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Die Erfindung betrifft ein Multikontaktelement für einen Varistor.
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Varistoren stellen in elektrischen Schaltungen einen spannungsabhängigen Widerstand zur Verfügung. Varistoren werden daher in vielerlei Anwendungen eingesetzt, typischerweise um Überspannungen oberhalb einer bestimmten Grenzspannung abzuleiten, um so eine Überlastung oder Beschädigung einer nachfolgenden Einrichtung zu verhindern. Daher werden Varistoren häufig auch synonym als Überspannungsschutzgerät bezeichnet. Ein Beispiel für eine solche Überspannung ist eine Spannung, welche durch Blitzeinwirkung entstehen kann. Tritt ein solches Überspannungsereignis ein, so ist die Aufgabe des Varistors den Strom am jeweiligen elektrisch nachgeordneten Verbraucher vorbei abzuleiten und so die Spannung am elektrischen Verbraucher zu begrenzen.
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Dabei weist der Varistor im Allgemeinen als Werkstoff ein körniges Metalloxid, z. B. Zinkoxid und/oder Wismutoxid und/oder Manganoxid und/oder Chromoxid und/oder Siliziumkarbid auf, der zwischen zwei flächigen Elektroden als Zuleitungselemente in aller Regel als (gesinterte) Keramik eingebracht ist.
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Typischerweise besitzen die einzelnen Körner eine unterschiedliche Leitfähigkeit. Dabei bilden sich an den jeweiligen Korngrenzen, d. h. an den Berührpunkten der Körner, Sperrschichten aus. Dabei kann man feststellen, dass mit zunehmender Dicke die Anzahl der Korngrenzen steigt und damit auch die Grenzspannung. Wird eine Spannung an die Zuleitungselemente gelegt, bildet sich ein elektrisches Feld aus. In Abhängigkeit der Spannung werden dabei die Sperrschichten nun abgebaut und der Widerstand sinkt.
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Aufgrund der Materialeigenschaften des Varistors ist sowohl die Stromverteilung als auch die Überwindung der Sperrschichten kein uniformer Prozess, sondern es bilden sich lokal Strompfade aus, die unterschiedlich schnell in den leitenden Zustand kommen.
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Bedingt durch die Materialeigenschaften und in Folge von Benutzung des Varistors treten Leckströme auf. Diese Leckströme sind zwar in aller Regel gering, führen jedoch unter Umständen zu einer erheblichen Erwärmung des Bauelements und daher besteht Brandgefahr. Um hier gegenzusteuern wird typischerweise ein Temperatursensor verwendet, der bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur einen Schalter betätigt. Temperatursensoren sind dabei jedoch nur zur Detektion von langsamen Ereignissen einsetzbar. Eine schnelle Erwärmung, wie sie beispielsweise beim Anliegen einer hohen Spannung entstehet, führt zu einem auf Grund der nötigen und bekanntermaßen langsamen Wärmeleitung stark verzögerten Temperaturanstieg am Temperatursensor, so dass der Varistor in alter Regel schon zerstört wäre. Auch ist das Trennvermögen hier in aller Regel beschränkt, d. h. es können nur geringe Ströme abgeschaltet werden.
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Ein solcher Energieeintrag kann z. B. dadurch entstehen, dass über längere Zeit eine Überspannung auftritt, die zu einem Durchschalten des Varistors führt und nun der Kurzschlussstrom des Netzes über den Varistor abgeleitet wird. In diesem Fall tritt eine erhebliche Erwärmung des Varistors auf und es besteht Brandgefahr. Weiterhin kann der Varistor dabei soweit geschädigt werden, dass der Varistor explosionsartig durchlegiert.
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Typischerweise werden Varistoren deshalb mit einem vorgeschalteten Sicherungselement versehen.
