CH224046A - Spannungsabhängiger Widerstand. - Google Patents

Description

  Spannungsabhängiger Widerstand.    Es sind verschiedene Arten spannungs  abhängiger Widerstände bekannt. Eine Art       besteht    z. B. aus     Siliziumkarbidkörnern,     welche durch ein Bindemittel, z. B. Gips und       1LTagnesiumoxyd        etc.,    zusammengehalten wer  den.

   Nach der heutigen Ansicht kommt die  Spannungsabhängigkeit dieser Widerstände  dadurch zustande, dass zwischen den verhält  nismässig gut leitenden     Siliziumkarbidkör-          neizi    isolierende Sperrschichten wirksam sind,  die erst nach     t@berschreiten    einer kritischen  Feldstärke leitend werden     (Sperrs:chicht-          effeld),    wodurch eine mehr oder weniger ge  krümmte     Strom-Spannungskurve        zustande     kommt (siehe Figur der beiliegenden Zeich  nung).

   Als     .Sperrschicht    wirkt eine auf der  Oberfläche der Körner sich selbsttätig bil  dende dünne     Oxydschicht        (Si02    =     Cristo-          balit).    Bekannterweise werden diese Wider  stände so hergestellt, dass das Gemenge von       Siliziumkarbid    und Bindemittel unter Druck  in die gewünschte Form gepresst und der  Formkörper darauf einem     Härteprozess    unter  worfen wird (je nach Art des     Bindemittels:     Brennen, Abbinden, Trocknen).

      Diesen oben beschriebenen Widerständen  haften     erfahrungsgemäss    verschiedene Mängel  an: Bei der Formgebung unter Druck können  die     Abstände    zwischen den     Siliziumkarbid-          körnern,    die     in    dem fein verteilten und vor  der     Formgebung    noch weichen     Bindemittel     eingebettet sind, sehr verschieden gross aus  fallen.

   Zum Teil kommen die benachbarten       Siliziumkarbidkörner    zur gegenseitigen Be  rührung, wobei die sich an der Oberfläche  der Körner befindliche     Oxydschicht    verletzt  werden kann, und es bilden sich zum Teil  sogar durch den ganzen Widerstand zusam  menhängende     Strombahnen    aus. Dadurch  wird die Eigenschaft der     Spannungsabhän-          gigkeit    beeinträchtigt, denn die zusammen  hängenden Strombahnen wirken wie parallel  geschaltete     Ohmsche    Widerstände, die zur  Folge haben, dass schon bei kleiner angeleg  ter Spannung ein Strom zu fliessen beginnt.

         Ferner    wird in den ungleich dicken Trenn  schichten die kritische Feldstärke nicht zu  gleicher Zeit erreicht, was eine weitere Ver  flachung der     Kurvenkrümmung    zur Folge  hat. Ein     weiterer    Nachteil dieser Wider-      stände liegt darin, dass sich bei Stromdurch  gang die     Siliziumkarbidkörner    an den Be  rührungsstellen verschweissen, und zwar auch  dort, wo die     Ozydschicht    beim     Pressen    nicht  verletzt worden war     (Frittung).    Dies hat zur  Folge, dass sich die Spannungsabhängigkeit  des Widerstandes     unter    der normalen elektri  schen Belastung dauernd stark ändert.  



  Gegenstand der vorliegenden Erfindung  ist ein     Widerstand,    der die genannten Nach  teile nicht aufweist. Er enthält leitende  Körner aus einem Stoff, dessen spezifischer  Widerstand kleiner als 20 Ohm cm ist, und  die in ein Medium eingebettet sind,     dessen          spezifischer    elektrischer Widerstand grösser  als 106 Ohm cm ist, derart, dass sie sich ge  genseitig nicht berühren, sondern durch  Schichten voneinander getrennt sind, deren  mittlere Dicke     10--3    bis l0-4 cm beträgt.

