Widerstandselement

Abstract

 Der Widerstandskörper eines nichtlinearen Widerstandselement mit PTC-Charakteristik weist, eingebettet in einer Matrix aus einem Thermoplasten, insbesondere HD-Polyäthylen oder einem Duromer, einen pulverförmigen ersten Füllstoff, dessen Material, z.B. TiB₂, TiC, VC, WC, ZrBr₂, MoSi₂ einen spezifischen Widerstand von höchstens 10^-3Ωcm hat und bei dem die Teilchengrössen zwischen 10 und 40µ beträgt, auf sowie zwecks Verbesserung der Spannungsfestigkeit durch Verlängerung der Schaltzone und Vergleichmässigung der Energieaufnahme einen ebenfalls pulverförmigen zweiten Füllstoff mit Varistorcharakteristik und Teilchengrössen zwischen 50 und 200µ, dessen spezifischer Widerstand bei Feldstärken ≥2'000V/cm, wie sie im Schaltbereich des Widerstandselements und darüber auftreten, höchstens 50Ωcm, vorzugsweise höchstens 15Ωcm beträgt. Die durchschnittliche Teilchengrösse des zweiten Füllstoffs sollte um einen Faktor 2 bis 5 höher sein als die des ersten Füllstoffs. Als Materialien für den zweiten Füllstoff kommen vor allem mit Al, B, Ga, In, N, P, As dotiertes SiC oder entsprechend dotiertes ZnO in Frage.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Widerstandselement gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige sogenannte PTC-Widerstände weisen einen bei einer bestimmten Schaltstromdichte um mehrere Grössenordnungen ansteigenden Widerstand auf und werden zur Strombegrenzung, vor allem im Kurzschlussfall, eingesetzt.

[0002] Die starke Steigerung des Widerstands bei Erreichen der Schaltstromdichte wird dadurch bewirkt, dass aufgrund der durch erhöhte Energieaufnahme bewirkten Erwärmung und Ausdehnung der Polymermatrix die eingebetteten leitenden Teilchen des ersten Füllstoffes getrennt werden. Es hat sich dabei als nachteilig erwiesen, dass dieser Effekt die Tendenz hat, sich in einer Schaltzone, die sich zwar über den Querschnitt des Widerstandselements erstreckt, aber in Stromrichtung verhältnismässig kurz ist, zu konzentrieren, so dass die gesamte Spannung über eine kurze Strecke abfällt und der überwiegende Anteil der umgesetzten elektrischen Energie in einem sehr kleinen Volumen anfällt. Dies kann leicht zu Lichtbogenbildung und Beschädigung des Widerstandselements führen. Ausserdem wird die Haltespannung des Elements, d. h. die Spannung, die es nach Unterbrechung eines Kurzschlusses ohne zu grossen Leckstrom halten kann, dadurch herabgesetzt.

[0003] Es wurde auch bereits versucht, das diesbezügliche Verhalten derartiger Widerstandselemente dadurch zu verbessern, dass dem Material ein zweiter Füllstoff mit Varistorcharakteristik beigemischt wurde. Aus der US-A-5 313 184 etwa ist ein gattungsgemässes Widerstandselement bekannt, das 5 bis 30%(Vol.) Varistormaterial in Pulverform als zweiten Füllstoff aufweist. Die Erwartungen betreffend eine Verbesserung der Spannungsfestigkeit des Widerstandselements wurden jedoch nicht in vollem Umfang erfüllt.

[0004] Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, gattungsgemässe Widerstandselemente derart weiterzubilden, dass ihre Spannungsfestigkeit wesentlich erhöht wird.