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Bisher wurden hierfür klassische Schmelzsicherungen verwendet, die dem jeweiligen Überspannungsschutzgerät vorgeschaltet waren. Dabei waren jedoch zwei sich widersprechende Randbedingungen abzuwägen: Während bei einem Überspannungsereignis kurzfristig ein hoher Strom fließt, der nicht zu einem Auslösen der Schmelzsicherung führen soll, muss bei einer Schädigung des Überspannungsschutzgerätes bei einem möglichst geringen Strom eine sichere Auslösung bereitgestellt werden.
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D. h. um eine schnelle Abtrennung im Fehlerfall des Überspannungsschutzgerätes, d. h. bei geringen Fehlerströmen, zu gewährleisten, müsste eine Schmelzsicherung mit einem kleinen Nennwert verwendet werden. Eine solche Schmelzsicherung trägt aber aufgrund des damit verbundenen I2t Wertes nur geringe Impulsströme. Umgekehrt muss aber, um einen großen Impulsstrom ableiten zu können, die Schmelzsicherung einen großen Nennwert besitzen.
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Dennoch treten immer wieder Schäden an Varistoren auf, die nicht durch die vorgenannten Elemente detektiert werden können, d. h. es treten Ströme auf, die durch das Trennvermögen der thermischen Abschaltung nicht mehr abgetrennt werden können, die aber für ein vorgeschaltetes Sicherungselement zu gering sind.
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Vor diesem Hintergrund ist es das Bestreben den Sicherungsnennwert des vorgeschalteten Sicherungselementes zu minimieren, aber dennoch die maximale Stoßstromfestigkeit zu erhalten.
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Bisher konnte dieses Problem nur unzureichend gelöst werden.
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Die
DE 10 2009 049 076 A1 zeigt einen Vielschicht-Varistor mit integrierten stegartigen Sicherungselementen.
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Ein erster Ansatz, um dieses Problem zu lösen, wurde in der
DE 10 2012 011 241 A1 beschrieben. Hierbei wird eine Aufteilung der Ströme in parallele Pfade vorgeschlagen, um so den Nennwert der Einzelsicherungen zu reduzieren.
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Obwohl die vorgestellte Lösung ihre Aufgabe erfüllt, wäre es wünschenswert eine Lösung zu finden die einfach einstellbar ist und zudem geringere Baugrößen ermöglicht und zudem einfach herstellbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Kontaktelement für einen Varistor bereitzustellen, das einen oder mehrere dieser Nachteile umgeht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind auch Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 ein Prinzip-Ersatzschaltbild eines Aspektes der Erfindung,
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2 einen Schnitt durch eine beispielhafte Anordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
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3 ein Prinzip-Ersatzschaltbild eines weiteren Aspektes der Erfindung,
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4 einen Schnitt durch eine weitere beispielhafte Anordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
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5 Prinzipdarstellungen äquivalenter Schaltungen gemäß eines Aspektes der Erfindung,
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6 ein Prinzip-Ersatzschaltbild noch eines weiteren Aspektes der Erfindung,
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7 einen Schnitt durch eine weitere beispielhafte Anordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
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8 einen Schnitt durch eine weitere beispielhafte Anordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
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9 ein Prinzip-Ersatzschaltbild und eine hierzu korrespondierende quasi-räumliche Anordnung gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung,
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10 ein Prinzip-Ersatzschaltbild in quasi-räumliche Anordnung gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung,
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11 einen Schnitt durch eine weitere beispielhafte Anordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
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12 einen Schnitt durch eine weitere beispielhafte Anordnung gemäß Ausführungsformen der Erfindung, und
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13 eine Draufsicht auf 12.
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Die Erfindung macht sich zu Nutzen, dass ein Durchlegieren eines Varistors in aller Regel zunächst eine lokale Erscheinung ist, die erst anschließend eine den gesamten Varistor betreffende Erscheinung ist.
