EP0548606A2 - Widerstand mit PTC - Verhalten - Google Patents

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EP0548606A2
EP0548606A2 EP92120542A EP92120542A EP0548606A2 EP 0548606 A2 EP0548606 A2 EP 0548606A2 EP 92120542 A EP92120542 A EP 92120542A EP 92120542 A EP92120542 A EP 92120542A EP 0548606 A2 EP0548606 A2 EP 0548606A2
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EP
European Patent Office
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varistor
ptc
contact
resistor according
ptc material
Prior art date
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EP92120542A
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English (en)
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EP0548606B1 (de
EP0548606A3 (de
Inventor
Felix Dr. Greuter
Claus Dr. Schüler
Ralf Dr. Strümpler
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
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Publication of EP0548606A3 publication Critical patent/EP0548606A3/xx
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/02—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient

Definitions

  • the invention is based on an electrical resistance with a resistance body arranged between two contact connections, which contains a PTC behavior material that forms at least one electrically conductive path between the two contact connections below a material-specific temperature.
  • a resistor of the aforementioned type has long been state of the art and is described for example in DE 2 948 350 C2 or US 4 534 889 A.
  • a resistor contains a resistor body made of a ceramic or polymeric material which exhibits PTC behavior and conducts electrical current well below a material-specific limit temperature.
  • PTC material is, for example, a ceramic based on doped barium titanate or an electrically conductive polymer, such as a thermoplastic, semicrystalline polymer such as polyethylene, with, for example, carbon black as the conductive filler. If the limit temperature is exceeded, it increases the specific resistance of the resistance based on a PTC material jumps by many orders of magnitude.
  • PTC resistors can therefore be used as overload protection for circuits. Because of their limited conductivity, carbon-filled polymers, for example, have a specific resistance greater than 1 ⁇ cm, their practical application is generally limited to nominal currents up to approx. 8 A at 30 V and up to approx. 0.2 A at 250 V.
  • PTC resistors based on a polymer filled with borides, silicides or carbides with very high specific conductivity at room temperature, which should also be used as current-limiting elements in power circuits with currents of, for example, 50 to 100 A at 250 V.
  • resistors are not commercially available and can therefore not be implemented without considerable effort.
  • the thickness of the resistance material between the contact terminals determines the magnitude of the voltage held by the resistor in the high-resistance state.
  • large overvoltages are induced, particularly in circuits with high inductance. These can only be effectively dismantled if the PTC resistor is large. This inevitably leads either to a significant reduction in its current carrying capacity or to an unacceptably large component.
  • the PTC resistor becomes hotter at locally predefined locations, such as in the middle between the contact connections, than at other locations and therefore earlier at these locations switches to the high-resistance state than at the unheated locations.
  • the entire voltage applied to the PTC resistor then drops over a relatively small distance at the location of the highest resistance. The associated high electrical field strength can then lead to breakdowns and damage to the PTC resistor.
  • the invention as specified in claim 1, is based on the object of creating a resistor with PTC behavior which is simple and inexpensive and is nevertheless distinguished by high nominal current carrying capacity and high dielectric strength.
  • the resistor according to the invention consists of commercially available elements, such as at least one varistor based on ZnO, SrTiO3, SiC or BaTiO3, and at least one element made of PTC material, and is simply constructed. It can therefore not only be manufactured comparatively inexpensively, but can also be of small dimensions. This is due to the fact that the overvoltages induced by a switching-off process of the resistor according to the invention are derived from the varistor, and therefore the PTC element inducing the overvoltages only has to be designed for the breakdown voltage of the varistor.
  • the varistor In addition, locally occurring overvoltages are derived by the varistor. It is particularly advantageous here that due to the intimate contacting of the varistor and PTC material, the varistor over a small distance has lower breakdown voltage than over its entire length.
  • the relatively high thermal conductivity of the ceramic located in the varistor ensures a homogenization of the temperature distribution in the resistor according to the invention. This effectively counteracts the risk of local overheating and significantly increases the nominal current carrying capacity despite the small dimensions.
  • FIGS. 1 to 7 each show a top view of a section through one of seven preferred embodiments of the resistor according to the invention with PTC behavior.
  • the resistors shown in FIGS. 1 to 7 each contain a resistance body 3 arranged between two contact connections 1, 2.
  • the resistance body 3 is made up of two or more planar elements, preferably each designed as a plate.
  • One of these elements is a varistor 4, which is preferably made of a ceramic based on a metal oxide, such as ZnO, or a titanate, such as SrTiO3 or BaTiO3, or a carbide, such as SiC, is formed.
  • the varistor 4 is contacted with both connections 1, 2 and has a breakdown voltage which is above the nominal voltage of the electrical system in which the resistor is used.
  • the other 5 of the two elements consists of PTC material and can be formed from a thermoplastic or thermosetting polymer or else from a ceramic.
