rigen Werten der Stromstärke der Widerstand des Metalloxidvaristormaterials sehr hoch ist und nicht-linear stetig kleiner wird bei Erhöhung der Stromstärke. Die Erweiterung oder Extrapolation der Kurven zu niedrigeren und höheren Werten der Stromstärke würde entsprechend höhere und niedrige Widerstände ergeben. Beim | Betrieb kann die Metalloxidvaristoreinrichtung vorübergehend j solche Werte erreichen in Abhängigkeit von der Anwendung der Ein- | richtung in einer bestimmten Schaltung. I

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Die Kurven der Figur Ib zeigen die Spannungs-Stromstärke-Kennlinien einer Metalloxidvaristoreinrichtung bei verschiedenen Temperaturen des gleichen Metalloxidvaristormaterials. Insbesondere 1st ersichtlich, daß der negative Temperaturkoeffizient der Widerstandseigenschaften des Metalloxidvaristormaterials stärker ausgeprägt ist bei den niedrigen Stromstärken, besonders im Mikroamperebereich. So ist beispielsweise bei einer Stromstärke von 1,0 Mikroampere das Metalloxidvaristormaterial bedeutend temperaturempfindlicher als bei 10 oder 100 Mikroampere. Beispielsweise erzeugt eine Temperaturerhöhung von T₁ - 25⁰C auf T„ - 100°C ein entsprechendes Absinken der Spannung von 150 Volt auf 18 Volt für eine Metalloxidvaristoreinrichtung mit einem Nennwert der Spannung von 300 Volt und einem Nennwert der Stromstärke von 1 Milliampere fUr den stationären Zustand und einem Alphaexponenten von 25. Dieses TemperaturverhaIten gilt hauptsächlich nur für eine ganz bestimmte Metalloxidvaristoreinrichtung; es zeigt je- ^; doch deutlich den temperaturempfindlichen Charakter eines solchen Materials. ;

Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform des Metalloxidvaristors j mit integralem Fühler, bei welcher der Fühlerleitungsweg oder ' Monitorleitungsweg durch den Körper des Metalloxidvaristormate- : tials in unmittelbarer Nachbarschaft zum Hauptleitungsweg ver- , läuft, Die konventionelle Metalloxidvaristoreinrichtung enthält einen Körper aus Metalloxidvaristormaterial mit einer ersten und zweiten gegenüberliegenden Fläche 10 bzw. 11 und mindestens einer dazwischen angeordneten Oberfläche 12. Im allgemeinen sind die Oberflächen 10 und 11 parallel zueinander und die dritte Oberfläche 12 ist senkrecht dazu. Die Oberflächen 10 und 11 sind allgemein eben, während die Oberfläche 12 eine gekrümmte Fläche sein kann und beispielsweise einen geraden Zylinder definieren kann mit einem kreisförmigen Querschnitt oder mit anderen gekrümmten Querschnitten. Der Querschnitt kann auch ein Quadrat, ein Rechteck oder ein Vieleck mit beliebiger Seltenzahl sein. Die Oberfläche 12 kann dabei eine einzige gel rUmmte Oberfläche sein oder

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kann aus einer Anzahl von einander schneidenden ebenen oder gekrümmten Oberflächen bestehen. Wie bereits erwähnt, wird die
Dicke der Metalloxidvaristoreinriehtung hauptsächlich bestimmt
durch den Nennwert der Spannung (der Nennwert der Spannung ist
allgemein die maximal über dem Metalloxidvaristor anlegbare sta-t
tionäre Spannung ohne Erzeugung einer übermäßigen Verlustleistung),

■ Beispielsweise können solche Metalloxidvaristoreinrichtungen Nennwerte der Spannung von 240 bzw. 480 Volt besitzen und eine Dicke
von 0,25 cm bzw. 0,50 cm. Die Elektroden 13 bzw. 14 sind in geeigneter Weise mit den gegenüberstehenden Oberflächen 10 bzw. 11
so verbunden, daß sie mit diesen Oberflächen einen guten elektrischen und mechanischen Kontakt bilden. Die Elektroden können in : typischen Beispielen einen kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt besitzen. Die in der Abbildung dargestellte Elektrode 14
besitzt eine Kreisform und die Elektrode 13 besitzt eine Kreisringfprm und ist ausgerichtet oder konzentrisch z_tur Elektrode 14 j angeordnet. Die Elektroden bilden eine metallisierte Oberfläche
auf dem Metalloxidvaristormaterial und können an den Oberflächen ; des Materials durch ein geeignetes Verbindungsverfahren aufge- I bracht werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden durch Lö~ ;

