DE4232969A1

DE4232969A1 - Elektrisches Widerstandselement

Info

Publication number: DE4232969A1
Application number: DE4232969A
Authority: DE
Inventors: Anton Dr Demarmels; Felix Dr Greuter; Ralf Dr Struempler
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1992-10-01
Filing date: 1992-10-01
Publication date: 1994-04-07
Also published as: DE59303003D1; EP0590347A1; JPH06215903A; US5416462A; EP0590347B1

Description

Technisches Gebiet

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Widerstandselement mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen angeordneten und PTC-Verhalten aufweisenden Widerstandskörper aus mindestens einer Polymermatrix und mindestens einer in die Polymermatrix eingebetteten Füllstoffkomponente aus elektrisch leitenden Teilchen.

Stand der Technik

Widerstände mit PTC-Verhalten sind schon seit langem Stand der Technik und sind beispielsweise in DE 29 48 350 C2 oder US 4 534 889 A beschrieben. In kommerziell erhältlichen Ausführungen enthalten solche Widerstände vorzugsweise Widerstandskörper aus einem mit Ruß gefüllten semikristallinen Polymer, welches PTC-Verhalten aufweist. Unterhalb einer materialspezifischen Übergangstemperatur befindet sich dieses Polymer in einem niederohmigen Zustand. Oberhalb der Übergangstemperatur geht das Polymer in einen hochohmigen Zustand über. Beim Überschreiten der Übergangstemperatur erhöht sich der spezifische Widerstand des PTC-Widerstandes sprungartig um viele Größenordnungen und wird so ein unerwünschter Kurzschlußstrom wirkungsvoll begrenzt. PTC-Widerstände können daher als Überlastschutz von Schaltkreisen eingesetzt werden. In einem für große Betriebsströme und große Betriebsspannungen ausgelegten elektrischen Schaltkreis kann während des Übergangs vom nieder- in den hochohmigen Zustand im PTC-Widerstand beträchtliche Energie umgesetzt werden, welche zu einer Zerstörung des PTC-Widerstandes führt. Um die umgesetzte Energie möglichst gering zu halten, ist es für die Verwendung eines PTC-Widerstandes als strombegrenzendes Element in einem für große Betriebsströme und große Betriebsspannungen ausgelegten elektrischen Schaltkreis daher von entscheidender Bedeutung, daß der PTC-Widerstand bei Überlast in kürzester Zeit seinen hochohmigen Zustand erreicht.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Widerstandselement mit PTC-Verhalten zu schaffen, welches sich trotz einfachen und kostengünstigen Aufbaus durch hohe elektrische Leitfähigkeit im niederohmigen Zustand und durch eine geringe Ansprechzeit für den PTC-Übergang vom nieder- in den hochohmigen Zustand auszeichnet.

Das elektrische Widerstandselement nach der Erfindung kann aus kommerziell erhältlichen Komponenten, wie einer Polymermatrix und einem geeigneten Füllstoff in einfacher und kostengünstiger Weise hergestellt werden. Es weist im niederohmigen Zustand einen spezifischen elektrischen Widerstand kleiner 30 mΩ·cm auf und kann daher ohne weiteres als strombegrenzendes Element in elektrischen Schaltkreisen eingesetzt werden, die für große Betriebsströme und große Betriebsspannungen ausgelegt sind.

Von besonderem Vorteil ist es hierbei, daß die zum Übergang vom nieder- in den hochohmigen Zustand benötigte Ansprechzeit sehr gering ist. Dies ist vor allem eine Folge der geeigneten Auswahl der zur Herstellung des erfindungsgemäßen Widerstandselementes benötigten Materialien. Ausgehend von der Forderung, daß die Joulesche Wärme, die im PTC- Widerstandselement innerhalb einer Zeit δt, die zum Übergang vom nieder- in den hochohmigen Zustand benötigt wird, freigesetzt wird, mindestens so groß sein muß wie die Energie, die nötig ist, um das Material des Widerstandskörpers von einer Nominaltemperatur T auf die Temperatur T_c aufzuheizen, in der der Übergang stattfindet, ergibt sich folgende Relation für das Verhalten des Widerstandselementes:

