DE4330534A1 - Belastungsabhängige elektrische Präventivsicherung - Google Patents
Belastungsabhängige elektrische PräventivsicherungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine belastungsab
hängige elektrische Präventivsicherung entsprechend den
Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.
Für elektrische Schaltkreise sind Sicherungen bekannt. Sie
dienen dem Schutz der elektrischen Schaltkreise und der
mit diesen verbundenen Geräte und Maschinen, wenn uner
wünschte, in der Regel nicht Vorhergesehene, Belastungen
an den Schaltkreisen auftreten, die zu deren Beschädigung
führen können. Derartige Belastungen können Spannungs
spitzen im Versorgungsnetz, Kurzschlüsse infolge unsach
gemäßer Handhabung der Geräte, zu hohe Umgebungstempera
turen oder zu hohe Umgebungsfeuchten, etc. sein. Ent
sprechend kommen Schmelzsicherungen, Thermistoren oder
Humistoren allein oder in Kombination miteinander zum
Einsatz. Derartige Sicherungen werden im folgenden auch
kurz Belastungssicherungen genannt.
Zur Begrenzung von Überspannungen in elektrischen Schalt
kreisen ist beispielsweise aus der EP-B1-0 137 044 ein
Varistor bekannt, bei dem die elektrischen Eigenschaften
einer halbleitenden Strontiumtitanatkeramik ausgenutzt
werden. Elektrische Eigenschaften verschiedener kera
mischer Kristalle sind beispielsweise aus dem Aufsatz von
R. Waser mit dem Titel "dc Electrical Degradation of
Perovskite-Type Titanates: 11, Single Crystals" bekannt,
veröffentlicht im J. Am. Ceram. Soc. 73 (6) 1654-62
(1990).
In manchen Fällen soll es jedoch gar nicht erst zum
Ansprechen einer Sicherung kommen. Vielmehr soll das elek
trische Gerät mit dem elektrischen Schaltkreis ganz
gezielt, nach einer gewissen Betriebs- oder Belastungs
dauer, vorsorglich also präventiv abgeschaltet werden.
Solche Situationen treten häufig dort auf, wo Maschinen
aus Sicherheitsgründen nach bestimmten Belastungsinter
vallen gewartet werden müssen. Beispiele für derartige
Maschinen sind Automobil- oder Flugzeugmotoren. Die Not
wendigkeit, ein Gerät vorsorglich abzuschalten, kann aber
auch dann gegeben sein, wenn zu vermuten ist, daß das
Gerät in naher Zukunft defekt wird und ein Ersatz des
Gerätes im noch funktionierenden Zustand einfacher oder
kostengünstiger als im defekten Zustand ist. Auch gibt es
Geräte, wie z. B. Beleuchtungsquellen, bei denen eine
bestimmte Eigenschaft, nämlich deren Helligkeit mit
zunehmender Betriebsdauer in einer solchen Weise nachläßt,
daß das Gerät auszuwechseln ist, obwohl es bezüglich
anderer Eigenschaften, wie dem elektrischen Widerstand
durchaus noch funktionsfähig ist. Derartige Sicherungen
werden nachfolgend auch kurz Präventivsicherungen genannt.
Wichtige Komponenten solcher Präventivsicherungen sind
Betriebsstundenzähler, Kilometerzähler oder Durchfluß
messer. Im allgemeinen wird ein Zählerstand dazu verwandt,
ein optisches oder akustisches Warnsignal auszulösen, so
daß eine Abschaltung von Hand oder mittels einer Steuer
einheit vorgenommen werden kann. Präventivsicherungen,
deren Auslösung ausschließlich von der verstrichenen Zeit
abhängt, werden nachfolgend auch kurz zeitabhängige
Präventivsicherungen genannt.
