DE2340170B2 - Hochohmwiderstand für Gleichstrom-Hochspannungsschaltungen - Google Patents
Hochohmwiderstand für Gleichstrom-HochspannungsschaltungenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochohmwider- ■»■>
stand für Gleichstrom-Hochspannungsschaltungen mit mehreren in bestimmten Abstand übereinander angeordneten
Widerstandselementen, von denen jedes eine auf einem isolierenden Trägerkörper aus hochtemperaturbeständigem
Material ausgebildete Wider- w Standsschicht aufweist, wobei die Widerstandsschichten
sämtlicher Widerstandselemente zur Erzielung eines gewünschten Widerstandswertes in Reihe verbunden
sind und sämtliche Widerstandselemente in einem bei normalen Betriebsbedingungen festen organischen v>
Isolierstoff eingebettet sind.
Ein derartiger Hochohmwiderstand ist aus der US-PS 62 685 bekannt.
Für Gleichstrom-Hochspannungsquellen, wie sie beispielsweise für Elektronensonden-Mikroanalysato- ω
ren, Massenspektrometer oder Elektronenmikroskope benötigt werden, ist eine hohe Stabilität erforderlich. In
solchen Hochspannungsversorgungsschaltungen werden hochohmige Widerstände als Vergleichswiderstände
verwendet und auf der Hochspannungsseite der μ Energieversorgung angeordnet, speziell wenn die
Hochspannung mit Hilfe eines Spannungsteilers aus Widerständen gemessen wird. Ein solcher Vergleichswiderstand
wird allgemein in Verbindung mit einem Meßwiderstand mit weit geringerem Widerstandswert
verwendet, der zur Anzeige der Spannungsteilung dient, wobei die Energieversorgungsspannung auf der Basis
der ermittelten Spannung gesteuert wird, wodurch ein stabiler Hochspannungsausgang erhalten werden kann.
Diese beiden für die Spannungsteilung verwendeten Widerstände geben Anlaß zu Rauscherscheinungen wie
einem thermischen Rauschen, Stromrauschen und verschiedenen anderen Fluktuationserscheinungen, die
infolge der Anlegung der Hochspannung extern induziert werden können. Infolge eines solchen
Rauschens und der auf Spannungs- oder Temperaturänderungen zurückgehenden Drift treten in starkem Maße
unerwünschte Schwankungen am (Gleichstrom)-Hochspannungsausgang auf. Es ist daher sehr wichtig, die von
diesen Widerständen erzeugten verschiedenen Rauschanteile zu unterdrücken, um den Hochspannungsausgang
zu stabilisieren.
Meßwiderstände, die in Energieversorgungsschaltungen der oben beschriebenen Art verwendet werden,
haben allgemein einen mittleren Widerstandswert, und an sie wird eine niedrige Spannung angelegt. So ist
beispielsweise die an einem solchen Widerstand angelegte Spannung geringer als IOC V, und der
Widerstar.dswert desselben liegt in der Größenordnung von 0,1 bis 10 ΜΩ. Es wird also leicht ein Meßwiderstand
erhalten, dessen Rauschpegel in der Größenordnung von 0,1 μν/V liegt. Ferner ist infolge der Tatsache,
daß die an den Meßwiderstand angelegte Spannung recht niedrig ist, das elektrische Feld um den
Widerstand schwach, und derselbe kann leicht elektrostatisch abgeschirmt werden. Ein extern induziertes
Rauschen kann somit ausreichend unterdrückt werden.
An Vergleichswiderstände wird dagegen allgemein eine Hochspannung von 50 bis 200 kV angelegt, und sie
haben hohe Widerstandswerte von 500 bis 2000 ΜΩ, damit der elektrische Verlust möglichst gering bleibt.
Herkömmliche Widerstände dieser Art, wie z. B. nach der DE-OS 19 64 227, bestehen allgemein im wesentlichen
aus einer spiral- oder schraubenförmig auf der Oberfläche eines stabförmigen Trägers aus hochtemperaturbeständigem
elektrisch isolierenden Material gebildeten Widerstandsschicht aus Kohle oder Metall.
Entsprechend der derzeitigen Technik zur Erzeugung gedruckter Schaltungen und den Eigenschaften von
Widerstandsmaterialien ist es jedoch schwierig, einen spiralförmigen Widerstandsfilm von geringer Streifenbreite und engem Abstand zwischen den Streifen zu
erzeugen, was zwangsläufig zu großen, sperrigen Widerständen führt. Wenn ein stabförmiger Träger aus
hochtemperaturfestem, elektrisch isolierenden Material für die Erzeugung eines Widerstandsfilms mit einem
Widerstandswert von 1000 ΜΩ nach der derzeitigen Technik zur Erzeugung gedruckter Schaltungen verwendet
wird, erhält man recht lange Widerstände von größenordnungsmäßig 40 bis 50 cm Länge. In Anbetracht
der anzulegenden Hochspannung müssen Widerstände dieser Art ausreichend isoliert sein, und zur
Abschaltung nachteiliger Störwirkungen wird eine Isolation wie isolierendes ölimprägniertes Papier um
den Widerstand gewickelt oder dieser in öl eingebettet und von einem Gehäuse aus Kunststoff mit anorganischem
Füllstoff umgeben. Eine solche Isolation führt zwangsläufig zu einem sperrigen Widerstand, und durch
die ölfüllung ergibt sich ein erheblicher Rauschpegel.
