EP0429908A2

EP0429908A2 - Spannungsabhängiger Widerstand (Varistor) fÀ¼r Hochfrequenz-/Hochenergieanwendungen

Info

Publication number: EP0429908A2
Application number: EP90121367A
Authority: EP
Inventors: Joachim Dipl.-Ing. Nedtwig
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG; Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1989-11-17
Filing date: 1990-11-08
Publication date: 1991-06-05
Also published as: EP0429908A3; DE3938240A1

Abstract

Varistor dergestalt, daß die halbleitende Oxid-Keramikschicht (1) als Kugelschale ausgebildet ist, deren Hohlraum von einer Kugelelektrode (2) kontaktierend ausgefüllt ist, daß die Außenfläche der Oxid-Keramikschicht von einer Metallschichtelektrode (3) kontaktierend umhüllt ist, daß an den Elektroden (2, 3) elektrische Anschlußstücke befestigt sind, daß das an der Kugelelektrode (2) befestigte Anschlußstück (4) die Keramikschicht (1) und die äußere Metallschichtelektrode (3) elektrisch durchdringt, und daß das an der äußeren Metallschichtelektrode (3) befestigte Anschlußstück (5) als Flächenkontakt ausgeführt ist, der eine kugelförmige Kontaktierungsfläche zur äußeren Metallschichtelektrode (3) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen spannungsabhängigen Widerstand (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 Metallelektroden belegt und der Innenraum mit gut wärmeleitenden Metall 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 Eigenschaften 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 Kennzeichen des nebengeordneten Anspruchs 4 angegebene Merkmal gelöst.
Der erfindungsgemäße Varistor kann in vorteilhafter Weise für die Ableitung von Überspannungs- und Überstromstörimpulsen 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 unterdrückt. Dieser Effekt kann im Varistor zu einer zerstörung der Kristallstruktur führen. Mit dem im nebengeordneten 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 Kugelelektrode 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 Lebensdauer auswirkt. Dadurch ergeben sich Möglichkeiten für einen verstärkten Einsatz von Varistoren in der Kfz-Elektrik, der wesentlich durch die erreichbaren Lebensdauern dieser Bauelemente bestimmt ist.
In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen angegeben, die in vorteilhafter Weise den Abtransport gespeicherter thermischer Energie aus dem Bauelement verbessern.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Kugelschalenvaristor ,
Fig. 2 zeigt denselben Varistortyp mit Flüssigkeitskühlung und
Fig. 3 zeigt eine zentrale Stromzufuhr in die Kugelelektrode eines Varistors nach Fig. 1

Der in Fig. 1 gezeigte Varistor besteht aus einer Kugelelektrode 2, einer Oxid-Keramikschicht 1, einer Metallschichtelektrode 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 elektrischen Auschlußstücke 4 und 5 sind an den Elektroden 2 und 3 befestigt und das Anschlußstück 4 ist mit der Isolierhülle 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 verschiedensten Art. Die Oxid-Keramikschicht 1 kann in einem Sinterverfahren auf die Kugelelektrode 1 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 vorteilhaft, 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 Magnetfeldern, die mit ihrer Feldstärke in der Größenordnung von 50.000 A/m bis 100.000 A/m liegen, Stromverdrängungen auftreten, durch welche die Stromführung durch das Bauelement in die Randbereiche der Oxid-Keramikschicht verdrängt wird. Dieser als Skin-Effekt bekannte Vorgang führt zu Überlastungen des Varistormaterials in den Randbereichen. Bei Kugelschalenvaristoren kann dieser Skin-Effekt wegen eines fehlenden Randbereiches nicht auftreten.
Die Kugelelektrode 2 bildet mit der kugelförmigen Metallschichtelektrode 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 angeschlossenen 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 Metallschichtelektrode 3 aufweist. Die dadurch bedingte gute Ableitung der elektrischen Energie aus dem Bauelement führt zu Durchschaltzeiten im Pikosekundenbereich bei Strombelastungen, die Werte von 100 kA überschreiten. Mit den kurzen Durchschaltzeiten werden die Lebenszyklen der Bauelemente erheblich gesteigert.
Der Kugelschalenvaristor gemäß Fig. 2 besitzt eine Kugelelektrode 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 gleichzeitig als elektrisches Anschlußstück für diese Elektrode 2 dient. Über einen weiteren Rohranschluß 11 wird erwärmte Kühlflüssigkeit aus dem Hohlraum 8 abgeführt. Die Kugelelektrode 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 Anschlußstück 5 ausgebildet und entspricht der zu Fig. 1 beschriebenen Ausführung. Die Isolierhüllen 6 dienen zur elektrischen Isolierung der Anschlußrohre 9 und 11 gegenüber der äußeren Elektrode 3 und der Keramikschicht 1.
In Fig. 3 ist ein elektrischers 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 Stromzufuhr in die Kugelelektrode 2 verbessert die Stromverteilung in der Elektrode 2.

Claims

1. Spannungsabhängiger Widerstand (Varistor) der als Hohlräumekörper ausgebildet ist und aus halbleitender Oxid-Keramik auf 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 halbleitende Oxid-Keramikschicht (1) als Kugelschale ausgebildet ist, deren Hohlraum von einer Kugelelektrode (2) kontaktierend ausgefüllt ist, daß die Außenfläche der Oxid-Keramikschicht von einer Metallschichtelektrode (3) kontaktierend umhüllt ist, daß an den Elektroden (2,3) elektrische Anschlußstücke befestigt sind, daß das an der Kugelelektrode (2) befestigte Anschlußstück (4) die Keramikschicht (1) und die äußere Metallschichtelektrode (3) elektrisch isoliert durchdringt, und daß das an der äußeren Metallschichtelektrode (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 Hohlraumkörper ausgebildet ist und aus halbleitender Oxid-Keramik 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 Wellenwiderstand 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 Zentrum der Elektrode (2) eingeführt ist.