^: ten bei niedriger Temperatur oder durch Druckkontakt. Die metal- '' lisierte Oberfläche (Elektrode) kann, beispielsweise,.erhalten wer-

; den durch Einbrennen (firing) einer dünnen. Schicht einer Silber- j

Glas-Fritte (Silber- und Glasteilchen) auf der Oberfläche des ! Metalloxidvaristors.. Im allgemeinen wird ein ohm,'scher Kontakt i

* verwendet, um den Vorteil des Betriebsverhaltens gemäß der Masse ; des Materials auszunutzen, welcher bei dem Metalloxidvaristorma- j terial möglich ist. Geeignete elektrische Leiter 15 bzw. 16 wer-I

, den angelötet oder in anderer bekannter Weise mit den äußeren |

j Oberflächen der Elektroden 13 bzw. 14 verbunden. j

Die Zufügung einer dritten Elektrode zur Herstellung eines Monitor'-j leltungsweges durch das Metalloxidvaristormaterial und die be-, stimmte Kreisringform der Elektrode 13 bilden die grundlegenden

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neuartigen Gesichtspunkte der AusfUhrungsform nach Figur 2. Eine dritte Elektrode 17 wird in nächster Nachbarschaft zur Elektrode 13 in einem Abstand auf der Oberfläche 10 des Meta11oxidvaristorkör per s aufgebracht, so daß ein Monitorleitungsweg C durch den Meta11oxidvaristorkörper zwischen den Elektroden 13 und 17 in nächster Nachbarschaft zum Hauptleitungsweg M zwischen den Elektroden 13 und 14 hergestellt wird. Der Hauptleitungsweg und der ,Monitorleitungsweg werden selbstverständlich eingestellt als Ergebnis der Über den Elektroden 13, 14 bzw. 13, 17 angelegten elektrischen Potentiale. Die Geometrie des Meßfühlerleitungsweges 10 ist so ausgelegt, daß an seinen Anschlüssen praktisch Äquipotentialpunkte bezogen auf das vom Strom im Hauptleitungsweg M erzeugte Potential geschaffen sind. Die Elektrode 17 ist viel kleiner als die Elektrode 13 und 14, da der Monitorstrom nur einen geringen Bruchteil des zwischen den Elektroden 13 und 14 fließenden Hauptstroms ausmacht. Die Elektrode 17 wird daher so bemessen, daß sie einen Monitorstrom von etwa 1 Mikroampere erfaßt, wenn der stationäre Hauptstrom in der Größenordnung von 1 Milliampere liegt. Der geringe Monitorstrom besitzt eine vernachlässigbare Auswirkung auf den Hauptstrom und gestattet einen Monitor- oder Meßfühlerbetrleb in dem temperaturempfindlicheren Bereich der Spannungsstromkurve gemäß Figur Ib. Es ist ersichtlich, daß selbstverständlich im Rahmen der technischen Lehre der Erfindung auch andere räumliche Ausgestaltungen den Elektroden und 14 verwendet werden können, solange sie nur in nächster Nachbarschaft zueinander liegen und vorzugsweise auf der gleichen HauptOberfläche des Metalloxidvaristorkörpers angeordnet sind. Beispielsweise kann die Elektrode 13 kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen, mit oder ohne ausgesparten mittler ren Teil und die Meßfühlerelektrode 17 kann konzentrisch hierzu angeordnet sein, wie abgebildet oder in enger Nachbarschaft im Abstand seitlich davon angeordnet sein, oder es können andere räumliche Ausgestaltungen der Elektroden verwendet worden. Die Elektrode 17 wird an den Metalloxidvaristorkörper in der gleichen

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Weise befestigt wie die Elektroden 13 und 14 und an der Oberfläehe der Elektrode 17 ist ein elektrischer Leiter angebracht. Der Widerstand des Metalloxidvaristorkörpers längs des Monitorleitungsweges wird über den Leitern 15 und 18 erfaßt und wird in einer geeigneten Brückenschaltung, beispielsweise gemäß der Beschreibung der Figuren 4a und 4b,zur Überwachung der Temperatur des Metalloxidvaristorkörpers verwendet.

Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Monitorleitungsweg C den Hauptleitungsweg M schneidet im Unterschied zu der vorbeschriebenen Ausführungsform, bei der er in unmittelbarer Nachbarschaft liegt. Diese Ausführungsform ist besonders brauchbar für Metalloxidvaristoreinrichtungen mit größerer Masse (d.h. größerer relativer Dicke), wobei der Metalloxidvnristorkörper die verschiedensten Formen aufweisen kann. Um einen solchen schneidenden Monitorleitungsweg durch den Metalloxidvaristorkörper herzustellen, wird ein drittes Elektrodenpaar 20 und 21 an der dritten Oberfläche 12 angebracht, welche die erste und zweite Oberfläche 10 und 11 verbindet. Auch hier sind die Elektroden 20 und 21 bedeutend kleiner als die Elektro- , den 13 und 14 und werden so aufeinander ausgerichtet angeordnet, daß vorzugsweise eine durch die Mitten beider Elektroden gelegte Gerade die Mittellinie des Hauptleitungsweges zwischen den Leistwngselektroden 13 und 14 schneidet. Die Elektrode 13 besitzt vorzugsweise bei dieser Ausführungsform die gleiche Größe und die gleiche Form wie die Elektrode 14. Beispielsweise sind im Falle eines Metalloxidvaristorkörpers in Form einer Kreisscheibe (d.h. eines rechten Zylinders mit kreisförmigem Querschnitt) die Elektroden 20 und 21 diametral gegenüberliegend auf der gekrümmten

Oberfläche 12 angeordnet und besitzen einen gleichförmigen Ab- ^j stand von der Oberfläche 10. Im Falle eines Metalloxidvaristor- '\ körpers mit einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt ' werden die Monitorelektroden 20, 21 auf gegenüberstehenden Sciten-

flächen 12 in der Mitte zwischen den Seitenkanten und wiederum in

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gleichem Abstand von der Oberfläche IO angeordnet. Die Temperaturfühlerelektroden 20 und 21 brauchen im allgemeinen nicht einen gleichen Abstand von beiden Oberflächen 10 und 11 aufzuweisen (d.h. sie liegen in der Mitte zwischen den beiden Flächen), da die Dicke des Metalloxidvaristorkörpers im allgemeinen kleiner ist als die Breite, wobei hier als Dickenabmessungen die Entfernung zwischen den Oberflächen 10 und 11 betrachtet ist. Wichtiger ist dagegen die Tatsache, daß das Potential des Meßfühlerleitungsweges bezüglich des Hauptleitungsweges bestimmt ist durch die Lage der Elektroden 20 und 21 relativ zur Oberfläche 10. In der zweiten AusfUhrungsform nach Figur 3 entsteht das Meßsignal (Widerstandssignal) zur überwachung der Betriebstemperatur des Metalloxidvaristorkörpers Über den Leitern 22 und 23, welche mit den Elektroden 20 bzw. 21 verbunden sind.