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Daher schlägt die Erfindung die Aufteilung der Sicherung in einzelne Sicherungselemente 1, 2, ... n wie in 1 gezeigt vor, die parallel einen Varistor kontaktieren. Ein hierzu korrespondierender beispielhafter Aufbau ist in 1 gezeigt. Dabei wird ein Multikontaktelement MKE für einen Varistor VAR eingesetzt, wobei das Multikontaktelement MKE eine Sandwichstruktur aufweist. Dabei weist die Sandwichstruktur in einer untersten Schicht zwei oder mehrere Kontaktelemente KE1, KE2 zur Kontaktierung des Varistors VAR und in einer obersten Schicht zumindest eine gemeinsame Anschlusselektrode A zur Kontaktierung eines zu schützenden Verbrauchernetzes auf.
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Zwischen der untersten Schicht und der obersten Schicht ist zumindest abschnittsweise eine erste Zwischenschicht ZS1 aus einer elektrisch isolierenden Materiallage vorgesehen. Eine solche elektrisch isolierende Materiallage kann z. B. durch ein Platinen-Material, eine mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatte, z. B. FR4, oder aber auch Polymere, Keramiken oder Glas verwendet werden.
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In der ersten Zwischenschicht ZS1 befinden sich nun die einzelnen Sicherungselemente DK1, DK2, die so ausgelegt sind, dass sie einen spezifizierten Stoßstrom tragen können, wobei der spezifizierte Stoßstrom pro Sicherungselement geringer ist als der spezifizierte Stoßstrom des Varistors VAR. D. h. obwohl der Nennwert der einzelnen Sicherungselemente klein ist, kann durch die Parallelschaltung der Sicherungselemente das notwendige Trennvermögen zur Verfügung gestellt werden, während zugleich sichergestellt werden kann, dass durch den geringen Nennwert der einzelnen Sicherungselemente eine schnelle Abschaltung im lokalen Fehlerstromfall und somit auch in Summe bei einem globalen Fehlerstromfall zur Verfügung gestellt wird.
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Dabei sind die Sicherungselemente DK1, DK2 als Durchkontaktierung innerhalb der ersten Zwischenschicht ZS1 ausgeführt. Hierdurch wird eine geringe Bauhöhe ermöglicht.
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Hierzu stehen die Sicherungselemente DK1, DK2 in der ersten Zwischenschicht in direktem elektrischem Kontakt mit der gemeinsamen Anschlusselektrode A.
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Jedes der Sicherungselemente DK1, DK2 steht mit einer Untermenge der Kontaktelemente KE1, KE2 in direktem oder indirektem elektrischen Kontakt. D. h. in der Ausführungsform der 2 steht das Kontaktelemente KE1 in direktem Kontakt mit der Sicherungselement DK1 und das Kontaktelemente KE2 in direktem Kontakt mit der Sicherungselement DK2.
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Für den Fehlerfall verfügen die Sicherungselemente DK1, DK2 über Ausblaskanäle AK in der ersten Zwischenschicht ZS1, sodass im Falle einer thermischen Überlastung eines Sicherungselements DK1, DK2 der ersten Zwischenschicht ZS1 das betroffene Sicherungselement DK1 durch den Ausblaskanal verdampfen kann und so die elektrische Verbindung zum darunterliegenden (Teil-)Varistor unterbrochen wird. D. h. das im Abtrennfall entstehende Plasma kann über Ausblaskanäle AK in ein eventuell vorhandenes umgebendes Löschmedium gelangen und das Plasma wird dort gekühlt.
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Waren in der Ausführungsform der 1 und 2 jedem Kontaktelement KE genau ein Sicherungselement DK zugeordnet, kann die vorteilhafte Aufteilung auch in Bezug auf ein Kontaktelement vorgenommen werden oder aber, falls z. B. es nicht möglich ist, einen gewünschten Nennwert mit einem Sicherungselement zu erreichen, dieses durch eine Parallelschaltung von mehreren m Sicherungselementen a1, b1, ..., m1 stellvertretend für ein erstes Sicherungselement 1, eine Parallelschaltung von mehreren Sicherungselemente a2, b2, ..., m2 stellvertretend für ein zweites Sicherungselement 2, usw. zu erreichen, wie dies in 3 im Vergleich zu 1 verdeutlicht ist.
