DE102010003030A1

DE102010003030A1 - Hochleistungsmassewiderstand

Info

Publication number: DE102010003030A1
Application number: DE201010003030
Authority: DE
Inventors: Uwe Gutsche; Dipl.-Chem. Born René; Prof. Dr.-Ing. habil. Bauch Jürgen
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-09-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochleistungsmassewiderstand 1, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Trägermaterial 2, einem elektrisch leitenden Widerstandsmaterial 3 und einem elektrisch leitenden Verbindungsmaterial 4, die als Widerstandskörper ausgebildet sind. Das Widerstandsmaterial 3 und das Verbindungsmaterial 4 weisen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und Widerstands-Temperatur-Koeffizienten auf und sind derart in das Trägermaterial 2 eingebettet, dass über die Anteile von Trägermaterial 2, Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4 der elektrische Gesamtwiderstand sowie der Widerstands-Temperatur-Koeffizient und damit die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Gesamtwiderstandes einstellbar sind. Das Volumen des Trägermaterials 2 ist dabei im Verhältnis zu den Volumina des Widerstandsmaterials 3 oder des Verbindungsmaterials 4 temperaturunabhängig.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochleistungsmassewiderstand und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Gattungsgemäße Massewiderstände weisen eine Mischung aus elektrisch leitenden und elektrisch nichtleitenden Komponenten auf. Als elektrisch leitende Komponenten werden beispielsweise Kohlenstoff beziehungsweise Graphit sowie Metalle oder Metallverbindungen verwendet. Der spezifische elektrische Widerstand von elektrischen Leitern bewegt sich im Bereich von 0,02 Ω·mm²/m bis 0,2 Ω·mm²/m. Der spezifische elektrische Widerstand von Graphit liegt bei 8 Ω·mm²/m, von Kohlenstoff bei 35 Ω·mm²/m und von Halbleitern bei über 100.000 Ω·mm²/m. Da Kohlenstoff allerdings nicht sehr temperaturbeständig ist, ist er für Leistungsbauteile, bei denen im Betrieb eine Erwärmung auftritt, nur bedingt geeignet. Für die Auslegung einer Komponente als elektrischer Widerstand sind spezifische elektrische Widerstände von einigen Hundert bis Tausend Ω·mm²/m notwendig. Diese Werte sind nur mit Stoffgemischen erreichbar.
Als nichtleitende Komponenten der herkömmlichen Massewiderstände werden meist Harze, Lacke, Zement, keramische Werkstoffe oder ähnliche Materialien eingesetzt. Aus dem Stand der Technik ist die Herstellung der Massewiderstände bekannt, keramische Bestandteile mit Teilchen einer leitenden Komponente zu vermischen, die vermischte Menge zu einem Widerstandskörper zu formen und anschließend zu sintern. Ein derart hergestellter Massewiderstand ist durch ein poröses Gefüge aus elektrisch nichtleitendem Material gekennzeichnet, das von einer ebenfalls porösen Struktur aus elektrisch leitendem Material vollständig durchdrungen ist. Die Struktur aus elektrisch leitendem Material weist eine Vielzahl von punktförmigen Kontaktstellen auf.
Im Stand der Technik ist außerdem bekannt, Hochleistungswiderstände nicht nur als Massewiderstände, sondern auch in Form von gewickelten Drahtwiderständen oder Schichtwiderständen zu fertigen.
Drahtwiderstände erreichen ihren Widerstandswert einerseits durch einen entsprechend geringen Querschnitt des Widerstandswerkstoffes, der in Form eines langen und dünnen Drahtes ausgebildet ist und um einen Keramik- oder temperaturbeständigen Kunststoffkörper gewickelt ist. Als Widerstandswerkstoff wird meist eine geeignete Metall-Legierung, wie Manganin und Konstantan oder auch eine hochtemperaturfeste Eisen-Nickel-Legierung, verwendet. Andererseits lässt sich durch das Legieren verschiedener Metalle der spezifische elektrische Widerstand variieren.
