EP1412953A2 - Elektrokeramisches bauelement - Google Patents

Elektrokeramisches bauelement

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EP1412953A2
EP1412953A2 EP02754320A EP02754320A EP1412953A2 EP 1412953 A2 EP1412953 A2 EP 1412953A2 EP 02754320 A EP02754320 A EP 02754320A EP 02754320 A EP02754320 A EP 02754320A EP 1412953 A2 EP1412953 A2 EP 1412953A2
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EP
European Patent Office
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electrical
base body
component according
conductor piece
electrical component
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EP02754320A
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Hermann GRÜNBICHLER
Martin Schwingenschuh
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TDK Electronics AG
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Epcos AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors
    • H01C7/126—Means for protecting against excessive pressure or for disconnecting in case of failure

Definitions

  • the invention relates to an electro-ceramic component with a temperature fuse.
  • Such components include, for example, varistors.
  • the basic body of such known components is often made from a mixture of different metal oxides, for example based on zinc oxide.
  • Varistors have a non-linear voltage-dependent change in resistance that is used to protect an electrical circuit from overvoltage. The resistance value of varistors decreases with increasing voltage.
  • a varistor fuse element for protecting electrical circuits against overvoltages and overtemperature is known from the publication DE 331 85 88. It consists of a mechanical construction in which a low-melting solder is applied to the varistor, which fixes a resilient power supply line. If overvoltages occur and the varistor overheats, the solder melts, the spring construction then producing an irreversible, low-resistance short-circuit bridging with a second power supply. The spring construction also increases the distance between the resilient power supply and the variator in order to prevent an electrical flashover.
  • the disadvantages of this mechanical construction are that it is very difficult to implement.
  • JP 04 151 804 A discloses a temperature fuse integrated in a varistor housing, which is connected via an electrical line to an inner electrode of the varistor.
  • the temperature fuse is surrounded by a material that allows heat conduction between the varistor and the temperature fuse. In the event of overheating of the varistor as a result of prolonged overvoltage, the heat of the varistor can thus be transferred to the temperature fuse and this can be triggered.
  • the disadvantage of this construction is that the temperature fuse is not in direct thermal contact with the varistor and is therefore only triggered at higher temperatures due to losses during heat transfer.
  • the object of the invention is therefore to provide a simple thermal fuse for electro-ceramic components which avoids the disadvantages mentioned.
  • the invention describes an electro-ceramic component with at least a first ceramic base body.
  • a current flows between two electrical contacts via the first ceramic base body and an electrical conductor piece.
  • the first ceramic base body contacts • the electrical conductor piece and is therefore in direct thermal contact with it. If the operating voltage is exceeded, the first ceramic base body heats up considerably as a result of the increasing power loss, so that the electrical conductor piece is also heated. It is designed so that it from a certain temperature melts and thus interrupts the flow of electricity.
  • An electrically insulating material prevents an electrical flashover between the electrically conductive areas that have been contacted by the electrical conductor piece and thus ensures a reliable interruption of the current path.
  • the first base body can contain, for example, a varistor ceramic based on zinc oxide.
  • the electrical conductor piece is advantageously a low-melting solder, for example with a melting point between approximately 80 ° C. and 180 ° C. Free-flowing or free-flowing materials such as quartz sand or glass balls can be used as the electrically insulating material.
  • the entire electro-ceramic component with the integrated temperature fuse and the encapsulation can advantageously be encased in a single housing. This creates a compact component with a reduced space requirement.
  • FIGS. 1A and 1B show a varistor according to the invention with an integrated temperature fuse with two ceramic base bodies in top view and in cross section.
  • FIGS. 2A and 2B show a varistor according to the invention with only one ceramic base body in top view and in cross section.
  • 1A and 1B is a series connection of two
  • Varistor base bodies 1 and 30 each with an operating voltage of approximately 60 or 75 V, so that an operating voltage of approximately 130 V in total can be realized.
  • the two varistor base bodies 1 and 30 are a low-melting solder with a through the electrical see piece 10
  • the electrically insulating material 20 can advantageously be embodied as quartz sand, which is arranged between the two varistor base bodies and surrounds the solder 10. Tinned copper wires, for example, can serve as electrical contacts 5 and 15.
