DE69211552T2

DE69211552T2 - Schutzschaltungseinrichtung

Info

Publication number: DE69211552T2
Application number: DE69211552T
Authority: DE
Inventors: Shou-Mean Fang; Gilles Gozlan
Original assignee: Raychem NV SA
Current assignee: Commscope Connectivity Belgium BVBA
Priority date: 1991-06-27
Filing date: 1992-06-26
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2012-06-27
Also published as: WO1993000688A1; EP0591348B1; US5537286A; DE69211552D1; GB9113888D0; EP0591348A1; CA2111844A1; JP2004006963A; ATE139364T1; JPH06508960A

Description

Die Erfindung betrifft elektrische Vorrichtungen, beispielsweise Schaltungsschutzvorrichtungen, und ihre Herstellungsverfahren. Insbesondere weisen die Vorrichtungen ein Material auf, das einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) des Widerstands hat und das einen signifikanten und scharfen Anstieg des Widerstands bei einer bestimmten Temperatur oder über einen bestimmten engen Temperaturbereich oberhalb der Umgebungstemperatur hat.
PTC-Materialien, die polymere oder Keramikmaterialien sein können, sind zum Gebrauch in elektrischen Vorrichtungen, wie etwa Heizvorrichtungen, sowie außerdem zum Schutz von elektrischen Schaltungen vor Überstrom oder Übertemperatur bekannt. Die Übertemperatur kann selber einfach aus einem durch die Vorrichtung fließenden Strom resultieren, oder sie kann die Folge eines Anstiegs der Umgebungstemperatur über einen gewünschten Wert sein. Einzelheiten von Entwicklungen in bezug auf leitfähige PTC-Polymerzusammensetzungen und sie aufweisende Vorrichtungen sind beispielsweise in den US-Patentschriften 4 017 715, 4 177 376, 4 246 468, 4 237 441, 4 238 812, 4 329 726, 4 255 698, 4 272 471, 4 445 026 und 4 327 351 sowie in GB 2 038 549 angegeben. Es ist beispielsweise in den US-Patentschriften 2 978 665, 3 243 753 und 3 351 882, in der UK-Patentschrift 1 534 715, in dem Artikel "Investigations of Current Interruption by Metal-filled Epoxy Resin" von Littlewood und Briggs in J. Phys. D: Appl. Phys., Vol II, S. 1457-1462, in dem Artikel "The PTC Resistor" von R.F. Blaha in Proceedings of the Electronic Components Conference, 1971, und dem Bericht "Solid State Bistable Power Switch Study" von H. Shulman und John Bartko (August 1968) unter Contract NAS-12-647, veröffentlicht von National Aeronautics and Space Administration, vorgeschlagen worden, PTC-Elemente aufweisende Vorrichtungen zum Schutz von Schaltungen vor Störungszuständen zu verwenden, die sich aus Übertemperaturen und/oder Schaltungsströmen ergeben. Die US-Patentschriften 4 238 812 und 4 255 698 zeigen praktisch angewandte Schaltungsschutzvorrichtungen, die leitfähige PTC-Polymerelemente aufweisen. Die Offenbarung jeder der oben genannten Patentschriften und Veröffentlichungen wird hier summarisch eingeführt.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, elektrische Vorrichtungen, die PTC-Material, bevorzugt polymeres PTC-Material aufweisen, zum Gebrauch beim Schaltungsschutz, und die oben angegebenen US-Patentschriften 4 238 812 und 4 329 726 zeigen beispielsweise solche Vorrichtungen. PTC-Schaltungsschutzvorrichtungen sind solche, die unter normalen Betriebsbedingungen, die durch die Strom- und Temperatur-Bemessungsdaten des PTC-Materials bestimmt sind, einen sehr niedrigen Widerstand gegenüber dem Stromdurchfluß durch sie zeigen. Unter Fehlerbedingungen von Überstrom und/oder Übertemperatur heizt sich das PTC-Material auf, so daß sein Widerstand signifikant ansteigt und es den Stromdurchfluß abschaltet, so daß es eine zugehörige elektrische Schaltung schützt. Je höher der Widerstand des Materials nach dem Durchlaufen des Schaltübergangszustands ist, um so niedriger ist der Reststrom, der durch die Vorrichtung fließen kann, und um so wirksamer ist auch die Vorrichtung beim Schutz ihrer Schaltung. Diese Prinzipien verkörpernde Produkte werden derzeit von Raychem Corporation unter dem Warennamen POLYSWITCH verkauft. Einige dieser Produkte bestehen aus einem im wesentlichen homogenen Flächenkörper aus polymerem PTC-Material. Der Flächenkörper ist auf jeder seiner Hauptflächen mit elektrisch leitfähigem Material beschichtet, um als Elektroden zu wirken, und scheibenförmige, viereckige oder anders geformte Vorrichtungen werden daraus gestanzt.
