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Induktionsarmer, niederohmiger elektrischer Widerstand und Verfahren
zu seiner Herstellung.
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Die Erfindung betrifft einen induktionsarmen, niederohmigen elektrischen
Widerstand, der aus einem isolierenden Trägerkörper aus Keramik, Glas oder insbesondere
aus Kunststoff besteht, dessen Oberfläche mit einer Schicht aus mtu Widerstandsmaterial
belegt und seitlich mit elektrischen Anschlußelementen versehen ist und Verfahren
zu seiner Herstellung.
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Eine für die Herstellung von Präzisionswiderständen vordringliche
Forderungen ist, daß die geschaffenen elektrischen Widerstände kleinste Selbstinduktion
zeigen, d.h. der Verlustwinkel (5) so gering wie möglich gehalten wird.
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Angenähert gilt für den Verlustwinkel (#) eines elektrischen Widerstandes
tg# = c: (L/R - R C) = cc T mit R = Ohmscher Widerstand C = Kapazität L = Selbstinduktion
und cc = Kreisfrequenz oder # = arc tg F (L/R - R c)j = arc tg # . T, wobei T =
L/R - R C die Zeitkonstante darstellt mit der Dimension einer Sekunde (s).
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Wie die Formel zeigt ist die Eigeninduktivität frequenzabhängig.
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Durch einen parallel geschalteten Kondensator kann sie deshalb nur
in einem verhältnismäßig kleinen Frequenzbereich kompensiert werden und das auch
nur unter Bedingungen, die großen Aufwand erfordern.
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In der Zusammenstellung von Dr. J. Krönert: n Präzisions-Drahtwiderstände
für Gleich- und Wechselstrom ", welche veröffentlicht ist in ATM (Archiv für technisches
Messen) 1931-T 78-Z 111-1 werden einige mögliche Ausführungsformen von Drahtwiderständen,
welche nur eine geringe Eigeninduktion aufweisen, beschrieben.
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Die einfachste Art die Eigeninduktion eines Drahtwiderstandes zu vermindern
besteht darin, daß der Widerstandsdraht flach auf einem Streifen aus Isoliermaterial
z.B. Schiefer oder Glimmer aufgewikkelt wird. Ein weit günstigerer Wert der Zeitkonstante
(T) wird von einer anderen Ausführungsform, einer Flachspule erreicht, bei der der
Widerstandsdraht in ein Gewebe eingearbeitet ist. Es wird dabei gleichzeitig eine
Bifilarwirkung ausgenutzt.
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Eine weitere, in der gleichen Veröffentlichung aufgezeigte Möglichkeit
das Magnetfeld bei Drahtwiderständen klein zu halten, besteht darin, daß zwei Drähte
gleichzeitig parallel geführt werden und an dem einen Ende miteinander verbunden
werden, so daß der Strom die zweite Hälfte der Drahtlänge rückläufig in Hinsicht
auf die Windungsrichtung durchläuft. Die Selbstinduktion solcher Bifilarspulen ist
sehr gering; jedoch steigt die Eigenkapazität bei Spulen mit einem Ohmwert über
100 Ohm stark an. Für hochbelastbare elektrische Widerstände mit niedrigem Ohmwert,
beispielsweise kleiner als 1 Ohm, ist es auch möglich Metallbänder bifilar entweder
in Schraubenlinie oder als Scheibe, z.B. als Flachspule, zu wickeln.
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Da die Ausdehnung des elektrischen Leiters bei Drahtwiderständen verhältnismäßig
groß ist, ist die Herstellung dieser elektrischen Widerstände erschwert. Außerdem
ist ein exakter Abgleich dieser Widerstände auf einen gewünschten Nennwiderstand
nicht ohne weiteres möglich.
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Ein Verfahren zum Herstellen von elektrischen Widerständen mit vorgegebenen
Widerstandswerten, welche aus metallisiertem Isolierstoffbändern bestehen, wird
in der (deutschen Patentschrift DT-PS 710 362 beschrieben. Zur Herstellung dieser
elektrischen Widerstände werden auf einem elektrisch nicht leitenden Trägerband,
insbesondere aus Papier, zwei nebeneinander angeordneten, mäanderförmige Widerstandsbahnen
erzeugt, welche an einem Ende leitend miteinander verbunden sind und durch welche
der elektrische Strom derart geführt wird, daß er die beiden nebeneinander angeordneten
Bahnen im gegenläufigen Sinn durchfließt. Die Eigen-Induktion wird zwar auf diese
Weise gering gehalten; die Belastbarkeit derartiger Widerstände ist jedoch infolge
der begrenzten Oberfläche sehr gering..