  • the PTC element 5 is also contacted with both connections 1, 2.
  • Varistor 4 and PTC element 5 have a common contact surface over their entire areal extension. Both elements are brought into intimate electrical contact with one another on this contact surface.
  • resistors are preferably produced as follows: First, approximately 0.5 to 2 mm thick plates are produced from a varistor ceramic using a process customary in varistor technology, such as by pressing or casting and subsequent sintering. With a shear mixer, epoxy resin and an electrically conductive filler, such as TiC, are used to produce PTC material based on a polymer. This is poured with a thickness of 0.5 to 4 mm onto a previously made plate-shaped varistor ceramic. If necessary, it is possible to cover the cast layer with a further varistor ceramic and to repeat the previously described process steps successively. This leads to a stack in which layers of varistor and PTC material are alternately arranged in succession in accordance with a multilayer arrangement. The epoxy resin is then cured at temperatures between 60 and 140 ° C to form the resistance body 3.
  • thermosetting PTC polymer a thermoplastic PTC polymer can also be used. This is first extruded into thin plates or foils which, after assembly with the plate-shaped varistor ceramic, are subsequently hot-pressed to form the resistance body 3.
  • the planar elements 4, 5 made of varistor and PTC ceramic can be connected to one another by gluing using an electrically anisotropically conductive elastomer.
  • this elastomer should have high adhesive strength.
  • this elastomer should only be electrically conductive in the direction of the normal to the flat elements.
  • Such an elastomer is known for example from J.Applied Physics 64 (1984) 6008.
  • the resistance bodies 3 can subsequently be cut up by cutting.
  • the resistance bodies produced in this way can have, for example, a length of 0.5 to 20 cm and end faces of, for example, 0.5 to 10 cm2.
  • the end faces of the resistance structure 3 having a sandwich structure are smoothed, for example by lapping and polishing, and can be connected to the contact connections 1, 2, for example, by soldering with a low-melting solder or by gluing with a conductive adhesive.
  • the resistor according to the invention normally conducts current during the operation of a system receiving it.
  • the current flows here in an electrically conductive path of the PTC element 5 running between the contact connections 1 and 2. If the PTC element 5 heats up to such an extent because of an overcurrent that the PTC element suddenly increases its resistance by many orders of magnitude the overcurrent is suddenly interrupted and an overvoltage is induced in the PTC element 5.
  • the varistor 4 is connected in its entire length parallel to the entire PTC element 5 and thus also to its current path carrying the overcurrent. As soon as the overvoltage exceeds the breakdown voltage of the varistor 4, the overcurrent is dissipated in parallel through the varistor 4, thus limiting the overvoltage.
  • the PTC element 5 therefore only has to be designed for the breakdown voltage of the varistor 4.
  • the varistor 4 which has a correspondingly reduced breakdown voltage over small distances.
  • the comparatively high thermal conductivity of the varistor ceramic also ensures that the temperature distribution in the PTC element 5 is homogenized, as a result of which local overheating is avoided in this element.
  • the high heat dissipation in the varistor helps to significantly increase the nominal current carrying capacity of the resistor according to the invention compared to a PTC resistor according to the prior art.
  • FIG. 3 shows a tube-shaped resistor cut along its tube axis according to the invention.
  • This resistor contains a varistor 4 and two PTC elements 5.
  • the varistor 4 and the PTC elements are each hollow cylinders and, together with ring-shaped contact connections, form a tubular resistor.
  • This resistance can advantageously be produced from a hollow cylindrical varistor ceramic, which is coated in a cylindrical casting mold on the inner and on the outer surface with a polymeric PTC casting compound, for example based on an epoxy resin.
  • a fully cylindrical varistor ceramic can also be used.
  • a resistor equipped with such a varistor is particularly easy to manufacture, whereas a resistor designed as a tube has particularly good heat dissipation by convection and particularly well with a liquid can be cooled. If a thermoplastic polymer is used as the PTC material instead of a thermoset polymer, the PTC material can be extruded directly onto the cylinder or the hollow cylinder.
  • the resistance body 3 each has the shape of a solid cylinder with varistors and PTC elements stacked one on top of the other.
  • the varistors are designed as circular disks 40 or as ring bodies 41 and the PTC elements in a congruent manner as ring bodies 50 or as circular disks 51.
  • contact disks 6 are additionally provided.
  • Each varistor in the form of a disk 40 or ring body 41 is in intimate electrical contact along its entire circumference with a PTC element 5 in the form of a ring body 50 or disk 51.
  • Each varistor and each PTC element 5 in contact with it is either connected to one of the two contact connections 1, 2 and a contact plate 6 or with two contact plates 6 contacted.
  • the varistors or the PTC elements are thus connected in series in each of the embodiments 4 to 6 between the contact connections 1, 2.
  • the resistors according to FIGS. 4 to 6 can be manufactured as follows:
  • the disks 40 and ring bodies 41 used as varistor 4 can be produced from powdered varistor material, such as from suitable metal oxides, by pressing and sintering.
