DE1638070A1 - Schmelzsicherung - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz Dr. Gertrud Hauser Dipl.-Ing. Gottfried Leiser

Patentanwälte

Telegramme: Labyrinth München

Telefon: 83 15 10 Postscheckkonto: München 117078

8000 München 60,

Ernsbergerstrasse 19 ^:

21. Feb. 1968

L 782

LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES 89, rue de la Paisanderie, Paris l6e/Prankreich

Schmelzsicherung

Die Erfindung betrifft einen Bauteil, welcher als Schmelzsicherung für elektronische Schaltungen dienen soll. Es ist bekannt, daß die meisten elektronischen Schaltungen gegen Stromstöße empfindliche Elemente enthalten, welche sich

Bur/Gr.

bei

109823/0280

163807C

bei einer Änderung der Eigenschaften des Netzteils, insbesondere der Impedanz der Belastung der Schaltung, ergeben können, d.h. der zu schützenden Schaltung selbst. Diese Empfindlichkeit wird in dem immer häufigeren Fall noch wesentlich größer, daß die Schaltungen mit Transistoren und anderen, Halbleiter verwendenden Bauteilen versehen sind, wie insbesondere mit Tantal-Kondensatoren mit elektrolytischem Halbleiter, üblicherweise wird eine solche Schaltung von einer Niederspannungsquelle, meist mit 24 Volt, gespeist, welche ihre Energie aus dem Wechselstromnetz bezieht. Diese Energie wird gleichgerichtet, sodann gefiltert und stabilisiert. Die Spannungsquelle ist so ausgebildet, daß sie eine gegebene Leistung in eine gegebene Impedanz abgibt, welche von der normalen Belastungsimpedanz des Verbraucherkreises gebildet wird. Wenn infolge eines Unfalls, wie der Kurzschließung eines Kondensators, die Belastungsimpedanz sich plötzlich verringert, so erhöht sich der von der Spannungsquelle in die Schaltung gelieferte Strom, was die Gefahr der Zerstörung bestimmter Elemente dieser Schaltung mit sich bringt. Es ist üblich, den Schutz des Verbraucherkreises durch eine Schmelzsicherungsvorrichtung zu gewährleisten, welche die Verbindung zwischen der Spannungsquelle und dem Verbraucherkreis unterbrechen soll, sobald die Stromstärke einen bestimmten, vorher festgesetzten Grenzwert übersteigt. Eine Lösung dieses Problems wurde in einer französischen Patentanmeldung der Anmelderin vom 2.Januar 1967 vorge

schlagen 109823/0280

_₃_ 163807C

schlagen. Der erfindungsgemäße Bauteil wird vorteilhafterweise in der in der genannten Patentanmeldung beschriebenen Schaltung verwendet. Die gegenwärtig im Handel erhältlichen Schmelzsicherungen haben bestimmte Nachteile, welche kurz ins Gedächtnis gerufen werden. Die Schmelzsicherung ist auf einen Grenzwert der Stromstärke im Dauerbetrieb geeicht. Die meisten Spannungsquellen enthalten Kondensatoren mit verhältnismäßig hohem Wert, welche zur Filterung bestimmt sind (beispielsweise zwischen 50 und 300 LF bei Fernmeldeschaltungen, welche eine Belastungsimpedanz in der Größenordnung von 20 Ohm besitzen). Während der Inbetriebnahme verschiebt sich die Ladung dieser Kondensatoren durch das Auftreten eines Übergangszustandes, während dessen die Stromstärke einen Wert nahe"oder sogar über dem Grenzwert bei Dauerbetrieb, welcher das Schmelzen der Schmelzsicherung kennzeichnet, annehmen kann. Die Dauer des Übergangszustandes ist im allgemeinen ausreichend kurz, so daß eine augenblickliche Zerstörung der Schmelzsicherung vermieden wird. Die wiederholte Wirkung von Lade- und Entladeströmen ruft jedoch die Zerstörung der Schmelzsicherung auch bei Abwesenheit von Stromstößen oder Überstromstärken hervor, was vom Standpunkt des Benutzers aus unzulässig ist. Eine andere wichtige Eigenschaft der Schmelzsicherung ist ihre Ansprechzeit, d.h. die Zeit, welche zwischen der Aufgabe einer über dem Grenzwert liegenden Stromstärke und dem Zeitpunkt vergeht, in dem die Spannungsquelle tat-

