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Dokumentenidentifikation DE69636245T2 12.04.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000784859
Titel MEHRELEMENT-PTC-WIDERSTAND
Anmelder BC Components Holdings B.V., Eindhoven, NL
Erfinder VEKEMAN, Guy Oscar Antoine, B-9000 Gent, BE
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Aktenzeichen 69636245
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 29.07.1996
EP-Aktenzeichen 969230218
WO-Anmeldetag 29.07.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/IB96/00757
WO-Veröffentlichungsnummer 1997006537
WO-Veröffentlichungsdatum 20.02.1997
EP-Offenlegungsdatum 23.07.1997
EP date of grant 14.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse H01C 7/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Zweipolwiderstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands (PTC).

Eine solche Vorrichtung weist einen Körper aus einem Material auf, dessen elektrischer spezifischer Widerstand als Funktion der Temperatur zunimmt. Diese Eigenschaft setzt eine natürliche Obergrenze für den elektrischen Strom, der durch den Körper geschickt werden kann, da die ohmsche Erwärmung, die mit dem Stromfluß verbunden ist, eine Zunahme des elektrischen Widerstands des Körpers bewirkt, mit einer damit verbundenen Verminderung der Leitfähigkeit. Folglich eignen sich PTC-Widerstände für eine Anwendung in zum Beispiel Überlastungsschutzvorrichtungen und (selbstrücksetzenden) elektrischen Sicherungen; zusätzlich können sie als kompakte elektrische Heizelemente verwendet werden.

Eine wichtige Anwendung von PTC-Widerständen liegt im Entmagnetisierungskreis einer Farbkathodenstrahlröhre. Eine solche Röhre ist im allgemeinen mit einer großen Spule ausgestattet (Entmagnetisierungsspule), durch die ein Wechselstrom geschickt werden kann, wodurch ein Wechselmagnetfeld erzeugt wird, das dazu dient, die Lochmaske der Röhre zu entmagnetisieren. Eine solche Entmagnetisierung reduziert wiederum Farbfehler im Röhrenbild. Im allgemeinen ist ein PTC-Widerstand mit der Entmagnetisierungsspule in Reihe geschaltet, so daß die Stärke des Stroms, der der Spule zugeführt wird, schnell von einem Anfangsmaximalwert (dem sogenannten Einschaltstrom) auf einen bedeutend niedrigeren Restwert abnimmt (der üblicherweise null ist). In der Regel ist der erhaltene Entmagnetisierungseffekt am besten, wenn die Stromamplitude in einer annähernd linearen Weise abnimmt.

PTC-Materialien, die verbreitet in der Technik verwendet werden, umfassen bestimmte Halbleiterkeramikzusammensetzungen (wie dotiertes BaTiO3) und Polymere (z.B. eine Mischung aus Polyethen mit hoher Dichte, Ethencopolymer und Ruß: siehe das US-Patent US 4,315,237). In einem typischen PTC-Widerstand ist ein scheibenförmiger Körper eines solchen Materials auf jeder seiner beiden Hauptoberflächen mit einer Elektrodenschicht versehen, auf die anschließend ein metallischer Anschluß gelötet wird; siehe zum Beispiel die US-Patente US 3,824,328 und US 5,142,267. Ein solcher scheibenförmiger Widerstand zeigt bei jeder gegebenen Temperatur einen charakteristischen Widerstand R, dessen Wert eine Obergrenze für den erhältlichen Stromfluß durch den Widerstand bei der Temperatur setzt, wodurch die Eignung des Widerstands für bestimmte Anwendungen eingeschränkt wird. Insbesondere begrenzt der Raumtemperaturwiderstand des Widerstands (der sogenannte Kaltwiderstand R25) den Wert des Einschaltstroms.

Eine Anzahl jüngster Trends in der Fernsehindustrie erfordern die Entwicklung von PTCs mit höheren Einschaltströmen und einer langsameren Stromabnahme. Solche Trends umfassen:

  • – Die zunehmende Popularität des 16:9 Bildschirmseitenverhältnisses;
  • – Die Entwicklung von PAL- und NTSC-Normen weg und zum Beispiel zu D2MAC hin;
  • – Die Einführung von HDTV, mit seiner höheren Pixeldichte und Abtastrate.

