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Elektrodenbeschichtung für Kaltleiter.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrodenbeschichtung mit lötfähiger
Oberfläche aus Edelmetall auf Kaltleitermaterial, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches
1 angegeben ist.
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Aus dem Stand der Technik der letzten zwei Jahrzehnte ist Kaltleitermaterial
(auch als keramisches pTC-Widerstandsmaterial bezeichnet) bekannt. Es handelt sich
dabei um eine Keramik auf der Basis des Bariumtitanats, die elektrische Leitfähigkeit
mit einem nahezu sprunghaften Anstieg des spezifischen elektrischen Widerstandes
bei der sogenannten Curie-Temperatur hat. Dieses sprunghafte Verhalten des Materials
mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) macht dieses material wegen des damit
verbundenen Selbstregelungseffekts besonders günstig verwendbar für neizelemente
mit Selbstabschalteffekt.
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Zur Verwendung als elektrisches Bauelement ist es erfor-
derlich,
einen entsprechenden Körper aus Kaltleitermaterial mit wenigstens zwei Elektroden
zu versehen, zwischen denen dieser Kaltleiterkörper von elektrischem Strom durchflutet
wird.
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Schon mit Beginn der Entwicklung der kaltleiter war festgestellt worden,
daß wie üblich in der Technik der Elektrokeramik verwendete Silberelektroden, vorzugsweise
hergestellt unter Verwendung von Einbrennsilber, nicht verwendbar sind, und zwar
wegen des Auftretens eines wie von Gleichrichtern her bekannten Sperreffekts zwischen
der Silber-Elektrodenbeschichtung und dem Kaltleitermaterial. Seitdem sind zahlreiche
Vorschläge für sperrschichtfreie Elektrodenbeschichtungen für Kaltleiter gemacht
worden. für den Fall einer an ihrer Oberfläche notwendigerweise lötfähigen Elektrodenbeschichtung
ist insbesondere vorgeschlagen worden, zwischen dem Kaltleitermaterial und der eigentlichen,
lötbaren Schicht aus Silber ein oder mehrere Zwischenschichten aus z.B. stark indium-galliumlegiertem
Silber vorzusehen. Dieses riaterial wirkt auf Kaltleitermaterial reduzierend, ist
aber nicht ausreichend lötfähig und bedurfte der erwähnten zusätzlichen Beschichtung
mit einem gut lötbaren Naterial wie z.B. Silber.
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Fur l!lassenerzeugnisse, wie z.S. neizelemente aus 'ELaltleitermaterial
für Eierkocher, Kaffeemaschinen, lauchsieder, Lockenwickler und dergl., ist es unbedingt
erforderlich, eine mit möglichst wenig technischem Aufwand zu reanisierende Elektrodenbeschichtung
verfügbar zu haben, die sich ohne technischen Aufwand, d.h. mit den in dieser Fabrikationstechnik
üblichen Verfahren, einwandfrei mit angelöteten Anschlußleitungen versehen läßt.
Dabei ist es erforderlich, daß sowohl diese Lötverbindung selbst als auch die naftfähigkeit
der Elektrodenbeschichtung
auf dem Kaltleitermaterial selbst den
hohen Anforderungen genügt, die bei z.B. Haushaltsgeräten zu erfüllen sind.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrodenbeschichtung
mit lötfähiger Oberfläche für Kaltleitermaterial zu finden, die mit geringstem technischen
Aufwand in der Massenfabrikation hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einer Elektrodenbeschichtung erfindungsgemäß
gelöst, wie dies im Kennzeichen des Anspruches 1 angegeben ist. Ausgestaltungen
dieser Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Die Erfindung geht von dem Stand der Technik aus, für die für Heizelemente
vorzusehenden Kaltleiter eine wie übliche Elektrodenbeschichtung vorzusehen, die
zwischen der lötfähigen Oberfläche aus Edelmetall wie Silber und dem Kaltleitermaterial
noch Zwischenschichten aus solchem Material hat, das denjenigen Sperreffekt ausschließt,
der von der Verwendung einer Silberelektrode auf Kaltleitermaterial her nicht nur
bekannt, sondern auch als technisch problematisch gefürchtet ist. Demzufolge ist
in langåährigen Diskussionen unter Fachleuten stets die Verwendung von Silberelektroden
direkt auf Kaltleitermaterial abgelehnt worden, und zwar unabhängig vom jeweiligen
Anwendungproblem. An der Oberfläche des Kaltleitermaterials aufgrund hohen Sperrwiderstandes
auftretende höhere Erwärmungen sind stets als unzulässig angesehen worden.
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yiit der Erfindung sind alle bisherigen Vorurteile beiseitegeschoben
worden und es ist für den Betrieb von Kaltleiter-Baualementen an elektrischen Versorgungs-
spannungen
mit 12 Volt und höheren Werten, insbesondere aber für 110 und 220 Volt Wechselspannung,
Elektroden eines Kaltleiter-Bauelementes, z.B. -Heizelementes, je eine Edelmetall-,
insbesondere Silberschicht verwendet worden, die ohne Zwischenschicht mit der jeweiligen
Kaltleiteroberfläche verbunden ist.