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung. ist es, einen niederohmigen elektrischen
Widerstand hoher Belastbarkeit, der infolge geringer Eigeninduktivität einen frequenzunabhängigen
Proportionalitätsfaktor zwischen Meßgröße und angezeigten Wert aufweist und dadurch
geeignet ist, in HF-Strommeßgeräten eingesetzt zu werden, und ein Verfahren zur
Herstellung derartiger elektrischer Widerstände aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird von einem elektrischen Widerstand, dessen kennzeichnenden
Merkmale in den Patentansprüchen 1 bis 5 fixiert sind, gelöst. Der Aufbau des elektrischen
Widerstandes nach der Erfindung bewirkt eine hohe Kopplung zwischen Hin- und Rückleitung
und damit
eine geringe Eigeninduktivität. Die Ausführung der erfindungsgemäßen
Widerstände in Dünnschichttechnik gestatten es, sie in einfacher Weise entweder
mit Hilfe von Laserenergie oder durch thermische bzw. anodische Oxydation abzugleichen.
Darüberhinaus weisen die elektrischen Widerstände nach der Erfindung durch die Verwendung
dünner Tantalnitridschichten als Widerstandschichten eine hohe zeitliche Stabilität
und durch die große Oberfläche der Widerstandsschicht eine hohe Belastbarkeit auf.
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Die beiden Verfahren, deren kennzeichnenden Merkmale in den Patentansprüchen
6 und 7 dargelegt sind, dienen in gleicher Weise dazu, die gestellte Aufgabe zu
lösen, da mit Hilfe dieser Verfahren elektrische Widerstände der eingangs genannten
Art hergestellt werden.
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An Hand der Figuren 1 bis 5 werden im nachfolgenden der elektrische
Widerstand nach der Erfindung und Verfahren zu seiner Herstellung näher beschrieben.
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Fig.1 stellt eine schematische Wiedergabe eines Schnittes durch einen
elektrischen Widerstand nach der Erfindung dar.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
elektrischen Widerstandes, die von einer Kunststoffolie als Träger für die Widerstandsschicht
ausgehen. Die elektrischen Widerstände sind ebenfalls im Schnitt dargestellt.
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In Fig.4 und 5 werden schließlich in Form von Schnittzeichnungen zwei
weitere Variationen des erfindungsgemäßen elektrischen Widerstandes mit einem Trägerkörper
in Form eines Hohlzylinders bzw.
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einer kreisförmigen Scheibe aufgezeigt.
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Fig.1 gibt einen Schnitt durch einen elektrischen Widerstand nach
der Erfindung wieder. Ein flacher, quaderähnlicher Trägerkörper 1 aus Isolierstoff,
zum Beispiel aus Keramik, Glas oder Kunststoff,
besitzt auf den
beiden gegenüberliegenden und im wesentlichen seine Oberfläche ausmachenden Flächen
3 und 4 eine Widerstandsschicht 2. Ein geeignetes Material für eine derartige Widerstandsschicht
2 ist Tantalnitrid. An einer Seite entlang den Kanten zu einer gemeinsamen schmalen
Quaderfläche weisen diese beiden mit Widerstandsmaterial belegten Flächen 3 und
4 je ein Kontaktierungsfeld 5 und 6 auf. Die Kontaktierungsfelder 5 und 6 stellen
Flächenbereiche dar, die mit einem elektrisch gut leitenden Material versehen sind
und zum Anbringen von elektrischen Anschlußelementen 7 dienen. Die beiden Kontaktierungsfelder
5 und 6 sind somit durch die Dicke des Quaders getrennt.
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Die beiden Kanten, welche an der den Kontaktierungsfeldern 5 und 6
gegenüberliegenden Seite der Flächen 3 und 4 den Übergang zu einer weiteren gemeinsamen
schmalen Quaderfläche bilden, sind abgerundet.
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Die Oberfläche des abgerundeten Bereiches ist ebenfalls mit Widerstandsmaterial
beschichtet, so daß sich eine durchgehende Widerstandsschicht 2 von dem Kontaktierungsfeld
5 zum Kontaktierungsfeld 6 erstreckt.