   Die  Erfindung bezieht sich ferner auf ein Ver  fahren zur Herstellung dieses     elektrischen          Widerstandes.    Die Figur der beiliegenden  Zeichnung zeigt die     Strom-Spannungskurve     einer beispielsweisen Ausführungsform des       Widertandes    nach der Erfindung. Ui ist der       Spannungsabfall    durch Stromleitung im In  nern der     gut    leitenden Körner.     U"    ist der  Spannungsabfall innerhalb der trennenden  Schichten.

   Die     beiden    Kurven überlagern  sich zum Gesamtspannungsabfall     Utot.    Legt  man eine Spannung an den Widerstand an,  so findet ein     wesentlicher    Stromdurchgang  erst dann statt, wenn die Feldstärke in den  Trennschichten so stark angestiegen ist, dass  die     Sperrwirkung    aufgehoben wird. Es ergibt  sich damit qualitativ ein Verlauf,     Brie    er in  der Figur eingezeichnet ist. Der     tbergang     vom nichtleitenden in den leitenden Zustand  erfolgt um so schärfer, je gleichmässiger die       Distanzierung    der leitenden Körner ist.  



  Damit trotz einer relativ kleinen Span  nung, die einer mittleren Feldstärke inner  halb des     Widerstandsmaterials    von der Grö  ssenordnung 1000 Volt/cm entspricht, die ver  hältnismässig starken Trennschichten über  wunden werden können, erweist sich das Vor  handensein von Ecken und Kanten an den  leitenden Körnern als vorteilhaft, da. dadurch         bekanntermassen,    je nach dem     Krümmungs-          radius    der Kanten, eine     Vergrösserung    der  elektrischen Feldstärke eintritt.  



  Als     Ausgangsmaterial    zur Herstellung       dieser        leitenden        Körner    eignen sich gebro  chene Substanzen     kristallinischer    Natur mit       einem        Durchmesser    von 0,05 bis 0,5 mm.

   Um  den     Spannungsabfall        Utpt    am Ableiter (siehe  Figur der beiliegenden     Zeichnung)    beim Ab  leiten grosser Ströme     so    wenig als möglich  ansteigen zu     lassen,        verwendet    man vorteil  haft Körner, deren Spannungsabfall     (Ui)    im  Innern infolge     Ohmschen    Widerstandes mög  lichst klein ist, z. B.     Metalle.    Es können aber  auch     Elektronenhalbleiter    mit einem spezi  fischen Widerstand kleiner als 20 Ohm cm,  z.

   B.     Siliziumkarbid    mit Einschlüssen von       Kohlenstoff,    Silizium, Eisen oder Aluminium  von     zusammen        mindestens    1     %    des Körner  gewichtes     verwendet    werden. Während reines       Siliziumkarbid    als ein     guter    Isolator zu be  trachten ist, hat nämlich     Siliziumkarbid,    das       die        ,genannten        Einsohlitsse    aufweist, einen       spezifischen    Widerstand von weniger als  20     Ohm    cm.

   Es kann aber jedes technische       Siliziumkarbi$    mit einem spezifischen     Wi-          derstand    kleiner als 20 Ohm cm verwendet  werden. Zur     Erreichung    einer möglichst  gleichmässigen     Distanzierung    der Körner aus  leitendem Material, d. h.

   gleichmässiger       Trennschichten,    vermischt man zweckmässig       Substanzen    von     bestimmter    gleichmässiger       Körnigkeit,    deren     Korngrösse    dem     ge-          wünschten        Abstand    der leitenden Körner  entspricht,     also    mit einen     Durchmesser    zwi  schen     l"    und     10-a    cm, 'mit einem Binde  mittel.

