DE2247882A1

DE2247882A1 - Elektrisches relais

Info

Publication number: DE2247882A1
Application number: DE19722247882
Authority: DE
Inventors: Marcus Longueluil Arts; Harold Keith Eastwood; Eastwood Harold Keith; Michael Leitner; Franj Marsman; Charles T Plough; Williams Russell
Original assignee: Multi State Devices Ltd
Current assignee: Multi State Devices Ltd
Priority date: 1971-10-01
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1973-04-05
Also published as: JPS5012576A; AU4733472A; DE2247882B2; NL7213197A; GB1361740A; DE2247882C3; FR2152332A5; CA938735A; JPS5229828B2; US3843949A; AU456375B2

Description

Patentanwalt Dipl.-Phys. Gerhard Liedl 8 München 22 Steinsdorfstr. 21-22 Tel. 29 84

B 5777

MULTI-STATE DEVICES Ltd.
133o Trans Canada Highway South, DORVAL 74o, Quebec / Canada

Elektrisches Relais

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Relais.

Viele Jahre lang waren Relais fast unverändert von elektromagnetischer Natur, und es war äußerst einfach, für eine elektrische Isolierung zwischen der Erregerspüle des Relais und den Kontakten, die den gesteuerten Strom führten, zu sorgen.

Halbleiter haben jedoch bezüglich des Schaltens ein neues Anwendungsfeld eröffnet, wobei Relais vorliegen, die klein, leicht, billig und zuverlässig sind, und zwar Ln einem Ausmaß, das mit einer mechanischen Vorrichtung nur schwer zu erreichen 1st.

Bei Halbleitervorrichtungen wird ein kleiner Steuerstrom oder eine kleine Steuerspannung zur Steuerung eines Stromflusses verwendet. Dem Arbeltsprinzip dieser Vorrichtungen 1st eigen, daß zwischen den Steuerelementen und den stromführenden Elektroden nur ein sehr geringer Abstand verwendet wird. Das hat zur Folge, daß es nicht praktikabel 1st, Im gesteuerten Schaltkreis große Spannungen anzuwenden, es sei denn, die den Steuerelementen zugeordneten Schaltkreise sind so ausgebildet, daß sie diesen hohen Spannungen widerstehen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrische· Relais

zu schaffen, das bei gleicher Größenordnung wie ein Halbleiterschalter oder ein Relais mit ähnlichen Leistungsdaten für praktische Anwen-

fttr

dungszwecke/elne tatsächlich vollständige elektrische Isolierung zwischen seinen Steuerungselementen und seinen stromführenden Elektroden sorgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe Ist das erfindungsgemäß geschaffene elektrische Relais gekennzeichnet durch ein plattenähnllches Substrat au« elektrisch Isolierendem Material, durch Im Abstand voneinander angeordnete elektrische Kontakte auf einer Seite des Substrates, durch eine Schicht aus ausgewähltem Material, das die voneinander entfernten Kontakte Überbrückt, und durch eine auf* dem Substrat vorgesehene elektrische Vorrichtung, die Joule'sehe Wärme entwickelt, wöbet das

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ausgewählte Material den folgenden Kriterien derart genügt, -daß es

a) Elemente enthält, dessen Atome tei chemischer Kombination mit anderen Elementen eine unvollständig gefüllte d-Schale oder eine unvollständig gefüllt f-Schale aufweisen,

b) eine Substanz enthält, die s- und p-Elektroden von den Leitungsbändern der Atome entfernt, und ,

c) bei einer bestimmten kritischen Temperatur einen scharfen, deutlichen Wechsel der Leitfähigkeit zwischen einem isolierenden Zustand und einem leitenden Zustand zeigt.

"Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird Im folgenden in Form bevorzugter Ausführungsbeisplele anhand der Zeichnung erläutert. Diese zeigt In:

Flg. 1 in Seitenansicht ein sehr kleines, nicht maßstabsgerecht gezeichnetes Relais;

Flg. 2 eine Ansieht des Relais gemäß Linie Π-ΤΙ in Flg. 1;

Flg. 3 perspektivisch die Vorrichtung gemäß Flg. 1 und 2 auf einem T05-header, dessen Deckel lediglich strichpunktiert dargestellt ist;

Flg. 4 ein Diagramm über die Temperatur/Widerstahdscharäktefistlk des im Relais gemäß Flg. 1 bis 3 verwendeten Materials;

Flg. 5 perspektivisch ähnlich gemäß Flg. 3 eine abgewandelte Vorrichtung für die Steuerschaltung gemäß Flg. 9;

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Flg. 6 Schaltdiagramme, die typische Anwendungebeispiele der ^S Vorrichtung gemäß FIg. 1 bis 3 zeigen, und

Flg. 10 Diagramme zur Hlustrterung der unterschiedlichen Wirkung dieser Vorrichtung, wenD diese an Wechselstrom und an Gleichstrom angelegt wird.