In vielen Fällen sind jedoch Präventivsicherungen vorteil
haft, deren Auslösen durch eine Kombination oder bestimmte
Konstellation von gemessenen physikalischen Größen
verursacht wird. Es werden dann logisch miteinander
verschaltete Präventivsicherungen verwandt. Häufig soll
neben der Betriebsdauer auch die akkumulierte Belastung
einer Maschine während ihrer Betriebsdauer als Entschei
dungskriterium für etwaige Wartungsintervalle herangezogen
werden. Dies ist beispielsweise bei Automobilmotoren der
Fall. Zur Ermittlung der Wartungsintervalle genügt es in
der Regel nicht, den Kilometerstand allein zu überwachen.
Vielmehr ist es erforderlich, ebenso die zeitlich akkumu
lierte Motorleistung zu registrieren. Denn infolge von
Verkehrsstaus ist es denkbar, daß der Motor über längere
Zeit bei nicht drehender Tachowelle betrieben wird.
Die Belastung von Motoren steht oft auch in direktem
Verhältnis zur Betriebstemperatur der Motoren. D.h., je
heißer der Motor ist, desto höher ist seine Belastung. Aus
diesem Grund sind Präventivsicherungen von Vorteil, die
gleichzeitig die Betriebsdauer, wie auch die zeitlich
akkumulierte Betriebstemperatur und somit die zeitlich
akkumulierte Betriebsbelastung als Auslösekriterium
benutzen. Derartige Präventivsicherungen werden nach
folgend auch belastungsgesteuerte Präventivsicherungen
genannt. Im Stand der Technik wird dieses Problem durch
Präventivsicherungen gelöst, die mit einer Kombination von
entsprechenden Individualmeßgebern für die Temperatur und
die Zeit ausgerüstet sind. Jeder einzelne der indivi
duellen Meßgeber ist jedoch auch mit einem Ausfallrisiko
behaftet. Somit ist das Ausfallrisiko der zusammen
gesetzten Präventivsicherung größer als das Ausfallrisiko
jeder der Einzelkomponenten. Hinzu kommt der im Vergleich
zu einer Einzelkomponente erhöhte Montageaufwand.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine belastungsabhängige elektrische Präventivsicherung zu
schaffen, die bereits als Einzelkomponente mehrere
Belastungsarten erfassen kann, einfach aufgebaut ist und
somit das Ausfallrisiko und den Montageaufwand minimiert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnen
den Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Präventivsicherung weist eine elek
tronische Keramik mit Elektroden innerhalb eines Gehäuses
und mit herausgeführten Verbindungs- bzw. Anschlußleitung
für die Elektroden auf. Die eingesetzte elektronische
Keramik, nachfolgend kurz TDR (Time Dependent Resistor)-
Keramik genannt, hat erfindungsgemäß einen zeitabhängigen
Widerstand, der in Abhängigkeit von der Zeit von einem
quasi isolierenden Zustand in einen halbleitenden Zustand
übergeht, was das Auslöschkriterium darstellt. Beim
Betrieb der erfindungsgemäßen Präventivsicherung ist eine
Gleichspannung über die Verbindungsleitungen an die TDR-
Keramik anzulegen und der Stromanstieg am Ende der
Betriebszeit zu registrieren und entsprechend auszuwerten.
Bei konstanter Temperatur des zu überwachenden Geräts kann
erfindungsgemäß nach einer vorbestimmbaren Anzahl von
Betriebsstunden eine Auslösung der Präventivsicherung
erreicht werden.
Erfindungsgemäß läßt sich die Betriebs zeit τ der TDR-
Keramik in definierter Weise sowohl von der Temperatur T,
als auch von der angelegten Gleichspannungsversorgung U
und dem Abstand d der Elektroden auf oder in der TDR-
Keramik steuern. Dabei hat sich überraschend folgende
Gesetzmäßigkeit gezeigt:
τ = A (U/U₀)n1 (d/d₀)n2 exp (EA/kT)
In dieser Gleichung sind der Vorfaktor A, die Exponenten n₁
und n₂, sowie die Aktivierungsenergie EA materialabhängige
Konstanten. U₀ und d₀ bezeichnen die Spannungs- bzw.