  • the diameters of the disks can be, for example, between 0.5 and 5 cm and those of the ring bodies between 1 and 10 cm with a thickness of, for example, between 0.1 and 1 cm.
  • the varistors 4 designed as disks 40 are stacked one above the other with the contact disks 6 lying between them.
  • the contact disks 6 can be any in the edge area have shaped holes 7 and may even be designed as a grid.
  • the stack is placed in a mold.
  • the free space between the contact disks 6 is then poured out with polymeric PTC material to form the ring bodies 50 and the cast stack is cured.
  • the top and bottom of the stack are then contacted.
  • the metal contact disks 6 ensure a low contact resistance in a current path formed by the disks 40 or ring bodies 50 connected in series. Overvoltages that occur can be derived over the entire circular cross section of the disks 40.
  • the holes 7 filled with PTC material reduce the total resistance in the current path of the PTC elements designed as ring bodies 50. Local overvoltages in the event of overheating in the resistor are avoided particularly well in this embodiment, since the resistance is divided into sections by the contact disks 6, and since in each section a varistor designed as a disk 40 is parallel to a PTC element designed as an annular body 50 and thus parallel is connected to a section of the current path causing the local overvoltages.
  • the PTC ring bodies 50 can also be sintered from ceramic. There is then no need to punch the contact disks 6. In this case, the contact resistance can be kept low by pressing or soldering.
  • the varistors can be designed as ring bodies 41 and the PTC elements as circular disks 51.
  • the holes 7 it is advisable to provide the holes 7 in a central area of the contact disks 6.
  • the varistors 4 are built into the PTC element 5.
  • Such an embodiment of the resistor according to the invention can be achieved in that in addition to an electrically conductive component, such as e.g. C, TiB2, TiC, WSi2 or MoSi2, also in sufficient quantity, for example 5 to 30 percent by volume, varistor material is mixed in powder form.
  • the particle size and the breakdown voltage of the added varistor material marked by squares in FIG. 7 can be adjusted over a wide range and is matched to the particle size of the conductive filler of the PTC element 5 marked by circles in FIG.
  • the varistor material can e.g. by sintering a spray granulate, as occurs as a sub-step in varistor production.
  • the particle diameters are typically between 5 and a few hundred microns.
  • the breakdown voltage of a single varistor particle can be varied between 6 V and a few hundred volts.
  • the composite can be shaped to form the resistance body 3 by hot pressing or by casting with subsequent curing at elevated temperature. Subsequent application of the contact connections 1, 2 to the resistance body 3 finally leads to the resistance.
  • the conductive filler forms current paths through the resistance body during normal operation of the resistor and at the same time brings about the PTC effect.
  • the varistor material on the other hand, depending on the amount added, forms percolating paths locally or through the entire resistance body 3, which can dissipate overvoltage.
  • a composite structure can also be produced by mixing sintered or ground granulate particles of a PTC ceramic with ceramic varistor particles.
  • the mutual bonding and the electrical contacting can be ensured by a metallic solder.
  • the volume fraction of this solder must be below the percolation limit, since this is the only way to guarantee the PTC and varistor behavior of the resistor at the same time.

Abstract

Der elektrische Widerstand weist einen zwischen zwei Kontaktanschlüssen (1, 2) angeordneten Widerstandskörper (3) auf. Dieser Widerstandskörper enthält ein Element (5) mit PTC- Verhalten, das unterhalb einer materialspezifischen Temperatur einen zwischen den beiden Kontaktanschlüssen (1, 2) verlaufenden elektrisch leitenden Pfad bildet. Der Widerstand soll einfach und kostengünstig sein, sich dennoch durch eine hohe Nennstromtragfähigkeit auszeichnen und vor lokalen und gesamthaften Überspannungen geschützt sein. Dies wird dadurch erreicht, dass der Widerstandskörper (3) zusätzlich ein Varistorverhalten aufweisendes Material enthält. Das Varistormaterial ist unter Bildung mindestens eines Varistors (Scheibe 40) parallel zu mindestens einem Teilabschnitt des elektrisch leitenden Pfades geschaltet und ist mit dem den mindestens einen Teilabschnitt bildenden Teil des PTC- Materials in innigen elektrischen Kontakt gebracht. Die Parallelschaltung von Element mit PTC - Verhalten und Varistor kann sowohl durch einen mikroskopischen Aufbau wie auch durch eine makroskopische Anordnung realisiert werden. <IMAGE>

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Widerstand mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen angeordneten Widerstandskörper, welcher ein PTC - Verhalten aufweisendes Material enthält, das unterhalb einer materialspezifischen Temperatur mindestens einen zwischen den beiden Kontaktanschlüssen verlaufenden elektrisch leitenden Pfad bildet.