   Die     mechanische    Festigkeit dieses       distanzierenden    Zusatzmittels muss vorteil  haft so gross sein, dass die Körnchen, aus  denen es besteht, bei einer Formgebung unter  Druck nicht zerdrückt werden.     Ihr    spezifi  scher     Widerstand    bei     Zimmertemperatur    soll  zweckmässig     grösser    als 106 Ohm cm sein,  obwohl es auch genügt, wenn das aus distan  zierenden 'Körnchen und Bindemittel gebil  dete Medium einen so hohen spezifischen       Widerstand    hat.

   Der spezifische Wider  stand darf     ferner    bei dem nachfolgenden           Härteprozess,    der etwa im Brennen bis  1200' C, oder in chemischen Umsetzungen  innerhalb des Bindemittels bestehen kann,  nicht geändert werden     bezw.    nicht unter  106 Ohm cm sinken. Am besten eignen sich  Pulver .der gewünschten Feinheit aus Alu  miniumoxyd (spezifischer Widerstand bei  20   C = 1012 Ohm cm), Glas (spezifischer  Widerstand =     5,1011    Ohm cm), Quarz (spe  zifischer Widerstand =     5,1018    Ohm cm),       Titanoxyd        (spezifischer    Widerstand = 1014  Ohm cm)     etc.,    oder ein Gemisch der genann  ten Substanzen.  



  Das Bindemittel kann bestehen aus       a)    einem keramischen Stoff (beispiels  weise Tonerde),  b) einer mit Wasser abbindenden Sub  stanz (beispielsweise Gips),       e)    einer an der Luft     erhärtenden    Sub  stanz (beispielsweise Wasserglas).  



  Es ist ferner möglich, dass die distanzie  renden Teilchen selbst die Rolle des Binde  mittels übernehmen. Die Formkörper müssen  dann bis zur     Sintertemperatur    der distanzie  renden Teilchen erhitzt werden.  



  Das Vorhandensein von distanzierenden  Teilchen lässt sich durch mikroskopische Be  trachtung eines Schliffes des Widerstandes  eindeutig feststellen. Auf diese Weise lässt  sich auch die mittlere Dicke der trennenden  Schichten bestimmen.  



  Beim Stromdurchgang     erwärmt    sich das  Widerstandsmaterial etwas, wodurch sich  naturgemäss die spezifischen, elektrischen  Widerstände der verwendeten     31Taterialien     um 15 bis 20% ändern. Dadurch kommt  eine     hysteriseähnliche    Erscheinung zustande,  insofern,     als,der    aufsteigende und der abstei  gende Ast der     Strom-Spannungscharakteristik     nicht zusammenfallen. Da sich die Erwär  mung und die damit verbundene Abnahme  der spezifischen Widerstände schon im auf  steigenden Ast bemerkbar macht, so wird da  durch die     "ventilartige"    Wirkung des Wider  standes noch erhöht.

   Qualitativ wird durch  diese Erscheinung .der Verlauf der     Strom-          Spannungskurve    nicht beeinflusst.    Bei der     Herstellung    der     Widerstände    wird  z. B. so vorgegangen, dass Körner aus tech  nischem     Siliziumkarbid    mit dem     die    distan  zierenden Teilehen enthaltenden Bindemittel  überzogen werden, worauf die erhaltene  Masse in die gewünschte Form gepresst wird.  Werden dabei distanzierende Teilchen aus  Glas verwendet, so erhält man bei einem  Druck von 50     Atm.        ein'    festes Gefüge, ohne  dass die distanzierenden Teilchen zerdrückt  werden.

   Sodann kann der Formkörper bei der       Sinterungstemperatur    von Glas     gebrannt     werden.     Statt    Glas könnte auch ein kera  mischer Stoff verwendet werden.  



  Zweckmässig werden die leitenden     Körner     in einen     feuchten    Brei, der die zur Distanzie  rung     bestimmten    Teilchen enthält, angerührt.       Die    Teilchen können an die Körner ange  trocknet oder im Ofen festgebrannt werden.  Im ersteren Fall wird zweckmässig dem Brei  eines der genannten Bindemittel beigefügt.  