Bei dem Hochohmwiderstand der eingangs genannten
Art ist jedes Widerstandselement durch Aufbringen
einer Widerstandsschicht auf eine zylindrische Unterlage erzeugt und sind mehrere solche Widerstandselemente
in Schrägstellung gestapelt, und dann zunächst in Asphalt und erst dann in Epoxyharz eingebettet. Auch
ein solcher Widerstand ist sehr raumaufwendig, und der darin zur Absorption der erzeugten Wärme verwendete
Asphalt neigt bei etwa -300C zur Rißbildung, so daß die Verläßlichkeit bei derartig tiefen Temperaturen
nicht gewährleistet ist.
Andererseits sind aus »Elektronik« Nr. 5,1962, Seiten
143 bis 145 sogenannte Mikromoduln aus übereinandergeschichteten
und mit Drähten an den Außenkanten verbundenen Keramikplättchen mit Dünnschichtwiderständen
bekannt, die in selbsthärtendem Kunstharz eingegossen sind. Diese Druckschrift geht jedoch nicht
auf Hochohm widerstände für Gleichstrom-Hochspannungsschaltungen mit besonderer dielektrischer Festigkeit
bei Temperaturzyklen und niedrigem Rauschpegelniveau ein.
Im übrigen wird zur Erzielung der richtigen Spannung
am Hochspannungsausgang ein sehr genauer Widerstandswert für den Widerstand gefordert. Ferner soll die
Feldverteilung bei Widerständen dieser Art möglichst gleichmäßig sein, insbesondere da an diese eine
Hochspannung angelegt wird. Im Falle von Widerständen mit einem so hohen Widerstandswert ist es jedoch
nicht leicht, den vorausgesetzten Wert exakt zu erreichen. Gemäß herkömmlicher Praxis zur Einstellung
des Widerstandswertes auf den erforderlichen Wert wird ein Teil der Widerstandsschicht weggeschnitten
oder unter kontinuierlicher Messung des Widerstandswertes ein elektrisch leitender Überzug aufgebracht.
Eine solche Art der Einstellung des Widerstandswertes erhöht die Herstellungskosten erheblich, und es ist
außerdem sehr schwer, so hohe Widerstände wie etwa 1000 ΜΩ exakt zu messen. Es war daher bislang
schwierig, solche Widerstände mit gewünschtem Widerstandswert verläßlich und auf relativ einfache, billige
Weise zu erzeugen.
Daneben ist es bei Flachwiderständen mit einer Trägerplatte aus der DE-AS 10 06 492 und dem
DE-Gbm 18 69 058 auch bekannt, die Justierung des Widerstandswertes durch Überbrücken eines Teils des
Widerstandselementes vorzunehmen.
Schließlich ist aus der DE-OS 15 90 870 ein elektrisches Bauteil mit einer Widerstandsmetailschicht auf
einer ebenen Unterlage bekannt, bei dem die Veränderung des Widerstandswertes durch äußere Faktoren wie
Temperaturen und Feuchtigkeit dadurch ausgeglichen wird, daß auf den gegenüberliegenden Seiten Überzüge,
vorzugsweise aus Epoxyharz, derart aufgebracht sind, daß ein Verbiegen des Bauteils bei einer Veränderung
des Feuchtigkeitsgehalts der Überzüge oder einer Teniperaturänderung trotz der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Überzüge, der Widerstandsschicht und der Unterlage verhindei t wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochohmwiderstand der eingangs genannten Art in
dem Sinne zu verbessern, daß er einen geringeren Raumbedarf hat und insbesondere auch bei weitreichenden
Temperaturzyklen eine höhere dielektrische Festigkeit und ein geringeres Rauschen aufweist. Bei einer
Weiterbildung der Erfindung sollen außerdem eine leichte Einstellung des Widerstandswertes und eine
leichte Qualitätskontrolle während der Herstellung erreichbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale gelöst, daß die einzelnen
Trägerkörper aus Platten bestehen, die übereinandergeschichtet und in ihrer gegenseitigen Lage nur durch ein
sie einbettendes, ausgehärtetes, warmhärtendes Kunstharzmaterial gehalten sind, und daß der Unterschied
ι zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der plattenförmigen Trägerkörper und dem des Kunstharzmaterials
geringer als 1 χ lO-VCist.
Durch die Plattenform der einzelnen übereinandergeschichteten Trägerkörper ergibt sich ein wesentlich
ι» niedrigerer Raumbedarf, und die Einstellung des
Unterschiedes zwischen den linearen Ausdehnungskoeffizienten der plattenförmigen Trägerkörper und des
alleinigen Kunstharzeinbettungsmaterials unter 1 χ IC-V0C sicher eine hohe dielektrische Festigkeit
ι j und ein sehr geringes Rauschen auch bei Temperaturzyklen
weitesten Ausmaßes.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Glasschutzüberzug auf der Widerstandsschicht jedes
Widerstandselementes vor. Für Rotationswiderstandskörper sind Emailleüberzüge an sich aus der DE-PS
5 58 555 bekannt.