Der spezifische Widerstand des PTC-Materials von POLYSWITCH- Vorrichtungen übersteigt charakteristisch 10 Ohm-cm nicht, und bei Betrachtung eines typischen Werts von 5 Ohm-cm und einer Scheibenkonfiguration mit den typischen Dimensionen von 2 cm Durchmesser und 0,05 cm Dicke ist der Widerstandswert der Vorrichtung bei Raumtemperatur (d.h. ca. 20 ºC) typischerweise 0,08 Ohm. Es können zwar andere Geometrien, beispielsweise rechteckige, verwendet werden, aber die Widerstandswerte, die von Vorichtungen erhalten werden, die eine Größe haben, die bequem manuell gehandhabt werden kann, weichen nicht signifikant von den oben gegebenen Werten ab. Wenn es gewünscht wird, solche Vorrichtungen mit unterschiedlichem Widerstandswert herzustellen, kann das auf verschiedene Weise erreicht werden.
(a) Es kann ein anderes PTC-Material, das einen anderen spezifischen Widerstand hat, verwendet werden. Es wurde jedoch gefunden, daß polymere Materialien in Flächenkörperform, die für Schaltungsschutzvorrichtungen geeignet sind und einen spezifischen Widerstand von mehr als ca. 10 Ohm-cm haben, nicht in signifikanten Mengen reproduzierbar gefertigt werden können. Das erschwert die Herstellung von Vorrichtungen, die einen signifikant höheren Widerstandswert haben, außerordentlich. Das gilt natürlich nicht unbedingt für polymere PTC-Materialien im allgemeinen, aber es ist für Materialien festgestellt worden, die für Schaltungsschutzvorrichtungen gebraucht werden, weil sie einen relativ steilen Übergang von niedrigem Widerstandswert zu hohem Widerstandswert mit steigender Temperatur beispielsweise aufgrund eines Stromanstiegs über einen Grenzwert haben müssen.
(b) Die Abstände zwischen den Elektroden können verändert werden, aber bei Flächenkörpermaterial ist es schwierig, die Dicke reproduzierbar ausreichend zu vergrößern, um eine geeignete Vorrichtung mit einem signifikant höheren Widerstandswert zu erzeugen. Die auftretende Schwierigkeit besteht darin, beispielsweise durch Extrudieren einen relativ dicken Flächenkörper aus einem polymeren Material herzustellen, das beispielsweise bis zu 50 % seines Volumens mit Füllstoffen wie etwa Ruß beladen ist, wobei die Zusammensetzung des Materials durchweg homogen ist. In dieser Beziehung ist zu beachten, daß eine typische Breite von extrudiertem Flächenkörper 30 cm ist.
(c) Der Durchmesser (oder eine andere ebene Dimension) des gestanzten Produkts kann geändert werden. Unterhalb einer gewissen Größe wird es jedoch sehr schwierig, die einzelnen Vorrichtungen physisch zu handhaben, so daß sich auch hier ein Problem bei der Herstellung von Vorrichtungen mit höherem Widerstandswert ergibt. Aus diesen praktischen Gründen ist es also schwierig, solche Vorrichtungen mit einem Widerstandswert von mehr als beispielsweise ca. 5 Ohm herzustellen.
Es besteht jedoch ein Bedarf für Vorrichtungen mit höherem Widerstandswert, um den Strom in elektrischen oder elektronischen Schaltungen auf weniger als ca. 200 mA bei normalen Betriebsspannungen zu begrenzen. In dieser Hinsicht ist zu beachten, daß die in der Vorrichtung erzeugte Leistung (I²R) ausreichend groß sein muß, um die Temperatur des PTC-Materials bis auf die Temperatur zu erhöhen, bei der sein Widerstandswert steil ansteigt, so daß der Widerstandswert der Vorrichtung um so höher sein muß, je niedriger der durch die Vorrichtung fließende Strom ist.
Andere von Raychem hergestellte POLYSWITCH-Erzeugnisse sind streifen- und nicht scheibenförmig, aber bei einer Streifenkonfiguration ist die geringe Länge des Streifens, die für eine Vorrichtung benötigt wird, die einen ausreichend hohen Widerstandswert hat, um Schaltungen auf adäquate Weise vor Strömen unterhalb ca. 200 mA zu schützen, zu klein für eine einfache Handhabung.
Die EP-A-0 087 884 zeigt eine weitere polymere PTC-Schaltungsschutzvorrichtung, bei der ein zylindrisches Element aus PTC-Material innerhalb einer Umschließung zwischen topfförmigen Elektroden an jedem Ende davon angebracht ist.