Drahtwiderstände sind langzeit- sowie temperaturstabil und mit geringer Toleranz herstellbar. Sie weisen gegenüber Schichtwiderständen eine höhere Impulsbelastbarkeit bei größerer thermischer Dauerbelastbarkeit auf.
Ein derart gewickelter Drahtwiderstand weist zudem einen hohen induktiven Anteil auf und stellt somit eine Spule mit hoher Induktivität dar. Aus diesem Grund ist der gewickelte Drahtwiderstand für Impuls- und Hochfrequenzanwendungen nicht geeignet.
Schichtwiderstände werden aus einer Mischung aus elektrisch leitendem und elektrisch nichtleitendem Material gefertigt, die auf einen elektrisch nichtleitenden Trägerkörper aufgetragen ist. Durch die Mischung von elektrisch leitendem und nichtleitendem Material werden dünne Strompfade erzeugt, die den gewünschten Widerstandswert ergeben. Mittels des elektrisch nichtleitenden Materials wird einerseits die mechanische Festigkeit der dünnen, leitenden Strompfade sichergestellt. Andererseits behindert das elektrisch nichtleitende Material die notwendige Ableitung der im Widerstand entstehenden Wärme, sodass Schichtwiderstände nur eine geringe Leistung aufnehmen können.
Die verschiedenen Materialien der Widerstandsschichten werden nach der gewünschten Genauigkeit und der Temperaturstabilität ausgewählt. Während beispielsweise Schichten aus Kohlenstoff einen negativen Temperaturkoeffizienten haben und sehr ungenau sind, weisen Schichten aus Metallen im Allgemeinen einen positiven Temperaturkoeffizienten auf. Metallschichtwiderstände lassen sich mit höchsten Genauigkeiten und abhängig von der Legierung mit sehr geringen Temperaturkoeffizienten fertigen.
Aus der DE 1 490 546 geht ein elektrischer Schichtwiderstand hervor, der zur Vermeidung eines Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes eine Widerstandsschicht aufweist, die aus verschiedenartigen, auf einen nicht leitenden Tragkörper aufgebrachten Widerstandsschichten mit entgegengesetzt gerichteten Temperaturkoeffizienten ausgebildet ist. Die Temperaturkoeffizienten der unterschiedlichen Widerstandsschichten, bestehend aus Kohlenstoff und Metall, kompensieren sich wegen ihres gegensinnigen Temperaturverhaltens.
Die als Alternativen zu den Draht- und Schichtwiderständen bekannten Massewiderstände vereinen die Vorteile der Draht- und Schichtwiderstände. Massewiderstände sind nichtinduktive Widerstände mit hoher Leistungsaufnahme und werden beispielsweise als Kohle-Massewiderstand, Kohlekeramik-Massewiderstand oder Metallkeramik-Massewiderstand ausgeführt.
Den im Stand der Technik bekannten Systemen ist zu eigen, dass sowohl bei den Draht- und Schichtwiderständen als auch bei den herkömmlichen Massewiderständen eine starke materialbedingte Abhängigkeit des Widerstandswertes von der Temperatur besteht, die je nach Verwendungszweck erwünscht sein kann. Für regelungstechnische Anwendungen sind beispielsweise positive oder negative Widerstands-Temperatur-Koeffizienten notwendig. In der Leitungstechnik werden im Gegensatz dazu meist temperaturunabhängige Widerstände gefordert.
Um die von der Temperaturänderung abhängige Widerstandsänderung den jeweiligen Anforderungen entsprechend anzupassen, werden die Widerstände bisher aus einer zum Teil unüberschaubaren Vielzahl von Zusatzkomponenten mit jeweils verschiedenen Temperaturkoeffizienten hergestellt. Die Zusatzkomponenten sind dabei meist sehr selten und damit kostenintensiv in der Anschaffung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen nichtinduktiven Massewiderstand mit hoher Leistungsaufnahme und ein Verfahren zu dessen Herstellung zur Verfügung zu stellen. Der Hochleistungsmassewiderstand soll die Eigenschaft der Temperaturunabhängigkeit des Widerstandswertes aufweisen sowie einfach herzustellen sein. Bei der Herstellung sollen der Widerstandswert und der Widerstands-Temperatur-Koeffizient in weiten Bereichen einstellbar sein, wobei die Fertigung des Hochleistungsmassewiderstandes aus wenigen, handelsüblichen und damit leicht verfügbaren sowie kostengünstigen Komponenten zu realisieren sein soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Hochleistungsmassewiderstand, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Trägermaterial, einem elektrisch leitenden Widerstandsmaterial und einem elektrisch leitenden Verbindungsmaterial, die als makroskopisch homogener Widerstandskörper ausgebildet sind, gelöst.
