EP0747910A2

EP0747910A2 - PTC-Widerstand

Info

Publication number: EP0747910A2
Application number: EP96810322A
Authority: EP
Inventors: Gerd Maidorn; Ralf Dr. Strümpler
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1995-06-08
Filing date: 1996-05-22
Publication date: 1996-12-11
Also published as: JPH097802A; DE19520869A1; CN1140318A; EP0747910A3

Abstract

Der PTC-Widerstand enthält einen zwischen zwei Kontaktanschlüssen angeordneten elektrischen Widerstandskörper aus Verbundwerkstoff mit einer Polymermatrix und einem in die Polymermatrix eingebetteten pulverförmigen Füllstoff aus elektrisch leitfähigem Material. Der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs weist eine Fraktion von Teilchen auf, deren mittlerer Durchmesser kleiner 100 µm, vorzugsweise kleiner 30 µm, und grösser 5 µm ist.

Ein solcher PTC-Widerstand begrenzt einen in einem Schaltkreis fliessenden Kurzschluss- oder Überstrom besonders rasch und unter geringer Energieaufnahme.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem PTC-Widerstand nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Widerstände auf der Basis einer Polymer-Matrix und eines in die Polymer-Matrix eingebetteten pulverförmigen Füllstoffs aus elektrisch leitfähigem Material mit PTC-Verhalten werden als strombegrenzende Elemente in der Energietechnik verwendet und dienen der Begrenzung eines in einem Stromkreis auftretenden Kurzschluss- oder Überstroms. Hierbei wird der PTC-Widerstand durch den Kurzschluss- oder Überstrom auf eine kritische Temperatur aufgeheizt, bei der das die Füllstoffteilchen einbettende Polymer des PTC-Widerstands etwa durch Aufschmelzen seine Phase ändert und dann von den Füllstoffteilchen gebildete, stromführenden Perkolationspfade des PTC-Widerstands unterbricht.