Längeneinheit. Durch Variation der Keramik kann insbeson
dere der Faktor A um einige Größenordnungen verändert und
gezielt eingestellt werden.
Die erfindungsgemäße Präventivsicherung wird, wie aus der
vorgenannten Gleichung ersichtlich, auch von der Tempera
tur des zu überwachenden Geräts beeinflußt. Erfindungs
gemäß ist somit also eine äußerst einfache belastungs
abhängige elektrische Präventivsicherung angegeben, die
sowohl von der Betriebs zeit als auch der Temperatur eines
zu überwachenden Geräts beeinflußt wird und quasi automa
tisch eine Verknüpfung beider Meßgrößen als Auslösekrite
rium verwendet.
Es ist jedoch auch denkbar, daß die Temperatur des zu
überwachenden Geräts kein geeignetes Auslösekriterium
darstellt. Erfindungsgemäß ist dann auf einfache Weise der
TDR-Keramik eine Eigenheizung zuzuordnen, die durch einen
Kaltleiter, nachfolgend kurz PTC-Element genannt, gebildet
sein kann.
Die TDR-Keramik ist aus Strontiumcarbonat, Titandioxid und
Nickelhydroxocarbonat hergestellt, mit einer Zusammen
setzung von SrTi1,01Ni0,001O₃. Die Ausgangspulver wurden zuvor
gemahlen, bei 950 bis 1100°C kalziniert, erneut gemahlen,
verpreßt und bei 1480°C für zwei Stunden in Sauerstoff
gesintert. Anschließend wurde die TDR-Keramik in Scheiben
von bis zu einigen Millimetern Dicke geschnitten und beid
seitig durch Aufdampfen oder Einbrennen mit einer geeig
neten Metallpaste mit Elektroden versehen. Als Metalle
sind Silber, Gold, Platin, Palladium oder andere Edel
metalle bzw. Legierungen zwischen diesen Metallen geeig
net. Diese elektrodierte Keramikscheibe kann, um zu einer
rein zeitgesteuerten Präventivsicherung zu gelangen, ent
weder einseitig oder beidseitig in thermischen Kontakt mit
dem PTC-Element gebracht werden.
Das PTC-Element kann aus 70% BaTiO₃ und 30% PbTiO₃
bestehen und damit eine Curietemperatur Tc von etwa 260°C
haben. Der thermische Kontakt kann durch eine dünne Al₂O₃
bzw. AlN-Scheibe oder ein dünnes Glimmerplättchen
vermittelt werden, auf dem die Keramiken mittels eines
temperaturbeständigen Klebers fixiert werden. Die
Elektroden des PTC-Elements sind ebenfalls aus dem Gehäuse
herausgeführt und können mit den anderen herausgeführten
Leitungen entweder galvanisch getrennt oder unter Weg
lassen der Glimmerscheibe mit dem dann entstehenden
gemeinsamen Masseanschluß nach außen geführt werden. Im
Betrieb wird das PTC-Element durch eine angelegte Gleich
spannung etwa auf die Curietemperatur aufgeheizt. Die
Widerstand-Temperatur-Kennlinie des PTC-Elements führt in
der bekannten weise zu einer Selbststabilisierung der
Temperatur. Die Betriebszeit τ der TDR-Keramik hängt nun
nach der oben genannten Gleichung von der Spannung ab.
Ohne das PTC-Element liegt, wie bereits erwähnt, die zeit-
und temperaturabhängige Präventivsicherung vor. Das PTC-
Element kann z. B. durch eine Metallasche o. dgl. ersetzt
werden. Die Betriebszeit dieser Präventivsicherung hängt
dann neben der Spannung U und der Dicke d vom integralen
Temperaturverlauf an der Kontaktstelle des zu überwachen
den Geräts ab.