    • STAND DER TECHNIK
  • Ein Widerstand der zuvor genannten Art ist schon seit langem Stand der Technik und ist beispielsweise in DE 2 948 350 C2 oder US 4 534 889 A beschrieben. Ein solcher Widerstand enthält einen Widerstandskörper aus einem keramischen oder polymeren Material, welches PTC - Verhalten aufweist und unterhalb einer materialspezifischen Grenztemperatur elektrischen Strom gut leitet. PTC - Material ist beispielsweise eine Keramik auf der Basis von dotiertem Bariumtitanat oder ein elektrisch leitfähiges Polymer, etwa ein thermoplastisches, semikristallines Polymer, wie Polyäthylen, mit beispielsweise Russ als leitfähigem Füllstoff. Beim Überschreiten der Grenztemperatur erhöht sich der spezifische Widerstand des Widerstandes auf der Basis eines PTC - Materials sprungartig um viele Grössenordnungen.
  • PTC - Widerstände können daher als Überlastschutz von Schaltkreisen eingesetzt werden. Wegen ihrer beschränkten Leitfähigkeit, kohlenstoffgefüllte Polymere weisen beispielsweise einen spezifischen Widerstand grösser 1 Ωcm auf, sind sie in ihrer praktischen Anwendung im allgemeinen auf Nennströme bis ca. 8 A bei 30 V und bis ca 0,2 A bei 250 V beschränkt.
  • In J. Mat. Sci. 26(1991) 145ff. sind PTC- Widerstände auf der Basis eines mit Boriden, Siliciden oder Carbiden gefüllten Polymers mit sehr hoher spezifischer Leitfähigkeit bei Raumtemperatur angegeben, welche als strombegrenzende Elemente auch in Leistungsschaltkreisen mit Strömen von beispielsweise 50 bis 100 A bei 250 V einsetzbar sein sollen. Derartige Widerstände sind jedoch kommerziell nicht verfügbar und können daher ohne beträchtlichen Aufwand nicht realisiert werden.
  • Bei allen PTC - Widerständen bestimmt die Dicke des zwischen Kontaktanschlüssen befindlichen Widerstandsmaterials zusammen mit der Spannungsfestigkeit dieses Materials die Grösse der vom Widerstand im hochohmigen Zustand gehaltenen Spannung. Bei einem schnellen Übergang vom nieder- in den hochohmigen Zustand werden jedoch - insbesondere bei Stromkreisen mit hoher Induktivität - grosse Überspannungen induziert. Diese können nur dann wirksam abgebaut werden, wenn der PTC-Widerstand gross dimensioniert wird. Dies führt zwangsläufig entweder zu einer erheblichen Reduktion seiner Stromtragfähigkeit oder zu einem unanehmbar grossen Bauelement. Darüber hinaus kann es passieren, dass der PTC-Widerstand bei Überlast an lokal vorgegebenen Stellen, wie etwa in der Mitte zwischen den Kontaktanschlüssen, heisser wird als an anderen Orten und somit an diesen Stellen früher in den hochohmigen Zustand schaltet als an den nicht erhitzten Orten. Es fällt dann die gesamte am PTC - Widerstand anliegende Spannung über eine relativ kleine Distanz am Ort des höchsten Widerstandes ab. Die damit verbundene hohe elektrische Feldstärke kann dann zu Durchschlägen und zur Beschädigung des PTC - Widerstandes führen.
    • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Widerstand mit PTC - Verhalten zu schaffen, welcher einfach und kostengünstig ist und sich dennoch durch hohe Nennstromtragfähigkeit und hohe Spannungsfestigkeit auszeichnet.
  • Der erfindungsgemässe Widerstand besteht aus kommerziell erhältlichen Elementen, wie mindestens einem Varistor auf der Basis von ZnO, SrTiO₃ ,SiC oder BaTiO₃, und mindestens einem Element aus PTC - Material, und ist einfach aufgebaut. Er kann daher nicht nur vergleichsweise kostengünstig herstellt werden, sondern kann zugleich auch klein dimensioniert sein. Dies ist dadurch bedingt, dass die durch einen Abschaltvorgang des erfindungsgemässen Widerstandes induzierten Überspannungen vom Varistor abgeleitet werden, und daher das die Überspannungen induzierende PTC- Element nur auf die Durchbruchsspannung des Varistors ausgelegt sein muss.
  • Ausserdem werden auch lokal auftretende Überspannungen durch den Varistor abgeleitet. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, dass aufgrund der innigen Kontaktierung von Varistor und PTC - Material der Varistor über kleine Distanzen eine niedrigere Durchbruchspannung besitzt als über seine gesamte Länge.
  • Zudem sorgt die relativ hohe Wärmeleitfähigkeit der im Varistor befindlichen Keramik für eine Homogenisierung der Temperaturverteilung im erfindungsgemässen Widerstand. Hierdurch wird der Gefahr einer lokalen Überhitzung wirksam entgegengetreten und die Nennstromtragfähigkeit trotz kleiner Dimensionierung ganz wesentlich erhöht.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt, und zwar zeigen die Figuren 1 bis 7 jeweils eine Aufsicht auf einen Schnitt durch jeweils eine von sieben bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemässen Widerstandes mit PTC - Verhalten.
    • WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die in den Figuren 1 bis 7 dargestellte Widerstände enthalten jeweils einen zwischen zwei Kontaktanschlüssen 1, 2 angeordneten Widerstandskörper 3. Bei den Ausführungsformen gemäss den Figuren 1 und 2 ist der Widerstandskörper 3 aus zwei oder mehreren flächenhaften und vorzugsweise jeweils als Platte ausgebideten Elementen aufgebaut. Eines dieser Elemente ist ein Varistor 4, welcher vorzugsweise aus einer Keramik auf der Basis eines Metalloxids, wie etwa ZnO, oder eines Titanates, wie etwa SrTiO₃ oder BaTiO₃, oder eines Carbides, wie etwa SiC, gebildet ist. Der Varistor 4 ist mit beiden Anschlüssen 1, 2 kontaktiert und weist eine Durchbruchspannung auf, die oberhalb der Nennspannung des elektrischen Systems liegt, in der der Widerstand eingesetzt wird. Das andere 5 der beiden Elemente besteht aus PTC - Material und kann von einem thermo- oder duroplastischen Polymer oder aber auch von einer Keramik gebildet sein. Entsprechend dem Varistor 4 ist auch das PTC - Element 5 mit beiden Anschlüssen 1, 2 kontaktiert. Varistor 4 und PTC - Element 5 weisen über ihre gesamte flächenhafte Ausdehnung eine gemeinsame Auflagefläche auf. An dieser Auflagefläche sind beide Elemente in innigen elektrischen Kontakt zueinander gebracht.
  • Diese Widerstände werden bevorzugt wie folgt hergestellt: Zunächst werden nach einem in der Varistortechnik üblichen Verfahren, wie etwa durch Pressen oder Giessen und nachfolgendes Sintern, ca. 0,5 bis 2 mm dicke Platten aus einer Varistor - Keramik hergestellt. Mit einem Schermischer wird aus Epoxidharz und einem elektrisch leitfähigen Füllstoff, wie beispielsweise TiC, PTC - Material auf der Basis eines Polymers hergestellt. Dieses wird mit einer Dicke von 0,5 bis 4 mm auf eine zuvor hergestellte plattenförmige Varistor - Keramik gegossen. Gegebenenfalls ist es möglich, die aufgegossene Schicht mit einer weitere Varistor - Keramik abzudecken und die zuvor beschriebenen Verfahrensschritte sukzessive zu wiederholen. Dies führt zu einem Stapel, in dem entsprechend einer Multilayer - Anordnung wechselweise aufeinanderfolgend Schichten aus Varistor- und PTC - Material angeordnet sind. Das Epoxidharz wird sodann bei Temperaturen zwischen 60 und 140°C unter Bildung des Widerstandskörpers 3 ausgehärtet.
  • Anstelle eines duroplastischen PTC - Polymers kann auch ein thermoplastisches PTC - Polymer eingesetzt werden. Dieses wird zunächst zu dünnen Platten oder Folien extrudiert, welche nach Zusammenbau mit der plattenförmigen Varistor - Keramik anschliessend zum Widerstandskörper 3 heissverpresst werden.
  • Ist das eingesetzte PTC - Material eine Keramik, so können die flächenhaften Elemente 4, 5 aus Varistor- und PTC - Keramik durch Verkleben mittels eines elektrisch anisotrop leitenden Elastomers miteinander verbunden werden. Zwecks Bildung des innigen elektrischen Kontaktes zwischen den unterschiedlichen Keramiken sollte dieses Elastomer eine hohe Klebkraft aufweisen. Zudem sollte dieses Elastomer nur in Richtung der Normalen der flächenhaften Elemente elektrisch leitend sein. Ein derartiges Elastomer ist beispielsweise aus J.Applied Physics 64(1984) 6008 bekannt.
  • Die Widerstandskörper 3 können nachfolgend durch Schneiden zerteilt werden. Die solchermassen hergestellten Widerstandskörper können beispielsweise eine Länge von 0,5 bis 20 cm und Stirnflächen von beispielsweise 0,5 bis 10 cm² aufweisen. Die Stirnflächen der Sandwich - Struktur aufweisenden Widerstandskörper 3 werden etwa durch Läppen und Polieren geglättet und können etwa durch Auflöten mit einem niedrigschmelzenden Lot oder durch Aufkleben mit einem leitfähigen Kleber mit den Kontaktanschlüssen 1, 2 verbunden werden.