Nach der Konzeption der Erfindung weisen das Widerstandsmaterial und das Verbindungsmaterial unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und Widerstands-Temperatur-Koeffizienten auf. Das Volumen des Trägermaterials ist im Verhältnis zu den Volumina des Widerstandsmaterials oder des Verbindungsmaterials temperaturunabhängig, das heißt die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Widerstandsmaterial und Verbindungsmaterial sind bedeutend größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Trägermaterials beziehungsweise das Verhältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Widerstandsmaterial oder Verbindungsmaterial zu dem des Trägermaterials ist sehr groß. Es handelt sich dabei nicht um eine absolute Temperaturunabhängigkeit des Volumens des Trägermaterials, sondern lediglich um eine im Verhältnis zu den Volumina des Widerstandsmaterials oder des Verbindungsmaterials relative Unabhängigkeit von der Temperatur. Das Verhältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Widerstandsmaterial oder Verbindungsmaterial zu dem des Trägermaterials liegt beispielsweise bei etwa 25 und darüber.
Der erfindungsgemäße Hochleistungsmassewiderstand ist derart ausgebildet, dass das Widerstandsmaterial und das Verbindungsmaterial innerhalb des porösen Trägermaterials eingebettet sind, das heißt innerhalb der vom Trägermaterial gebildeten Poren. Infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Widerstandsmaterial und Verbindungsmaterial, die sich bei einer Temperaturerhöhung in ihrem Volumen ausdehnen, und deren Integration innerhalb des Trägermaterials, das sich bei einer Temperaturerhöhung nur sehr wenig ausdehnt, tritt eine mechanische Spannung auf, die zum Ausweichen des weicheren Verbindungsmaterials in die Hohlräume des porösen Trägermaterials und damit zur Vergrößerung der Kontaktflächen zwischen Widerstandsmaterial und Verbindungsmaterial führt. Die Vergrößerung der Kontaktflächen entspricht einer Vergrößerung des Querschnittes der einzelnen Strompfade, da die Kontaktstellen die Orte mit dem geringsten Querschnitt und damit des größten elektrischen Widerstandes sind. Damit wird der ebenfalls mit der Temperatur veränderliche spezifische elektrische Widerstand des Widerstandsmaterials und des Verbindungsmaterials durch die Vergrößerung der Querschnitte der Strompfade zumindest zum Teil kompensiert, sodass die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes des Hochleistungsmassewiderstandes einstellbar ist. Die Volumenausdehnung bei Temperaturänderung wirkt damit der werkstoffabhängigen Änderung des elektrischen Widerstandes bei Temperaturänderung entgegen.
Bei einer vollständigen Kompensation der Änderung des spezifischen elektrischen Widerstandes mit der Temperatur mittels der Vergrößerung der Strompfade bleibt der Widerstandswert des Hochleistungsmassewiderstandes konstant. Dann stehen die Anteile von Trägermaterial, Widerstandsmaterial und Verbindungsmaterial derart im Verhältnis zueinander, dass der Hochleistungsmassewiderstand einen von der Temperatur unabhängigen Widerstandswert aufweist. Nach dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der nichtinduktive Hochleistungsmassewiderstand durch Ausnutzung der temperaturbedingten Ausdehnung von Widerstandsmaterial und Verbindungsmaterial ein temperaturunabhängiger Widerstand.
