DE19739758C1 - Cold conductor especially PTC resistive element for telecommunication switching - Google Patents
Cold conductor especially PTC resistive element for telecommunication switchingInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kaltleiter-Widerstands element gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a PTC resistor element according to the preamble of claim 1.
Ein derartiger Kaltleiter ist aus der EP 0 779 630 A1 be kannt. Beim bekannten Kaltleiter besitzen die unterschiedli chen Schichten verschiedene Porositäten.Such a PTC thermistor is known from EP 0 779 630 A1 knows. In the known PTC thermistor have the differ layers of different porosities.
Aus der DE 25 43 314 A1 ist ein Schichtkörper bekannt, bei dem die Schichten in axialer Richtung übereinander angeordnet sind und bei dem die erste Schicht aus Kaltleiter-Material und die zweite Schicht aus einem Material mit konstantem Wi derstandswert bestehen.A laminated body is known from DE 25 43 314 A1, at which the layers are arranged one above the other in the axial direction are and in which the first layer of thermistor material and the second layer of constant wi material the current value exists.
Aus der DE 32 10 083 C2 ist eine Kaltleiterkeramik bekannt, die Zusätze von Mangan und Silizium besitzt.A thermistor ceramic is known from DE 32 10 083 C2, has the addition of manganese and silicon.
Weiterhin ist aus der DE 30 19 098 C2 ein keramisches Kalt leitermaterial bekannt, bei dem die Sinterung in einer Bari umtitanat reduzierenden Atmosphäre durchgeführt wird, so daß sich die für das Auftreten der Kaltleitereigenschaft ausrei chende Anzahl von Barium-Leerstellen bildet.Furthermore, DE 30 19 098 C2 is a ceramic cold known conductor material, in which the sintering in a Bari umtitanate reducing atmosphere is carried out so that are sufficient for the occurrence of the PTC thermistor property number of barium vacancies.
Eine Erhöhung der Schaltfestigkeit ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kaltleitern nicht gewährleistet.An increase in the switching strength is from the stand known PTC thermistors not guaranteed.
Bei elektrischen Schaltbelastungen, wie sie beispielsweise bei Telekom-Anwendungen vorkommen, bei denen ein Kaltleiter- bzw. PTC-(Positive Temperature Coefficient-)Widerstand in Reihe mit einem Vorwiderstand Rv < 2Rmin geschaltet wird, wobei mit Rmin der Wert eines Kaltleiterwiderstands bei der den Be ginn des Temperaturbereichs mit positivem Temperaturkoeffizi enten angebenden Temperatur bezeichnet ist, tritt nämlich in folge der Ausbildung von großen Temperaturgradienten ein ty pisches Ausfallsbild, die sogenannte Delamination, d. h. ein Querbruch einer Keramikscheibe auf.In the case of electrical switching loads, such as occur in telecommunications applications in which a thermistor or PTC (positive temperature coefficient) resistor is connected in series with a series resistor R v <2R min , with R min the value of a PTC resistor at the beginning of the temperature range with a positive temperature coefficient, the temperature is indicated, namely due to the formation of large temperature gradients a typical failure pattern, the so-called delamination, ie a transverse fracture of a ceramic disc occurs.
Die Ursache für extreme Temperaturgradienten liegt einerseits in der geringen Leitfähigkeit von Kaltleiterkeramik und ande rerseits in der starken Temperaturabhängigkeit eines Kaltlei ter-Widerstandes. Diese beiden Keramikeigenschaften führen unmittelbar nach dem Zeitpunkt einer Leistungsanpassung, d. h. Kaltleiter-Widerstand = Vorwiderstand Rv, zu einem krassen Mißverhältnis zwischen Wärmeproduktion und Wärmetransport an der Oberfläche.The reason for extreme temperature gradients is on the one hand the low conductivity of PTC ceramic and on the other hand the strong temperature dependence of a PTC resistor. These two ceramic properties lead to a gross mismatch between heat production and heat transport on the surface immediately after the time of a power adjustment, ie PTC resistor = series resistor R v .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Kaltleiter-Wider standselement dahingehend zu verbessern, daß es eine wesent lich höhere Schaltfestigkeit aufweist. Ferner sollen durch die Erfindung Verfahren zum Herstellen von Kaltleiter-Wider standselementen mit erheblich verbesserter Schaltfestigkeit geschaffen werden.The object of the invention is therefore a PTC resistor to improve the stand element so that it is an essential Lich higher switching strength. Furthermore, by the invention method for producing PTC resistors stand elements with significantly improved switching stability be created.
