Beschreibung
Elektrisches Bauelement
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement mit einem Grundkörper, der ein Keramikmaterial umfaßt und wenigstens zwei Kontaktschichten auf der Oberfläche aufweist.
Es sind Bauelemente der eingangs genannten Art bekannt, die als Varistoren verwendet werden. Der Grundkörper dieser Bauelemente weist häufig eine Mischung verschiedener Metalloxide, zum Beispiel auf der Basis von Zinkoxid, auf. Die nichtlineare spannungsabhängige Widerstandsänderung von Varistoren wird zum Schutz eines elektrischen Schaltkreises vor Über- Spannung benutzt. Der Widerstandswert von Varistoren sinkt dabei mit steigender anliegender Spannung.
Beim Auftreten einer Überspannung (Betriebsspannung übersteigt einen zulässigen Grenzwert für den Varistor) jedoch steigt der Durchlaßstrom des Varistors steil an. Die dadurch ebenfalls stark zunehmende Verlustleistung heizt den Varistor auf. Bei länger andauernden Überspannungen kann es dabei zur Erhitzung und zur Brandauslösung kommen. So kam es aufgrund von Nulleiterbrüchen in amerikanischen Stromnetzen, die zu einer Verdoppelung der Netzspannung führten, zur Überhitzung von Varistoren.
Aus der Druckschrift DE 331 85 88 ist ein Varistorsicherungs- element zum Schutz elektrischer Schaltkreise vor Überspannun- gen und Übertemperaturen bekannt. Es besteht aus einer mechanischen Konstruktion, bei der auf dem Varistor ein niedrigschmelzendes Lot aufgebracht ist, das eine federnde Stromzuleitung fixiert . Beim Auftreten von Überspannungen und damit verbundener Überhitzung des Varistors schmilzt das Lot, wobei die Federkonstruktion daraufhin eine irreversible niederohmi- ge Kurzschlußüberbrückung mit einer zweiten Stromzuleitung herstellt. Die Nachteile dieser mechanischen Konstruktion be-
stehen darin, daß sie sehr aufwendig zu realisieren ist und die Kurzschlußüberbrückung irreversibel ist, so daß das Bauelement nach Auslösung der Sicherung ausgetauscht werden muß.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfache thermische Sicherung für elektrokeramische Bauelemente zur Verfügung zu stellen, die die genannten Nachteile vermeidet.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sowie ein Verfahren zur Herstellung der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
Die Erfindung beschreibt einen keramischen Grundkörper auf dem wenigstens zwei elektrisch leitende Kontaktschichten angebracht sind. Der keramische Grundkörper ist erfindungsgemäß mit einem zweiten Material elektrisch leitend verbunden, wobei dieses Material in der Regel auf der Oberfläche des keramischen Grundkörpers aufgebracht ist, um dessen elektrische Kennlinie möglichst nicht zu beeinflussen. Das zweite Material weist in vorgesehenem Betriebstemperaturbereich des elektrischen Bauelements einen hohen ohmschen Widerstand auf, wobei sich dessen spezifischer elektrischer Widerstand mit steigender Temperatur verringert. Im normalen Betriebsfall, bei dem die Betriebsspannung einen vorgegebenen zulässigen
Grenzwert nicht überschreitet, erfolgt ein Stromfluß zwischen den beiden Kontaktschichten in erster Linie über den keramischen Grundkörper. Das zweite Material ist in der Regel im Normalbetrieb hochohmig und leitet daher den Strom nicht. Bei Überschreitung der Betriebsspannung heizt sich der keramische Grundkörper infolge der zunehmenden Verlustleistung stark auf, so daß auch das auf der Oberfläche des Keramikkörpers befindliche zweite Material aufgewärmt wird und infolgedessen niederohmig wird. Als Folge davon wird bei Überschreitung des Betriebstemperaturbereichs ein zweiter Stromleitungspfad aufgebaut, der beispielsweise durch Randüberschlag eine Kurzschlußüberbrückung auslöst. Möglich ist es auch, das zweite
Material elektrisch leitend mit einer externen Sicherung zu verbinden, die im Falle eines Stromflusses ausgelöst wird. Damit wird eine Beschädigung des Bauelements vermieden und die Brandgefahr durch Überhitzung ausgeschlossen. Der zweite Strompfad verläuft dabei parallel zum ersten Strompfad, so daß das erfindungsgemäße Bauelement eine Parallelschaltung zwischen dem ersten und dem zweiten Strompfad verwirklicht.
Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik bestehen darin, daß die thermische Sicherung bereits in dem elektrischen Bauelement auf einfache Art und Weise implementiert werden kann, ohne daß aufwendige mechanische Federkonstruktionen nötig sind. Weiterhin ist die Kurzschlußüberbrük- kung in der Regel reversibel . Im Falle eines Kurzschlusses kann das elektrokeramische Bauelement nach Abkühlung in der Regel wieder verwendet werden, während bei den mechanischen Sicherungen ein Austausch des Bauelements nötig ist.
Der Grundkörper kann beispielsweise eine Varistorkeramik auf der Basis von Zinkoxid enthalten. Das zweite Material ist vorteilhafterweise ein Heißleiter, der aus Keramiken des Spinelltyps mit der allgemeinen Formel AB2O4 besteht, wobei A zweiwertige Metalle und B drei- oder vierwertige Metalle darstellt, beispielsweise ZnMn2Ü . Die A- und B-Plätze können dabei vorteilhafterweise mit den Elementen Magnesium, Mangan, Selen, Kobalt, Nickel, Zink, Aluminium oder Eisen besetzt sein. Dies hat den Vorteil, daß der Grundkörper und das zweite Material zusammen sinterbar sind, was die Herstellung des elektrischen Bauelements stark vereinfacht.
Möglich ist beispielsweise auch die Verwendung einer Perovskitkeramik der folgenden allgemeinen Formel als Heißleiter für das zweite Material :
MlIχMlII1_χTiIVχ+yCoIIyCoIII1_χ_2yo3,
bei der das zweiwertige Metall M11 entweder Strontium oder
Barium und das dreiwertige Metall M-1^1- ein Element der Seltenen Erden ist, bei der gilt: 0 < x < 0,85; 0 < y < (l-x)/2 und x+y < 1.
Der Vorteil dieser Verbindung besteht darin, daß sie gegenüber sauren Galvanikbädern stabil ist, die zum Aufbringen der elektrisch leitenden Kontaktschichten eingesetzt werden können, so daß keine weiteren Vorsichtsmaßnahmen beim Galvanisieren nötig sind.
Das zweite Material und die Kontaktschichten können auch elektrisch leitend verbunden sein, so daß im Falle einer Überspannung und daraus resultierender Überhitzung des Bauelements ein direkter Stromfluß zwischen den beiden Kontakt- schichten möglich werden kann.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Abbildungen, einem Diagramm und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Figur 1 zeigt einen Scheibenvaristor mit den Kontaktflächen und dem zweiten aufgebrachten Material .
Figur 2 zeigt einen Vielschichtvaristor mit Elektroden- streifen.
Figur 3 zeigt einen Varistor in VielSchichtausführung mit kammartig ineinander greifenden Elektrodenstreifen.
Figur 4 zeigt in einem Diagramm einen Vergleich elektrischer Kennlinien erfindungsgemäßer und herkömmlicher Varistoren.
Figur 5 zeigt eine Schaltung, bei der ein erfindungsgemäßer Varistor parallel zu einer zu schützenden Last geschaltet ist.
In Figur 1 ist als erfindungsgemäßes Bauelement eine Varistorscheibe 1 zu sehen, die an beiden Stirnseiten mit einem Heißleiter 15 versehen ist. Die Mantelflächen sind jeweils mit den Kontaktschichten 5 und 10 versehen, wobei die Kontaktschichten und der Heißleiter elektrisch leitend miteinander verbunden sein können. Ebenso ist es möglich, daß die Kontaktschichten nur den Varistor kontaktieren und nicht den Heißleiter, so daß zwischen beiden ein sogenannter Freirand entsteht.
In Figur 2 ist ein Varistor in Vielschichtausführung zu sehen. Dabei kontaktieren Elektrodenstreifen 20 im Varistorgrundkörper 1 die eventuell auch mehrschichtigen Kontakt- schichten 5 und 10. Dabei werden Elektrodenbündel 30 und 35 gebildet, die jeweils eine Kontaktfläche 5 oder 10 kontaktieren. Die Kontaktflächen erlauben die Oberflächenmontage (SMD- Fähigkeit) des Bauelements. Das zweite Material ist als Heißleiter 15 auf den Varistorgrundkδrper aufgebracht. Diese Vielschichtausführung verringert den Innenwiderstand des Varistors gegenüber einer Einschichtausführung wie in Figur 1 dargestellt .