Erfindungsgemäß sind damit der elektrische Gesamtwiderstand sowie der Widerstands-Temperatur-Koeffizient und damit die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Gesamtwiderstandes mit Hilfe der Anteile von Trägermaterial, Widerstandsmaterial und Verbindungsmaterial in einem breiten Bereich einstellbar. Über das Mischungsverhältnis beziehungsweise die Anteile sind der elektrische Gesamtwiderstand in einem Bereich zwischen etwa einem Ω bis mehreren kΩ und der Widerstands-Temperatur-Koeffizient zwischen –0,3% pro Kelvin und +3% pro Kelvin einstellbar. Der elektrische Gesamtwiderstand liegt beispielsweise in einem Bereich von 0,7 Ω bis 20 kΩ, bevorzugt zwischen 50 Ω und 200 Ω, kann für Anwendungen mit Impulsbetrieb, das heißt mit Zeitspannen der Belastung im Mikrosekundenbereich, auch bis zu 1 MΩ betragen. Der spezifische elektrische Widerstand liegt im Bereich von etwa 800 Ω·mm²/m bis 30 MΩ·mm²/m, wobei die Angaben zum spezifischen elektrischen Widerstand nur im Zusammenhang mit der Geometrie des Körpers zu einem konkreten elektrischen Widerstandswert führen.
Nach alternativen Ausgestaltungen der Erfindung stehen die Anteile von Trägermaterial, Widerstandsmaterial und Verbindungsmaterial derart im Verhältnis zueinander, dass der Hochleistungsmassewiderstand einen positiven oder einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen sowohl das Widerstandsmaterial als auch das Verbindungsmaterial als Kaltleiter einen positiven Temperaturkoeffizienten auf.
Als Widerstandsmaterial und Verbindungsmaterial können metallische, niederohmige Werkstoffe verwendet werden, wobei das Verbindungsmaterial niederohmiger als das Widerstandsmaterial ausgebildet ist. Das Widerstandsmaterial weist dabei im Verhältnis zum Verbindungsmaterial eine größere Härte auf.
Während als Trägermaterial bevorzugt ein keramischer Werkstoff, Glas oder Zement verwendet wird, werden als Widerstandsmaterial Eisenmetalle oder deren Legierungen und als Verbindungsmaterial Buntmetalle, wie Kupfer, oder deren Legierungen eingesetzt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Trägermaterial einen Masseanteil von 55% bis 85% aufweist. Dieser Anteil bezieht sich auf die Gesamtmasse, die sich wiederum aus den Massen des Trägermaterials, des Widerstandsmaterials und des Verbindungsmaterials zusammensetzt. Der Masseanteil des Trägermaterials von 55% bis 85% entspricht einem Volumenanteil, bezogen auf das Gesamtvolumen, von etwa 80% bis 95%. Der Bereich für einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten beziehungsweise einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes von Null liegt bei einem Masseanteil von 73% bis 85%, was einem Volumenanteil von 90% und 95% entspricht.
Des Weiteren weist das Verbindungsmaterial einen Masseanteil im Bereich von 13% bis 27% auf, wobei sich der Masseanteil auf die Summe der Massen aus Verbindungsmaterial und Widerstandsmaterial bezieht. Der Masseanteil des Verbindungsmaterials von 13% bis 27% entspricht einem Volumenanteil, bezogen auf das Volumen aus Verbindungsmaterial und Widerstandsmaterial, von 12% bis 25%.
Der Bereich des Masseanteils des Verbindungsmaterials für einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten beziehungsweise einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes von Null erstreckt sich dabei von 15% bis 21%, was einem Volumenanteil von 14% bis 19% entspricht.
Das Verfahren zur Herstellung eines Hochleistungsmassewiderstandes ist durch folgende Schritte charakterisiert:

– Mischen eines pulverförmigen Trägermaterials, eines pulverförmigen Widerstandsmaterials und eines pulverförmigen Verbindungsmaterials,
– Pressen der Mischung aus Trägermaterial, Widerstandsmaterial und Verbindungsmaterial zu einem Widerstandskörper und anschließendes
– Sintern des makroskopisch homogenen Widerstandskörpers, wobei der Widerstandskörper – einer definierten Atmosphäre ausgesetzt wird, – unter einer Temperaturerhöhung bis zum Erreichen einer Endtemperatur aufgeheizt wird und – anschließend der Endtemperatur ausgesetzt wird,
– Abkühlen des Widerstandskörpers innerhalb der definierten Atmosphäre und
– Anbringen von elektrischen Anschlüssen an den Widerstandskörper.

