DE1488834C

DE1488834C - Anordnung zur Steuerung des Stromes in einem Laststromkreis in Abhängigkeit von einer physikalischen Große

Info

Publication number: DE1488834C
Application number: DE19651488834
Authority: DE
Inventors: Stanford R Bloomfield Hills Mich Ovshinsky (V St A )
Original assignee: Energy Conversion Devices Ine , Troy, Mich (VStA)
Priority date: 1964-04-10
Filing date: 1965-04-09
Publication date: 1973-08-30

Description

, Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Steuerung des Stromes in einem von einer Quelle im wesentlichen konstanter Betriebsspannung gespeisten Laststromkreis in Abhängigkeit von einer physikalischen Größe mittels eines in Reihe mit dem Laststromkreis liegenden Halbleiterelementes ohne Steuerelektrode, das im Laststromkreis zwei stabile Arbeitspunkte, und zwar je einen Arbeitspunkt bei hohem und bei niedrigem elektrischen Durchlaßwiderstand, und einen dazwischen liegenden instabilen Bereich aufweist, und dessen elektrische Charakteristik durch unmittelbare Einwirkung der physikalischen Größe derart änderbar ist, daß sich je nach dem Wert der physikalischen Größe einer der Arbeitspunkte einstellt!

Eine derartige Anordnung ist bereits bekannt (Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, 1963, S. 132 bis 138). Als Halbleiterelement dient ein sogenannter PTC-Widerstand mit einem Bereich positiven' Temperaturkoeffizientens. Die elektrische Charakteristik dieses aus Bariumtitanat bestehenden Elements weist einen von der Spannung Null mit der Spannung ansteigenden Ast der Strom-Spannungs-Charakteristik auf. Bei einem bestimmten Strom biegt die Charakteristik mit zunehmender Spannung in einen hyperbolischen Ast nach unten um. Wird eine Schwellenspannung am unteren Ende dieses hyperbolischen Astes überschritten, dann wird dieses als Thermistor dienende Element zerstört. Wird der Arbeitspunkt auf den ansteigenden Ast bei niedrigen Spannungen eingestellt und wird dafür gesorgt, daß sich der hyperbolische Ast durch eine Temperaturänderung nach unten verschiebt, so wird bei einer von dem eingestellten Arbeitspunkt abhängigen Verschiebung an ein Arbeitspunkt auf dem hyperbolischen Ast eingestellt. So wird das Element durch Temperaturerhöhung vom Zustand niedrigen Widerstands in den Zustand hohen Widerstands umgeschaltet. Soll das Element vom Zustand hohen Widerstands in den Zustand niedrigen Widerstands umgeschaltet werden, dann ist es erforderlich, die Umgebungstemperaturen weit unter dem Gefrierpunkt zu halten, sofern die ' Anordnung vorübergehend nicht vollständig vom Netz getrennt wird, damit das Element abkühlen kann. Da solche Maßnahmen höchst unerwünscht sind, ist es bekannt, durch zusätzliche Relais das Umschalten in den Leitzustand zu erleichtern.

Die Erfindung bezweckt die Vermeidung solcher Nachteile. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Anordnung dahingehend zu verbessern, daß sie bei Überschreiten von Schwellenspannungen nicht zerstört wird und daß sowohl das Umschalten vom Sperr- in den Leitzustand als auch das Umschalten vom Leit- in den Sperrzustand mit einfachen Mitteln möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch

die Verwendung eines Halbleiterelementes mit einer Strom-Spannungs-Charakteristik, deren Schwellenspannung durch die physikalische Größe änderbar ist und bei der sich der elektrische Durchlaßwiderstand unabhängig von der Stromrichtung bei Verminderung der Schwellenspannung unter die anliegende Betriebsspannung im wesentlichen plötzlich und sprunghaft vermindert und bei Abfall des Stromflusses unter einen Schwellenstrom im wesentlichen plötzlich und sprunghaft erhöht.

Mit anderen Worten findet das Umschalten vom Sperr- in den Leitzustand dadurch statt, daß die am Halbleiterelement anliegende Spannung die Schwellenspannung mindestens erreicht. Da eine im wesentlichen konstante Betriebsspannung anliegt, macht man sich die Eigenschaft des Halbleiterelements zunutze, seine Schwellenspannung in Abhängigkeit von der physikalischen Größe zu ändern. Es ist dann lediglich erforderlich, die physikalische Größe so weit zu ändern, daß die Schwellenspannung die anliegende Spannung erreicht oder unterschreitet, um in den Leitzustand umzuschalten. Dabei findet keine Zerstörung des Halbleitermaterials statt. Soll in den Sperrzustand zurückgeschaltet werden, dann ist der durch das Halbleiterelement fließende Strom lediglich so weit zu vermindern, daß er unter einen Schwellenstrom gelangt. Die Verhältnisse sind symmetrisch, d.h., daß das Um- und Zurückschalten von der Stromrichtung unabhängig ist.

Es empfiehlt sich, ein Halbleiterelement mit einer solchen Strom-Spannungs-Charakteristik zu verwenden, bei der sich der Schwellenstrom in der Nähe vom Stromwert Null befindet. Dadurch ist es möglich, im Leitzustand bis zu sehr niedrigen Strömen zu verbleiben und erst dann in den Sperrzustand umzuschalten, wenn der Strom praktisch den Wert Null erreicht hat.

Für das Halbleiterelement können Halbleitermaterialien verwendet werden, die bereits vorgeschlagen wurden (deutsche Auslegeschrift 1 464 574). Als Halbleitermaterialien können Telluride, Selenide oder Sulfide von im wesentlichen jedem beliebigen Metall, Nichtmetalle, intermetallische Verbindungen, feste Lösungen oder deren Gemische verwendet werden. Besonders gute Wirkungen werden mit solchen Grundmaterialien wie Selen, Schwefel und insbesondere Tellur erzielt, die sehr ungewöhnliche Atomstrukturen und chemische Eigenschaften haben. Es wird angenommen, daß Verbindungen dieser Materialien sowie Verbindungen dieser mit anderen Materialien Ketten- oder Polymertypen sind, die eine kovalente Bindung aufweisen. Es ist anzunehmen, daß dies ein wichtiger Faktor dafür ist, daß solche Halbleitermaterialien verschiedene Zustände annehmen. Diese sind einerseits ein sehr ungeordneter oder im allgemeinen amorpher fester (nichtkristalliner) Zustand mit hohem elektrischem Widerstand, bei dem möglicherweise verhältnismäßig kleine Kristalle vorhanden sind, die möglicherweise regellos darin ausgerichtet sind (die verhältnismäßig kleinen Kristalle sind wahrscheinlich kleiner als etwa 0,1 μπι und zeigen bei Röntgendiffraktion eine Pulveranordnung), und andererseits ein vorübergehender und in höherem Maße durch Ordnung ausgezeichneter fester Zustand mit niedrigem Widerstand, bei dem möglicherweise verhältnismäßig große Kristalle vorhanden sind (die wahrscheinlich größer als etwa 0,1 μΐη sind und bei Röntgendiffraktion ein Kristallmuster zeigen). Möglich ist auch ein vorübergehender geschmolzener Zustand, bei dem Kristallite von höherer Schmelztemperatur vorhanden sein können und der ebenfalls ein Zustand geringen Widerstandes ist. Es wird angenommen, daß eine kristallisierungshindernde Neigung besonders dann ausgeprägt ist, wenn die Prozentanteile der Grundmaterialien und der mitwirkenden Materialien verhältnismäßig entfernt sind von den stöchiometrischen und eutektischen Verhältnissen der Materialien und bzw. oder wenn die mitwirkenden

ίο Materialien selbst stark kristallisierungshindernde Eigenschaften haben, wie beispielsweise Germanium, Arsen, Gallium od. dgl. Wenn die Halbleitermaterialien stark kristallisationshindernde Eigenschaften haben, kehren sie leicht wieder in ihren in höherem Maße regellosen oder allgemein amorphen festen Strukturzustand zurück.