Gemäß der Erfindung ist dies mit einem Kaltleiter-Wider standselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf den An spruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche.According to the invention, this is with a PTC resistor Stand element achieved with the features of claim 1. Advantageous further developments are the subject of the on award 1 directly or indirectly related claims.
Ferner sind gemäß der Erfindung Verfahren zum Herstellen sol cher Kaltleiter-Widerstandselemente mit den Merkmalen eines der Ansprüche 6 bis 10 geschaffen.Furthermore, according to the invention, methods for producing sol cher PTC resistor elements with the features of a of claims 6 to 10 created.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind bei einem Kaltleiter-Widerstandselement eine Anzahl scheiben förmiger Schichten aus Kaltleiterkeramikmaterial unterschied licher Zusammensetzung in axialer Richtung übereinander ange ordnet. Berechnungen der Anmelderin haben gezeigt, daß durch eine derartige axiale Schichtung eines Kaltleiters (sogenann tes Gradientenmaterial) sich die extremen Temperaturgradien ten verringern lassen und damit der Ursache der Delamination, d. h. des eingangs erwähnten Querbruchs wirksam entgegenge wirkt werden kann.According to a preferred embodiment of the invention with a PTC resistor element, a number of washers shaped layers of PTC ceramic material Licher composition in the axial direction one above the other arranges. Calculations by the applicant have shown that through such an axial stratification of a PTC thermistor (so-called tes gradient material) the extreme temperature gradients reduce and thus the cause of delamination, d. H. the cross break mentioned at the outset effectively counter can be worked.
Untersuchungen der Anmelderin haben ferner ergeben, daß die wichtigste kontrollierbare Einflußgröße einer Kaltleiter- bzw. PTC-Kennlinie auf die Temperaturverteilung im Verlauf eines Schaltvorgangs die maximale Steigung α[%/K] ist. Diese maximale Steigung kann daher als Maß für die Ausprägung eines Kaltleiter- bzw. PTC-Effektes angesehen werden. Daher haben gemäß der Erfindung die einzeln axial übereinander angeordne ten Scheiben aus Kaltleiterkeramik unterschiedliche Kennlini ensteigungen.Investigations by the applicant have also shown that the most important controllable influencing variable of a PTC thermistor or PTC characteristic curve on the temperature distribution over the course of a switching operation is the maximum gradient α [% / K]. This maximum slope can therefore be used as a measure of the expression of a PTC effect or PTC effect can be considered. Therefore have according to the invention which are arranged axially one above the other Different characteristics of the thermistor ceramic disks climbs.
Während die axiale Änderung von anderen Kenngrößen, wie bei spielsweise Bezugstemperatur Tb [C°] und spezifischer Wider stand ρ[Ωcm], keinen stabilen, positiven und damit dämpfen den Effekt auf die zeitliche Ausbildung der Temperaturgra dienten zeigt, ist eine deutliche Abflachung des Temperatur profils erreicht worden, wenn ein in axialer Richtung variie rendes α-Profil der Kennlinie angewendet wird. Durch das sich ändernde α-Profil ist ein wirksamer Ausgleich zwischen Wärme produktion und Wärmetransport an der Oberfläche eines Kalt leiter-Widerstandselements gemäß der Erfindung erreicht.While the axial change of other parameters, such as the reference temperature T b [C °] and specific resistance ρ [Ωcm], does not show a stable, positive and thus dampen the effect on the temporal development of the temperature gradients, there is a clear flattening of the Temperature profiles have been achieved when an α-profile of the characteristic curve varying in the axial direction is used. Due to the changing α-profile, an effective balance between heat production and heat transport on the surface of a PTC resistor element according to the invention is achieved.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann eine gezielte Beeinflussung der Kennliniensteigung α durch die Menge an Akzeptor-Dotierstoffen bzw. Substituenten, wie bei spielsweise Mangan (Mn) erfolgen, welche der Keramik in den einzelnen Schichten hinzugefügt sind.According to a preferred development of the invention, a targeted influencing of the slope α by the Amount of acceptor dopants or substituents, as in for example, manganese (Mn), which the ceramic in the added to individual layers.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Fortbildung der Erfin dung kann die gezielte Beeinflussung der Kennliniensteigung α über die Menge an Sinterhilfsmitteln (Flüssigphasensintern), wie beispielsweise Siliciumoxid erfolgen, die der Halbleiter keramik in den einzelnen Schichten hinzugefügt sind.According to yet another preferred training of the Erfin the targeted influencing of the slope α about the amount of sintering aids (liquid phase sintering), such as silicon oxide made by the semiconductor ceramics are added in the individual layers.