Wie aus Flg. 1 ersichtlich, ist eine rechteckige Saphlrschelbe 1 oder ein Saphlrplättchen vorgesehen, das eine Breite von 0,4318 mm, eine Länge von 0,7620 mm und eine Dicke von 0,1524 mm aufweist Auf lediglich einer Seite des Saphlrplättchens 1 Ist an seinen beiden Enden ein Film 3 aus Nlchrom vorgesehen, wobei sich auf Jedem Film 3 eine Goldschicht S befindet, die eine geringere Größe als der Film 3 aufweist und als Anschluß bzw. als Pol dient. Der Baum zwischen den beiden Filmen 3 1st von einer dünnen Schicht 4 aus Vanadiumdioxid VO. überbrückt, die steh bis über den Film 3 erstreckt, jedoch kurz vor der Goldschicht 5 endet.

Auf der Rückseite des Platt chene 1 Ist ein als Heizelement wirkender Nlchrom-Wlderstand 7 des Dünnftlmtyps vorgesehen, auf dessen Enden jeweils eine Goldschloht 8 aufgebracht Ist, die ebenfalls als Anschluß dient.

Die beschriebenen Teile sind auf einer Keramikplatte 9 angeordnet, die besondere deutlich aus FIg. 3 ersichtlich ist Die Grüße dieser Platte 9 Ist nicht von Bedeutung mit der Ausnahme, daß sie, wie aus Flg. 3 ersichtlich, In einer Standardvorrichtung Il angeordnet 1st, die In der Fachsprache mit dem englischen Ausdruck T05-header bezeichnet wird und aus einer metallenen Bodenplatte 13 sowie aus vier

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Kontaktstiften 15, 17, 19 und 21 besteht, die sich jeweils durch vier Isolierfassungen 25, 27, 29 und 31 hindurch durch die Bodenplatte 13 erstrecken. Die Platte 9 besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Aluminium (Al-O ). Auf der Oberfläche der Platte 9 sind

a O

vier metallische Kontaktbereiche 35, 37, 39 und 41 vorgesehen, die jeweils über Zuleitungen 45, 47, 49 und 51 mit den Stiften 15, 17, 19 und 21 verbunden sind.

Die Goidschlchten 5 sind jeweils mit einer Lötkugel 53 versehen, die geeigneterweise aus einer Germanlum-Goldleglerung oder aus einer Zlnn-Goldleglerung besteht und durch welche das Saphlrplättchen 1 und die davon getragenen Teile auf der Keramikplatte 9 befestigt sind. Die beiden Lötkugeln 53 stehen jeweils mit den Kontaktbereichen 35 und In Verbindung. Zuleitungen 55 und 57 verbinden jeweils die beiden Goldschichten 8 mit den beiden Kontaktbereichen 39 und 41.

Aus Flg. 3 Ist die vollständige Anordnung ersichtlich, wobei ein vor- . gesehener üblicher Abschlußdeckel 59 strichpunktiert dargestellt ist.

Selbstverständlich können verschiedene der zuvor In Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform erwähnten Materialien durch andere geeignete Materlallen ersetzt werden, wobei die Auswahl anderer Materlallen derart erfolgen muß, daß die erforderlichen, einzeln aufeinanderfolgenden Stufen bei der Herstellung die Materlallen und schon erzielten Ausbildungen nicht nachteilig beeinflussen.

Anstelle des Saphlrplättchens 1 können an anderen Materialien auch Quarz und andere Glasformen verwendet werden, obgleich auch Berylllumoxid (BeO) oder Aluminium (Al₀O₀) verwendet werden kann,

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Es Ist von wesentlicher Bedeutung, daß das Plättchen ein elektrischer Isolator mit hoher dielektrischer Stärke Ist und eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist. Nlchrom wird deswegen verwendet, da es Saphir gut bindet. Falls für das Plättchen andere Materialien verwendet werden, kann es wünschenswert sein, auch für den Film 3 ein anderes Material zu verwenden. Das Gold wird deswegen verwendet, um ein befriedigendes Aneehlußkiemmenmaterlal zu schaffen.