Um die Betriebszeit der bereits genannten Präventiv
sicherung mit einem PTC-Element von bislang einigen
Stunden auf einige tausend Stunden zu erhöhen, ist die
TDR-Keramik bei 1340°C sechs Stunden zu sintern und
anschließend bei 1280°C unter 200 bar Argon heiß zu
pressen und bei 800°C für acht Stunden in Sauerstoff nach
zutempern.
Die Betriebszeit τ kann überdies mit Hilfe der Sinter
temperatur über einen großen Bereich variiert werden, in
dem dem Ausgangspulver nach dem Kalzinieren und Malen ein
Mol.% Bariumtitanatsilikat (Ba₂Si₂TiO₈) zugegeben wurde.
Die TDR-Keramik kann überdies als Vielschichtstruktur mit
einem Abstand d der Innenelektroden zwischen einigen zehn
bis 100 µm ausgebildet sein, was den Betrieb mit äußerst
kleinen Spannungen ermöglicht. Der Exponent n₂ hat dann
Werte von 1 bis 1,1.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher
erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 die Draufsicht auf eine erfindungsgemäße elek
trische Präventivsicherung,
Fig. 2 den qualitativen Verlauf des Isolationswider
stands über der Zeit einer erfindungsgemäßen
TDR-Keramik,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Präventivsicherung im
Schnitt mit PTC-Element und getrenntem Masse
anschluß, und
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Präventivsicherung im
Schnitt mit PTC-Element und gemeinsamem Masse
anschluß.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen
elektrischen Präventivsicherung 10. Die Präventiv
sicherung 10 weist ein Gehäuse 11 auf, welches eine im
Inneren des Gehäuses 11 befindliche TDR-Keramik 12 und
einen ggf. vorhandenen PTC-Kaltleiter 13 vollständig
umschließt. Verbindungsleitungen 14, die zu den
Elektroden 17 der TDR-Keramik 12 bzw. des PTC-Elements 13
führen, sind aus dem Gehäuse 11 herausgeführt. Sie führen
zu einer Spannungsquelle und/oder Auswerteinheit. Das
Gehäuse 11 kann zur Montage an ein zu überwachendes Gerät
mit einer anbaubaren Anschlußfläche 15 mit einer Durch
gangsbohrung 26 versehen sein, die gleichzeitig auch als
Verlängerung der unteren Abschlußplatte des Gehäuses 11
ausgeführt sein kann. Das Gehäuse 11 kann aus beliebigem
Material, vorzugsweise aber aus Kupfer hergestellt sein.
Dies betrifft insbesondere die Anschlußfläche 15. Das
Gehäuse 11 selbst kann würfel- oder quaderförmig sein. Da
die im Inneren befindliche TDR-Keramik 12 und das ggf.
vorhandene PTC-Element 13 eine zylindrische Form mit
kreisförmiger Grundfläche haben, ist der verbleibende
Hohlraum des Gehäuses 11 mit Glaswolle 16 ausgepolstert.
Ferner ist in Fig. 1 eine Elektrode 17 der TDR-Keramik 12
zu erkennen.
Fig. 2 zeigt den qualitativen Verlauf des Isolationswider
stands R über der Zeit t der erfindungsgemäß zum Einsatz
kommenden TDR-Keramik 12. Der dargestellte Kurven-
Verlauf 18 entspricht etwa dem, der bei einer konstanten
Temperatur von T 260°C, einer Spannung U von 80 V und
einem Abstand d von 0,5 mm entspricht, wobei zunächst ein
Isolationswiderstand 19 von 10⁸ Ω vorherrscht, der dann
nach etwa zwei Stunden auf einen Wert von ca. 10⁵ Ω im
Bereich 20 zurückgeht. Diese Abhängigkeit, daß sich also
die Betriebszeit τ in definierter Weise sowohl von der
Temperatur, als auch von der angelegten Spannung und dem
Abstand d der Elektroden 17 auf oder in der TDR-Keramik
steuern läßt, entspricht überraschenderweise dem folgenden
und auch schon eingangs genannten empirischen Gesetz:
τ = A (U/U₀)n1 (d/d₀)n2 exp (EA/kT)
In dieser Gleichung sind der Vorfaktor A, die Exponenten n₁
und n₂, sowie die Aktivierungsenergie EA materialabhängige
Konstanten. U₀ und d₀ bezeichnen die Spannungs- bzw.
