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.
Voltage dependent resistance. Various types of voltage-dependent resistors are known. One type consists e.g. B. from silicon carbide grains, which by a binder, z. B. plaster and 1LTagnesiumoxid etc., held together who the.
According to today's view, the voltage dependency of these resistances is due to the fact that insulating barrier layers are effective between the relatively good conductive silicon carbide grains, which only become conductive after a critical field strength has been exceeded (barrier: layer field), whereby a more or less curved current-voltage curve is created (see figure in the accompanying drawing).
A thin oxide layer (Si02 = cristobalite) that forms automatically on the surface of the grains acts as a barrier layer. As is well known, these resistors are manufactured in such a way that the mixture of silicon carbide and binder is pressed into the desired shape under pressure and the molded body is then subjected to a hardening process (depending on the type of binder: burning, setting, drying).
Experience has shown that these resistors described above have various defects: When shaping under pressure, the distances between the silicon carbide grains, which are embedded in the finely distributed binding agent that is still soft before shaping, can vary greatly.
In some cases, the neighboring silicon carbide grains come into mutual contact, whereby the oxide layer on the surface of the grains can be damaged, and current paths that are connected through the whole resistance are sometimes even formed. This affects the property of voltage dependency, because the connected current paths act like ohmic resistances connected in parallel, which means that a current begins to flow even with a low voltage applied.
Furthermore, the critical field strength is not reached at the same time in the unevenly thick separating layers, which has a further flattening of the curvature of the curve. Another disadvantage of these resistors is that when the current passes through, the silicon carbide grains weld at the contact points, even where the ozone layer was not damaged during pressing (fritting). This has the consequence that the voltage dependency of the resistor changes constantly under normal electrical load.
The present invention provides a resistor that does not have the aforementioned parts. It contains conductive grains made of a substance whose specific resistance is less than 20 ohm cm, and which are embedded in a medium whose specific electrical resistance is greater than 106 ohm cm, in such a way that they do not touch each other, but through layers are separated from each other, the mean thickness of which is 10-3 to 10-4 cm.
The invention also relates to a process for producing this electrical resistor. The figure of the accompanying drawing shows the current-voltage curve of an exemplary embodiment of the resistor according to the invention. Ui is the voltage drop due to conduction in the interior of the highly conductive grains. U "is the voltage drop within the separating layers.
The two curves are superimposed to form the total voltage drop Utot. If a voltage is applied to the resistor, a substantial passage of current only takes place when the field strength in the separating layers has increased so much that the blocking effect is canceled. This results in a qualitative course that is shown in the figure. The transition from the non-conductive to the conductive state occurs all the more sharply, the more even the distance between the conductive grains is.
So that the relatively strong separating layers can be overcome despite a relatively small voltage, which corresponds to an average field strength within the resistance material of the order of magnitude of 1000 volts / cm, the presence of corners and edges on the conductive grains turns out to be advantageous because. as a result, as is known, depending on the radius of curvature of the edges, an increase in the electrical field strength occurs.
Broken substances of a crystalline nature with a diameter of 0.05 to 0.5 mm are suitable as the starting material for the production of these conductive grains.
In order to let the voltage drop Utpt on the arrester (see figure in the accompanying drawing) increase as little as possible when deriving large currents, grains are advantageously used whose voltage drop (Ui) inside is as small as possible due to ohmic resistance, e.g. B. Metals. But it can also electron semiconductors with a specific fish resistance less than 20 ohm cm, z.
B. silicon carbide with inclusions of carbon, silicon, iron or aluminum of at least 1% of the grain weight together are used. While pure silicon carbide is to be considered a good insulator, silicon carbide, which has the aforementioned insoles, has a specific resistance of less than 20 ohm cm.
However, any technical silicon carbide with a specific resistance of less than 20 Ohm cm can be used. To achieve the most uniform possible spacing of the grains made of conductive material, i. H.
Uniform separating layers, it is expedient to mix substances of a certain uniform granularity, the grain size of which corresponds to the desired distance between the conductive grains, that is to say with a diameter between 1 "and 10-a cm, with a binding agent.
The mechanical strength of this distancing additive must advantageously be so great that the granules of which it is made are not crushed when shaped under pressure. Your specific resistance at room temperature should expediently be greater than 106 ohm cm, although it is also sufficient if the medium formed from distancing granules and binding agent has such a high specific resistance.
The specific resistance must also be changed in the subsequent hardening process, which can consist of about 1200 'C, or in chemical reactions within the binder, respectively. do not drop below 106 ohm cm. Powders of the desired fineness made of aluminum oxide (specific resistance at 20 C = 1012 ohm cm), glass (specific resistance = 5.1011 ohm cm), quartz (specific resistance = 5.1018 ohm cm), titanium oxide are best suited (specific resistance = 1014 Ohm cm) etc., or a mixture of the named substances.
The binding agent can consist of a) a ceramic substance (for example clay), b) a substance that sets with water (for example plaster of paris), e) a substance that hardens in air (for example water glass).
It is also possible that the distancing particles themselves take on the role of binding means. The shaped bodies must then be heated to the sintering temperature of the distancing particles.
The presence of distancing particles can be clearly determined by microscopic observation of a polished section of the resistor. In this way, the average thickness of the separating layers can also be determined.
When a current passes through, the resistance material heats up somewhat, which naturally changes the specific electrical resistances of the materials used by 15 to 20%. This results in a hysterical phenomenon, insofar as the ascending and descending branches of the current-voltage characteristic do not coincide. Since the warming and the associated decrease in the specific resistances are already noticeable in the rising branch, the "valve-like" effect of the resistance is still increased.
This phenomenon does not affect the quality of the current-voltage curve. In the manufacture of the resistors z. B. proceeded so that grains of tech African silicon carbide are coated with the binder containing the distan decorating parts, whereupon the resulting mass is pressed into the desired shape. If spacing particles made of glass are used, a pressure of 50 atm is obtained. a 'solid structure without the distancing particles being crushed.
The shaped body can then be fired at the sintering temperature of glass. Instead of glass, a ceramic material could also be used.
The conductive grains are expediently mixed into a moist paste containing the particles intended for distancing. The particles can be dried on the grains or burned in the oven. In the first case, one of the binders mentioned is expediently added to the slurry.
In order to prevent gas discharges of any kind inside the resistor, for example in the form of flashovers in the pores produced during manufacture and to prevent moisture from entering, the cavities can be covered with an insulating material such as paraffin (specific resistance at 20 C = '5 , 1018 0'hmcm), wax (specific resistance at 20 C = 2.1015 ohm cm), synthetic resin (specific resistance at 20 ° C = 2.101 ohm cm),
garnauba wax (specific resistance at 20 ° C = 1014 ohm cm), oil (specific resistance at 20 ° C = 1016 ohm cm), casein derivatives (specific resistance at 20 ° C = 2_1010 ohm. cm), etc. Clay (specific resistance at 201 C = 1014 Ohm cm) can also serve as a filler. The embedding medium of such a resistance then has one of these fillers with a specific resistance of at least 106 ohms.
To prevent flashovers outside the resistance, the 3vlantelflä.e of the resistance, the z. B. has the shape of a round disc or column, be provided with a coating that z. B. made of paraffin, wax, synthetic resin, lacquer or some other substance, the specific resistance of which is not less than that of the substances mentioned, suitably not less than <B> 1010 </B> ohm cm.