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WiderstandskörperausHalbleiterstoffen.
Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten und hohem Widerstand bei Raumtemperatur haben in der Technik ein weites Anwendungsgebiet gefunden. Sie zeigen im allgemeinen den in der Fig. 1 dargestellten Stromspannungsverlauf mit dem an den Enden des Widerstandes auftretenden Spannungsabfall E bei veränderlicher Strombelastung J. Der Spannungsabfall steigt mit wachsender Strombelastung zunächst bis zum Punkt, 1 an. Er bleibt dann ganz oder nahezu unveränderlich und steigt schliesslich vom Punkt B wieder mit der Belastung.
Durch Versuche wurde festgestellt, dass bei Widerstandskörpern, deren Widerstand bei Raumtemperatur mehr als l Ohm für den Leiter von 1 c2 Querschnitt und 1 cm Länge beträgt, durch geeignete Beeinflussung der Temperaturverhältnisse der zwischen den Punkten. 1 und B liegende Teil des Stromspannungsverlaufs so geändert werden kann, dass der Spannungsabfall am Widerstand mit steigender Strombelastung sinkt, vgl. Fig. 2. Zweckmässig wird diese fallende Kennlinie dadurch erreicht, dass im Betriebe des Widerstandskörpers seine Wärmeabgabe, Wärmezufuhr und Wärmeentwicklung so beeinflusst werden, dass im Widerstandskörper ein in Richtung des Stromflusses oder entgegengesetzt dazu verlaufendes Temperaturgefälle erzeugt wird.
Dieses Temperaturgefälle kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass der Widerstand nicht überall den gleichen leitenden Querschnitt oder die gleiche Wärmeableitung erhält.
Die Widerstände mit fallender Kennlinie können aus Halbleiterstoffen mit vorwiegender Elektronen- leitfähigkeit hergestellt werden. Von den Metalloxyden sind z. B. die Oxyde von Cu, Ag, Zn, Hg, Tl, Si, Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb. Ta, Bi, Cr. Mo, W, I", Mn, Re, Fe, Co, Ni und von den Sulfiden, Seleniden und Telluriden z. B. die des Ag, Zn, Cd, Hg. Tl, Sn, Bi, Cr, U, Mn geeignet. Unter den genannten Stoffen sind wegen der Unveränderlichkeit der elektrischen Eigenschaften auch über lange Zeit der Beanspruchung und wegen der günstig liegenden spezifischen Widerstände besonders vorteilhaft die Uranoxyde, insbesondere das Urandioxyd, UO2.
Da die Steilheit der negativen Kennlinie bei sonst gleichen Bedingungen um so grösser ist, je grösser der spezifische Widerstand des Halbleiterstoffes ist, und da weiterhin der spezifische Widerstand ein und desselben Halbleiterstoffes abhängig ist von einer nur sehr geringen Abweichung des Metalloidgehaltes gegenüber der berechneten stöchiometrischen Zusammensetzung, so ist es zweckmässig, den Metalloidgehalt der Verbindung so zu wählen, dass der spezifische Widerstand so gross wie möglich ist.
Da die fallende Kennlinie von dem Kaltwiderstand der benutzten Halbleiterstoffe abhängt und es anderseits bei sehr hohem spezifischen Widerstand ohne zusätzliche Heizung nicht mehr möglich ist. auf dem fallenden Teil der Kennlinie zu arbeiten. wählt man vorteilhaft einen mittleren Widerstandwert.
Es sind daher unter den Halbleiterstoffen mit höherem spezifischen Widerstand besonders diejenigen geeignet, deren spezifischer Widerstand zwischen 103 und 106 Ohm für dpn Leiter von 1 cm2 Querschnitt und 1 cm Länge liegt. In diesen Bereich fallen insbesondere Kobaltoxyd und Nickeloxyd. Die Widerstandswerte der genannten Stoffe sind stark vom Sauerstoffgehalt abhängig. Um günstige Werte zu erhalten, ist das folgende Verfahren zweckmässig : Man erhitzt den \usgangswerkstoff oder den daraus mit oder ohne Bindemittel geformten Körper in der Luftleere, in einem reduzierenden Gas oder in strömendem, nicht angreifendem Gas. Er gibt dabei Sauerstoff ab. so dass er weniger Sauerstoff enthält
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der Oxyde CoO und NiO heranzugehen.
Die Widerstandskörper werden durch Aux'sinters von Metallpulver mit Stromzuführungselektroden versehen. Durch Einschliessen in ein Glasgefäss oder in anderer Weise wird der Widerstandskörper gegen die Sauerstoffaufnahme im Betriebe geschützt. Das Gefäss kann luftleer oder mit einem reduzierdenden oder nicht angreifenden Gase gefüllt sein.
Die Widerstandskörper können je nach dem Verwendungszweck die Form von Stäben, Röhren, Scheiben od. dgl. erhalten, wobei die Stromzuführungen wenigstens an einer Seite eine gute Wärmeableitung gewährleisten müssen. In den Fig. 3 bis 16 sind einige einfache Ausführungsbeispiele für Widerstandskörper nach der Erfindung dargestellt.
Die Fig. 3 zeigt einen stabförmigen Widerstandskörper 1, der an seinen beiden Enden von sehr starken, gut wärmeableitenden Stützen und Stromzuführungen 2 und 3 gehalten wird. Diese Stützen sind zweckmässig aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit und geringer spezifischer Wärme, z. B. Cu oder W, hergestellt. Die Stützen ermöglichen eine starke Kühlung der Enden bei geringem Wärmeverlust der Mitte, so dass in einfacher Weise ein starkes Temperaturgefälle erzeugt wird. In der Fig. 4 sind an den Enden des Widerstandskörpers 1 Kühlfahnen 4 und 5 vorgesehen. Diese Kühlfahnen können auch gleichzeitig mit den wärmeableitenden Stützen benutzt werden (vgl.
Fig. 5) ; ähnliche Wirkungen hat ein gut wärmestrahlender Überzug an den Enden des Widerstandes.
Zur Erzeugung des Temperaturgefälles kann auch der Wärmeverlust der Mitte des Stabes herabgesetzt werden. In der Fig. 6 ist dies mit Hilfe des Strahlungssehirmes 6 erreicht worden. Das Temperaturgefälle wird ferner durch die gleichzeitige Anwendung der wärmeabführenden Stützen 2 und 3 verstärkt.
Es ist auch möglich, noch Kühlfahnen anzuwenden. Durch Schwärzung oder Aufrauhung der Kühlfahnen wird eine noch stärkere Wirkung erzielt. Eine isolierende oder wenig strahlende Schicht 7, wie sie in der Fig. 7 dargestellt ist, setzt ebenfalls die Wärmeverluste herab und wird daher mit Vorteil an den geeigneten Stellen vorgesehen. Sie kann zusammen mit einem Strahlungsschirm, mit wärmeableitenden Stützen oder mit den Kühlfahnen benutzt werden. Eine wärmeisolierende Schicht wird vorteilhaft so ausgebildet, dass ihre Stärke nach den Enden zu abnimmt. In manchen Fällen kann jedoch auch eine plötzliche Änderung der Dicke Vorteile bieten.
Die Fig. 8 zeigt einen Widerstandsstab mit einem durchlöcherten Strahlungsschirm 8, dessen Durchbohrungen nach dem Rande zu derart zunehmen, dass ein allmähliches Temperaturgefälle zu den Enden des Widerstandskörpers erreicht wird.
In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, das Temperaturgefälle nicht von der Mitte aus nach beiden Enden hin abfallen zu lassen, sondern das eine Ende des Widerstandskörpers warm zu halten und das andere zu kühlen. Die Fig. 9 zeigt eine einfache Ausführung dieser Art, bei der das zu kühlende Ende des Widerstandskörpers 1 an den wärmeableitenden Träger 2 angeschlossen ist, während an dem andern Ende die Stromzuführung über eine dünne Feder oder Wendel 9 erfolgt. Die Wärmeabgabe des gekühlten Endes kann naturgemäss noch durch Kühlflügel und durch Schwärzung erhöht werden.
Es ist auch möglich, die Temperatur des warm gehaltenen Endes durch isolierende Überzüge zu erhöhen.
Die Fig. 10 zeigt eine Ausführung, bei der zusätzlich noch ein Strahlungsschirm 10 um das heisse Ende des Widerstandskörpers 1 herum vorgesehen ist. Dieser Strahlungsschirm ist wiederum so ausgebildet, dass er vermöge der nach dem Ende hin zunehmenden Durchlöcherung einen allmählichen Temperatur- Übergang schafft.
Ganz besondere Vorteile bietet die Ausbildung der Widerstandskörper als flache Scheiben, die radial vom Strom durchflossen werden. Die Zusammendrängung der Stromlinien in der Mitte schafft im Zusammenhang mit der kleinen wärmeabstrahlenden Oberfläche an dieser Stelle in Verbindung mit einer gut wärme ableitenden Stromzuführung 12 an der Aussenfläche ein sehr starkes Temperaturgefälle, siehe Fig. 11. Die Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Widerstandsseheibe 11 mit einer Strom-
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die Dicke der Widerstandsscheibe von innen nach aussen zunehmen zu lassen. Der Widerstandskörper kann auch die Gestalt eines Rohres mit aussen und innen liegenden Elektroden erhalten.
Auch bei stabförmigen Widerstandskörpern ist es möglich, eine Zusammendrängung der Stromlinien an einzelnen Stellen zu erreichen, um damit ein Temperaturgefälle zu erzielen. Die Fig. 14 zeigt einen Widerstandskörper, der aus einzelnen Scheiben mit verschiedenem Durchmesser zusammengesetzt ist. Dieser Widerstandskörper ist vor allem für hohe Strombelastungen geeignet. Um eine gleichmässige Verteilung der Stromlinien in den einzelnen Widerstandsscheiben zu erreichen, ist es vorteilhaft, an den Grenzflächen aufgesinterte Metallüberzüge vorzusehen. Die Fig. 15 zeigt einen ähnlichen Widerstandskörper, bei dem der Querschnitt jedoch von den Enden nach der Mitte zu stetig abnimmt. In der Fig. 16 ist ein Widerstandskörper dargestellt, bei dem der Querschnitt sich von einem zum andern Ende ändert.