Zur Einstellung des Unterschiedes der linearen Ausdehnungskoeffizienten der Trägerkörper und des
Kunstharzmaterials enthält das warmhärtende Kunst-
2> harzmaterial vorzugweise 1OO Gewichtsteile eines warmhärtenden Harzes und 1000 bis 2500 Gewichtsteile
eines elektrisch isolierenden anorganischen Füllstoffs.
Die leichte Einstellbarkeit des Widerstandswertes und Qualitätskontrolle erreicht man in Ausgestaltung
«ι der Erfindung dadurch, daß jedes Widerstandselement eine mäanderförmig ausgebildete und mit Zwischenanschlußpunkten
versehene Widerstandsschicht zur Widerstandsjustierung durch entsprechende Wahl von
zwei Anschlußpunkten aufweist.
Γι Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung
veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt
Fig. 1 eine Aufsicht auf ein beim Hochohmwiderstand gemäß der Erfindung angewandten Widerstands-
4Ii element,
Fig. 2 eine Aufsicht auf den zur Einstellung des Widerstandswertes dienenden Abschnitt des Widerstandselementes
gemäß F i g. 1 (in stärkerer Vergrößerung),
■»■> Fig.3 und 4 Aufsichten auf Varianten des in Fig. 1
gezeigten Widerstandselementes,
Fig.5 einen Längsschnitt durch einen Hochohmwiderstand
gemäß der Erfindung, der durch Verbindung (in Reihe) einer Mehrzahl von Widerstandselementen,
wie sie in den Fig. 1, 3 oder 4 gezeigt werden und Vergießen der Anordnung mit einem haftfähigen
warmhärtenden Harz erhalten wird und
Fig.6 und 7 Längsschnitte durch hochohmige Widerstände gemäß der Erfindung, die durch Abschir-
>"> mungsmittel elektrostatisch abgeschirmt sind.
Gemäß der Erfindung wird ein Hochohmwiderstand vorgesehen, der durch Verbindung einer Mehrzahl von
Widerstandselementen erhalten wird, wie sie in den Fig. 1, 3 oder 4 gezeigt sind; diese werden in Reihe
miteinander verbunden und die gesamte Anordnung mit einem haftfähigen warmhärtenden Harz, wie in Fig.5
gezeigt ist, vergossen.
Zur Bildung des im Rahmen der Erfindung benutzten Widerstandselementes wird eine flache Unterlage aus
einem hochtemperaturfesten und elektrisch isolierenden Material verwendet. Eine solche flache Basisplatte
ist in der Weise vorteilhaft, daß ein präziser Druck selbst mit der derzeitigen Drucktechnik aufgebracht und
mithin cine Widerstandsschicht mit maximalem Widerstandswert
auf der Oberfläche der Basisplatte durch bestmögliche Oberflächenausnutzung gebildet werden
kann. Die Größe des hochohmigen Widerstandes kann daher infolge der Tatsache auf ein Minimum reduziert
werden, daß der Widerstandswert des Widerstandsfilms auf jeder Basisplatte erhöht und die Zahl der zur
Bildung des gewünschten Gesamtwiderstandswertes erforderlichen Basisplatten so gering wie möglich
gehalten werden kann.
Gemäß der Erfindung wird die Widerstandsschicht auf einer Seite der Basisplatte gebildet. Obgleich die
Widerstandsschicht auf beide Flächen der Basisplatte aufgedruckt werden könnte, bestehen Schwierigkeiten
in der Vermeidung von Beschädigungen der auf die entgegengesetzten Oberflächen der Basisplatte aufgedruckten
Widerstandsschicliten, und es ist auch vom Fertigungsstandpunkt aus betrachtet schwierig, unerwünschte
Streuungen des Widerstandswertes zu eliminieren.
Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Widerstandselement hat einen Widerstandswert in der
Größenordnung von einigen zehn Megohm und ist mit einer Mehrzahl von zumindest zu einem Ende der
Widerstandsschicht benachbarten Anschlüssen zur Einstellung des Widerstandswertes, wie beispielsweise
in F i g. 2 gezeigt ist, versehen. Mögliche Schwankungen oder Variationen des Widerstandswertes während der
Fertigung und die erforderliche Präzision des Widerstandswertes werden von vornherein in der Weise
berücksichtigt, daß die Einstellung bzw. Justierung des Widerstandswertes allein durch Auswahl eines dieser
Anschlüsse erreicht werden kann, ohne daß irgendeine Präzisionsbearbeitung wie Zurechtschneiden der
Schicht oder Auftragen von leitenden Überzügen erforderlich wäre.
Dies ist ein bedeutsamer Vorteil, da der Widerstandswert des einzelnen Widerstandselementes praktisch
sehr leicht kontrolliert werden kann. Wenn also eine Mehrzahl solcher Widerstandselemente in einer Anzahl
in Reihe miteinander verbunden werden, die den gewünschten Gesamtwiderstandswert des (zu erzeugenden)
Hochohmwiderstandes für Gleichstrom-Hochspannungsschaltungen (nachfolgend der Einfachheit
halber nur als »hochohmiger Widerstand« bezeichnet) liefert, können der gewünschten Widerstandswert mit
hoher Genauigkeit erhalten und die Fertigungskosten stark reduziert werden.
Das rührt daher, daß die — wie oben beschrieben — in der Größenordnung von einigen zehn Megohm
liegenden Widerstandswerte der einzelnen Schichtwiderstandselemente exakt gemessen werden können.