109823/0280 sächlich

sächlich vom Verbraucherkreis abgeschaltet wird. Diese Ansprechzeit hängt vom Grenzwert und von der Überstromstärke ab. Ihr Maximalwert wird vom Benutzer gewählt. Bei im Handel erhältlichen Schmelzsicherungen für eine Versorgungsspannung von 24 Volt, 100 mA liegt diese Zeit in der Größenordnung von einer Sekunde für eine Überstromstärke von 200$ des Nennwerts der Grenzstromstärke. Diese Dauer 1st zu hoch, um den gegenwärtig bei den Schaltungen geforderten hohen Zuverlässigkeitsgrad zu gewährleisten. Sie kann gleichermaßen der Dauer der Übergangszustände in der betrachteten Schaltung ziemlich nahe liegen, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Darüber hinaus sind die Abmessungen der im Handel erhältlichen Schmelzsicherungen nicht mehr für Mikrosehaltungen geeignet, welche mehr und mehr verwendet werden. Diese drei Gründe sind die Hauptursachen, daß diese im Handel erhältlichen Schmelzsicherungen für bestimmte Benutzer nicht mehr ausreichen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Bauteils, welcher sich wie ein Widerstand benimmt und gleichzeitig in einem Bereich von Verbraucherstromstärken unterhalb eines gegebenen Grenzwerts die Rolle eines Stromstabilisators übernimmt und in einem Stromstärkenbereich oberhalb dieses vorbestimmten Werts als Schmelzsicherung mit kurzer Ansprechzeit wirkt.

Ein 10987 3/0280

163807C

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bauteils, welcher Schmelzsicherungen in ihrer Schutzwirkung empfindlicher Schaltungen gegen Stromstöße oder Überstromstärken ersetzen soll und dessen Ansprechzeit in bezug auf diejenige der gegenwärtig erhältlichen Schmelzsicherungen verringert ist. Ein wesentliches Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bauteils, welcher den Schutz einer Schaltung gewährleistet und bei Dauerbetrieb die Rolle eines Widerstands übernimmt, welcher ohne Beschädigung die wiederholte, relativ kurzzeitige Aufgabe von oberhalb der Grenzstromstärke, die ein Schmelzen der Schmelzsicherung mit sich bringt, liegenden Strömstärken aushält. Mit dem Ausdruck "verhältnismäßig kurzzeitig" werden Zeitspannen in der Größenordnung einiger Hundertstel der eigentlichen Ansprechzeit des Bauteils bezeichnet.

Die vorliegende Erfindung beruht im wesentlichen auf der Kennlinie des spezifischen Widerstands bestimmter Halbleiterkörper als Punktion der Temperatur. Einfache oder zusammengesetzte, zweckmäßigerweise dotierte Halbleiterkörper weisen eine logarithmische Kennlinie des spezifischen Widerstands als Funktion der Temperatur auf, welche durch folgende Punkte gekennzeichnet ist: Wenn man diese Kurve im Sinn wachsender Temperatur ausgehend von der Temperatur von 25⁰C untersucht, besteht sie nacheinander aus einem ersten, genau linearen Teil, welcher bis zu einem Maximum ansteigt, sodann aus einem

109823/0280

- 6 - 163807C

zweiten, genau linear abfallenden Teil mit größerer Steilheit als der ansteigende Teil, welcher bei einem geringeren Wert als der Anfangswert endet, sodann aus einem dritten, nichtlinear abfallenden Teil, welcher sich asymtotisch einem Grenzwert nähert. Die Parameter dieser verschiedenen Teile der Kennlinie hängen natürlich von der Art des betrachteten Materials und gleichermaßen von seiner Konzentration an Verunreinigungen oder Dotierung ab. Dies gilt insbesondere für die Koordinaten des Maximums.

be-Die Erfahrung hat gezeigt, daß wenigstens bei stimmten üblichen Halbleitern die Kennlinien die oben beschriebenen drei Teile aufweisen. Weiter unten werden Beispiele von solchen Kennlinien für Silicium und Galliumarsenid angegeben. Die Theorie gestattet die Herleitung der allgemeinen Form dieser Kurven, welche ein Maximum zwischen zwei genau linearen Teilen mit ziemlich verschiedenen Steilheiten besitzen, welche in einen nichtlinearen Teil übergehen.