Eine einfache Weise, R (und folglich insbesondere R25) zu reduzieren, wäre es, die PTC-Scheibe dünner zu machen, wodurch die Leitfähigkeit der Scheibe in die Richtung senkrecht zu ihren Hauptoberflächen erhöht wird, und folglich der Strom i durch die Scheibe bei einer gegebenen Spannung v erhöht wird. Jedoch erhöht eine solche Maßnahme auch das Maß der ohmschen Erwärmung der Scheibe, das durch das Produkt vi bestimmt wird. Da zusätzlich das Volumen der Scheibe vermindert wird, wird auch ihre Wärmekapazität C sinken. Der kombinierte Effekt dieser letzten beiden Erscheinungen ist eine erhebliche Zunahme der Aufheizgeschwindigkeit des Widerstands, und daher eine ungünstige Reduzierung der Schaltdauer. Die erhöhte Aufheizgeschwindigkeit kann wiederum eine Beschädigung der Scheibe verursachen.

Ein alternativer Ansatz ist es, den Durchmesser der Scheibe bei einer gegebenen Dicke zu erhöhen. Dies bewirkt jedoch, daß die lateralen Gesamtabmessungen der Scheibe erheblich zunehmen, was in Hinblick auf den fortgesetzten Drang zur Miniaturisierung unerwünscht ist. Da zusätzlich die Wärmekapazität hierdurch erhöht wird, wird die Scheibe als ganzes weniger empfindlich gemacht, da eine gegebene innere ohmsche Wärmemenge nun eine kleinere Temperaturzunahme und so eine kleinere Widerstandsänderung erzeugen wird.

Noch ein anderer Ansatz ist es, den elektrischen spezifischen Widerstand des PTC-Materials in der Scheibe zu senken. Dies ist jedoch äußerst schwierig, da die Anzahl der geeigneten PTC-Materialien, die gegenwärtig in Gebrauch sind, sehr begrenzt ist, und der zulässige Dotierungsgrad solcher Materialien (in Hinblick auf andere erforderliche Eigenschaften des endgültigen PTC-Materials, wie seine Schalttemperatur) ebenfalls sehr eingeschränkt ist.

Die Patentanmeldung GB 2 099 220 A beschreibt einen PTC-Widerstand, der aus mehreren scheibenförmigen Widerstandselementen besteht, die in einem Stapel angeordnet und gehalten werden, in dem jedes Widerstandselement zwei gegenüberliegend angeordnete Hauptflächen aufweist, ein Metallarm zwischen benachbarten Widerstandselementen angeordnet ist und durch Lötung mit einer Hauptoberfläche jedes Elements im Paar elektrisch verbunden ist, ein Metallarm mit der abschließenden Hauptoberfläche an jedem Ende des Stapels elektrisch verbunden ist und ein Teil jedes Metallarmes nach außen über die Begrenzung des Stapels hinaus vorsteht.

DE-A-42 30 848 offenbart einen Mehrfach-PTC-Widerstand mit einer Vielzahl von zwei sich gegenüberliegenden Vorderseiten, die mit metallischen Kontakten verbunden sind, der parallel geschaltete einzelne PTC-Widerstandsscheiben zeigt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Zweipol-PTC-Widerstand bereitzustellen, dessen Kaltwiderstand R25 erheblich niedriger als jener von herkömmlichen PTC-Widerständen mit annähernd denselben Abmessungen ist. Zusätzlich ist es eine Aufgabe der Erfindung, daß die Wärmekapazität des erfinderischen PTC-Widerstands in derselben Größenordnung wie jener eines herkömmlichen PTC-Widerstands mit annähernd denselben Abmessungen liegt. Es ist außerdem eine Aufgabe der Erfindung, daß die Gestaltung des neuen PTC-Widerstands ihn in einem hohen Maße auf die genauen individuellen Anforderungen verschiedener Anwendungen zuschneidbar machen sollte.