Der Pressdruck wird dabei bevorzugt zwischen 22 MPa und 500 MPa eingestellt. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur der Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit von 10 K pro Minute bis zu einer Endtemperatur von 930°C erhöht. Anschließend wird der Widerstandskörper dieser Atmosphäre mit 930°C 30 Minuten lang ausgesetzt. Als Atmosphäre in Form einer Schutzgasatmosphäre zur Verhinderung beziehungsweise zum Schutz unerwünschter Reaktionen während des Sintervorganges wird bevorzugt eine Wasserstoffatmosphäre ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Lösung vereint diverse Vorteile. Der Hochleistungsmassewiderstand

– weist als nichtinduktiver Widerstand eine hohe Leistungsaufnahme und hohe Impulsbelastbarkeit bei thermischer Dauerbelastbarkeit auf und
– ist für Impuls- und Hochfrequenzanwendungen geeignet,
– gewährt je nach Verwendungszweck eine materialbedingte Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Temperatur oder einen temperaturunabhängigen elektrischen Widerstandswert, wobei der elektrische Widerstand und der Widerstands-Temperatur-Koeffizient bei der Herstellung in weiten Bereichen einstellbar sind, und
– ist aus wenigen, handelsüblichen und damit leicht verfügbaren sowie kostengünstigen Komponenten herstellbar.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Gefüge der Komponenten des Hochleistungsmassewiderstandes im kalten Zustand,
2: Gefüge der Komponenten des Hochleistungsmassewiderstandes im warmen Zustand,
3: Widerstandswert und Temperatur unter Veränderung der Spannung, aufgetragen über der Zeit – positiver Widerstands-Temperatur-Koeffizient (PTC),
4: Widerstandswert und Temperatur unter Veränderung der Spannung, aufgetragen über der Zeit – negativer Widerstands-Temperatur-Koeffizient (NTC) und
5: Widerstands-Temperatur-Koeffizienten abhängig von den Volumenanteilen von Kupfer/Stahl und Glas.
In den 1 und 2 ist das Gefüge des Werkstoffes des Hochleistungsmassewiderstandes, aus unterschiedlichen Komponenten bestehend, dargestellt. 1 zeigt das Gefüge im kalten Zustand und 2 im warmen Zustand. Durch Anlegen einer Spannung an den Hochleistungsmassewiderstand 1 und der damit verbundenen Leistungsaufnahme steigt die Temperatur T des Gefüges. Das Gefüge erwärmt sich und geht vom kalten in einen warmen Zustand über.
Der Hochleistungsmassewiderstand 1 besteht aus den drei Hauptkomponenten Trägermaterial 2, Widerstandsmaterial 3 und internes Verbindungsmaterial 4. Alle drei Ausgangsstoffe werden bei der Herstellung des Hochleistungsmassewiderstandes 1 in Pulverform miteinander vermischt und in eine gewünschte Form gepresst. Anschließend wird der gepresste Körper gesintert und mit Kontakten für den elektrischen Anschluss versehen.
Die verschiedenen Komponenten des Hochleistungsmassewiderstandes 1 weisen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und dehnen sich damit bei Erwärmung des Gefüges unterschiedlich stark aus. Dadurch vergrößern sich die Kontaktflächen zwischen dem Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß zur Kompensation der spezifischen Widerstandsänderung genutzt.
Als Trägermaterial 2 wird ein gut verfügbarer und damit vergleichsweise preiswerter Werkstoff, wie Glas oder Keramik, eingesetzt. Der elektrisch nichtleitende Werkstoff des Trägermaterials 2 weist eine hohe mechanische Festigkeit und einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Das Trägermaterial 2 bildet den größten Volumenanteil und damit den Grundkörper des Hochleistungsmassewiderstandes 1. Der Grundkörper verleiht dem Gefüge die erforderliche mechanische Festigkeit und dient als starrer Rahmen für die elektrisch leitenden Werkstoffe des Widerstandsmaterials 3 und Verbindungsmaterials 4.