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Als elektrische Anschlußelemente 7 sind in der Fig.1 vier Lötlaschen
- in der dargestellten Seitenansicht befinden sich diese hintereinander - gezeichnet,
welche mit isolierenden Befestigungsnieten 8 an den Kontaktierungsfeldern 5 und
6 angebracht sind und für die Messung von Strom und Spannung vorgesehen sind. Ein
derartig beschaffener Widerstandskörper wird zweckmäßig in eine elektrisch isolierende
und vor Feuchtigkeit schützende Umhüllung 9 (strichpunktiert dargestellt), vornehmlich
aus Kunststoff, eingeschlossen. Es stehen dazu verschiedene bekannte Verfahren zur
Verfügung, so zum Beispiel das Umhüllen durch Tauchen, Vergießen oder Pressen.
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In Fig.2 ist ein elektrischer Widerstand nach der Erfindung dargestellt,
welcher als Trägerkörper 1 eine mit einer Widerstandsschicht 2 belegte Kunststoffolie
10 besitzt. Bei der HerstelYung dieses elektrischen Widerstandes wird von einer
einseitig mit Widerstandsmaterial beschichteten Folie 10, beispielsweise aus Kapton,
einem Polyimid-Kunststoff, ausgegangen. Von der beschichteten Folie 10 wird ein
Stück, das der halben Länge der gewünschten Widerstandsbahn entspricht, umgebogen
und zwar derart, daß Kunststoff auf Kunststoff zu liegen kommt und die Widerstandsschicht
2 die äußere Oberfläche bildet. Die aufeinanderliegenden Folienbereiche sind miteinander
fest verbunden, beispielsweise mit Hilfe eines Klebers 11. Entlang der Kante des
umgebogenen Folienbereiches wird ein Stück von der Gesamtfolie abgetrennt. Entsprechend
dem in Fig.1 dargestellten elektrischen Widerstand mit einem flachen, quaderähnlichen
Trägerkörper 1 erhalten diese Folienstücke beidseitig auf der Widerstandsschicht
2 entlang der Trennkante Kontaktierungsfelder 5 und 6.
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Wurde bei der Herstellung von einer großflächigen Folie ausgegangen,
so ist es erforderlich, senkrecht zur Bruchkante weitere Trennschnitte durchzuführen,
um zu einzelnen Widerstandskörpern zu gelangen. Wurde Jedoch als Ausgangsmaterial
eine Kunststoffolie in Bandformat mit gewünschter Breite der Widerstandsbeschichtung
verwendet, so ist es möglich, einen derartigen Arbeitsschritt einzusparen.
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Als elektrische Anschlußelemente 7 sind in der Fig.2 wiederum mit
Hilfe von isolierenden Befestigungsnieten 8 angebrachte Lötlaschen gezeichnet. Es
sind jedoch auch andere Anschlußelemente 7 wie anlegierte Metallstreifen oder Steckverbindungen
denkbar. Die Oberfläche des Widerstandskörpers ist bei diesem elektrischen Widerstand
ebenfalls durch eine isolierende Umhüllung 9 geschützt.
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In Fig.3 ist eine weitere Ausführungsform des elektrischen Widerstandes
nach der Erfindung dargestellt. Bei der Fertigung dieses elektrischen Widerstandes
geht man ebenfalls von einem einseitig mit Widerstandsmaterial beschichteten, flachen
flexiblen Trägerkörper, beispielsweise einer Kunststoffolie 10, aus. Es wird von
ihr ein kleines, voraus bestimmtes Stück umgeschlagen, jedoch in umgekehrter Richtung
als im vorangegangenen Ausführungsbeispiel, so daß die Widerstandsschicht 2 innen
zu liegen kommt und der Kunststoff die äußere Oberfläche bildet. Zur Herstellung
eines erfindungsgemäßen elektrischen Widerstandes mit einer definierten Widerstandsbahn
wird zwischen die umgebogenen Folienbereiche eine weitere Kunststoffolie 12 eingelegt,
deren Ausmaß der umgebogenen Fläche der als Trägerfolie benutzten Kunststoffolie
10 entspricht.
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Durch diese Maßnahme wird vermieden, daß einzelne Bereiche der Widerstandsschicht
2 kurzgeschlossen werden.
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Die in Fig.3 dargestellte Ausführungsform des elektrischen Widerstandes
nach der Erfindung besitzt ebenfalls Kontaktierungsfelder 5 und 6 und elektrische
Anschlußelemente 7. Die isolierende Umhüllung 9 kann bei dieser Ausführungsform
geringer gehalten werden, da die Kunststoffolie 10 schon einen Teil der schützenden
Funktionen übernimmt.