Längeneinheit. Durch die Variation der Keramik kann
insbesondere der Faktor A um einige Größenordnungen
geändert und gezielt eingestellt werden, wodurch die
absteigende Flanke 21 des Kurvenverlaufs 18 in Fig. 2 auf
der Zeitskala nach rechts bzw. links verschoben werden
kann.
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Präventivsicherung 10
im Schnitt mit einem PTC-Element 13 und einem von der
ebenfalls dargestellten TDR-Keramik 12 getrenntem Massen
anschluß 22. Zwischen dem heizenden PTC-Element 13 und der
TDR-Keramik 12 ist eine Glimmerscheibe 23 zur Isolation
vorgesehen. Die Verbindungsleitungen 14 führen auf die
jeweiligen Elektroden 17 der TDR-Keramik 12 und des PTC-
Elements 13 und haben in der Fig. 3 von oben nach unten
weisend eine Polarisationsfolge von +-+-. Der Zwischenraum
zwischen dem Gehäuse 11 und dem PCT-Element 13 und der
TDR-Keramik 12 ist mit Glaswolle 16 ausgefüllt. Anstelle
des PTC-Elements 13 kann, wie bereits ausgeführt, der
Boden des Gehäuses 11 mit einer in Fig. 3 nicht darge
stellten Anschlußfläche 15 versehen sein und das
Gehäuse 11 direkt unterhalb der TDR-Keramik 12
verschließen und mit dieser thermisch in Kontakt stehen.
Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Präventivsicherung 10
im Schnitt mit einem PTC-Element 13 und eine TDR-
Keramik 12, die eine gemeinsamen Masseanschluß 24 und
somit nur drei herausgeführte Verbindungsleitungen 14
haben, so daß sich eine Polarisationsfolge von +-+ ergibt.
Die Präventivsicherung 10 gemäß dieser Fig. 4 entspricht
ansonsten derjenigen, die in der Beschreibung zu Fig. 3
beschrieben wurde. Insoweit wird auf die Beschreibung zu
Fig. 3 verwiesen.
Hinsichtlich der TDR-Keramik 12 ist noch darauf hinzu
weisen, daß diese auch mit mehreren Elektroden 17 schicht
weise aufgebaut sein kann.
Hinsichtlich der Herstellung bzw. der Zusammensetzungen
der an sich aus dem eingangs genannten Stand der Technik
bekannten Keramiken wird folgendes ausgeführt:
Eine Präventivsicherung 10 gemäß Fig. 3 wird aus einer
akzeptordotierten, z. B. Ni-dotieren Strontiumtitanat
keramik als TDR-Keramik 12 und einer herkömmlichen
PTC-Keramik 13 auf der Basis von dotierten Bariumtitanaten
bzw. Barium/Bleititanaten gebildet, die thermisch eng
gekoppelt, elektrisch auch voneinander isoliert sein
können.
Die TDR-Keramik 13 wird aus Strontiumcarbonat, Titandioxid
und Nickelhydroxocarbonat hergestellt, welches zu einer
Keramik der Zusammensetzung SrTi1,01Ni0,0010₃ führt. Die
Ausgangspulver wurden gemahlen bei 950 bis 1100°C
kalziniert, erneut gemahlen, verpreßt und bei 1480°C für
2 Stunden im Sauerstoffstrom gesintert. Anschließend wurde
die TDR-Keramik 12 in Scheiben der Dicke d (mit d zwischen
0,1 und 2 mm) geschnitten. Die Elektroden 17 wurden beid
seitig durch Aufdampfen oder durch Einbrennen einer
geeigneten Metallpaste aufgebracht. Als Metalle sind
Silber, Gold, Platin, Palladium oder andere Edelmetalle
bzw. Legierungen zwischen diesen Metallen geeignet. Die
elektrodierte Keramikscheibe wurde entweder einseitig oder
beidseitig in thermischen Kontakt mit dem PTC-Element 13
gebracht, welches beispielsweise aus 70% BaTiO₃ und
30% PbTiO₃ besteht und damit eine Curietemperatur Tc von
etwa 260°C hat. Der thermische Kontakt kann durch eine
dünne Al₂O₃- bzw. AlN-Scheibe oder Glimmerplättchen 23
vermittelt werden, auf denen die Keramiken 12, 13 mittels
eines temperaturbeständigen Klebers 25 fixiert werden.
Wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, können die elektrischen
Zuleitungen 14 entweder galvanisch getrennt oder unter
Weglassen der Glimmerscheibe 23 mit gemeinsamem Masse
anschluß 24 nach außen geführt werden. Im Betrieb wird das
PTC-Element 13 durch eine angelegte Gleichspannung etwa
auf Tc aufgeheizt. Die Widerstands-Temperatur-Kennlinie des
PTC-Element 13 führt in der bekannten Weise zu einer
Selbststabilisierung der Temperatur. Die Auslösezeit, also
die Betriebs zeit τ der TDR-Keramik 12 hängt nach der
genannten Gleichung von der Spannung U ab, wobei der
Exponent n₁ für die hier aufgeführte TDR-Keramik 12 einen
Wert von etwa -2 hat. Fig. 2 zeigt den Widerstand einer
Keramikscheibe 12 mit einer Dicke d = 0,5 mm und einer
Elektrodenfläche von etwa 200 mm². Bei der Temperatur
T = 260°C wird eine gewünschte Betriebszeit der Präventiv
sicherung von τ = 2 h bei einer Spannung von 80 V
erreicht.
Eine Präventivsicherung ohne PTC-Element 13 zum Heizen
wird in gleicher Weise hergestellt, wie oben beschrieben.
Anstelle der PTC-Keramiken 13 wird eine Anschlußlasche 15
angebracht (siehe Fig. 1), die es erlaubt, die Sicherung
in engen, thermischen Kontakt mit dem zu überwachenden
Gerät zu bringen.
Die Betriebszeit dieser Sicherung 10 hängt neben der
Spannung U und der Dicke d vom integralen Temperatur
verlauf an der Kontaktstelle des zu überwachenden Gerätes
ab.
Eine Präventivsicherung mit oder ohne PTC-Element 13 zum
Heizen kann in gleicher Weise hergestellt sein, wie oben
beschrieben. Die Sinterbedingung kann jedoch in der Weise
variiert werden, daß die TDR-Keramik 12 bei 1340°C und 6 h
gesintert wird. Anschließend wird die Keramik 12 bei
1280°C unter 200 Bar Argon heißgepreßt und bei 800°C für
8 Stunden in Sauerstoff nachgetempert.
Die Betriebszeit τ dieser Präventivsicherung 10 ist durch
eine geänderte Mikrostruktur der Keramik 12 bei unver
änderten Parametern etwa 1000-fach höher. Bei einer Dicke
der Keramikscheibe 12 von d = 0,5 mm, einer Temperatur
T =200°C und einer Spannung von 80 V ergibt sich eine
Betriebszeit τ der Präventivsicherung von 2000 Stunden.
Eine Präventivsicherung 10 mit oder ohne PTC-Element 13
kann wie oben beschrieben hergestellt sein. Dem Ausgangs
pulver kann nach dem Kalzinieren und Mahlen 1 mol% Barium
titanatsilikat (Ba₂Si₂TiO₈) zugegeben werden. Dies erlaubt
die Betriebszeit τ der Sicherung 10 mit Hilfe der Sinter
temperatur über einen großen Bereich zu variieren. Bei
einer Temperatur von 360°C, einer Spannung 125 V und
Scheibendicken von 1 mm ergibt beispielsweise eine Sinte
rung bei 1340°C für 6 h eine Betriebszeit τ = 140 h, eine
Sinterung bei 1380°C für 6 h eine Betriebszeit τ = 28 h
und eine Sinterung bei 1460°C für 2 h eine Betriebszeit
τ = 11 h.