  • Der erfindungsgemässe Widerstand leitet während des Betriebs eines ihn aufnehmenden Systems normalerweise Strom. Der Strom fliesst hierbei in einem zwischen den Kontaktanschlüssen 1 und 2 verlaufenden elektrisch leitenden Pfad des PTC - Element 5. Erhitzt sich das PTC - Element 5 wegen eines Überstromes so stark, dass das PTC - Element sprungartig seinen Widerstand um viele Grössenordnungen erhöht, so wird der Überstrom schlagartig unterbrochen und wird hierbei im PTC - Element 5 eine Überspannung induziert. Der Varistor 4 ist in seiner gesamten Länge parallel zum gesamten PTC - Element 5 und damit auch zu dessen, den Überstrom führenden Strompfad geschaltet. Sobald die Überspannung die Durchbruchspannung des Varistor 4 übertrifft, wird der Überstrom parallel durch den Varistor 4 abgeleitet, und so die Überspannung begrenzt. Das PTC - Element 5 muss daher nur auf die Durchbruchsspannung des Varistors 4 ausgelegt sein. Lokal auftretende Überspannungen werden ebenfalls über den Varistor 4 abgeleitet, welcher auf kleine Distanzen eine entsprechend erniedrigte Durchbruchsspannung besitzt. Die vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit der Varistor- Keramik sorgt zugleich für eine Homogenisierung der Temperaturverteilung im PTC - Element 5, wodurch in diesem Element lokale Überhitzungen vermieden werden. Darüber hinaus trägt die hohe Wärmeabfuhr in den Varistor dazu bei, die Nennstromtragfähigkeit des Widerstandes nach der Erfindung gegenüber einem PTC - Widerstand nach dem Stand der Technik erheblich zu vergrössern.
  • In Fig.3 ist ein rohrförmig gestalteter und längs seiner Rohrachse geschnittener Widerstand nach der Erfindung dargestellt. Dieser Widerstand enthält einen Varistor 4 und zwei PTC - Elemente 5. Der Varistor 4 und die PTC - Elemente sind jeweils Hohlzylinder und bilden zusammen mit ringförmigen Kontaktanschlüssen einen rohrförmigen Widerstand. Dieser Widerstand kann mit Vorteil aus einer hohlzylindrischen Varistorkeramik hergestellt werden, welche in einer zylindrischen Giessform auf der Innen- und auf der Mantelfläche mit einem polymeren PTC - Vergussmasse, etwa auf der Basis eines Epoxidharzes, überzogen wird. Anstelle einer hohlzylindrischen kann auch eine vollzylindrische Varistorkeramik eingesetzt werden. Ein mit einem solchen Varistor ausgestatteter Widerstand ist besonders einfach herzustellen, wohingegen ein als Rohr ausgebildeter Widerstand eine besonders gute Wärmeableitung durch Konvektion aufweist und besonders gut mit einer Flüssigkeit gekühlt werden kann. Wird anstelle eines duromeren Polymers ein thermoplastischen Polymer als PTC - Material verwendet, so kann das PTC - Material direkt auf den Zylinder oder den Hohlzylinder extrudiert werden.
  • Bei den Ausführungsformen gemäss den Figuren 4 bis 6 weist der Widerstandskörper 3 jeweils die Gestalt eines Vollzylinders mit übereinandergestapelten Varistoren und PTC-Elementen auf. Die Varistoren sind als kreisförmige Scheiben 40 oder als Ringkörper 41 und die PTC - Elemente in kongruenter Weise als Ringkörper 50 oder als kreisförmige Scheiben 51 ausgebildet. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen gemäss den Figuren 1 bis 3 sind zusätzlich Kontaktscheiben 6 vorgesehen. Jeder als Scheibe 40 oder Ringkörper 41 ausgebildete Varistor steht längs seines gesamten Umfanges in innigem elektrischem Kontakt mit einem als Ringkörper 50 oder Scheibe 51 ausgebildeten PTC - Element 5. Jeder Varistor und jedes mit ihm kontaktierte PTC - Element 5 ist entweder mit einem der beiden Kontaktanschlüsse 1, 2 und einer Kontaktscheibe 6 oder mit zwei Kontaktscheiben 6 kontaktiert. Die Varistoren bzw. die PTC - Elemente sind so bei jeder der Ausführungsformen 4 bis 6 zwischen den Kontaktanschlüssen 1, 2 in Serie geschaltet.
  • Die Widerstände nach den Figuren 4 bis 6 können wie folgt hergestellt werden:
    Aus pulverförmigem Varistormaterial, wie etwa aus geeigneten Metalloxiden, können durch Pressen und Sintern die als Varistor 4 verwendeten Scheiben 40 und Ringkörper 41 hergestellt werden. Die Durchmesser der Scheiben können beispielsweise zwischen 0,5 und 5 cm und diejenigen der Ringkörper zwischen 1 und 10 cm bei einer beispielsweise zwischen 0,1 und 1 cm betragenden Dicke liegen. Die als Scheiben 40 ausgebildeten Varistoren 4 werden mit den dazwischenliegenden Kontaktscheiben 6 übereinandergestapelt. Die Kontaktscheiben 6 können hierbei im Randbereich beliebig geformte Löcher 7 aufweisen und können gegebenenfalls sogar als Gitter ausgebildet sein. Der Stapel wird in eine Giessform eingebracht. Der noch freie Raum zwischen den Kontaktscheiben 6 wird sodann unter Bildung der Ringkörper 50 mit polymerem PTC - Material ausgegossen und der vergossene Stapel ausgehärtet. Ober- und Unterseite des Stapels werden anschliessend kontaktiert.