Figur 4a zeigt eine Brückenschaltung zur Erhaltung eines Ausgangssignals, welches proportional der Betriebstemperatur des Metalloxidvaristorkörpers ist. Insbesondere verwendet die Brückenschaltung drei Widerstände mit bekanntem festem Widerstandswert in drei Brückenzweigen und der Widerstand des Metalloxidvaristorkörpers ist in dem vierten Brückenzweig eingefügt. Die Widerstände 30 und 31 sind in Reihe über eine getrennte Quelle* für Gleichspannungspotential - V_dc geschaltet. Diese Spannungsquelle ist isoliert, um eine Erdung des Haupt- oder Leistungsschaltkreises zu gestatten. In ähnlicher Weise sind der Widerstand 32 und der Meßfühlerleitungsweg durch den Metalloxidvaristorkörper 33 in Reihe über die Spannungsquelle - V. geschaltet. Daher bleiben die Spannungsabfälle über den festen Widerständen 30 und 31 konstant und die Spannungsabfälle über dem festen Widerstand 32 und dem Metalloxidvaristorkörper 33 ändern sich gemäß der Temperatur des Metalloxidvaristorkörpers. Der Widerstand 32 besitzt vorzugsweise einen Widerstandswert, der wesentlich größer 1st als der Widerstand des Metalloxidvaristorkörpers 33 bei normalen Betriebsbedingungen, um die Auswirkung von Stromänderungön in

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Metalloxidvaristorkörper zu vermindern und dadurch den Zustand anzunähern, bei dem der Widerstand 32 die Eigenschaften einer Konstantstromquelle besitzt. Im Falle eines Metalloxidvaristorkörpers 3.3 gemäß der Ausführungsform der Figur 2, wird das von

dem Anschluß +v, entfernte Ende des Widerstandes 32 mit dem de

Leiter 18 verbunden und der Leiter 15 wird dem Anschluß -V» der Spannungsquelle verbunden« Bei der Ausführungsform nach Figur 3 wird das entfernte Ende des Widerstandes 32 mit dem Leiter 22 (oder 23) verbunden und der Leiter 23 (oder 22) wird mit dem Anschluß -V_dc der Spannungsquelle verbunden.

Die Spannungsquelle +V- und die Widerstandswerte der Widerstände 30, 31 und 32 können so eingestellt werden, daß man ein AusgangsBignal erhält, welches eine nicht-lineare Funktion der Temperatur des Metalloxidvaristorkörpers darstellt. Bei dieser Anordnung sind die Widerstandswerte der Widerstände 30 und 32 gleich groß und die Widerstandswerte des Widerstandes 31 und des Metalloxidvaristorkörpers 33 sind gleich groß bei einer ausgewählten Betriebstemperatur des Körpers 33. In einem noch allgemeineren Falle wird das Verhältnis der Widerstandswerte des Widerstandes 30 zum Widerstand 31 so gewählt, daß es gleich dem Verhältnis der Widerstandswerte des Widerstandes 32 zum Metalloxidvaristor 33 ist bei einer ausgewählten Betriebstemperatur des Metalloxidvaristorkörpers 33. Diese Temperatur kann bezeichnet werden als Standardtemperatur oder normale Betriebstemperatur, wenn der Varistor mit dem Nennwert der Spannung und der Stromstärke betrieben wird. Daher sind bei normalen Betriebsbedingungen des Varistors 33 die Spannungen am Verbindungspunkt (für den Widerstand 30 und 31) und am Verbindungspunkt 35 (für die Widerstände 32 und den Varistor 33) gleich groß und das über diesen Punkten erhaltene ausgnngseitiga Spannungssignal ist daher Null. Die Leiter 36 bzw, 37 sind mit den Verbindungspunkten 34 bzw. 35 verbunden und ein z'vVeites Ende der Leiter kann mit einet-i Komparator oder einem Spannungsverstärker zur weiteren Ver-

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arbeitung des Ausgangssignales verbunden sein.

Es sei angenommen, daß die Temperatur in dem Varistorkörper 33 ι über den Normalwert ansteigt und der negative Temperaturkoeffizient des Varistorkörpers bewirkt, daß sich sein Widerstand gemäß der Darstellung in Figur Ib vermindert und dadurch der Spani nungsabfall über den Meßfühlerelektroden 20 und 21 des Varistors ,vermindert wird. Unter solchen Bedingungen ist die positive Spannung am Verbindungspunkt 34 größer als am Verbindungspunkt 35 und ergibt die ausgangseitige Spannung mit der dargestellten Polarität. Für einen Varistorkörper mit den bestimmten Abmessungen wird eine Eichkurve ermittelt, um die nicht-lineare Kennlinie, gegeben durch die ausgangseitige Spannung und die Temperatur, zu ermitteln. Ein Voltmeter mit einer Skala gemäß dieser Eichkurve ergibt dann

