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Festkörperschaltelement ohne gleichrichtenden Übergang Die Priorität
der Anmeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika vom 24. März 1966 Nr. 537187
ist in Anspruch genommen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft nichtgleichrichtende Schalter mit
Phasenänderung, d. h. Schaltelemente, die zumindest zwei physikalische Zustände
aufweisen und mittels geeigneter Steuersignale zwischen diesen Zuständen geschaltet
werden können. Die Erfindung ermöglicht insbesondere die Herstellung verbesserter
Schalter mit Phasenänderung, welche beständige Schalteigenschaften aufweisen.
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In der Fachwelt sind Halbleitermaterialien mit zwei oder mehr stabilen
Zuständen unterschiedlicher elektrischer Eigenschaften allgemein bekannt. Beispielsweise
offenbart das kanadische Patent 699155 -J.F.Dewald, W.R.Northover und A. D. P e
a r s o n - eine Gruppe derartiger Materialien mit Gemischen des ternären Systems
Arsen-Tellur-Jod, die zumindest zwei stationäre Modifikationen aufweist, von denen
die eine sich durch einen relativ hohen elektrischen Widerstand und die andere durch
einen relativ niedrigen elektrischen Widerstand auszeichnet.
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Während verschiedene theoretische Erklärungen für das Verhalten derartiger
Materialien mit Strukturänderung geäußert wurden, wird nunmehr angenommen, daß der
niederohmige Zustand sich durch eine kristalline Struktur und der hochohmige Zustand
durch eine Struktur auszeichnet, die zwar begrenzt geordnet, aber makroskopisch
amorph oder polykristallin ist. Wird das strukturänderungsfähige Material über eine
kritische Temperatur erhitzt und danach schnell abgekühlt, dann hat es keine Gelegenheit,
eine geordnete kristalline Struktur zu bilden, und verbleibt deshalb im Zustand
eines hohen Widerstandes. Wird das erhitzte Material von der hohen kritischen Temperatur
langsam abgekühlt, dann geht es in eine geordnete Kristallstruktur über und nimmt
dabei einen Zustand relativ niedrigen Widerstandes an. Es sollte betont werden,
daß diese Materialien der Natur nach mikroskopisch homogen sind und keine Sperrschichten
oder pn-Übergänge enthalten; deshalb sind derartige Bauelemente grundsätzlich zum
Betrieb sowohl bei Wechselstrom als auch bei Gleichstrom geeignet.
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Bauelemente, die in einer derartigen Weise betrieben werden, daß sie
in einem der obengenannten Widerstandszustände nur kurzzeitig verbleiben - d. h.
solange das Schaltsignal vorhanden ist -, werden als monostabil bezeichnet, während
Bauelemente als bistabil bezeichnet werden, die in einem der Widerstandszustände
verbleiben, nachdem das Steuersignal beseitigt ist, welches sie dorthin geschaltet
hat.
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Die vorliegende Erfindung ist sowohl auf monostabile als auch auf
bistabile Bauelemente anwendbar.
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Festkörperschaltelemente mit strukturänderungsfähigem Material, beispielsweise
nach der kanadischen Patentschrift 699155, liegen im allgemeinen in Form eines mit
mindestens zwei auseinanderliegenden Elektroden kontaktierten Körpers aus derartigem
Material vor. Das strukturänderungsfähige Material befindet sich anfangs entweder
im »Aus«-(hoher Widerstand) oder im »Ein«- (niedriger Widerstand) Zustand. Wird
ein Bauelement mit sich anfangs im »Aus«-Zustand befindlichem Material vermittels
einer an seine Elektroden angelegten geeigneten Spannung in den »Ein«-Zustand gebracht,
dann wird ein sich zwischen den Elektroden erstreckender Kanal von »Ein«-Material
gebildet.