  • a plastic ring 50 advantageously made of a temperature-resistant dig plastic such as polyphenylene sulfide (PPS) creates together with the two ceramic base bodies 1 and 30 as a lid a cavity for the insulating material 20. The cavity can be closed by a plug 50A.
  • the entire component with integrated temperature fuse can advantageously be surrounded by a housing 45, which is made of epoxy plastic, for example.
  • the electrical conductor piece 10 of the component reliably melts within a few seconds.
  • the temperature on the housing of the component is only about 120 ° C. This ensures that the component does not start to burn and no objects in its environment
  • varistor materials 1 and 30 for example based on SiC.
  • the embodiment with the two ceramic base bodies also has the advantage that a spatial separation of the electrical contacts 5 and 15 from the electrical conductor piece 10 is possible.
  • the electrical conductor piece is located in the intermediate space 35 between the two varistor base bodies, while the electrical contacts each contact the sides 1A, 30A of the varistor base body facing away from the intermediate space. This ensures good thermal shielding of the electrical conductor piece from the electrical contacts, so that there is a high resistance to soldering heat. This is contrary to many conventional ones Thermal fuses allow the electrical contacts to be soldered or welded on without a problem, without triggering the thermal fuse.
  • FIG. 2A shows a plan view and FIG. 2B shows a cross section through a varistor according to the invention with only one varistor main body 1.
  • the electrical conductor piece 10 is connected directly to the second electrical contact 15 and the varistor main body 1.
  • a ring 50 which is advantageously designed as a plastic, creates a cavity for receiving the electrically insulating material 20, which in this embodiment is intended to prevent an electrical flashover between the varistor base body 1 and the second electrical contact 15.
  • the entire arrangement can be provided with a cover 50B which closes the component.
  • the varistor base body 1 is contacted by the first electrical contact 5.
  • This alternative embodiment shows similar properties in the event of overheating and similar current discharge capacity as the embodiment with two ceramic base bodies.

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Description

Beschreibung
Elektrokeramisches Bauelement
Die Erfindung betrifft ein elektrokeramisches Bauelement mit einer TemperaturSicherung.
Zu derartigen Bauelementen gehören zum Beispiel Varistoren. Der Grundkorper solcher bekannter Bauelemente ist häufig aus einer Mischung verschiedener Metalloxide, zum Beispiel auf der Basis von Zinkoxid hergestellt. Varistoren weisen eine nicht-lineare spannungsabhängige Widerstandsänderung auf, die zum Schutz eines elektrischen Schaltkreises vor Überspannung benutzt wird. Der Widerstandswert von Varistoren sinkt dabei mit steigender anliegender Spannung.
Beim Auftreten einer Überspannung (Betriebsspannung übersteigt einen zulässigen Grenzwert für den Varistor) steigt der Durchlaßstrom des Varistors steil an. Die dadurch eben- falls stark zunehmende Verlustleistung heizt den Varistor auf. Bei länger andauernden Überspannungen kann es dabei zur Überhitzung und zur Brandauslösung kommen.
Aus der Druckschrift DE 331 85 88 ist ein Varistorsicherungs- element zum Schutz elektrischer Schaltkreise vor Überspannungen 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. Dabei vergrößert die Federkonstruktion auch die Distanz zwischen der federnden Stromzuleitung und dem Vari- stör, um einen elektrischen Überschlag zu verhindern. Die Nachteile dieser mechanischen Konstruktion bestehen darin, daß sie nur sehr aufwendig zu realisieren ist. In der Druckschrift JP 04 151 804 A ist eine in einem Varistorgehäuse integrierte TemperaturSicherung offenbart, die über eine elektrische Leitung mit einer inneren Elektrode des Varistors verbunden ist. Die Temperatursicherung ist dabei von einem Material umgeben, das eine Wärmeleitung zwischen dem Varistor und der Temperatursicherung erlaubt. Im Falle einer Überhitzung des Varistors infolge von länger andauernder Überspannung kann somit die Wärme des Varistors auf die Temperatursicherung übertragen und diese ausgelöst werden.