Bei einem vorteilhaften Verfahren zum Herstellen von Kaltlei ter-Widerstandselementen, insbesondere in Form von axial ge schichteten Kaltleiter-Widerständen, wird Kaltleiter-Keramik granulat unterschiedlicher Zusammensetzung schichtweise ver preßt und anschließend werden die verpreßten Schichten aus Kaltleiter-Keramikgranulat gesintert.In an advantageous method for producing cold lead ter resistance elements, in particular in the form of axially ge layered PTC resistors, becomes PTC ceramic granulate of different composition in layers presses and then the pressed layers are pressed out PTC thermistor ceramic granulate sintered.
Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren zum Herstellen von Kaltleiter-Widerstandselementen, insbesondere in Form von axial geschichteten Kaltleiter-Widerständen werden Kaltlei ter-Keramikfolien unterschiedlicher Zusammensetzung verpreßt und anschließend gesintert.In a further advantageous method for producing PTC resistor elements, especially in the form of axially layered PTC resistors become cold leads ter ceramic foils of different compositions pressed and then sintered.
Bei noch einem weiteren vorteilhaften Verfahren zum Herstel len von Kaltleiter-Widerstandselementen werden Kaltleiter- Keramikgrünlinge unterschiedlicher Zusammenetzung axial ge stapelt und anschließend gesintert.In yet another advantageous method of manufacture PTC resistor elements are PTC resistor Ceramic green compacts of different compositions axially ge stacks and then sintered.
Ferner können in vorteilhafter Weise gemäß der Erfindung beim Herstellen von Kaltleiter-Widerstandselementen Akzeptorsalze bzw. Lösungen von Akzeptorsalzen in Kaltleiter-Sinterlinge infiltriert und anschließend getempert werden.Furthermore, according to the invention in an advantageous manner Manufacture of PTC resistor elements acceptor salts or solutions of acceptor salts in PTC thermistor sintered parts infiltrated and then annealed.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der anliegenden Zeich nungen im einzelnen näher erläutert. Es zeigen:The invention based on the attached drawing in more detail. Show it:
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Kaltleiter-Wider standselements gemäß der Erfindung; Fig. 1 shows a basic structure of a PTC resistor stand elements according to the invention;
Fig. 2 einen Graphen eines axialen Temperaturprofils eines homogenen Kaltleiter-Widerstands mit einer konstanten Kennliniensteigung; Fig. 2 is a graph of the axial temperature profile of a homogeneous PTC resistor with a constant characteristic slope;
Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung eines sich ändernden a- Profils einer Kennlinie in axialer Richtung gemäß der Erfindung, und Fig. 3 is a schematic diagram of a changing a-profile of a characteristic in the axial direction according to the invention, and
Fig. 4 einen der Fig. 2 entsprechenden Graphen eines axialen Temperaturprofils eines Kaltleiters mit einem sich ändernden Kennlinienprofil gemäß Fig. 3. Fig. 4 a of Fig. 2 corresponding graph of an axial temperature profile of a PTC thermistor with a changing characteristic profile of FIG. 3.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines in seiner Gesamt heit mit 1 bezeichneten Kaltleiter-Widerstandselements darge stellt. Das Kaltleiter-Widerstandselement 1 weist eine Anzahl von beispielsweise sechs scheibenförmigen Kaltleiter-Keramik materialschichten 2a bis 2f unterschiedlicher Zusammensetzung auf, die dadurch jeweils unterschiedliche Kennliniensteigun gen α haben. Auf der Oberseite der obersten Kaltleiterkera mikschicht 2a bzw. auf der Unterseite der untersten Kaltlei terkeramikschicht 2f sind jeweils Elektroden 3 angedeutet.In Fig. 1, the basic structure of a PTC resistor element denoted in its totality 1 represents Darge. The PTC resistor element 1 has a number of, for example, six disk-shaped PTC ceramic material layers 2 a to 2 f of different composition, which thereby each have different characteristics α. On the top of the uppermost Kaltleiterkera mikschicht 2 a or on the bottom of the bottom Kaltlei terkeramikschicht 2 f electrodes 3 are indicated.