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Ähnlich verbleibt nach dem »Einschalten« eines derartigen Bauelements
und anschließendem »Ausschalten« eine Zone von »Ein«-Material innerhalb der Masse
des »Aus«-Materials, das »Ein«-Material bildet jedoch keinen Kanal zwischen den
Elektroden.
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Auf Grund der Tatsache, daß die relativen Mengenverhältnisse des »Ein«..
und »Aus«-Materials dazu neigen, sich sowohl mit der Anzahl der Schaltzyklen des
Schaltelements mit strukturänderungsfähigem Material wie auch mit den Parametern
der daran angelegten elektrischen Steuersignale zu ändern, ist es bisher nicht möglich
gewesen, mit derartigen Bauelementen unter Verwendung relativ
einfacher
Schaltungsmittel eine stabile Betriebsweise zu erzielen.
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Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Schaltelemente mit strukturänderungsfähigem
Material beruht auf der Tatsache, daß Länge, Durchmesser und Lage des leitenden
Kanals, der sich beim »Einschalten« eines »Aus«-Bauelements bildet, dazu neigen,
sich von Schaltzyklus zu Schaltzyklus zu ändern. Auf Grund des Effektes dieser Änderung
ergibt sich ein Ein- oder Ausschalten des Bauelements in aufeinanderfolgenden Zyklen
bei unterschiedlichen Potentialen und/oder Strömen, wobei sich von Zyklus zu Zyklus
ein »Schwankungs«-Effekt ergibt. Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Schalter
mit strukturänderungsfähigem Material beruht auf den unterschiedlichen Dichten der
»Ein«- und »Aus«-Materialien; deshalb werden während der Wechselbeanspruchung des
Materials auf Grund einer unterschiedlichen Ausdehnung Spalten oder Mikrorisse gebildet,
welche die Schaltleistung beeinträchtigen.
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Durch die vorliegende Erfindung sollen die Probleme der Schwankungseffekte
und der Mikrorisse bei den bisher bekannten Schaltern mit strukturänderungsfähigem
Material behoben werden.
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Durch die vorliegende Erfindung sollen ferner Schalter mit strukturänderungsfähigem
Material angegeben werden, die gegen zum Schalten erforderliche Steuersignale unkritisch
sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit einSchaltelement mit einem
zwei ohmscheKontakte aufweisenden Körper aus einem Material, dessen hochohmiger
oder niederohmiger Zustand durch die Abkühlungsgeschwindigkeit nach einem Schmelzen
des Materials sowie durch ein Schaltstromsignal gewählt werden kann. Die obengenannten
Nachteile der bekannten Schaltelemente mit einem Material, dessen Struktur bzw.
Zustand nach dem Schmelzen durch Wahl der Abkühlungsgeschwindigkeit eingestellt
werden kann, werden erfindungsgemäß dadurch behoben, daß der Körper fadenförmig
mit einem solchen Querschnitt ausgebildet ist, daß praktisch das gesamte Material
des Fadens in einem der beiden Zustände erstarrt.
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Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen im folgenden
an Hand der Figuren erläutert werden. Darin bedeuten F i g. 1 und 2 bekannte, nicht
sättigungsfähige Bauelemente, F i g. 3 und 4 Schaltkurven, die zur Erleichterung
der Erläuterung des Verhaltens von bekannten Schaltern und Schaltern nach der vorliegenden
Erfindung mit strukturänderungsfähigem Material dienen, und F i g. 5 und 6 zwei
bevorzugte Ausführungsformen von Schaltern mit strukturänderungsfähigem Material
nach der vorliegenden Erfindung.
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Bei einem bekannten Schaltelement mit strukturänderungsfähigem Material
gemäß der F i g. 1 ist ein Körper 5 aus strukturänderungsfähigem Material zwischen
die Elektroden 1 und 2 eingeschoben. Anfänglich befindet sich der gesamte Körper
5 im »Aus«-Zustand eines hohen Widerstandes, wobei der Widerstand zwischen den Elektroden
1 und 2 in der Größenordnung von 1 Megohm oder mehr liegen kann. Über die Elektroden
1 und 2 wird ein elektrisches Steuersignal in Form einer ansteigenden Spannung angelegt.
Beim Anwachsen der Spannung verbleibt das strukturänderungsfähige Material in seinem
»Aus«-Zustand, bis die Spannung einen Schwellwert »VT« in einem Zeitpunkt
erreicht, an dem das Material s unter Bildung eines leitenden Kanals 3 zwischen
den Elektroden durchbricht. Der wirksame Durchmesser deff des leitenden Kanals wird
von der im strukturänderungsfähigen Material s erzeugten Wärmemenge abhängen, welche
wiederum von der Größe und Dauer des durch das Steuersignal zugefügten Stromes abhängt.
Der wirksame Durchmesser des sich ergebenden Kanals 3 ist ein Maß für den Umfang,
wie weit das Bauelement eingeschaltet ist oder für seinen »Durchlaßgrad«. Wird dem
Körper 5 aus strukturänderungsfähigem Material dann Gelegenheit gegeben, sich allmählich
abzukühlen, beispielsweise durch allmähliches Vermindern des durch ihn fließenden
Stromes, dann wird der Kanal 3 im Zustand seines niedrigen Widerstandes verbleiben.
Der »Durchlaßgrad« des Bauelements kann durch Anlegen einer Folge von Einschaltimpulsen
gesteigert werden.
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Das Schaltelement mit strukturänderungsfähigem Material gemäß der
F i g. 1 kann ausgeschaltet werden, indem zum Schmelzen von zumindest einem Teil
des Kanals 3 über seinen gesamten Querschnitt ausreichender Strom zugeführt wird.
Wird ein derartiger Strom I1 angelegt und plötzlich unterbrochen, dann wird ein
Teil des Kanals 3 unmittelbar darauf in seinen amorphen oder polykristallinen Zustand
mit hohem Widerstand abkühlen. Der sich ergebende »Aus«-Zustand wird in F i g. 2
veranschaulicht. Es ist zu bemerken, daß ein Teil des Kanals 3 zwar im »Ein«-Zustand
verbleibt, ein Teil des Kanals aber über seinen gesamten Querschnitt in »Aus«-Material
umgewandelt worden ist, so daß der vorher zwischen den Elektroden 1 und 2 vorhandene
hohe Widerstand wieder hergestellt ist. Der Anteil von »Ein«-Material 3, das in
»Aus«-Material 4 umgewandelt ist, wird von Größe und Dauer des Ausschaltstroms Il
wie auch von der Wellenform dieses Stromes abhängen, was die Abkühlungsgeschwindigkeit
des strukturänderungsfähigen Materials bestimmt.
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Aus der F i g. 2 ist unmittelbar ersichtlich, daß beim nächsten Einschalten
des Bauelements eine kleinere Einschaltspannung den Durchbruch des strukturänderungsfähigen
Materials 5 zwischen den Elektroden 1 und 2 bewirken wird. Ähnlich muß die nächste
einen Durchbruch verursachende Einschaltspannung um so größer sein, je vollkommener
das Bauelement ausgeschaltet ist (d. h. je kleiner der Anteil des verbleibenden
»Ein«-Materials 3 ist). Somit erfordern die bisher bekannten nichtsättigungsfähigen
Bauelemente Schaltspannungen und/oder -ströme, die von der Vorgeschichte des Betriebes
derartiger Bauelemente abhängen. Im Gesamtergebnis ergibt sich ein instabiles Verhalten
oder günstigenfalls eine stabile Arbeitsweise gemäß der F i g. 3.
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Die F i g. 3 veranschaulicht typische Schaltkennlinien von bisher
bekannten sättigungsfähigen Schaltelementen mit strukturänderungsfähigem Material.
Die ausgezogenen Linien zeigen unmittelbar meßbare Werte, während die gestrichelten
Linien Werten entsprechen, die nur durch Berechnung ermittelt werden können. Die
zum Einschalten des Bauelements gemäß F i g. 2 erforderliche Spannung hängt, wie
oben ausgeführt, von dem »Sperrgrad« eines derartigen Bauelements ab, d. h. von
dem Anteil des restlichen »Ein«-Materials 3 in einem derartigen Bauelement zwischen
den Elektroden 1
und 2. Ein Maß für den »Sperrgrad« ist unmittelbar
die zum Durchbrechen des Bereiches von »Aus«-Material 4 zwischen den Elektroden
1 und 2 und des »Ein«-Bereichs 3 erforderliche Spannung. Ähnlich ist bezüglich der
F i g. 1 der »Durchlaßgrad« des Schaltelementes auf den wirksamen Durchmesser des
leitenden Kanals 3 bezogen, der wiederum ein Maß für den Anteil des zum Ausschalten
des Elementes in den »Aus«-Zustand umzuwandelnden Materials ist. Es gibt keine anwendbare
einfache Methode zum unmittelbaren Messen dieses »Durchlaßgrades«; er kann jedoch
aus Messungen des Elementwiderstandes unter verschiedenen Anschlußbedingungen berechnet
werden.
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In F i g. 3 sind der »Durchlaßgrad« und der »Sperrgrad« des Bauelements
gemäß den F i g. 1 und 2 als Funktionen des Ausschaltstromes 1T und des Einschaltstromes
aufgetragen, d. h. des an das ausgeschaltete Bauelement nach Überschreiten seiner
Durchbruchspannung VT angelegten Stromes. Angenommen, das Bauelement gemäß
F i g. 1 weist anfänglich einen durch A in F i g. 1 bezeichneten »Durchlaßgrad«
auf, so wird durch das Anlegen eines Stromimpulses von der Größe Il das strukturänderungsfähige
Material 5 den Ausschaltzustand gemäß F i g. 2 annehmen, mit einem durch den Punkt
C angegebenen »Sperrgrad«. Nach plötzlichem Entfernen des Stromimpulses Il ist anzunehmen,
daß das Material augenblicklich den einer erforderlichen Einschaltspannung Vt entsprechenden,
durch Punkt D bezeichneten »Sperrgrad« erhält. Durch anschließendes Anlegen einer
Einschaltspannung oberhalb V1 in Verbindung mit einem E entsprechenden Einschaltstrom
wird das Bauelement in einen durch F in F i g. 3 bezeichneten »Durchlaßgrad« gebracht,
der nach allmählichem Entfernen des Spannungsimpulses erhalten bleibt. Der nächste
Ausschaltimpuls 1, wird das Bauelement in den durch Punkt G bezeichneten »Sperrgrad«
bringen, der einer mit H bezeichneten, zum Einschalten erforderlichen Spannung entspricht.
Der nächste Einschaltspannungsimpuls mit einem E entsprechenden Einschaltstrom wird
das Bauelement nach dem Punkt J schalten, wonach es nach allmählichem Entfernen
des Spannungsimpulses einen durch K bezeichneten »Durchlaßgrad« annimmt. Das anschließende
Anlegen eines Ausschaltstromes von der Größe Il wird nicht ausreichen, das Bauelement
auszuschalten, da der Arbeitspunkt nur zum Punkt L bewegt wird, der sich noch im
»Ein«-Gebiet des Schaubildes befindet. Diese Bedingung ist als blockiertes Einschalten
(lock-on) bekannt und ist eine eigentümliche Schwierigkeit, welche einem beim Betrieb
der nichtsättigungsfähigen Schalter mit strukturänderungsfähigem Material begegnet.
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Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß bei Zuführung eines Ausschaltstromes
Il in Verbindung mit einem Einschaltstrom M die Arbeitskurve des Bauelementes stets
den gleichen geschlossenen Weg durchmißt, was eine quasistabile Betriebsweise ergibt.
Dies ist jedoch eine äußerst kritische Bedingung, da jede Abweichung von den erforderlichen
Werten schließlich einen blockierten Einschalt- oder Ausschaltzustand ergibt, womit
das Element nicht länger von einem Zustand in den anderen geschaltet werden kann.
Dieses Verhalten eines »circulus viciosus« hat bisher verhindert, daß der Fachmann
bei den bekannten Schaltern mit strukturänderungsfähigem Material eine stabile Arbeitsweise
erzielt hat. Eine ähnliche Schwierigkeit tritt beim Betrieb von monostabilen Schaltelementen
mit strukturänderungsfähigem Material auf, wobei sich von Arbeitszyklus zu Arbeitszyklus
eine Änderung der erforderlichen Einschalt- oder Ausschaltspannung oder des erforderlichen
Einschalt- oder Ausschaltstromes ergibt.
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Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß bei Anwendung eines ausreichend
großen Ausschaltstromes 1T die gleiche Kurve jedesmal während des Einschaltens durchfahren
wird. Diese Bedingung ist als gesättigte Ausschaltbetriebsweise bekannt und ist
im allgemeinen nicht ohne weiteres bei bekannten Schaltelementen mit strukturänderungsfähigem
Material erzielbar. Der Grund für diese Schwierigkeiten ist offensichtlich die Tatsache,
daß der zur ausreichenden Sättigung bei befriedigenden Schaltgeschwindigkeiten erforderliche
Ausschaltstrom 1T im allgemeinen derart groß ist, daß sich eine Verschlechterung
der Leistungsfähigkeit des Bauelementes ergibt und übermäßig dimensionierte Leistungsversorgungen
und Hochleistungsstromkreise erforderlich sind.
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In gleicher Weise kann eine stabile Arbeitsweise durch Zuführung eines
geeignet großen Einschaltstromes 1B, wie in F i g. 3 veranschaulicht, erreicht werden;
während des Ausschaltens wird das Material dann während jedes einzelnen Zyklus die
gleiche Arbeitskurve durchmessen. Während Sättigung in einer Richtung lediglich
ausreicht, um stabile Arbeitsweise zu gewährleisten, ist es wünschenswert, daß Sättigung
in beiden Richtungen erzielt wird, damit sowohl die Einschalt- als auch die Ausschaltspannungen
und/oder -ströme annehmbare Toleranzen aufweisen können. Diese Probleme wurden bei
bisher bekannten Schaltelementen mit strukturänderungsfähigem Material noch nicht
gelöst.
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Offensichtlich wäre das Problem unterschiedlicher Ausdehnung zwischen
den »Ein«- und »Aus«-Materialien nicht vorhanden, wenn die gesamte Menge des strukturänderungsfähigen
Materials 5 wie bei einheitlichen Strukturen zwischen den »Ein«- und »Aus«-Zuständen
geschaltet werden könnte, womit Effekte von Mikrorissen ausgeschaltet sind, die
bekannte Bauelemente verschlechtern.
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Der wirksame Durchmesser d,ff des »Ein«-Kanals 3 ist im allgemeinen
wesentlich kleiner als der gesamte Durchmesser des strukturänderungsfähigen Körpers
5, um noch einmal auf die nicht maßstabgerechte F i g. 1 zurückzukommen. Im allgemeinen
beträgt der Durchmesser des strukturänderungsfähigen Körpers 5 etwa 1 mm (0,040
inch), während der wirksame Durchmesser deff des »Ein«-Kanals 3 in der Größenordnung
von 25 #t (0,001 inch) liegt. Der Abstand zwischen den Elektroden 1 und 2 mag etwa
2 mm (0,080 Inch) betragen. Bei der charakteristischen Betriebsweise von bekannten
nichtsättigbaren Schaltern mit strukturänderungsfähigem Material ist es nicht ungewöhnlich,
eine Anzahl von parallelen, innerhalb des strukturänderungsfähigen Materials 5 gleichzeitig
gebildeten Kanälen 3 zu beobachten. Diese parallelen Kanäle bewirken ein weiteres
unübersichtliches Verhalten des Bauelementes und machen eine stabile Arbeitsweise
noch schwieriger.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist das strukturänderungsfähige Material
eines sättigbaren Schaltelementes in Form eines dünnen Fadens ausgebildet, dessen
Durchmesser in der Größenordnung von 25 bis 250 #t (0,001 bis 0,010 Zoll) liegen
kann. Der
Betrieb des Bauelementes erfoIgt derart, daß praktisch
das gesamte darin vorhandene strukturänderungsfähige Material gleichzeitig entweder
in den »Ein«- oder in den »Aus«-Zustand oder in beide geschaltet wird. Eine stabile
Arbeitsweise ist dadurch gewährleistet, daß lediglich ein leitfähiger Kanal .möglich
ist und während des Schaltvorganges keine unterschiedliche Ausdehnung erfolgen kann.
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Die F i g. 4 zeigt eine Arbeitskurve eines sättig--baren Schaltelementes
mit strukturänderungsfähigem Material nach der Erfindung, wobei IT und VT den minimalen
Ausschaltstrom bzw, die entsprechende Einschaltspannung für stabile Arbeitsweise
bedeuten. Werte von 1T oberhalb dieser Minimalwerte werden die Leistungsfähigkeit
des Bauelementes nicht beeinträchtigen, soweit selbstverständlich die innerhalb
des strukturänderungsfähigen Materials erzeugte Wärme nicht derartig groß wird,
daß es bleibend zerstört wird. Das Bauelement wird stets auf der gleichen Schaltkurve
arbeiten, wenn Ausschaltströme oberhalb von IT und Einschaltspannungen oberhalb
von VT verwendet werden.
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Die F i g. 5 und 6 zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele eines sättigbaren
Schalters mit strukturänderungsfähigem Material nach der vorliegenden Erfindung.
In der F i g. 5 ist ein dünner Faden 5' aus geeignetem strukturänderungsfähigem
Material zwischen den leitfähigen Elektroden 1' und 2' gezeichnet. Die gesamte Anordnung
ist verkapselt, um eine dauernde mechanische Festigkeit und einen Schutz gegen Umwelteinflüsse
zu gewährleisten. Der Durchmesser des Fadens 5' kann in der Größenordnung von 25
@c liegen. Der Abstand s zwischen den Elektroden 1' und 2' richtet sich nach der
Zusammensetzung des strukturänderungsfähigen Materials und der gewünschten Schwellspannung
VT; ein Abstand von 2 mm ist charakteristisch für eine Einschaltschwellspannung
in der Größenordnung von 100 V bei Verwendung eines strukturänderungsfähigen Materials
von der Art des im kanadischen Patent 699 155 beschriebenen.
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Eine weitere Ausführungsform zeigt die F i g. 6, wonach das strukturänderungsfähige
Material s' in einem engen Loch durch die Isolierscheibe 6 angeordnet ist. An dem
Faden 5' des strukturänderungsfähigen Materials sind Elektroden 1' und 2' in Form
von dünnen Metallschichten vorgesehen, die auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen
der Isolierscheibe 6 angeordnet sind. Wiederum kann der Fadendurchmesser, der im
wesentlichen dem Durchmesser des sich durch die Isolierscheibe 6 erstreckenden Loches
entspricht, in der Größenordnung von 25 #t liegen. Die Dicke der Isolierscheibe
6 beträgt für eine Einschaltschwellspannung VT von etwa 100 V etwa 2 mm. An den
Elektroden 1' bzw. 2' sind geeignete Zuführungsdrähte 7 und 8 angebracht. Das gesamte
Bauelement ist mechanisch und gegen Umwelteinflüsse geschützt eingekapselt.
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Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf obige Ausführungsbeispiele
beschränkt.