EP0019889A1

EP0019889A1 - Zinc oxide varistor

Info

Publication number: EP0019889A1
Application number: EP80102903A
Authority: EP
Inventors: August Dr. Dipl.-Phys. Beer; Elli Fröscher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-05-30
Filing date: 1980-05-23
Publication date: 1980-12-10

Abstract

ZnO-varistor, particularly a medium-voltage varistor having the following constitution of its original components: 93 to 98 At% Zn, 0.6 to 1.0 At% Bi, 0.9 to 1.3 At% Co, remainder Mn, Sb, Cr, Ni, Ti, Sn. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Zn0-Varistor, insbesondere Mittelspannungsvaristor, mit einer Ansprechspannung von ca. 50 bis 130 V.The invention relates to a Zn0 varistor, in particular medium-voltage varistor, with a response voltage of approximately 50 to 130 V.

Varistoren, bestehend aus Zinkoxid als Hauptbestandteil und weiteren Metalloxiden wie Bi203, Sb₂O₃, Cr₂ ⁰ ₃, ^Ni0 usw., besitzen im Hochspannungsbereich eine Ansprechfeldstärke von etwa 150 bis 180 V/mm. Bei einer Ansprechspannung von ca. 50 bis 130 V besitzen die vorstehenden Varistoren folglich eine Keramikdicke von etwa 0,35 bis 0,9 mm. Derartig dünne Scheiben lassen sich aber nicht mehr mittels des bekannten Formpreßverfahrens herstellen. Bei ihrer Sinterung verziehen sich nämlich die Scheiben, weshalb.auf die so entstandenen unebenen Stirnflächen der Scheiben keine Elektroden im Siebdruckverfahren aufgebracht werden können. Versucht man diesem Nachteil dadurch zu entgehen, daß man die dünnen Scheiben in Läpptechnik herstellt, so entstehen durch dieses sehr aufwendige Verfahren erhöhte Kosten; insbe- .Varistors, consisting of zinc oxide as the main component and other metal oxides such as Bi203, Sb ₂ O ₃ , Cr ₂ ⁰ ₃ , ^Ni0 etc., have a response ^{field strength} of approximately 150 to 180 V / mm in the high voltage range. With a response voltage of approximately 50 to 130 V, the above varistors consequently have a ceramic thickness of approximately 0.35 to 0.9 mm. However, thin slices of this type can no longer be produced using the known compression molding process. The disks warp when sintered, which is why no electrodes can be applied to the resulting uneven faces of the disks using the screen printing process. If one tries to avoid this disadvantage by manufacturing the thin disks using lapping technology, this very complex process results in increased costs; esp.

sondere entstehen bei der Weiterverarbeitung der geläppten Scheiben, z.B. bei ihrer Belegung mit Silberelektroden und beim Prüfsortieren Schwierigkeiten infolge der Bruchanfälligkeit der Varistorscheiben.special arise during the further processing of the lapped discs, e.g. Difficulties due to the susceptibility of the varistor disks to breakage when they are coated with silver electrodes and when testing.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mittelspannungsvaristor zu schaffen, dessen Ansprechfeldstärke ca. 60 V/mm beträgt, was bei einer Varistorspannung von 50 bis 130 V einer mühelos bearbeitbaren Scheibendicke von ca. 0,9 bis 2,2 mm entspricht.The present invention has for its object to provide a medium-voltage varistor whose response field strength is approximately 60 V / mm, which corresponds to an effortlessly editable disc thickness of approximately 0.9 to 2.2 mm at a varistor voltage of 50 to 130 V.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung einen ZnO-Varistor vor, der sich durch folgende Zusammensetzung seiner Ausgangskomponenten auszeichnet:

To achieve this object, the invention proposes a ZnO varistor, which is characterized by the following composition of its starting components:

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch folgende Zusammensetzung seiner Ausgangskomponentenaus:

A preferred embodiment is characterized by the following composition of its starting components:

Die homogene und mit einem Bindemittel, z.B. Polyäthylenglycol versetzte Mischung, bestehend aus den Oxiden der vorgenannten Ausgangskomponenten wird üblicherweise gepreßt, bei ca. 1100 bis 1200°C, insbesondere 1150°C, etwa 7 bis 12 Stunden, insbesondere ca. 10 Stunden, unter 0₂-haltiger Atmosphäre, insbesondere in Luft, gesintert, langsam auf wenige 100°C, z.B. 300°C abgekühlt und schließlich von 750 bis 500°C unter Luftabschluß, insbesondere in N₂,getempert.The homogeneous mixture containing a binder, for example polyethylene glycol, consisting of the oxides of the abovementioned starting components, is usually pressed at about 1100 to 1200 ° C., in particular 1150 ° C. about 7 to 12 hours, in particular about 10 hours, in an atmosphere containing 0 ₂ , in particular in air, sintered, slowly cooled to a few 100 ° C., for example 300 ° C., and finally from 750 to 500 ° C. with the exclusion of air, especially in N ₂ , annealed.