Im folgenden werden einige Beispiele einiger für das Halbleiterbauelement gut verwendbarer Materialien angegeben. (Alle Prozentzahlen beziehen sich auf Gewichtsteile.)

25% Arsen und 75% eines Gemisches aus

90% Tellur und 10% Germanium; auch mit Zusatz von 5 % Silizium; ₂. 75 % Tellur und 25 % Arsen;

71,8% Tellur, 14,05% Arsen, 13,06% Gallium und Rest Bleisulfid;

72,6% Tellur, 17,2% Arsen und 13,2% Gallium;

76,6% Tellur, 27,4% Galliumarsenid; 85«/ο Tellur, 12% Germanium und 3 % Silizium; ' 50% Tellur, 50% Gallium;

67,2% Tellur, 25,3% Galliumarsenid und 7,5% n-Germanium;

75 % Tellur und 25% Silizium; 75% Tellur und 25 % Indiumantimonid; 55% Tellur und 45% Germanium; 45% Tellur und 55% Germanium; 75% Selen und 25% Arsen;

87% Tellur und 13% Aluminium-, 90% Tellur und 10% Aluminium; 86% Tellur, 13% Aluminium, 1% Selen; 50% Tellur, 50% Aluminium; 50% Aluminiumtellurid und 5O^fl/o Indmmtellurid; 50% Aluminiumtellurid und 50% Galliumtellurid.

Die genannten Halbleitermaterialien haben negative thermische Widerstandskoeffizienten, und diejenigen, die Selen, Silizium und Galliumarsenid enthalten, haben besonders hohe negative thermische Widerstandskoeffizienten und sind daher besonders gut für die Zwecke der Erfindung geeignet. Auch Silbertellurid hat einen hohen negativen thermischen Widerstandskoeffizienten und kann, ebenso wie Selen, Silizium und Galliumarsenid anstatt der genannten Halbleitermaterialien oder zusätzlich zu diesen zur Erzielung des gewünschten hohen negativen thermischen Widerstandskoeffizienten verwendet werden. Halbleitermaterialien dieser Art können z. B. dadurch hergestellt werden, daß die Ausgangsmaterialien in einem unglasierten Porzellanmörser zu einer gleichmäßigen pulverförmigen Konsistenz, insbesondere im Beisein von Luft (wenn das Vorhandensein beträchtlicher Oxydmengen in den fertigen Halbleiterelementen gewünscht wird) zermahlen und gründlich vermischt werden. Dann wird die Mischung in einem dicht verschlossenen Quarzrohr bis über den Schmelzpunkt des Materials mit dem höchsten Schmelzpunkt erhitzt. Die Schmelze wird im Rohr gekühlt, dann in

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Stücke gebrochen oder geschnitten. Die Stücke werden nun auf die richtige Form zur Bildung von Körperchen oder Körnchen geschliffen. Die Schmelze kann zur Bildung der Körperchen auch aus dem Rohr in vorgewärmte Graphitformen gegossen werden. Statt dessen können die gemischten gepulverten Materialien unter Drücken bis zu mindestens 70 kp/cm² so lange gepreßt werden, bis die gepulverten Materialien vollständig kompakt geworden sind; die vollständig kompakt gewordenen Materialien können dann erwärmt werden.

Insbesondere dann, wenn in den Körpern Arsen vorhanden ist, hat es sich gezeigt, daß die Körper sich in ihrem ungeordneten oder allgemein amorphen festen Zustand, dem Zustand hohen Widerstandes oder Sperrzustand, befinden. Während der Bildung der Körper können blanke Elektroden in diese eingebettet und bzw. oder an deren Flächen angebracht werden.

In anderen, und zwar den häufigsten Fällen hat es sich gezeigt, daß sich die Körper gewöhnlich in ihrem stärker geordneten oder kristallinen festen Zustand, also dem Leitzustand geringen Widerstandes befinden, was wahrscheinlich auf das langsame Abkühlen der Halbleitermaterialien während der Bildung der Körperchen zurückzuführen ist. In diesen Fällen ist es erforderlich, die Körperchen oder Teile derselben oder deren Flächen in ihrem ungeordneten Zustand überzuführen. Dies geschieht beispielsweise unter Verwendung von unreinen Materialien, durch Zusatz von Verunreinigungen, Einschließen von Oxyden in die Masse und bzw. oder in die Oberflächen, mechanisch durch maschinelle Bearbeitung, Sandstrahlen, Schlagen, Stoßen, Biegen, Ätzen oder Einwirkung von Ultraschallwellen, metallurgisch durch Bildung physikalischer Gitterverformungen durch Wärmebehandeln und Abschrecken oder durch Hochenergiebestrahlung mit <%-, ß- oder y-Strahlen, chemisch durch Einfügen von Sauerstoff, Salpeter- oder Fluorwasserstoffsäure, Chlor, Schwefel, Kohlenstoff, Gold, Nikkei, Eisen, Mangan oder Ionenverbindungen, einschließlich Alkali- oder Alkalierdmetallverbindungen, elektrisch durch pulsierenden Strom oder durch Kombination dieser Maßnahmen. Sind die Körperchen in den ungeordneten Zustand übergeführt, dann können blanke Elektroden während der Bildung der Körperchen darin eingebettet werden. In die Körperchen können auch solche Elektroden eingebettet werden, die, mit Ausnahme ihrer Spitzen, mit elektrischer Isolierung, beispielsweise mit einem Oxyd des Elektrodenmaterials überzogen sind. Dann werden an den Elektroden Stromstöße zur Wirkung gebracht, die das wirksame Halbleitermaterial zwischen den unisolierten Spitzen der Elektroden veranlassen, seinen ungeordneten Sperrzustand anzunehmen. Besonders gute Wirkungen bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden dann erzielt, wenn die Oberflächen der Körper aus dem Halbleitermaterial, die sich in ihrem ausgerichteten kristallinen festen Zustand befinden, in einer der oben angegebenen Arten behandelt werden, so daß Halbleiteroberflächen oder -schichten geschaffen werden, die sich in ihrem ungeordneten Zustand befinden. Die Elektroden werden in geeigneter Weise an den Oberflächen derart behandelter Körper angebracht. Da sich die Masse der Körper in dem stärker geordneten oder kristallinen Leitzustand, die Oberflächen oder Schichten sich dagegen im ungeordneten Sperrzustand befinden, erfolgt die Stromsteuerung zwischen den Elektroden in der Hauptsache durch die genannten Oberflächen oder Schichten. Anstatt Körper zu bilden, können die Halbleitermaterialien auch auf eine geeignete glatte Unterschicht als Überzug beispielsweise im Vakuum aufgebracht werden, so daß sich dann auf der Unterlage in der Regel Halbleiterschichten befinden, die sich in ihrem ungeordneten oder im allgemeinen amporphen festen Zustand befinden, wahrscheinlich deshalb, weil die Materialien beim Aufbringen schnell abgekühlt werden. Eine besonders befriedigende Methode, die außerordentlich genau und in der Herstellung leicht wiederholbar ist, besteht im Aufdampfen eines dünnen Filmes aus Tellur, Arsen und Germanium auf eine glatte Unterlage und durch Anbringen von Wolframelektroden an dem aufgebrachten Film. Der Film kann durch gleichzeitiges Aufbringen dieser Materialien oder durch Aufbringen aufeinanderfolgender Lagen von Tellur, Arsen, Germanium, Arsen und Tellur gebildet werden. Im letzten Falle werden die aufgebrachten Schichten auf eine Temperatur unterhalb des Sublimierungspunktes des Arsens erhitzt, um den Film zu vergleichmäßigen und zu befestigen. Die Dicke der Oberflächen oder Schicht bzw. Filme kann in der Größenordnung von einigen Zehntausendsteln Zoll bis zur Dicke von mehreren Hundertstem Zoll und darüber betragen.

