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Elektrische Widerstandskörper mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes.
Elektrische Widerstandskörper mit positivem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes bestehen in der Regel aus Metallen, u. zw. vorzugsweise aus Metalldrähten. Derartige Widerstandskörper sind z. B. dort mit Vorteil anzuwenden, wo es sich darum handelt, beim Einschalten eines elektrischen Stromkreises höhere Stromstärken und damit höhere elektrische Leistungen zu haben als später im Betrieb.
Die bisher benutzten derartigen Widerstandskörper leiden an dem Übelstand, dass man, um genügend grosse Widerstandswerte zu erhalten, von verhältnismässig grossen Widerstandskörpern bzw. grossen Längen der aus Draht bestehenden Widerstände Gebrauch machen muss. Grosse Drahtlängen sind aber oft nur schwer auf geringem Raum unterzubringen.
Die Erfindung bezweckt, Widerstandskörpern mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes grosse Widerstandswerte bei kleiner Raumbeanspruchung zu geben. Dieser Zweck wird erreicht, wenn nach der Erfindung der Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten aus einem leitenden, eine Perowskitstruktur aufweisenden Erdalkalititanat besteht, dessen Sauerstoffgehalt geringer ist als derjenige, der der stöchiometrischen Zusammensetzung entspricht. Zweckmässig werden diese Körper aus Gemischen von Erdalkalimetalloxyden und Titandioxyd hergestellt und bei Temperaturen oberhalb von 14000 C unter Sauerstoff entziehenden Bedingungen gebrannt. Die Brenntemperatur liegt dabei, sofern bei der Herstellung des Körpers von Strontiumoxyd und Titandioxyd ausgegangen wird, oberhalb von 1600 C, meist zwischen 1700 C und 1800 C.
Die Zusammensetzung der erhaltenen Körper entspricht nicht der Formel SrO. Tiro, sondern der Sauerstoffgehalt ist merklich geringer. Man wird im allgemeinen die Zusammensetzung SrO. TiOx mit x = 1-95 (die letzte Stelle ist unsicher) feststellen können.
Der Temperaturkoeffizient des Widerstandes ist vergleichbar mit dem der Metalle. Wegen der besonderen Eigenschaften der benutzten Oxyde lässt sich der Widerstand aber bis zu wesentlich höheren Temperaturen ausnutzen. Der spezifische Widerstand der Körper ist etwa 1000mal so gross wie bei Metallen.
Für die Herstellung von Perowskitkörpern aus Caleiumoxyd und Titandioxyd liegt die Brenntemperatur in Wasserstoff zweckmässig zwischen 15000 C und 17500 C.
Das Gemisch von Bariumoxyd und Titandioxyd wird vorteilhaft zwischen 1450 C und 1550 C in Wasserstoff gebrannt.
Die genannten Titanate weisen nach dem reduzierenden Brennen Perowskitstruktur auf. Vielleicht ist es auch von Bedeutung, dass die benutzten Erdalkalimetalle Peroxyde bilden.
Bei einem Widerstandskörper, der aus Strontiumoxyd und Titandioxyd gebrannt war, wurden folgende Änderungen des Widerstandswertes (W) zwischen Raumtemperatur (20 C) und 400 C gemessen :
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<tb>
<tb> I <SEP> w
<tb> 200 <SEP> C <SEP> 1
<tb> 1000 <SEP> C <SEP> 1. <SEP> 3
<tb> 2000 <SEP> C <SEP> 2
<tb> 3000 <SEP> C <SEP> 2. <SEP> 9
<tb> 4000 <SEP> C <SEP> 4. <SEP> 2
<tb>
Der positive Temperaturkoeffizient wächst mit steigender Reduktion.
Bei den Widerstandskorpern, die unter Verwendung von Caleiumoxyd oder Bariumoxyd hergestellt wurden, ist der positive Temperaturkoeffizient des Widerstandes nicht so gross wie bei den Widerstandskörpern, die unter Verwendung von Strontiumoxyd hergestellt wurden.
Die Temperatur für das reduzierende Brennen ist davon abhängig, wie stark reduzierende Bedingungeii angewandt werden. Die angegebenen Temperaturen gelten für ein Brennen in handels- üblichem technischem Wasserstoff, der stets geringe Mengen von Sauerstoff und Wasserdampf enthält, die bei tieferen Temperaturen eine zum Erreichen eines positiven Temperaturkoeffizienten genügende Reduktion verhindern. Bei besonders gereinigtem Wasserstoff dürfte es möglich sein, auch bei tieferen Temperaturen zu arbeiten. Der zum Reinigen des Wasserstoffes notwendige Aufwand ist aber so gross, dass er sich nur in wenigen besonderen Fällen lohnen wird.
Zur Herstellung der Perowskite mit Strontium, Calcium oder Barium geht man zweckmässig von den Carbonaten dieser Stoffe aus.
Beim Formen bedient man sich vorteilhaft eines Bindemittels, wie Stärkekleister. Zum Verfestigen und zum Herausbrennen des Bindemittels werden die Körper im allgemeinen zunächst in Luft bei solchen Temperaturen vorgesintert, bei denen die Gemische nicht oder wenigstens nicht vollständig in salzartige Verbindungen (Titanate) übergehen. In manchen Fällen ist es notwendig, bei höheren Temperaturen, etwa zwischen 1000 C und 1200 C, vorzubrennen, beispielsweise wenn die noch nicht leitenden Körper mechanisch bearbeitet werden sollen. Dann wählt man eine solche Umgebung, die durch chemische Einwirkung eine vollständige Umwandlung der Bestandteile in Perowskit verhindert.
Bei den Carbonaten bedient man sich zweckmässig der Kohlensäure oder eines KohlensäureLuftgemisches, dessen Kohlensäureteildruck wesentlich grösser ist als der Kohlensäureteildruck in Luft, beispielsweise 20-200 mm Quecksilber. Die so vorbehandelten Körper werden dann bei den angegebenen höheren Temperaturen reduzierend gebrannt, bis die Perowskitstruktur auftritt.
Die Widerstände können aber auch ohne Verwendung von Bindemitteln und ohne Vorbrennen hergestellt werden.
Die Widerstände können in Luft benutzt werden, wenn sie durch die Stromwärme nur gering erwärmt werden. Wird die Betriebstemperatur höher, so ist es notwendig, sie gegen Luftzutritt zu schützen, damit die Oxydationsstufe der ungesättigten Oxyde nicht geändert wird. Sie werden dazu zweckmässig. in einem entlüfteten oder mit indifferentem oder reduzierendem Gas gefüllten Gefäss aus
Glas, Metall oder keramischem Werkstoff angeordnet. Will man dem Widerstandskörper einen be- sonders hohen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes geben, so erhitzt man ihn zweckmässig durch Gleich-oder Wechselstrom bei mehr als 1500 C in reinem Wasserstoff oder im Hochvakuum bei dauernd laufender Pumpe. Dieses Brennen erfolgt vorteilhaft in dem Gefäss, in dem der Widerstand auch später benutzt wird. Es ist möglich, den Wasserstoff nach dem Brennen in dem Gefäss zu belassen.
Er kann auch ausgepumpt oder durch Stickstoff, Argon oder ein anderes indifferentes Gas ersetzt werden. An Stelle eines einzigen Erdalkalititanats können auch Gemische mehrerer solcher Titanate benutzt werden. Diese Gemische haben eine besonders grosse mechanische Festigkeit.
Man hat zwar bereits Widerstandskörper aus Magnesiumtitanat hergestellt. Diese Widerstandskörper wurden jedoch beim Vorbrennen in oxydierender Atmosphäre so hoch und so lange erhitzt, bis schon beim Vorbrennen eine Spinellstruktur entstand, die sich dann auch beim nachfolgenden höheren Erhitzen des Widerstandskörpers in reduzierender Atmosphäre nicht mehr änderte. Derartig beschaffen Widerstände aus Magnesiumtitanat besitzen zudem keinen positiven, sondern umgekehrt, einen hohen negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes, wodurch sie naturgemäss nur für ganze andere Verwendungszwecke geeignet sind.
Die Widerstandskörper nach der Erfindung können auch als Heizkörper für die Glühkathoden elektrischer Entladungsgefässe verwendet werden. Es ist wichtig, dass die Widerstandskörper nach der Erfindung einen positiven Temperaturkoeffizienten haben, da diese hiedurch kleine Abmessungen und eine geringe Anheizzeit erhalten. Auch macht der positive Temperaturkoeffizient Strombegrenzungsmittel unnötig.
Die Heizkörper können stab-, band-oder rohrförmig sein. Es können auch hintereinander geschaltet und gleichachsig ineinander angeordnete stab-und rohrförmige Heizkörper benutzt werden, um ohne Heizstrommagnetfeld zu arbeiten. Die Heizkörper sind sowohl für mittelbar als auch für unmittelbar geheizte Kathoden geeignet, d. h. sie können als Träger der Emissionsschicht dienen oder auch selbst als emittierende Kathode benutzt werden, falls sie beispielsweise aus Bariumtitanat be- stehen oder dieses enthalten.
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EMI3.1
Die Fig. 1 zeigt die auf einem Glasfuss 1 angeordnete Kathode einer Leuchtröhre. Die Kathode wird von einem Stift 2 gebildet, der aus Bariumtitanat besteht oder Bariumtitanat enthält. Der Stift aus Bariumtitanat dient gleichzeitig als Kathodenheizer und als Kathode. Er wird von den Stromzuführungen 3 und 4 getragen.
In der Fig. 2 ist ein Gleichrichter dargestellt. Auf dem Quetschfuss 1 ist die Anode 5 mit Hilfe einer Elektrodenstütze 6 und einer Stromzuführung 7 befestigt. Innerhalb der vorzusgweise rohrförmigen Anode 5 befindet sich die Kathode. Diese besteht aus einem Heizkörper 8, einer Isolierschicht 9 und einer eigentlichen Kathodenschicht 10, die den Emissionsstoff trägt. Der Heizkörper 8 ist im Längsschnitt M-förmig. Der Strom fliesst von der Stromzuführung 11 durch den mittleren Teil und das obere Querstück zu dem äusseren rohrförmigen Teil und von dort zur Stromzuführung 12. Eine Stromzuführung 13 führt zur Kathodenschicht. 10.