Eine Präventivsicherung 10 mit oder ohne PTC-Element 13
kann wie oben beschrieben und bei verändertem Ausgangs
pulver gemäß vorstehendem Absatz hergestellt werden. Die
TDR-Keramik 12 wird dabei als Vielschichtstruktur mit
einem Abstand d der Innenelektroden zwischen etwa 15 und
100 µm ausgebildet. Dies erlaubt nach der genannten
Gleichung den Betrieb mit kleinen Spannungen. Der
Exponent n₂ ist etwa 1,0 bis 1,1.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Fig. 1, 2, 3
und 4 sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der
Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger
Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren
verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Claims (16)
1. Belastungsabhängige elektrische Präventivsicherung
mit einer elektronischen Keramik in einem Gehäuse mit
herausgeführten Verbindungsleitungen zur Ermittlung
mindestens einer ersten Belastungsart eines zu überwachen
den Geräts,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Keramik, kurz TDR-
Keramik (12) genannt, eingesetzt ist, deren elektrisch
isolierender Zustand abhängig von der Zeit als erster
Belastungsart und einer zweiten Belastungsart in einen
halbleitenden Zustand übergeht und daß infolgedessen bei
Gleichspannungsversorgung U der TDR-Keramik (12) über
Verbindungsleitungen (14) ein Stromanstieg das Auslöse
kriterium bildet, das bei vorbestimmbaren Bedingungen
erfüllt ist und eine gewünschte Betriebszeit τ bestimmt.
2. Präventivsicherung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Betriebszeit τ, also
das Erreichen des Auslösekriterium abhängig von der ersten
und zweiten Belastungsart der Gleichspannungsversorgung U
und einem Abstand d zwischen Elektroden (17) auf und/oder in
der TDR-Keramik (12) verhält.
3. Präventivsicherung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund des keramischen
Materials die erste Belastungsart eine Zeitabhängigkeit
bewirkt und die zweite Belastungsart eine Temperaturab
hängigkeit, die nach folgenden empirischen Gesetz in
Zusammenhang stehen:
τ = A (U/U₀)n1 (d/d₀)n2 exp (EA/kT)
Hierin sind der Vorfaktor A, die Exponenten n₁ und n₂, sowie die Aktivierungsenergie EA materialabhängige Konstanten und U₀ und d₀ die Spannungs- bzw. Längeneinheit.
Hierin sind der Vorfaktor A, die Exponenten n₁ und n₂, sowie die Aktivierungsenergie EA materialabhängige Konstanten und U₀ und d₀ die Spannungs- bzw. Längeneinheit.
4. Präventivsicherung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) die in Glas
wolle (16) eingebettete mit Elektroden (17) versehene TDR-
Keramik (12) aufnimmt, deren elektrische Verbindungs
leitungen (14) nach außen geführt sind und mindestens eine
der mit je einer Elektrode (17) versehenen kreisrunden
Querschnittsflächen thermisch beeinflußbar ist.
5. Präventivsicherung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Beeinflussung
durch einen entsprechend angeordneten Verschluß mit einer
Anschlußfläche (15) gebildet ist, über den die Präventiv
sicherung (10) mit dem zu überwachenden Gerät mechanisch
und thermisch verbunden ist.
6. Präventivsicherung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) in dem
Abschnitt der TDR-Keramik (12), der thermisch beeinflußbar
ist, eine Eigenheizung mit ebenfalls nach außen geführten
Verbindungsleitungen (14) zur definierten Temperatur
vorgabe aufweist.