[0005] Diese Aufgabe wird durch durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Bei erfindungsgemässen Widerstandselementen erfolgt eine weitgehende Kommutierung des Stroms auf den zweiten Füllstoff im Bereich von Stromdichten und entsprechenden Feldstärken, wie sie typischerweise im Schaltbereich des Widerstandselements auftreten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ausbildung einer schmalen Schaltzone nicht zu einer sofortigen Stromunterbrechung - eventuell gefolgt von Lichtbogenbildung oder einem Durchschlag - führt, sondern dass der Strom über die Teilchen des zweiten Füllstoffs kurzzeitig weiter fliesst und sich dabei die Schaltzone so weit verbreitert, dass sie auch hohe Spannungen ohne Beschädigung des Widerstandselements zu tragen vermag.

[0006] Die dadurch erzielten Vorteile liegen vor allem darin, dass wesentlich höhere Kurzschlusspannungen unterbrochen werden können und dass auch die Haltespannung wesentlich höher liegt als bei bekannten gattungsgemässen Widerstandselementen. Die diesbezüglichen Leistungen erfindungsgemässer Widerstandselemente können sonst nur mittels aufwendiger Serienparallelschaltungen von Widerstandselementen und Varistoren erzielt werden.

[0007] Im folgenden wird nun die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Versuchsergebnissen dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1

den Versuchsaufbau, mit denen die weiter unten geschilderten Ergebnisse gewonnen wurden.

[0008] Es wurden mehrere Mischungen hergestellt, indem jeweils 50%(Vol.) einer Matrix aus dem Polyäthylen HX5231 der BASF mit 30%(Vol.) eines ersten Füllstoffes, und zwar TiB₂-Pulver der Elektroschmelze Kempten, bei welchem die Partikelgrössen über ein Intervall von 10-30µ verteilt waren und 20%(Vol.) eines zweiten Füllstoffs vermischt wurden. Lediglich bei einer Referenzprobe Ref wurden 50%(Vol.) des ersten Füllstoffes zugemischt und kein zweiter Füllstoff. Im folgenden werden die Proben nach dem zweiten Füllstoff bezeichnet. Im einzelnen:

ZnO

ZnO-Pulver

Var

Pulver aus Varistormaterial, d. h. mit verschiedenen Metalloxiden dotiertes ZnO

ZnO+

Pulver aus mit Al dotiertem ZnO

SiC+f (fein)

Pulver aus mit Al dotiertem SiC, Teilchengrössen 45-75µ

SiC+m (mittel)

Pulver aus mit Al dotiertem SiC, Teilchengrössen 90-125µ

SiC+g (grob)

Pulver aus mit Al dotiertem SiC, Teilchengrössen 150-212µ

[0009] Das mit Al dotierte SiC wurde von der Elektroschmelze Kempten bezogen. ZnO wurde von Merck bezogen und dotiert. Aus den Mischungen wurden Widerstandselemente hergestellt und Versuche durchgeführt, indem sie in eine Schaltung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, eingebaut und Kurzschlusströmen ausgesetzt wurden. Dazu wurde jeweils ein Kondensator C auf 300V, 850V bzw. 1'200V aufgeladen. Die Dimensionierung des Kondensators C und der in Reihe geschalteten Induktivität L wurden jeweils so gewählt, dass ein Kurzschlussstrom von 12'000A, bezogen auf 50Hz resultierte. Der Kurzschlussstrom wurde durch Schliessen eines Schalters S bei aufgeladenem Kondensator C erzeugt. Dem geprüften Widerstandselement PTC war stets ein Varistorelement Var als Ueberspannungsschutz parallelgeschaltet. Neben der Messung elektrischer Parameter wurden auch Aufnahmen der Widerstandselemente mit einer Thermokamera gemacht, die es erlaubten, die Energieverteilung, insbesondere die Länge der Schaltzone sowie allfällige Beschädigungen festzustellen. Vorgängig wurden ein oder zwei Werte für Feldstärke, Stromdichte und spezifischen Widerstand der als zweiter Füllstoff verwendeten Pulver bei einer Temperatur von 25°C und einem Elektrodenanpressdruck von 9,38MPa ermittelt.