Die Elektroden bestehen vorzugsweise aus einem guten elektrischen Leiter, vorzugsweise aus Materialien mit hohem Schmelzpunkt, z. B. Tantal, Graphit, Niob, Wolfram und Molybdän. Solche Elektroden . sind gewöhnlich auch verhältnismäßig inert gegenüber den obengenannten Halbleitermaterialien.

Wenn die Elektroden nicht in die Körperchen eingebettet werden, können sie an den Oberflächen oder Filmen der Körperchen oder an den auf die Unterlagen aufgebrachten Oberflächen oder Filme beispielsweise durch mechanisches Anpressen, Anschmelzen, Anlöten oder Aufdampfen angebracht werden. Vorzugsweise wird nach Anbringen der Elektroden auf das Halbleiterelement ein Spannungs- oder Stromstoß zur Wirkung gebracht, um den elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden und den Halbleitermaterialien in einwandfreien Zustand zu versetzen und zu befestigen. Die Stromsteuervorrichtungen können, wenn erwünscht, verkapselt werden.

Als physikalische Größe dient vor allem die Temperatur, doch hat sich gezeigt, daß die Halbleiterelemente auch durch andere physikalische Größen, insbesondere durch Druck, durch Feuchtigkeit und durch Lichtenergie hinsichtlich der Schwellenspannung gut beeinflußbar sind.

Obwohl sich die Erfindung sowohl für Gleichstrom als auch für Wechselstrom-Laststromkreise eignet, lassen sich insbesondere Wechselstromverbraucher sehr gut steuern. Bei einem derartigen, auf Wärme ansprechenden Wechselstromsteuersystem gehen mindestens Teile des Halbleitermaterials zwischen den Elektroden, wenn sie sich in ihrem Leitzustand oberhalb einer unteren Schwellenspannung befinden, im wesentlichen augenblicklich und intermittierend während jeder Halbperiode der im wesentlichen konstanten Wechselspannung in ihren Sperrzustand über, wenn sich der Momentanwert des Wechselstromes dem Nullwert nähert, d. h. den Schwellenstrom unterschreitet, und zwar für die Dauer von Intervallen, die in dem Maß größer bzw. kleiner werden, in dem die Anordnung unter bzw. über den

niedrigen Temperaturwert abgekühlt oder erwärmt wird. Auf diese Weise kann das prozentuelle Verhältnis zwischen Entregung und Erregung des Wechselstromverbrauchers entsprechend der Temperatur der Anordnung oberhalb des niedrigen Temperaturwertes verändert werden, so daß eine Modulation der dem Wechselstromverbraucher zugeführten durchschnittlichen elektrischen Energie ermöglicht wird.

Nach einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist das Halbleiterelement mit einem elektrischen Heizelement ausgerüstet, durch das im eingeschalteten Zustand das Halbleiterelement bis über eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar und im ausgeschalteten Zustand abkühlbar ist, und ist für die Ein- und Ausschaltung des Heizelements ein elektrischer Steuerstromkreis vorgesehen.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Darin zeigt

F i g. 1 ein Schaltschema einer Anordnung gemäß der Erfindung mit einem auf Temperaturänderungen ansprechenden Halbleiterelement von festem Aggregatzustand,

F i g. 2 ein Schaltschema ähnlich F i g. 1 zur Veranschaulichung einer Anordnung, bei der das wärmeempfindliche Halbleiterelement mittels eines Steuerstromkreises gesteuert ist, der ein zur Anordnung gehörendes elektrisches Heizelement aufweist,

F i g. 3 bis 6 Darstellungen verschiedener Ausführungsformen von Halbleiterelementen,

F i g. 7 eine Strom-Spannungs-Charakteristik zur Veranschaulichung des Verhaltens des Halbleiterelements bei Veränderungen der daran angelegten Gleichspannung,

F i g. 8 bis 10 Strom-Spannungs-Charakteristika zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Halbleiterelements bei dessen Einbau in einen Wechselstrom-Laststromkreis, von denen F i g. 8 zur Veranschaulichung des Sperrzustandes, F i g. 9 zur Veranschaulichung eines Leitzustandes in der Gegend oder oberhalb der oberen Schwellenspannung und Fig. 10 zur Veranschaulichung des abgewandelten Leitzustandes bei Annäherung an die untere Schwellenspannung dient,

Fig. 11 eine Spannungs-Temperatur-Charakteristik des Halbleiterelements,

Fig. 12 ein Schaltschema ähnlich Fig. 1 zur Veranschaulichung eines auf Druck ansprechenden Halbleiterelements,

Fig. 13 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform einer auf Druck ansprechenden Anordnung gemäß Fig. 12,

F i g. 14 eine Spannungs-Druck-Charakteristik des Halbleiterelements nach F i g. 12 und 13,

Fig. 15 ein Schaltschema ähnlich Fig. 1 zur Veranschaulichung eines auf Feuchtigkeit ansprechenden Halbleiterelements,

Fig. 16 eine Spannungs-Feuchtigkeits-Charakteristik des Halbleiterelements von F i g. 15,

F i g. 17 ein Schaltschema ähnlich F i g. 1 zur Veranschaulichung eines lichtempfindlichen Halbleiterelements,

Fig. 18 eine Spannungs-Licht-Charakteristik des Halbleiterelements von Fig. 17.