Der Film aus Vanadiumoxid Ist von großer Bedeutung, da dieses Material einer Klasse von Materialien zugehört, die bei Erhitzung über eine kritische Temperatur hinaus eine sehr große Widerstandsänderung In der Größenordnung von 1. 000 :1 erfahren. Die Charakteristiken dieses Materials und der In diese Klasse fallenden Materlallen werden welter unten erläutert.

Bei der Herstellung der Vorrichtung gemäß Flg. 1 bis 3 wird das Plättchen 1 zuerst über seine gesamte Fläche mit den Nlchrom-Fllmen überzogen, was mittels einer an sich bekannten Verdampfungetechnik In einer geeigneten inerten Atmosphäre erfolgt. Der Film besitzt typischerweise eine Dicke in der Größenordnung von 500 - 1. 000 Ä\ Der Goldfilm wird sodann mittels einer ähnlichen Technik In einer Dicke von beispielsweise 2. 000 % aufgebracht. Mittels eines lichtelektrischen Widerstandsverfahrene wird sodann das Gold zuerst vom mittleren Teil des Plättchens 1 wieder abgeätzt, worauf sodann mittels eines weiteren Uchtelektrtschen Wlderstandsverfahrens auch das Nlchrom abgeätzt wird, jedoch In einem etwas geringeren Ausmaß, so daß die Schultern verbleiben, auf denen, wie aus Flg. 1 ersichtlich, der Vanadlumdloxld-Fllm 4 gelagert ist Der erforderliche Vanadlumoxld-Fllm wird mittels eines Zerstäubungsver-

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fahrens aufgetragen, das bei einer Temperatur von 350 - 450°C durchgeführt wird. Hierbei wird ein Vanadlum-Tärget, d. h, eine Vanadium-Elektrode, in einer Atmosphäre aus Argon und Sauerstoff verwendet, deren Telldrücke so gewählt werden, daß sich die gewünschten Ablagerungen des Vanadiumoxids ergeben. Dieser Film weist eine Dicke von 15oo - 25oo A auf und es Ist außerordentlich wichtig, daß sich das Vanadiumoxid Im polykristallinen und nicht Im

Teil des amorphen Zustand befindet. Dieser Film bedeckt den. mtttleren/Saphlrplättchens 1, die beiden Schultern aus Nlchrom und die beiden Kontaktschichten 5 aus Gold. Der Film wird sodann wieder abgeätzt, um die Goldkontaktschichten 5 freizulegen.

Wie schon erwähnt, kann eine Vertauschung eines der genannten Materialien auch eine Änderung des angewendeten Verfahrens erforderlich machen. Hierbei muß insbesondere Sorge dafür getragen werden, daß keiner der Filme durch Übermäßige Diffusion der anderen Mater lallen, die sich in großer Nähe hierzu befinden, Schaden erleidet.

Das Vanadiumoxid wird als repräsentatives Material aus einer Klasse von Materialien verwendet, die der untenstehenden Definition folgen:

Ein solcher Materlalkörper

a) enthält Elemente, dessen Atome bei chemischer Kombination mit anderen Elementen eine unvollständig gefüllte d-Schale oder eine unvollständig gefüllte f-Schale aufweisen,

b) enthält eine Substanz, die s- und p-Elektronen aus den Leitungsbändern der Atome entfernt, und

c) zeigt bei einer bestimmten definierten, kritischen Temperatur einen scharfen, deutlichen Wechsel der Leitfähigkeit zwischen einem Isolierenden Zustand und einem leitenden Zustand.

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Das Diagramm gemäß Flg. 4 verdeutlicht, wie sich der Widerstand eines Körpers aus solch einem Material ändert, wenn dessen Tempo« ratur Ober eine kritische Temperatur T hinaus gesteigert oder Abgesenkt wird.

Bei dem dargestellten Auaftthrungsbelsplel Ist die Hystereseschleife zwischen der steigenden Temperatur und der abfallenden Temperatur relativ breit, jedoch Ist es, falls erwünscht« möglich, mittels des zur Herstellung des Materials verwendeten Verfahrene eine schmalere Hystereseschleife zu erhalten, so daß die Vorrichtung für alle praktischen Anwendungszwecke die gleiche kritische Temperatur aufweist, und zwar sowohl für das "Schalten" zwischen einem hohen Widerstand (bei einer Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur) und einem niedrigen Widerstand (bei einer Temperatur Über der kritischen Temperatur) als auch für das "Schalten" bei einem umgekehrten Temperaturwechsel.

Um daher entscheiden zu können, ob sich ein bestimmtes Material für die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet, ist es erforderlich, sich zu vergewissern, ob die In Frage stehende Substanz sämtlichen drei genannten Erfordernissen genügt.

Die erste Forderung wird durch viele Metalle der drittem Elementenreihe erfttllt, beispielsweise durch

Sc	Scandium
Tl	Titan
V	Vanadium
Cr	Chrom
Mn	Mangan
Fe	Elsen
Co	Kobalt
Nl	Nickel
Cu	Kupfer

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Die erste Forderung wird ebenfalls durch viele Metalle der vierten Elementenreihe erfüllt, beispielsweise durch

Y	Yttrium
Zr	Zirkon
Nb	Niob
Mo	Molybdän
Tc	Technetium
Ru	Ruthenium
Rh	Rhodium
Pd	Palladium
Ag <	Silber.

Die erste Forderung wird außerdem durch viele Metalle der fünften Elementenreihe, beispielsweise .

Hf	Hafnium
Ta	Tantal
W	Wolfram
Re	Rhenium
Os	Osmium
Ir	Iridium
Pt	Platin

sowie durch die Lanthanolde erfüllt:

La	Lanthan
Ce	Ger .
Pr	Praseodym
Nd	Neodym
Pm	Promethium
Sm	Samarium
Eu	Europium
Gd	Gadolinium
Tb	Terbium
Dy	Dysprosium
Ho	Holmium
Er	Erbium
Tm	Thulium
Yb	Ytterbium
Lu	Lutetium.

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Um die zweite Bedingung b zu erfüllen, kann das Metall wie Im obendargelegten Ausführungsbelsplel In Form seiner Oxide vorliegen. Es können auch andere Verbindungen verwendet werden, beispielsweise die Nitride, Sulfate, Sulfide oder Phosphide oder jede ander· Verbindung des Metalle, die In der angegebenen Welse wirkt und die s- und p-Elektronen aus den Leitungsbändern der Atome entfernt.

Wie bekannt, weisen Elementenrelheader Übergangsperiode und seltene Erden unvollständige d*· oder f-Schalen auf. Wenn daher eine Anzahl von Atomen dieser Materlallen nahe beieinander angeordnet Wird, kann ein Elektron von einer d- oder f-Schale zu der anderen Schale Überwechseln. Falls die normalen Valenz-Elektronen vorhanden und nicht gebunden sind (dies sind die B-'und p-Elektronen), 1st die Vorrichtung nutzlos, da kein starkes elektrisches Feld mehr angelegt werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Valenz-Elektronen durch eine chemische Kombination des elementaren Metalles mit einem anderen Element unwirksam gemacht, wobei beispielsweise ein Metalloxid, ein Metallsalz oder eine äquivalente Verbindung geschaffen wird.

Im Gegensatz zu Halbleitervorrichtungen benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung unabdingbar ein Element mit einer unvollständigen d- oder f-Schale. Germanium, das eines der am meisten verwendeten Halbleitermaterialien Ist, genügt diesem Erfordernis nicht.

Viele Substanzen, welche den obengenannten ersten und zweiten Kriterien a und b genügen, erfüllen das dritte Erfordernis ο nicht, daß nämlich das Material bei einer bestimmten kritischen Temperatur einen scharfen und deutlichen Wechsel der Leitfähigkeit zwischen einem Isolierenden Zustand und einem leitenden Zustand zeigen soll.

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Diese Eigenschaft läßt sich bei jedem beliebig vorgegebenen Material leicht durch Me'ssen seiner Leitfähigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen nachprüfen. Die meisten Materialien weisen jedoch keinen scharfen, deutlichen Wechsel In der Leitfähigkeit auf, sondern zeigen eine allmähliche Änderung über einen ziemlich weiten Temperaturbereich.

Einige Materlallen, die den scharfen Wechsel der Leitfähigkeit aufweisen und verwendet werden können, sind beispielsweise folgende:

Vanadiumdioxid	^V02
Vanadlumtrloxld	^V2°3
Silbersulfid	Ag₂S
Titanoxid	. ^Ti3°5

Vanad iumtrloxld (V₀O₀) weist einen scharfen Übergang bei etwa 150 K sowie einen unzureichend definierten Übergang bei etwa 500 K auf. Durch Dotieren dieses Materials mit 1% Chromtrioxid (CrOJ

2 ο

wird jedoch erreicht, daß sich der Tieftemperaturtibergang zu etwa 170°K verschiebt, während sich der Hochtemperaturtibergang schärfer ausbildet und auf etwa 270°K absenkt. Dieser zweite Übergang liegt in entgegengesetzter Richtung zum ersten Übergang. Dies^l verdeutlicht die Möglichkeit, wie Dotlermaterlalien verwendet werden können, um Materlallen mit vorteilhaften Übergängen bzw. Übergangseigenschaften zu schaffen. Die jeweilige Übergangstemperatur kann durch Variieren der Dotlermaterlalmenge eingeregelt werden.

Die dargestellte Vorrichtung kann als Relais verwendet werden, dessen Zustand durch Erhitzen und Kühlen des Vanadlumoxld-Fllms geändert wird. Das Im Film 4 verwendete Vanadiumoxid Ist dotiert worden, so

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daß »Ine kritische oder Schalttemperatur bei 55⁰C lieft Wenn die Fllmtemperatttr unterhalb der kritischen Temperatur liegt, betrügt der Widerstand zwischen den Stiften 15 und 17 typlscherwelse 200 χ 10 Q . Wenn zwischen den Stiften 19 und 21 eine Spannung ungelegt wird, fließt ein Strom durch den Wlderetandsfllm 7, wobei die derart erzeugte Hitze In das Saphlrplättchen 1 übergeleitet wird and den Vanadlumoxld-Film 4 aufheizt. Wenn dieser Film 4 seine kritische Temperatur erreicht, fällt der Widerstand zwischen den Stiften IS und 17 abrupt auf einen sehr viel kleineren Wert ab, typtscherwelse auf 200 Ω .

Bet dem hler beschriebenen speziellen Anwendungsfall hat eich beispielsweise gezeigt, daß der Film 4 nach etwa 15 ms umschaltet, wenn der Film 7 eine Leistung In der Größenordnung von 500 mW verbraucht. Die Zelt, die der Film 4 benötigt, um wieder In seinen ursprünglichen Tief temperatur- und Hochwiderstand- (hochohmlgen)-Zustand zu gelangen (wenn er keinen Strom führt), ist etwa gleich groß, d.h. 15ms. Es Ist möglich, ein sehr viel schnelleres Umschalten zwischen dem Hochwiderstand-Zustand und dem Tlefwiderstand-Zustand zu erzielen, indem nämlich dem Film 7 eine höhere Leistung zugeführt wird; der erhöhte Wärmestau Im Plättchen 1 bewirkt jedoch, daß die RUckstellzelt größer wird. Es hat sich jedoch als möglich erwiesen, die Wärme als Impuls von relativ hoher Leistung zuzuführen, wodurch man das erwünschte schnellere Umschalten In der Richtung von hohem zu niedrigem Widerstand erhält, während gleichzeitig die Gesamtwärmezufuhr niedrig gehalten wird und dadurch eine relativ schnelle Rückkehr in den Hochwiderstand-Zustand möglich 1st.

Es erscheint angebracht, an dieser Stelle einige Betrachtungen über den Vorgang der Leitung in einem Filmmaterial, wie dem Film 4,

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anzustellen. Obwohl das Material unterhalb der kritischen Temperatur etnen hohen Widerstand besitzt, Ist dieser Widerstand jedoch nicht unendlich, sondern endlich groß. Das hat zur Folge, daß ein geringer Strom fließt und sich eine Ohmsche Erwärmung ergibt, wenn an das Material eine Spannung angelegt und aufrechterhalten wird. In einigen Fällen kann selbst schon diese Ohmsche Erwärmung ausreichen, daß das Material, wenigstens örtlich, seine kritische Temperatur erreicht und In größerem Ausmaß leitend wird. Bei den meisten Anwendungsfällen werden die Schaltkrelsbedlngungen jedoch so gewählt, daß dies zumindest nicht unmittelbar erfolgt, weswegen eine Wärmezufuhr von außen verwendet wird, um die Erhitzung auf die kritische Temperatur zu bewirken. . .

Wie durch die freihändig gezeichneten Linien In Flg. 11 angezeigt, Ist der Stromfluß über den Querschnitt des Materials verteilt, wenn das Material erhitzt wird, um es über seine kritische Temperatur zu bringen. Wenn der Stromfluß durch äußere Schaltkrelsbedlngungen verringert oder wenn das Material auf eine Temperatur abgekühlt wird,, die etwas niedriger als diejenige liegt, bei der es hochleltend wurde, datin zeigt der Stromfluß die Neigung, sich In einer schmaleren, längserstreckenden Gegend des Materials zu konzentrieren. Der konzentrlertere Strom erzeugt auereichend thermische Wärme, um diesen Teil des Materials In seinem stärker leitenden Zustand zu halten.

Wenn das angelegte Potential ein Qletchstrom erzeugendes Potential Ist, dann Ist eine beträchtliche Verringerung entweder der Temperatur oder des Stromes (durch äußere Schalteinwirkung) erforderlich, um das gesamte Matertal In den Zustand ζurückzuverbringen, In dem es einen höheren Widerstand aufweist. Falls das angelegte Potential jedoch ein Wechselstrom erzeugendes Potential Ist, dann fällt der Heizstrom und

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daher auch der Heizeffekt zweimal während jeder Schwlngungspertode auf Null ab. Hierdurch kann das Materlat In seinen Hochwider β tand-Zustand zurückgelangen, und zwar bei einer Temperatur, die üblicherweise nahe derjenigen liegt, bei welcher der übergang bzw. Wechsel In entgegengesetzter Richtung stattfindet.

Hieraus wird deutlich, daß es bei Anwendung der Vorrichtung erforderlich 1st, steh zu vergegenwärtigen, ob der gesteuerte Strom ein Wechselstrom oder ein In einer Richtung wirkender Strom, d.h. ein Gleichstrom 1st, damit In Erfahrung gebracht werden kann, wie die Vorrichtung auf unterschiedliche Betriebsbedingungen reagiert.

Bezüglich der Schaltungen gemäß Flg. 6 bis 9 1st folgendes auszuführen:

Flg. 6 zeigt eine Schaltung, die Im Verbraucher B 603 einen überstrom mißt und den npn-Translstor Ql ausschaltet, um den Strom Im Verbraucher auf einen sicheren Wert zu begrenzen. Der Wideretand R wird so gewählt, daß er genug Basisstrom gibt, um es dem Transistor Ql zu gestatten, Last- bzw. Verbraucherstrom unter normalen Arbeitebedingungen zu liefern. Der Film 4 wird zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors Ql angeschlossen, und zwischen der Basis und dem Kollektor liegt ein Widerstand R 60S von l.ooo 0 .Der Erhltzungswlderstandsfllm 7 liegt In Reihe zum Verbraucher R 603.

Bei normalen Arbeltebedingungen Ist der Transistor Ql leitend, da die Temperatur des Films 4 unterhalb der kritischen Temperatur liegt. Wenn jedoch durch den Verbraucher It 603 und den Hetzfilm 7 ein überstrom fließt, wird der Film 4 In seinen Tlefwlderstand-Zustand geschaltet; dies begrenzt den durch den Verbraucher B 603

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fließenden Strom auf denjenigen Wert, der erforderlich Ist, um den Film 4 In seinem leitenden Zustand zu halten.

Die Schaltung gemäß Fig. 7 Ist der zuvor erläuterten ähnlich, jedoch mit derjenigen Ausnahme, daß sie selbstschaltend Ist, wenn der Film 4 auf seinen Tiefwiderstand-Zustand erwärmt worden Ist.

Ein npn-Translstor Q3 Ist über den Heizfilm 7 und einen Ohmschen Verbraucher R 803 an eine Gleichstromquelle 805 angeschlossen. Der Film 7 liegt mit einem Widerstand R 807 In Reihe an der Gleichstromquelle 805, und die Basis des Transistors Q3 Ist über eine Zenerdiode D801 an die Verbindungsstellen des Films 4 mit dem Widerstand R807 angeschlossen. Hierdurch wird aufgrund der Joule'sehen Erwärmung im Film 4, die aufgrund des durch den Widerstand R807 fließenden Stromes erzeugt wird, eine selbstschaltende bzw. selbsthaltende Schaltung erzeugt. Die Zenerdiode D801 wird verwendet, um die Basis des Transistors Q3 auf einen korrekten Pegel hochzubringen, bei dem die Restspannung im Film 4 ausgeglichen wird, wenn sich die Vorrichtung in eingeschaltetem Zustand befindet. Der Widerstand R809 liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Q3, um den Kriechstrom bzw. Streustrom von der Zenerdiode D801 von der Basis des Transistors Q3 · abzuzweigen.

Die aus Flg. 8 ersichtliche Schaltung Ist eine Weiterentwicklung der zuvor erläuterten Schaltung, wobei anstelle einer Zenerdiode eine unabhängige Vorspannungsquelle 907 dazu verwendet wird, die Spannung am Film 4 auszugleichen. Darüber hinaus Ist der Helzfllm 7 In Nebenschluß zu einem niedrig bemessenen Widerstand R905 geschaltet, so daß bei der Schaltung höhere Lastströme verwendet

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werden können. Wie schon bei der zuvor erläuterten Schaltung verwendet diese Schaltung einen npn-Translstor Q4, der In Reihe mit dem Heizwiderstand 7 und einem Ohmschen Verbraucher R901 liegt und an eine Gleichstromquelle 903 angeschlossen 1st Der Film 4 liegt In Reihe mit der als Vorspannungsquelle dienenden Qlelofaspannungsquelle 907 sowie mit einem Widerstand R909 und 1st ebenfalls an die Glelchspannungsquelle 903 angeschlossen. DI· Basis des Traneistore Q4 Ist an die Verbindungsstelle des Films 4 mit dem Widerstand R909 angeschlossen. Diese Schaltung 1st ebenfalls selbatschaltend bzw. selbsthaltend, wenn der Film 4 In seinen Niedrigwiderstand-Zustand erwärmt worden 1st.

Die aus Fig. 9 ersichtliche Schaltung macht Gebrauch von der Vorrichtung gemäß Flg. 1 bis 3 In Verbindung mit einer In zwei Richtungen gesteuerten Slllkon-Glelchrlchteivorrlchtung 950, die Üblicherweise als TRIAC bezeichnet wird. Der TRIAC 950 ist ein Wechselstromschalter und In Reihe mit einer Wechselstromquelle 951 sowie einem Verbraucher 953 verbunden. Parallel zum TRIAC 950 liegen In Reihe geschaltet der Film 4 und ein Widerstand R955 von 1. ooo Q , und die Trigger-Elektrode des TRIAC 950 1st an die Verbindungsstelle zwischen Film 4 und Widerstand R955 angeschlossen. Der Hetzwiderstand 7 1st an eine regelbare Steuerstromquelle 957 angeschlossen, die typischerweise bei Spannungen In der Größenordnung von 5 - 50 V arbeitet. Demgegenüber kann die Spannung zwischen der Verbraucherschaltung und der Steuerschaltung durchaus 1. 5oo V ., betragen.

Bei dieser Vorrichtung wird die kleine Steuerspannung zur Steuerung des Widerstandes des Films 4 verwendet und die danach der Trigger-Elektrode des TRIAC 950 angelegte Spannung steuert über den Verbraucher 953 den Strom. Im Verbraucher 953 fließt solange ein Strom,

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wie der Film 4 aufgrund der dem Heizwiderstand 7 angelegten Spannung auf eine Temperatur oberhalb seiner kritischen Temperatur gehalten wird.

Die Schaltung gemäß Fig. 9 verdeutlicht besonders gut die Vorteile des erfindungsgemäßen Relais. Der Steuerspannungskreis Ist elektrisch Isoliert von der gesteuerten Schaltung, weswegen es möglich Ist, zur Steuerung hoher Spannungen und Ströme eine einfache, billig© und sichere Steuerschaltung zu verwenden.

Die Schaltung gemäß Fig. 9 verwendet ein Relais, das in seiner Größs mit einem üblichen Transistor vergleichbar Ist, wobei e@ tatsächlich vom gleichen T05-header Gebrauch macht» Im Gegensatz zu ©Inem Transistor Ist jedoch hier für eine elektrisch© Isolation zwischen der Steuerschaltung und der gesteuerten Schaltung gesorgt, die ledig~ lieh durch die Dicke und das Material des Plättchens 1 begrenzt ist.

Wie schon erwähnt, können statt der verwendeten Materialien andere Materialien zur Anwendung gelangen und es kann auch die Ausbildung der einzelnen Teile Änderungen erfahren, wobei Immer noch wenigstens einige der durch die Erfindung erzielten Vorteile beibehalten werden.

Die gezeigten Schaltungen sind Grundschaltungen, Es 1st jedoch selbstverständlich, daß in diesen Schaltungen In bekannter Weise ein Temperaturausgleich für Umgebungstemperatur änderungen vorgesehen werden kann.

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Claims

Patentansprüche

\.J Elektrisches Relais, gekennzeichnet durch ein plattenähnllches Substrat (1) aus elektrisch Isolierendem Matertal, durch im Abstand voneinander angeordnete elektrische Kontakte (3) auf einer Seite dee Substrates, durch eine Schicht (4) aus ausgewähltem Material, das die voneinander entfernten Kontakte Überbrückt, und durch eine auf dem Substrat vorgesehene elektrische Vorrichtung (7), die Joule'sehe Wärme entwickelt, wobei das ausgewählte Material den folgenden Kriterien derart genügt, daß es

a) Elemente enthält, dessen Atome bei chemischer Kombination mit anderen Elementen eine unvollständig gefüllte d-Scbale oder eine unvollständig gefüllte f-Schale aufweisen,

b) eine Substanz enthält, die β- und p-Elektronen von den Leitungsbändern der Atome entfernt, und

c) bei einer bestimmten kritischen Temperatur einen scharfen, deutlichen Wechsel der Leitfähigkeit zwischen einem isolierenden Zustand und einem leitenden Zustand zeigt.
2. Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Vorrichtung ein dünner Ohmscher Widerstandsfllm(7) aus Metall ist.
3. Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch ein Saphlrplättchen (1) gebildet Ist und daß die voneinander entfernten elektrischen Kontakte (3) aus Nichrom bestehen.

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4. Relais nach einem oder mehraren der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) auf einer Keramikplatte (9) von sehr viel größerer Abmessung angeordnet und die gesamte Einheit eingekapselt Ist.
5. Relais nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) zusammen mit der Schicht aus ausgewähltem Material (4) auf der Keramikplatte (9) smgeovdmt Ist, wobei dl© Materlalschlcht Im Abstand zur Keramikplatte dieser zugekehrt ist.
6. Relais nach einem oder mehreren der Ansprttche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, da® das Substrat (1) In einem T05-Gehäuse (11) eingekapselt Ist.
7. Relais nach einem oder mehreren der Ansprttche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Material (4) Vanadlumdloxld Ist.
8. Relais nach einem oder mehreren der Ansprttche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Material (4} Vanadlumtrloxld Ist.
9. Relais nach einem oder mehreren der Ansprttche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Material (4) Sllbersulfld Ist.
10. Relais nach einem oder mehreren der Ansprttche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Material (4) Titanoxid Ist.

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11. Relais nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das ausgewählte Matertal (4) durch Zugabe eines Materials dotiert Ist, das In entgegengesetzter Richtung bei einer zweiten bestimmten kritischen Temperatur, die höher liegt als die kritische Temperatur gemäß Kriterium c, einen zweiten plötzlichen Wechsel der Leitfähigkeit bewirkt.
12. Elektrische Schaltung mit einem elektrischen Relais gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Steuerung der Schaltung einer zweiten elektrischen Vorrichtung (Ql bis Q4, 950) ausgebildet Ist.
13. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais und die zweite elektrische Vorrichtung (Ql bis Q4, 950) In einem einzigen Gehäuse eingekapselt sind.
14. Schaltung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrische Vorrichtung ein Transistor (Ql bis Q4) Ist.
15. Schaltung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite elektrische Vorrichtung ein TRIAC (950) ist
16. Schaltung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die die Joul'sche Wärme entwickelnde elektrische Vorrichtung (7) vom Schaltkreis der zweiten elektrischen Vorrichtung (Ql bis Q4) elektrisch isoliert Ist.

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