STAND DER TECHNIK

Ein PTC-Widerstand auf der Basis einer Polymer-Matrix und eines in die Polymer-Matrix eingebetteten, pulverförmigen Füllstoffs aus elektrisch leitfähigem Material ist in WO-A-91 19 297 beschrieben. Die Matrix dieses Widerstands ist von einem thermoplastischen Polymer, wie insbesondere Polyäthylen gebildet. Als Füllstoff werden Russ mit Teilchengrössen bis 0,1 µm, Metalle, wie Nickel, Wolfram, Messing oder Aluminium, Boride, wie TiB₂, Nitride, wie ZrN, Oxide, wie TiO, oder Carbide, wie TaC, mit Teilchengrössen bis 100 µm eingesetzt. Bedingt durch die Materialzusammensetzung und durch geeignete Herstellverfahren weist der bekannte PTC-Widerstand im kaltleitenden Zustand einen spezifischen Widerstand zwischen 30 und 50 mΩ·cm auf und kann dann mit relativ hohen Nennströmen belastet werden.
Für das zur Strombegrenzung in einem Stromkreis der Energietechnik wichtige PTC-Verhalten des Widerstandes ist jedoch nicht allein dessen spezifischer Widerstand im kaltleitenden Zustand wesentlich, sondern sind material-spezifische Eigenschaften bedeutsam, die beim Anstieg des durch den Widerstand geführten Stroms über einen Grenzwert hinaus eine rasche Begrenzung dieses Stromes bewirken, ohne dass der Widerstand unzulässig hoch erwärmt wird. Dies kann insbesondere dann, wenn der Schaltvorgang im PTC-Widerstand inhomogen erfolgt, dazu führen, dass der PTC-Widerstand - etwa in der Mitte zwischen den Kontaktanschlüssen - lokal überhitzte Bereiche, sogenannter "hot spots", bildet. In den überhitzten Bereichen schaltet der PTC-Widerstand früher in den hochohmigen Zustand als an nicht erhitzten Stellen. Es fällt dann die gesamte am PTC-Widerstand anliegende Spannung über eine relativ kleine Distanz am Ort des höchsten Widerstands ab. Die damit verbundene hohe elektrische Feldstärke kann dann zu Durchschlägen und zur Beschädigung des PTC-Widerstands führen.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen PTC-Widerstand der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher eine besonders rasche Begrenzung eines in einem Schaltkreis fliessenden Kurzschluss- oder Überstroms ermöglicht.
Der PTC-Widerstand nach der Erfindung zeichnet dadurch aus, dass er äusserst schnell auf einen Kurzschluss- oder Überstrom anspricht und so schon zu einem frühen Zeitpunkt diesen Strom begrenzen kann. Der PTC-Widerstand nach der Erfindung nimmt relativ wenig Energie auf und bleibt weitgehend von unzulässig hohen thermischen und elektrischen Belastungen verschont. Überhitzte lokale Bereiche werden daher im allgemeinen vermieden. Diese günstigen Eigenschaften ergeben sich aus dem geeignet ausgewählten und bemessenen Füllstoff.
Durch einen Kurzschluss- oder Überstrom I(t) wird der PTC-Widerstand auf seine kritische Temperatur T_C erhitzt, bei der der PTC-Übergang stattfindet und der Strom begrenzt wird. Die für ein homogenes Material erforderliche Zeit δt zur Begrenzung des Kurzschluss- oder Überstroms hängt vom spezifischen Widerstand r, der spezifischen Dichte d_mass und der spezifischen Wärme c_P des Materials des PTC-Widerstands sowie seinem Querschnitt A und seiner Länge 1 zwischen seinen Anschlusselektroden ab. Es gilt folgende Ungleichung: ${r·(l/A)·I(t)}^{2} {·δt ≥ A·l·c}_{p} {·d}_{mass} ·δT,$
mit δT=T_c-T, wobei T die Umgebungstemperatur ist.
Dies bedeutet, dass die in in der Ansprechperiode δt im PTC-Widerstand umgesetzte Energie zumindest so gross sein muss wie diejenige Energie, die notwendig ist, um das Material des Widerstands von der Umgebungstemperatur T auf die Übergangstemperatur T_c aufzuheizen.
Im PTC-Widerstand wird jedoch die vom Kurzschluss- oder Überstrom zugeführte Energie nicht homogen umgesetzt. Der Widerstand weist von den leitfähigen Teilchen gebildete perkolierende Strompfade auf. Der grösste elektrische Widerstand und damit auch die grösste Umsetzung von elektrischer in thermische Energie findet am elektrischen Kontakt zwischen den einzelnen Füllstoffteilchen statt. Die an den Kontaktstellen erzeugte thermische Energie erhitzt das die Füllstoffteilchen einbettende Polymer. Sind die Füllstoffteilchen relativ gross, beispielsweise grösser 100 µm, so bilden sich zwischen den einzelnen Teilchen relativ grosse mit Polymer gefüllte Lücken. Sind hingegen die Füllstoffteilchen relativ klein, so bilden sich zwischen den einzelnen Teilchen lediglich relativ kleine mit Polymer gefüllte Lücken. Die an den Kontaktstellen umgesetzte Energie kann das in den kleinen Lücken befindliche Polymer sehr viel schneller erwärmen als das in den grössen Lücken vorgesehenen Polymer. Die zur Durchführung des PTC-Übergangs benötigte Temperatur T_c wird daher bei kleineren Füllstoffteilchen rascher erreicht. Jedoch darf der überwiegende Teil der Füllstoffteilchen nicht kleiner 10 µm sein, da sonst der spezifische Widerstand zu gross wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:

Fig. 1: Kennlinien von drei PTC-Widerständen, bei denen jeweils die Grösse eines in einem Schaltkreis durch Entladung einer auf 200 V aufgeladenen Kondensatorbank erzeugten, durch die PTC-Widerstände fliessenden und durch die PTC-Widerstände unterschiedlich begrenzten Kurzschlussstroms I [A] in Abhängigkeit von der Zeit t [ms] dargestellt ist,
Fig. 2: Kennlinien von fünf weiteren PTC-Widerständen, bei denen entsprechend den Kennlinien gemäss Fig. 1 die Grösse des Stroms I [A] in Abhängigkeit von der Zeit t [ms] dargestellt ist, die Kondensatorbank des Schaltkreises jedoch auf 400 V aufgeladen war,
Fig. 3: weitere Kennlinien der in Fig.2 genannten fünf PTC-Widerstände, bei denen die Energieaufnahme W [J] der vom Strom I(t) durchflossenen PTC-Widerstände in Abhängigkeit von der Zeit t [ms] dargestellt ist, und
Fig. 4: Kennlinien von zwei weiteren PTC-Widerständen und einem der fünf in Fig.2 genannten PTC-Widerstände, bei denen entsprechend den Kennlinien gemäss Fig.2 die Grösse des Stroms I(t) in Abhängigkeit von der Zeit t [ms] dargestellt ist.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Es wurden nach einem bei der Herstellung von PTC-Widerständen üblichen Verfahren ein thermoplastisches PTC-Polymer, wie insbesondere Polyäthylen, mit elektrisch leitfähigem Füllstoffpulver vermischt und aus der resultierenden Mischung bei erhöhter Temperatur und bei erhöhtem Druck quaderförmige Widerstandskörper mit zueinander durch Läppen oder Polieren geglätteten Stirnflächen gepresst. Auf die Stirnflächen wurden Kontaktanschlüsse gelötet. Die Länge 1 der Widerstände lag im Zentimeterbereich, die Querschnittsfläche A lag im Quadratzentimeterbereich. Typische Werte für 1 bzw. A waren ca. 0,5 bis ca. 2 cm bzw. 0,3 cm².
Als Ausgangsmaterial für das Polymer wurde Polyäthylen verwendet. Anstelle von Polyäthylen kann aber je nach Anwendungsfall auch ein Epoxid oder irgendein anderes thermo- oder duroplastisches Polymer eingesetzt werden. Als Füllstoff wurde pulverförmiges TiB₂ mit unterschiedlichen Teilchengrössen verwendet, insbesondere mit mittleren Teilchengrössen zwischen 100 und 200 µm, zwischen 71 und 90 µm, zwischen 63 und 71 µm, zwischen 50 und 63 µm, zwischen 32 und 50 µm, zwischen 32 und 45 µm, zwischen 10 und 30 µm, zwischen 1 und 5 µm und mit mittleren Teilchengrössen kleiner 45 µm, von welchen Teilchen 10 Gewichtsprozent kleiner 4 µm, 20 Gewichtsprozent kleiner 8 µm, 50 Gewichtsprozent kleiner 15 µm und 90 Gewichtsprozent kleiner 20 µm waren. Anstelle von TiB₂ kann der Füllstoff auch ein anderes leitfähiges Borid, wie etwa ZrB₂, ein leitfähiges Carbid, wie etwa TiC, VC oder SiC, ein leitfähiges Nitrid, wie etwa ZrN, ein leitfähiges Oxid, wie RUO₂ oder VO, oder ein leitfähiges Silicid, wie etwa MoSi₂ oder WSi₂, und/oder ein Metall oder eine dieses Metall enthaltende Legierung, etwa auf der Basis von Nickel, Silber, Wolfram, Kobalt, Kupfer, Aluminium, Zink, Zinn oder Molybdän, sein.
Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, waren die einzelnen PTC-Widerstände derart ausgebildet, dass sie bei gleicher chemischer Zusammensetzung von Polymer und Füllstoff gleichen Querschnitt A aufwiesen und sich voneinander durch die Länge 1 und vor allem durch die Grösse des pulverförmigen Füllstoffs voneinander unterschieden.
Es wurden PTC-Widerstandsproben A bis N mit den nachfolgend tabellarisch angegebenen mittleren Füllstoffteilchengrössen und Füllstoffmengen sowie geometrischen Abmessungen hergestellt.
Unterschiede in den Füllstoffgehalten bei den Proben A - D bewirken nur eine vernachlässigbar geringe Änderung der spezifischen Wärme und hatten daher bei den nachfolgend beschriebenen Vergleichsversuchen keinen wesentlichen Einfluss auf das Ansprechverhalten der PTC-Widerstände. Bei den Proben E - N wurden gleiche Füllstoffgehalte gewählt.

Probe	Teilchengrösse [µm]	Volumenanteil Füllstoff [%]	Querschnitt [cm²]	Länge [cm]
A	100-200	43	0,30	2,1
B	63-71	35	0,30	1,8
C	32-45	40	0,30	1,95
D	1-5	60	0,30	2,0
E	< 45	50	0,32	0,47
F	< 45	50	0,32	0,55
G	10-30	50	0,30	0,52
H	10-30	50	0,31	0,57
J	32-50	50	0,31	0,55
K	50-63	50	0,31	1,08
L	50-63	50	0,31	0,58
M	63-71	50	0,31	0,525
N	71-90	50	0,32	0,46