Diese und andere Aufgaben werden in einem Zweipolwiderstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands gelöst, der durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist. Der Widerstand besteht aus mehreren scheibenförmigen Widerstandselementen, die in einem Stapel angeordnet und gehalten werden, wodurch:

  • – jedes Widerstandselement zwei gegenüberliegend angeordnete metallisierte Hauptflächen aufweist, von denen jede im wesentlichen in ihrer Gesamtheit metallisiert ist;
  • – ein Metallarm zwischen benachbarten Widerstandselementen angeordnet ist, und an eine Hauptoberfläche jedes Elements im Paar gelötet ist, um eine elektrische Verbindung zu bilden,
  • – ein Metallarm an die abschließende Hauptoberfläche an jedem Ende des Stapels gelötet ist;
  • – ein Teil jedes Metallarmes nach außen über die Begrenzung des Stapels hinaus vorsteht;
  • – die vorstehenden Teile der Metallarme mit einer geraden Ordnungszahl steif mit einem ersten Anschluß verbunden sind, und die vorstehenden Teile der Metallarme mit einer ungeraden Ordnungszahl starr mit dem zweiten Anschluß verbunden sind.

Der Ausdruck „scheibenförmig", wie er hier eingesetzt wird, sollte nicht so interpretiert werden, daß er sich ausschließliche auf kreisförmig-zylindrische Körper bezieht; vielmehr ist der Ausdruck dazu bestimmt, jede dreidimensionale geometrische Form mit zwei gegenüberliegend angeordneten Hauptoberflächen einzuschließen, unabhängig von der Form ihrer Umfänge. Beispiele solcher Formen umfassen rechteckige Blöcke, polygonale Scheiben, Parallelepipede usw. Die Bestimmung, daß jede Hauptoberfläche „im wesentlichen in ihrer Gesamtheit" metallisiert sein sollte, sollte hier so interpretiert werden, daß sie bedeutet, daß der metallisierte Anteil jeder Hauptoberfläche mindestens 90%, vorzugsweise über 95% und idealerweise 100 (oder einen Wert nahe daran) des Oberflächenbereichs der betroffenen Hauptoberfläche ausmacht. Der Grund für diese Bestimmung wird später erläutert.

Die einzelnen scheibenförmigen Widerstandselemente im erfinderischen PTC-Widerstand sind elektrisch in einer Parallelkonfiguration verbunden. Wenn vorausgesetzt wird, daß diese Konfiguration eine Vielzahl n identischer kreisförmiger Widerstandselemente enthält, von denen jedes einen Radius r und eine Dicke t/n aufweist, dann wird der resultierende Widerstand des Stapels R/n2 betragen, wobei R der Widerstand eines einzelnen scheibenförmigen Körpers desselben Materials ist, der einen Radius r und eine Dicke t aufweist; der erfindungsgemäße PTC-Widerstand zeigt daher einen drastisch niedrigeren elektrischen Widerstand als ein monolithischer PTC-Widerstand mit annähernd denselben Gesamtabmessungen. Andererseits beträgt das Volumen des PTC-Materials im erfinderischen Widerstand n × (&pgr;r2 × t/n) = &pgr;r2t, das dasselbe wie das Volumen des monolithischen PTC-Widerstands ist; folglich ist die Wärmekapazität des erfinderischen PTC-Widerstands annähernd dieselbe wie jene des monolithischen Widerstands. Da jedoch der erfinderische PTC-Widerstand in mehrere verhältnismäßig dünne Scheiben unterteilt ist, leitet er die ohmsche Wärme effizienter als ein monolithischer Widerstand ab.

Da der erfinderische PTC-Widerstand insbesondere aus mehreren getrennten Widerstandselementen besteht, können seine physikalischen Eigenschaften durch eine geeignete Wahl der Dicke und Materialzusammensetzung (z.B. des Grads und der Art der Dotierung) jedes einzelnen Widerstandselements im Stapel genau auf die besonderen Anforderungen einer gegebenen Anwendung zugeschnitten werden. Indem zum Beispiel die Widerstandselemente so ausgeführt werden, daß sie aufeinanderfolgende höhere Schalttemperaturen (Curietemperaturen) und elektrische spezifische Widerstände aufweisen, wird die Stromabnahme im erfinderischen PTC weiter ausgedehnt. Dies wird durch die Tatsache bewirkt, daß wenn das erste Widerstandselement hochohmig wird, es immer noch einen niederohmigen Nebenschluß darum gibt, der in einem späteren Stadium (höhere Temperatur) hochohmig werden wird. Wenn dieser Nebenschluß aus mehr als einem Widerstandselement besteht, dann kann die Stromabnahme durch den gesamten Stapel erheblich ausgedehnt werden.

In dieser Hinsicht ist eine besonders einfache und attraktive Ausführungsform des erfindungsgemäßen Widerstands dadurch gekennzeichnet, daß sie nur zwei Widerstandselemente enthält, von denen eines sowohl einen höheren elektrischen spezifischen Widerstand als auch eine höhere Schalttemperatur als das andere aufweist. Eine solche Ausführungsform sollte nicht mit einem sogenannten „Duo-PTC" verwechselt werden, der aus einem in Reihe geschalteten Paar PTC-Widerstandselementen mit drei Anschlüssen besteht, wie zum Beispiel im US-Patent US 4,357,590 beschrieben.

In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Widerstands bestehen die Widerstandselemente vorherrschend aus (Ba:Sr:Pb)TiO3, mit dem zusätzlichen Vorhandensein von mindestens einer Donator-Dotiersubstanz und mindestens einer Akzeptor-Dotiersubstanz. Verglichen mit bekannten PTC-Polymeren, sind solche Keramikmaterialien leichter zu metallisieren, und sie sind bei den verhältnismäßig hohen Betriebstemperatureigenschaften von PTC-Widerständen (die häufig in der Größenordnung von 150–200°C liegen) weniger anfällig gegenüber einer thermischen Deformation. Geeignete Donator-Dotiersubstanzen umfassen zum Beispiel Sb, Nb, Y und viele der Lanthanide; andererseits ist Mn eine exemplarische Akzeptor-Dotiersubstanz. In einer besonders zufriedenstellenden Ausführungsform, die durch die Erfinder hergestellt wurde, wurden Antimonoxid (Donator) und Manganoxid (Akzeptor) in einem Verhältnis von 3:1 und in einer Summenmenge von weniger als 1 Mol-% eingesetzt. Die Einstellbarkeit des Atomverhältnisses Ba:Sr:Pb ermöglicht es, daß der elektrische spezifische Widerstand und die Schalttemperatur der einzelnen Widerstandselemente auf die besonderen Anforderungen zugeschnitten werden, wodurch es ermöglicht wird, daß unterschiedliche Widerstandselemente im Stapel sich gegenseitig unterscheidende physikalische Eigenschaften aufweisen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfinderischen PTC-Widerstands ist dadurch gekennzeichnet, daß jede Hauptoberfläche mit einem Metall metallisiert ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Ag, Zn, Ni, Cr und ihren Legierungen besteht. Diese Metalle zeigen gute Hafteigenschaften, insbesondere, wenn sie auf die Klasse von Materialien aufgebracht werden, die im vorhergehenden Abschnitt erläutert werden, jedoch auch, wenn sie auf andere Keramikzusammensetzungen und Polymer-PTC-Materialien aufgebracht werden. Zusätzlich zeigen sie einen verhältnismäßig niedrigen Schichtwiderstand, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine gute Lötbarkeit.

Wie in der nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 95201144.3 (PHN 15.292) erläutert, kann eine ungenügende Metallisierung der Hauptoberflächen eines Widerstandselements unterschiedliche Erwärmungseffekte im Element verursachen. Diese Effekte können wiederum mechanische Spannungen verursachen, die zur Rißbildung oder zum vollständigen Bruch des Elements führen können. Eine Metallisierung der Hauptoberflächen kann mit der Hilfe von zum Beispiel, Kathodenzerstäubungsabscheidung, Dampfabscheidung oder Laserablationsabscheidung durchgeführt werden. Jedoch wird es bevorzugt, eine Siebdruckprozedur für diesen Zweck zu verwenden, da dies im allgemeinen zu einer vollständigeren Abdeckung (100%) der Hauptoberflächen führt, ohne eine damit verbundene Metallisierung der Seitenflächen der Widerstandselemente (und der damit verbundenen Gefahr eines Kurzschlusses).

Geeignete Metalle, aus denen die Metallarme hergestellt werden können, umfassen Phosphorbronze, Zinn, rostfreien Stahl, Messing und Kupfer-Aluminium. Diese Metalle weisen einen verhältnismäßig niedrigen elektrischen spezifischen Widerstand auf, können leicht gebogen werden, wenn sie in einer Feinblechform vorliegen, und zeigen eine gute Lötbarkeit. Es ist nicht notwendig, daß alle Metallarme aus derselben Materialzusammensetzung bestehen, oder daß sie dieselbe geometrische Form oder Abmessungen aufweisen. Falls erwünscht, kann zusätzlich mehr als ein Metallarm zwischen jedem gegebenen Paar benachbarter Widerstandselemente oder an einer abschließenden Hauptoberfläche an einem Ende des Stapels eingesetzt werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Widerstands ist dadurch gekennzeichnet, daß die Metallarme unter Verwendung einer Pb-Sn-Ag-Legierung an die Hauptoberflächen schmelzgelötet sind. Ein geeignetes Beispiel einer solchen Legierung ist zum Beispiel Pb50Sn46,5Ag3,55. Ein Vorteil solcher Legierungen ist, daß sie einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt aufweisen (in der Größenordnung von 200–210°C für die angegebene Zusammensetzung), so daß sie bei den verhältnismäßig hohen Betriebstemperaturen unverwüstlich sind, die für einen PTC-Widerstand charakteristisch sind (z.B. 150–180°C). Die Schmelzlötung ist für die vorliegende Erfindung besonders geeignet, da sie es ermöglicht, daß (Teile der) die Metallarme vor dem Zusammenbau des Stapels der Widerstandselemente mit Lotlegierung überzogen werden; sobald der Stapel zusammengebaut ist, können die Widerstandselemente durch einfaches Erwärmen des ganzen Stapels in z.B. einem Ofen an Ort und Stelle gelötet werden. Dies erübrigt die Notwendigkeit eines einzelnen Zugangs zu jedem der eng beabstandeten Scheiben mit einem Lötkolben.

Wenn es gegebenenfalls erwünscht ist, kann man ein elektrisch leitfähiges Klebemittel verwenden, um die Widerstandselemente an den Metallarmen zu befestigen. Jedoch ist dies im allgemeinen kostspieligerer als Löten und erfordert ein Klebemittel, das einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt aufweist.

Die Erfindung und ihre mit ihr verbundenen Vorteile werden mit der Hilfe exemplarischer Ausführungsformen und der beigefügten schematischen Zeichnungen weiter erläutert, die nicht alle einen einheitlichen Maßstab zeigen. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines scheibenförmigen PTC-Widerstandselements, das metallisierte Hauptoberflächen aufweist;

2 eine Aufrißansicht eines erfindungsgemäßen Zweipol-PTC-Widerstands, der einen Stapel Widerstandselemente des in 1 dargestellten Typs aufweist;

3 eine perspektivische Darstellung eines metallischen Anschlusses mit vorstehenden Metallarmen, der zur Verwendung im erfinderischen PTC-Widerstand geeignet ist;

4 eine perspektivische Darstellung eines anderen metallischen Anschlusses mit vorstehenden Metallarmen, der zur Verwendung im erfinderischen PTC-Widerstand geeignet ist;

5 eine perspektivische Ansicht einer besonderen Ausführungsform des erfinderischen PTC-Widerstands;

6 eine graphische Darstellung des Stroms als Funktion der Zeit für den Gegenstand der 5, verglichen mit einem bekannten PTC-Widerstand.

Es sollte beachtet werden, daß entsprechende Merkmale in den verschiedenen Figuren durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet werden.

Ausführungsform 1

Die 1 und 2 betreffen eine besondere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zweipol-PTC-Widerstands.

1 zeigt ein scheibenförmiges Widerstandselement 1, das aus einem Material besteht, das einen positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands (PTC) zeigt. Das hier gezeigte besondere Element 1 ist kreisförmig-zylindrisch, und weist zwei gegenüberliegend angeordnete (kreisförmige) Hauptoberflächen 3 und eine (zylindrische) Seitenfläche 5 auf. Der Durchmesser der Flächen 3 beträgt 12 mm, und die Dicke des Elements 1 beträgt 1 mm.

Jede der beiden Hauptoberflächen 3 ist in ihrer Gesamtheit metallisiert, d.h. sie ist vollständig durch eine Metallschicht mit einer im wesentlichen einheitlichen Dicke bedeckt (typischerweise in der Größenordnung von 2–3 &mgr;m im Fall der aufgedampften Schichten, und 10 &mgr;m im Fall von siebgedruckten Schichten). Andererseits ist die Seitenfläche 5 im wesentlichen nicht metallisiert oder auf jeden Fall frei von jeder Metallbahn, die einen Kurzschluß der beiden Oberflächen 3 verursachen könnten.

In einer besonderen Ausführungsform besteht das Element 1 aus Ba0,85Sr0,115Pb0,035TiO3, mit dem zusätzlichen Vorhandensein von annähernd 0,24 Mol-% Sb2O3 und 0,08 Mol-% MnCO3 (vor dem Sintern). Sein spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur (25°C) beträgt annähernd 1 &OHgr;m. Ferner sind die Hauptoberflächen 3 mit einer Silberlegierung metallisiert, die annähernd 6 Gew.% Zn enthält, die mit Hilfe einer Siebdruckprozedur bereitgestellt wird (siehe zum Beispiel die oben angeführte nicht vorveröffentlichte europäische Patentanmeldung Nr. 95201144.3).

2 zeigt einen erfindungsgemäßen Zweipol-PTC-Widerstand 2. Der Widerstand 2 besteht aus einem Stapel von fünf der Widerstandselemente 1, die in 1 dargstellt werden. Es befindet sich ein Metallarm 7 zwischen jedem Paar benachbarter Widerstandselemente 1 und ist auf die benachbarte Hauptoberfläche 3 jedes Elements 1 im Paar gelötet. Zusätzlich ist ein Metallarm 7' auf die abschließende Hauptoberfläche 3' jedes Endes des Stapels gelötet, d.h. auf die oberste und unterste Hauptoberfläche in 2.

Jeder der Metallarme 7, 7' steht nach außen über die Begrenzung des Stapels, d.h. über den Umfang des benachbarten Elements 1 hinaus vor. Die vorstehenden Teile der Metallarme 7, 7' mit einer geraden Ordnungszahl n = 2,4,6 sind starr mit einem ersten Anschluß 9a verbunden, wohingegen die vorstehenden Teile der Metallarme 7, 7' mit einer ungeraden Ordnungszahl n = 1,3,5 starr mit dem zweiten Anschluß 9b verbunden sind.

Die Anschlüsse 9a, 9b können zum Beispiel als Metallstäbe oder -platten ausgeführt werden, an die die Metallarme 7, 7' gelötet sind. Alternativ kann von einer Haltestruktur Gebrauch gemacht werden, wie jener, die in den 3 und 4 dargestellt wird, wobei die Metallarme aus einem Metallblech herausgebogen sind, das dann als Anschluß dient.

Um die Oberflächemontage auf einer gedruckten Schaltung (PCB) zu erleichtern, ist eine Spitze jedes der Anschlüsse 9a, 9b nach innen gebogen worden, um jeweils einen Fuß 9a', 9b' zu bilden. Jedoch ist es auch möglich, den Widerstand 2 auf einer PCB in Löchern anzubringen, indem z.B. eine Spitze jedes der Anschlüsse 9a, 9b zu einer dünnen fingerförmigen Form verjüngt wird.

In einer besonderen Ausführungsform weisen die Metallarme 7, 7' und die Anschlüsse 9a, 9b eine Blechdicke von annähernd 0,2 mm auf, und bestehen aus einer Phosphor-Bronze-Legierung (die z.B. eine annähernde Zusammensetzung von 94 Atom-% Cu, 5,9 Atom-% Sn, 0,1 Atom-% P aufweist). Die Arme 7, 7' werden an die metallisierten Hauptoberflächen 3, 3' bei annähernd 250°C unter Verwendung einer Pb50Sn46, 5Ag3,5-Legierung schmelzgelötet. Zu diesem Zweck werden die Arme 7, 7' gemäß wohlbekannter Praxis in der Technik mit einer geschmolzenen Mischung der Lotlegierung, einer Flußmittellösung und einem Aktivator vorbeschichtet (wobei z.B. eine Bürste oder ein Rakel verwendet werden).