Eine einfache Addition der Widerstandswerte der einzelnen detT hochohmigen Widerstand bildenden
Schichtwiderstandselemente liefert dann den gewünsch te Gesamtwiderstandswert mit hoher Präzision.
Ferner wird durch die Bildung des hochohmigen Widerstandes aus Schichtwiderstandselementen mit im
vorgeschriebenen Bereich kontrolliertem Widerstandswert eine gleichmäßige Feldverteilung erreicht. Ein
hochohmiger Widerstand mit Bereichen möglicher Feldverdichtung ist rauschanfällig gegen von außen
induziertes Rauschen und neigt zu dielektrischen Durchschlägen.
Eine praktische Form des gemäß der Erfindung verwendeten Schichtwiderslandsclcmentcs wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf die Fig. I und 2 beschrieben.
Eine leitfähige Paste aus Pd-Ag-Glas wurde auf eint
Oberfläche einer elektrisch isolierenden Unterlage 1 au; Aluminiumoxid mit einer Größe von
> 50 mm χ 50 mm χ 0,6 mm
zur Bildung einer Mehrzahl von Anschlüssen 2, 3 und 4 wie in Fig. 1 gezeigt ist, aufgedruckt und gebrannt
Danach wurde eine RuO2-Ag-Paste durch Siebdruck aul
in die gleiche Seite der Basisplatte 1 aufgedruckt und unter
Bildung einer Widerstandsschicht 5 aus einer Mehrzahl von Streifen auf der Unterlage 1 in der in Fig. 1
gezeigten Art etwa 10 Minuten lang bei etwa 800cC gebrannt.
Γι Die Breite der den Widerstandsfilm 5 bildenden
Streifen lag bei etwa 0,5 mm und die Gesamtlänge der Widerstandsschicht 5 bei etwa 2 m, so daß an dieses
Schichtwiderstandselement eine Spannung von 10 kV angelegt werden konnte.
_'ii Für die Begrenzung des Widerstandswertes des
Schichtwiderstandselementes auf einen vorbestimmten Bereich wurden unter Berücksichtigung der möglichen
Variationen des Widerstandswertes während der Fertigung und der geforderten Präzision des Wider-
>■> standswertes fünf Justieranschlüsse 4 vorgesehen, wie in
F i g. 2 zu sehen ist. Die Differenz zwischen den Widerstandswerten der mit benachbarten Justieranschlüssen
4 verbundenen Schichtteile betrug etwa 1 ΜΩ. Von diesen fünf Anschlüssen 4 wurde dann der
in am meisten geeignete Anschluß ausgewählt und mil
dem Anschluß 3 durch einen aufgelöteten Weichkupferdraht 7 mit einem Durchmesser von 0,4 mm verbunden
unter Erzielung des gewünschten Widerstandswertes von 40 ΜΩ für das Schichtwiderstandselement.
li In dieser Weise erhaltene Schichtwiderstandselemente
hatten einen Widerstandswert von 40ΜΩ±3ΜΩ
und die Ausschußrate war niedriger als 1%. Die Fertigungskosten konnten infolge der Tatsache, daß die
Justierung des Widerstandswertes im Vergleich zu den
4Ci bekannten Verfahren der Justierung solcher Schichten
durch Schneiden oder Auftragen von leitfähigen Überzügen auf einfachere Weise erreicht werden
konnte, stark reduziert werden.
Ohne die Anschlüsse zur Einstellung bzw. Justierung
4i des Widerstandswertes lag der Prozentsatz der
Elemente mit Widerstandswerten innerhalb des Bereichs von 40 ΜΩ±3 ΜΩ in der Gegend von 50%, und
es ergab sich eine außerordentlich schlechte Ausbeute wenn nicht eine Nachbearbeitung wie Beschneiden der
•in Schicht angewandt wu.de.
Bei den Schichtwiderstandselementen gemäß Fig. 1
sind fünf Justieranschlüsse 4 an einem Ende der Widerstandsschicht 5 zur Einstellung des Widerstandswertes
vorgesehen. Diese Justieranschlüsse 4 können
v> auch, wie in F i g. 3 oder 4 gezeigt ist, an den
entgegengesetzten Enden der Widerstandsschicht 5 verteilt und in beliebig wählbarer Anzahl vorgesehen
werden. Ferner können die Verbindungsanschlüsse 2 und 3 des Schichtwiderstandselementes auf der
mi hochtemperaturbeständigen isolierenden Basisplatte 1 die in F i g. 1 an diagonal entgegengesetzten Stellen
angeordnet gezeigt werden, an anderen Stellen vorgesehen werden und sie sind in keiner Weise auf die
in F i g. t gezeigte Anordnung beschränkt. Diese
h1) Anschlüsse 2 und 3 können auf der gleichen Seite des
Schichtwidcrstandsclcments angeordnet und wie in F i g. 3 und 4 gezeigt ist, auch nicht speziell vorgesehen
werden.
Ks ist klar, daß ein durch Bildung einer spiral- oder
schraubenförmigen Widerstandsschicht auf einem einzelnen
stabförmigen Träger aus elektrisch isolierendem Material erhaltenes Schichtwiderstandselemenl bei
Verwendung zum Aufbau eines hochohmigen Widerstandes mit einem hohen Widerstandswert von mehr als
500 ΜΩ unmöglich in der in F i g. 5 gezeigten Anordnung verwendet werden kann, bei der eine Mehrzahl
von flachen Widerstandselementen zur Bildung eines hochohmigen Widerstandes übereinandergelagert oder
geschichtet angeordnet wird.