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Es hat sich nämlich gezeigt, daß der an sich auch hier auftretende
Sperreffekt sich ganz anders darstellt, als dies aufgrund der bekannten Untersuchungen
vorausgesetzt wurde.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird diese nachfolgend anhand
der beigefügten Figuren näher beschrieben.
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Fig.1 zeigt ein Diagramm des Widerstandsverhaltens eines Kaltleiter-Bauelementes
mit erfindungsgemäßer Elektro denbe schi chtung, Fig.2 zeigt ein Kaltleiter-Bauelement
mit erfindungsgemäßen Elektrodenbeschichtung.
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In Fig.1 ist auf der Abszisse die an die beiden Stromzuführungselektroden
eines Kaltleiler-Bauelementes angelegte elektrische Spannung aufgetragen. Auf der
Ordinote 2 is-t der durch das Kaltleiterelement flieBenue elektrische Strom aufge
tragen. beim Einschalten der elektrischen Spannung ergibt sich beginnend mit dem
Spannungswert U = O Volt ein Verlauf 3 der Strom-Spannungsabhängigkeit, wie ihn
Fig.1 zeigt. Der Bereich der Kurve 3 ftlr Spannungen oberhalb etwa 8 Volt entsDricht
dem Widerstandsverhalten des eigentlichen taltleitermaterials. Der verlauf der Kurve
3 im bereich von 0 bis 8 Volt gibt den Sperreffekt wieder. Bei einem
Gleichspannung
betriebenen Kaltleiterelement tritt dieser Effekt an einer der beiden Elektroden
und bei Wechselspannung abwechselnd an beiden Elektroden auf.
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Es hat sich nun aber gezeigt, daß nach einiger Seit des Stromdurchflusses
über diesen Sperrwiderstand hinweg eine Verlagerung der Kurve 3 in eine Kurve 4
erfolgt, d.h. der Sperreffekt verschwindet und die die Joul'sche lWårme erzeugende
elektrische Spannung liegt am Kaltleiterelement über seine ganze Dicke hinweg verteilt
an. Ein momentanes Abschalten der elektrischen Spannung ergibt im Grunde genommen
keine Veränderung und das Strom-Spannungsverhalten entspricht weiterhin der Kurve
4. Erfolgt aber ein längeres Abschalten der Spannung U, d.h. eine längere Außerbetriebsetzung
des Kaltleiter-auelementes, geht die eingetretene Veränderung, charakterisiert durch
den Übergang aus der Kurve 3 in die Kurve 4, wieder zurück und beim erneuten Einschalten
zeigt sich wieder ein Verlauf entsprechend der Kurve 3. Es erfolgt dann wieder der
bereits erwähnte Ubergang in die Kurve 4.
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Diese Erscheinung zeigt, daß der "Durchschlag der Sperrschicht im
Verlauf des Betriebs des Kaltleiter-Bauelementes keinerlei Zerstörungseffekt irgendeiner
Art am Kaltleitermaterial bewirkt und auch ein derartiges Vorurteil nicht zu Recht
besteht.
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Fig.2 zeigt lediglich dem Prinzip nach in Schnittdarstellung eine
Scheibe 11 aus Kaltleitermaterial, die auf ihren beiden gegenüberliegenden Oberflächen
erfindungsgemäß ohne Zwisonenschicht aufgebrachte Elektrodenbeschichtungen 12 und
13 hat. An diese Elektrodenbeschichtungen 12 und 13 sind nuführungadrähte 14 und
15 angelötet, durch die hindurch die Stronzuführung in das Kaltleitermaterial der
Scheibe 11 erfolgt.
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Ein solches altleiter-Bauelement nach Fig.2 ist z.B.
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für die Verwendung als Heizelement in einer Eaffeemaschine geeignet.
Die nuverlässigkeit der Lötverbindung und der geringe Aufwand zur Herstellung der
Elektrodenbeschichtung macht dieses Kaltleiter-Bauelement z.B.
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als neizelement nicht nur konkurrenzfähig, sondern sogar vorteilhafter
verwendbar, als dies für konventionelle drahtgewickelte Elektroheizer gilt.
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Nachfolgend wird ein Beispiel eines Aufbringens von Einbrennsilber
als Elektrodenschicht beschrieben. Auf die gereinigte Oberfläche eines Kaltleiterkörpers
aus z.B. (Ba1-xPbx)TiO3-Keramik mit einem spezifischen Widerstand von 104 bis 105
cm wird z.B. EinbrennsilDer-Tinktur 61000j25 der Fa. Degussa mit einer Dicke von
ca. 10 bis ZO/um aufgetragen. Nach kurzzeitigem Antrocknen erfolgt das Einbrennen
ca. 30 min lang bei lemperaturen zwischen 750 und 850°C, wobei auf ausreichend stark
sauerstoffhaltige Atmosphäre zu achten ist, und zwar mit Rücksicht auf die Empfindlichkeit
von Kaltleitermaterial gegen chemische Reduktion, die z.b. an den nicht mit Elektroden
bedeckten Seiten zu Kurzschlüssen führt. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung
bei Kaltleitermaterial mit hohem spezifischen Widerstand, z.b. höher als 1 000 g-cm
anzuwenden, da es gerade für die aeizelemente der obenerwähnten Geräte (P 27 43
880) von besonderem interesse ist.
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8 Patentansprüche 2 Figuren