Es ist selbstverständlich, dass die an einem Ausführungsbeispiel dargestellten einzelnen Hilfsmittel in beliebiger Weise mit Hilfsmitteln der andern Ausführungsbeispiele verbunden werden können, um verstärkte oder veränderte Wirkungen zu erzielen. Auch können vielerlei Änderungen an den einzelnen Hilfsmitteln vorgenommen werden. Die in den Fig. 9 und 10 dargestellten Wendeln können z. B.
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auch als Doppelwendeln ausgebildet werden. Der Strahlullgsschirm 8 in der Fig. 8 kann in der Mitte völlig lochfrei bleiben. Die Stromzuführungen zu den heiss bleibenden Enden können im Bedarfsfalle so bemessen werden, dass auch in ihnen bereits merkbare Joulesche Wärme frei wird.
Eine weitere Be- einflussung ist dadurch möglich, dass die Widerstandskörper in einem Gefäss mit geeigneter Gasfüllung angeordnet werden. Zur Erhöhung. der Wärmeabfuhr wird man das Gefäss zweckmässig mit Wasserstoff und zur Erniedrigung der Wärmeabfuhr mit Argon füllen. Bei senkrechter Anordnung in Anlehnung an Fig. 10 wird ausserdem durch die Strömung des heissen Gases oder der heissen Luft die Ausbildung des Temperaturgefälles unterstützt. Bei grossen Widerstandskörpern wird man eine einseitige oder zweiseitige Pressluft-, Wasser-oder Olkühlung oder eine zusätzliche Heizung vorsehen.
Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten werden oft parallel zu dem Verbraucher geschaltet, an dem die Spannung bei wechselnder Netzspannung unveränderlich gehalten werden soll.
Selbstverständlich können diese Widerstände auch bei gleicher Wirkung mit dem Verbraucher hintereinander geschaltet werden, wenn die Betriebsspannung unveränderlich oder annähernd unveränderlich ist, jedoch durch den Verbraucher Stromschwankungen hervorgerufen werden. Als Beispiel sei genannt die Anwendung dieser Widerstände in der bekannten Audionschaltung bei Verstärkergeräten, vgl. Fig. 17.
Trotz der beim Audion häufig schwankenden Anodenlast bleibt bei unveränderlicher oder annähernd unveränderlicher Anodenspannung die durch den Halbleiterstand 1 willkürlich verminderte Anodenspannung unveränderlich. Ein besonderer Vorteil der Widerstände ist bei dieser Schaltung noch dadurch gegeben, dass in diesem Fall die Einstellung des Abstimmkreises mit der Rückkopplung mechanisch fest gekoppelt werden kann. Man erhält dadurch auch bei billigen Geräten eine Einknopfbedienung.
Auch z. B. in Richtverstärkerschaltungen, bei denen Wert auf eine unveränderliche Gittervorspannung gelegt wird, kann ein solcher Halbleiterwiderstand für sich oder in Verbindung mit einem andern Ohmsehen Widerstand als Schalteinheit im Anodenkreis Anwendung finden.
Eine fallende Kennlinie der Widerstände ermöglicht es in der dargestellten Audionsehaltung, neben den angegebenen Vorteilen auch einen Schwundausgleich und die selbsttätige Lautstärkerregelung zu erreichen. Legt man z. B. bei normaler Hochfrequenz-Amplitude den Arbeitspunkt auf den fallenden Abschnitt der Kennlinie (Fig. 2) und steigt dann der Anodenstrom infolge von Schwunderscheinungen, so wandert der Arbeitspunkt auf den Punkt B zu. Da mit unveränderlicher oder annähernd unveränderlicher Betriebsspannung gearbeitet wird, so steigt damit die am Rohr liegende Anodenspannung. Hiemit ist ein Anziehen der Rückkopplung verbunden. Es wird also bei sinkender Hochfrequenzenergie ein grosser Rückkopplungsgrad und damit eine höhere Verstärkung erreicht.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Widerstandskörper aus Halbleiterstoffen mit vorwiegender Elektronenleitfähigkeit, bestehend aus den Oxyden. Sulfiden, Seleniden oder Telluriden von Metallen, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand grösser als 1 Ohm für den Leiter von 1 cm2 Querschnitt und 1 cm Länge bei Raumtemperatur ist und dass durch geeignete Beeinflussung seiner Wärmeabgabe, der Wärmezufuhr oder der Wärmeentwicklung die Stromspannungskennlinie derart beeinflusst ist, dass der Widerstand des Körpers über einen wesentlichen Bereich mehr als umgekehrt proportional zum Strom fällt.