Wir haben herausgefunden, daß zweckmäßige PTC-Schaltungsschutzvorrichtungen, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich aus polymerem Material, mit höherem Widerstandswert reproduzierbar hergestellt werden können unter Verwendung von bekanntem PTC-Flächenkörpermaterial und Aufbringen von leitfähigem Mateiral (zur Bildung von Elektroden) an ausgewählten, voneinander beabstandeten Stellen auf einer Seite des Flächenkörpers. Der Stromfluß zwischen den Elektroden ist somit im wesentlichen parallel zu den (gewöhnlich ebenen) Hauptflächen und daher entlang der Länge des Flächenkörpers und geht nicht direkt durch seine Dicke. Ein größerer Bereich von Widerstandswerten in Vorrichtungen kann so aus einem Flächenkörpermaterial hergestellt werden, das selbst einen gegebenen spezifischen Widerstand und eine gegebene Dicke hat. Solche Vorrichtungen können mit einer einfach handhabbaren Größe hergestellt werden und zugleich den gewünschten hohen Widerstandswert haben.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Vorrichtung, beispielsweise einer Schaltungsschutzvorrichtung, anzugeben, wobei Vorrichtungen mit unterschiedlichem Widerstandswert zweckmäßig aus demselben Grundmaterial, beispielsweise PTC- Material, bevorzugt polymer und in Flächenkörperform, hergestellt werden können.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren gemäß der genannten einen Aufgabe der Erfindung anzugeben, wobei Vorrichtungen von handhabbarer Größe, die aus Flächenkörpermaterial hergestellt sind und einen signifikant höheren Widerstandswert als bisher bekannte Vorrichtungen haben, hergestellt werden können.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, elektrische Vorrichtungen, beispielsweise Schaltungsschutzvorrichtungen, bereitzustellen, die bevorzugt aus polymerem PTC-Flächenkörpermaterial bestehen und die einen höheren Widerstandswert als bekannte Vorrichtungen haben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von elektrischen Vorrichtungen angegeben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
(a) Herstellen eines im wesentlichen homogenen und bevorzugt ebenen Flächenkörpers aus einem Material, das einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) des spezifischen Widerstands hat;
(b) Positionieren von elektrisch leitfähigen Elementen im Abstand voneinander auf dem PTC-Material, bevorzugt auf wenigstens einer Hauptfläche des Flächenkörpers; und
(c) Schneiden des Flächenkörpers in einer oder in zwei Dimensionen, um dadurch eine Vielzahl von elektrischen Vorrichtungen herzustellen (die im wesentlichen eben sein können), von denen jede mindestens zwei der leitfähigen Elemente darauf hat, die voneinander beabstandet sind, so daß im Betrieb ein Stromfluß zwischen ihnen im wesentlichen parallel zu den Hauptflächen des Flächenkörpers aus PTC-Material verläuft.
Der Ausdruck "im wesentlichen homogener Flächenkörper aus Material" bedeutet einen Flächenkörper, durch dessen gesamtes Volumen hindurch die Zusammensetzung des Materials im wesentlichen homogen ist.
Es versteht sich, daß in dem Bereich der leitfähigen Elemente, durch die im Betrieb Strom fließt, die Richtung des Stroms im allgemeinen nicht parallel zu den Hauptflächen des Flächenkörpers ist, daß aber anderswo, d.h. im wesentlichen durch die gesamte Vorrichtung, die Richtung des Stromflusses im wesentlichen parallel zu diesen Oberflächen ist. Das steht im Gegensatz zu bisher verfügbaren Schaltungsschutzvorrichtungen aus PTC-Flächenkörpermaterial, bei denen die Richtung des Stromflusses senkrecht zu den Hauptflächen, d.h. senkrecht zu den Elektroden der Vorrichtungen und durch die Dicke des Flächenkörpers, verläuft.
Es versteht sich ferner, daß zwar die Vorrichtungen der Erfindung aus einem Materialflächenkörper bevorzugt in ebener Konfiguration gebildet sind, daß jedoch die Vorrichtungen selbst entweder aufgrund der Herstellung oder aufgrund des Gebrauchs nicht eben zu sein brauchen.
Bevorzugt weist das PTC-Material polymeres Material auf.
Bevorzugt wird der Flächenkörper durch Extrusion hergestellt.