[0010] Die bei den Versuchen gewonnenen Resultate sind der Tabelle am Ende der Beschreibung zu entnehmen. Leere Felder in dieser Tabelle bedeuten 'nicht anwendbar', '\', dass kein Versuch gemacht wurde, '-', dass das Widerstandselement bei der Messung beschädigt wurde, und '+', dass das Widerstandselement den Versuch unbeschädigt überstand, aber kein Messwert ermittelt wurde.

[0011] Aus den Versuchsergebnissen lässt sich ablesen, dass für eine Ausdehnung der Schaltzone der spezifische Widerstand des zweiten Füllstoffs, gemessen am Pulver bei ausreichend grossem Elektrodenanpressdruck - er sollte möglichst einige MPa/cm² betragen - für die Länge der Schaltzone und damit für eine breite Energieverteilung wesentlich ist. Er sollte auf jeden Fall weit unter den Werten für die zum Vergleich ausgemessenen Pulver aus undotiertem ZnO und aus Niederspannungs-Varistormaterial, das durch Sintern aus D70 der Firma Merck als Ausgangsmaterial hergestellt wurde, liegen. Möglichst sollte er bei Feldstärken, wie sie im Schaltbereich gewöhnlich auftreten - 2'000V/cm und darüber - höchstens 50Ωcm betragen, vorzugsweise jedoch höchstens 20 oder besser 15Ωcm, Werte, wie sie an Pulvern von mit Al dotiertem ZnO und SiC gemessen wurden.

[0012] Ebenfalls von beträchtlicher Bedeutung sind die Teilchengrössen. Sind die Teilchen des zweiten Füllstoffs nicht oder nur unwesentlich grösser als die des ersten Füllstoffes, so dürften sie zur Ueberbrückung nach Trennung der Teilchen desselben im Schaltbereich nicht ausreichen. Der zweite Füllstoff kann seine Funktion nicht im erforderlichen Ausmass erfüllen. Die durchschnittliche Teilchengrösse des zweiten Füllstoffes sollte also diejenige des ersten Füllstoffes deutlich übertreffen, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 2. Bei verhältnismässig grobkörnigem zweitem Füllstoff dagegen zeigt sich eine unregelmässige Stromverteilung im Schaltbereich, die zu hohen lokalen Energieaufnahmen führt und sich ungünstig auf die Spannungsfestigkeit des Widerstandselements auswirkt. Der Faktor, um den die durchschnittliche Teilchengrösse des zweiten Füllstoffes diejenige des ersten Füllstoffes übertrifft, sollte daher im allgemeinen nicht grösser als 5 sein.

[0013] Für das Material des ersten Füllstoffs ist natürlich auch eine andere Wahl möglich als das angegebene TiB₂, z. B. TiC, VC, WC, ZrBr₂, MoSi₂. Wichtig ist, vor allem im Interesse guter Kaltleiteigenschaften, ein niedriger spezifischer Widerstand. Er sollte möglichst nicht höher als 10^-3Ωcm sein. Auch für den zweiten Füllstoff ist, wie oben ausgeführt, der spezifische Widerstand entscheidend wichtig. Der spezifische Widerstand des Materials sollte möglichst nicht kleiner als 10^-2Ωcm sein. Der spezifische Widerstand des Pulvers sollte bei tieferen Feldstärken ohnedies hoch sein, damit das Widerstandselement eine hohe Haltespannung mit geringem Leckstrom halten kann. Erst bei den im Schaltbereich des Widerstandselements auftretenden Feldstärken von mindestens 2'000V/cm sollte er auf die weiter oben angegebenen verhältnismässig tiefen Werte abfallen, d. h. das Pulver sollte eine ausgeprägte Varistorcharakteristik aufweisen. Ausser mit Al-dotiertem SiC oder ZnO sind die verschiedenen Anforderungen an den zweiten Füllstoff auch mit SiC oder ZnO, das mit B, Ga, In oder N, P, As dotiert ist, erfüllbar oder mit anderen entsprechend dotierten Halbleitern. Für die Polymermatrix wird ein Thermoplast wie z. B. HD-Polyäthylen oder ein Duromer bevorzugt.