Das elektrisch leitende Widerstandsmaterial 3 weist im Verhältnis zum Verbindungsmaterial 4 einen größeren elektrischen Widerstand und eine größere Härte auf. Als Werkstoff wird beispielsweise Stahl verwendet, der den eigentlichen elektrischen Widerstand des Hochleistungsmassewiderstandes 1 darstellt.
Das Verbindungsmaterial 4 ist als elektrisch leitendes Kontaktmaterial im Wesentlichen zwischen den Partikeln des Widerstandsmaterials 3 eingelagert und verbindet die einzelnen Partikel des Widerstandsmaterials 3 untereinander. Das Verbindungsmaterial 4 weist dabei im Verhältnis zum Widerstandsmaterial 3 eine geringere Härte auf und ist niederohmiger ausgebildet. Als Werkstoff wird beispielsweise Kupfer eingesetzt.
Bei anliegender Spannung beziehungsweise Leistungsaufnahme durch den Hochleistungsmassewiderstand 1 steigt die Temperatur T des Gefüges und damit der spezifische elektrische Widerstand der metallischen Werkstoffe des Widerstandsmaterials 3 und des Verbindungsmaterials 4. Zudem dehnen sich die metallischen Werkstoffe je nach Größe der thermischen Ausdehnungskoeffizienten in ihren geometrischen Abmessungen aus. Die Volumina vergrößern sich mit ansteigender Temperatur T. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials 3 ist dabei deutlich größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des nichtleitenden Trägermaterials 2, das heißt das Widerstandsmaterial 3 dehnt sich bei ansteigender Temperatur T und gleicher Temperaturänderung wesentlich stärker aus als das Trägermaterial 2. Die aus den unterschiedlichen Ausdehnungen resultierende mechanische Spannung führt dazu, dass das Verbindungsmaterial 4 in die Hohlräume des porösen Trägermaterials 2 gedrückt wird. Dadurch vergrößern sich die Kontaktflächen zwischen Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4, was eine Vergrößerung der Querschnitte der einzelnen Strompfade bedeutet. In 1 liegen die Komponenten des Gefüges im kalten Zustand vor. Die Kontaktflächen zwischen Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4 werden durch die Abmessungen a, b gekennzeichnet. Während der Erwärmung des Gefüges und dem Ausdehnen der Komponenten vergrößern sich die Kontaktflächen zwischen Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4. Die vergrößerten Kontaktflächen werden durch einen Vergleich der Abmessungen a, b aus 1 mit den Abmessungen a', b' aus 2 deutlich. Die Abmessungen a', b' der Kontaktfläche im warmen Zustand des Gefüges sind größer als die Abmessungen a, b der Kontaktfläche im kalten Zustand des Gefüges.
Der mit der Temperatur T ansteigende spezifische elektrische Widerstand der metallischen Werkstoffe des Widerstandsmaterials 3 und des Verbindungsmaterials 4 sowie der damit ansteigende elektrische Widerstandswert der metallischen Verbindungen wird durch größere Querschnitte der Strompfade kompensiert, sodass die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswertes des Hochleistungsmassewiderstandes 1 einstellbar ist und, wenn erforderlich, auch konstant bleibt.
Die Anteile beziehungsweise das Mischungsverhältnis der drei Komponenten Trägermaterial 2, Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4 bestimmen somit zum einen den Gesamtwiderstand und zum anderen die Kompensation der Widerstandsänderung bei Erwärmung des Hochleistungsmassewiderstandes 1, das heißt den Widerstands-Temperatur-Koeffizienten. Der Widerstandswert lässt sich dabei je nach Mischungsverhältnis im Bereich von etwa einem Ω bis mehrere kΩ und der Widerstands-Temperatur-Koeffizient von –0,3% pro Kelvin bis +3% pro Kelvin einstellen.