Bevorzugt werden die elektrisch leitfähigen Elemente auf dem Flächenkörper aus PTC-Material an geeigneten Stellen positioniert, bevor der Flächenkörper geschnitten wird, um die Vielzahl von einzelnen elektrischen Vorrichtungen herzustellen. Es ist aber auch daran gedacht, daß der PTC-Flächenkörper in einzelne Bereiche geschnitten wird und die elektrisch leitfähigen Elemente anschließend geeignet darauf positioniert werden.
Die leitfähigen Elemente können nur auf einer oder auf beiden Hauptflächen des PTC-Materials positioniert werden. Das Schneiden des Flächenkörpers kann zu Vorrichtungen führen, die selbst leitfähige Elemente auf einer oder beiden Hauptflächen haben. Die leitfähigen Elemente können in diskreter Form auf den PTC-Flächenkörper aufgebracht werden, und sie können selbst durch den Schneidschritt (c) geschnitten werden oder auch nicht. Ein leitfähiges Element kann in Form von einem oder mehreren fortlaufenden Streifen beispielsweise entlang einem Rand des Flächenkörpers aufgebracht und kann in Schritt (c) so geschnitten werden, daß leitfähige Elemente, die als Elektroden dienen, für eine Vielzahl von Vorrichtungen gebildet werden. Leitfähiges Material kann als eine fortlaufende Schicht beispielsweise durch Abscheidung oder ein Photolackverfahren auf eine oder beide Hauptflächen des Flächenkörpers aufgebracht werden. Anschließend kann ein Teil der Schicht beispielsweise durch Ätzen von dem Flächenkörper entfernt werden, so daß eine Vielzahl von leitfähigen Elementen darauf erhalten wird. Bevorzugt wird ein leitfähiger Flächenkörper oder eine solche Folie, beispielsweise mit einer Dicke von 0,025 mm, durch Warmpressen auf das PTC-Material aufgebracht. Alternativ kann leitfähiges Material auf den Flächenkörper aus PTC-Material in einem kontinuierlichen Abscheidungsverfahren aufgebracht werden. Dabei kann zweckmäßig eine Maske verwendet werden, so daß diskrete Elektroden abgeschieden werden. Die abgeschiedene Schicht kann eine Schicht einer Dicke von ca. 25 µm sein, die erforderlichenfalls durch aufeinanderfolgende Abscheidungen zu einer dikkeren Schicht aufgebaut werden kann.
Die elektrischen Vorrichtungen, die mit dem Verfahren der Erfindung aus einem einzigen Flächenkörper gebildet sind, können viereckig oder kreisrund sein oder jede andere gewünschte Gestalt haben. Die Vorrichtungen sind speziell zum Gebrauch in Schaltungsschutzvorrichtungen anwendbar, wobei die leitfähigen Elemente als Elektroden dienen.
Wie oben ausgeführt, sind die resultierenden leitfähigen Elemente jeder Vorrichtung derart, daß im Betrieb der Stromfluß im wesentlichen parallel zu den Hauptflächen der Vorrichtung verläuft, und es wird insbesondere gefordert, daß im wesentlichen überhaupt kein Strom quer dazu fließt (da dies zu einem Pfad niedrigeren Widerstands führen würde, der die Wirksamkeit der Vorrichtung herabsetzen würde, weil der Strom, bei dem die Vorrichtung eine zugehörige Schaltung schützt, höher wäre). Es kann aber zweckmäßig oder sogar erwünscht sein, um beispielsweise eine elektrische Verbindung mit der Vorrichtung herzustellen, leitfähige Elemente auf dem PTC-Material tatsächlich auf entgegengesetzten Flächen davon zu haben. Allerdings muß dann gewährleistet sein, daß die elektrischen Verbindungen derart sind, daß im wesentlichen kein Strom durch die Dicke des PTC-Materials fließen kann. Das kann beispielsweise erreicht werden, indem entsprechende leitfähige Elemente elektrisch untereinander verbunden (kurzgeschlossen) werden oder indem zugelassen wird, daß sie das örtliche elektrische Potential annehmen (floaten), ohne daß irgendeine Verbindung damit hergestellt wird.
Vorteilhaft ist bei Vorrichtungen mit hohem Widerstandswert die Dicke des Flächenkörpers aus PTC-Material geringer als ca. 2 mm und kann ca. 1 mm sein und ist bevorzugt geringer als ca. 0,5 mm, wohingegen sein spezifischer Widerstand möglichst so hoch ist, wie er zweckmäßig und zuverlässig erreicht werden kann, und zwar charakteristisch bis zu ca. 10 Ohm-cm.