r·(l/A)·I²(t)·δtA·l·c_p·d·(T_c-T),
wobei
r den spezifischen elektrischen Widerstand,
A die Querschnittsfläche,
l die Länge,
d die spezifische Dichte und
c_p die spezifische Wärmekapazität
des Widerstandskörpers des von einem zeitvariablen Strom I(t) durchflossenen Widerstandelementes bedeuten. Hieraus ist zu ersehen, daß bei Randbedingungen, die durch den spezifischen Widerstand und die geometrischen Abmessungen des Widerstandskörpers festgelegt sind, die Ansprechzeit dann klein ist, wenn entsprechend dem erfindungsgemäßen Widerstandselement die spezifische Wärme und/oder die spezifische Wärmekapazität seines Widerstandskörpers möglichst gering gehalten werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Widerstandselementes werden eine geringe spezifische Wärme und/oder eine geringe spezifische Wärmekapazität dadurch erreicht, daß die elektrisch leitenden Teilchen des in die Polymermatrix eingebetteten Füllstoffs jeweils kugel-, faser- oder plättchenförmig ausgebildet sind, und vorzugsweise jeweils in Form eines Verbundstoffkörpers vorliegen. Ein solcher Verbundstoffkörper weist überwiegend jeweils einen mit einer Schicht aus leitfähigem Material oberflächenbeschichteten, vorzugsweise hohl oder porös, gegebenenfalls aber auch massiv, ausgebildeten Tragkörper aus einem Material auf mit einer gegenüber dem leitfähigen Material geringeren spezifischen Dichte und/oder geringeren spezifischen Wärmekapazität.

Eine weitere erhebliche Verringerung der Ansprechzeit läßt sich dann erreichen, wenn zumindest ein Teil der Polymermatrix von Polymerschaum gebildet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine Aufsicht durch einen Schnitt durch eine typische Ausführungsform des elektrischen Widerstandselementes nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen zentral geführten Schnitt durch ein als Kugel ausgeführtes Teilchen eines im Widerstandselement gemäß Fig. 1 vorgesehenen Füllstoffs und

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen zentral geführten Schnitt durch ein als Hohlkugel ausgeführtes Teilchen eines im Widerstandselement gemäß Fig. 1 vorgesehenen Füllstoffs.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Das in Fig. 1 dargestellte Widerstandselement enthält einen zwischen zwei Kontaktanschlüssen 1, 2 angeordneten Widerstandskörper 3 mit PTC-Verhalten. Unterhalb einer Übergangstemperatur T_c weist dieses Widerstandselement einen geringen spezifischen Kaltwiderstand auf und bildet nach Einbau in ein durch Strombegrenzung zu schützendes elektrisches Netz mindestens einen zwischen den beiden Kontaktanschlüssen 1, 2 verlaufenden und vorzugsweise Nennstrom führenden Pfad. Oberhalb der Übergangstemperatur T_c weist das Widerstandselement einen verglichen mit seinem spezifischen Kaltwiderstand großen spezifischen Heißwiderstand auf.

Der Widerstandskörper 3 ist gebildet von einer vorzugsweise ein Duro- oder Thermoplast oder ein Elastomer enthaltenden Polymermatrix 4. In diese Matrix 4 sind von elektrisch leitenden Teilchen 5 gebildete Füllstoffe eingebettet. Die Teilchen 5 sind zumindest teilweise jeweils als Verbundstoffkörper mit elektrisch leitender Oberfläche und/oder als hohler oder poröser Körper aus elektrisch leitendem Material ausgebildet. Die Teilchen 5 weisen gegenüber massiv ausgebildeten Teilchen aus leitfähigem Material jeweils eine geringere spezifische Dichte und/oder geringere spezifische Wärmekapazität auf.

Aus den Fig. 2 und 3 sind der Aufbau und die Struktur besonders zu bevorzugender Teilchen 5 zu erkennen. Ersichtlich sind diese Teilchen als Verbundstoffkörper ausgebildet und weisen jeweils einen mit einer Schicht 6 aus leitfähigem Material oberflächenbeschichteten Tragkörper 7 aus einem Material auf mit einer gegenüber dem leitfähigen Material geringeren spezifischen Dichte und/oder geringeren spezifischen Wärmekapazität. Ein Widerstandselement, welches derart ausgebildete Teilchen 5 enthält, weist praktisch die gleiche elektrische Leitfähigkeit im niederohmigen Zustand auf wie ein gleichartig bemessenes Widerstandselement, welches im Unterschied dazu massiv ausgebildete Teilchen enthält. Da es jedoch eine geringere spezifische Dichte und/oder geringere spezifische Wärmekapazität besitzt als ein mit massiv ausgebildeten Teilchen aus leitfähigem Material gefülltes Widerstandselement, ist bei einem solchen Widerstandselement die Ansprechzeit beim Übergang vom nieder- in den hochohmigen Zustand wesentlich herabgesetzt.