Nach dem Stande der Technik wird vielmehr der stabförmige Träger (und die »Wicklung«) verlängert,
was den Widerstand insgesamt unhandlich und die Ermittlung des Gesamtwiderstandswertes problematisch
macht. Würde man in gleicher Weise wie nach dem Stande der Technik bei der ebenen Ausbildung des
Widerstandselementes eine Erhöhung des Widerstandes durch Vergrößerung der isolierenden Basisplatte
und Verlängerung des aufgetragenen Schichtstreifens vorsehen, würde man auf Schwierigkeiten hinsichtlich
der Qualitätskontrolle der isolierenden Basisplatte selbst stoßen. Auch bei einem stabförmigen Träger von
größeren Abmessungen treten Schwierigkeiten hinsichtlich der Qual itätskontrolle des Isolierkörpers auf.
Die Erzeugung von hochohmigen Widerständen von spiral- oder schraubenförmigen Typ ist im übrigen
wirtschaftlich ungünstig, da ein geringfügiger Defekt des Widerstandselements die Betriebscharakteristik des
hochohmigen Widerstands beeinträchtigen und ein fehlerhafter Abschnitt nicht ohne weiteres durch ein
neues Element ersetzt werden kann.
Es wird in mannigfacher Hinsicht bevorzugt, daß das Schichtwiderstandselement bei dem erfindungsgemäßen
Hochohmwiderstand eine Größe in der Gegend von 50 mm χ 50 mm, wie vorstehend beschrieben, hat.
Eine isolierende Basisplatte, die frei von jeglicher Krümmung und Unebenheit ist, wird speziell benötigt,
wenn die Widerstandsschicht durch Drucktechnik gebildet wird. Bei isolierenden Basisplatten mit einer
Größe, die über der beschriebenen liegt, besteht eine Neigung zum Auftreten von Krümmungen oder
Verwerfungen.
Der Widerstandswert in der Gegend von einigen zehn Megohm wird auch hinsichtlich der Isolierung
besonders bevorzugt, da die Höhe der zwischen zwei Widerstandselementen bestehenden Potentialdifferenz
in der Gegend von 10 bis 20 kV liegt, wenn eine Mehrzahl solcher Widerstandselemente zur Bildung
eines hochohmigen Widerstandes, wie weiter unten beschrieben ist, verwendet wird.
Für die Widerstandsschicht sind zahlreiche Muster möglich, jedoch ist das in den F i g. 1 bis 4 gezeigte in der
Weise am besten geeignet, daß die Basisplattenoberfläche am besten ausgenutzt werden kann, die elektrischen
Anschlüsse leicht ausgeführt werden können und die elektrische Feldverteilung im Widerstandselement
gleichmäßig ist.
Das die Basisplatte des erfindungsgemäß angewandten Schichtwiderstandselementes bildende hochtemperaturfeste
und elektrisch isolierende Material kann beispielsweise Aluminiumoxid, Steatit, MuIIh, Forsterit,
Berylliumoxid oder Quarzglas sein, die Temperaturen von mehr als 1000°C aushalten können. Geeignete
Materialien für die Widerstandsschicht können beispielsweise durch eine Mischung von Pulvern von Glas
und einer widcrstandsbildcndcn Substanz wie einer Pd-Ag-Mischung, RuO2, einer RuOrAg-Verbindung
oder -Kombination oder TbOi sein. Diese Mischung
wird durch Vermischen der Pulver zusammen mit einer geeigneten Flüssigkeit wie einem organischen Lösungsmittel
und Äthylcellulose hergestellt. Die Paste wird ■> durch Vermischen und Durcharbeiten der obigen
Materialien erhalten. Das Widerstandsschichtmuster kann durch Aufdrucken der Paste auf die isolierende
Basisplatte in einer Dicke von 10 bis 30 μηη, ζ. Β. durch Siebdruck und Brennen der Paste bei etwa 600 bis
κι 9000C für etwa 5 bis 20 Minuten, erhalten werden.
Vorzugsweise haben die Streifen der Widerstandsschicht eine Breite in der Gegend von 0,5 mm und
benachbarte Streifen der Widerstandsschicht einen Abstand von etwa 0,5 mm, wenn man die Präzision des
ι '■> Siebdrucks berücksichtigt.
Eine Mehrzahl von in oben beschriebener Weise erhaltenen Schichtwiderstandselementen wird in der
erforderlichen Anzahl zur Bildung des gewünschten Gesamtwiderstandswertes, wie in Fig.5 gezeigt ist,
3d eine Reihe miteinander verbunden und die gesamte
Anordnung mit einem haftfähigen warmhärtenden Harz oder einer Harzzusammensetzung vergossen. Das für
das Vergießen benutzte Harz muß so beschaffen sein, daß es die »Sprödigkeit« der isolierenden Basisplatte
2r> des Widerstandselements überdeckt und eine befriedigende
Haftfähigkeit besitzt und beim Vergießen keine Fehler einschließlich von Lücken oder Hohlräumen
auftreten.