Besonders vorteilhafte Ausführungsformen von Vorrichtungen, die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, haben rechteckige Gestalt und ein rechteckiges leitfähiges Element, das sich entlang jedem von zwei gegenüberliegenden Rändern davon erstreckt, und zwar (i) entweder beide auf derselben Oberfläche oder (ii) auf gegenüberliegenden Oberflächen des Flächenkörpers aus PTC-Material. Typischerweise haben solche Vorrichtungen eine Länge von ca. 15 mm uund eine Breite von ca. 2 mm bis 10 mm.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsschutzvorrichtung angegeben, die einen im wesentlichen homogenen Flächenkörper aufweist, der (a) aus einem Material gebildet ist, das einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands hat, (b) eine Dicke von weniger als ca. 2 mm hat, (c) auf mindestens der einen seiner Hauptflächen zwei Elektroden hat, die voneinander beabstandet sind, so daß im Betrieb ein Stromfluß zwischen ihnen im wesentlichen parallel zu den Hauptflächen des Flächenkörpers verläuft, und (d) einen Widerstandswert (entlang dem Stromflußweg zwischen den Elektroden) bei 20 ºC von mehr als 1 Ohm hat.
Die Elektroden können sich auf derselben Hauptfläche des Flächenkörpers aus PTC-Material befinden oder auch nicht.
So sind der spezifische Widerstand des PTC-Materials, das bevorzugt polymer ist, die Dicke des Flächenkörpers sowie die Größe und der Abstand der leitfähigen Elemente so gewählt, daß die Vorrichtungen der Erfindung einen Widerstandswert bei Raumtemperatur (d.h. bei 20 ºC) von wenigstens 1 Ohm, bevorzugt wenigstens 20 Ohm und typischerweise 100 Ohm haben. Solche Vorrichtungen können einen Abschaltstrom bis zu ca. 400 mA begrenzen.
Vorteilhaft ist der spezifische Widerstand des PTC-Materials möglichst hoch und ist in der Praxis bevorzugt größer als 1 Ohm-cm.
Bevorzugt wird die Vorrichtung gemäß dem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung durch das Verfahren gemäß dem einen Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt. Es ist aber daran gedacht, daß die Elektroden der Vorrichtung auf das PTC-Material als diskrete Komponenten aufgebracht werden könnten. In dieser letztgenannten Hinsicht kann beispielsweise ein Substrat, wie etwa eine Leiterplatte, selbst mit Elektroden versehen sein, die so angeordnet sind, daß sie auf den PTC-Streifen aufgeklemmt werden oder anderweitig einen guten elektrischen Kontakt damit herstellen. So können die Elektroden, die zwar bevorzugt mit dem PTC-Material verbunden sind, einfach in gutem physischem Kontakt damit sein.
Vorteilhaft sind das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung derart, daß die Vorrichtung mit Mitteln versehen ist, um die Ausbildung einer örtlichen heißen Stelle in dem PTC-Material zu fördern, so daß die konzentrierte Erwärmung rascher zur Auslösung der Vorrichtung führt. Die heiße Stelle, die linear sein kann, das heißt also eine heiße Leitung, sollte von den Elektroden entfernt und somit bevorzugt in der Mitte zwischen ihnen liegen, um eine Beschädigung derselben zu vermeiden. Die heiße Stelle kann zweckmäßig gefördert werden, indem die Menge an vorhandenem PTC-Material örtlich verringert wird.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Schaltung angegeben, die folgendes aufweist: wenigstens eine elektrische Komponente, die gegenüber Überstrom und/oder Übertemperatur empfindlich ist, und eine Vorrichtung, die angeordnet ist, um die Komponente davor zu schützen, wobei die Schutzvorrichtung einen im wesentlichen homogenen Flächenkörper aus PTC-Material mit einer Dicke von weniger als 2,0 mm aufweist, der Flächenkörper in der Schaltung mit zwei voneinander beabstandeten Elektroden in gutem elektrischen Kontakt damit angebracht ist, so daß im Betrieb ein Stromfluß zwischen den Elektroden im wesentlichen parallel zu den Hauptflächen des PTC-Flächenkörpers verläuft und so daß der Widerstandswert des PTC-Materials zwischen den Elektroden bei 20 ºC größer als 1 Ohm ist.
Verfahren zum Herstellen von elektrischen Vorrichtungen sowie elektrische Vorrichtungen selbst, die der Erfindung entsprechen, werden nachstehend beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; in den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform eines PTC-Flächenkörpers mit neun daraus geschnittenen identischen Vorrichtungen, die jeweils Fig. 1A entsprechen;