Von diese Widerständen wurden bei Raumtemperatur der Kaltwiderstand R [mΩ], der spezifische Widerstand r [mΩ·cm] und mit Hilfe von Kurzschlussstromversuchen der maximal in der Widerstandsprobe auftretende Kurzschlussstrom I_max [A] und die beim Wirken des Kurzschlussstromes vom Widerstand aufgenommene Energie [Joule] ermittelt.
Bei den Kurzschlussstromversuchen wurde jede der zu untersuchenden Widerstandsproben A - N in einen Schaltkreis eingebaut, in dem als Kurzschlussstromquelle eine bei den Proben A -D auf 200 V und bei den Proben E - N auf 400 V aufgeladene Kondensatorbank mit einer Kapazität von 7,5 mF zur Verfügung stand. Die Induktivität des Schaltkreises betrug 4,5 µH, was nach Kurzschliessen des Kreises mit einem Ignitron zu einer Schwingkreisfrequenz von ca. 800 Hz führte. Die Widerstandsproben A - N waren jeweils durch parallelgeschaltete Varistoren vor Überspannungen geschützt. Gegen Aussenüberschläge waren die Proben E, F, H, J und L - N jeweils durch Tauchen in Transformatoröl und die Proben G und K jeweils durch Aufbringen eines Silikonüberzugs geschützt.
Die Ergebnisse der Kurzschlussstromversuche sind in den Figuren und zusammen mit den Widerstandsmessungen in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.

Probe	Kaltwiderstand R [mΩ]	spez. Widerstand [mΩ cm]	I_max [A]	Energie [Joule]
A	140	15,4	1350	107
B	145	18,1	1300	91
C	132	16,7	1200	60
D	226	24,7	(800)	110
E	43	6,3	3080	241
F	41	6,3	3120	242
G	39	6,7	3360	252
H	43	6,7	3360	266
J	42	8,4	3480	353
K	38	5,9	3680	388
L	42	5,9	4000	438
M	43	8,1	3960	421
N	40	7.6	4320	487