Warmhärtende Harze sind für diesen Zweck geeig-
Warmhärtende Harze sind für diesen Zweck geeig-
Ki net. Beispielsweise kann eine Kombination eines
Epoxyharzes vom acyclischen, Bisphenol- oder Novolaktyp mit einem Härtungsmittel wie einem Säureanhydrid
oder einer Aminoverbindung verwendet werden. Zu bevorzugten Epoxyharzen vom acyclischen Typ
f, gehört Vinylcyclohexendiepoxid, zu bevorzugten Epoxyharzen
vom Bisphenoltyp Bisphenol-A-diglycidyläther
und zu bevorzugten Epoxyharzen vom Novolaktyp Kresol-Novolak und Phenol-Novolak. Zu bevorzugten
Säureanhydridhärtungsmitteln gehört Tetrahy-
4(i drophthalsäureanhydrid und zu bevorzugten als Härter
verwendeten Aminoverbindungen gehören Tetraäthylenpentamin, Diaminodiphenylmethan und Diäthyltetramin.
Infolge der vom Unterschied im linearen Ausdeh-
4i nungskoeffizienten zwischen dem anhaftenden warmhärtenden
Harz und dem Filmwiderstandselement herrührenden Spannungen können Schäden an der
isolierenden Basisplatte und Risse im gehärteten Harz auftreten. Um dies zu vermeiden, können dem Harz
-,ο mehr als 1000 Gewichtsteile eines anorganischen
Füllstoffs mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 1 χ 10-V0C pro 100 Gewichtsteile des
haftfähigen warmhärtenden Harzes zugemischt werden. Dieser anorganische Füllstoff kann beispielsweise durch
v> Zirkoniumoxid, Kieselsäure oder Silicate, Quarz oder
Aluminiumoxid mit einem Teilchendurchmesser von weniger als 1000 μ gebildet werden. Es wurde
sichergestellt, daß in der gehärteten Harzzusammensetzung keine Risse entstehen und die isolierende
Wi Unterlage nicht zerstört oder beschädigt wird, und zwar
selbst bei der Durchführung von Wärmeschockprüfungen unter sehr strengen Bedingungen, wenn der
Unterschied zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der isolierenden Unterlage und demjenigen
hi des gehärteten Harzes durch entsprechende Auswahl
geringer als I χ 10"V0C ist.
Zur Erzielung einer solchen Differenz im linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen isolierender Basis-
ίο
platte und gehärtetem Harz sollten mehr als 1800 Gewichtsteile des anorganischen Füllstoffs zu 100
Gewichtsteilen des hal'tfähigen warmhärtenden Harzes zugemischt werden. Eine Zumischung von mehr als 2500
Gewichtsteilen des anorganischen Füllstoffs zu besagtem warmhärtenden Harz ist jedoch im Hinblick auf
Schwierigkeiten beim Vergießen unerwünscht.
Eine Schutzschicht, die durch einen dünnen Glasüberzug gebildet werden kann, wie bei 6 in Fig. 1
angedeutet ist, wird vorzugsweise zur Abdeckung der Widerstandsschicht 5 auf dem Schichtwiderstandselement
derart vorgesehen, daß die Widerstandsschicht während der Verarbeitung oder beim Vergießen nicht
beeinträchtigt wird. Der Glasüberzug kann durch Auftragen einer niedrigschmelzenden Glaspaste und
Brennen der Paste bei etwa 5000C für etwa 1 Minute erhalten werden. Der Glasüberzug ist vorzugsweise 10
bis 100 μπι dick.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 5, 6
und 7 beschrieben.
Ausführungsart 1
Eine Glaspaste, wie oben beschrieben, wurde auf ein Schichtwiderstandselement mit einem Widerstandswert
von 40 ΜΩ, wie in F i g. 1 gezeigt ist, unter Bildung einer Glasschutzschicht 6 von 25 μπι Dicke aufgetragen,
welche die gesamte Oberfläche des Schichtwiderstandselements mit Ausnahme der Anschlußbereiche abdeckte.
25 solcher Filmwiderstandselemente wurden in einer festen Anordnung mit vorbestimmtem Abstand, wie in
F i g. 5 gezeigt ist, angeordnet und in Reihe jeweils miteinander durch Verbindung der Anschlüsse mit Hilfe
von aufgelöteten Weichkupferleitungen 7 mit einem Durchmesser von 0,4 mm verbunden. Dann wurde ein
Paar äußerer Anschlußklemmen 9 und 9' aus Messing an den entgegengesetzten Enden der in Reihe miteinander
verbundenen Schichtwiderstandselemente unter Erzielung einer Anordnung mit einem Gesamtwiderstand
von 1000 ΜΩ befestigt
Diese Anordnung wurde dann mit einer Epoxyharzzusammensetzung 8 mit den in Tabelle 1 angegebenen
Mischungsanteilen vergossen und die Harzzusammensetzung bei etwa 12O0C etwa 16 Stunden lang zur
Erzielung eines hochohmigen Widerstandes gemäß der Erfindung gehärtet. Dieser hochohmige Widerstand
hatte Außenabmessungen von etwa
70 mm >: 70 mm χ 250 mm.