Der erfindungsgemäße Bauteil ist im wesentlichen gekennzeichnet durch eine Anordnung mit drei elektrischen Anschlüssen, welche thermisch gegeneinander isoliert sind, worin ein Halbleiterstäbchen in thermischem und ohmschem Kontakt mit einem ersten und zweiten Anschluß steht und

ein 10982 3/0280

ein geeichter Leiter in elektrischem und thermischem Kontakt mit dem zweiten und dritten Anschluß steht, wobei die Anordnung mittels des ersten und dritten Anschlusses in eine Schaltung eingebaut ist und der zweite Anschluß als elektrischer Kurzschluß zwischen dem Halbleiterstäbchen und dem Draht dient und außerdem zur Ableitung von an dieser Stelle erzeugter Wärme nach außen gewährleistet, und wobei ein Schutzgehäuse die Anordnung dicht abschließt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der das Stäbchen bildende Halbleiter so gewählt, daß sein maximaler spezifischer Widerstand als Punktion der Temperatur bei einer Temperatur oberhalb derjenigen erreicht wird, bei der es eine Betriebsstromstärke leitet, welche, ungefähr eine Zehnerpotenz unterhalb der Grenzstromstärke liegt, und daß sein spezifischer Widerstand bei der Temperatur, bei der es die Grenzstromstärke leitet, unter seinem spezifischen Widerstand bei Umgebungstemperatur liegt, wobei der Leiter so geeicht ist, daß er bei der Grenzstromstärke schmilzt.

Bei einer weiteren Ausführungsform steht das Halbleiterstäbchen in thermischer Berührung mit dem Gehäuse. Es kann auch in thermischem und elektrischem Kontakt mit dem Gehäuse stehen.

Bei einer anderen Ausführungsform ist das Halbleiterstäb-

109 823/0280

chen vom Gehäuse thermisch isoliert.

Vorzugswelse 1st der Durchmesser des geeichten Drahtes kleiner als derjenige der Anschlüsse des Gehäuses. Der Halbleiter besteht vorzugsweise aus Silicium oder Galliumarsenid .

In dem häufigsten Fall, in dem der erflsdungsgesGSBe !abteil zum Schutz einer Miniatureehaltung oder

er
verwendet wird, wird a4e in einem der genorrafeem

angeordnet, welche bei der Herstellung von

Er
richtungen verwendet werden. Sie wirti Im Reihe zwisc&en; eine

konstante Versorgungsspannung und einem mit vorgegebener Impedanz geschaltet. BIe wird erhalten, indem man den Halbleiter sa wt&flLt;, <£&& die Betriebsstromstärke einem Arbeitspunkt entspricitt.» auf dem linear ansteigenden Teil der

als Funktion der Temperatur inrolge der EncSrmun^ äex lelters durch den denselben durehsetzen<ieEii Strom ULegfe Die Wirkung der Schmelzsicherung wirol ^urcEr Sciimelaen geeichten Drahtes unter der Mlrkung: des deBtsel&erri setzenden starken Stromes erzielt, mesm. der» Widerstand des Halbleiters sieb infclee der attf einer Erhöhung des denselben durchsetzenden StramfieE tT&er eine Gfcenz=- stromstärke hinaus beruhenden ErwSnramg; merklich verminder-fr^ wobei der Arbeltspunkt sodann auf dem dritten, nicht linearere

TTeiJL

BAD ORIGINAL

Teil der Widerstandskennlinie liegt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Bauteils gegenüber bekannten Ausführungsformen beruht insbesondere darin, daß die Anordnung vom Gesichtspunkt des thermischen Gleichgewichts aus gesehen klar festliegt. Tatsächlich gestattet die Verwendung eines elektrischen und thermischen Anschlusses an dem dem Halbleiterstäbchen und dem geeichten Draht gemeinsamen Punkt, in genauer Weise die Bedingungen festzulegen, unter welchen sich die Temperaturgradienten einstellen. Diese Bedingung ist für einen reproduzierbaren und zuverlässigen Betrieb solcher Anordnungen wesentlich. Die Verwendung von drei thermisch unabhängigen Kontakten ermöglicht gleichermaßen die genaue Definition und die Verringerung der Ansprechzeit des Bauteils. Die Verwendung eines geeichten Drahtes zwischen zwei Wärmeableitelementen ermöglicht die genaue Festlegung der Arbeitsbedingungen des Bauteils.