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In Fig.4 wird eine weitere mögliche Ausführungsform des elektrischen
Widerstandes nach der Erfindung aufgezeigt. Der Trägerkörper 1 besteht hierbei aus
einem Hohlzylinderstück, das zweckmäßig von einem größeren, innen und außen mit
Widerstandsmaterial beschichteten Hohlrohr abgetrennt wird. Eine der Stirnflächen
ist -evtl. nach vorheriger Abrundung der Kanten - mit Widerstandsmaterial belegt,
so daß über diese Stirnfläche hinweg die äußere und die innere beschichtete Oberfläche
des Hohlzylinderstücks elektrisch leitend verbunden sind. Es ergibt sich dadurch
eine zusammenhängende
Widerstandsschicht 2. Eine dem beschriebenen
Hohlzylinder entsprechende Form kann auch aus einer einseitig mit Widerstandsmaterial
beschichteten und umgebogenen bzw. gefalteten Folie (vergl. dazu die in Fig.2 dargestellte
Ausführungsform) oder aus einer beidseitig beschichteten Folie geschaffen werden.
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Auf der äußeren und der inneren Oberfläche entlang der zweiten Stirnfläche
ist je ein ringförmiger Streifen 13 und 14 elektrisch gut.leitenden Materials aufgebracht.
Die ringförmigen Streifen 13 und 14 dienen als Kontaktflächen für die in Form von
Ringen ausgebildeten elektrischen Kontakte 15 und 16. Jeder der beiden Kontaktringe
15 und 16 besitzt weiterhin ein elektrisches Anschlußelement 17 und 18.
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Zur Verfestigung weist der beschriebene Widerstandskörper ein den
äußeren Kontaktring 15 umfassende Spannvorrichtung 19 in Form eines Spannringes
oder Spannbandes auf. Ein direkter Kontakt der Spannvorrichtung 19 mit dem Kontaktring
15 wird durch eine isolierende Zwischenschicht 20 vermieden. Zum Schutz gegen Feuchtigkeit
und äußere Einflüsse kann der dargestellte Widerstandskörper eine isolierende Umhüllung
erhalten, welche in der Fig.4 nicht gezeichnet ist.
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Fig.5 stellt eine weitere mögliche Bauform eines Widerstandskörpers
für einen elektrischen Widerstand nach der Erfindung in schematischer Schnittzeichnung
dar. Der Trägerkörper 1 aus Kunststoff, Glas oder Keramik besitzt hierbei die Gestalt
einer flachen Kreisscheibe. Seine gesamte Oberfläche ist mit einer Widerstandsschicht
2 bedeckt. Im Zentrum der mit Widerstandsmaterial belegten Kreisflächen befinden
sich Kontaktierungsfelder 21 und 22, welche die Form von Kreisflächen aufweisen
und aus elektrisch
gut leitendem Material bestehen. Die kreisförmigen
Kontaktierungsfelder 21 und 22 bieten die Möglichkeit, elektrische Anschlußelemente
17 und 18 an den Widerstandskörper anzubringen.
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Bei dieser Ausführungsform eines elektrischen Widerstandes der eingangs
beschriebenen Art verläuft der Stromweg vom Zentrum der einen Kreisfläche radial
zur Peripherie der Scheibe und radial zurück zum Zentrum der zweiten Kreisfläche.
Es ist vorteilhaft, auch diese mögliche Bauform des elektrischen Widerstandskörpers
in eine isolierende Umhüllung einzuschließen.
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Der Aufbau der einzelnen beschriebenen Ausführungsformen ist jeweils
durch die hohe Kopplung zwischen Hin- und Rückleitung besonders induktivitätsarm.
Niederohmige elektrische Widerstände mit einem derartigen Aufbau sind daher auch
in weiten Grenzen frequenzunabhängig und hoch belastbar. Sie finden mit Vorteil
Verwendung in HF-Strommeßgeräten. Die Ausführung der erfindungsgemäßen Widerstände
in Dünnschichttechnik ermöglichen einen einfachen Abgleich mit Hilfe von Laserenergie
oder durch thermische bzw.
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anodische Oxydation. Darüber hinaus ist der konstruktive Aufbau der
elektrischen Widerstände nach der Erfindung sehr übersichtlich, einfach und robust.
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7 Patentansprüche 5 Figuren