Fig. 2 bis 4 alternative Ausführungsformen von Vorrichtungen;
Fig. 5A, 5B und 5C drei Vorrichtungen mit verschiedenen Konfigu- Konfigurationen, um die Schaltleistung zu verbessern; und
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine weitere Modifikation der Vorrichtung von Fig. 1A.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen rechteckigen Flächenkörper 2 aus polymerem PTC-Material mit einer Dicke von 0,5 mm, das einen spezifischen Widerstand von 4 Ohm-cm hat. Leitfähiges Material, und zwar Nickel, mit einer Dicke von 1 mil (25 µm) ist nur auf einer Oberfläche des Flächenkörpers abgeschieden, um einen relativ schmalen Streifen 4 entlang jedem von zwei gegenüberliegenden Rändern und zwei relativ breite Streifen 6, die dazwischen gleichbeabstandet sind, zu bilden. Durch Schneiden des Flächenkörpers 2 entlang den symmetrischen Linien AA', BB', CC' und DD' werden neun im wesentlichen identische Vorrichtungen gebildet, von denen jede so ist, wie in Fig. 1A gezeigt ist.
Wenn leitfähiges Material in Streifen auf beiden Seiten des Flächenkörpers 2 von Fig. 1 abgeschieden worden ist, wird eine Vorrichtung erhalten, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, wobei die oberen leitfähigen Elemente mit A und die unteren mit B bezeichnet sind. Um einen Stromfluß von den Elektroden A zu den Elektroden B direkt (d.h. 4A zu 4B und 6A zu 6B) durch die Dicke des PTC-Materials 2 zu vermeiden, können Paare der Elektroden kurzgeschlossen werden, wie das durch die diskreten Leiter 8 gezeigt ist. Alternativ könnte das Paar von B-Elektroden unangeschlossen bleiben. Als eine weitere Alternative kann das Paar von Elektroden 4A und 6B (oder 4B und 6A) unangeschlossen bleiben. Die letztgenannte Anordnung ist zu der Vorrichtung von Fig. 3 elektrisch äquivalent.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung, wobei das leitfähige Material in Streifen auf dem PTC-Flächenkörper 2 alternierend auf der oberen und der unteren Hauptfläche abgeschieden ist, so daß die Vorrichtung nach dem Schneiden eine Endelektrode 4A auf einer oberen Oberfläche und eine gegenüberliegende Endelektrode 68 auf einer unteren Oberfläche hat.
In jeder der Fig. 1A, 2 und 3 ist die Richtung des Stromflusses durch die Vorrichtung so wie der Pfeil zeigt, im wesentlichen parallel zu der Ebene des PTC-Materials. Wenn man Fig. 1A als ein Beispiel nimmt, so bestimmen der Abstand der Elektroden mit 8 mm und ihre Querdimension mit 4 mm den Widerstandswert der Vorrichtung bei einem PTC-Material mit gegebenem spezifischen Widerstand, das als Flächenkörper mit gegebener Dicke gebildet ist. Durch einfaches Ändern der Anordnung des leitfähigen Materials, beispielsweise der Länge und des Abstands der Streifen 4, 6, können somit Vorrichtungen mit unterschiedlichen Widerstandswerten zweckmäßig hergestellt werden. Beispielsweise ergibt ein 0,5 mm dicker Flächenkörper mit einem spezifischen Widerstand von 4 Ohm-cm sowie mit d = 4 mm und 1 = 8 mm eine Vorrichtung, die bei Raumtemperatur einen Widerstandswert von ca. 80 Ohm und einen Schaltungsschutzstrom von ca. 30 mA hat.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung mit allgemein kreisförmiger Konfiguration, die aus einem größeren Flächenkörper ausgestanzt ist. Bei diesem Beispiel sind eine zentrale Scheibenelektrode 10 und eine äußere Ringelektrode 12 auf PTC-Flächenkörpermaterial 14 angeordnet und durch dieses Material voneinander getrennt.
Die Erfindung wurde zwar im Hinblick auf die Herstellung von Vorrichtungen mit Rechteck- oder Kreiskonfiguration mit jeweils derselben Größe aus einem einzigen Flächenkörper mit gegebenem spezifischen Widerstand und gegebener Dicke beschrieben, es versteht sich jedoch, daß durch Wahl einer davon verschiedenen Konfiguration von leitfähigem Material Vorrichtungen, die andere Widerstandswerte und somit andere Werte des Schaltungsschutzstroms haben, zweckmäßig aus demselben Flächenkörper hergestellt werden können.
Bei Anwendung von Photoätzen kann der Abstand der Elektroden über die Oberfläche des PTC-Materials nur 0,1 mm betragen, aber typischerweise liegt der Abstand zwischen den Elektroden im Bereich von ca. 0,2 bis 1,0 cm. Die Dicke des Flächenkörpers aus PTC-Material liegt typischerweise zwischen ca. 0,25 und 1,0 mm.