Es ist bereits ein Bauteil mit einem Widerstand und einem schmelzbaren Element vorgeschlagen worden. Die französische Patentschrift 1 461 371 vom 12.März 1965 beschreibt eine Anordnung, welche aus einem Widerstand besteht, welcher auf einen isolierenden Zylinder aufgebracht oder aufgewickelt ist, dessen Widerstandsteil derart unterbrochen ist, daß ein schmelzbares Element in Reihe geschaltet werden kann, welches aus einem Draht oder einem metallischen Niederschlag auf dem Träger des Widerstands besteht. Diese Ausführungsform

hat 109823/0280

„ !ο - 163807C

hat die Vorteile einer Verminderung des Platzbedarfs und einer Verringerung der Ansprechzeit infolge der thermischen Kopplung zwischen dem vom Widerstand gebildeten Heizelement und dem Schmelzdraht. Alle diese Vorteile finden sich auch bei dem erfindungsgemäßen Bauteil.

In gleicher Weise ist die Verwendung von· mit zwei ohmschen Kontakten verbundenen Halbleiterklötzchen als nichtlineare Widerstände vorgeschlagen worden, wie es in der französischen Patentschrift 1 387 9^0 vom 13.Dezember 1963 beschrieben ist. Die Vorteile solcher Widerstände, deren Wert sich mit dem dieselben im Arbeitsbereich durchfließenden Strom vermindern, ermöglichen die Kompensation von Veränderungen der Eigenschaften von Bauteilen, welche eine Kennlinie im umgekehrten Sinne als Punktion der Temperatur besitzen. Die vorliegende Erfindung verwendet den Halbleiter nicht unter diesen Bedingungen, wie es welter unten erläutert wird. Es ist gleichermaßen vorgeschlagen worden, veränderliche Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten herzustellen, wobei die Eigenschaften des Halbleiters als Punktion der Verwendungsbedingungen so gewählt sind, daß sie in dem linear ansteigenden Teil der Widerstandskennlinie als Punktion der Temperatur .verbleiben. Die amerikanische Patentschrift 2 953 759 vom l.Juli 1953 enthält eine kurze Erläuterung der physikalischen Erscheinungen, welche bei der Veränderung des spezifischen Widerstands als Punktion

10982 3/0280

der Temperatur auftreten, und es wird dort die Anwendung dieser Erscheinung auf die Herstellung von festen Widerständen oder Widerständen mit festen und unter den Verwendungsbedingungen konstanten Temperaturkoeffizienten beschrieben.

Der erfindungsgemäße Bauteil weist ein Halbleiterstäbchen auf, welches so gewählt ist, daß unter den normalen Betriebsbedingungen aaine Temperatur einem Punkt des linear ansteigenden Teils der Widerstandskennlinie als Funktion der Temperatur entspricht. Dieses Stäbchen ist in dem Bauteil in Reihe mit einem Schmelzdraht geschaltet, welcher auf einen Wert der Stromstärke geeicht 1st, der im stabilen Betriebszustand einem Arbeitspunkt entspricht, bei dem der Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstands nicht positiv ist.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine Innenansicht einer ersten AusfOhrungsform der Erfindung,

Figur 2 eine zweite Äusführungsform,

Figuren 3 und 4 graphische Darstellungen, welche dem Verständnis^ 109823/0280

BADOWGWAt

163807C

nis der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Bauteile dienen, und

Figuren 5 und 6 Kennlinien, welche bei der Verwendung des in Figur 1 dargestellten Bauteils auftreten.

Figur 1 zeigt eine Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Bauteils. Ein Halbleiterstäbchen 1 ist an seinen beiden Enden mit zwei metallischen Winkelstücken 2 und 3 verschweißt, deren andere Enden mit zwei Ausgängen 4 und 5 verbunden sind, welche mittels isolierender Perlen 4¹ und 5¹ mit einer leitenden Basisscheibe 6 fest verbunden sind. Ein geeichter leitender Draht 7 ist zwischen den Ausgängen H und 8 angeordnet und elektrisch mit denselben verbunden. Er liegt daher in Reihe mit dem Klotz 1 bezüglich der Klemmen 5 und 8. Die Perle 8' isoliert den Ausgang 8 von der Basisscheibe 6. Eine nicht dargestellte Abdeckung oder Kappe ist dicht an der Basisscheibe befestigt, sq daß das Gehäuse vervollständigt wird. Beim Verschließejij.-Wjird die Luft des Gehäuses durch eine für die Erhaltung des Halb- . leiters besser geeignete Atmosphäre ersetzt, wie es in der Technik üblich ist. Der Bauteil wird in Reihe zwischen die mit der Klemme 5 in Berührung stehende Spannungsquelle und den mit der Klemme 8 verbundenen Verbraucherkreis eingesetzt. Weiter unten wird im einzelnen erläutert, wie die Eigenschaften des Klotzes 1 und des Drahtes 7 be