In Figur 3 ist eine alternative Ausführungsmöglichkeit des in Figur 2 dargestellten Bauelements zu sehen. In diesem Falle greifen die Elektroden der verschiedenen Elektrodenbündel kammartig ineinander.
In Figur 4 zeigt die I/U-Varistorkennlinien eines herkömmli- chen Varistors 40 bei 25°C und 40A bei 150°C und eines erfindungsgemäßen Varistors 45 (25°C) und 45A (150°C) in doppelt logarithmischer Darstellung. Der herkömmliche Varistor besteht aus einer Varistorscheibe, die eine Varistorkeramik auf der Basis von Zinkoxid enthält und zwei Kontaktschichten auf der Oberfläche aufweist. Auf dem erfindungsgemäßen Varistor ist zusätzlich wie in Figur 1 gezeigt eine zweite Schicht als Heißleiter
aufgebracht, die elektrisch leitend mit
den Kontaktschichten in Verbindung steht. Zu sehen ist, daß sich bei 25°C die Varistorkennlinien des herkömmlichen Varistors 40 und des erfindungsgemäßen Varistors 45 kaum unterscheiden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei normaler Betriebstemperatur, die bei den erfindungsgemäßen Varistoren in der Regel zwischen Raumtemperatur und 80 °C beträgt, das zweite heißleitende Material die Kennlinie des Grundkörpers kaum beeinflußt. Bei einer Überschreitung des zulässigen Betriebstemperaturbereichs, etwa bei 150 bis 200 °C weichen die Varistorkennlinien des herkömmlichen Varistors 40A und des erfindungsgemäßen Varistors 45A stark voneinander ab. Dies ist darauf zurückzuführen, daß aufgrund des jetzt niederohmi- gen Stromleitungspfades über das zweite Material im erfindungsgemäßen Varistor deutlich mehr Strom als im herkömmli- chen Varistor fließt. Dies hat zur Folge, daß es im erfindungsgemäßen Varistor bei einer gegebenen Stromstärke infolge des Kurzschlusses zu einem Spannungsabfall im Vergleich zum herkömmlichen Varistor kommt. Besonders deutlich ist dies bei 1 μA Stromstärke zu erkennen. In diesem Fall wurde an dem er- findungsgemäßen Varistor eine Spannung von 2,4 V im Vergleich zu 21,6 V bei einem herkömmlichen Varistor gemessen.
In Figur 5 ist eine beispielhafte Schaltung zu sehen, bei der ein erfindungsgemäßer Varistor parallel zu einer zu schützen- den Last (Verbraucher) 50 geschaltet ist. Der keramische
Grundkδrper 1 des Varistors auf der Basis von ZnO ist dabei über die erste und zweite KontaktSchicht 5,10 mit den elektrischen Leitungen des Schaltkreises verbunden. Auf den Mantelflächen des keramischen Grundkörper befindet sich das zweite Material 15 in Form eines Heißleiters auf der Basis von ZnMn2Ü4, das direkt elektrisch leitend mit den beiden Kontaktschichten verbunden ist. In Serie zu der parallen Anordnung aus Last und Varistor ist eine Sicherung 55 geschaltet. Die gesamte Schaltung wird von einer Spannungsquelle 60 (Gleich- oder WechselSpannung) mit Strom versorgt. Kurze
Spannungsspitzen werden dadurch abgefangen, daß in herkömmlicher Weise der Varistor aufgrund seiner erhöhten Leitfähig-
keit einen Teil des Stromes abführt . Bei länger andauernden Überspannungen kommt es zu einer Überhitzung des keramischen Grundkδrpers des Varistors. In diesem Fall wird der Heißleiter niederoh ig und stellt eine Kurzschlußüberbrückung zwi- sehen den beiden Kontaktflächen 5,10 des keramischen Grundkörpers her. Aufgrund der Kurzschlußüberbrückung kann die Sicherung 55 ausgelöst werden, die daraufhin die Last 50 und den Varistor von der Spannungsquelle 60 abtrennt.
Die Erfindung ist nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen der Erfindung liegen selbstverständlich auch weitere Variationen insbesondere bzgl. der Bauform des elektrischen Bauelements und der Anordnung des zweiten Materials.