Fig. 5A (Draufsicht), 5B (Draufsicht) und 5C (Perspektivansicht) zeigen jeweils Möglichkeiten der Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Schaltungsschutzvorrichtung von Fig. 1A. Es versteht sich, daß es bei Betriebsbedingungen, unter denen der Strom durch die Vorrichtung und/oder die Temperatur der Vorrichtung zu hoch wird, so daß sie auslösen muß, um ihre zugehörige Schaltung zu schützen, erwünscht ist, daß der Auslöse- oder Schaltvorgang möglichst rasch stattfindet. Dies kann im Fall des Überstromschutzes unterstützt werden, wenn die Ausbildung einer örtlichen heißen Stelle gefördert werden kann. Jede dieser Ausführungsformen in den Figuren erzielt diesen Effekt, indem ein Bereich zur Bildung einer sogenannten heißen Leitung aus reduziertem PTC-Material vorgesehen ist, so daß die Stromdichte örtlich erhöht und die thermische Masse bevorzugt verringert wird. Diese Zone ist von den Elektroden weg konzentriert, und zwar bevorzugt etwa in der Mitte entlang der Vorrichtung, wodurch eine Beschädigung der Elektroden verhindert und außerdem ein etwaiger Wärmeableitungseffekt vermieden wird, der sonst erzeugt werden könnte. So weist die Vorrichtung 20 von Fig. 5A durch sie hindurchgehend gebildete Löcher 22 auf; die Vorrichtung 24 von Fig. 5B hat ein Paar von Kerben 26, die in ihre Seiten geschnitten sind; und die Vorrichtung 28 von Fig. 5C hat einen Kanal 30 in einer ihrer Hauptflächen.
Gemäß Fig. 6 weist die Vorrichtung 32 einen Flächenkörper (oder einen Streifen) 34 aus polymerem PTC-Material einer Dicke von 0,5 mm mit einem spezifischen Widerstand von 5 Ohm-cm auf. Drei Nickelelektroden A, B, C sind auf eine Oberfläche davon so aufgebracht, daß der Abstand zwischen A und B einen Wert von 4 mm und zwischen B und C einen Wert von 8 mm besitzt. Die Vorrichtung 32 kann so angeordnet sein, daß sie unterschiedliche Stromschutzwerte in Abhängigkeit davon hat, wie der elektrische Kontakt zwischen den Elektroden A, B, C und der zugehörigen elektrischen Schaltung hergestellt wird.
Wenn beispielsweise äußere Leiter nur an den Elektroden A und B angebracht sind, ergibt der Widerstandswert von 133 Ohm zwischen diesen Elektroden einen Schutzstrom von 21 mA zwischen ihnen. Bei dieser Konfiguration sind die Elektrode C und das zwischen den Elektroden B und C liegende PTC-Material überflüssig und spielen keine Rolle beim Betrieb der Vorrichtung. Alternativ können Leiter an den Elektroden B und C angebracht sein, so daß eine Vorrichtung mit einem Widerstandswert von 266 Ohm und einem Schutzstrom von 18 mA erhalten wird. Bei einer weiteren Anordnung können die Elektroden A und C durch einen äußeren Leiter direkt miteinander verbunden sein, und Leiter können von den Elektroden B und C zu einer äußeren Schaltung geführt sein. Das führt effektiv zu einer Vorrichtung, die aus zwei parallelgeschalteten PTC-Widerständen A-B und B-C gebildet ist, so daß ein kombinierter Widerstandswert von 90 Ohm und ein Schutzstromwert von 40 mA erhalten wird. Es ist ersichtlich, daß auch andere Kombinationen möglich sind.
Allgemein ist daher ersichtlich, daß durch Verwendung einer Vorrichtung, die drei oder mehr Elektroden darauf hat, und durch Wahl des Abstands zwischen diesen eine einzelne Vorrichtung in einer Vielzahl von Anwendungen, bei denen unterschiedliche Schutzströmee gefordert sind, verwendet werden kann.
Die Vorrichtungen können zwischen Clips an einer Leiterplatte angebracht sein, wobei dann die Vorrichtung von Fig. 2 besonders zweckmäßig sein kann, oder Anschlußleiter können an ihre leitfähigen Elemente (Elektroden) angeschlossen sein, um die Einfügung in eine elektrische Schaltung zu erleichtern.
Es versteht sich, daß jede einzelne Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einige oder sämtliche der Merkmale haben kann, die in sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen offenbart sind.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl elektrischer Vorrichtungen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