Setzt man voraus, daß R den elektrischen Widerstand eines zylindrischen monolithischen PTC-Widerstands mit dem Durchmesser 12 mm und der Dicke 5 mm bezeichnet, der die oben angegebene Keramikzusammensetzung aufweist, dann weist der hier beschriebene besondere erfinderische Widerstand 2 einen Widerstandswert R/(5)2 = R/25 auf. Jedoch weist ein solcher monolithischer Widerstand im wesentlichen dieselben Abmessungen wie der erfinderische Widerstand auf.

Ausführungsform 2

Die 3 und 4 zeigen andere spezifische Ausführungsformen der Haltestrukturen 4, die zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen PTC-Widerstand geeignet sind. Jede Struktur 4 wird hergestellt, indem gemäß eines spezifischen Musters Metallarme 7 aus der Ebene eines dünnen Metallblechs 9 herausgebogen werden.

Das Ausgangsprodukt zur Herstellung der Struktur 4 in 3 ist ein längliches Metallband 9, in diesem Fall ein Rechteck, das 10 mm × 3 mm mißt und eine Blechdicke von 0,3 mm aufweist. In einem ersten Herstellungsschritt werden beide Längskanten dieses Bandes 9 in eine Reihe zueinander paralleler Längsstreifen 7, d.h. längliche Streifen 7 unterteilt, deren Längsachse parallel zur langen Kante des Bandes 9 ist. Dies wird zum Beispiel mit Hilfe einer Funkenerosion oder einer Drahtsäge, einem Laserstrahl oder Wasserstrahl erreicht, wodurch schmale L-förmige Bahnen von den langen Kanten des Bandes 9 nach innen geschnitten werden. Diese L-förmigen Bahnen begrenzen rechteckige Streifen 7, von denen jeder in der Ebene des Bands 9 liegt und längs einer kurzen Kante 6 daran befestigt ist. Wie hier dargestellt wird, ist jeder der Streifen 7 rechteckig, wobei er annähernd 2,0 × 1 mm2 mißt.

In einem anschließenden Herstellungsschritt wird jeder der rechteckigen Streifen 7 aus der Ebene des Bandes 9 herausgebogen, indem er um seine Kante 6 geklappt wird. Sobald dieser Biegeschritt ausgeführt worden ist, dient jeder Streifen 7 als Metallarm, und das Band 9 dient als Anschluß (im Kontext des erfindungsgemäßen PTC-Widerstands). Selbstverständlich kann die gegenseitige Trennung und Länge der Arme 7 auf den Durchmesser und die Dicke der Widerstandselemente 1 zugeschnitten werden, die zur Verwendung im erfinderischen PTC-Widerstand 2 bestimmt sind. Entsprechend kann die Anzahl der Arme 7 auf die geplante Anzahl der Widerstandselemente 1 im Widerstand 2 zugeschnitten werden.

Wenn es gegebenenfalls erwünscht ist, kann der Anschluß 9 auf eine kompaktere Größe gestutzt werden, indem längs der Linie 8a, 8b geschnitten wird, um überschüssiges Blechmaterial zu entfernen. Zusätzlich kann der Anschluß 9 längs der Linie 10 gebogen werden, um einen Fuß 9' zu schaffen, der die Oberflächenmontage des Anschlusses 9 auf einer PCB erleichtert.

4 zeigt eine Haltestruktur 4, die sich von jener unterscheidet, die in 3 dargestellt wird. Ausgehend von demselben länglichen Metallband 9 werden die Streifen 7 nun in eine kurze Kante des Bandes in nacheinander größere Tiefen geschnitten. Jeder solche Streifen 7 wird dann aus der Ebene des Bandes 9 herausgebogen, indem er um seine Kante 6 geklappt wird, die ihn mit dem Band 9 verbindet.

Sobald dieser Biegeschritt ausgeführt worden ist, dient jeder Streifen 7 als Metallarm, und das Band 9 dient als Anschluß (im Kontext des erfindungsgemäßen PTC-Widerstands). Die verschiedenen Metallarme 7 weisen untereinander unterschiedliche Längen auf, können jedoch auf eine einheitliche Länge gekürzt werden, falls erwünscht. Zusätzlich kann der Anschluß 9 längs der Linie 10 gebogen werden, um einen Fuß 9' zu schaffen, der die Oberflächenmontage des Anschlusses 9 auf einer PCB erleichtert.

Ausführungsform 3

5 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen PTC-Widerstands 2, der zwei Widerstandselemente 1 aufweist, die in eine metallische Haltestruktur 7, 7', 9a, 9b eingeschlossen sind. Eines der Elemente 1 weist die annähernde Zusammensetzung (Ba0,74Sr0,172Pb0,042Ca0,046) TiO3 auf, was eine Curietemperatur Tc von 70°C ergibt, und das andere Element 1 weist die annähernde Zusammensetzung (Ba0,74Sr0,12Pb0,094Ca0,046) TiO3 auf, mit Tc = 95°C. Die Kaltwiderstände R25 dieser Elemente 1 betragen 20 &OHgr; bzw. 32 &OHgr;.

6 stellt graphisch den Wert eines Wechselstroms i durch den Widerstand 2 in 5 als Funktion der Zeit t dar (durchgezogene Linie), verglichen mit einem bekannten PTC-Widerstand (unterbrochene Linie). Der bekannte PTC-Widerstand ist ein Philips Typ 2322 662 96016, mit Tc = 75°C und R25 = 24 &OHgr;.

Aus der graphischen Darstellung wird sofort offenkundig, daß der erfinderische PTC-Widerstand eine größeren Einschaltstrom und eine langsamere Stromabnahme als der bekannte PTC-Widerstand aufweist.


Anspruch[de]
Zweipolwiderstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands, der mehrere scheibenförmige Widerstandselemente (1) aufweist, die in einem Stapel angeordnet und gehalten werden, in dem:

– jedes Widerstandselement zwei gegenüberliegend angeordnete metallisierte Hauptflächen (3) aufweist;

– ein Metallarm (7) zwischen benachbarten Widerstandselementen angeordnet ist, und durch Lötung mit einer Hauptoberfläche (3) jedes Elements (1) im Paar elektrisch verbunden ist;

– ein Metallarm (7') mit der abschließenden Hauptoberfläche (3) an jedem Ende des Stapels elektrisch verbunden ist;

– ein Teil jedes Metallarmes nach außen über die Begrenzung des Stapels hinaus vorsteht;

– erste und zweite Anschlüsse (9a, 9b) zu den Seitenflächen (5) der Elemente (1) weisen, ohne die Flächen zu berühren,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Anschluß (9a, 9b) ein längliches Metallband (9) aufweist, das an einer Kante in eine Anzahl von gegenseitig parallelen longitudinalen Streifen (7) unterteilt worden ist, wobei jeder Streifen (7) aus der Ebene des Bandes an einer anderen longitudinalen Position heraus gebogen ist, um einen Metallarm zu bilden, und daß der Abstand zwischen benachbarten Streifen (7, 7') an jedem Band (9) dem Abstand zwischen den Außenflächen (3) zweier benachbarter Elemente (1) im Stapel entspricht.
Zweipolwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er nur zwei Widerstandselemente (1) aufweist, von denen eines sowohl einen höheren elektrischen spezifischen Widerstand als auch eine höhere Schalttemperatur als das andere aufweist. Zweipolwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente (1) vorherrschend aus (Ba:Sr:Pb) TiO3, mit dem zusätzlichen Vorhandensein von mindestens einer Donator-Dotiersubstanz und mindestens einer Akzeptor-Dotiersubstanz bestehen. Zweipolwiderstand nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hauptoberfläche (3) mit einem Metall metallisiert ist, das aus Gruppe ausgewählt ist, die aus Ag, Zn, Ni, Cr und deren Legierungen besteht. Zweipolwiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Metallarm (7, 7') aus einem Metall besteht, das aus Gruppe ausgewählt ist, die aus Phosphor-Bronze, Zinn, rostfreiem Stahl, Messing und Kupfer-Aluminium besteht. Zweipolwiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallarme (7, 7') unter Verwendung einer Pb-Sn-Ag-Legierung an die Hauptoberflächen schmelzgelötet sind. Zweipolwiderstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er nur zwei Widerstandselemente aufweist, von denen eines sowohl einen höheren elektrischen spezifischen Widerstand als auch eine höhere Schalttemperatur als das andere aufweist.






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