Zusammensetzung
Mischungsanteile
(Gew.-Teile)
(Gew.-Teile)
Vinylcyclohexendiepoxyharz 100
»CH 206«, Epoxyäquivalent = 75)
Zirkoniumoxidfüllstoff, Teilchen- 2300
durchmesser unter 400 μπι
durchmesser unter 400 μπι
Methyltetrahydrophthalsäure- 89
anhydrid »NH-200«, Säureanhydridäquivalent = 122)
2-Äthyl-4-methyl-imidazol 3
Beim Vergießen der Anordnung mit der Epoxyharzzusammensetzung können die Schichtwiderstandselemente
durch Lehren in einer vorbestimmten Position gehalten und die Epoxyharzzusammensetzung in
solcher Menge eingegossen werden, daß die Lehren nicht in die Vergußmasse eingebettet werden. Nach
einem Vorhärten bei etwa 800C für etwa 2 Stunden und
τ Entfernung der Lehren kann weitere Epoxyharzzusammensetzung
in einer solchen Menge nachgegossen werden, die zu einer vollständigen Versiegelung der
Filmwiderstandselemente in der Harzmasse führt, wonach die Anordnung zur vollständigen Aushärtung
ίο der Epoxyharzzusammensetzung 16 Stunden lang auf
etwa 1200C erwärmt wird. Statt des vorstehend beschriebenen zweistufigen Gießverfahrens können die
Schichtwiderstandselemente durch Lehren gestützt werden, die aus der zu vergießenden Epoxyharzzusam-">
mensetzung bestehen und die gesamte Anordnung kann zusammen mit diesen Lehren mit der Epoxyharzzusammensetzung
vergossen werden.
Der lineare Ausdehungskoeffizient der isolierenden Unterlagen aus Aluminiumoxid des hochohmigen
Widerstandes liegt bei 0,8 χ 10-V°C, während derjenige der gehärteten Epoxyharzzusammensetzung gemäß
Tabelle 1 bei 1,2 χ 10-V0C liegt und es ergibt sich somit
nur eine sehr geringe Differenz von 0,4 χ 10-VC. Es ist
danach klar, daß der hochohmige Widerstand gemäß
r> der Erfindung in seiner Bauweise kompakt ist und eine hohe dielektrische Festigkeit sowie hohe mechanische
Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit besitzt.
Die Feldverteilung zwischen den Anschlüssen 9 und 9' des hochohmigen Widerstandes ist infolge der Tatsache,
daß die Schichtwiderstandselemente voneinander durch die Epoxyharzzusammensetzung elektrisch isoliert und
in gleichmäßigem Abstand voneinander angeordnet sind, gleichmäßig. Wenn man beispielsweise annimmt,
daß eine Gleichspannung von 100 kV an die Klemmen 9
Jj und 9' des hochohmigen Widerstandes angelegt wird, so
können in diesem Falle Kriechverluste, die längs der Oberfläche von hochohmigen Widerständen auftreten,
ausreichend vermieden werden, wenn die Klemmen 9 und 9' mehr als 20 cm voneinander entfernt sind. Die
Größe des hochohmigen Widerstandes kann somit auf weniger als die Hälfte der herkömmlichen Vorrichtungen
dieser Art vermindert werden.
Der nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhaltene hochohmige Widerstand wird allgemein
elektrisch abgeschirmt, wenn er als Vergleichswiderstand verwendet wird. Zu Problemen, die sich in dieser
Beziehung ergeben, gehören die elektrische Isolation zwischen der Abschirmung bzw. dem Abschirmkäfig
und dem Hochspannungsanschluß. In den F i g. 6 und 7
■io sind zwei Formen solcher Isolation gezeigt. Bei dem in F i g. 6 gezeigten hochohmigen Widerstand wurde ein
Porzellanisolator 10 an den Block 8 der von der Abschirmung 12 umgebenen gehärteten Epoxyharzzusammensetzung
zur Erzielung eines ausreichenden isolierenden Abstandes zwischen dem Hochspannungsanschluß 11 und der Abschirmung 12 angeformt bzw.
angegossen. Obgleich gemäß F i g. 6 ein Porzellanisolator verwendet wurde, kann dieser Isolatorteil aus dem
gleichen Material sein wie der durch die gehärtete
ho Epoxyharzzusammensetzung gebildete Block und in sich zusammenhängend mit letzterem geformt werden.
Ein herkömmlicher (stabförmiger) hochohmiger Widerstand dieser allgemeinen Art wurde durch
Präparation eines handelsüblich erhältlichen Schicht-
b5 Widerstandselements (Durchmesser 50 mm χ Länge
600 mm) mit einer spiralförmig auf einen stabförmigen elektrisch isolierenden Träger aus Aluminiumoxid
aufgetragenen Kohlenstoff-Harzwiderstandsschicht
und Umwickeln des Schichtwiderstandselements für die elektrostatische Abschirmung mit ölimprägniertem
Papier hergestellt. Ein solcher herkömmlicher hochohmiger Widerstand wurde mit dem in F i g. 6 gezeigten
hochohmigen Widerstand gemäß der Erfindung verglichen. Bei der Prüfung wurden diese beiden hochohmigen
Widerstände in Isolieröl mit einer sehr geringen Menge von darin dispergierter feinpulveriger Kohle
anstelle von Staub eingetaucht und eine Gleichspannung von 15OkV zum Vergleich von Rauschen und
Stabilität angelegt.
Die Prüfergebnisse sind in Tabelle 2 wiedergegeben.