eine unmittelbare Ablesung der Temperatur. Alternativ hierzu können die Werte der Widerstände der Brückenschaltung so eingestellt werden, daß nur ein Ausgangssignal erhalten wird, wenn die Temperatur des Varistorkörpers eine vorgegebene zulässige Maximaltemperatur Übersteigt. Bei dieser alternativen Anordnung sind die Spannungen an den Verbindungspunkten bei normalen Betriebstemperaturen nicht abgeglichen (die Spannung am Verbindungspunkt 35 ist positiver als am Verbindungspunkt 34) und sie sind abgeglichen bei der kritischen Temperatur. Jede höhere Temperatur bewirkt eine relative Polarität der Spannungen gemäß der Abbildung in Fig.4a (die Spannung am Verbindungspunkt 34 ist positiver als an» Verbindungspunkt 35) und ein solches Signal kann ausgenutzt werden, um ein Warnsignal auszulösen oder eine andere visuelle oder hörbare Anzeige zu erhalten, oder einen bestimmten Vorgang in der Schaltung m|.t dem Varistor zu veranlassen, beispielsweise eine Verminderung der an den LeistungsanschlUssen des Varistors angelegten Spannung.

Die Brückenschiltung gemfiß Fig.4a ist eine Schaltung des Typs mit konstanter Spannung und führt zu einer gewissen Stromänderung

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(Erhöhung) durch den Monitorleitungsweg des Varistorkörpers 33 bei einer Änderung (Erhöhung) der Temperatur des Varistorkörpers* Alternativ hierzu kann eine ,Brückenschaltung des Konstantstrom-

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typs gemäß der Abbildung in/4b verwendet werden, bei welcher der Widerstand 32 durch eine konventionelle Konstantstromquelle 32a (unendlich große Impedanz) ersetzt ist. Der Vorteil der Ausführungsform nach Fig. 4b gegenüber der Form nach Fig. 4a besteht darin, daß die Arbeitskurve auf einer Kurve konstanten Stroms verläuft (beispielsweise 1,0 Mikroampere in Fig. Ib) anstatt längs einer Kurve mit konstantem Widerstand. Dadurch wird die Temperatüränderung beseitigt, welche auf der Stromänderung beruht; sie ist zwar klein aber inhärent in der Ausführungsform nach Fig. 4a.

Im vorstehenden wurde die Erfindung im besonderen anhand von zwei bestimmten räumlichen Formen und anhand eines Metalloxidvaristors beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, daß auch andere Varistormaterialien verwendbar sind und daß der Varistorkörper eine beliebige Zahl von verschiedenen Formen gemäß den ; Bedingungen eines bestimmten Anwendungsfalles annehmen kann. Außerdem können in verschiedenen Ausgestaltungen die Elektroden die verschiedensten Formen aufweisen und in verschiedenster Weise orientiert sein.· Das einzige Erfordernis besteht darin, daß der Monitorleitungsweg in einer solchen Weise eingestellt wird, daß er die Betriebstemperatur des Metalloxidvaristorkörpers an irgend einem Punkt erfaßt, welcher in einer unmittelbaren Beziehung mit dem Hauptleitungsweg steht. Selbstverständlich ist die vorstehend an dem bestimmten Fall der Metalloxidvaristoren beschriebene Erfindung auch gleichermaßen anwendbar auf nicht-metallische Varistoren, beispielsweise auf einen Siliziumkarbidvaristor.