(a) Herstellen eines im wesentlichen homogenen Flächenkörpers aus einem Material, bevorzugt einem polymeren Material, das einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) des spezifischen Widerstands hat; und

(b) Positionieren von elektrisch leitfähigen Elementen im Abstand voneinander auf dem PTC-Material;

gekennzeichnet durch

(c) Schneiden des Flächenkörpers, um eine Vielzahl von im wesentlichen ebenen elektrischen Vorrichtungen herzustellen, von denen jede mindestens zwei der leitfähigen Elemente darauf hat, die voneinander beabstandet sind, so daß im Betrieb ein Stromfluß zwischen ihnen im wesentlichen parallel zu den Hauptflächen des Flächenkörpers aus PTC-Material verläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Elemente vor und/oder nach dem Schneidschritt (c) nur auf der einen der Hauptflächen des PTC-Materials positioniert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Elemente vor und/oder nach dem Schneidschritt (c) auf beiden Hauptflächen des PTC-Materials positioniert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der leitfähigen Elemente als kontinuierlicher Streifen entlang dem Flächenkörper aus PTC- Material positioniert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Vorrichtungen einen Widerstandswert zwischen den beiden leitfähigen Elementen von mindestens 1 Ohm, bevorzugt 10 Ohm, bei 20 ºC hat.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitfähigen Elemente diskret auf den Flächenkörper aufgebracht werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Schritt (b) folgendes aufweist:

Aufbringen einer kontinuierlichen Schicht aus leitfähigem Material auf mindestens eine der Hauptflächen des Flächenkörpers und Entfernen eines Teils der Schicht, um dadurch die voneinander beabstandeten leitfähigen Elemente herzustellen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrisch leitfähigen Elemente auf dem PTC- Material positioniert werden, bevor der Flächenkörper geschnitten wird, um einzelne elektrische Vorrichtungen herzustellen.

9. Schaltungsschutzvorrichtung, die einen im wesentlichen homogenen Flächenkörper aufweist, der

(a) aus einem Material, bevorzugt einem polymerem Material gebildet ist, das einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) des spezifischen Widerstands hat,

(b) eine Dicke von weniger als 2 mm hat,

(c) auf mindestens der einen seiner Hauptflächen zwei Elektroden hat, die voneinander beabstandet sind, so daß im Betrieb ein Stromfluß zwischen ihnen im wesentlichen parallel zu den Hauptflächen des Flächenkörpers verläuft, und

(d) einen Widerstandswert bei 20 ºC von mehr als 1 Ohm zwischen den Elektroden hat.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der spezifische Widerstand des Materials des Flächenkörpers, der Abstand der Elektroden voneinander und die Querschnittsfläche des Flächenkörpers zwischen den Elektroden derart sind, daß der Widerstandswert der Vorrichtung bei 20 ºC gegenüber dem Stromfluß durch sie hindurch mindestens 1 Ohm, bevorzugt 10 Ohm und am meisten bevorzugt größer als 40 Ohm ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei zwei Elektroden auf derselben Hauptfläche angebracht sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei eine Elektrode auf der einen Hauptfläche und eine andere Elektrode auf der anderen Hauptfläche angebracht ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, die Mittel aufweist, um die Ausbildung einer örtlichen heißen Stelle zu fördern.

14. Elektrische Schaltung, die folgendes aufweist:

mindestens eine elektrische Komponente, die gegenüber Überstrom und/oder Übertemperatur empfindlich ist, und eine Vorrichtung, die angeordnet ist, um die Komponente davor zu schützen,

wobei die Schutzvorrichtung einen im wesentlichen homogenen Flächenkörper aus PTC-Material mit einer Dicke von weniger als 2,0 mm aufweist, der Flächenkörper in der Schaltung mit zwei voneinander beabstandeten Elektroden in gutem elektrischen Kontakt damit angebracht ist, so daß im Betrieb ein Stromfluß zwischen den Elektroden im wesentlichen parallel zu den Hauptflächen des PTC- Flächenkörpers verläuft und so daß der Widerstandwert des PTC-Materials zwischen den Elektroden bei 20 ºC größer als 1 Ohm ist.

15. Schaltung nach Anspruch 14, wobei die Schaltungsschutzvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13 ausgebildet ist.