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D. h. in 4 steht jedes der Sicherungselemente DK1, DK2, DK3, DK4 mit einer Untermenge der Kontaktelemente KE1, KE2 in direktem oder indirektem elektrischen Kontakt. D. h. in der Ausführungsform der 4 steht das Kontaktelemente KE1 in direktem Kontakt mit den Sicherungselementen DK11 und DK12, während das Kontaktelement KE2 in direktem Kontakt mit den Sicherungselementen DK21 und DK22 steht.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist, wie in 7 bzw. 8 gezeigt, zwischen der untersten Schicht und der ersten Zwischenschicht ZS1 zumindest abschnittsweise eine zweite Zwischenschicht ZS2 aus einer elektrisch isolierenden Materiallage vorgesehen. Eine solche elektrisch isolierende Materiallage kann z. B. wiederum durch ein Platinen-Material, eine mit Epoxidharz getränkte Glasfasermatte, z. B. FR4, oder aber auch Polymere, Keramiken oder Glas verwendet werden. Besonders vorteilhaft können hier neben einzelnen Materiallagen auch Kombinationsprodukte wie z. B. Multi-Layer-Platinen oder dergleichen verwendet werden.
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Wiederum befinden sich in der zweiten Zwischenschicht ZS2 Sicherungselemente DK3, DK4, die so ausgelegt sind, dass sie einen spezifizierten Stoßstrom tragen können, wobei der spezifizierte Stoßstrom pro Sicherungselement geringer ist als der spezifizierte Stoßstrom des Varistors VAR. D. h. obwohl der Nennwert der einzelnen Sicherungselemente klein ist, kann durch die Parallelschaltung der Sicherungselemente das notwendige Trennvermögen zur Verfügung gestellt werden, während zugleich sichergestellt werden kann, dass durch den geringen Nennwert der einzelnen Sicherungselemente eine schnelle Abschaltung im lokalen Fehlerstromfall und somit auch in Summe bei einem globalen Fehlerstromfall zur Verfügung gestellt wird.
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Dabei sind die Sicherungselemente DK3, DK4 als Durchkontaktierung innerhalb der zweiten Zwischenschicht ZS2 ausgeführt. Hierdurch wird eine geringe Bauhöhe ermöglicht.
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Die Sicherungselemente DK3, DK4 in der zweiten Zwischenschicht stehen wiederum in elektrischem Kontakt über zumindest eine Durchkontaktierung DK1, DK2 der ersten Zwischenschicht ZS1 mit der gemeinsamen Anschlusselektrode A.
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Jedes der Sicherungselemente DK3, DK4 der zweiten Zwischenschicht ZS2 steht mit einer Untermenge der Kontaktelemente KE1, KE2 in direktem elektrischen Kontakt. D. h. in der Ausführungsform der 7 steht das Kontaktelemente KE1 in direktem Kontakt mit den Sicherungselementen DK3 und das Kontaktelemente KE2 in direktem Kontakt mit dem Sicherungselement DK4. In der Ausführungsform der 8 steht das Kontaktelemente KE1 in direktem Kontakt mit den Sicherungselementen DK2 und DK3 und das Kontaktelemente KE2 in direktem Kontakt mit den Sicherungselementen DK4 und DK5.
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Für den Fehlerfall verfügen die Sicherungselemente DK3, DK4 über Ausblaskanäle AK in der zweiten Zwischenschicht ZS2, sodass im Falle einer thermischen Überlastung eines Sicherungselements DK3, DK4 der zweiten Zwischenschicht ZS2 das betroffene Sicherungselement DK3, DK4 durch den Ausblaskanal verdampfen kann und so die elektrische Verbindung zum darunterliegenden (Teil-)Varistor unterbrochen wird. D. h. das im Abtrennfall entstehende Plasma kann über Ausblaskanäle AK in ein eventuell vorhandenes umgebendes Löschmedium gelangen und das Plasma wird dort gekühlt.