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Claims

Patenta nsprüche

Nicht-lineare Widerstandseinrichtung der Varistorklasse, ausgebildet als einheitliche integrale Struktur und mit einem Körper aus einem Material, welches eine nicht-lineare Widerstandskennlinie besitzt, wobei dieser Körper erste und zweite gegenüberstehende Hauptoberflächen und mindestens eine weitere dritte Oberfläche besitzt, welche zwischen den beiden Hauptoberflächen angeordnet ist, sowie erste und zweite Elektroden in jeweiligem Kontakt mit der ersten und zweiten gegenüberstehenden Oberfläche zur Schaffung eines Hauptleitungsweges durch den Körper aus nicht-linearem Widerstandsmaterial beim Betrieb der Einrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß die Widerstandseinrichtung weiterhin mindestens eine weitere dritte Elektrode (17, 20» 21) besitzt, die in Kontakt mit einer der Oberflächen (10, 12) des Körpers ist, wobei diese dritte Elektrode (17, 20, 21) in einem Abstand zur ersten und zweiten Elektrode (13, 14) und in einer vorbestimmten Lage relativ zum Hauptleitungsweg (M) angeordnet ist, und im Betrieb einen Monitorleitungsweg (C) darstellt zur Erfassung der Betriebstemperatur des nicht-linearen Widerstandskörpers längs des Hauptleitungsweges als Funktion des von der dritten Elektrode als Meßfühler erfaßten Widerstandes des Körpers.

2. Nicht-lineare Widerstandseinrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus einem Metalloxidvaristormaterial gebildet ist.

3. Nicht-lineare Widerstandseinrichtungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper

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aus Metalloxidvaristormaterial einen alpha-Exponenten oberhalb 10 aufweist.

Nicht-lineare Widerstandseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet., daß die dritte Elektrode (17) in Kontakt mit der ersten Oberfläche (10) ist und in nächster Nachbarschaft zur ersten Elektrode (13) angeordnet ist und der Monitorleitungsweg (C) nahe bei dem Hauptleitungsweg (M) liegt.

5. Nicht-lineare Widerstandseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (17) die einzige zusätzliche Elektrode ist.

6. Nicht-lineare Widerstandseinrichtung nach Anspruch 4 oder. 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (13) eine Kreisringform besitzt und die dritte Elektrode (17) in einem Abstand von der inneren Kante der ersten Elektrode angeordnet ist.

7. Nicht-lineare Widerstandseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode konzentrisch zur ersten Elektrode und in einem gleichmäßigen Abstand von deren inneren Kante ist.

8, Nicht-lineare Widerstandseinrichtung nach einem der Ansprüche ljbis 3, dadurch gekennzeichnet, daß'&ine vierte Elektrode (21) als weitere Temperaturmeßfühl«relektrode vorgesehen ist und die dritte (20) und vierte

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(21) Elektrode in Kontakt mit der dritten Oberfläche (12) sind.

9. Nicht-lineare Widerstandseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Oberfläche (12) eine Seitenwand eines Zylinders ist und die dritte und vierte Elektrode (20, 21) auf gegenüberliegenden Seiten der dritten Oberfläche angeordnet sind.

10. Nicht-lineare Widerstandseinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite und dritte Oberfläche (10, 11, 12), einen geraden Zylinder bilden, die erste und zweite Elektrode (13, 14) zentrisch auf der ersten und zweiten Oberfläche (10, 11) angeordnet sind und die dritte und vierte Elektrode (20, 21) in gleichem Abstand von der ersten Oberfläche (10)angebracht sind.

11. Nicht-lineare Widerstandseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der gerade Zylinder einen gleichförmigen Querschnitt besitzt und die dritte und vierte Elektrode diametral gegenüberliegend auf der dritten Oberfläche angebracht sind und der Meßfühlerleitungsweg (C) zwischen der dritten und vierten Elektrode (20, 21) den Hauptleitungsweg (M) schneidet.

12. Nicht-lineare Widerstandseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Elektrode (13, 14) zentrisch auf der ersten und zweiten Oberfläche (10, 11) angebracht sind, und die dritte

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und vierte Elektrode (20, 21) in gleichem Abstand von der ersten und zweiten Oberfläche (10, il) und diametral gegenüberstehend auf der dritten Oberfläche (12> angeordnet sind.

13. Verwendung der nicht-linearen Widerstandseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einer elektrischen Brückenschaltung zur Messung der Betrxebstemperatur der Widerstandseinrichtung, wobei diese Brückenschaltung eine Vielzahl von Brückenzweigen und eine Quelle für Gleichspannung besitzt und einer der Zweige durch den Meßfühlerleitungsweg (C) gebildet ist.

14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet , daß einer der Brückenzweige durch eine Quelle für konstanten Gleichstrom gebildet ist.

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