Somit ist ein Kaltleiter-Widerstandselement 1 geschaffen, das aus einer Anzahl in axialer Richtung übereinander geschichte ter und miteinander verbundener Kaltleiter-Keramikscheiben unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet ist, wodurch die Kennliniensteigung α gemäß der Erfindung unterschiedlich ist. (Siehe Fig. 3) Fig. 2 zeigt axiale Temperaturprofile in einem homogenen Kaltleiterwiderstand mit konstanter Kennliniensteigung α.Thus, a PTC resistor element 1 is created, which is formed from a number in the axial direction one above the other ter and interconnected PTC ceramic disks of different composition, whereby the characteristic slope α is different according to the invention. (See Fig. 3) Fig. 2 shows axial temperature profiles in a homogeneous PTC resistor with a constant slope α.
In Fig. 2 ist auf der Abszisse die Dicke z (cm) eines homoge nen Kaltleiter-Widerstandselements mit einer konstanten Kenn liniensteigung α wiedergegeben, wobei z = 0 der Elektrode und z = 0,125 cm dem Zentrum des scheibenförmigen Kaltleiterwi derstandselements entspricht. Auf der Ordinate ist die Tempe ratur T in Abhängigkeit von der Dicke z und der Zeit t aufge tragen, wobei zwanzig Zeitschritte von 10 ms von t = 350 ms bis t = 550 ms wiedergegeben sind.In Fig. 2, the thickness z (cm) of a homogeneous PTC resistor element with a constant slope α is shown on the abscissa, where z = 0 of the electrode and z = 0.125 cm corresponds to the center of the disc-shaped PTC resistor elements. The temperature T is plotted on the ordinate as a function of the thickness z and the time t, with twenty time steps of 10 ms from t = 350 ms to t = 550 ms being reproduced.
Der in Fig. 2 wiedergegebene homogene Kaltleiter-Widerstand ist beispielsweise für einen Vorwiderstand Rv = 200 Ω und eine Spannung U = 450 V ausgelegt.The homogeneous PTC resistor shown in FIG. 2 is designed for a series resistor R v = 200 Ω and a voltage U = 450 V, for example.
Fig. 2 ist zu entnehmen, daß bei einem homogenen Kaltleiter mit konstanter Kennliniensteigung mit zunehmendem Abstand vom Zentrum der Kaltleiterscheibe bei Anfangstemperaturen im Be reich von 130°C bis 140°C der Temperaturgradient ständig zu nimmt. Fig. 2 can be seen that in a homogeneous PTC thermistor with a constant slope with increasing distance from the center of the PTC thermistor at initial temperatures in the range from 130 ° C to 140 ° C, the temperature gradient increases continuously.
In Fig. 3 ist ein Beispiel eines α-Profils einer Kennlinie in axialer Richtung wiedergegeben. Hierbei sind in Fig. 3 auf der Abszisse der Abstand von der Elektrode in mm und auf der Ordinate die Kennliniensteigung in Prozent vom Maximalwert aufgetragen. Die Variation der Kennliniensteigung α in Fig. 3 hat, im Unterschied zu dem Verlauf des Temperaturprofils in Fig. 2, beispielsweise die in Fig. 4 wiedergegebene Abflachung des Temperaturprofils zur Folge.In Fig. 3 an example of an α-profile is shown a characteristic curve in the axial direction. Here, the distance from the electrode are plotted in mm and the ordinate represents the characteristic slope in percent of the maximum value in FIG. 3 on the abscissa. In contrast to the profile of the temperature in FIG. 2, the variation in the characteristic slope α in FIG. 3 results, for example, in the flattening of the temperature profile shown in FIG. 4.