In besonders leicht herzustellenden Ausführungsformen der Erfindung sind - wie aus Fig. 2 ersichtlich ist - die Tragkörper 7 der Teilchen 5 als massive Kugeln oder - wie aus Fig. 3 ersichtlich ist - als Hohlkugeln ausgebildet. Ein massive Kugeln enthaltendes Widerstandselement weist eine etwas höhere Wärmeleitung und damit auch eine etwas größere Nennstromtragfähigkeit auf als ein Hohlkugeln enthaltendes Widerstandselement. Hingegen zeichnet sich ein Hohlkugeln enthaltendes Widerstandselement durch eine kleinere Masse, eine geringere spezifische Dichte, eine geringere spezifische Wärmekapazität und damit durch eine kürzere Ansprechzeit aus. Bei Pulszeiten, die kleiner sind als die Zeit für die Wärmeausbreitung über die Teilchen, wirkt sich zudem die etwas geringere Wärmeleitung in einem Hohlkugeln enthaltenden Widerstandselement nicht aus.

Das die Schichten 6 bildende leitfähige Material kann vorwiegend Kohlenstoff und/oder ein Metall, wie Ag, Au, Ni, Pd und/oder Pt, und/oder mindestens ein Borid, Silizid, Oxid und/oder Carbid, wie etwa SiC, TiC, TiB₂, MoSi₂, WSi₂₁, RuO₂ oder V₂O₃, jeweils in undotierter oder dotierter Form, enthalten.

Hingegen ist der Tragkörper von einem Polymer, von Glas oder von einer Keramik gebildet. Als Polymer können hierbei ein Duroplast - etwa auf der Basis von Epoxid oder Phenol -, ein Thermoplast oder aber auch ein Elastomer Verwendung finden.

Gut bewährt als polymere Tragkörper 7 haben sich kommerziell erhältliche und mit Silber beschichtete Phenolharzkugeln mit Durchmessern von 1 bis 50 µm. Geeignete glashaltige oder keramische Tragkörper sind kommerziell erhältliche Kugeln auf der Basis von amorphem Quarz oder einem anderen Glas sowie von Al₂O₃, ZnO, Glimmer, Mullit oder Porzellan. Tragkörper aus ZnO fallen bei der Fertigung von Varistoren durch Sprühtrocknen von Pulversuspensionen und anschließendes Sintern an. Die Tragkörper können neben Kugelform auch Faser- oder Plättchenform aufweisen. Sie können zudem nicht nur massiv oder hohl ausgebildet sein, sondern können auch poröse, schwammartige Struktur aufweisen. Zu bevorzugen ist ein keramischer oder glasartiger Schaumstoff, etwa auf der Basis von TiC oder TiB₂, dessen Oberfläche mit einem metallischen Werkstoff imprägniert worden ist. Aus Metall können schwammartige Körper gebildet werden, welche ohne Beschichtung als leitfähige Teilchen 5 zu verwenden sind.

Die Beschichtung der Tragkörper 7 kann durch bekannte Verfahren, wie beispielsweise Chemical Vapor Deposition, Sol- Gel-Technik, Fällung und/oder elektrolytische Beschichtung, erreicht werden. Die Dicken der Schichten 6 der dabei hergestellten Teilchen 5 liegen vorzugsweise zwischen 0,05 und 5 µm, wohingegen die Durchmesser der Teilchen 5 typischerweise zwischen 1 und 200 µm liegen.

Zur Herstellung eines Widerstandselementes nach der Erfindung werden mit einem Schermischer oder mit einem Extruder in ein beispielsweise ein Epoxy oder ein Thermoplast enthaltendes Polymer eine die Teilchen 5 enthaltende Füllstoffkomponente eingemischt. Typischerweise beträgt der Füllstoffanteil ca. 40 Volumenprozent am hierbei gebildete Komposit. Dieses Komposit wird bei Thermoplasten durch Heißpressen und bei Epoxiden durch Gießen und anschließendes Aushärten bei erhöhter Temperatur zum Widerstandskörper 3 geformt. Die Kontaktanschlüsse 1, 2 werden durch Einpressen oder Eingießen während der Formgebung oder mittels eines niedrigschmelzenden Lotes nach der Formgebung angebracht. Die Abmessungen des solchermaßen hergestellten Widerstandselementes richten sich nach der jeweiligen Anwendung und können beispielsweise platten-, rohr- oder stabförmig sein mit typischen Durchmessern im Millimeter- bis Zentimeterbereich.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Widerstandselementes können die Tragkörper 7 jeweils auch als Hohlkugeln aus leitfähigem Material ausgebildet sein und kann die die Teilchen 5 einbettende Polymermatrix 4 zumindest teilweise von Polymerschaum gebildet sein.