stimmt 109823/0 2 80

163807C

stimmt werden. Der der Schmelzgrenze entsprechende Stromwert bestimmt den Schmelzdraht 7. Bei der diesem Schmelzgrenzstrom entsprechenden Temperatur ist der spezifische Widerstand des Halbleiters kleiner als der Ausgangswert und der Arbeitspunkt wird ein Stück jenseits des Maximums der Temperaturkurve gewählt. Erfindungsgemäß werden Schweißungen angewendet, insbesondere an den beiden Enden des Stäbchens oder Klotzes 1, welche eine solche Temperatur ohne Beschädigung aushalten. Das Schmelzen des Drahtes ohne vorherige Zerstörung der gegenseitigen Verbindungen im Inneren des Bauteils ist tatsächlich eine wesentliche Bedingung für das reproduzierbare und zuverlässige Arbeiten des erfindungsgemäßen Bauteils. Die Verwirklichung der Schweißstellen des Stäbchens an die Winkelstücke kann Anforderungen an die Schweißtechnik bei hoher Temperatur stellen, wobei zwischen den das Stäbchen 1 bildenden Halbleiter und die Metallteile 2 und 3, die dasselbe tragen, mehrere Metallschichten gelegt werden müssen, welche miteinander und mit dem Halbleiter legiert sind. Diese Technik ist an sich bekannt. Um die Zeitkonstante des Bauteils zu verringern, ist es vorteilhaft, einen geeichten Draht zu verwenden, dessen Durchmesser so fein wie möglich ist, um seine thermische Trägheit zu verringern. Man wird daner in bestimmten Fällen a&mx geführt, das. Verfahren der Thermokompression anzuwenden, um die Verschweißung des Drahtes mit den Anschlüssen zu gewährleistesn. Diese Verachweißung wird

23/Ö2&G

BAD ORIGINAL

-ι²*- 163807C

an den freien Enden der Anschlüsse in bekannter Weise durchgeführt. Die Art des den Draht 7 bildenden Metalls wird oftmals durch die technischen Bedingungen festgelegt.

Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform, deren Kennlinie in Figur 5 wiedergegeben ist, ist das Gehäuse vom genannten Typ T05, das Stäbchen 1 besteht aus n-Silicium, dotiert mit Phosphor, weist einen spezifischen Widerstand von 0,5 und 10 Ohm/cm bei 25⁰C je nach dem Widerstand des Bauteils· auf und besitzt die Abmessungen 2mm χ 1,1 mm χ 1,1 mm. Die vergoldeten Winkelstücke 2 und 3 bestehen aus Eisen-Nickellegierung. Die Basisscheibe 6 des Gehäuses besteht aus vergoldetem Eisen-Nickel und die Anschlüsse 4, 5 und 8 sind von der Basisscheibe durch eine Glasperle isoliert. In bekannter Weise besteht der Leiter 7 aus einem Golddraht mit einem Durchmesser zwischen 50 Mikron und 7 Mikron je nach der Art des Bauteils. Im Falle des Bauteils, welcher den Kurven in den Figuren 5 und 6 entspricht, hat der Draht einen Durehmesser von 50 Mikron.

Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform, bei welcher das Halbleiterstäbchen % an einem seiner Enden mit der Basisscheibe 6 verschweißt ist. Das andere Ende des Stäbchens 1 ist mit dem Ausgangsleiter über einen Leiter 10 aus Gold verbunden. Wie bei der vorangehenden Ausführungsform ist der geeichte Draht 7 an seinen beiden Enden mit den Leitern 4

und ΐ09823/028Ο

BAD ORIGINAL

163807C

und 8 verschweißt. Der thermische Kontakt zwischen dem Gehäuse und dem Halbleiterstäbchen ermöglicht eine stärkere Abkühlung als bei der vorangehenden Ausführungsform. Wenn alle übrigen Merkmale gleich bleiben, ist der Schmelzgrenzstrom erhöht.