Erfindungsgemäßer
Widerstand
Widerstand
Herkömmlicher
Widerstand
Widerstand
Rauschen
Spannungsschwankung
weniger als
Ιμν/V
Ιμν/V
weniger als
1 μν/V/min
1 μν/V/min
4 μν/V min
Wie aus Tabelle 2 ersichtlich ist, sind sowohl das Rauschen als auch die Spannungsschwankungen bei
dem hochohmigen Widerstand gemäß der Erfindung geringer als bei dem herkömmlichen hohen Widerstand.
Wenn also der hochohmige Widerstand gemäß der Erfindung in einem Elektronenmikroskop als Vergleichswiderstand
verwendet wird, kann die Auflösung des Elektronenmikroskops 1,5- bis 2mal gegenüber
derjenigen von herkömmlichen Elektronenmikroskopen verbessert werden.
Ausführungsart 2
25 Schichtwiderstandselemente wie in Fig. 1 mit je einem Widerstandswert von 40 ΜΩ wurden wie im
Falle der Ausführungsart 1 in Reihe miteinander verbunden und die Anordnung mit einer elastischen
Polyesterharzzusammensetzung vergossen. Diese elastische Polyesterharzzusammensetzung bestand aus 100
Gewichtsteilen eines durch Herbeiführung einer Reektion zwischen Maleinsäureanhydrid und einem Polybutadien
mit hydrierten Hydroxylendgruppen erhaltenen ungesättigten Polyesterharzes (wie in der US-Patentanmeldung
8 80 926 vom 28.11.1969 mit dem Titel »Polyesterharz und Verfahren zur Herstellung desselben«
beschrieben), 35 Gewichtsteilen tert. Butylstyro! und 1 Gewichtsteil Dicumylperoxid sowie 1,2 Gewichtsteilen Kobaltnaphthenat (als Katalysator zugegeben).
Nach Vergießen dieser Polyesterharzzusammensetzung wurde zur Härtung des Harzes 16 Stunden lang auf
8O0C erwärmt unter Erzielung eines vergossenen
hochohmigen Widerstandes ähnlich wie in Fig. 7. Das vorstehend angegebene Polyesterharz hat ausgezeichnete
elektrische Eigenschaften und ist ausreichend elastisch. Auf diese Weise absorbiert dieses Polyesterharz
Deformationen der Widerstandselemente infolge von Wärmespannungen, die zwischen dem Harz und
dem isolierenden Träger des Schichtwiderstandselements auftreten, wodurch eine unerwünschte Beschädigung
der Widerstandselemente verhindert wird. Zu Materialien, mit denen eine ähnliche Wirkung wie mit
dem vorstehenden Polyesterharz erreicht werden kann, gehören warmhärtende Siliconharze und flexible
Epoxyharze.
Als warmhärtende Harzzusammensetzungen, wie sie im Zusammenhang mit den Ausführungsarten 1 und 2
beschrieben wurden, kommen solche in Frage, wie sie allgemein zum Vergießen verwendet werden, und es
besteht keinerlei besondere Beschränkung. Solche Harze, die beim Vergießen eine Viskosität von mehr als
10 Pais (100 Poise) zeigen, sind jedoch für Hochspannungsanwendungen unerwünscht, da eine Tendenz zum
Auftreten von schwierig zu eliminierenden Lücken oder Hohlräumen im Formkörper besteht, außer wenn die
Harze einen Füllstoff enthalten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Hochohmwiderstand für Gleichstrom-Hochspannungsschaltungen
mit mehreren in bestimmtem "> Abstand übereinander angeordneten Widerstandselementen,
von denen jedes eine auf einem isolierenden Trägerkörper aus hochtemperaturbeständigem
Material ausgebildete Widerstandsschicht aufweist, wobei die Widerstandsschichten in
sämtlicher Widerstandselemente zur Erzielung eines gewünschten Widerstandswertes in Reihe verbunden
sind und sämtliche Widerstandselemente in einem bei normalen Betriebsbedingungen festen
organischen Isolierstoff eingebettet sind, g e k e η η - r>
zeichnet durch die Gesamtheit der folgenden
Merkmale, daß die einzelnen Trägerkörper (1) aus Platten bestehen, die übereinandergeschichtet und in
ihrer gegenseitigen Lage nur durch ein sie einbettendes, ausgehärtetes, warmhärtendes Kunst- .>
<> harzmateriai (8) gehalten sind, und daß der Unterschied zwischen dem linearen Ausdehungskoeffizienten
der plattenförmigen Trägerkörper (1) und dem des Kunstharzmaterials (8) geringer als
Ix 10-V0C ist.
2. Hochohmwiderstand nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Glasschutzüberzug (6) auf der
Widerstandsschicht (5) jedes Widerstandselementes.
3. Hochohmwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das warmhärtende Kunstharz- in
material (8) 100 Gewichtsteile eines warmhärtenden Harzes und 1000 bis 2500 Gewichtsteile eines
elektrisch isolierenden anorganischen Füllstoffs enthält.
4. Hochohmwiderstand nach Anspruch 1, dadurch π gekennzeichnet, daß jedes Widerstandselement eine
mäanderförmig ausgebildete und mit Zwischenanschlußpunkten versehene Widerstandsschicht (5) zur
Widerstandsjustierung durch entsprechende Wahl von zwei Anschluüpunkten aufweist.
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Publications (3)
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |