<Desc/Clms Page number 1>
Spanl1ungsabhängiger Widerstand und Vorrichtung zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen spannungsabhängigen, nicht linearen elektrischen Widerstand, bei dem Körner aus hexagonalem Siliciumkarbid in einem Metallbehälter eingeschlossen sind, sowie eine Vorrichtung zur Herstellung derartiger Widerstände.
Es sind spannungsabhängige elektrische Widerstandskörper aus körnigem Siliciumkarbid bekannt, dessen Teilchen von einem Bindemittel unter Beifügung von Metalloxyden zusammengehalten werden. Es ist weiterhin bekannt, dass man die Spannungsempfindlichkeit des Widerstandskörpers durch entsprechende Wahl des Bindemittels und des Kontaktdruckes auf bestimmte Werte einstellen kann. Derartige spannungsabhängige Widerstände werden z. B. bei Spannungsableitern verwendet. Dabei sind Behälter aus Isolermaterial vorgesehen, die einen Hohlraum aufweisen, in dem die Siliciumkarbidkörner mit dem Bindemittel untergebracht sind, wobei die Siliciumkarbidkörner unter Druck gehalten werden. Diese Unterdrucksetzung kann entweder durch das Bindemittel selbst oder zusätzlich mechanisch durch eine auf einen im Hohlraum kolbenartig verschiebbaren Teil wirkende Feder erfolgen.
Der sich ergebende Widerstandswert ist, wie bereits erwähnt, vom Kontaktdruck abhängig. Die Abhängigkeit vom Bindemittel und vom Kontaktdruck ist darauf zurückzuführen, dass das Bindemittel unter dem angelegten Kontaktdruck von den
EMI1.1
unter einen vorbestimmten Druck zu setzen und den Widerstandswert der aus einer bestimmten Menge hergestellten Siliciumkarbidsäule zu messen. Auf diese Weise kann festgestellt werden, ob das Material, beispielsweise für die Herstellung von Spannungsableitern, geeignet ist oder nicht.
Die Erfindung betrifft nun zunächst einen spannungsabhängigen Widerstand der eingangs genannten Art und besteht im wesentlichen darin, dass das Siliciumkarbid in Kapseln untergebracht ist, welche einen Metallmantel besitzen, der bei der Herstellung durch Pressen verformt wird, wodurch die Siliciumkarbidkörner einem bestimmten Druck ausgesetzt werden, der nach Aufhören des Pressens infolge der inneren Kraftwirkung erhalten bleibt. Bei der Herstellung erfindungsgemässer Widerstände kann festgestellt werden, dass ohne Verwendung eines Bindemittels trotzdem eine Abhängigkeit der Spannungscharakteristik vom Kontaktdruck feststellbar ist, sofern der Kontaktdruck eine genügende Höhe hat. In der einschlägigen Literatur wurde dagegen eine Abhängigkeit der Steilheit der Kennlinie des Widerstandes vom anliegenden Druck ausdrücklich verneint.
Die Stromspannungsfunktion der in Rede stehenden"VDR-Widerstände"kann durch die mathematische Näherungsformel
EMI1.2
angegeben werden, wobei I den Strom und U die Spannung bedeuten. A und k werden als charakteristische Konstanten des Materials des VDR-Widerstandes betrachtet. Da die Steilheit der Stromspannungsfunk-
<Desc/Clms Page number 2>
tion hauptsächlich durch den Faktor k beeinflusst wird, ist man fabrikationsmässig bestrebt, VDR-Wider- stände mit einem möglichst grossen k-Faktor definiert herzustellen. Da die Zusammenhänge zwischen dem k-Faktor und den messbaren Werten der Fabrikationsveränderlichen noch weitgehend ungeklärt sind, erfolgt die Herstellung der VDR-Widerstände bisher weitgehend empirisch. Dies bedeutet also, dass man
Widerstände erhält, bei denen der k-Faktor In bestimmten Grenzen schwankt.
Man muss dementsprechend aus den erzeugten Widerständen durch Messung diejenigen aussuchen, bei denen der k-Faktor einen be- stimmten Wert hat. Dies bedeutet jedoch auf der andern Seite einen grossen Ausschuss, wodurch die Her- stellung der VDR-Widerstände verteuert wird. Die oben erwähnte Verwendung des Bindemittels hat unter anderem den Grund, den k-Faktor zu verbessern und ihn besser unter Kontrolle zu bringen. Es könnten je- doch bei Bindemitteln, z. B. bei Metalloxyden, fabrikationsmässig nur Werte des k-Faktors von etwa 4 er- reicht werden.
Gemäss der Erfindung gelingt es nun, VDR-Widerstände ohne Verwendung eines Bindemittels herzu- stellen, bei denen der k-Faktor höher liegt und wobei, was besonders wesentlich ist, der k-Faktor fabri- kationsmässig auf einen bestimmten genau definierten Wert eingestellt werden kann.
Bei den Widerständen gemäss der Erfindung übt der mechanisch vorgespannte Behälter auf Grund sei- ner elastischen Rückstellkraft auf die Körner einen die Steilheit der Spannungskurve bestimmenden Druck aus.
Vorzugsweise liegt der auf die Körner wirkende Druck zwischen 50 kg/cmz und 300 kg/cm2.
Eine Vorrichtung zur Herstellung von nichtlinearen elektrischen Widerständen, bei denen die Körner aus hexagonalem Siliciumcarbid in einem Metallbehälter eingeschlossen sind, besteht aus einer Presse, in welcher der mit den Siliciumcarbidkörnern gefüllte Behälter gestaucht wird. Die Presse wird von einem elektrischen Steuerkreis gesteuert, in dessen Stromkreis die Siliciumcarbidkörner liegen, so dass die unter der Druckeinwirkung der Presse auftretende Änderung des Widerstandwertes der Anordnung der Siliciumcarbidkörner gemessen wird und die Presse abgeschaltet wird, wenn ein bestimmter Widerstandwert erzielt ist.
Die Zeichnungen dienen zusammen mit der nachfolgenden Beschreibung der weiteren Erläuterung des Gegenstandes der vorliegenden Erfindung. Es zeigen Fig. l schematisch einen Querschnitt eines VDR-Widerstandes bekannter Gattung, Fig. 2 die Stromspannungskurven von VDR-Widerständen unter verschiedenen Drücken, Fig. 3 - 6 Schnitte bevorzugter Ausführungsformen von VDR-Widerständen gemäss der Erfindung, Fig. 7 schematisch eine Einrichtung zur Herstellung der VDR-Widerstände gemäss der Erfindung.
Fig. l zeigt einen Querschnitt eines Widerstandmaterials, das in bekannter Weise hergestellt wurde, indem mit einer Metalloxydschicht versehene Carborundumkristalle mit einem in hoher Temperatur härtenden Material zusammengemischt und in Pastillenform zusammengepresst wurden. Bei dieser bekannten Ausführungsform bilden die Halbleiterkristalle 1 im Inneren des Bindematerials 2 unregelmässige Ketten. Das Bindematerial enthält gasgefüllte Risse 3. Bei den bekannten Herstellungsverfahren entsteht also eine unregelmässige innere Struktur des Widerstandsmaterials. Nachdem jedoch die Leitfähigkeit des Materials durch ihre Mikrostruktur bestimmt ist, ergeben sich auf Grund der Unregelmässigkeiten der Mikrostruktur grosse Abweichungen der I (U)-Funktionen der so hergestellten Widerstände.
Selbst bei VDR-Widerständen, die nach den neuesten bekannten Methoden hergestellt werden, muss mit einer Toleranz von 40go gerechnet werden. Wenn man also Präzisionswiderstände benötigt, kann man die gewünschten Werte nur durch Auswahl der gut gelungenen Stücke gewinnen. Dadurch wird die Fabrikation jedoch sehr kostspielig.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von nichtlinearen Widerständen mit einer gleichmässigen inneren Struktur und die genaue Einstellung ihrer elektrischen Eigenschaften und Funktion eines gut messba- ren Parameters der Fabrikation. Gemäss der Erfindung werden die Halbleiterkörner - vorzugsweise die üblichen, mit dünner Silicium- oder Aluminiumoxydschicht versehenen hexagonalen Carborundumkristalle-ohne Bindemittel in einen Behälter, vorzugsweise in eine Metallkapsel mit einer isolierten Elektrode, eingebracht und mit dem Behälter zusammengepresst, wobei der Behälter in dem angepressten Zustand der Körner, vorzugsweise mit demselben Presswerkzeug, endgültig verschlossen wird.
Nach Herausnahme des Behälters aus dem Presswerkzeug bleiben die Körner unter einem konstanten Druck, welcher durch die elastischen Kräfte des Behälters auf sie ausgeübt wird.
Es ist seit langem bekannt, dass der elektrische Widerstand eines aus Halbleiterkörnern bestehenden Materials eine Funktion des auf die Körner ausgeübten Druckes ist. Eine gründliche Untersuchung dieser Erscheinung zeigte aber, dass nicht nur der Widerstandswert der Körner, sondern auch die Steilheit ihrer I (U)-Funktion, d. h. ihr k-Faktor, von dem auf die Körner ausgeübten Druck abhängig ist. Die Fig.2 zeigt die I (U)-Funktion von grauen Carborundumkörnern in Funktion des Druckes P. Aus dieser Figur ist
<Desc/Clms Page number 3>
zu ersehen, dass die durch die Druckänderung hervorgerufene Verschiebung der I (U)-Kurven auch die Steilheit der Kurven beeinflusst u. zw. in den verschiedenen Spannungsbereichen verschieden.
Zu jeder Art des Carborundums und zu jeder Kristallgrösse gehören ganz bestimmte Kurven in Funktion des Druckes, welche sich sehr genau wiederholen lassen.
Demgemäss kann man zu jeder Spezialaufgabe des VDR-Widerstandes die geeignetste Carborundumart, Korngrösse und geometrische Abmessungen der Metallkapsel auswählen und den gewünschten Kapseldruck, z. B. mit einer hydraulischen Presse einstellen. Diese Präzision der Herstellung eröffnet Möglichkeiten, welche mit den bisherigen Fabrikationsmethoden der VDR-Widerstände gar nicht erreichbar waren. Zum Beispiel in dem Spannungsbereich von 100 bis 200 V sind gemäss der Erfindung schon k-Werte von 6 bis 6,3 und eine Genauigkeit einer Serie von 100 Widerständen unter 5% erreicht worden.
Die Fig. 3,4, 5 und 6 veranschaulichen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der erfindunggemässen VDR-Widerstände.
Gemäss Fig. 3 sind die Halbleiterkörner 1 zwischen Elektroden 12 und 13 in eine Isolierkapsel 4, beispielsweise aus Bakelit, eingesetzt, welche ihrerseits in ein Metallrohr 5 eingesetzt wird. Die beiden Stirnenden des Metallrohres werden unter einer Presse abgerundet. Eine Metallunterlage 6 dient zur Schonung der Bakelitkapsel.
Nach der Entlastung versucht die elastische Rückwirkung der Körner das Rohr 5 zu dehnen. Dieses erleidet eine elastische Verlängerung und demgemäss vermindert sich der auf die Körner ausgeübte Druck. Diese elastische Entspannung ist proportional zu der Rohrlänge. Um die Entspannung zu vermindern, verkleinert man die Länge des Metallteiles, welcher an der Entspannung mitwirkt. Solche Beispiele sind aus den Fig. 4 - 6 ersichtlich.
EMI3.1
mengehalten werden. Während und nach der Pressung sind die zylindrischen Teile der Metalldosen 15 und 16 unverändert auf Zug beansprucht. An der elastischen Entspannung nimmt nur das kurze Stück 8 des
Ringes 7 teil, welches während der Pressung auf Druck, nach der Pressung auf Zug beansprucht ist. Demgemäss ist die Entspannung kleiner als bei der Einrichtung gemäss Fig. 3.
Gemäss der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind zwei verschiedene Metalldosen 25 und 26 vorgesehen. Der Rand 17 der Dose 26 wird an den Rand der Dose 25 angepresst. Die Dose 25 bleibt unter und nach der Pressung unverändert. Die elastische Entspannung wird durch die Länge des Stückes 18 bedingt.
Gemäss der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist nur eine einzige Metalldose 35 vorgesehen, welche den Rand 37,38, 39 besitzt. Auf die Elektrode 13 aufgesetzt ist eine konische Ringplattenfeder 36, deren äusserer Rand durch den Rand 37 der Dose 35 zusammengepresst wird. Die beiden Presswerkzeuge wirken auf die Oberflächen 38 und 37. Der zylindrische Teil der Dose 35 bleibt nach der Entlastung unverändert, die Ringplattenfeder unverändert zusammengedrückt. An der elastischen Gegenwirkung nimmt nur das Stück 39 teil. Nachdem die Feder 36 nachgiebiger als der Rand 39 der Dose 35 ist, ist es möglich, den auf die Körner ausgeübten Druck viel feiner einzustellen.
Für die Verfeinerung der Einstellung des Druckes kann eine solche Feder auch gemäss Fig. 3 zwischen die Platte 13 und das untere abgerundete Ende des Rohres 5 gemäss den Fig. 4 und 5 zwischen die Platte 13 und der gegenüberliegenden Dose 16,26 eingesetzt werden.
Die Fig. 3 bis 6 veranschaulichen nur Beispiele der erfindungsgemässen VDR-Widerstände. Andere Beispiele mit andern mechanischen Elementen können ohne weiteres im Rahmen der Erfindung verwirklicht werden, solange die Halbleiterkörner in einem Gefäss eingeschlossen sind, welches durch seine elastischen Rückstellkräfte auf die Körner einen konstanten Druck ausübt.
Wenn die VDR-Widerstände für hohe Spannungen angewandt werden sollen, kann die Durchschlagfestigkeit durch Einführung eines Isolierstoffes, der jedoch kein Bindemittel darstellen soll, zwischen die Körner erhöht werden. Dieser Isolierstoff soll aber immer im flüssigen Zustand oder in der Form eines sehr feinen Pulvers zugegeDen werden. Weiterhin muss man dafür sorgen, dass sein Überfluss während de : Zu- sammenpressens der Metallkapsel durch kleine Löcher, deren Durchmesser kleiner als der Korndurchmesser ist, abgeführt wird. Nur auf diese Weise kann man die gegenseitige Berührung der Körner sichern, welche, wie oben erklärt, ein kennzeichnendes Merkmal der Erfindung ist.
Die Flüssigkeit oder das Pulver wirkt auch als Schmierstoff zwischen den Körnern, welche während der Zusammendrückung sich dadurch leichter zueinander bewegen und einen stabileren Sitz annehmen können. Als Schmierpulver sind die Stearate, z. B. das Zinkstearat, besonders geeignet.
Ein flüssiger Isolierstoff kann aber zwischen die Körner auch nach dem Zusammendrücken derselben durch kleine Löcher eingepresst werden.