  • Bei einem derart hergestellten Widerstand gewährleisten die metallenen Kontaktscheiben 6 einen geringen Übergangswiderstand in einem durch die jeweils in Serie geschalteten Scheiben 40 bzw. Ringkörper 50 gebildeten Strompfad. Auftretende Überspannungen können über den gesamten kreisförmigen Querschnitt der Scheiben 40 abgeleitet werden. Durch die mit PTC - Material ausgefüllten Löcher 7 wird der Gesamtwiderstand im Strompfad der als Ringkörper 50 ausgebildeten PTC - Elemente herabgesetzt. Lokale Überspannungen bei Überhitzungen im Widerstand werden bei dieser Ausführungsform besonders gut vermieden, da der Widerstand durch die Kontaktscheiben 6 in Teilabschnitte unterteilt ist, und da in jedem Teilabschnitt ein als Scheibe 40 ausgebildeter Varistor parallel zu einem als Ringkörper 50 ausgebildeten PTC - Element und damit parallel zu einem Teilabschnitt des die lokalen Überspannungen hervorrufenden Strompfades geschaltet ist.
  • Die PTC - Ringkörper 50 können auch aus Keramik gesintert sein. Ein Lochen der Kontaktscheiben 6 erübrigt sich dann. Der Kontaktwiderstand kann in diesem Fall durch Pressen oder Verlöten klein gehalten werden.
  • Wie aus der Ausführungsform gemäss Fig. 6 ersichtlich ist, können die Varistoren als Ringkörper 41 und die PTC - Elemente als kreisförmige Scheiben 51 ausgebildet sein. Um bei dieser Ausführungsform bei der Verwendung eines polymeren PTC - Materials einen geringen Gesamtwiderstand zu erreichen, empfiehlt es sich, die Löcher 7 in einem zentralen Bereich der Kontaktscheiben 6 vorzusehen.
  • Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 7 sind die Varistoren 4 in das PTC - Element 5 eingebaut. Eine solche Ausführungsform des erfindungsgemässen Widerstandes lässt sich dadurch erreichen, dass in ein PTC - Polymer neben einer elektrisch leitfähigen Komponente, wie z.B. C, TiB₂, TiC, WSi₂ oder MoSi₂, auch in ausreichender Menge, beispielsweise 5 bis 30 Volumenprozent, Varistormaterial in Pulverform beigemischt wird. Die Partikelgrösse und die Durchbruchspannung des beigefügten in Fig.7 durch Quadrate markierten Varistormaterials kann über einen grossen Bereich eingestellt werden und ist auf die Partikelgrösse des in Fig. 7 durch Kreise markierten leitfähigen Füllstoffs des PTC - Elementes 5 abgestimmt. Das Varistormaterial kann z.B. durch Sintern eines Sprühgranulates, so wie es als Teilschritt in der Varistorfertigung auftritt, hergestellt werden. Die Partikeldurchmesser liegen typischerweise zwischen 5 und einigen hundert µm. Die Durchbruchspannung eines einzelnen Varistorpartikels kann dabei zwischen 6 V und einigen hundert Volt variiert werden. Die Formgebung des Komposits zum Widerstandskörper 3 kann durch Heisspressen oder durch Vergiessen mit anschliessendem Aushärten bei erhöhter Temperatur erfolgen. Nachfolgendes Aufbringen der Kontaktanschlüsse 1, 2 auf den Widerstandskörper 3 führt schliesslich zum Widerstand.
  • Der leitende Füllstoff bildet im Normalbetrieb des Widerstandes durch den Widerstandskörper hindurchgehende Strompfade aus und bewirkt zugleich den PTC - Effekt. Das Varistormaterial hingegen bildet je nach Zugabemenge lokal oder durch den ganzen Widerstandskörper 3 hindurch perkolierende Pfade aus, die Überspannung ableiten können.