Die 3 und 4 zeigen die Verläufe von Widerstandswert R und Temperatur T unter Veränderung der Spannung, aufgetragen über einen bestimmten Zeitabschnitt. Durch Veränderung der Spannung über dem Hochleistungsmassewiderstand 1 wird die Temperatur T des Gefüges variiert. Dadurch verändert sich auch der Widerstandswert R des Hochleistungsmassewiderstandes 1. Je nach Zusammensetzung des Gefüges, beispielsweise aus Glas als Trägermaterial 2 sowie Stahl und Kupfer als Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4, lassen sich bei der Herstellung des Hochleistungsmassewiderstandes 1 positive und negative Widerstands-Temperatur-Koeffizienten einstellen.
3 zeigt die Verläufe von Widerstandswert R und Temperatur T eines Hochleistungsmassewiderstandes 1 mit positivem Temperaturkoeffizienten (engl. Positive Temperature Coefficient – PTC). Temperaturabhängige Widerstände sind elektrisch leitende Materialien mit einer gezielt ausgeprägten Temperaturabhängigkeit. PTC-Widerstände sind dabei so genannte Kaltleiter, die bei tieferen Temperaturen T einen geringeren Widerstandswert R aufweisen als bei hohen Temperaturen T und damit den elektrischen Strom bei geringen Temperaturen T besser leiten als bei hohen Temperaturen T. Der elektrische Widerstandswert R vergrößert sich mit ansteigender Temperatur T. Die verwendeten Metalle Kupfer und Stahl weisen positive Temperaturkoeffizienten auf und sind somit Kaltleiter.
In 4 sind die Verläufe von Widerstandswert R und Temperatur T eines Gefüges mit negativem Temperaturkoeffizient (engl. Negative Temperature Coefficient – NTC) dargestellt. NTC-Widerstände sind Heißleiter, die bei hohen Temperaturen T einen geringeren Widerstandswert R aufweisen als bei niedrigen Temperaturen T und damit den elektrischen Strom bei hohen Temperaturen T besser leiten als bei niedrigen Temperaturen T. Der elektrische Widerstandswert R verringert sich mit ansteigender Temperatur T. Heißleitendes Verhalten zeigen ansonsten beispielsweise reine Halbleitermaterialien oder verschiedene Legierungen.
5 zeigt die Widerstands-Temperatur-Koeffizienten von erfindungsgemäßen Hochleistungsmassewiderständen 1 abhängig von den Verhältnissen der Volumina von Kupfer/Stahl und Glas. Auf der Abszisse sind die Verhältnisse von Kupfer als Verbindungsmaterial 4 und Stahl als Widerstandsmaterial 3 aufgetragen. Die Ordinate enthält den Anteil von Glas als Trägermaterial 2 innerhalb des Gefüges. Oberhalb der ersten durchgezogenen Linie, die sich ausgehend von 93% Glasanteil und einem Anteil von etwa 10% Kupfer und 90% Stahl bis hin zu 91% Glasanteil und einem Anteil von etwa 23% Kupfer und 77% Stahl erstreckt, ist der Hochleistungsmassewiderstand 1 als PTC-Widerstand ausgebildet. Unterhalb der zweiten durchgezogenen Linie, die sich ausgehend von etwa 93% Glasanteil und einem Anteil von etwa 12% Kupfer und 88% Stahl bis hin zu 91% Glasanteil und einem Anteil von etwa 45% Kupfer und 55% Stahl erstreckt, ist der Hochleistungsmassewiderstand 1 ein NTC-Widerstand. Im Bereich zwischen den genannten Linien ist der Widerstands-Temperatur-Koeffizient des Gefüges für praktische Anwendungen Null.
Bezugszeichenliste

1: Hochleistungsmassewiderstand
2: Trägermaterial
3: Widerstandsmaterial
4: Verbindungsmaterial
a, b: Abmessung einer Kontaktfläche im kalten Zustand des Gefüges
a', b': Abmessung einer Kontaktfläche im warmen Zustand des Gefüges
T: Temperatur
R: Widerstandswert
PTC: positiver Temperaturkoeffizient (engl. positive temperature coefficient)
NTC: negativer Temperaturkoeffizient (engl. negative temperature coefficient)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1490546 [0010]

Claims

Hochleistungsmassewiderstand 1, bestehend aus einem elektrisch nichtleitenden Trägermaterial 2, einem elektrisch leitenden Widerstandsmaterial 3 und einem elektrisch leitenden Verbindungsmaterial 4, die als Widerstandskörper ausgebildet sind, wobei das Widerstandsmaterial 3 und das Verbindungsmaterial 4 unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten und Widerstands-Temperatur-Koeffizienten aufweisen und derart in das Trägermaterial 2 eingebettet sind, dass über die Anteile von Trägermaterial 2, Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4 der elektrische Gesamtwiderstand sowie der Widerstands-Temperatur-Koeffizient und damit die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Gesamtwiderstandes einstellbar sind, wobei das Volumen des Trägermaterials 2 im Verhältnis zu den Volumina des Widerstandsmaterials 3 oder des Verbindungsmaterials 4 temperaturunabhängig ist.
Hochleistungsmassewiderstand 1 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile von Trägermaterial 2, Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4 derart im Verhältnis zueinander stehen, dass der Hochleistungsmassewiderstand 1 einen von der Temperatur T unabhängigen Widerstandswert R aufweist.
Hochleistungsmassewiderstand 1 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile von Trägermaterial 2, Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4 derart im Verhältnis zueinander stehen, dass der Hochleistungsmassewiderstand 1 einen positiven oder einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist.
Hochleistungsmassewiderstand 1 nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmaterial 3 und das Verbindungsmaterial 4 als Kaltleiter mit positivem Temperaturkoeffizienten ausgebildet sind.
Hochleistungsmassewiderstand 1 nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmaterial 3 und das Verbindungsmaterial 4 metallische, niederohmige Werkstoffe sind, wobei das Verbindungsmaterial 4 niederohmiger als das Widerstandsmaterial 3 ausgebildet ist.
Hochleistungsmassewiderstand 1 nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – das Trägermaterial 2 ein keramischer Werkstoff oder Glas ist, – das Widerstandsmaterial 3 aus Eisenmetallen oder Eisenmetalllegierungen und – das Verbindungsmaterial 4 aus Kupfer oder Kupferlegierungen besteht.
Hochleistungsmassewiderstand 1 nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial 2 einen Masseanteil, bezogen auf die Gesamtmasse, zusammengesetzt aus Trägermaterial 2, Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4, von 55% bis 85% aufweist, wobei der Bereich einem Volumenanteil, bezogen auf das Gesamtvolumen, von 80% bis 95% entspricht.
Hochleistungsmassewiderstand 1 nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial 2 einen Masseanteil, bezogen auf die Gesamtmasse, zusammengesetzt aus Trägermaterial 2, Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4, von 73% bis 85% aufweist, wobei der Bereich einem Volumenanteil, bezogen auf das Gesamtvolumen, von 90% bis 95% entspricht.
Hochleistungsmassewiderstand 1 nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial 4 einen Masseanteil, bezogen auf die Masse aus Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4, von 13% bis 27% aufweist, wobei der Bereich einem Volumenanteil von 12% bis 25% entspricht.
Hochleistungsmassewiderstand 1 nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial 4 einen Masseanteil, bezogen auf die Masse aus Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4, von 15% bis 21% aufweist, wobei der Bereich einem Volumenanteil von 14% bis 19% entspricht.
Hochleistungsmassewiderstand 1 nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis aus Trägermaterial 2, Widerstandsmaterial 3 und Verbindungsmaterial 4 die Kompensation der Änderung des elektrischen Widerstandes bei Temperaturänderung bestimmt, wobei der Widerstands-Temperatur-Koeffizient zwischen –0,3% und +3% pro Kelvin einstellbar ist und die Volumenausdehnung bei Temperaturänderung der werkstoffabhängigen Änderung des elektrischen Widerstandes bei Temperaturänderung entgegenwirkt.