Wie oben erwähnt, beruht die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Bauteils auf dem Veränderungsgesetz des spezifischen Widerstands des Halbleitermaterials als Funktion der Temperatur. Die experimentellen Kurven in Figur 4 sind der Veröffentlichung mit dem Titel "Les Semiconducteurs" von Goudet und Meuleau, Seite 165, Edition Eyrolles, 1957, entnommen. Sie stellen die Veränderungen als Funktion der Temperatur von vier Sillciumproben dar, welche verschiedene Konzentrationen von Bor (in Atomzahlen je m ) enthalten:

pll pll

6,7 · 10^ für die Kurve I, 2,7 · 1CT^H für die Kurve II, 1,3 · 10²¹* für die Kurve III, 6,7 · 1O²³ für die Kurve IV. Ausgehend von der Umgebungstemperatur steigt der Logarithmus des spezifischen Widerstands der verschiedenen Proben in genau linearer Weise bis zu einem Maximalwert, dessen Ordinaten sich als Funktion der Konzentration des Bors beträchtlich ändern, und die Temperaturen bleiben zwischen 22O⁰C und 30O⁰C. Die linear ansteigenden Teile der Kurven sind bei AB in der Figur dargestellt. Nach dem Maximum fällt der Logarithmus des spezifischen Widerstands genau linear ab (CD der Kurve), und zwar mit größerer Neigung .

als 10982^/0280

163807C

als der Teil AB. Wenn man ein Halbleiterklötzchen bei einer Temperatur verwendet, welche sich an einem Punkt des Teils AB der zugehörigen Kurve befindet, so ruft jede Erhöhung des dasselbe durchsetzenden Stromes eine Erhöhung seiner Temperatur hervor (Verluste durch den Joule-Effekt usw.), was zu einer Erhöhung des Widerstands des Stäbchens führt, welche sich der Erhöhung des Stromes entgegenstellt, der dieselbe entstehen ließ, und umgekehrt, wenn man eine Verminderung des Stromes annimmt. Das Stäbchen benimmt sich in dem Kreis, in dem es eingebaut ist, wie ein Stromregelelement. Wenn die Erhöhung des Stromes derart ist, daß die Arbeitstemperatur des Halbleiters den dem Maximum der Kurve entsprechenden Wert übersteigt, vermindert sich der Widerstand des Stäbchens plötzlich, wodurch der dasselbe durchsetzende Strom noch erhöht wird und der Halbleiter daher die Veränderungen des Stroms verstärkt. Diese Erscheinung kann sehr schnell eintreten, da sie. ausgelöst werden kann, ohne daß die Einstellung der Gleichgewichtstemperatur abgewartet werden muß, wenn der Arbeitspunkt anfänglich genügend nahe am Maximum liegt. Diese plötzliche Erhöhung des Stroms wird erfindungsgemäß ausgenützt, um den geeichten Draht zum Schmelzen zu bringen, welcher in Reihe mit dem Halbleiterstäbchen gespeist wird.

Man findet eine experimentelle Kurve der Änderung des

spezifischen 109823/0280

_₁₇- 163807G

spezifischen Widerstands von Silicium als Funktion der Temperatur mit einer analogen Form zwischen 150⁰C und 700⁰C in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Silicon semi-conductor technology" von Runyan, Seite I67, herausgegeben von Mac Graw Hill, 1965. Das Maximum des spezifischen Widerstands liegt bei 500⁰C. Diese Kurve bezieht sich

17 "3

auf n-Silicium, welches 10 ' Atome Phosphor je cm enthält.

Die in Figur 3 dargestellte Kurve stellt das Meßergebnis an Galliumarsenid vom Typ ρ dar und ist veröffentlicht in dem von der Armed Services Technical Information Agency unter der Nr. AD 236.515 herausgegebenen Dokument und beruht auf Versuchen, welche im Forschungszentrum David Sarnoff der Universität Princeton durchgeführt worden sind. Die allgemeine Form der Kurve in der Umgebung des Maximums ist analog wie beim Silicium. Das Maximum zeigt sich bei einer höheren Temperatur. Der Abfall des spezifischen Widerstands nach dem Maximum ist schneller

wie beim Silicium.

Die insbesondere in der zweiten genannten Veröffentlichung dargestellten theoretischen Kurven zeigen den dritten Teil der Kurve (nichtlinearer Abfall), welcher bei den experimentellen Kurven nicht vorhanden ist.

Die

109823/0280

-ie- 163807C

Die Bestimmung der den Bauteil definierenden Parameter macht es erforderlich, daß man vorher eine Familie von Kurven der in Figur 4 dargestellten Art erhält. Es können lediglich Materialien verwendet werden, welche ein gut markiertes Maximum des spezifischen Widerstands besitzen, was nicht bei allen Stoffen der Fall ist. Beispielsweise kann man in der ersten genannten Veröffentlichung auf Seite 165 sehen, daß die Änderungskurve des spezifischen Widerstands von Silicium, welches 1,3 · 10 ^J Atome Bor je m enthält, monoton verläuft. Dieses Material ist daher für die Verwirklichung des erfindungsgemäßen Bauteils nicht geeignet. Darüber hinaus muß dieses Maximum einer Temperatur entsprechen, welche vom technischen Standpunkt aus annehmbar ist. Tatsächlich muß die Temperatur des Stäbchens auf den dem Maximum entsprechenden Wert gebracht werden können, ohne daß der Bauteil, insbesondere die Schweißstellen, zerstört werden. Wie bereits erwähnt, ist es in der Tat für ein richtiges Arbeiten des erfindungsgemäßen Bauteils erforderlich, daß die Schutzwirkung durch Schmelzen des Drahtes 7 unter Ausschluß jeder anderen vorher eintretenden Zerstörung in dem Bauteil gewährleistet ist. Die eine obere Grenze der Temperatur des Stäbchens festlegenden technischen Bedingungen bringen gleichermaßen eine Begrenzung der Art des verwendbaren Materials mit sich.

In 109823/0280

-I₉- 163807C

In dem besonderen Fall, daß der Bauteil seine Schutzwirkung in einem Verbraucherkreis ausüben soll, welcher von einer konstanten Spannungsquelle gespeist wird, sind die für die Verwendung vorgegebenen Größen die folgenden:

1) Der Verbraucherstrom (welcher die normale Stroraabgabe in die Belastung ohne Kurzschluß ist) oder der Widerstand bei Betrieb;

2) Die überlastung, welche der Bauteil ohne Beschädigung während einer vorgegebenen Zeitspanne aushalten kann (Übergangszustand an einer Belastung mit Reaktanz);

3) Die Schmelzstromstärke in einer vorgegebenen Zeitspanne .

Der Verbraucherstrom ermöglicht unter Berücksichtigung der Speisespannung die Definition des Verbraucherwiderstands, welcher der Widerstand bei der Temperatur ist, auf welche das Material gebracht wird, wenn sich das thermische Gleichgewicht unter der Wirkung des Verbraucherstroms einstellt. Es ist bekannt, daß diese Temperatur in dem linear wachsenden Bereich der Kurve liegen muß. Bei einem vorgegebenen Formfaktor des Stäbchens, welcher oft durch die technischen Bedingungen vorgeschrieben wird, kann man daher die zweckmäßige Kurve wählen, welche den Kaltwiderstand des Stäbchens ergibt. Wenn die kurze Dauer der Übergangszustände vorgegeben ist, kann man annehmen, daß das thermische Gleich-

109823/0280

163807C ·■'

gewicht nicht erreicht ist und daß die Temperatur des Stäbchens auf ihren vorgesehenen Wert zurückkehrt, wenn die Stromstärke des Dauerbetriebs sich einstellt. Während des Übergangszustandes wirkt das Stäbchen als nichtlinearer Widerstand, welcher die erreichte Maximalstromstärke begrenzt. Es muß jedoch sichergestellt werden, daß die Bedingungen des Übergangszustandes (Stromstärke und Dauer) ein Paar von Bedingungen darstellen, welche nicht das Schmelzen des Drahtes 7 mit sich bringen, indem man sich auf die graphische Darstellung in Figur 6 bezieht, wie weiter unten erläutert wird.

Die dritte vorgegebene Größe dient zur Definition des geeichten Drahtes 7. Die Zeit, welche der Draht zum Schmelzen braucht, hängt von seinem Formfaktor und seinen thermischen Gleichgewichtsbedingungen ab, die das Schmelzen herbeiführende Stromstärke hängt vom Widerstand des Drahtes ab. Die technischen Bedingungen legen oftmals die Art des Metalls fest.

In den Figuren 5 und 6 sind die an dem in Figur 1 dargestellten Bauteil gemessenen Kennlinien dargestellt, deren Parameter oben bereits genau beschrieben wurden.

Figur 5 zeigt die Veränderung des Widerstands des Bauteils als Funktion des denselben durchsetzenden Stromes. Jeder Punkt

der

1098?3 /0280

-2i"- 163807C

der Kurve wurde gemessen, indem dem Bauteil eine feste Stromstärke zugeführt wurde, wobei die Widerstandsmessung durchgeführt wurde, wenn das thermische Gleichgewicht erreicht war, d.h. wenn der Wert des Widerstands sich stabilisiert hat. Man erhält bei linearer Auftragung des Widerstands eine Kurve mit einem ausgeprägten Maximum zwischen zwei annähernd linearen Teilen. Man sieht, daß in diesem Fall der abfallende Teil eine der Steilheit des ansteigenden Teils der Kurve vergleichbare Steilheit besitzt. Der abfallende Teil wird durch einen nichtlinearen Teil fortgesetzt, welcher einem asymtfcotischen Wert zuzustreben scheint. Es wurde ein sehr breiter Teil des fast horizontalen Abschnitts der Kurve wiedergegeben, wobei der Punkt "P" dem Schmelzen des geeichten Drahtes entspricht.

Die in Figur 6 aufgetragenen Punkte stellen als Funktion der inneren Impedanz einer konstanten Spannungsquelle die Zeitdauer dar, welche der Bauteil benötigt, um seine SchutzwLrkung durchzuführen, d.h. die Zeltspanne, welche der Draht zum Schmelzen braucht. Jeder gemessene Punkt entspricht der KeLt, weiche der Schmelzdraht ausgehend von der Umgebungstemperatur zum Schmelzen braucht. Wenn der Draht vorher vom Betriebsstrom durchflossen wird,, was den wirklichen Betriebsbedingungen des Bauteils entspricht, so lzb die für das Reißen des Drahtes durch

.Schmelzung I09823/0280 ——

BAD OR!GWAi.

163807G

Schmelzung erforderliche Zeit etwas kleiner als der
aus der graphischen Darstellung abgelesene Wert. Die
Kurve teilt die Ebene in zwei Teile. Die Anordnung von oberhalb der Kurve gelegenen Punkten definiert die
Paare von Betriebsbedingungen, bei welchen die Schutzwirkung durch Schmelzen des Drahtes 7 gewährleistet ist. Die Kurve in Figur 5 und die graphische Darstellung in Figur 6 werden dem Benutzer mit dem Bauteil geliefert. Die Kurve stellt den Ort der ßrenzpunkte dar, welche die Bedingungen definieren, unter denen die Schmelzung stattfindet. Der Benutzer kann einen Anzeigekreis für das
Schmelzen an die dem Schmelzdraht und dem Stäbchen gemeinsame Stelle anschließen.

10982 Π/0280

Claims (6)

163807C Patentansprüche

1.^Einheitliche Vorrichtung mit kurzer Zeitkonstante zum Abhalten von Stromstößen aus einer Spannungsquelle von einer Belastung, welche mit einer Nennbetriebsstromstärke gespeist werden soll, welche geringer ist als eine vorbestimmte Grenzstromstärke, gekennzeichnet durch ein temperaturempfindliches Halbleiterstäbchen, welches in Reihe mit einem geeichten Draht geschaltet, innerhalb eines dichten Gehäuses angeordnet und mit mindestens zwei Ausgangsleitungen verbunden ist, und durch einen Mittelanschluß für den dem Stäbchen und dem Draht gemeinsamen Punkt, wobei der Halbleiter so dotiert ist, daß sein spezifischer Widerstand bei der Nennbetriebsstromstärke höher ist als bei der Grenzstromstärke und daß der Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstands bei der Nennbetriebsstromstärke positiv und bei der Grenzstromstärke negativ ist, und wobei der Draht so geeicht ist, daß er bei der Grenzstromstärke schmilzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelanschluß mit einer dritten Ausgangsleitung verbunden ist.

1098?3/n?8Q 3.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus Silicium besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus Galliumarsenid besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stäbchen innerhalb des Gehäuses durch zwei Winkelplatten gehalten ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Enden des Halbleiterstäbchens in Berührung mit der Basisscheibe des Gehäuses steht.

109823/0280

Leerseite