  Um im Innern des Widerstandes Gas  entladungen jeder     Art,    etwa in     Form    von  Überschlägen in den bei der     Fabrikation     sich ergebenden Poren zu verhindern und der  Feuchtigkeit den Zutritt zu     verwehren,    kön  nen     dieHohlräumemiteinem        isolierendenS'toff     wie Paraffin     (spezifischer    Widerstand bei  20  C ='     5,1018        0'hmcm),    Wachs (spezifischer  Widerstand bei 20  C = 2,1015 Ohm cm),  Kunstharz (spezifischer Widerstand bei  20' C =     2,101     Ohm cm),

       garnaubawachs     (spezifischer Widerstand bei 20' C =     1014     Ohm cm), Öl (spezifischer Widerstand bei  20' C =     1016    Ohm cm),     Kaseinderivate    (spe  zifischer Widerstand bei 20' C =     2_        101o     Ohm. cm)     etc.,angefüllt    werden. Auch     Ton    (spe  zifischer Widerstand bei 201 C =     1014     Ohm cm) kann als     Füllmittel    dienen. Das       Einbettungsmedium    eines solchen Widerstan  des weist dann einen dieser Füllstoffe mit  einem spezifischen Widerstand von min  destens 106 Ohm auf.

   Zur Verhinderung von       Überschlägen    ausserhalb des Widerstandes  kann die     3vlantelfläch.e    des Widerstandes, der  z. B. die Form einer     runden    Scheibe oder  Säule besitzt, mit einem Überzug versehen  werden, der z. B. aus Paraffin, Wachs,      Kunstharz, Lack oder einem andern     Stoff          bestehen    kann, deren spezifischer     Widerstand     nicht kleiner ist als der der genannten  Substanzen,     zweckmässig    nicht kleiner als  <B>1010</B> Ohm cm.

Claims (1)

1. PATEN TAN SPRMIE I. Elektrischer Widerstand, dadurch ge kennzeichnet, dass er leitende Körner aus einem Stoff enthält, dessen spezifischer elek trischer Widerstand kleiner als 20 Ohm cm ist und die in ein Medium eingebettet sind, dessen spezifischer elektrischer Widerstand (rt,rösser als 106 Ohm cm ist, derart, dass sie sich gegenseitig nicht berühren, sondern durch Schichten voneinander getrennt sind, deren mittlere Dicke 10-3 bis 10-Q cm beträgt.

   1I. Verfahren zur Herstellung eines elek trischen Widerstandes nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet. dass die Körner aus dem Stoff mit dem spezifischen Wider stand kleiner als 20 Ohm cm zuerst mit der zur Distanzierung dienenden Masse Überzo- @en werden und dann der Gesamtheit dieser r Körner eine bestimmte Form gegeben wird.

   URTERAN SPRt,\CHE 1. Elektrischer Widerstand nach Patent anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch ein Medium getrennten Körner noch zusätzlich van einer durch Oxydation sich sell)sttätig bildenden Schicht überzogen sind, deren sp,-zifischer Widerstand grösser als <I>1012</I> Ohm cm ist.

   2. Elektrischer \Widerstand nach Patent anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Körner Ecken und Kanten auf- n#ciQen. 3. Ehktrisc,hcr Widerstand nach Patent anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Körner au. Metall bestehen. 4. Elektrischer Widerstand nach Patent anspruch T.

   dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Körner aus Elektronenhalbleitern bestehen. 5. Elektrischer Widerstand nach Patent- # pruch <B>1.</B> dadurch gekennzeichnet dass die # aris<B>M</B> leitenden Körner aus technischem Silizium karbid bestehen. 6.

   Elektrischer Widerstand nach Patent- anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Körner aus Siliziumkarbid mit Einschlüssen von Kohlenstoff, Silizium und Eisen von zusammen mindestens 1 % des Körnergewichtes bestehen. 7. Elektrischer Widerstand nach Patent anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Körner aus Siliziumkarbid mit Einschlüssen von Kohlenstoff, Silizium und Aluminium von zusammen mindestens 1 des Körnergewichtes bestehen. B.

   Elektrischer Widerstand nach Patent anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Körner durch einen Binder zusam mengehalten sind. 9. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Verhinderung einer direkten Kontakt gabe notwendige Distanzierung der einzelnen leitenden Körner durch Teilchen bestimmter Grösse erfolgt. 10. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse der distanzierenden Teilchen zwischen 10--Q und 1(1-3 cm liegt.

   11. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die distanzierenden Teilchen dem Binder bei gemischt sind. 12. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die distanzierenden Teilchen gleichzeitig als Bin der dienen. 13. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Distanzierung Teilchen aus Quarz ver wendet sind. 14. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel Teilchen aus Ton verwendet sind. 15.

   Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Distanzierung Teilchen aus Glas ver wendet sind. 16. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Distanzierung Teilchen aus Aluminium oxyd verwendet sind. 17. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Distanzierung Teilchen aus Titanaxyd verwendet sind. 18.

   Elektrischer Z\Tiderstand nach Unter anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, da,ss zur Distanzierung und Bindung der leitenden Körner ein Gemisch von Teilchen aus Quarz, Ton, Glas, Aluminiuma- xyd und Ton verwendet ist. 19. Elektrischer Widerstand nach Patent anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung des Entstehens von mikrosko pischen Hohlräumen und Poren, in welchen Gasentladungen stattfinden und in welche Feuchtigkeit eindringen könnte, das Medium einen Füllstoff aufweist, dessen spezifischer Widerstand mindestens 106 Ohm ist. 20. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff Paraffin verwendet ist. 21.

   Elektrischer Widerstand nach Unter- anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff Wachs verwendet ist. 22. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch<B>19,</B> dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff Kunstharz verwendet ist. 23. Elektrischer Widerstand nach Unter- anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff Kaseinderivate verwendet sind. 24. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff Karnaubawachs verwendet ist. 25. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff<B>01</B> verwendet ist. 26.

   Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Füllstoff Ton verwendet ist. 27. Elektrischer Widerstand nach Patent anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Verhinderung von Überschlägen über die Oberfläche mit einem Überzug versehen ist, dessen spezifischer Widerstand mindestens 10i Ohm cm beträgt. 28. Elektrischer Widerstand nach Unter anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der isolierende Überzug aus Paraffin besteht. 29. Elektrischer Widerstand nach Unter- anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der isolierende Überzug aus Wachs besteht. 30.

   Elektrischer Widerstand nach Unter- anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der isolierende Überzug aus Lack besteht. 31. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Körner in einen feuchten Brei, der die zur Distanzierung bestimmten Teilchen enthält, eingerührt, und dann die Teilchen an die Körner angetrocknet werden. 32. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Körner in einen feuchten Brei, der die zur Distanzierung dienenden Teilchen enthält, eingerührt und dann die Teilchen im Ofen festgebrannt werden. 33.

   Verfahren nach Unteranspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der feuchte Brei einen Stoff enthält, der mit Wasser abbindet. 34. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die von den zur Distanzierung bestimmten Teilchen überzo genen leitenden Körner angefeuchtet zu einem Formkörper mit einem so hohen Druck gepresst werden, dass ein festes Gefüge entsteht, wobei die distanzierenden Teilchen nicht zerdrückt werden. 35.

   Verfahren nach Unteranspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die die leiten den Körner überziehende 3lasse keramischen Stoff enthält und die gepressten Formkörper bei der Sintertemperatur dieses Stoffes ge brannt werden. 36. Verfahren nach Unteranspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die die leiten den Körner überziehende Masse Glass enthält und die gepressten Formkörper bei der Sinter temperatur dieses Stoffes gebrannt werden.