<Desc/Clms Page number 4>
Der eingeführte Isolierstoff kann auch durch Trocknen oder auf andere Art und Weise gehärtet wer- den. Diese Härtung darf aber nur nach der Beendigung der Fabrikation stattfinden, wenn es schon sicher ist, dass jedes Korn alle seine Nachbarkörner berührt hat und dass auf diese Körner der vorgesehene Druck wirkt. Nur so ist es sicher, dass der Widerstand eine homogene innere Struktur besitzt und dass die Einführung des Isoliermaterials die vorgesehenen Eigenschaften des Widerstandes nicht nachteilhaft beeinflusst hat. Auf diese Weise wirkt der Isolierstoff keinesfalls als Bindemittel, weil der Kapseldruck, welcher vorzugsweise zwischen 50 kg/cm2 und 300 kg/cml liegt, grösser ist als die Adhäsion des Isolierstoffe zu den Körnern.
Gemäss der Erfindung wird weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung von spannungsabhängigen Widerständen vorgeschlagen, welche nach folgendem Prinzip arbeitet : Während der Zusammendrückung der Metalldose setzt man die Elektroden unter eine elektrische Spannung, welche durch die Körner einen Strom fliessen lässt. Mit wachsendem Druck wächst dieser Strom, bis man zu jenem Stromwert kommt, welcher der gewünschten I (U)-Funktion entspricht. Bei diesem Stromwert muss man die Presse anhalten.
Zur Automatisierung dieses Arbeitsganges wird zweckmässigerweise ein Steuerkreis vorgesehen, in dem der unter der Presse liegende VDR-Widerstand mit einem Relais liegt, welches bei einem vorbestimmten Stromwert den Halt-Mechanismus der Presse beträgt.
Die Fig. 7 veranschaulicht ein bevorzugtes Beispiel dieser Einrichtung. Das Zusammenpressen der Metalldose geschieht unter einer hydraulischen Presse, deren Presswerkzeug 41 von dem Rahmen 42 der Maschine mittels einer Isolierplatte 43 isoliert ist. Das andere Presswerkzeug 44 bewegt sich in einem Zylinder 45 unter einem Öldruck, welcher von einer Ölpumpe 46 stammt. Das Gewicht des Werkzeuges 44 wird durch eine Feder 47 ausgeglichen. Zwischen das Werkzeug 41 und den Rahmen 42 der Maschine, welche mit dem andern Werkzeug 44 in leitender Verbindung ist, wird ein Stromkreis eingeschaltet, welcher eine Stromquelle - vorzugsweise eine Gleichstromquelle 48 - einen Regelwiderstand 49, ein elektromagnetisches Relais 50 und den zwischen den beiden Werkzeugen liegenden VDR-Widerstand enthält. Die Ölpumpe 46 wird von dem Elektromotor 51 angetrieben.
Der Motor 51 ist auf die Klemmen seiner Stromquelle 52 durch einen Schalter 53 geschaltet, welcher durch das Relais 50 ausgeschaltet werden kann. Das Relais 50 betätigt den Schalter in dem Augenblick, in welchem der Strom des VDR-Widerstandes den gewünschten Wert erreicht.
An Stelle eines elektromagnetischen Relais kann z. B. auch ein Elektronenrohrenrelais oder irgend ein anderes Relais verwendet werden. An Stelle des Schalters des Elektromotors kann das Relais z. B. ein Ventil des Ölkanals betätigen, welches eine weitere Erhöhung des Druckes hinter dem Presswerkzeug verhindert. Man kann auch durch das Relais irgend einen andern Teil der Maschine betätigen lassen.
Weitere Abänderungen können im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden, vorausgesetzt, dass das Anhalten der Druckerhöhung an dem VDR-Widerstand durch den Strom gesteuert ist, welcher durch denselben Widerstand fliesst.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Spannungsabhängiger, nicht linearer elektrischer Widerstand, bei dem Körner aus hexagonalem Siliciumcarbid in einem Metallbehälter eingeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Siliciumcarbid in Kapseln untergebracht ist, welche einen Metallmantel besitzen, der bei der Herstellung durch Pressen verformt wird, wodurch die Siliciumcarbidkörner (1) einem bestimmten Druck ausgesetzt werden, der nach Aufhören des Pressens infolge der inneren Kraftwirkungen erhalten bleibt.