Der Nichtlinearitätskoeffizient des so hergestellten Zn0-Varistors, der durch folgende Beziehung

bestimmt ist und ein Maß für die Strom-Spannungskennliniensteilheit darstellt, besitzt den Wert 25 und ist als solcher geringer als der Wert von geläppten Varistorscheiben, deren Ansprechfeldstärke etwa 170 V/mm (α≈30) beträgt. Ein Vergleich der Kurven 1 und 2 gemäß Figur 1 zeigt jedoch, daß der Nichtlinearitätskoeffizient der erfindungsgemäßen Varistoren vielen Anwendungen genügt.The non-linearity coefficient of the Zn0 varistor thus produced, which is given by the following relationship

is determined and represents a measure of the current-voltage characteristic slope, has the value 25 and as such is less than the value of lapped varistor disks whose response field strength is approximately 170 V / mm (α≈30). A comparison of

curves

1 and 2 according to FIG. 1 shows, however, that the non-linearity coefficient of the varistors according to the invention is sufficient for many applications.

Der Zusatz von B203, BaCO₃ und A1₂0₃ in folgenden Mengen hat si.ch als äußerst vorteilhaft erwiesen:

The addition of B203, BaCO ₃ and A1 ₂ 0 ₃ in the following quantities has proven to be extremely advantageous:

Durch diese Zusätze konnte die Konstanz der Varistor- spannung-ΔU/U_V (U_V = Spannungsabfall am Varistor bei einem eingeprägten Strom von 1 mA) nach einer höchstzulässigen Gleichstrombelastung bei 85⁰C und 60 Stunden von dem unbefriedigenden Wert von -25 % auf 6 % beim 1 mA-Punkt und von dem gleichfalls unbefriedigenden Wert von -45 % auf 8 % beim 100_/uA-Punkt angehoben, d.h. verbessert werden (siehe Fig. 2).With these additions, the constancy of the varistor voltage ΔU / U _V (U _V = voltage drop across the varistor at an impressed current of 1 mA) was reduced from the unsatisfactory value of -25% after a maximum permissible direct current load at 85 ^° C. and 60 hours 6% at 1 mA point and raised from the likewise unsatisfactory value from -45% to 8% at the 100 _/ uA point, ie improved (see FIG. 2).

Durch diese Verbesserung der Konstanz der Varistorspannung können ohne Läppen Varistoren für den mittleren Spannungsbereich hergestellt werden, was in den Fällen, in denen die Steilheit der Strom-Spannungskennlinie nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist, zu einer wenig aufwendigen Herstellung von Varistoren führt.This improvement in the constancy of the varistor voltage makes it possible to produce varistors for the medium voltage range without lapping, which in the cases in which the steepness of the current-voltage characteristic is not of decisive importance leads to a less complex production of varistors.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert.The invention is explained below using an exemplary embodiment.

Es werden die Oxide folgender Zusammensetzung ihrer Ausgangskomponenten:

zunächst naß in einer Kugelmühle ca. 8 Std. gemischt. Getrennt hierzu werden 96,45 At% Zn bzw. Zn0 während ca. 2 Std. gleichfalls naß in einer Kugelmühle aufgeschlämmt. Anschließend werden beide Mischungen zusammengeschüttet und in einem weiteren 8-stündigen Prozeß homogen vermischt, getrocknet und zur Verbesserung der Preßfähigkeit mit einem Bindemittel, z.B. Polyäthylenglycol versetzt. Die hieraus gepreßten Scheiben werden unter Luftatmosphäre bei 1150°C ca. 10 Std. gesintert und anschließend langsam auf ca. 300°C abgekühlt. Nach einem Tempervorgang in N₂ bei ca. 750°C werden die Varistorscheiben an ihren Stirnflächen mit Silberbelegungen kontaktiert.There are the oxides of the following composition of their starting components:

first wet mixed in a ball mill for about 8 hours. Separately, 96.45 at% Zn or Zn0 are also slurried wet in a ball mill for about 2 hours. The two mixtures are then poured together and homogeneously mixed in a further 8-hour process, dried and, to improve the pressability, with a binder, for example polyethylene glycol added. The disks pressed from this are sintered in an air atmosphere at 1150 ° C. for approx. 10 hours and then slowly cooled to approx. 300 ° C. After a tempering process in N ₂ at approx. 750 ° C, the varistor disks are contacted with silver coatings on their end faces.

Derart hergestellte Varistoren mit einem Durchmesser von z.B. 10 mm besitzen folgende Eigenschaften:

U_v (1 mA) = 60 V, α = 25, Stoßstrombelastung: 250 Ampere 100 mal, Abweichung von UV ≦ 10 % bei 100_/uA, Gleichstrombehandlung 400 mW bei 85°C, Abweichung von U_V≦ 10 %.

Varistors manufactured in this way with a diameter of, for example, 10 mm have the following properties:

U _v (1 mA) = 60 V, α = 25, surge current load: 250 amps 100 times, deviation from UV ≦ 10% at 100 _/ uA, DC treatment 400 mW at 85 ° C, deviation from U _V ≦ 10%.

Claims

1. Zn0 varistor, in particular medium-voltage varistor, characterized by the following composition of its output components:

2. ZnO varistor according to claim 1, characterized by the following composition:

3. ZnO varistor according to claim 1 and 2, characterized by the following additives:

4. The method and manufacture of a ZnO varistor according to claim 1 and one of claims 2 and 3, characterized in that a homogeneous and mixed with a binder mixture, consisting of the output com components:

at approx. 1100 to 1200 ° C, in particular 1150 ° C, preferably 7 to 12 hours, in particular 10 hours, under an atmosphere containing 0 ₂ , in particular air, sintered, slowly cooled to a few 100 ° C. and finally at approx. 500 to 750 ° C in the absence of air, especially nitrogen, is annealed.