In der Fig. 3 ist eine Verstärker-oder Senderohre dargestellt. Auf dem Fuss 1 sind eine Anode 14, ein Gitter 15 und eine Kathode 16 angebracht. Die Kathode 16 besteht aus einem Widerstandskörper nach der Erfindung, der mit einer Emissionsschicht, wie z. B. einem Bariumoxyd-StrontiumoxydGemisch, bedeckt ist.
Eine weitere Anwendung können die Widerstandskörper nach der Erfindung bei Regelwiderständen zum Konstanthalten von elektrischen Strömen und insbesondere zum Unterdrücken der Schwankungen einer Netzspannung finden. Wenn eine Nutzlast auch bei Schwankungen der Netzspannung mit unveränderlichem Strom gespeist werden soll, dann schaltet-man ihr häufig einen Eisendraht als Regelwiderstand vor. Dieser Eisendraht ist im allgemeinen gewendelt und befindet sich in einem mit Wasserstoff oder Stickstoff gefüllten Gefäss. Neben Eisen haben auch viele andere Metalle einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes. Es ist aber bisher mit keinem andern Metall möglich gewesen, dieselbe gute Spannungsregelung zu erhalten wie mit Eisenwendeln, die in Wasserstoff oder Stickstoff untergebracht sind.
Nicht einmal Cobalt und Nickel, die doch sonst in jeder Beziehung ein ähnliches Verhalten zeigen wie Eisen, sind brauchbar. Man verwendet daher heute ausschliesslich Eisenwendeln.
Eisen zeichnet sich ausser durch seine guten Regeleigenschaften auch durch eine verhältnismässig grosse mechanische Festigkeit aus ; aber auch die Eisendrahtwendeln verändern bei voller Strombelastung des Regelwiderstandes, also bei einer Wendeltemperatur von 800 bis 1000 C, sehr leicht ihre Form. Die Wendel zieht sich auseinander und hängt durch. Infolgedessen sinken Temperatur und Widerstand und der Stromdurchgang steigt. Der Widerstand wird dadurch für die betreffende Schaltung unbrauchbar und kann nur noch in Schaltungen mit höherer Strombelastung benutzt werden.
Auch dort arbeitet er aber wegen des Durchhängens der Wendel unsicher. Ausserdem können vollbelastete Eisendrahtwendeln durch Erschütterungen leicht zerstört werden.
An Stelle der Eisenwendeln können nun die keramischen Körper nach der Erfindung benutzt werden. Strontiumtitanat und Caleiumtitanat sowie Gemische dieser beiden Titanate ergeben beim Betriebe in einem sauerstofffreien Gas eine Stromspannungskennlinie, die völlig der der Eisenwendel gleicht. Ebenso wie Eisen unter allen Metallen eine Ausnahme ist, so sind es unter den Halbleitern diese beiden Titanate.
In der Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel für den Gegenstand der Erfindung dargestellt.
Durch den Glasfuss 1 sind zwei Stromzuführungen J und 4 hindurchgeführt und an die metallischen Haltestreben 17 und 18 angeschlossen. An den Streben 17 und 18 ist mit Hilfe der Schellen 19 und 20 der Widerstandskörper 21 befestigt. Der Glasfuss 1 ist mit dem Kolben 22 verschmolzen und dieser Kolben 22 ist mit Wasserstoff gefüllt. Der Stromspannungsverlauf eines solchen Widerstandes ist in Fig. 5 dargestellt. Der Widerstandskörper, mit dem der Stromspannungsverlauf gemessen wurde, bestand aus Strontiumtitanat. Er war 50 mm lang und 0-6 mm stark und war in einem mit Wasserstoff von 200 mm Druck gefüllten Gefäss angeordnet.
Da die Widerstandskörper bis zu etwa 1600 C formbeständig sind, können die regelnden Eigenschaften bis zu wesentlich höheren Belastungen ausgenutzt werden als bei Eisendrähten. Der spezifische Widerstand der Perowskite ist mehr als 100mal so gross wie der spezifische Widerstand von Eisen, so dass es möglich ist, bei gleichen Regelbereichen den Regelwiderstand mit wesentlich kleineren räumlichen Abmessungen durchzubilden. Das keramische Herstellungsverfahren erlaubt es, die Widerstände sowohl für sehr kleine als auch für sehr grosse Strombelastungen zu bauen.
Die beschriebenen Widerstandskörper haben noch den besonderen Vorteil, dass sie infolge ihrer mechanischen Festigkeit unter dem Einfluss magnetischer Wechselfelder, wie sie beispielsweise an Verstärkergeräten vorkommen, und bei starken Erschütterungen nicht zerstört werden, wie dies bei heissen Metalldrahtwiderständen vorkommt.
Ausser den beschriebenen Anwendungen sind auch noch weitere Anwendungen möglich.
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