DE2235783C2

DE2235783C2 - Metalloxid-Varistorelement

Info

Publication number: DE2235783C2
Application number: DE2235783A
Authority: DE
Inventors: John Davis Schenectady N.Y. Harnden Jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-07-22
Filing date: 1972-07-21
Publication date: 1983-02-17
Also published as: GB1366008A; FR2146453B1; DE2235783A1; IE36427B1; FR2146453A1; JPS5434902B1; IE36427L; US3768058A; SE383794B

Description

18. Varistorelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet daß das Substrat vollständig von dem Varistorkörper gebildet wird.

19. Varistorelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet daß das Substrat zusätzlich einen mit dem Varistorkorper (31) verbundenen Träger (36) aus dielektrischem Material aufweist.

Die Erfindung betrifft ein Metalloxid-Varistorele-

Hauptoberfläche ⁵⁵ ment aus einem Metalloxid-Varistorkörper mit einem alpha-Wert von mehr als 10 im Stromdichtenbereich von ΙΟ-³ bis 10² A/cm² und einer ersten sowie einer zweiten Hauptoberfläche, wobei die zweite Hauptoberfläche im Abstand von der ersten Hauptoberfläche liegt,

breite aufweist, die die Maximalbreite des Leitungs- ⁶⁰ und mit mindestens einer ersten sowie einer zweiten spaltes (Y \) zwischen der ersten (64) und der Elektrode auf dem Körper=

zweiten Elektrode (65) auf der ersten Hauptoberflä- Ein Metalloxid-Varistorelement der vorstehend ge

nannten Art ist in der CA-PS 8 31 691 beschrieben. Bei diesen bekannten Varistorelementen stehen Strom und

ehe (62) übersteigt.

8. Varistorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Kanten der ersten (101) und der zweiten Elektrode (103) ineinandergreifen.

9. Varistorelement nach einem der Ansorüche 1

Spannung gemäß Gleichung
Beziehung zueinander:

I=(VZC) alpha

(1) in quantitativer

(1)

worin V die Spannung zwischen swei Punkten ist, die durch den Varistorkörper getrennt sind, / ist der zwischen diesen beiden Punkten fließende Strom, C ist eine Konstante und alpha ist ein Exponent, der einen Wert größer aisi hat

In der DE-OS 16 46 752 ist ein halbleitendes Bauelement beschrieben, das aus Teilchen eines pulverförmigen halbierenden Metalloxides besteht, die in einem glasartigen Bindemittel dispergiert sind. So besteht das halbleitende Bauelement nach F i g. 1 dieser OS aus Zinndioxid-Teilchen, die als halbleitendes Material in ein glasartiges Bindemittel eingebettet sind. Die Strom-Spannung-Kennlinie des Elementes nach F i g. 1 verläuft geradlinig, woraus sich ergibt, daß das Element einen spezifischen ohmschen Widerstand aufweist

In der DE-PS 7 Ol 380 ist ein scheibenförmiger Thermistor beschrieben, der außer den beiden Elektroden auf der einen Hauptfläche noch eine weitere Metallschicht auf der gegenüberliegenden Hauptfläche aufweist Dem älteren deutschen Patent 21 26 340 lag die Aufgabe zugrunde, einen mit Elektroden versehene» Dickschichtwiderstand aus einer auf einem isolierenden Trägerkörper aufgebrannten Paste, die aus feinverteilten Teilchen aus einem Metalloxid und einer Glasfritte als festen Bestandteilen und einem flüssigen Trägerstoff besteht, zu schaffen, der Varistoreigenschaften aufweist

Diese Aufgabe wird nach dem Patent dadurch gelöst, daß die Paste als feste Bestandteile 30 bis 95 Gew.-% Zinkoxid und 5 bis 70 Gew.-°/o feinverteilte Teilchen aus Glasfritte enthält und daß der damit hergestellte Widerstand als Varistor in definierter Weise spannungsabhängig ist Daraus ergibt sich, daß die Lösung der dem deutschen Patent 21 26 340 zugrunde liegenden Aufgabe unabhängig von der Art der Anordnung der js Elektroden auf diesem Dickschichtwiderstand ist Dies wird zusätzlich durch die Ansprüche 2 und 3 als auch die F i g. 1 und 2 bestätigt da danach die Elektroden sowohl auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Paste als auch beide auf der gleichen freien Oberfläche der Paste aufgebracht sein können. Die Ausführungsform mit beiden Elektroden auf der gleichen Oberfläche soll gemäß Spalte 3, Zeilen 23 bis 27 für hohe Spannungen eingesetzt werden.

Der Aufbau eines bekannten Metalloxid-Varistorelementes mit einem alpha größer als 10 ist in Fig. 1 dargestellt Das Metalloxid-Varistorelement 1 ist aus einem gesinterten keramischen Metalloxidkörper 3 gebildet Dieser Körper weist eine erste Hauptoberfläche 5 und eine zweite gegenüberliegende Hauptoberfläehe 7 auf. Die Hauptoberflächen sind durch eine Dicke X voneinander getrennt. Die erste Elektrode 9 und die zweite Elektrode 11 sind so mit der ersten bzw. der zweiten Hauptoberfläche verbunden, daß sie einen ohmschen Kontakt dazu haben.

Nimmt man das Metalloxid-Varistorelement 1 in Benutzung, indem man eine elektrische Spannung an die Elektroden 9 und 11 anlegt, dann fließt ein Strom durch die Hauptmasse des Metalloxidkörpers 3. Da der Abstand zwischen den Elektroden 9 und 11 entlang der «so Oberfläche des Metalloxid-Varistorkörpers 3 größer ist als durch die Masse des Körpers, wird, wenn überhaupt, nur wenig Strom entlang der Oberfläche des Körpers geleitet. Für verschiedene Spannungen an den Elektroden folgt der Strom der Gleichung (I). Kür eine *-'■ gegebene Querschniüsfläche des Metalloxidkörpcrs, gemessen senkrecht zur Richtung des Stromflusses durch den Körper und für U;ien gegebenen Strom ist die Spannung an den Elektroden eine Funktion der Dicke X,

For viele Anwendungen in Stromkreisen, in denen bei einer gegebenen Stromleitung relativ hohe Spannungen erwünscht sind, ist diese Beziehung bequem, da es sehr leicht ist, einen Dickenwert X auszuwählen, um die gewünschte Spannungscharakteristik für das VaristGrelement zu erhalten. In Stromkreisen, in denen eine relativ geringe Spannung erwünscht ist, kann jedoch für eine gegebene Stromleitung durch den Varistorkörper der Wert für X so klein werden, daß es sehr schwierig ist, den Metalloxid-Varistorkörper ohne Beschädigung herzustellen oder zu handhaben. So kann z. B. für eine Anwendung bei vergleichsweise niedriger Spannung eine Dicke des Metalloxid-Varistorkörpers von nur 2 oder 3 Mikrometer brauchbar sein. Weiter können bei verhältnismäßig geringen Spannungen die genauen Abmessungen des Metalloxidkörpers 3' sehr bedeutsam werden, da ein Fehler bei der Dicke von lediglich einigen Mikrometern die gewünschte Spannung verdoppeln oder halbieren kann.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Metalloxid-Varistorelement der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Spannungscharakteristik im wesentlichen unabhängig von der Dicke des Met^Joxidkörpers ist, d.h. bei dem der Strom zwischen den Elektroden, im Gegensatz zum konventionellen Varistorelement, bei dem der Strom mehr oder weniger gleichmäßig verteilt durch die Hauptmasse des Varistorkörpers fließt, entlang oder unmittelbar unterhalb der Oberfläche des Varistorkörpers fließt und dies nicht nur bei für kleine Spannungen bestimmten Varistor-Elementen.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst daß die erste und die zweite Elektrode mit ohmschem Kontakt an der gleichen Hauptoberfläche angebracht sind und einen seitlichen Abstand voneinander haben, der einen Leitungsspalt zwischen ihnen auf der genannten Hauptuberfteche bildet, dessen Minimalbreite einerseits geringer ist als die senkrecht zur genannten Oberfläche gemessene Dicke des Varistorkörpers, andererseits aber noch so groß ist, daß für den gewünschten Spannungswert die Durchschlagfeldstärke nicht überschritten wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Varistorelementes finden sich in den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt des obengenannten bekannten Metalloxid-Varistorelementes,

F i g. 2,3 und 4 schematische Querschnitte verschiedener Ausführungsformen dss erfindungsgemäßen Varistorelerve-ites,

F i g. 5 ein schematisches Stromkreisdiagramm,

Fig.6 und 7 schematische Querschnitte -veiterer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Varistorelementes,

Fig.8 ein schematischcs Stromkreisdiagramm unter Verwendung der Aust'ührungsform des Varistorelementes der F i g, 7,

Fig. 9 bis 12 einschließlich. Aufrisse weiterer Ausführungsformen des erfindungsgemaßen Varistorelementes und

Fig. 13 fincn schematischen Querschnitt eines -ni! einer Umhüllung versenenen gebrauchsfertigen Varistors, der das erfindiingsgemälk Varistorclcment nach Fi g. 3 enthält.

In Fig. 2 ist ein Varistorelement 20 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeif." Dieses Varistorelement 20 umfaßt einen Metalloxid-Varistorkörper 21 mit einem alpha-Wert (wie durch die Gleichung (I) definiert), der größer als 10 ist.

Der Metalloxid-Varistorkörper 21 kann gemäß der Lehre der obigen CA-PS 8 31 691 oder auf irgendeine andere bekannte Weise hergestellt werden.

Der Körper 21 ist mit einer ersten Hauptoberfläche 22 sowie einer dieser gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche 23 versehen. Die zweite Hauptoberfläche ist parallel zur ersten llauptobtrfläche liegend dargestellt, doch kann sie jede geometrische Form haben, die für die spezifische Anwendung des Varistors geeignet ist.

Die Dicke des Varistorkörpers 21, die senkrecht zu den Hauptoberflächen gemessen wird, ist nicht kritisch und kann innerhalb weiter Grenzen variieren. Die Mikron eingestellt sein muß.

Es ist viel einfacher, den Elektrodenabstand zwischen zwei auf der gleichen Oberfläche befindlichen Elektroden auf 2 Mikron einzustellen, als einen Varistorkörper mit einer Dicke von nur 2 Mikron herzustellen.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Varistorelementes 20 der F i g. 2 unterscheidet sich von der eines in Fig. I dargestellten konventionellen Varistorelementes 1. Wird ein Potential an die Elektroden 24 und 25 gelegt, dann fließt bei diesem Varistorelement 20 der Strom zwischen den Elektroden entlang oder unmittelbar unterhalb de Oberfläche des Varistorkörpers 21 innerhalb des Leitungsspaltes Y. Dies steht in direktem Gegensatz zu dem konventionellen Varistorelement 1, bei dem der Strom mehr oder weniger gleichmäßig verteilt durch die Hauptmasse des Varistorkörpers 3 flieiit. Es wird selbstverständlich auch bei dem Varistorelement 20 ein Teil des Stromes unterhalb der

iTieisier! FÜÜer* EG Oh^rflarhp» Hps linrnprs rlnrrh Hip» Maccp Apk Varictnr-

gewählt, daß der Varistorkörper stabil genug ist. um -'< beim Herstellen und Verwenden eine Beschädigung zu \ ermeiden. So wird der Varistorkörper 21 normalerweise eine Dicke von mindestens 25 Mikron aufweisen. Theoretisch besteht für die Maximaldicke des Varistorkörpers keine Begrenzung, außer daß sehr _t;roße Dicken unnötigerweise zur Masse und den Kosten des Varistors ebenso wie zur Verlängerung des thermischen Impedanzpfddes durch den Varistorkörper beitragen.

Aul der ersten Hauptoberfläche 22 sind eine erste Elektrode 24 und eine zweite Elektrode 25 aufgebracht. S' Die Elektroden können mit ohmschen Kontakt in jeder geeigneten konventionellen Weise an der Hauptoberfläche befestigt sein. Die Elektroden 24 und 25 weisen einen seitlichen Abstand Y voneinander auf, der als Leitungsspalt ^bezeichnet ist. Bei dem Varistorelement i 20 erstreckt sich der Leitungsspalt linear über die erste Hauptoberfläche 22 und ist durchgängig von gleichmäßiger Breite. Die Breite des Leitungsspaltes bestimmt die für eine gegebene Stromleitung an den Elektroden beobachtete Spannung. Es ist daher in den meisten « Fällen erwünscht, diese Breite genau einzustellen. Dies ist möglich, indem man die Elektroden unter Verwendung der bekannten Maskierungsverfahren anordnet. um sicherzustellen, daß sie in einem genauen Abstand ■'. oneinander stehen oder indem man erst eine einzige *? Elektrode anbringt und danach einen Zwischenraum der Elektrode in einer kontrollierten Weise entfernt, um die erste und die zweite Elektrode in einem bestimmten Abstand voneinander zu erhalten.

Die Breite des Leitungsspaltes V'kann je nach dem für ^n eine gegebene Stromleitung angestrebten Spannungswert jeden gewünschten Wert haben. Der seitliche Abstand der Elektroden des Varistorelementes 20 ist jedoch zweckgemäß so zu wählen, daß die Breite des Leitungsspaltes Y geringer ist als die Dicke des Varistorkörpers. Bei geringen Spaltbreiten sind die Varistorelemente für verhältnismäßig niedrige Spannung geeignet. Ist zum Beispiel bei einem Varistorelement nach dem Stand der Technik ein Elektrodenabstand von 2 Mikron zwischen den Elektroden <* einzustellen, um eine gewünschte Strom- und Spannungscharakteristik für das Varistorelement zu erhalten, dann muß der Varistorkörper 3 eine Dicke X von 2 Mikron haben. Im Falle des erfindungsgemäßen Varistorelementes 20 kann der Varistorkörper 21 bei ^b=l diesem Beispiel jedoch mit jeder gewünschten Dicke hergestellt werden, die 2 Mikron übersteigt Es ist lediglich die Breite des Leitungsspaltes Y, die auf 2 körpers 21 verlaufen, insbesondere wenn höhere Spannungen erreicht werden, doch sollte das nur ein geringer Anteil des Gesamtstromes sein und er kann unter den meisten Umständen als vernachlässigbar angesehen werden. Während also das Varistorelement ■ 20 der Gleichung (1) in ähnlicher Weise folgt wie das Varistorelement 1. unterscheidet sich die Art der Leitung vollständig.

Die ^f':findung umfaßt außer dem Varistorelement 20 noch einige weitere Ausführungsformen, die sich in einem oder mehreren funktioneilen und strukturellen Aspekten unterscheiden. Mit Ausnahme der spezifischen unterschiedlichen Merkmale, die noch diskutiert werden, sind die strukturellen Charakteristika der weiteren Ausführungsformen der Erfindung identisch denen des Varistorelementes 20.

In Fig. 3 ist ein Varistorelement 30 dargestellt, das eine modifizierte Form der Erfindung zeigt. Ein gesinterter keramischer Metalloxid-Varistorkörper 31 weist eine erste Hauptoberfläche 32 und eine zweite Hauptoberfläche 33 auf. Elektroden 34 und 35, identisch den Elektroden 24 und 25, sind mit der ersten Hauptoberfläche verbunden und durch einen Leitungsspalt Y voneinander getrennt. Ein dielektrischer Träger 36 ist mit der zweiten Hauptoberfläche verbunden. Der dielektrische Träger kann aus irgendeinem elektrisch isolierenden, vergleichsweise inerten Material bestehen. wie den bekannten Glas-, Keramik- und polymeren Isolatoren. Der Vorteil der Verwendung des Trägers 36 besteht darin, daß die Dicke X3 des Varistorkörpers 31 angemessen verringert werden kann, da die Stabilität des Varistorkörpers selbst zu einem beträchi.»ehen Maße durch den Träger verstärkt wird. In einigen Fällen, insbesondere wenn der Träger eine Keramik ist, kann es vorteilhaft sein, den Varistorkörper als eine Schicht auf der oberen Oberfläche des Trägers zu bilden. Der Varistorkörper und der dielektrische Träger können durch die üblichen Klebeverfahren miteinander verbunden werden und bilden ein einheitliches Substrat In F i g. 4 ist ein Varistorelement 40 gezeigt, das einen Varistorkörper 41 aufweist, der identisch dem Körper sein kann und der eine erste Hauptoberfläche 42 und eine zweite gegenüberliegende Hauptoberfläche 43 hat Eine erste Elektrode 44 ist mit ohmscher Leitfähigkeit an einem Teil der ersten Hauptoberfläche befestigt Eine zweite Elektrode 45 ist mit einem Teil 45A mit ohmschem Kontakt ebenfalls mit der ersten Hauptoberfläche 42 verbunden und mit seitlichem Abstand von der ersten Elektrode durch die Breite des Leitungsspaltes Y

getrennt. Ein weiterer Teil 45öder zweiten Elektrode ist mit der zweiten Hauptaberfläche verbunden und ein Zwischenteil 45Cverbindet mit ohmschem Kontakt die Teile 45/4 und MB der zweiten Elektrode. Es ist zu bemerken, daß die erste und die zweite Hauptoberfläche des Varistorkörpers und demgemäß die erste Elektrode und der Teil 45ßder zweiten Elektrode durch eine ^cke X 2 voneinander getrennt sind, welche größer i&t als die Breite Kdes Leitungsspaltes.

Wenn das Varistorelement 40 geringe Ströme leiten soll, dann ist seine Wirkungsweise identisch der des Varistorelementes 20. Das heißt, der Strom wird im wesentlichen ausschließlich über den Leitungsspalt Y geführt und an den Elektroden wird ein relativ stabiler Bereich geringer Spannung, verglichen mit dem bei einem Widerstand erhältlichen, aufrechterhalten. Sollte jedoch die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode weiter ansteigen, wie dies bei einem Hochleistungsstoß der Fall srin kann, der eine Stromleitung über die Kapazität des Leitungsspaltes an der ersten Hauptoberfläche hinaus erfordert, dann kann die Spannung über den Elektroden wieder bei einem etwas höheren Wert stabilisiert werden, der durch den Abstand X 2 zwischen der ersten Elektrode und dem Teil 45ßder zweiten Elektrode bestimmt ist. Dies wird klarer, wenn man bedenkt, daß die Breite des Leitiingsspaltes K, obwohl geringer als die Dicke X2. für die Stromleitung auf einer relativ beschränkten Fläcne des Varistorkörpers zur Verfügung steht, die benachbart oder unmittelbar unterhalb der Oberfläche des L itungsspaltes liegt und aus diesem Grunde die Möglichkeiten zur Stromleitung begrenzt sind. Im Gegensatz dazu sind die in etwas weiterem Abstand voneinander angeordnete erste Elektrode und der Teil 45ß der zweiten Elektrode in der Lage, den Strom dazwischen über einen relativ ausgedehnten Bereich durch die Hauptmasse des Varistorkörpers zu leiten. In diesem Fall kombiniert das Varistorelement 40 die sehr geringe Spannungscharakteristik des Varistorelementes 20 mit dem zusätzlichen Merkmal, wie ein konventionelles Varistorelement gemäß F i g. 1 größere Leistungen handhaben zu können, was auch einen zweiten Bereich der Spannungsstabilisierung ergibt.

Jedes der Varistorelemente 20, 30 und 40 kann in einem elektrischen Stromkreis angeordnet werden, um einen Nebenschluß für eine durch Hochspannung beschädigbare Einheit des Stromkreises zu bilden, wie dies in F i g. 5 dargestellt ist. Der Varistor isi so in dem Stromkreis angeschlossen, daß er selektiv im Verhältnis zu der Spannung an den Anschlüssen 50 und 51 Strom um die beschädigbare Einheit herumleitet Der Strom durch den Varistor wächst exponentiell mit dem Ansteigen der Spannung und dient daher der Stabilisierung der Spannung an den genannten Anschlüssen.

In Fig.6 ist ein Varistorelement 60 dargestellt Dieses Varistorelement weist einen Varistorkörper 61 mit einer ersten Hauptoberfläche 62 und einer gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche 63 auf. Mit der ersten Hauptoberfläche sind eine erste Elektrode 64, eine zweite Elektrode 65 und eine dritte Elektrode 66 verbunden. Die Elektroden sind seitlich im Abstand voneinander angeordnet, wobei die zweite Elektrode zwischen der ersten und dritten Elektrode liegt Die erste und die zweite Elektrode sind durch eine Leitungsspaltbreite Yi und die zweite Elektrode sind durch durch eine Leitungsspaltbreite Yl und die zweite und die dritte Elektrode sind durch eine Leitungsspaltbreite Y2 voneinander getrennt, welche größer ist als

ίο

die Lnitungsspaltbreite Kl. Das Varistorelement 60 hat alle Vorteile des V.irislorelementes 20 und den zusätzlichen Vorteil, daß die erste und dritte Elektrode simultan und unabhängig voneinander auf die zweite Elektrode bezogen sein können. Durch Einstellung der Anordnung der zweiten Elektrode 62 mit Bezug auf die erste und dritte Elektrode kann der Widerstand gegenüber dem Stromfluß zwischen der ersten und der zweiten Elektrode in Beziehung gesetzt werden zum Widerstand für den Stromfluß zwischen der zweiten und der dritten Elektrode, um jedes gewünschte Verhältnis dieser Widerstände zu schaffen. Für bestimmte Anwendungen können die Spaltbreiten Vl und K2 gleich groß sein.

In Fig. 7 ist ein Varistorelement 70 dargestellt, das einen Varistorkörper 71 aufweist, der identisch dem Varistorkörper 41 sein kann. Auf der ersten Hauptoberfläche 72 ist eine erste Elektrode 74 und eine zweite Elektrode 75 angeordnet, die durch die Breite des Leitungsspaltes Kvoneinander getrennt sind. Eine dritte Elektrode 76 ist mit der zweiten Hauptoberfläche 73 verbunden und von der ersten und der zweiten Elektrode durch die Dicke X2 des Varistorkörpers getrennt. Die Dicke X 2 ist größer als die Spaltbreite V. Sowohl die erste ais auch die zweite Elektrode kann in bezug gesetzt werden zu der dritten Elektrode, während diese gleichzeitig bei einem niederen Spannungsbereich in Beziehung zueinander stehen.

Eine spezifische Anwendung für das Varistorelement 70 ist in F i g. 8 darges:ellt. Es sind Stromkreisanschlüsse 80 und 81 gezeigt. Diese Anschlüsse können mit einer Reihe verwandter elektrischer Ladungs- und Energiequellen verbunden sein. Der Anodenanschluß 82 und der Kathodenanschluß 83 eines gesteuerten Siliziumgleichrichters (nachfolgend SCR genannt) 84 sind mit den Anschlüssen 80 und 81 verbunden. Der Gattanschluß 85 des SCR ist mit der Kathode einer Diode 86 und die Anode der Diode ist mit einem anderen konventionellen Triggerstromkreis 87 verbunden, der wiederum elektrisch mit den Anschlüssen 80 und 82 verbunden ist. Die erste Elektrode 74 des Varistorelementes 70 ist an dem Gattanschluß 85 angeschlossen. Die zweite Elektrode 75 des Varistorelementes ist mit dem Anodenanschluß 82 des SCR und die dritte Elektrode 76 des Varistorelementes ist mit dem Kathodenanschluß 83 des SCR verbunden.

Beim Betrieb wirkt das Varistorelement 70 als Nebenschluß zum SCR 84. Sollte sich über dem SCR ein Spannungsstoß entwickeln, würde dieser durch den Varistorkörper zwischen der zweiten Elektrode 75 und der dritten Elektrode 76 im Nebenschluß geleitet weiden. Zur gleichen Zeit ist das Varistorelement 70 auch in der Lage, eine geringere Spannung nebenzuschließen, die sich über der Diode 86 und dem konventionellen Triggerstromkreis 87 entwickeln könnte. Dies könnte z. B. eintreten, wenn eine Gegenspannung innerhalb des Sperrspannungsbereiches an den SCR gelegt werden würde, die jedoch die Sperrspannung der Diode 86 in etwa erreicht In diesem Fall wird die Diode durch die Spannungsaufnahmefähigkeit des Varistorelementes durch die Leitungsspaltbreite Y zwischen der ersten und der zweiten Elektrode geschützt Es soll weiter darauf hingewiesen werden, daß der Teil des Varistorelementes der die größte Fähigkeit zur Handhabung von Energie aufweist, dazu verwendet wird, den die Energie handhabenden Teil des Stromkreises, hauptsächlich den SCR zu schützen, während der Teil des Varistors, der nur eine geringere

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Energiehandhabungsfähigkeit hat der mit der ersten Hauptoberfläche verbundene Leitungsspalt, den Signalteil des Stromkreises schützt.

Es ist weiter darauf hinzuweisen, das exzessive Gattspannungen durch das Varistorelement 70 verhindert werden, da in diesem Fall eine Leitung zwischen den Elektroden 74 und 76 durch den Varistorkörper hindurch stattfinden kann. Für das Varistorelement 70 könnte auch das Varistorelement 60 eingesetzt werden, wobei dann die erste Elektrode 62 mit dem Gattan-Schluß 85, die zweite Elektrode 65 mit dem Anodenanschluß 82 und die dritte Elektrode 66 mit dem Kathodenanschluß 83 zu verbinden wäre.

Die Strom tragenden Fähigkeiten der erfindungsgemäßen Varistorelemente können dadurch verbessert werden, daß man die durch den Leitungsspalt Y überbrückte Distanz auf der Hauptoberfläche vergrößert, so daß dieser die maximalen Dimensionen der Hauptoberflächen überschreitet. In anderen Worten muß sich der Leitungsspait nicht linear über die Hauptoberfläche erstrecken, wie dies der Einfachheit halber im Zusammenhang mit den obigen Ausführungsformen beschrieben wurde.

Eine einfache Möglichkeit zur Vergrößerung der durch den Leitungsspalt Y durchmessenen Distanz auf der Hauptoberfläche eines erfindungsgemäßen Varistorelementes wird am besten unter Bezugnahme auf F i g. 9 erläutert. In dieser Figur ist ein Varistorelement 90 dargestellt, das eine kreisförmige erste Elektrode 91 und eine ringförmige zweMe Hek'.rode 92 aufweist, die konzentrisch zu der kreisförmigen Elektrode 91 angeordnet ist und sich von dieser durch eine Leitungsspaltbreite Y getrennt im gleichen Abstand befindet. Es ist leicht ersichtlich, daß die durch den Leitungsspalt durchmessene Distanz den äußeren Durchmesser der ringförmigen Elektrode 92 übersteigt. Auf diese Weise wird die stromführende Fläche über die hinaus vergrößert, die vorhanden wäre, wenn zwei halbkreisförmige Elektroden auf den gleichen Varistorkörper aufgebracht worden wären.

Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform für eine weitere Vergrößerung der für die Stromleitung zur Verfügung stehenden Fläche. Ein Vanstorelement 100 ist mit einer zentralen ersten Elektrode 101 versehen, welche mehrere regulär im Abstand voneinander angeordnete Finger 102 aufweist, die sich radial nach außen erstrecken. Eine äußere Elektrode 103 ist mit einer Vielzahl sich radial nach innen erstreckender im Abstand voneinander angeordneter Finger 105 versehen, die in die Finger 103 eingreifen. In dieser Anordnung ist ein variabler Abstand zwischen den inneren und äußeren Elektroden erforderlich, wenn eine gleiche Strommenge durch den Leitungsspalt geführt werden soll, da die unterschiedlichen Krümmungen der verschiedenen Teile der Finger unterschiedliche elektrisehe Feldstärken verursachen, wenn ein gleichmäßiger Abstand eingestellt ist Sofern ungleiche Belastungen auf den Fingern toleriert werden können, kann es jedoch sehr bequem sein, einen gleichen oder ungefähr gleichen Abstand zwischen den Fingern zu schaffen.

In F i g. 11 ist ein Vanstorelement 110 dargestellt, das mit einer ersten Elektrode 111 und einer zweiten Elektrode 112 versehen ist, die mit einem seitlichen Abstand auf einem darunterliegenden Varistorkörper aufgebracht sind. Die Elektroden sind so ausgebildet daß sie seitlich durch eine Minimal-Leitungsspaltbreite YZ getrennt sind, die sich bis zu einer Maxkrtal-Leitungsspaltbreite Y 4 erweitert Die Wirkung der

Variation der Leitungsspaltbreite in dieser Weise ist es, dem Varistor eiri'n etwas geringeren alpha-Wert zu vermitteln, als den, der auf Grund der Eigenschaften des Varistorkörpers zu erwarten wäre. Diese Ausführungsform ist besonders brauchbar bei Verwendung von Metalloxid-Varistoren, die Varistorkörper aufweisen mit einem alpha-Wert von mehr als 10 in einem Stromdichtenbereich von I0-³ bis 10²A/cm², um die früher verwendeten Varistoren zu ersetzen, wie Selen-Ui;d Siliziumcarbid-Varistoren, welche alpha-Werte beträchtlich unter 10 aufweisen.

In Fig. 12 ist ein Varistorelement 120 gezeigt, das eine erste Elektrode 121 und eine zweite Elektrode 122 hat. Die beiden Elektroden sind in einem seitlichen Abstand voneinander auf einem Varistorkörper angebracht, und haben zwei diskret abgestufte Entfernungen voneinander. Der linke Teil jeder Elektrode ist durch eine Leitungsspaltbreite Y5 voneinander getrennt, die geringer ist als die Leitungsspaltbrcite Y5 auf dem rechten Teil jeder Elektrode. Es wurde beobachtet, daß bei einer konstanten Gleichstrombelastung über die Elektroden eines Metalloxid-Varistors eine graduelle Vergrößerung der Spannung über die Elektroden als Folge einer Alterung auftreten kann, insbesondere wenn das Element an der oberen Grenze seiner Energiehandhabungskapazität vorgespannt ist. Bei dem Varistorelement 120 wird die Spannung zwischen den Elektroden ursprünglich durch die Leitungsspaltbreite K5 bestimmt. Wenn der Varistor beim Gebrauch altert, ist es möglich, daß die Spannung über die Spaltbreite Y5 den Spannungswert erreicht, bei dem der rechte Teil des Elementes wirksam wird. Auf diese Weise ist ein gealtertes Element gegen durchgehende Spannungen geschützt, die sich während einer Zeitdauer entwickeln, welche ein Ersetzen des Elementes gestattet, bevor ein unkontrollierter Spannungsanstieg stattfindet.

Die beschriebenen erfindungsgemäßen Varistorelemente sind frei von irgendwelchen Umhüllungen oder externen Drahtverbindungen. In der dargestellten Form können die Varistorelemente in geschützten Umgebungen ohne eine zusätzliche Umhüllung verwendet werden. Zum Beispiel könnten die Varistorel mente in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse allein oder in Kombination mit anderen elektrischen Komponenten untergebracht werden. Für die meisten Anwendungen wird es erwünscht sein, Anschlußdrähte an den Elektroden anzubringen und die Varistoren in einem dielektrischen Material einzukapseln, um den Schutz gegen in der Umgebung vorhandene Substanzen sicherzustellen, die die elektrischen Eigenschaften der Varistoren verändern könnten.

Um die Umhüllung eines erfindungsgemäßen Varistorelementes darzustellen, ist das in Fig. 3 gezeigte Vanstorelement 30 in Fig. 13 als verpackter Varistor 130 abgebildet Die Elemente des Varistors 130, die denen des Varistorelementes 30 entsprechen, sind mit gleichen Bezugszahlen versehen und werden nicht nochmals beschrieben. Die Anschlußdrähte 134 und 135 sind mit geringer Impedanz an die Elektroden 34 und 35 angelötet oder in anderer geeigneter Weise daran befestigt Ein im wesentlichen undurchlässiger dielektrischer Körper 136, der vorzugsweise aus einem dielektrischen Glas einer Art geformt ist, die üblicherweise Γλγ die Passivierung und/oder die Umhüllung von Halbleiterelementen verwendet wird, liegt, wie dirges'eilt, über dem Leitungsspalt und den benachbarten Kanten der Elektroden 34 und 35. Weil die Leitungseigenschaften des Varistors am meisten durch die

Leituiigseigenschaften an oder nahe seiner Oberfläche entlang dem Leitungsspalt beeinflußt werden, sollte dieser Bereich maximal geschützt werden. Fs wird darauf hingewiesen, daß dieser Zusammenhang in direktem Gegensatz zu dem des bekannten Varstorelementes 1 in Fig. I steht, bei dem die Leitung durch die Masse des Varistorkörpers 3 erfolgt.

Voraussichtlich wird für viele Anwendungen die einzige erforderliche oder erwünschte Schutzumhüllung für den Varistor der den Leitungsspalt bedeckende dielektrische Körper 136 sein. Für allgemeinere Anwendungen jedoch ist es normalerweise erwünscht, daß ein zusätzlicher dielektrischer Überzug 137, der die Form einer üblichen Kunststoff- oder Glaszusammen-

Setzung für die Halbleiterumhüllung haben kann, dazu verwendet wird, die verbleibenden äußeren Oberflächen des Varisiorkörpprs zu bedecken und gegebenenfalls auch .-,eine Elektroden. Es wird weiter erwartet, daß das 7"ir Umhüllung verwendete dielektrische Material 137 allein verwendet werden kann, wobei man den dielektrischen Körper 136 spart. Wie dargestellt, bedeckt die dielektrische Umhüllung 137 zusammen mit dem dielektrischen Substrat 36 die äußeren Oberflächen des Varistorkörpers vollständig. Wenn der Varistor kein dielektrisches Substrat aufweist, dann dürfte es vorteilhaft sein, wenn das Umhülluncsdielcktrikum 137 den Varistorkörper vollständig umgibt und gegebenenfalls auch die daran befestigten Elektroden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Metalloxid-Varistorelement aus einem Metalloxid-Varistorkörper mit einem alpha-Wert von mehr als 10 im Stromdichtenbereich von 10~³ bis 10² A/cm² und einer ersten sowie einer zweiten Hauptoberfläche, wobei die zweite Hauptoberfläche im Abstand von der ersten Hauptoberfläche liegt, und mit mindestens einer ersten sowie einer zweiten ι ο Elektrode auf dem Körper, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (24) und die zweite Elektrode (25) mit ohmschen Kontakt an der gleichen Hauptoberfläche (22) angebracht sind und einen seitlichen Abstand voneinander haben, der '5 einen Leitungsspalt (Y) zwischen ihnen auf der genannten Hauptoberfläche bildet, dessen Minimalbreite einerseits geringer ist als die senkrecht zur genannten Hauptoberfläche gemessene Dicke des Varistorkörpers (21), andererseits aber noch so groß ist, daß Cf>c den gewünschten Spannungswert die Durchschlagsfeldstärke nicht überschritten wird.

2. Varistorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (45) mit einem Teil (45B) auch mit der zweiten Hauptoberfläehe (43) in ohmschem Kontakt steht

3. Varistorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Elektrode (66) in ohmschem Kontakt mit der ersten Hauptoberfläche (62) liegt, wobei die dritte Elektrode (66) mit einem seitlichen Abstand zu der zweiten Elektrode (65) angeordnet ist und durch die zweite Elektrode seitlich von der ersten Elek^ode (64) getrennt ist und die zweite (65) und die dritte (66) Elektrode einen Leitungsspalt (Y2) zwisrhen sich bilden, der & sich auf der ersten Hauptoberfläche (62) befindet.

4. Varistorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Leitungsspalt (Y) zwischen der ersten (91) und der zweiten Elektrode (92) entlang der ersten Hauptoberfläche auf einer Distanz erstreckt, welche die maximale Dimension der ersten Hauptoberfläche übersteigt

5. Varistorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die benachbarten Kanten der ersten (Ul) und der zweiten Elektrode (112) so ausgebildet sind, daß dazwischen eine beabsichtigte unterschiedliche Leitungsspaltbrette (YZ- Y4) vorhanden ist.

6. Varistorelement nach Anspruch 5, dadurch ^ä0 gekennzeichnet, daß die benachbarten Kanten der ersten (111) und der zweiten Elektrode (112) progressiv auseinanderlaufen und so eine entsprechende Vergrößerung der Leitungsspaltbreite (Y3— YA) entlang der ersten

verursachen.

7. Varistorelement nach Anspruch 3 und 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungsspalt (Y2) auf der ersten Hauptoberfläche (62) eine Minimalbis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Kanten der ersten (24) und der zweiten Elektrode (25) im wesentlichen parallel verlaufen,

to. Varistorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Kanten der ersten (121) und der zweiten Elektrode (122) in abgestuften Teilstücken verlaufen, von denen mindestens eines im wesentlichen parallel ist

11. Varistorelement nach Anspruch 1, ? oder 5, dadurch gekennzeichnet daß die zweite Elektrode (92) die erste Elektrode (91) mit einem seitlichen Abstand umgibt und so den in Anspruch 1 genannten Leitungsspalt (1[J bildet

12. Varistoreleraent nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß es eine dritte Elektrode (76) aufweist die in ohmschen Kontakt mit der zweiten Hauptoberfläche (73) liegt.

13. Varistorelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß eine Einrichtung (45Q) vorhanden ist weiche die zweite (45AJ und die dritte Elektrode (455; leitend miteinander verbindet

14. Varistorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß es ein Dielektrikum (136) umfaßt das entlang dem Leitungsspalt (Y) auf dem Varistorkorper (31) liegt, und das im Zusammenwirken mit den benachbarten Kanten der ersten (34) und der zweiten Elektrode (35) das Varistorelement gegen Änderung seiner elektrischen Eigenschaften schützt

15. Varistorelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material (36, 136,137) und die Elektroden (34,35) zusammen den Varistorkörper (31) vollständig einhüllen.

16. Varistorelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß er weiter eine Umhüllung (137) aufweist, die mit dem dielektrischen Material (36, 136) und den Elektroden (34, 35) zusammen den Varistorkörper (31) einhüllt.

17. Varistorelement nach einem der Ansprüche 1 — 13, dadurch gekennzeichnet daß der Varistorkörper die Form eines Substrates (21,31,41,61, 71) aufweist