DE2307321C3 - Varistor aus mehreren, übereinander gelagerten Sinterplättchen - Google Patents
Varistor aus mehreren, übereinander gelagerten SinterplättchenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Varistor aus mehreren übereinandergelagerten Sinterplättchen und
mit Elektroden an gegenüberliegenden äußeren Oberflächen der überlagerten Sinterplättchen.
Ein derartiger Varistor ist der DE-PS 8 50 916 entnehmbar.
Durch die DE-PS 4 72 109 ist ein Blitzableiter mit einer Mehrzahl von flachen überlagerten Scheiben
bekanntgeworden, welche aus einem Material mit relativ hohem spezifischen Widerstand bestehen. Der
Blitzableiter fängt Spannungsstöße dadurch auf, daß über dem extrem kleinen Zwischenraum zwischen den
überlagerten flachen Scheiben eine Entladung erzeugt wird. Da die Berührungsstelle zwischen den flachen
Scheiben einen sehr hohen Widerstand hat, trägt sie nicht dazu bei, den Widerstand nichtlinear zu machen.
Die Nichtlinearität des Widerstandes wird ausschließlich durch den Entladung über den extrem kleinen
Zwischenraum bewirkt.
Die DE-PS 6 31 867 zeigt Widerstandskörper mit hohem negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen
Widerstandes und einem Porenraum von mindestens 5%, bestehend aus Oxiden (Cu2O, CuO,
ZnO, TiO2, SnO2, SnO, V2O5, Ta2O3, Nb2O5, MoO3, WO3,
WO2, MnO2, Fe2O3, FeO, CoO, NiO und Cr2O3), welche
unter einem derart gewählten Teildruck des in dem den Widerstand enthaltenden Metalloxids angeordnet sind,
daß weder eine merkliche Oxidation noch eine merkliche Reduktion bei erhöhter Temperatur stattfindet.
Durch die DE-PS 7 38 415 istein spannungsabhängiger Widerstand bekanntgeworden, welcher im Bereich
hoher Temperaturen über 20O0C betrieben wird. Die Eigenschaften dieses Widerstandes, der auch aus einem
Stapel von übereinander angeordneten, scheibenförmigen Oxidationshalbleitern bestehen kann, werden
dadurch bei derart hohen Temperaturen verbessert, daß seine Temperaturabhängigkeit als Halbleiter mit ausgenutzt
wird
Die DE-OS 17 65 097 zeigt einen nichtlinearen Widerstand mit einer gesinterten Scheibe, bestehend
aus Zinkoxid als Hauptbestandteil, und zwei Elektroden, von denen die eine aus einer Silberelektrode in
nichtohmschem Kontakt mit der einen Oberfläche der
ίο gesinterten Scheibe besteht und die andere Elektrode in
ohmschern Kontakt mit der gegenüberliegenden Oberfläche der gesinterten Scheibe steht
Die DE-OS 20 09 319 zeigt einen spannungsabhängigen
Widerstand, welcher eine gesinterte Platte, die im wesentlichen aus Zinkoxid und 0,05 bis 10,0 Mol-%
La2O3 oder Y2O3 besteht, sowie zwei Elektroden enthält,
die auf den gegenüberliegenden Oberflächen der gesinterten Platte angebracht sind, wobei wenigstens
eine dieser Elektroden eine Silberelektrode ist.
Die DE-OS 20 33 850 schließlich zeigt einen Widerstand mit nichtlinearem Spannungsverhalten mit einer
gesinterten Platte, bestehend aus Zinkoxid als Hauptbestandteil und 0,05 bis 10,0 Mol-% Eisenoxid sowie 0,05
bis 10,0 Mol-% einer der Verbindungen Nickeloxid, Titanoxid und mit zwei Elektroden, welche mit
gegenüberliegenden Oberflächen der gesinterten Platte in Kontakt gebracht sind, wobei wenigstens eine der
Elektroden eine Silberelektrode ist.
Alle drei Offenlegungsschriften zeigen somit nichtli-
jo neare Widerstände mit einem Sinterkörper aus Zinkoxid als Hauptbestandteil und zwei Elektroden, von
denen wenigstens eine eine Silberelektrode ist Fe2O3,
CoO, ZrO2, AI2O3, CaO, Oxide seltener Erden u.dgl.
werden als Zusätze zum Zinkoxid verwendet.
Übliche Varistoren sind Siliziumkarbidvaristoren, Siliziumvaristoren und Bariumtitanatvaristoren.