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In 7 und 8 sind dabei den 5 entsprechende Varianten einer Serienschaltung eines Sicherungselementes einer ersten Zwischenschicht mit einer Parallelschaltung von Sicherungselementen einer zweiten Zwischenschicht realisiert. Dabei ist die Anordnung nicht auf diese Formen der Serienschaltungen beschränkt, sondern es kann natürlich auch vorgesehen sein, dass sowohl in der ersten Zwischenschicht als auch in der zweiten Zwischenschicht jeweils Parallelschaltungen vorgesehen sind, die in Serie geschaltet werden. Diese Maßnahmen erlauben den Nennwert der einzelnen Sicherungselemente als auch den Nennwert der durch die Schaltung bereitgestellt wird, sehr präzise einzustellen. Ganz allgemein ist dieses Prinzip in 9 noch einmal verdeutlicht, wobei in der unteren Darstellung der 9 eine mögliche quasi-räumliche alternierende Anordnung gezeigt ist, wie sie beispielhaft mit einer Zwischenschicht realisierbar ist. Wiederum kann, wie in 10 angedeutet, ein einzelnes Sicherungselement als eine Parallelschaltung von Sicherungselementen realisiert sein.
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Eine beispielhafte mäanderförmige Anordnung eines solchen Multikontaktelements ist in 11 gezeigt. Dort ist ein möglicher Strompfad anhand des gestichelten Pfeiles verdeutlicht. Dabei tritt ein (Teil-)Strom des Varistors VAR am Kontaktelement KE1 ein und wird über die Durchkontaktierung durch eine dritte Zwischenschicht ZS3, welche beispielhaft als Isolation zum Varistor eingezeichnet ist, und durch eine zweite Zwischenschicht ZS2 hindurchgeführt. Anschließend wird in einer Leiterbahnlage zwischen der ersten Zwischenschicht ZS1 und der zweiten Zwischenschicht ZS2, die ebenfalls sicherungselementartig ausgestaltet sein kann, eine Kontaktierung zu einer zweiten Durchkontaktierung rechts daneben hergestellt. Anschließend wird in einer zweiten Leiterbahnlage zwischen der dritten Zwischenschicht ZS3 und der zweiten Zwischenschicht ZS2, die ebenfalls sicherungselementartig ausgestaltet sein kann, eine Kontaktierung zu einer dritten Durchkontaktierung rechts daneben hergestellt. Dieser Vorgang kann sooft vorgesehen werden, wie nötig, um den gewünschten Nennwert bzw. die gewünschte Spannung zu erzielen. Natürlich kann zudem vorgesehen sein, dass auch hier mehrere Sicherungselemente parallel geschaltet sind, dies wäre z. B. bei der dargestellten Schnittperspektive einfach dadurch möglich, dass in einer weiteren dahinterliegenden Ebene dieselbe Anordnung wiederholt wird, wobei an geeigneten Stelle eine Verbindung der Ebenen auf Leiterbahneben bereitgestellt wird.
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Wie in den 2, 4, 7 und 8 gezeigt, sind zumindest ein Teil der Durchkontaktierungen DK1, DK2 der ersten Zwischenschicht ZS1 über Leiterbahnen mit der Anschlusselektrode A verbunden. Durch geeignete Dimensionierung und/oder Ausformung der Leiterbahnen können die Leiterbahnen auch als weitere Sicherungselemente ausgelegt sind.
