DE3938240A1 - Spannungsabhaengiger widerstand (varistor) fuer hochfrequenz-/hochenergieanwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen spannungsabhängigen Wider­ stand (Varistor) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 33 35 613 A1 ist ein Varistor bekannt, der einen als Rohr ausgebildeten Oxid-Keramikkörper aufweist. Die Innen- und Außenfläche des Keramikrohres ist mit Metallelek­ troden belegt und der Innenraum mit gut wärmeleitenden Me­ tall gefüllt. Dieser Varistortyp ist gekennzeichnet durch kleine Varistorspannungen, gute Impulsbelastbarkeit und ein gutes Energieabsorptionsvermögen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Varistoren mit den vorgenannten elektrischen und thermischen Eigen­ schaften das Hochfrequenz-, das Durchschalt- und das Energieaufnahmevermögen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale und durch das im Kenn­ zeichen des nebengeordneten Anspruchs 4 angegebene Merkmal gelöst.

Der erfindungsgemäße Varistor kann in vorteilhafter Weise für die Ableitung von Überspannungs- und Überstromstörim­ pulsen eingesetzt werden, die zum Beispiel durch Blitz­ oder NEMP-Einschläge hervorgerufen werden, aber auch beim Ein- und Ausschalten von elektrischen Netzen und Geräten auftreten können. Über die kugelförmige Gestaltung der erfindungsgemäßen Varistoren wird in vorteilhafter Weise der bei hohen Frequenzen auftretende Skin-Effekt unter­ drückt. Dieser Effekt kann im Varistor zu einer zer­ störung der Kristallstruktur führen. Mit dem im nebenge­ ordneten Anspruch 4 offenbarten Lösungsmerkmal wird die Leitungsreflexion an der Schnittstelle zwischen der Anschlußleitung und dem Bauelement unterdrückt und damit die Energieaufnahme von Varistoren verbessert. Durch eine großflächige Kontaktierung der äußeren Kugel­ elektrode wird eine nieder-impedante Ableitung der elektrischen Energie auf kürzestem Weg erreicht. Dieses Lösungsmerkmal trägt dazu bei, daß der erfindungsgemäße Varistor auch bei hohen Strombelastungen sehr schnell durchschaltet, was sich vorteilhaft auf seine Lebens­ dauer auswirkt. Dadurch ergeben sich Möglichkeiten für einen verstärkten Einsatz von Varistoren in der Kfz- Elektrik, der wesentlich durch die erreichbaren Lebens­ dauern dieser Bauelemente bestimmt ist.

In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen angegeben, die in vorteilhafter Weise den Abtransport gespeicherter ther­ mischer Energie aus dem Bauelement verbessern.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Kugelschalenvaristor ,

Fig. 2 zeigt denselben Varistortyp mit Flüssigkeitsküh­ lung und

Fig. 3 zeigt eine zentrale Stromzufuhr in die Kugelelektrode eines Varistors nach Fig. 1

Der in Fig. 1 gezeigte Varistor besteht aus einer Kugel­ elektrode 2, einer Oxid-Keramikschicht 1, einer Metall­ schichtelektrode 3, elektrischen Anschlußstücken 4 und 5, einer Isolierhülle 6 und einer Epoxidharzschicht 7. Die Kugelelektrode 2 ist aus Vollmaterial und von der auf ZnO- Basis hergestellten Oxid-Keramikschicht 1 umhüllt. Diese Keramikschicht 1 wiederum ist auf ihrer Außenfläche von der Metallschichtelektrode 3 kontaktierend umhüllt. Die elek­ trischen Anschlußstücke 4 und 5 sind an den Elektroden 2 und 3 befestigt und das Anschlußstück 4 ist mit der Iso­ lierhülle 6 gegenüber der Elektrode 3 und Keramikschicht 1 elektrisch isoliert. Die Epoxidharzschicht 7 umhüllt den gesamten Varistor und Teile der Anschlußstücke 4 und 5 und schützt ihn gegenüber äußeren Beanspruchungen der ver­ schiedensten Art. Die Oxid-Keramikschicht 1 kann in einem Sinterverfahren auf die Kugelelektrode 2 aufgebracht sein. Es ist auch denkbar, daß in den Hohlraum einer gesinterten Keramik-Kugelschale eine Metallelektrode eingegossen wird. Zur Erzielung von kleinen Varistorspannungen und einer guten Wärmeabfuhr aus der Oxid-Keramikschicht 1 ist es vorteil­ haft, kleine Schichtdicken für diese Keramikschicht zu verwenden.

Bei Hochfrequenzbelastungen des Varistors, z. B. durch eine Belastung mit schnellen und steilen Impulsen, können bei den großen in der Oxid-Keramikschicht 1 auftretenden Magnet­ feldern, die mit ihrer Feldstärke in der Größenordnung von 50 000 A/m bis 100 000 A/m liegen, Stromverdrängungen auf­ treten, durch welche die Stromführung durch das Bauelement in die Randbereiche der Oxid-Keramikschicht verdrängt wird. Dieser als Skin-Effekt bekannte Vorgang führt zu Überlas­ tungen des Varistormaterials in den Randbereichen. Bei Kugelschalenvaristoren kann dieser Skin-Effekt wegen eines fehlenden Randbereiches nicht auftreten.

Die Kugelelektrode 2 bildet mit der kugelförmigen Metall­ schichtelektrode 3 und der dazwischen angeordneten Oxid- Keramikschicht 1 ein sphärisches, koaxiales Leitersystem dessen Impedanz durch Dimensionierung der Keramik­ und Elektrodenschichten (1, 2, 3) so eingestellt werden kann, daß sie denselben Wert hat wie der Wellenwiderstand der an­ geschlossenen Leitung, z. B. 50 Ohm (Leiter gegen Erde). Auf diese Weise kann der Varistor - gegen Masse geschaltet - auch die größtmögliche elektrische Leistung aufnehmen. An die äußere Metallschichtelektrode 3 ist ein großflächiges elektrisches Anschlußsystem 5 angebracht, das eine große kugelförmig Kontaktübergangsfläche zu der Metallschicht­ elektrode 3 aufweist. Die dadurch bedingte gute Ableitung der elektrischen Energie aus dem Bauelement führt zu Durch­ schaltzeiten im Pikosekundenbereich bei Strombelastungen, die Werte von 100 kA überschreiten. Mit den kurzen Durch­ schaltzeiten werden die Lebenszyklen der Bauelemente erheb­ lich gesteigert.

Der Kugelschalenvaristor gemäß Fig. 2 besitzt eine Kugel­ elektrode 2, die einen Hohlraum 8 aufweist, durch den Kühlflüssigkeit strömt. Die Kühlflüssigkeit wird dem Hohlraum 8 über ein Anschlußrohr 9 zugeführt, das mit dem Hohlraum 8 der Kugelelektrode 2 verbunden ist und gleichzei­ tig als elektrisches Anschlußstück für diese Elektrode 2 dient. Über einen weiteren Rohranschluß 11 wird erwärmte Kühlflüssigkeit aus dem Hohlraum 8 abgeführt. Die Kugel­ elektrode 2 und die Zu- und Ableitungsrohre 9, 11 können als einstückiger Körper geformt sein, auf den die anderen Schichten aufgetragen sind. Der elektrische Anschluß an die äußere Metallschichtelektrode 3 ist als großflächiges An­ schlußstück 5 ausgebildet und entspricht der zu Fig. 1 be­ schriebenen Ausführung. Die Isolierhüllen 6 dienen zur elek­ trischen Isolierung der Anschlußrohre 9 und 11 gegenüber der äußeren Elektrode 3 und der Keramikschicht 1.

In Fig. 3 ist ein elektrisches Anschlußstück 2 gezeigt, das, von einer Isolierhülle 6 umgeben, in das Zentrum der Kugelelektrode 2 eines Varistors nach Fig. 1 eingeführt und dort mit einem Gewinde befestigt ist. Die zentrale Strom­ zufuhr in die Kugelelektrode 2 verbessert die Stromver­ teilung in der Elektrode 2.

Claims (5)

1. Spannungsabhängiger Widerstand (Varistor) der als Hohl­ räumekörper ausgebildet ist und aus halbleitender Oxid- Keramik auf Metalloxid-Basis besteht, bei dem auf der Innen- und Außenfläche des Hohlraumkörpers Elektroden ange­ bracht sind und dessen Hohlraum mit gut wärmeleitendem Me­ tall gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die halblei­ tende Oxid-Keramikschicht (1) als Kugelschale ausgebildet ist, deren Hohlraum von einer Kugelelektrode (2) kontak­ tierend ausgefüllt ist, daß die Außenfläche der Oxid-Kera­ mikschicht von einer Metallschichtelektrode (3) kontak­ tierend umhüllt ist, daß an den Elektroden (2, 3) elektrische Anschlußstücke befestigt sind, daß das an der Kugelelek­ trode (2) befestigte Anschlußstück (4) die Keramikschicht (1) und die äußere Metallschichtelektrode (3) elektrisch isoliert durchdringt, und daß das an der äußeren Metall­ schichtelektrode (3) befestigte Anschlußstück (5) als Flächenkontakt ausgeführt ist, der eine kugelförmige Kontaktierungsfläche zur äußeren Metallschichtelektrode (3) aufweist.

2. Spannungsabhängiger Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelelektrode (2) einen Hohlraum (8) aufweist, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird.

3. Spannungsabhängiger Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- Abfuhr der Kühlflüssigkeit in den Hohlraum (8) über Anschlußrohre 9 und 11 erfolgt, von denen eines gleichzeitig als elektrisches Anschlußstück für die Kugelelektrode (2) ausgebildet ist.

4. Spannungsabhängiger Widerstand (Varistor), der als Hohl­ raumkörper ausgebildet ist und aus halbleitender Oxid-Kera­ mik aus Metalloxid-Basis besteht, bei dem auf der Innen- und Außenfläche des Hohlraumkörpers Elektroden angebracht sind und dessen Hohlraum mit gut wärmeleitendem Metall gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtabmessungen und Materialspezifikationen des Varistors so ausgewählt sind, daß der Wellenwiderstand des Varistors dem bekannten Wellen­ widerstand einer gegen Masse geschalteten Anschlußleitung entspricht.

5. Spannungsabhängiger Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das an der Kugelelektrode (2) befestigte Anschlußstück (4) im Zentrum der Elektrode (2) befestigt und von einer Isolierhülle (6) elektrisch isoliert in das Zen­ trum der Elektrode (2) eingeführt ist.