Die Stromspannungskennlinie eines solchen Varistors ist allgemein durch die folgende Gleichung gegeben:
Dabei ist /der in dem Varistor fließende Strom, Vdie
Spannung über dem Varistor, VO die an gegenüberliegende äußere Oberflächen des Varistors bei / = /o mA
angelegte Spannung, d. h. die Schwellwertspannung, und der Exponent λ ein die Nichtlinearität darstellender
Index, dessen numerischer Wert größer als 1, gewöhnlich 3 bis 5 ist.
so Siliziumvaristoren und Bariumtitanatvaristoren sind in ihrer Verwendung beschränkt, da ihre Werte Vo
jeweils nur 0,5 bis 1,2 V (bei Antiparallelschaltung von zwei entsprechenden Dioden im Durchlaßgebiet) sind,
während Siliziumkarbidvaristoren große Werte Ko über
30 V, jedoch kleine Werte λ unter 3 haben. Überdies ist
es in Varistoren, welche auf der Basis der Ausnutzung des gegenseitigen Kontakts zwischen inneren Teilchen
von Sinterkörpern, wie bei Siliziumkarbidvaristoren, aufgebaut sind, schwierig, den Zustand des gegenseitigen
Kontakts zwischen den inneren Teilchen selbst unter gleichen Herstellungsbedingungen vollständig zu
kontrollieren, was unvermeidlich zu Produkten mit unterschiedlichen Kennwerten führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
b5 Varistor der eingangs beschriebenen Art zu schaffen,
der gut reproduzierbar und billig herstellbar ist und eine stabile Strom-Spannungskennlinie bei hoher Nichtlinearität
aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sinterplättchen aus Eisenoxid als Hauptbestandteil.
0,1 bis 34 Gew.-% Kalziumoxid und 0,1 bis 34 Gew.-% Oxiden seltener Erden bestehen und wenigstens
eine derart aktive Grenzfläche aufweisen, daß der Varistor eine stabile Stromspannungskennünie mit einer
Schwellwertspannung von etwa 20 V je Kontaktteil zwischen den überlagerten Sinterplättchen hat.
Eine alternative Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die Sinterplättchen aus Eisenoxid als Hauptbestand- ι ο
teil, 0,1 bis 34 Gew.-% Kalziumoxid, 0,1 bis 24 Gew.-%
Oxiden seltener Erden und 0,1 bis 10 Gew.-°/o Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und/oder Kobaltoxid
bestehen und wenigstens ejne derart aktive Grenzfläche aufweisen, daß der Varistor eine stabile Stromspannungskennlinie
mit einer Schwellwertspannung von etwa 20 V je Kontaktteil zwischen den überlagerten
Sinterplättchen hat Hier wird die Menge an teuren Oxidei. seltener Erden verringert
Die erfindungsgemäßen Varistoren weisen eine bemerkenswert stabile Stromspannungskennlinie auf.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung datgestellt und wird im folgenden näher
beschrieben, in der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform des :s
erfindungsgemäßen Varistors, welcher durch Überlagerung zweier Sinterplättchen hergestellt ist, die aus
Eisenoxid als Hauptbestandteil bestehen, und
Fig.2 die Stromspannungskennlinie des Varistors
nach F i g. 1, wobei die Spannung EaIs Abszisse und der Strom /als Ordinate aufgetragen ist.
Die Erfindung führt z. B. zu einem Varistor, welcher, wie in Fig. 1 dargestellt, durch Überlagern zweier
Sinterplättchen 1,1 hergestellt ist. Die Sinterplättchen 1,1 erhält man durch Sintern eines geschmolzenen y,
Materials, bestehend aus Eisenoxid als Hauptbestandteil und den entsprechenden Mengen von Kalziumoxid
(CaO) und Oxiden seltener Erden, oder eines geschmolzenen Materials, bestehend aus Eisenoxid als Hauptbestandteil
und den entsprechenden vorgeschriebenen Mengen von Kalziumoxid (CaO), Oxiden seltener Erden
und wenigstens einem Oxid ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumoxid (AI2O3), Zirkoniumoxid
(ZrO2) und Kobaltoxid (CoO). An gegenüberliegenden
Oberflächen der zwei überlagerten Sinterplättchen 1,1 werden Elektroden 2,2, z. B. Silberelektroden, angebracht,
und an den Elektroden 2,2 werden unter Verwendung von Lot vier Zuleitungen 5,5 befestigt. Die
ganze Anordnung wird mit einem geeigneten isolierenden Überzugsmaterial 6 fixiert.
Das Sinterplättchen 1 ist eine Sinterplatte mit einer von verschiedenen Formen, z. B. kreisförmig, quadratisch
oder rechteckig.
Infolge des gewöhnlichen ohmschen Übergangs an der Oberfläche des Sinterplättchens 1, an welcher die
Elektrode 2 angebracht ist, existiert dort keine aktive Grenzfläche. Eine aktive Grenzfläche 3 existiert jedoch
an der anderen Oberfläche des Sinterplättchens 1, an welcher keine Elektrode angebracht ist. Wenn daher ein
solches Sinterplättchen 1 einem anderen überlagert wird, ergibt sich ein Widerstandswert R.
Da weiter der nichtlineare Widerstand nach der Erfindung sehr stabile Werte Vo und α aufweist,
insbesondere V0 wenig kleiner als 20 V, ist er als
Varistor gut geeignet
Solche stabilen Werte V0 und ex. verbessern auch die
Ausbeute wesentlich. Weiter ist der niehtlineare Widerstand nach der Erfindung, da er Eisenoxid (Fe2Oj)
als Hauptrohmaterial verwendet, auch im Preis sehr vorteilhaft.
Die Erfindung führt auch zu einem nichtlinearen Widerstand, welcher durch Überlagern von mehr als
zwei Sinterplättchen hergestellt ist bei welchem an den außenliegenden oder gegenüberliegenden Oberflächen
der überlagerten Sinterplättchen Elektroden angebracht sind. Die so hergestellten Widerstände weisen
ebenfalls bemerkenswert stabile Stromspannungskennlinien auf, welche sie für einen Varistor geeignet
machen.
Die oben beschriebene Erfindung führt zu Varistoren mit bemerkenswert stabileren Kennlinien bei einer
wesentlich höheren Ausbeute und bei beträchtlich geringeren Kosten verglichen mit konventionellen
Varistoren und ist daher von großem industriellen Wert.
Die Erfindung wird noch besser verständlich im Zusammenhang mit den folgenden Beispielen.
Der Sinterkörper wird auf bekannte Weise verarbeitet. Das Ausgangsmaterial in der in Tabelle I definierten
Zusammensetzung wird in einer Topfmühle gemischt, um eine homogene Mischung zu erzeugen. Die
Mischung wird in einem Trockner getrocknet und in einer Form bei einem Druck von etwa 1000 bar in eine
Scheibe von 15 mm Durchmesser und 2 mm Dicke gepreßt. Die gepreßte Scheibe wird bei etwa 1200°C in
Luft gesintert, um so das Sinterplättchen 1 zu erhalten.
Hierauf wird ein nichtlinearer Widerstand, wie in F i g. 1 gezeigt, dadurch hergestellt, daß zwei Sinterplättchen
1,1 überlagert, an gegenüberliegenden Oberflächen der überlagerten Sinterplättchen 1,1 Elektroden
2,2 aus Silber angebracht, an den Elektroden 2,2 aus
Silber unter Verwendung von Lot 4 Zuleitungen 5,5 befestigt werden und die gesamte Anordnung mit einem
Epoxyharz als Überzugsmaterial 6 fixiert wird. Infolge des ohmschen Übergangs an der Oberfläche des
Sinterplättchens 1, an welchem die Elektrode 2 aus Silber angebracht ist, existiert dort keine aktive
Grenzfläche. Eine aktive Grenzfläche 3 existiert jedoch an der anderen Oberfläche des Sinterplättchens 1, an
welchem keine Silberelektrode angebracht ist. Wenn daher die Sinterplättchen 1,1 überlagert werden, ergibt
sich ein großer Widerstandswert R. Die gemessenen Werte R sind zusammen mit den Werten V0 und λ,
welche Konstanten der Gleichung (1) bei /0 = 1 mA sind, in Tabelle I zusammengestellt
Tabelle I | 85 | 84,9 | 89,5 | 65,9 | 97,9 | 65 |
Zusammensetzung des Sinterkörpers | 5 | 15 | 10 | 34 | 0,1 | 1 |
Fe2O3 (Gew.-%) | 10 | 0,1 | U,5 | 0,1 | 20 | 34 |
La2O3 (Gew.-%) | 40 | 30 | 60 | 20 | 20 | 20 |
CaO (Gew.-%) | 5 | 5 | 5 | 3 | 3,5 | 2 |
R (kii) | 19.5 | 19.5 | 19.5 | 12.0 | 11.0 | 10.5 |
a(-) | ||||||
Vn(V) | ||||||
Wie Tabelle I zeigt, erhält man Varistoren mit besonder stabilem Wert Vo und α in dem Bereich von 5
bis 15 Gew.-% La2Oj und O1! bis 10 Gew.-% CaO. Dies
bedeutet eine viel höhere Ausbeute, verglichen mit üblichen Siliziumkarbid Varistoren.
Überdies ermöglicht die Überlagerung von mehr als zwei Sinterplättchen 1 eine Vergrößerung des Wertes
K) um etwa ganze Vielfache von etwas weniger als 20 V.
Beispielsweise sind die gemessenen Werte von R, a, Vo
von Varistoren, welche durch Überlagern von zwei bis vier Plättchen des Sinterkörpers, bestehend aus 5
Gew.-% La2O1 und 10 Gew.% CaO, nach Tabelle I
hergestellt sind, in Tabelle 11 gezeigt.
Plättchenanzahl 2 3
R (k<2) a(-)
40
19,5
Beispiel 2 zeigt, daß 5 bis 15
Beispiel 1 zeigt, daß 5 bis 15 Gew.-% La2Oj
erforderlich sind, um einen Wert λ von 5 zu erhalten. Um die Menge an teurem La2Oa zu verringern, wird das
Beispiel 2 ausgeführt. Die Ausgangsmaterialien in dem Beispiel 2 sind Fe2O3 mit 15 Gew.-% CaO und 0,1
Gew.-% La2O3 und mit 0,1 bis 10 Gew.-°/o wenigstens
eines Oxides, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus
80
39,0
119
5
58,5
5
58,5
AI2O3, ZrO2 und CoO, wie in Tabelle 111 gezeigt.
Das Ausgangsmaterial wird auf die gleiche Weise wie im Beispiel 1 verarbeitet und gesintert, um eine
entsprechende Sinterscheibe oder ein Sinterplättchen zu erhalten. Ein nichtlinearer Widerstand wird unter
Verwendung des Sinterplättchens auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Die gemessenen Werte von
R, öl, Vo der so hergestellten Varistoren sind in Tabelle
IV gezeigt.
Zusammensetzung des Sinterkörpers
Außer Fe2O3 (als Rest), 15 Gew.-% CaO und 0,1 Gew.-% La2O3 noch:
Al2O3 (Gew.-%) | 0,1 | 0 | 0 | 5 | 10 | 0,5 | 1 |
ZrO2 (Gew.-%) | 5 | 1 | 0,5 | 0 | 0,1 | 0 | 0 |
CoO (Gew.-%) | 0 | 5 | 10 | 0 | 0,5 | 1 | 0,5 |
R (kLl) | 20 | 40 | 40 | 60 | 20 | 60 | 60 |
a(-) | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
^u (V) | 19,5 | 19,5 | 19,5 | 19,5 | 19,5 | 19,5 | 19,5 |
Wie Tabelle 111 zeigt, ergibt jede Grenzfläche
zwischen den Sinterkörpern einen nichtlinearen Widerstand, bei welchem die Werte α und Vo bemerkenswert
stabil sind, nämlich « gleich 5 und V0 gleich 19,5 V, und
welcher infolge der verringerten Menge an La2O3
billiger ist.
Die gemessenen Werte von R, a, V0 von Varistoren
welche durch Überlagerung von zwei bis vier Plättcher des Sinterkörpers, bestehend aus 10 Gew.-% Al2O3,0,1
Gew.-°/o ZrO2 und 0,5 Gew.-°/o CoO, wie in Tabelle III
hergestellt sind, sind in Tabelle IV dargestellt.
Plättchenanzahl 2 3
RQaQ) | 20 | 40 | 60 |
5 | 5 | 5 | |
V0(V) | 19,5 | 39,0 | 58,5 |
Tabelle IV zeigt, daß durch Überlagerung von mehr als zwei Plättchen von Sinterkörpem, wie in Tabelle Il
gezeigt, Varistoren guter Qualität mit verschiedenen Werten V0 hergestellt werden können.
Claims (1)
1. Varistor aus mehreren Dbereinandergelagerten Sinterplättchen und mit Elektroden an gegenüberliegenden
äußeren Oberflächen der überlagerten Sinterplättchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterplättchen (1) aus Eisenoxid (Fe2O3) als
Hauptbestandteil, 0,1 bis 34 Gew.-% Kalziumoxid (CaO) und 0,1 bis 34 Gew.-% Oxiden seltener Erden
bestehen und wenigstens eine derart aktive Grenzfläche (3) aufweisen, daß der Varistor eine stabile
Stromspannungskennlinie mit einer Schwellwertspannung vcn etwa 20 V je Kontaktteil zwischen
den überlagerten Sinterplättchen (1) hat
Z Varistor aus mehreren übereinandergelagerten Sinterplättchen und mit Elektroden an gegenüberliegenden
äußeren Oberflächen der überlagerten Sinterp'ättchen, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sinterplättchen (1) aus Eisenoxid (Fe2O3) als
Hauptbestandteil, 0,1 bis 34 Gew.-% Kalziumoxid (CaO), 0,1 bis 24 Gew.-% Oxiden seltener Erden und
0,1 bis 10 Gew.-% Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid
(ZrO2) und/oder Kobaltoxid (CoO) bestehen und wenigstens eine derart aktive Grenzfläche (3)
aufweisen, daß der Varistor eine stabile Stromspannungskennlinie mit einer Schwellwertspannung von
etwa 20 V je Kontaktteil zwischen den überlagerten Sinterplättchen (1) hat.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP47016303A JPS52556B2 (de) | 1972-02-16 | 1972-02-16 |
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JPS521113B1 (de) * | 1966-05-16 | 1977-01-12 | ||
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Legal Events
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---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |