DE2307322B2

DE2307322B2 - Varistor

Info

Publication number: DE2307322B2
Application number: DE2307322A
Authority: DE
Inventors: Michihiro Nishioka; Mikiya Ono; Kan-Ichi Tachibana
Original assignee: Mitsubishi Cement Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cement Co Ltd
Priority date: 1972-02-16
Filing date: 1973-02-14
Publication date: 1979-07-26
Also published as: DE2307322C3; JPS4941891A; DE2307322A1; US3795048A; FR2172134A1; JPS549294B2; FR2172134B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Varistor mit einem negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandswertes, bestehend aus mehreren, einander überlagerten, aus einem Gemisch von Eisenoxid und einem weiteren Metalloxid zusammengesetzten Sinterplättchen, die an der Kontaktfläche eine spannungsabhängige aktive Grenzschicht aufweisen und deren äußere gegenüberliegende Oberflächen mit Elektroden versehen sind, wobei der Varistor mit einem isolierenden Überzugsmaterial überzogen ist.

Allgemein läßt sich die Beziehung zwischen dem Widerstandswert R[kQ] bei T[K], dem Widerstand /?o[kn] bei 273 K und der Thermistorkonstanten B[K] eines Oxidhalbleiters durch folgende Gleichung (1) ausdrücken (vgl. Rudi Racho, Konrad Krause u.a.: Werkstoffe der Elektrotechnik, VEB Verlag Technik Berlin, 1968, Seiten 280 bis 284):

R -

Die Erfindung betrifft Werte Ro, B in einem Temperaturbereich, in welchem die Gleichung (1) anwendbar ist.

Üblicherweise verwendete nichtlineare Widerstände, welche im folgenden als Varistor bezeichnet werden, sind z. B. Siliziumkarbidvaristoren, Siliziumvaristoren, Bariumtitanatvaristoren.

Die Stromspannungskennlinie eines solchen Varistors ist durch folgende Gleichung (2) gegeben:

wobei / der in dem Varistor fließende Strom, V die Spannung über dem Varistor, Ko die den entgegengesetzten äußeren Oberflächen des Varistors bei I — Io mA zugeführte Spannung, d. h. eine Schwellwertspannung und der Exponent a. ein Index ist, welcher einen numerischen Wert größer als 1, gewöhnlich 3 — 5 hat

Siliziumvaristoren und Bariumtitanatvaristoren können beide mit geringen Abmessungen hergestellt werden, sind jedoch in der Verwendung begrenzt, weil

ίο der Wert V₀ nur 0,5 bis 1,2 V beträgt. Überdies ist es in einem solchen Varistor, welcher basierend auf der Ausnutzung des gegenseitigen Kontakts zwischen inneren Teilchen eines Sinterkörpers wie bei Siliziumkarbidvaristoren hergestellt ist, schwierig, selbst unter den gleichen Herstellungsbedingungen den Zustand des gegenseitigen Kontakts zwischen den inneren Teilchen vollständig zu beherrschen, und folglich haben die Produkte unvermeidbar unterschiedliche Kennlinien.

Ein Varistor der eingangs beschriebenen Art ist durch die US-PS 31 50 342 bekannt geworden. Die Sinterplättchen bestehen dort aus Eisenoxid und Titanoxid, und sind mit einem Silberüberzug versehen. Die nichtlinearen Eigenschaften des Varistors werden bei relativ niedrigen Spannungen durch dünne Lagen von Silbertitanat als spannungsabhängige aktive Grenzschichten hervorgerufen, welche während des Brennens auf den Oberflächen der Sinterplättchen gebildet werden.

Durch die DE-PS 4 72 109 ist ein Widerstand mit einander überlagerten Scheiben aus einem Material mit

jo hohem spezifischen Widerstand bekannt. Durch die Unebenheit der Oberflächen der Scheiben werden an der Kontaktfläche zwischen den Scheiben Spalte gebildet, über welche eine Entladung erfolgt. Hierbei nimmt das Potential zwischen den Klemmen plötzlich und diskontinuierlich ab.

Die DE-PS 6 31867 zeigt unter anderem die Verwendung von Fe₂Oj und CuO als Werkstoff für Thermistoren. Es ist weder auf die Mischungsverhältnisse dieser Bestandteile eingegangen noch sind besondere Varistoreigenschaften erwähnt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Varistor der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welcher eine besonders stabile Stromspannungskennlinie hat und einfach herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das weitere Metalloxid Kupferoxid ist, daß die Sinterplättchen aus 66 bis 34 Mol.-% Eisenoxid und 34 bis 66 Mol.-°/o Kupferoxid bestehen und eine Thermistorkonstante S[K] und einen spezifischen Widersiandswert /?o[kQ] bei 273 K haben, welcher der Beziehung B ■ R₀ S 10 000 [kn ■ K] genügt, und daß wenigstens zwei Sinterplättchen unmittelbar aneinander anliegen.

Der erfindungsgemäße Varistor beruht auf der Auswahl bestimmter Komponenten in bestimmter Zusammensetzung für die Sinterkörper und auf der bewußten Ausnutzung der Spannungsabhängigkeit der Grenzschicht an der Kontaktfläche zwischen den unmittelbar aneinander anliegenden Sinterkörpern.

bo Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

F i g. 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Varistors,

Fig. 2 eine für den erfindungsgemäßen Varistor typische Stromspannungskennlinie, und

Fig. 3 eine für einen Varistor ungeeignete Stromspannungskennlinie.

Gemäß Fig. 1 besteht der Varistor aus zwei Sinterplättchen 1, welche jeweils durch Sintern eines Thermistormaterials aus FeA und CuO derart hergestellt sind, daß das Produkt aus B[K] und Ra [kQ] nicht größer als 10 000 [IcQ K] ist, während die Elektroden , z. B. Silberelektroden, auf übliche Weise an entgegengesetzen äußeren Oberflächen der Sinterplättchen 1 angebracht sind. Die Zuleitungen S sind an den Elektroden 2 unter Verwendung von Lot 4 befestigt und die ganze Anordnung ist mit einem geeigneten Oberzugsmaterial 6 überzogen.

Das Sinterplättchen 1 kann verschiedene Formen, wie kreisförmig, quadratisch, rechteckig usw. aufweisen.

An der Oberfläche des Sinterplättchens 1, an welcher die Elektrode 2 angebracht ist, besteht keine aktive Grenzschicht. Dagegen besteht eine aktive Grenzschicht 3 an den Berührungsflächen, an welchen keine Elektroden angebracht sind. Dabei wird ein großer Widerstandswert /?2[kQ] bei geringer Spannung erzeugt So erhält man einen gewünschten Varistor mit einer besonders stabilen Slromspannungskennlinie wie in F i g. 2 gezeigt.

Da die Varistoren nach der Erfindung, wie das Beispiel zeigt, besonders stabile Stromspannungskennlinien haben, ist ihre Ausschußquote verglichen mit bisher bekannten Varistoren wesentlich geringer. Da die Varistoren Eisenoxid und Kupferoxid als Rohmaterialien verwenden, sind sie überdies auch in den Kosten vorteilhaft.

Das folgende Beispiel dient der Darstellung der Erfindung.

Beispiel

Der Sinterkörper wird auf übliche Weise hergestellt. Das Ausgangsmaterial in der in Tabelle I definierten Zusammensetzung wird in einer Topfmühle gemischt, um eine homogene Mischung zu erzeugen. Die Mischung wird in einem Trockner getrocknet und in einer Form bei einem Druck von etwa 981 bar (1000 kg/cm²) in eine Scheibe von 15 mm Durchmesser und 2 mm Dicke gepreßt. Die gepreßte Scheibe wird bei etwa 1000⁰C in Luft getrocknet und ergibt das Sinterplättchen 1. Wie oben beschrieben besteht eine aktive Grenzschicht an den Berührungsflächen der Sinterplättchen f, an welcher keine Silberelektrode anliegt. Wenn daher die Sinterplättchen 1 einander überlagern, wird ein großer Widerstandswert /?2[Ι<Ω] erzeugt. Die gemessenen Werte Ri, Vo, α des so hergestellten Varistors sind in Tabelle 1 dargestellt. In Tabelle I ist der Wert Vo eine Spannung bei / = 1 mA. Weiter sind der Widerstandswert /?o[kfi] und die Thermistorkonstante B[K des Sinterplättchens 1 auf übliche Weise gemessen, und die Werte Ro, Sund B ■ Ro sind in Tabelle I ebenfalls dargestellt.

Tabelle I

Zusammensetzung des Sinterkörpers

Fe₂O₃ (MoI.-⁰/.)	66	50	40	34
CuO (MoI.-%)	34	50	60	66
A₀ (kU)	0,5	0,1	0,04	0,01
B (⁰K)	2100	1900	1100	1500
*Ri(kil)*	130	125	125	125
MV)	19	19	19	19
*a(-)*	5	5	5	5
*B ■ R₀ (kLl°K)*	1050	190	44	15

Wie Tabelle! zeigt, sind die Werte B ■ R₀ der Sinterkörper durchweg nicht größer als 10 000 [kQ K]. Die gemessenen Werte von Varistoren, welche durch Überlagerung von zwei bis vier Plättchen des Sinterkörpers bestehend aus Fe2O3 (50 Mol.-%) und CuO (50 MoL-⁰Zb) wie in Tabelle 1 gezeigt hergestellt sind, sind in Tabelle 11 angegeben.

Tabelle II	Plättchenanzahl	3	4
	2	250	376
	125	38,5	48.0
R₂ (kl»)	19,0	4	4
K₀(V)	5
«ι α(-)

Tabelle Il zeigt, daß durch Überlagern von mehr als drei Plättchen derartiger Sinterkörper Varistoren guter Qualität mit verschiedenen Werten Vo hergestellt j-, werden können.

Zum Vergleich mit dem vorausgehenden Beispiel sind auf die gleiche Weise hergestellte Sinterkörper mit anderen Ausgangsmaterialien in Tabelle III aufgeführt.

_w Tabelle III

Zusammensetzung des Sinterkörpers

Fe₂O₃ (Mol.-%)	70	0	0	50
MnO₂ (Mol.-%)	0	70	66	0
4-, CuO (Mol.-%)	30	30	34	50
R₀ (kli)	20	20	10	6
B(⁰K)	4500	4500	6000	3500
R₂ (kli)	140	140	30	50
-,ο A₀ · ß(kU°K)	90000	90 000	60000	21000

Wie Tabelle III zeigt, sind die Werte B ■ R₀ der Sinterkörper alle größer als 10 000 [kn K]. Ein Widerstand, welcher durch Überlagern zweier Plättchen dieser Sinterkörper hergestellt wird, zeigt eine instabile Stromspannungskennlinie wie in F i g. 3 dargestellt und ist so als Varistor ungeeignet.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Varistor mit einem negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandswertes, bestehend aus mehreren, einander überlagerten, aus einem Gemisch von Eisenoxid und einem weiteren Metalloxid zusammengesetzten Sinterplättchen, die an der Kontaktfläche eine spannungsabhängige aktive Grenzschicht aufweisen und deren äußere gegenüberliegende Oberflächen mit Elektroden versehen sind, wobei der Varistor mit einem isolierenden Überzugsmaterial überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Metalloxid Kupferoxid (CuO) ist, daß die Sinterplättchen (1) aus 66 bis 34 Mol.-% Eisenoxid (Fe₂O₃) und 34 bis 66 MoL-% Kupferoxid (CuO) bestehen und eine Thernristorkonstante B [Kl und einen Widerstandswert /?b[k£2] bei 273 K haben, welcher der Beziehung B-R₀^ 10000 [kQ · K] genügt, und daß wenigstens zwei Sinterplättchen (1) unmittelbar aneinander anliegen.