Gemäß F i g. 1 ist der Laststromkreis 10 an die Klemmen U, 12 einer im wesentlichen konstanten Wechselstromquelle angeschlossen. Er weist einen Lastwiderstand 13, z. B. einen Widerstand, eine Spule, eine Motorwicklung, ein Magnetventil, eine Relaiswicklung od. dgl., auf. In Reihe zum Lastwiderstand 13 ist mittels Leitungen 15, 16 ein beispielsweise auf Wärme ansprechendes Halbleiterelement 14 von festem Aggregatzustand geschaltet. Es hat einen negativen thermischen Widerstandskoeffizienten und versorgt den Verbraucher bzw. Lastwiderstand 13 mit Energie bzw. unterbricht die Energiezufuhr zu diesem in Abhängigkeit von der daran zur Wirkung gebrachten Wärme. Das heißt, daß das Halbleiterelement 14

ίο in Abhängigkeit von den Temperaturbedingungen der Umgebung den Verbraucher steuern kann. Dieser kann seinerseits, wenn erwünscht, die Umgebungstemperatur beeinflussen, d. h., es kann eine Regelung der gesamten Anordnung erfolgen. Wenn die Temperatur der Umgebung auf einen vorherbestimmten Wert ansteigt, wird dem Lastwiderstand 13, z.B. eines Kühlaggregats vom Halbleiterelement 14. Energie zugeführt, so daß die Temperatur der Umgebung vermindert wird. Nimmt die Temperatur der Umgebung

ao auf einen vorherbestimmten Wert ab, dann wird der Lastwiderstand 13 unter Strom gesetzt, und auf diese Weise kann die Umgebungstemperatur auf einen Wert innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten werden.

Gemäß F i g. 2 wird das Halbleiterelement 14 mittels eines zugehörigen elektrischen Heizelements 18 gesteuert, das in einen Steuerstromkreis 19 geschaltet ist, der seinerseits an zwei Klemmen 20, 21 einer Steuerspannungsquelle angeschlossen ist. In Reihe mit dem Steuerstromkreis 19 befindet sich ein Schalter 22, der das elektrische Heizelement 18 im eingeschalteten Zustand mit Energie versorgt und im ausgeschalteten Zustand abschaltet. Ist der Schalter 22 eingeschaltet und steht das elektrische Heizelement 18 unter Strom, dann wird das Halbleiterelement 14 auf einen vorherbestimmten Wert erhitzt, so daß der Lastwiderstand 13 mit Energie gespeist wird. Wenn der Schalter 22 ausgeschaltet ist, ist die Stromzufuhr zum Heizelement 18 unterbrochen, und das Halbleiterelement 14 von festem Zustand wird auf einen vorherbestimmten Wert abgekühlt und macht den Verbraucher stromlos. Auf diese Weise bildet also die Anordnung nach F i g. 2 eine Relaiseinrichtung zum An- und Abschalten des Verbrauchers entsprechend der Schaltstellung des Schalters 22. Der Steuerstromkreis 19 ist vom Laststromkreis 10 unabhängig und kann ein Stromkreis von im Vergleich zum Laststromkreis 10 geringer Spannung oder geringer Leistung sein.

Gemäß F i g. 3 kann das Halbleiterelement 14 einen als Unterlage dienenden Körper 25 aus elektrisch leitfähigem Material aufweisen. Er kann z. B. eine Metallunterlage oder Halbleitermaterial im strukturgeordneten oder kristallinen festen Aggregatzustand, dem Leitzustand mit niedrigen elektrischen Durchlaßwiderstand sein. Auf dem Körper 25 befindet sich eine Schicht 26 aus Halbleitermaterial in festem aber ungeordneten oder allgemein amorphen Aggregatzustand, also im Sperrzustand hohen elektrischen Widerstandes mit im wesentlichen vollständiger Isolierfähigkeit. An der Schicht 26 ist eine Elektrode 27 angebracht, die die Schicht 26 elektrisch leitend berührt und mit der Leitung 15 verbunden ist. Die Leitung 16 ist mit dem leitenden Körper 25 verbunden, der als Elektrode wirkt. Die Leitungen 15, 16 verbinden die Schicht 26 des Halbleitermaterials in Reihe mit dem Laststromkreis 10 (F i g. 1 und 2), der sich von der Leitung 15 durch die Elektrode 27, die Schicht 26 und den Körper 25 zur Lei-

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tung 16 erstreckt. Die Steuerung erfolgt durch die Schicht 26, die das eigentliche wirksame Halbleiterelement bildet.

Das Halbleiterelement 14 von F i g. 4 ist ähnlich dem von F i g. 3, weist aber darüber hinaus eine zweite filmartige Schicht 28 des Halbleitermaterials von festem Zustand auf, die sich ebenfalls im strukturell ungeordneten oder amorphen Zustand, also ebenfalls im Sperrzustand hohen Widerstandes befindet. Hier ist ebenfalls eine Elektrode 29 an der Schicht 28 angebracht und an der Elektrode 29 ist die Leitung 16 angeschlossen. Wenn also das Halbleiterelement 14 in den Laststromkreis 10 von F i g. 1 oder 2 eingeschaltet wird, sind die Schichten 26, 28 in Reihe geschaltet. Der Laststromkreis 10 erstreckt sich von der Leitung 15 durch die Elektrode 27, die Schicht 26, den Körper 25, die Schicht 28 und die Elektrode 29 zur Leitung 16.

Die Anordnung des Halbleiterelements 14 nach F i g. 5 ist ähnlich jenem nach F i g. 3 und 4, jedoch ist hier nur eine einzige Schicht 26 des Halbleitermaterials vorhanden und beide Elektroden 27 und 29 sind an dieser angebracht. Der Laststromkreis erstreckt sich von der Leitung 15 durch die Elektrode 27, die Schicht 26, den Körper 25, die Schicht 26 und die Elektrode 29 zur Leitung 16. Hier sind also zwei Schichten des Halbleitermaterials in Reihe mit dem Laststromkreis 10 geschaltet. Da bei den Vorrichtungen nach F i g. 4 und 5 zwei in Reihe geschaltete Schichten 26, 28 verwendet werden, ist der gesamte Sperrwiderstand dieser Anordnung größer als der der Anordnung nach Fig. 3, bei der nur eine einzige Schicht 26 des Halbleitermaterials verwendet wird.

Gemäß F i g. 6 sind auf einer Unterlage 30 aus elektrisch isolierfähigem Material, beispielsweise Glas, in geringem Abstand zwei Elektroden 31, 32 angebracht. Die Schicht 26 aus Halbleitermaterial im ungeordneten oder allgemein amorphen Strukturzustand ist an der Unterlage 30 über die Elektroden 31, 32 angebracht. Die Leitungen 15, 16 sind mit den Elektroden 31, 32 verbunden, und der Laststromkreis 10 erstreckt sich von der Leitung 15 durch die Elektrode 31, entlang der Schicht 26 und durch die Elektrode 32 zur Leitung 16. Auf diese Weise ist die Schicht 26 zwischen den Elektroden 31, 32 in Reihe in den Laststromkreis 10 geschaltet.

Wie bereits oben ausgeführt, wird angenommen, daß sich die Halbleitermaterialien der Schichten 26, 28 normalerweise in einem in hohem Maße desorientierten bzw. amorphen Strukturzustand befinden. Sie können durchaus auch verhältnismäßig kleine Kristalle aufweisen, die dann wahrscheinlich regellos darin ausgerichtet sind und in diesem festen Strukturzustand einen hohen elektrischen Durchlaßwiderstand und insofern im wesentlichen einen Nichtleiter bilden. Durch geeignete Wahl von Materialien können die hohen Widerstandswerte der Halbleitermaterialien ζ. B. auf Werte bis zu mehreren Millionen Ohm gebracht werden.

Werden derartige Anordnungen in Reihe in einen Laststromkreis 10 geschaltet, an den eine veränderliche Gleichspannung angelegt wird, so verhalten sie sich gemäß F i g. 7. Bei der Spannung Null befindet sich das Halbleitermaterial in festem Zustand immer in seinem Sperrzustand hohen Widerstandes. Wird die angelegte Spannung erhöht, dann erhitzt sich das Halbleitermaterial und sein Widerstand nimmt längs der Kurve 35 allmählich ab. Im Halbleitermaterial gibt es wahrscheinlich bevorzugte Punkte zwischen den Elektroden 27, 29, 31, 32, die von einem geringeren Widerstand sind als der Rest des Halbleitermaterials. An diesen Stellen wird mehr Strom zum Fließen kommen, was zur Folge hat, daß eine erhöhte Erwärmung an diesen Punkten auftritt. Wenn die an das Halbleitermaterial angelegte Spannung die Schwellenspannung U_s erreicht, werden vermutlich mindestens Teile des Halbleitermaterials zwischen

ίο den Elektroden 27, 29, 31, 32 auf eine kritische Temperatur erhöht, bei der sie im wesentlichen augenblicklich einen geänderten Zustand nämlich den Leitzustand niedrigen Widerstandes annehmen. Es wird angenommen, daß dieser Zustand ein vorübergehender und mehr geordneter (unter Umständen ein geschmolzener) Zustand ist. Das im wesentlichen augenblickliche Umschalten aus dem Sperrzustand hohen Widerstandes in den Leitzustand niedrigen Widerstandes ist durch die unterbrochene Linie 36 angedeutet. Im Leitzustand bleibt die Spannung U am Halbleiterelement im wesentlichen konstant auf dem Wert V₁₁, wenn auch der Strom / gemäß der Kurve 37 in weiten Grenzen steigen und fallen kann. Es wird angenommen, daß die leitenden Teile zwisehen den Elektroden 26, 29, 31, 32 an Querschnitt in dem Maße zu- und abnehmen, in dem die Stromstärke steigt oder fällt, so daß diese zur Schaffung des Zustandes im wesentlichen konstanter Spannung U₁₁ erhitzt und gekühlt werden. Wenn aber der Strom durch das Halbleitermaterial auf einen kritischen Wert, den Schwellenstrom I₈, absinkt, dürfte keine ausreichende Stromstärke mehr vorhanden sein und nicht mehr genügend Wärme entwickelt werden, um diese Teile in ihrem Zustand niedrigen Widerstandes oder im wesentlichen vollständiger Leitfähigkeit zu erhalten, so daß diese im wesentlichen augenblicklich in ihren ungeordneten oder amorphen Strukturzustand hohen Widerstandes und im wesentlichen vollständiger Isolierfähigkeit zurückkehren. Dieses im wesentlichen augenblickliche Umschalten in den Sperrzustand ist durch die Rückkehrkurve 38 veranschaulicht. Die Abnahme der Stromstärke bis unter den Schwellenstrom I₅ kann dadurch herbeigeführt werden, daß die an die Elektroden 26, 29, 31, 32 der Vorrichtung angelegte Spannung auf einen Wert unter Un vermindert wird. Das Halbleitermaterial kann mindestens teilweise abermals im wesentlichen augenblicklich in den Leitzustand zurückgeführt werden, wenn es abermals durch die angelegte Spannung genügend erhitzt wird. Die Strom-Spannungs-Charakteristik der F i g. 7 ist nicht maßstäblich, sondern dient lediglich der Veranschaulichung, denn das Verhältnis des Sperrwiderstandes zum Leitwiderstand beträgt gewöhnlich mehr als 100000. Im Leitzustand kann der Widerstand ein Ohm oder noch weniger betragen, und der Schwellenstrom I_s kann daher nahezu Null sein.

Die Strom-Spannungs-Charakteristiken sind umkehrbar und im allgemeinen vom Widerstand des Verbrauchers unabhängig. Sie sind auch davon unabhängig, ob Gleich- oder Wechselstrom verwendet wird.

Die Art und Weise, in der die Anordnung nach der Erfindung in einem Laststromkreis 10 arbeitet, der mit Wechselspannung (F i g. 1 und 2) betrieben ist, ist durch die Strom-Spannungs-Charakteristika der F i g. 8 bis 10 veranschaulicht. Befindet sich das Halbleiterelement 14 im Sperrzustand und ist die an-

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gelegte Wechselspannung geringer als die Schwellenspannung U_s, dann verbleibt die Anordnung im Sperrzustand hohen Widerstandes, wie durch die Kurve 39 in F i g. 8 gezeigt.

Wenn jedoch die angelegte Wechselspannung mindestens gleich der Schwellenspannung Uc ist, schaltet die Anordnung im wesentlichen augenblicklich in den Leitzustand, der durch die Kurven 40 in F i g. 9 veranschaulicht ist. Die Kurven 40 sind gegenüber der Mittellinie geringfügig seitlich versetzt; die^ verdeutlicht den geringen Widerstand von etwa 1 Ohm oder weniger, den das Halbleiterelement 14 im Zustand niedrigen Widerstandes hat. Es nimmt gemäß den Kurven 41 seinen Sperrzustand hohen Widerstandes während jeder Halbperiode der Wec^Ke''"^r>ar>"i»isr intermittierend an, sobald sich die Wechselspannung dem Nullwert nähert, d. h. sobald der Strom momentan während jeder Halbperiode den Schwellenstrom /_ς unterschreitet. Anschließend an jede momentane Unterbrechung des Stromflusses während einer halben Periode wird infolge des steigenden Momentanwertes der Spannung der angelegten Wechselspannung über die Schwellenspannung U_s hinaus das Halbleitermaterial wieder erhitzt, so daß das Halbleiterelement 14 veranlaßt wird, im wesentlichen augenblicklich während ieder anderen Halbperiode wieder zu leiten.

Befindet sich das Halbleiterelement 14 im Zustand niedrigen Widerstandes und ist die angelegte Wechselspannung geringer als die Schwellenspannung (im folgenden als obere Schwellenspannung bezeichnet), 3<> dann werden die intermittierenden Zeitabschnitte in der Nähe des Nullpunktes der Wechselstromperiode, bei denen sich die Anordnung im Sperrzustand befindet, gemäß den Kurven 41 von F i g. 10 verlängert, so daß ein in ausgeprägterer Weise abgewandelter Leitzustand geschaffen wird. Durch Verändern der angelegten Wechselspannung relativ zur oberen Schwellenspannung kann also das Verhältnis der Sperrdauer und der Leitfähigkeitsdauer während jeder Halbperiode der Wechselspannung und somit die durchschnittliche Stromzufuhr zum Laststromkreis 10 eingestellt werden. Wenn aber die angelegte Wechselspannung um einen vorherbestimmten Wert geringer wird als die obere Schwellenspannung, dann wird die Sperrdauer während jeder Halbperiode so lang und der Widerstand so hoch, daß die angelegte Wechselspannung nicht genügend Energie erzeugt, um den Widerstand zu überwinden und das Halbleiterelement 14 wieder leitfähig zu machen. Dieser Spannungswert, bei dem die Anordnung innerhalb der Wechselstromperiode nicht wieder leitend wird, sei im folgenden als »untere Schwellenspannung« bezeichnet. Ist die Anordnung wieder nichtleitend, d. h. sperrend geworden, dann kann sie erst dann wieder leitend werden, wenn die angelegte Wechselspannung mindestens so groß wird, wie die obere Schwellenspannung, damit die Kurven 40, 41 nach F i g. 9 erzeugt werden können.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich das Halbleiterelement 14 normalerweise im Sperrzustand hohen Widerstandes befindet. Bei Erreichen oder Überschreiten der oberen Schwellenspannung schaltet es im wesentlichen augenblicklich in den Leitzustand um. Es kann im wesentlichen augenblicklich in den Sperrzustand zurückschalten, wenn die angelegte Wechselspannung geringer ist als die untere Schwellenspannung. Bei Anlegen einer Wechselspannung oberhalb der unteren Schwellenspannung weist das sich im Leitzüstand befindende Halbleiterelement 14 einen abgewandelten Zustand der Stromleitfähigkeit auf, der vom Wert der angelegten Wechselspannung im Vergleich zur unteren Schwellenspannung abhängt.

Die oberen und unteren Schwellenspannungen hängen vom Widerstand des Halbleitermaterials in dessen Sperrzustand ab: Die Schwellenwerte sind um so niedriger, je höher der Widerstand ist. Wie oben zum Ausdruck gebracht, haben die Halbleitermaterialien von festem Zustand bei diesen Vorrichtungen einen negativen thermischen Widerstandskoeffizienten. Dementsprechend ändern sich die obere und untere Schwellenspannung mit den Temperaturen in der durch Kurven42, 43 in Fig. 11 veranschaulichten Weise, indem die Schwellenspannungen bei steigender Temperatur abnehmen und umgekehrt.

Beispiel 1

Zur Veranschaulichung sei angenommen, daß das Halbleiterelement 14 gemäß F i g. 1 der Umgebungstemperatur ausgesetzt wird und daß erwünscht ist, daß die Anordnung ihre Stromregelfunktion im Wechselstrom-Laststromkreis 10 bei einer Umgebungstemperatur von etwa 38° C ausüben soll. Bei einer Temperatur von 35° C habe das Halbleiterelement 14 einen Sperrwiderstand von 1,05 ΜΩ, eine obere Schwellenspannung von 105 V und eine untere Schwellenspannung von 100 V. Bei 38° C sei der Sperrwiderstand 1,0 ΜΩ, die obere Schwellenspannung 100 V und die untere Schwellenspannung 95 V. Mit diesen gegebenen Größen sei angenommen, daß die an dem Laststromkreis 10 angelegte Wechselspannung 100 V ist. wie durch die unterbrochene Kurve 44 in F i g. 11 angedeutet ist. Die unterbrochenen Linien 45, 46 entsprechen den Temperaturen von 38 bzw. 35° C.

Ist die Temperatur niedriger als 38° C (beträgt der Sperrwiderstand mehr als 1,0 ΜΩ) und befindet sich daher die obere Schwellenspannung über der angelegten Wechselspannung von 100 V, dann bleibt das Halbleiterelement 14 im Sperrzustand hohen Widerstandes. Steigt die Temperatur auf über 38° C an, dann nimmt der Sperrwiderstand bis auf 1,0 ΜΩ ab, und die obere Schwellenspannung sinkt auf 100 V, also auf den Wert der angelegten Wechselspannung von 100 V. In diesem Augenblick wird die Anordnung im wesentlichen augenblicklich in den Leitzustand niedrigen Widerstandes umgeschaltet und sie versorgt den Lastwiderstand (Verbraucher) 13 mit Strom. Das Halbleiterelement 14 bleibt weiterhin leitfähig und hält den Verbraucher unter Strom, bis die Temperatur auf 35° C absinkt. Wenn dies eintritt, wird der Sperrwiderstand auf 1,05 ΜΩ erhöht. Die untere Schwellenspannung steigt auf 100 V entsprechend der angelegten Wechselspannung vom gleichem Wert.

Infolgedessen schaltet das Halbleiterelement 14 dann bei Unterschreiten des Schwellenstromes/_s im wesentlichen augenblicklich in den Sperrzustand zurück und unterbricht die Energiezufuhr zum Verbraucher.

Auf diese Weise arbeitet der negative thermische Widerstandskoeffizient des Halbleitermaterials im Verein mit der im wesentlichen konstanten angelegten Wechselspannung zusammen, um den Lastwiderstand 13 im Lastströmkreis 10 entsprechend der Umgebungstemperatur mit Energie zu speisen oder

die Zufuhr zu unterbrechen. Befindet sich das Halbleiterelement 14 im Leitzustand zwischen der oberen und unteren Schwellenspannung, dann kann auch der Stromdurchgang im Laststromkreis 10 entsprechend der Temperatur geändert werden.

Wird die Anordnung gemäß F i g. 2 mittels eines Heizelements 18 anstatt durch die Umgebungstemperatur erwärmt, dann wird das Halbleiterelement 14 vorzugsweise bei im Verhältnis zur Umgebungstemperatur hohen Temperaturen betrieben, so daß sie schnell erhitzt und abgekühlt und die obere und untere Schwellenspannung in bezug auf die im wesentlichen konstante angelegte Wechselspannung schnell geändert werden können. Die Ansprechzeit ist dadurch sehr gering und die Anordnung sehr empfindlich.

Die Anordnung kann gemäß F i g. 12 bis 14 auch in Abhängigkeit von daran zur Wirkung gebrachten Druckbedingungen betrieben werden. In dieser Hinsicht haben die Halbleitermaterialien einen im wesentlichen negativen Druck-Widerstands-Koeffizienten, d. h. der Widerstand nimmt bei zunehmendem Druck ab. Es ist anzunehmen, daß die Verminderung des Widerstandes eine Folge einer Verdichtung des Materials ist und daß der zur Wirkung gebrachte Druck in den Materialien Zustände erzeugen kann, die einen geordneteren oder kristallinen Zustand begünstigen. Die Anordnung kann dabei direkt dem Druck der Umgebung (F i g. 12) oder mechanisch unter Druck gesetzt werden. Im letzten Fall kann die Anordnung der in F i g. 3 gezeigten Vorrichtung entsprechen. Der Körper 25 wird von einem elektrischen Nichtleiter 48 in einem Gehäuse 49 getragen. Die flexible Membrane SO ist zwischen dem Gehäuse 49 und einem Deckel 52 befestigt und mit einem Kolben 51 aus elektrisch nichtleitendem Material ausgestattet, der an der Elektrode 27 angreift. Eine Kammer 34 innerhalb des Deckels 32 oberhalb der Membrane 50 ist über eine Leitung 53 an eine steuerbare Druckquelle angeschlossen, so daß das Halbleiterelement 14 der mechanischen Einwirkung des in der Kammer 54 erzeugten Druckes ausgesetzt ist und dessen Widerstand umgekehrt proportional zum Druck verändert werden kann.

Die Wirkungsweise der Anordnung in Abhängigkeit vom Druck ist im wesentlichen die gleiche wie die Wirkungsweise in Abhängigkeit von der Temperatur.

Beispiel2

Es sei angenommen, daß das Halbleiterelement 14 einem Umgebungsdruck (Fi g. 12) oder dem Druck in der Kammer 54 (F i g. 13) ausgesetzt ist und seine Stromsteuerfunktion Wechselspannungs-Laststromkreis 10 bei einem Druck von etwa 3,5 kp/cm² ausüben soll. Bei einem Druck von 3,16 kp/cm² kann das Halbleiterelement 14 einen Sperrwiderstand von 1,05 ΜΩ, eine obere Schwellenspannung von 105 V und eine untere Schwellenspannung von 100 V haben. Bei 3,5 kg/cm² kann sie einen Sperrwiderstand von 1,0 ΜΩ und eine obere Schwellenspannung von 100 V und eine untere Schwellenspannung von 95 V haben. Mit diesen gegebenen Größen sei angenommen, daß die am Laststromkreis 10 angelegte Spannung eine Wechselspannung von 100 V ist, wie dies in Fig. 14 durch die unterbrochene Linie 44 veranschaulicht ist. Die unterbrochenen Linien 45 bzw. 46 entsprechen den Drücken 3,5 bzw. 3,16 kp/cm².

Befindet sich die Anordnung im Sperrzustand und beträgt der Druck weniger als 3,5 kp/cm², dann liegen der Sperrwiderstand oberhalb 1,0 ΜΩ und die obere Schwellenspannung oberhalb der angelegten Wechselspannung von 100 V. Die Anordnung verbleibt somit im Sperrzustand. Wenn der Druck auf 3,5 kp/cm² ansteigt, nimmt der Sperrwiderstand ab und erreicht 1,0MQ; die obere Schwellenspannung sinkt auf 100 V, d. h. bis auf die angelegte Wechselspannung ab. In diesem Augenblick wird das Halbleiterelement 14 im wesentlichen augenblicklich in den Leitzustand umgeschaltet, so daß der Lastwiderstand 13 unter Strom gesetzt wird. Das Halbleiterelement 14 bleibt leitend und erhält die Energiezufuhr zum Verbraucher aufrecht, bis der Druck auf 3,16 kp/cm² absinkt. Wenn dies eintritt, steigen der Sperrwiderstand des Halbleiterelements 14 auf 1,05 ΜΩ und die untere Schwellenspannung auf 100 V entsprechend der angelegten Wechselspannung von gleichem Wert an. Infolgedessen schaltet das Halbleiterelement 14 im wesentlichen augenblicklich in den Sperrzustand um und macht den Verbraucher im Laststromkreis 10 stromlos.

Auf diese Weise bewirkt der negative Druck-Widerstands-Koeffizient des Halbleitermaterials im Verein mit der im wesentlichen konstanten angelegten Wechselspannung ein An- und Abschalten des Verbrauchers entsprechend dem auf die Vorrichtung einwirkenden Druck. Wenn sich das Halbleiterelement 14 oberhalb der unteren Schwellenspannung im Leitzustand befindet, bewirkt es ferner eine Abwandlung des Stromdurchganges durch den Laststromkreis 10 entsprechend dem einwirkenden Druck.

Den Betrieb der Anordnung unter Feuchtbedingungen veranschaulichen F i g. 15 und 16. Hierbei sind die Halbmaterialien im wesentlichen wasserunlöslich und weisen die Eigenschaft eines negativen Feuchtiekeits-Widerstandskoeffizienten auf. Falls es erwünscht ist diese Eigenschaft zu erhöhen, können im wesentlichen auf Feuchtigkeit ansprechende Widerstandsmaterialien zusätzlich oder als Ersatz hinzugefügt werden. Derartige feuchtigkeitsempfindliche Widerstandsmaterialien sollten ebenfalls im wesentlichen wasserunlöslich oder nur geringfügig wasserlöslich sein und vorzugsweise eine Löslichkeit von weniger als 15 Teilen je 100 Teile kaltes Wasser, oder, noch besser, eine Löslichkeit von weniger als 8 Teilen je 100 Teile kaltes Wasser haben. Unter derartigen Materialien sind beispielsweise Lithiumverbindungen,wieLithiumcarbonat,Lithiumhydroxyd, Lithiumorthosilikat, Lithiumsulfat, Lithiumacetat, Lithiummetasilikat. Lithiummetaborat, Lithiumfluorid, Lithiumoxyd, Lithiumorthophosphat und Gemische beliebiger zwei oder mehrerer derselben, die einen großen negativen Feuchtigkeits-Widerstands-Koeffizienten haben.

Die Wirkungsweise der Anordnung in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit ist im wesentlichen die gleiche wie die temperaturabhängige Wirkungsweise.

Be ispiel 3

Es sei angenommen, daß die Anordnung derjenigen von F i g. 6 entspricht, bei der die Schicht 26 des Halbleitermaterials zwischen den Elektroden 31, 32 in Reihe in den Laststromkreis 10 eingeschaltet und der Feuchtigkeit in der Umgebung des feuchteabhängigen Halbleiterelements 14 ausgesetzt ist. Es sei

15 16

ferner angenommen, daß die Anordnung ihre Strom- Widerstands-Koeffizienten, und diese sowie Selen und

Steuerfunktion im Laststromkreis 10, gemäß F i g. 15 Bleisulfid können ersatzweise oder zusätzlich zu den

bei einem Feuchtigkeitsgehalt der Umgebung oder genannten Halbleitermaterialien verwendet werden,

einer relativen Feuchtigkeit derselben von etwa 50% um einen hohen negativen Licht-Widerstands-Koeffi-

ausüben soll. Bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 45 ⁰Zo 5 zienten zu erzielen.

betrage der Sperrwiderstand 1,05 ΜΩ, die obere Die Wirkungsweise der Anordnung in Abhängig-

Schwellenspannung 105 V und die untere Schwellen- keit von Licht ist im wesentlichen die gleiche wie die

spannung 100 V. Wirkungsweise in Abhängigkeit von Temperatur.

Bei einem Feuchtigkeitsgehalt von 5O°/o betrage .

der Sperrwiderstand 1,0ΜΩ, die obere Schwellen- io Beispiel 4

spannung 100 V und die untere Schwellenspannung Ähnlich der in F i g. 6 dargestellten Anordnung sei

95 V. Mit diesen gegebenen Größen sei angenommen, angenommen, daß die Schicht 26 aus Halbleitermate-

daß die an den Laststromkreis 10 angelegte Spannung rial zwischen den Elektroden 31, 32 in Reihe in den

eine Wechselspannung von 100 V ist (unterbrochene Laststromkreis 10 geschaltet und dem Licht in der

Linie44 in Fig. 16). Die unterbrochenen Linien 15 Umgebung ausgesetzt ist. Es sei angenommen, daß