  • Eine Kompositstruktur kann auch hergestellt werden durch Mischen von gesinterten oder gemahlenen Granulatpartikeln einer PTC - Keramik mit keramischen Varistorpartikeln. Die gegenseitige Bindung und die elektrische Kontaktierung kann hierbei durch ein metallisches Lot sichergestellt werden. Der Volumenanteil dieses Lotes muss unterhalb der Perkolationsgrenze liegen, da nur so das PTC - und das Varistorverhalten des Widerstandes gleichzeitig gewährleistet sind.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 1, 2
    Kontaktanschlüsse
    3
    Widerstandskörper
    4
    Varistor
    5
    PTC - Element
    6
    Kontaktscheiben
    7
    Löcher
    40
    Scheiben aus Varistormaterial
    41
    Ringkörper aus Varistormaterial
    50
    Ringkörper aus PCT - Material
    51
    Scheiben aus PTC - Material

Claims (13)

  1. Elektrischer Widerstand mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen (1, 2) angeordneten Widerstandskörper (3), welcher ein PTC - Verhalten aufweisendes Material enthält, das unterhalb einer materialspezifischen Temperatur mindestens einen zwischen den beiden Kontaktanschlüssen (1, 2) verlaufenden elektrisch leitenden Pfad bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandskörper (3) zusätzlich ein Varistorverhalten aufweisendes Material enthält, und dass das Varistormaterial unter Bildung mindestens eines Varistors (4) parallel zu mindestens einem Teilabschnitt des mindestens einen elektrisch leitenden Pfades geschaltet ist und mit dem den mindestens einen Teilabschnitt bildenden Teil des PTC - Materials in innigen elektrischen Kontakt gebracht ist.
  2. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Varistor (4) mit beiden Kontaktanschlüssen (1, 2) kontaktiert ist.
  3. Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Varistor (4) sowie gegebenenfalls vorgesehene weitere Varistoren (4) jeweils eine flächenhafte Schicht aus Varistormaterial enthalten, dass das PTC - Material in Form einer oder mehrerer flächenhafter Schichten vorliegt, und dass wechselweise aufeinanderfolgend Schichten aus Varistor- und PTC-Material in Form eines Stapels angeordnet sind.
  4. Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Varistor (4) sowie gegebenenfalls vorgesehene weitere Varistoren (4) und das PTC - Material jeweils als Hohl- oder als Vollzylinder ausgebildet sind, und dass wechselweise aufeinanderfolgend mindestens ein Varistor (4) und mindestens ein Element (5) aus PTC - Material unter Bildung eines Rohrs oder eines Vollzylinders angeordnet sind.
  5. Widerstand nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC - Material ein Polymer ist, welches unter Bildung des innigen elektrischen Kontaktes durch Aufgiessen auf einen benachbarten Varistor (4) und nachfolgendes Aushärten oder durch Auflegen als platten- oder folienartiges Element (5) auf einen benachbarten Varistor (4) und nachfolgendes Heissverpressen hergestellt ist.
  6. Widerstand nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC- Material eine Keramik ist, welche unter Bildung des innigen elektrischen Kontaktes mittels eines elektrisch anisotrop leitenden Materials, wie insbesondere eines Elastomers, auf einem benachbarten Varistor (4) befestigt ist.
  7. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Varistor (4) mit einem ersten (1) der beiden Kontaktanschlüsse (1, 2) und einer Kontaktscheibe (6) und ein zweiter Varistor (4) entweder mit zwei Kontaktscheiben (6) oder einer Kontaktscheibe (6) und einem zweiten (2) der beiden Kontaktanschlüsse (1, 2) kontaktiert ist (Fig.4, 5, 6).
  8. Widerstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Varistor (4) jeweils als kreisförmige Scheibe (40) ausgebildet sind, und dass diese Scheiben (40) jeweils von einem aus PTC - Material gebildeten Ringkörper (50) umgeben sind (Fig.4, 5).
  9. Widerstand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Varistor (4) jeweils als Ringkörper (41) ausgebildet sind, und dass diese Ringkörper (41) jeweils eine aus dem PTC- Material gebildete kreisförmige Scheibe (51) umgeben (Fig.6).
  10. Widerstand nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktscheiben (6) mit PTC-Material aufgefüllte Löcher (7) aufweisen, durch welche die aus dem PTC - Material bestehenden Scheiben (51) oder Ringkörper (50) miteinander verbunden sind (Fig.4).
  11. Widerstand nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC - Material ein duromeres oder thermoplastisches Polymer enthält, welches nach Erstellung eines die Kontaktscheiben (6) sowie den ersten und zweiten Varistor (4) enthaltenden Stapels unter Bildung der Ringkörper (50) oder der Scheiben (51) in den Stapel eingegossen oder heiss eingepresst ist.
  12. Widerstand nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aus PTC - Material bestehenden Ringkörper (50) oder Scheiben (51) aus Keramik sind.
  13. Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Varistor (4) in Partikelform im Widerstandskörper (3) angeordnet ist und mit weiteren in Partikelform im Widerstandskörper (3) vorgesehenen Varistoren (4) nach Erreichen der von der Partikelgrösse und Materialbeschaffenheit abhängigen Durchbruchspannung lokal oder vollständig durch den Widerstandskörper (3) hindurch perkolierende Strompfade ausbildet (Fig.7).
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