Der Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, daß die Temperatursicherung nicht im direktem thermischen Kontakt mit dem Varistor steht und deshalb aufgrund von Verlusten während der Wärmeübertragung erst bei höheren Temperaturen ausgelöst wird.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfache thermische Sicherung für elektrokeramische Bauelemente zur Verfügung zu stellen, die die genannten Nachteile vermei- det.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche .
Die Erfindung beschreibt ein elektrokeramisches Bauelement mit wenigstens einem ersten keramischen Grundkörper. Im normalen Betriebsfall, bei dem die Betriebsspannung einen vorgegebenen zulässigen Grenzwert nicht überschreitet, erfolgt ein Stromfluß zwischen zwei elektrischen Kontakten über den ersten keramischen Grundkörper und ein elektrisches Leiterstück. Der erste keramische Grundkörper kontaktiert • das elektrische Leiterstück und steht deshalb im direkten Wärmekontakt mit ihm. Bei Überschreitung der Betriebsspannung heizt sich der erste keramische Grundkörper infolge der zunehmenden Verlustleistung stark auf, so daß auch das elektrische Leiterstück aufgeheizt wird. Es ist dabei so ausgeführt, daß es ab einer bestimmten Temperatur schmilzt und somit den Stromfluß unterbricht. Ein elektrisch isolierendes Material verhindert einen elektrischen Überschlag zwischen den elektrisch leitenden Bereichen, die von dem elektrischen Leiterstück kontaktiert wurden und gewährleistet so eine zuverlässige Unterbrechung des Strompfades .
Die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik bestehen darin, daß das elektrische Leiterstück erfindungsge- m ß im direkten Wärmekontakt mit dem ersten keramischen
Grundkorper steht. Aus diesem Grunde muß keine mit Verlusten behaftete Wärmeübertragung durch eine Ummantelung des ersten keramischen Grundkörpers stattfinden. Die Übertemperatursi- cherung kann deshalb bereits bei niedrigeren Temperaturen am ersten Grundkörper ausgelöst werden und ist somit wesentlich empfindlicher als herkömmliche Sicherungen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß nach dem Schmelzen des elektrischen Leiterstücks ein elektrischer Überschlag erfindungsgemäß in einfacher Weise durch das elektrisch isolierende Mate- rial verhindert werden kann. Es sind keine aufwendigen mechanischen Federkonstruktionen nötig, um die Kontakte nach dem Schmelzen des elektrischen Leiterstücks auseinander zu bewegen.
Der erste Grundkörper kann beispielsweise eine Varistorkeramik auf der Basis von Zinkoxid enthalten. Das elektrische Leiterstück ist vorteilhafterweise ein niedrigschmelzendes Lot, beispielsweise mit einem Schmelzpunkt zwischen etwa 80°C und 180°C. Als elektrisch isolierendes Material lassen sich beispielsweise riesel- oder fließfähige Materialien wie Quarzsand oder Glaskugeln einsetzen.
Dies hat den Vorteil, daß nach dem Schmelzen des elektrischen Leiterstücks, dem Lot, das riesel- oder fließfähige Material in das flüssige Metall eindringen kann und so zuverlässig die Ausbildung eines Lichtbogens und damit eines elektrischen Überschlags verhindert wird. Vorteilhafterweise kann eine Verkapselung, beispielsweise aus temperaturbeständigem Kunstoff wie Polyphenylensulfid (PPS) vorgesehen sein, die ein Behältnis für das isolierende rie- sei- oder fließfähige Material schafft und dabei gleichzeitig die mechanische Stabilität des Bauelements erhöht.
Das gesamte elektrokeramische Bauelement mit der integrierten Temperatursicherung und der Verkapselung kann vorteilhafter- weise von einem einzigen Gehäuse umhüllt werden. Dadurch entsteht ein kompaktes Bauelement mit verringertem Platzbedarf.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Abbildungen aus Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Figuren 1A und 1B zeigen einen erfindungsgemäßen Varistor mit integrierter Temperatursicherung mit zwei keramischen Grundkörpern in der Aufsicht und im Querschnitt .
Figuren 2A und 2B zeigen einen erfindungsgemäßen Varistor mit nur einem keramischen Grundkörper in der Aufsicht und im Querschnitt .
In den Figuren 1A und 1B ist eine Serienschaltung von zwei
Varistorgrundkörpern 1 und 30 mit jeweils etwa 60 beziehungsweise 75 V Betriebsspannung zu sehen, so daß sich eine Betriebsspannung von etwa 130 V gesamt realisieren läßt. Die beiden Varistorgrundkörper 1 und 30 sind durch das elektri- sehe Leiterstück 10, ein niedrigschmelzendes Lot mit einem
Schmelzpunkt von etwa 80°C bis 180°C, elektrisch leitend miteinander verbunden. Das elektrisch isolierende Material 20 kann vorteilhafterweise als Quarzsand ausgeführt werden, der zwischen den beiden Varistorgrundkörpern angeordnet ist und das Lot 10 umgibt. Als elektrische Kontakte 5 und 15 können beispielsweise verzinnte Kupferdrähte dienen. Ein Kunststoffring 50, vorteilhafterweise aus einem temperaturbestän- digem Kunststoff wie Polyphenylensulfid (PPS) schafft zusammen mit den beiden keramischen Grundkörpern 1 und 30 als Deckel einen Hohleraum für das isolierende Material 20. Verschlossen werden kann der Hohlraum durch einen Stopfen 50A. Zur Verhin- derung von Außenüberschlägen kann das gesamte Bauelemente mit integrierter Temperatursicherung vorteilhafterweise von einem Gehäuse 45 umgeben werden, das beispielsweise aus Epoxid- kunststoff besteht.
Bei starker Überspannung schmilzt das elektrische Leiterstück 10 des Bauelements zuverlässig innerhalb weniger Sekunden. Zum Zeitpunkt der Auslösung der Temperatursicherung beträgt die Temperatur am Gehäuse des Bauelements nur etwa 120°C. Dadurch ist gewährleistet, daß das Bauelement nicht zu brennen beginnt und auch keine Gegenstände in seiner Umgebung in
Brand setzt. Gleichzeitig können durch die Verwendung eines etwa 1 mm dicken Lotdrahtes Stromstöße von etwa 8000 A (Impulsform 8/20 μs) ausgehalten werden. Das heißt, daß durch die erfindungsgemäße Übertemperatursicherung keine Einbußen beim Stromableitvermögen in Kauf genommen werden müssen.
Zur Modifizierung der elektrischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Varistors, ist- es auch möglich, zwei unterschiedliche Varistormaterialien 1 und 30 einzusetzen, bei- spielsweise auf der Basis von SiC.
Die Ausführungsform mit den zwei keramischen Grundkörpern hat darüber hinaus den Vorteil, daß eine räumliche Trennung der elektrischen Kontakte 5 und 15 von dem elektrischen Leiter- stück 10 möglich ist. Das elektrische Leiterstück befindet sich im Zwischenraum 35 zwischen den beiden Varistorgrundkörpern, während die elektrischen Kontakte jeweils die dem Zwischenraum abgewandten Seiten 1A, 30A der Varistorgrundkörper kontaktieren. Dadurch läßt sich eine gute thermische Abschir- mung des elektrischen Leiterstücks von den elektrischen Kontakten gewährleisten, so daß eine hohe Lötwärmebeständigkeit gegeben ist. Dadurch ist im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Temperatursicherungen ein problemloses Anlöten beziehungsweise Anschweißen der elektrischen Kontakte möglich, ohne die Temperatursicherung auszulösen.
Figur 2A zeigt eine Aufsicht und Figur 2B einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Varistor mit nur einem Varistorgrundkörper 1. In diesem Falle ist das elektrische Leiterstück 10 direkt mit dem zweiten elektrischen Kontakt 15 und dem Varistorgrundkörper 1 verbunden. Ein vorteilhafterweise als Kunststoff ausgeführter Ring 50 schafft einen Hohlraum zur Aufnahme des elektrisch isolierenden Materials 20, das bei dieser Ausführung einen elektrischen Überschlag zwischen dem Varistorgrundkörper 1 und dem zweiten elektrischen Kontakt 15 verhindern soll. Die gesamte Anordnung kann mit einer Abdeckung 50B versehen werden, die das Bauteil verschließt. Weiterhin wird der Varistorgrundkörper 1 von dem ersten elektrischen Kontakt 5 kontaktiert.
Diese alternative Ausführungsform zeigt ähnliche Eigenschaften im Falle einer Überhitzung und ähnliches Stromableitvermögen wie die Ausführungsform mit zwei keramischen Grundkörpern.
Die Erfindung ist nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Im Rahmen der Erfindung liegen selbstverständlich auch weitere Variationen insbesondere bezüglich der Anzahl der verwendeten keramischen Grundkörper, ihrer Anordnung zueinander und die Art der verwendeten Kera- mikmaterialien.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Bauelement mit einer Sicherung vor Überspannungen, - mit wenigstens einem ersten keramischen Grundkörper (1) , bei dem ein Strompfad zwischen einem ersten Kontakt (5) am keramischen Grundkörper (1) und einem zweiten Kontakt (15) definiert ist, der über den ersten keramischen Grundkörper
(1) und ein, den ersten keramischen Grundkörper kontaktie- rendes, elektrisches Leiterstück (10) verläuft, bei dem ein, das elektrische Leiterstück (10) umschließendes, elektrisch isolierendes Material so angeordnet ist, daß ein elektrischer Überschlag zwischen den Bereichen des Strompfades, die durch das elektrische Leiterstück (10) überbrückt werden, verhindert wird, bei dem das elektrische Leiterstück (10) so ausgebildet ist, daß es bei Überschreitung der vorgesehenen Betriebsspannung des Bauelements infolge der Aufwärmung des ersten Grundkörpers schmilzt.
2. Elektrisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem das elektrische Leiterstück (10) mit dem zweiten elektrischen Kontakt (15) verbunden ist, bei dem das elektrisch isolierende Material (20) zwischen dem ersten keramischen Grundkörper (1) und dem zweiten elektrischen Kontakt (15) angeordnet ist.
3. Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das elektrische Leiterstück (10) den ersten Grund- körper (1) mit einem zweiten Grundkörper (30) elektrisch leitend verbindet, bei dem direkt am ersten Grundkörper (1) der erste Kontakt (5) und am zweiten Grundkörper (30) der zweite Kontakt (15) angeordnet ist, - bei dem das elektrisch isolierende Material (20) zwischen dem ersten und zweiten Grundkörper angeordnet ist .
4. Elektrisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
- bei dem das elektrische Leiterstück (10) thermisch von den elektrischen Kontakten (5,15) isoliert ist.
5. Elektrisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
- bei dem die beiden Grundkörper (1,30) übereinander gestapelt sind,
- bei dem das elektrische Leiterstück (10) in dem Zwischenraum (35) zwischen den beiden Grundkörpern (1,30) angeord- net ist,
- bei dem die elektrischen Kontakte (5,15) jeweils die dem Zwischenraum (35) abgewandten Seiten (1A,30A) der Grundkörper (1,30) kontaktieren.
6. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- bei dem eine Verkapselung (50) vorgesehen ist, die einen Hohlraum zur Aufnahme des isolierenden Materials (20) schafft und abschließt.
7. Elektrisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch,
- bei dem die Verkapselung (50) temperaturbeständig ist.
8. Elektrisches Elektrisches Bauelement nach einem der vor- hergehenden Ansprüche, bei dem ein Gehäuse (45) angebracht ist, das die Grundkörper (1 oder 1,30), das elektrische Leiterstück (10), das elektrisch isolierende Material (20) mit der Verkapselung (50) und zumindest teilweise die elektrischen Kontakte (5,15) umschließt.
9. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- bei dem die Grundkörper (1 oder 1,30) eine Varistorkeramik umfassen.
10.Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- bei dem die Grundkörper (1 oder 1,30) eine Varistorkeramik auf der Basis von ZnO umfassen. •
11.Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- bei dem das elektrisch isolierende Material (20) riesel- oder fließfähig ist.
12.Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das elektrisch isolierende Material (20) Quarzsand oder Glaskugeln ist.
13. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das elektrische Leiterstück (10) ein Lot ist.
14. Elektrisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das elektrische Leiterstück (10) ein Lot mit einem Schmelzpunkt zwischen etwa 80°C und 180°C ist.
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