[0014] Beim ersten Füllstoff sollten die Teilchengrössen im Interesse eines raschen Ansprechens gering sein und vorzugsweise im wesentlichen zwischen 10µ und 40µ liegen. Beim zweiten Füllstoff sollten sie, wie erwähnt, höher sein, vorzugsweise zwischen 50µ und 200µ. Die Zusammensetzung des Widerstandskörpers kann natürlich von der in den Versuchen eingesetzten abweichen. Bevorzugt werden Anteile von 30 bis 70%(Vol.) für den ersten Füllstoff und zwischen 10 und 40%(Vol.) für den zweiten Füllstoff, wobei sie jedoch zusammen nicht mehr als höchsten 90%(Vol.) der Mischung ausmachen.

TABELLE

Probe / Messwert	Ref	ZnO	Var	ZnO+	SiC+f	SiC+m	SiC+g
Feldstärke		3'340	3'250	3'250	3'164	2'292	1'888
2. Füllstoff [V/cm]		4'000	4'000	4'000
Stromdichte		0,03	1,3×10-4	92	174	169	172
2. Füllstoff [A/cm2]		0,04	0,05	156
spez. Widerstand		1,1×105	2,5×107	33,5	18,2	13,5	11,0
2. Füllstoff [Ωcm]		1,0×105	8,0×104	26,0
Schaltzone [cm]/	0,3		0,3	\	\	0,4	0,6
Energiedichte [J/cm3] bei 300V / 500V	890/+	+/+	520/+			420	250
Schaltzone [cm]/	-	-	-	\	\	1,8	1,8
Energiedichte [J/cm3] bei 850V						250	216
Schaltzone [cm]/	\	\	\	1,0	2,0	2,0	-
Energiedichte [J/cm3] bei 1'200V				400	233	203

Ansprüche

1. Elektrisches Widerstandselement mit einem zwischen zwei Kontaktanschlüssen angeordneten Widerstandskörper aus einer Polymermatrix und einem ersten pulverförmigen Füllstoff aus einem Material, welches einen spezifischen Widerstand von höchstens 10^-3Ωcm aufweist und einem zweiten pulverförmigen Füllstoff, der einen mit zunehmender Feldstärke abnehmenden spezifischen Widerstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand des zweiten Füllstoffs bei Feldstärken ≥2'000V/cm nicht grösser als 50Ωcm ist.

2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand des Materials des zweiten Füllstoffs mindestens 10^-2Ωcm beträgt.

3. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Teilchengrösse des zweiten Füllstoffs über derjenigen des ersten Füllstoffs liegt.

4. Widerstandselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus der durchschnittlichen Teilchengrösse des ersten Füllstoffs und der durchschnittlichen Teilchengrösse des zweiten Füllstoffs mindestens 2 beträgt.

5. Widerstandselement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus der durchschnittlichen Teilchengrösse des ersten Füllstoffs und der durchschnittlichen Teilchengrösse des zweiten Füllstoffs höchstens 5 beträgt.

6. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Füllstoff im wesentlichen aus mindestens einem der folgenden Stoffe besteht: Pulver von dotiertem SiC, Pulver von dotiertem ZnO.

7. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengrössen des zweiten Füllstoffs im wesentlichen zwischen 50µ und 200µ liegen.

8. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Füllstoff im wesentlichen aus Pulver von TiB₂, TiC, VC, WC oder ZrBr₂ besteht.

9. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengrössen des ersten Füllstoffs im wesentlichen zwischen 10µ und 40µ liegen.

10. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix im wesentlichen aus einem Thermoplasten, insbesondere einem HD-Polyäthylen oder aus einem Duromer besteht.

11. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des ersten Füllstoffs am Widerstandskörper zwischen 30 und 70%(Vol.) beträgt.

12. Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zweiten Füllstoffs am Widerstandskörper zwischen 10 und 40%(Vol.) beträgt.

Zeichnung