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Um einen zusätzlichen Schutz für den Fehlerfall bereitzustellen, kann zudem vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil der Ausblaskanäle AK oberhalb der ersten Zwischenschicht ZS1 von einem elektrisch isolierendem Löschmittel umgeben ist. Beispielsweise kann Polyoxymethylen (POM) oder Quarzsand als ein elektrisch isolierendes Löschmittel verwendet werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Sicherungselemente DK1, DK2 der ersten Zwischenschicht ZS1 und soweit vorhanden auch die Sicherungselemente DK3, DK4 der zweiten Zwischenschicht ZS2 auf einen Nennwert von bis zu 10 A bevorzugt 1 A ausgelegt. Weiterhin vorteilhaft ist die Stoßstromfestigkeit so ausgelegt, dass Ströme bis zu 1 kA, insbesondere bis zu 2 kA oder darüber kurzfristig getragen werden können
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Wie in 12 gezeigt kann auch vorgesehen sein, dass zumindest eines der Sicherungselemente DK1, DK2; DK3, DK4 mittels Bohrung so bearbeitet wird, dass der stromdurchfließbare Durchmesser vermindert und der Ausblaskanal vergrößert wird. Hierdurch können z. B. Sicherungswerte präzise durch Nachbearbeitung einer Durchkontaktierung eingestellt werden. Zudem kann vorgesehen sein, dass z. B. durch Bohrung gezielt Verbindungen zu einer Anschlusselektrode A unterbrochen werden und so der Nennwert nachträglich eingestellt werden kann. Z. B. kann durch Ausbohren ein Sicherungselement einer Parallelschaltung von Sicherungselementen entfernt werden.
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Um den Nennwert besonders präzise einzustellen, kann z. B. vorgesehen sein, dass die Bohrung exzentrisch ist.
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Ohne weiteres ist die Erfindung nicht nur auf das Multikontaktelement beschränkt, sondern umfasst auch einen Varistor VAR, der zumindest ein Multikontaktelement MKE aufweist. Es kann sogar vorgesehen sein, dass beide Anschlüsse eines Varistors mittels der erfindungsgemäßen Multikontaktelemente ausgestattet werden. Auch bei neuerdings am Markt erhältlichen Mehrkontaktvaristoren, d. h. Varistoren mit einem oder mehreren Mittelabgriffen, ist die Erfindung in gleicher Weise für alle Anschlüsse einsetzbar.
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Die Verbindung zwischen dem Multikontaktelement MKE und der Varistorkeramik VAR erfolgt bevorzugt über eine Druckkontaktierung. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Löt-, Klebe- oder Klemmverbindung vorgesehen sein.
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Bevorzugt sind der Varistor VAR und das Multikontaktelement MKE dann in einem Gehäuse G, insbesondere dann, wenn ein Löschmittel weiterhin verwendet wird.
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Im Ergebnis wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei der die Sicherungselemente im Wesentlichen parallel zur Varistor-Oberfläche angeordnet sind. Besonders einfach lassen sich die Sicherungselemente dabei in Leiterplattentechnik fertigen. Besonders vorteilhaft können hierfür Multi-Layer-Leiterplatten eingesetzt werden.
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Statt einer Multi-Layer-Leiterplatte kann auch eine Leiterplatte verwendet werden, die an der Unterseite die Kontaktelemente besitzt, welche durch Durchkontaktierungen mit der Leiterbahn auf der Oberseite verbunden werden. Eine zweite Leiterplatte, die auf der Unterseite keine Kupferbeschichtung besitzt und die Aussparungen und Bohrungen aufweist, wird auf der unteren Leiterplatte fixiert, so dass die Aussparungen im Wesentlichen über den (Sicherungs-)Leiterbahnen und den Bohrungen an deren Ende ausgerichtet sind. Durch die Bohrlöcher können Drähte an das Ende der Sicherungsleiterbahnen gebondet, gelötet oder geschweißt werden, die dann an der Oberseite der oberen Leiterplatte befestigt werden können.
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Für höhere Spannungsebenen können mehrere Durchkontaktierungen in Reihe geschaltet werden. Diese trennen bei großen Kurzschlussströmen annähernd gleichzeitig auf, wodurch eine ausreichende Gegenspannung zur Abschaltung erreicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- MKE
- Multikontaktelement
- VAR
- Varistor
- KE1, KE2
- Kontaktelemente
- A
- gemeinsame Anschlusselektrode
- ZS1
- erste Zwischenschicht
- DK1, DK2, DK3, DK4
- Sicherungselement
- AK
- Ausblaskanal
- ZS2
- zweite Zwischenschicht