45, 46 entsprechen Feuchtigkeitsgehalten von 50 das Halbleiterelement 14 seine Steuerfunktion im

bzw. 45%. Laststromkreis 10 (Fig. 17) bei einer Beleuchtungs-

Befindet sich das Halbleiterelement 14 im Sperr- stärke von 1,00 Im/cm² ausüben soll. Bei einer Bezustand und beträgt der Feuchtigkeitsgehalt weniger leuchtungsstärke von 0,95 Im/cm² kann die Anordals 50%, dann betragen der Sperrwiderstand mehr 20 nung einen Sperrwiderstand von im wesentlichen als 1,0 ΜΩ und die obere Schwellenspannung mehr 1,05 ΜΩ, eine obere Schwellenspannung von 105 V als die angelegte Wechselspannung von 100 V. Die und eine untere Schwellenspannung von 100 V haben. Anordnung verbleibt im Sperrzustand. Steigt der Bei 1,00 Im/cm² kann sie einen Sperrwiderstand von Feuchtigkeitsgehalt der Umgebung auf 50 % an, im wesentlichen 1,0 ΜΩ, eine obere Schwellenspandann sinken der Sperrwiderstand auf 1,0 ΜΩ und 25 nung von 100 V und eine untere Schwellenspannung die obere Schwellenspannung auf 100 V, d. h. auf von 95 V haben. Die an den Laststromkreis 10 angedie angelegte Wechselspannung vom gleichen Wert legte Spannung sei eine Wechselspannung von 100 V ab. Sofort schaltet das Halbleiterelement 14 in den (unterbrochene Linie 44 in F i g. 18). Die unterbro-Leitzustand um. Es setzt den Verbraucher unter chenen Linien 45, 46 entsprechen den Werten von Strom und bleibt leitend bis der Feuchtigkeitsgehalt 30 1,00 bzw. 0,95 Im/cm².

auf 45% absinkt. Wenn dies eintritt, steigen der Befindet sich das Halbleiterelement 14 im Sperr-Sperrwiderstand auf 1,05 ΜΩ und die untere Schwel- zustand und beträgt die Beleuchtungsstärke weniger lenspannung auf 100 V entsprechend der angelegten als 1,00 Im/cm², dann beträgt der Sperrwiderstand Wechselspannung von gleichem Wert an. Infolge- mehr als 1,00ΜΩ, d.h., daß sich die obere Schweldessen schaltet die Anordnung im wesentlichen äugen- 35 lenspannung über den Wert der angelegten Wechselblicklich wieder in den Sperrzustand zurück. Sie spannung von 100 V legt. Steigt die Beleuchtungsunterbricht die Energiezufuhr zum Verbraucher. stärke auf über 1,00 Im/cm² an, dann sinken der

Auf diese Weise bewirken die negativen Feuchtig- Sperrwiderstand auf 1,0 ΜΩ und die obere Schwelkeits-Widerstands-Koeffizienten des Halbleitermate- lenspannung auf 100 V entsprechend dem gleichen rials des Halbleiterelements 14 im Verein mit der im 4° Wert der angelegten Wechselspannung ab. In diesem wesentlichen konstanten angelegten Wechselspannung Augenblick wird das Halbleiterelement 14 im wesentdas An- und Abschalten des Lastwiderstandes 13 im liehen augenblicklich in den Leitzustand umgeschal-Laststromkreis 10 entsprechend der auf die Anord- tet. Es wird nunmehr der Verbraucher im Laststromnung einwirkenden Feuchtigkeit. Während sich das kreis 10 mit Energie gespeist und das Halbleiter-Halbleiterelement 14 im Leitzustand befindet, bewirkt 45 element bleibt leitend, bis die Beleuchtungsstärke auf es eine Abwandlung des Stromdurchganges im Last- 0,95 Im/cm² absinkt. Wenn dies eintritt, steigen der Stromkreis 10 entsprechend der die Vorrichtung be- Sperrwiderstand auf 1,05 ΜΩ und die untere Schweleinflussenden Feuchtigkeit. lenspannung auf 100 V entsprechend dem Wert von

Die Anordnung kann auch gemäß Fig. 17 und 18 100 V der angelegten Wechselspannung an. Infolgeentsprechend den auf die einwirkenden Beleuchtungs- 50 dessen schaltet das Halbleiterelement 14 im wesentzuständen betrieben werden. In diesem Falle haben liehen augenblicklich in den Sperrzustand zurück und die Halbleitermaterialien negative Licht-Widerstands- macht den Verbraucher im Laststromkreis 10 wieder Koeffizienten. Halbleiter, die Selen und Bleisulfid stromlos.

enthalten, haben besonders gute negative Licht- Auf diese Weise bewirkt der negative Licht-Wider-Widerstands-Koeffizienten und sind für diesen Zweck, 55 stands-Koeffizient des Halbleitermaterials im Verein speziell in dem an Infrarot angrenzenden Bereich des mit der im wesentlichen konstanten angelegten Wech-Lichtspektrums, besonders geeignet. Silbertellurid, selspannung die An- und Abschaltung des Lastwider-Bleiselenid, Kadmiumsulfid, Zinkselenid und Kad- Standes 13 im Laststromkreis 10 entsprechend dem miumselenid haben ebenfalls hohe negative Licht- auf das Halbleiterelement 14 einwirkenden Licht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Steuerung des Stromes in einem von einer Quelle im wesentlichen konstanter Betriebsspannung gespeisten Laststromkreis in Abhängigkeit von einer physikalischen Größe mittels eines in Reihe mit dem Laststromkreis liegenden Halbleiterelements ohne Steuerelektrode, das im Laststromkreis zwei stabile Arbeitspunkte, und zwar je einen Arbeitspunkt bei hohem und bei niedrigem elektrischem Durchlaßwiderstand, und einen dazwischenliegenden instabilen Bereich aufweist, und dessen elektrische Charakteristik durch unmittelbare Einwirkung der physikalischen Größe derart änderbar ist, daß sich je nach dem Wert der physikalischen Größe einer der Arbeitspunkte einstellt, gekennzeichnet d u r c h die Verwendung eines Halbleiterelements mit einer Strom-Spannungs-Charakteristik, deren Schwellenspannung (U_s) durch die physikalische Größe änderbar ist und bei der sich der elektrische Durchlaßwiderstand unabhängig von der Stromrichtung bei Verminderung der Schwellenspannung (t/_s) unter die anliegende Betriebsspannung im wesentlichen plötzlich und sprunghaft vermindert und bei Abfall des Stromflusses unter einen Schwellenstrom (/_s) im wesentlichen plötzlich und sprunghaft erhöht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Halbleiterelements mit solcher Strom-Spannungs-Charakteristik, daß sich der Schwellenstrom (/_s) in der Nähe vom Stromwert Null befindet.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebsspannung eine Wechselspannung verwendet ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Einstellung der Betriebsspannung entsprechend den gewünschten Werten der Zustandsgröße, bei der das Halbleiterelement von dem einen in den anderen Durchlaßzustand, und umgekehrt, kippt.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement auf die physikalische Größe Temperatur anspricht.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur die das Halbleiterelement umgebende Temperatur ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Widerstandskoeffizient des Halbleiterelementes negativ ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (14) mit einem elektrischen Heizelement (18) ausgerüstet ist, durch das im eingeschalteten Zustand das Halbleiterelement bis über eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar und im ausgeschalteten Zustand abkühlbar ist, und daß für die Ein- und Ausschaltung des Heizelementes ein elektrischer Steuerstromkreis (19 bis 22) vorgesehen ist (Fig. 2).

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement auf die physikalische Größe Druck anspricht.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement auf die physikalische Größe Feuchtigkeit anspricht.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement auf die physikalische Größe Lichtenergie anspricht.