7. Präventivsicherung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenheizung durch ein
Kaltleiterkristall, kurz PTC-Element (13) genannt,
gebildet wird, welches auf dotierten Bariumtitanaten
und/oder Barium/Bleititanaten z. B. 70% Batio₃ und 30%
PbTiO₃ basiert, und thermisch eng mit der TDR-Keramik (12)
ein- oder mehrseitig gekoppelt ist und Elektroden (17) auf
seinen kreisrunden Querschnittsflächen aufweist.
8. Präventivsicherung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Kontakt durch
eine dünne Al₂O₃- oder AlN-Scheibe oder ein dünnes Glimmer
plättchen (23) vermittelt wird, auf der einerseits die
TDR-Keramik (12) und andererseits das PTC-Element (13)
mittels eines temperaturbeständigen Klebers (25) fixiert
ist.
9. Präventivsicherung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungs
leitungen (14) der TDR-Keramik (12) und des PTC-
Elements (13) galvanisch getrennt nach außen aus dem
Gehäuse (11) geführt sind und das PCT-Element (13) durch
eine angelegte Gleichspannung auf etwa Curietemperatur Tc
aufgeheizt ist.
10. Präventivsicherung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die TDR-Keramik (12) und das
PTC-Element (13) mittels eines temperaturbeständigen
Klebers (25) direkt aufeinander fixiert werden und deren
Elektroden in diesem Bereich einen gemeinsamen Masse
anschluß (24) bilden, so daß nur drei Verbindungs
leitungen (14) aus dem Gehäuse geführt sind, und daß durch
eine angelegte Gleichspannung das PTC-Element (13) auf
Curietemperatur Tc aufgeheizt ist.
11. Präventivsicherung nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die TDR-Keramik (12) aus einer
Ni-dotierten Strontiumtitanatkeramik der Zusammensetzung
SrTi1,01Ni0,001O₃ hergestellt ist.
12. Präventivsicherung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebener Gleich
spannungsversorgung U, einem Exponenten n₁ von - 2 einer
Dicke d der TDR-Keramik (12) von 0,5 mm und einer Elek
trodenfläche von 200 mm² bei einer Temperatur T von 260°C
eine Betriebszeit τ von 2 Stunden bei einer Spannung von
80 V entsteht.
13. Präventivsicherung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die TDR-Keramik (12) Eigen
schaften aufweist, die entstehen, wenn die Ausgangspulver
gemahlen, bei 950 bis 1100°C kalziniert, erneut gemahlen,
verpreßt und bei 1480°C für zwei Stunden gesintert,
anschließend in Scheiben von 0,1 und 2 mm Dicke
geschnitten und Elektroden (17) durch Aufdampfen oder
Einbrennen einer Metallpaste aus Edelmetallen oder
Legierungen derselben aufgebracht wurden.
14. Präventivsicherung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die TDR-Keramik (12), eine
tausendfach höhere Betriebszeit τ aufweist, wenn sie bei
1340°C und 6 Stunden gesintert und anschließend bei 1280°C
unter 200 bar Argon heißgepreßt und 8 Stunden bei 800°C
Sauerstoff nachgetempert wurde.
15. Präventivsicherung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß eine TDR-Keramik (12), derem
Ausgangspulver nach dem Kalzinieren und Mahlen 1 mol%
Barimtitantatsilikat Ba₂Si₂TiO₈ zugegeben wurde bei einer
Betriebstemperatur von 360°C, einer Spannung von 125 V und
einer Dicke von 1 mm und Sinterung für sechs Stunden bei
1340°C eine Betriebszeit τ von 140 Stunden und bei einer
Sinterung bei 1380°C für sechs Stunden eine Betriebszeit τ
von 28 Stunden und bei einer Sinterung von 1460°C für zwei
Stunden eine Betriebszeit von 11 Stunden ergibt.
16. Präventivsicherung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die TDR-Keramik (12) als Viel
schichtstruktur mit einem Abstand d der Innenelektroden
zwischen etwa 15 und 100 µm ausgebildet ist, wodurch sich
ein Exponent n₂ von etwa 1,0 bis 1,1 einstellt.
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