Im Normalbetrieb bilden die im Widerstandskörper 3 des Widerstandselementes vorgesehenen Füllstoffe durch den Widerstandskörper 3 hindurchgehende niederohmige Strompfade. Durch einen Überstrom erwärmt sich das Widerstandselement stark und geht oberhalb der Übergangstemperatur T_c in einen hochohmigen Zustand über, in dem der Überstrom begrenzt wird. Die Ansprechzeiten von Widerstandselementen nach der Erfindung sind bei großen Überlastströmen gegenüber den Ansprechzeiten von gleich groß bemessenen Widerstandselementen nach dem Stand der Technik zum Teil ganz erheblich verkürzt. Bei gleichen geometrischen Abmessungen der Widerstandselemente und der Teilchen 5, einem Füllstoffanteil von jeweils 40 Volumenprozent, gleichen Überlastströmen und mit jeweils TiB₂ als elektrisch leitendem Material ergeben sich gegenüber einem Widerstandselement nach dem Stand der Technik mit Füllstoffteilchen aus massivem TiB₂ und einer Polymermatrix aus Epoxy die aus der nachfolgend angegebenen Zusammenstellung ersichtlichen erheblichen Verkürzungen der Ansprechzeiten:

Bezugszeichenliste

1, 2 Kontaktanschlüsse
3 Widerstandskörper
4 Polymermatrix
5 Teilchen
6 Schicht
7 Tragkörper.

Claims

1. Elektrisches Widerstandselement mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen (1, 2) angeordneten und PTC-Verhalten aufweisenden Widerstandskörper (3) aus mindestens einer Polymermatrix und mindestens einer in die Polymermatrix (4) eingebetteten Füllstoffkomponente aus elektrisch leitenden Teilchen (5), dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitenden Teilchen (5) zumindest teilweise jeweils als Verbundstoffkörper mit elektrisch leitender Oberfläche und/oder als hohler oder poröser Körper aus elektrisch leitendem Material ausgebildet sind und gegenüber massiv ausgebildeten Teilchen aus leitfähigem Material jeweils eine geringere spezifische Dichte und/oder geringere spezifische Wärmekapazität aufweisen.

2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbundstoffkörper und/oder hohlen oder porösen Körper jeweils kugel-, faser- oder plättchenförmig ausgebildet sind.

3. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die als Verbundstoffkörper ausgebildeten Teilchen (5) überwiegend jeweils einen mit einer Schicht (6) aus leitfähigem Material oberflächenbeschichteten Tragkörper (7) aus einem Material aufweisen mit einer gegenüber dem leitfähigen Material geringeren spezifischen Dichte und/oder geringeren spezifischen Wärmekapazität.

4. Widerstandselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (7) poröse Struktur aufweist.

5. Widerstandselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (7) als massive Kugel ausgebildet ist (Fig. 2).

6. Widerstandselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (7) als Hohlkugel ausgebildet ist (Fig. 3).

7. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Material Kohlenstoff und/oder ein Metall, wie Ag, Au, Ni, Pd und/oder Pt, und/oder mindestens ein Borid, Silizid, Oxid und/oder Carbid, wie etwa SiC, TiC, TiB₂, MoSi₂, WSi₂, RuO₂ oder V₂O₃, jeweils in undotierter oder dotierter Form, enthält.

8. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper von einem Polymer, wie insbesondere einem auf der Basis eines Phenolharzes, von Glas, wie insbesondere Quarzglas, oder von einer Keramik, wie insbesondere einer auf der Basis von Al₂O₃, ZnO₂, Glimmer, Mullit oder Porzellan, gebildet ist.

9. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen (5) Durchmesser zwischen 1 und 200 µm aufweisen.

10. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der auf den Tragkörper (7) aufgebrachten Oberflächenbeschichtung (6) zwischen 0,05 bis 5 µm liegt.

11. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Polymermatrix von Polymerschaum gebildet ist.