In Fig. 4 sind analog Fig. 2 axiale Temperaturprofile in ei nem Kaltleiter-Widerstandselement 1 (siehe Fig. 1) wiederge geben. Hierbei handelt es sich jedoch im Unterschied zu Fig. 2 nicht um einen homogenen Kaltleiterwiderstand, sondern das Kaltleiter-Widerstandselement ist aus einer Anzahl Kaltlei terkeramikschichten 2a bis 2f unterschiedlicher Zusammenset zung gebildet. Aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung der benutzten Kaltleiterkeramikschichten ergibt sich bei spielsweise das Fig. 3 entnehmbare, sich ändernde α-Profil ei ner Kennlinie.In FIG. 4, analogous to FIG. 2, axial temperature profiles in a PTC resistor element 1 (see FIG. 1) are shown again. However, in contrast to FIG. 2, this is not a homogeneous PTC resistor, but the PTC resistor element is formed from a number of Kaltlei ceramic layers 2 a to 2 f different composition. Due to the different composition of the PTC ceramic layers used, for example, FIG. 3 shows a changing, changing α profile of a characteristic curve.
Analog zu Fig. 2 ist auch in Fig. 4 auf der Abszisse die Dic ke z [cm] und auf der Ordinate die Temperatur T in Abhängig keit von der Dicke z und der Temperatur T aufgetragen, wobei ebenfalls analog Fig. 2 zwanzig Zeitschritte von 10 ms von t = 350 ms bis t = 550 ms wiedergegeben sind. Auch sind die Schaltbedingungen in Fig. 4 dieselben wie bei Fig. 2, d. h. der Vorwiderstand Rv beträgt 200 Ω und die angelegte Spannung U ist 450 V.Analogously to Fig. 2, the Dic ke z [cm] and the temperature T ness on the ordinate in Depending, also in Fig. 4 on the abscissa of the thickness and temperature T applied, likewise being analogous to FIG. 2 twenty time steps of 10 ms from t = 350 ms to t = 550 ms are reproduced. The switching conditions in FIG. 4 are also the same as in FIG. 2, ie the series resistor R v is 200 Ω and the applied voltage U is 450 V.
Wie ein Vergleich der in Fig. 2 wiedergegebenen Temperatur profile für einen homogenen Kaltleiter und die entsprechenden Temperaturprofile für einen in axialer Richtung geschichteten Kaltleiterwiderstand zeigt, ist in Fig. 4 gegenüber Fig. 2 eine deutliche Abflachung des Temperaturgradienten erkennbar.As a comparison of the temperature profiles shown in FIG. 2 shows for a homogeneous PTC thermistor and the corresponding temperature profiles for a PTC thermistor layered in the axial direction, a clear flattening of the temperature gradient can be seen in FIG. 4 compared to FIG .
Kaltleiter-Widerstandselemente, die entsprechend der Prinzip darstellung in Fig. 1 ausgeführt sind, sind für Schaltungsan wendungen vorgesehen, wie sie in Telekom-Kaltleiter- bzw. Te lekom-PTC-Elementen oder als Überlast-Kaltleiter- bzw. PTC- Widerstandselemente verwendet werden, wobei der Kaltleiter- bzw. PTC-Widerstand gemäß der Erfindung in Reihe mit einem Vorwiderstand geschaltet ist.PTC resistor elements, which are designed according to the principle shown in Fig. 1, are provided for circuit applications, as they are used in telecom PTC or Te lekom PTC elements or as overload PTC or PTC resistor elements , wherein the PTC resistor or PTC resistor according to the invention is connected in series with a series resistor.
11
Kaltleiter-Widerstandselement
PTC resistor element
22nd
a, a,
22nd
b, b,
22nd
c, c,
22nd
d, d,
22nd
e, e,
22nd
fKaltleiterkeramikschichten
fConductor ceramic layers
33rd
Elektroden
zDicke eines Kaltleiter-
Widerstandselements
TTemperatur
Rv Electrodes
zthickness of a PTC resistor element
TTemperature
R v
Vorwiderstand
USpannung
Series resistor
US voltage
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Owner name: EPCOS AG, 81541 MUENCHEN, DE |
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Effective date: 20120403 |