Der Strom I_max ist der höchste gemessene Strom, der beim Kurzschlussstromversuch durch den jeweiligen Probewiderstand geflossen ist. Je höher sein Wert, um so später hat der PTC-Übergang und damit die Strombegrenzung eingesetzt. Energie in Joule bedeutet diejenige Energie, die im Zeitraum zwischen dem Auftreten des Kurzschlussstroms (t_A = 0) bis zu seinem Verschwinden (je nach Probewiderstand t_E = 0,4- 2 ms) vom jeweiligen Probewiderstand überwiegend in Form von Wärme aufgenommen worden ist. $[Energieaufnahme = ∫ U(t)·I(t)dt]$
Die Energieaufnahme ist ein Mass für das Schaltverhalten der PTC-Widerstände. Das Schaltvermögen der PTC-Widerstände ist umso besser je geringer bei vergleichbaren Bedingungen die Energieaufnahme ist.
Aus den Messergebnissen ist ersichtlich, dass bei einem PTC-Widerstand mit vergleichsweise grossen Füllstoffteilchen (Probe A mit Teilchengrössen zwischen 100 und 200 µm) der Kurzschlussstrom verhältnismässig spät begrenzt wird und der Kurzschlussstrom zugleich einen ziemlich hohen Wert (I_max=1350[A]) erreicht. Auch die hierbei vom Widerstand aufgenommene Energie ist mit 107 [J] verhältnismässig gross.
Bei PTC-Widerständen mit kleineren Füllstoffteilchen (Proben B bzw. C mit Teilchengrössen zwischen 63 und 71 µm bzw. 32 und 45 µm) wird der Kurzschlussstrom zum Teil schon erheblich früher begrenzt (bei Probe C ca. 50 µs, d.h. ca. 25% eher als bei Probe A). Zudem erreicht der Kurzschlussstrom nicht mehr so hohe Werte wie bei Probe A (bei Probe C mit 1200 A lediglich noch ca. 90% des Wertes von Probe A). Darüber hinaus ist auch die von den Widerständen bei der Strombegrenzung aufgenommene Energie geringer. Bei der Probe B ist diese Energie ca. 15% und bei der Probe C ca. 45% kleiner als bei Probe A. Die hieraus zu erkennende Tendenz, dass sich mit abnehmender Grösse der Füllstoffteilchen das Strombegrenzungsvermögen und das Schaltverhalten der PTC-Widerstände zunehmend verbessern, ist weder den kleinen Unterschieden im spezifischen Widerstand noch im Kaltwiderstand der einzelnen Proben zuzuschreiben, sondern ausschliesslich der geeigneten Wahl der Füllstoffteilchen.
Dieses Verhalten ist besonders deutlich aus den Messungen an den Proben E -N zu ersehen (Figuren 2 - 4 und Tabelle), bei denen im Unterschied zu den Messungen an den Proben A - D die Ladespannung der Kondensatorbank 400 V betrug und dementsprechend der Prüfstrom stärker anstieg als bei den Messungen an den Proben A - D. Eine äusserst rasche und wirkungsvolle Strombegrenzung bei gleichzeitig guten Kaltleiteigenschaften wurde mit den Proben E bis H erreicht, also mit PTC-Widerständen, bei denen wie bei den Proben G und H die Füllstoffteilchen 10 - 30 µm bzw. wie bei den Proben E und F die Füllstoffteilchen überwiegend kleiner 20 oder sogar 15 µm waren.
Gegenüber PTC-Widerständen, welche überwiegend Füllstoffteilchen mit mittleren Durchmessern grösser 100 µm enthalten, weisen PTC-Widerstände, bei denen der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs Partikel mit mittleren Durchmessern kleiner ca. 100 µm oder besser kleiner ca. 70 µm aufweisen, ein erheblich verbessertes Schaltverhalten auf. Ein besonders günstiges Schaltverhalten mit kleiner Energieaufnahme, kurzer Ansprechzeit und kleinem Spitzenwert des im Widerstand geführten Stroms I_max wird erreicht, wenn der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs Partikel mit Teilchengrössen kleiner 30 µm oder sogar kleiner 20 µm aufweist.
Jedoch darf die mittlere Grösse der im überwiegenden Volumenanteil vorgesehenen Partikel nicht zu klein gewählt werden, da dann unter anderem der spezifische Widerstand und damit auch der Kaltwiderstand eines aus einem solchen Material gefertigten PTC-Widerstands zu stark ansteigt. Dies ist aus Probe D zu erkennen, bei der die Füllstoffpartikel mittlere Teilchengrössen zwischen 1 und 5 µm aufwiesen. Um einen zumindest mit den Proben A bis C annähernd (Abweichung ca. 50-60%) vergleichbaren Kaltwiderstand zu erreichen, musste bei Probe D mit einem Volumenanteil von ca. 60% praktisch 50% mehr Füllstoff in das Polymer eingemischt werden als bei den anderen Proben. Eine Strombegrenzung durch einen PTC-Übergang konnte mit einem solchen Widerstand bei einer Prüfspannung von 200 V nicht erreicht werden. Der in der vorstehenden Tabelle angegebene Begrenzungsstrom I_max ist lediglich durch den hohen Kaltwiderstand von 226 mΩ und nicht durch einen PTC-Übergang bedingt.
Eine weitere Verbesserung des Ansprechverhaltens des erfindungsgemässen PTC-Widerstands wird erzielt, wenn die Füllstoffteilchen hohl ausgebildet sind oder eine geringe Masse aufweisen, da dann aufgrund einer relativ geringen spezifischen Wärme eine besonders rasche Erwärmung des Polymers erreicht werden kann.

Claims

PTC-Widerstand mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen angeordneten elektrischen Widerstandskörper aus Verbundwerkstoff mit einer Polymer-Matrix und einem in die Polymer-Matrix eingebetteten pulverförmigen Füllstoff aus elektrisch leitfähigem Material, dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs eine Fraktion von Teilchen aufweist, deren mittlerer Durchmesser kleiner 100 µm und grösser 5 µm ist.
PTC-Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs eine Fraktion von Teilchen aufweist, deren mittlerer Durchmesser kleiner 70 µm ist.
PTC-Widerstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs eine Fraktion von Teilchen aufweist, deren mittlerer Durchmesser kleiner 30 µm ist.
PTC-Widerstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs eine Fraktion von Teilchen aufweist, deren mittlerer Durchmesser kleiner 20 µm ist.
PTC-Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der überwiegende Volumenanteil des Füllstoffs eine Fraktion von Teilchen aufweist, deren mittlerer Durchmesser grösser 10 µm ist.
PTC-Widerstand nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff elektrisch leitende Teilchen in Form mindestens eines Metallborids, -carbids, -nitrids, - oxids und/oder - silizids und/oder eines Metalles und/oder einer Legierung auf der Basis des Metalls vorgesehen sind.
PTC-Widerstand nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff überwiegend hohle Teilchen aufweist.