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Die
Erfindung betrifft einen Zweipolwiderstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten des
spezifischen Widerstands (PTC).
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Eine
solche Vorrichtung weist einen Körper aus
einem Material auf, dessen elektrischer spezifischer Widerstand
als Funktion der Temperatur zunimmt. Diese Eigenschaft setzt eine
natürliche
Obergrenze für
den elektrischen Strom, der durch den Körper geschickt werden kann,
da die ohmsche Erwärmung,
die mit dem Stromfluß verbunden
ist, eine Zunahme des elektrischen Widerstands des Körpers bewirkt,
mit einer damit verbundenen Verminderung der Leitfähigkeit.
Folglich eignen sich PTC-Widerstände für eine Anwendung
in zum Beispiel Überlastungsschutzvorrichtungen
und (selbstrücksetzenden)
elektrischen Sicherungen; zusätzlich
können
sie als kompakte elektrische Heizelemente verwendet werden.
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Eine
wichtige Anwendung von PTC-Widerständen liegt im Entmagnetisierungskreis
einer Farbkathodenstrahlröhre.
Eine solche Röhre
ist im allgemeinen mit einer großen Spule ausgestattet (Entmagnetisierungsspule),
durch die ein Wechselstrom geschickt werden kann, wodurch ein Wechselmagnetfeld
erzeugt wird, das dazu dient, die Lochmaske der Röhre zu entmagnetisieren.
Eine solche Entmagnetisierung reduziert wiederum Farbfehler im Röhrenbild.
Im allgemeinen ist ein PTC-Widerstand mit der Entmagnetisierungsspule
in Reihe geschaltet, so daß die
Stärke
des Stroms, der der Spule zugeführt wird,
schnell von einem Anfangsmaximalwert (dem sogenannten Einschaltstrom)
auf einen bedeutend niedrigeren Restwert abnimmt (der üblicherweise
null ist). In der Regel ist der erhaltene Entmagnetisierungseffekt am
besten, wenn die Stromamplitude in einer annähernd linearen Weise abnimmt.
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PTC-Materialien,
die verbreitet in der Technik verwendet werden, umfassen bestimmte
Halbleiterkeramikzusammensetzungen (wie dotiertes BaTiO
3) und
Polymere (z.B. eine Mischung aus Polyethen mit hoher Dichte, Ethencopolymer
und Ruß:
siehe das US-Patent
US 4,315,237 ). In einem
typischen PTC-Widerstand ist ein scheibenförmiger Körper eines solchen Materials
auf jeder seiner beiden Hauptoberflächen mit einer Elektrodenschicht
versehen, auf die anschließend
ein metallischer Anschluß gelötet wird;
siehe zum Beispiel die US-Patente
US 3,824,328 und
US 5,142,267 . Ein solcher
scheibenförmiger
Widerstand zeigt bei jeder gegebenen Temperatur einen charakteristischen
Widerstand R, dessen Wert eine Obergrenze für den erhältlichen Stromfluß durch
den Widerstand bei der Temperatur setzt, wodurch die Eignung des
Widerstands für
bestimmte Anwendungen eingeschränkt
wird. Insbesondere begrenzt der Raumtemperaturwiderstand des Widerstands
(der sogenannte Kaltwiderstand R
25) den
Wert des Einschaltstroms.
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Eine
Anzahl jüngster
Trends in der Fernsehindustrie erfordern die Entwicklung von PTCs
mit höheren
Einschaltströmen
und einer langsameren Stromabnahme. Solche Trends umfassen:
- – Die
zunehmende Popularität
des 16:9 Bildschirmseitenverhältnisses;
- – Die
Entwicklung von PAL- und NTSC-Normen weg und zum Beispiel zu D2MAC hin;
- – Die
Einführung
von HDTV, mit seiner höheren Pixeldichte
und Abtastrate.
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Eine
einfache Weise, R (und folglich insbesondere R25)
zu reduzieren, wäre
es, die PTC-Scheibe dünner
zu machen, wodurch die Leitfähigkeit
der Scheibe in die Richtung senkrecht zu ihren Hauptoberflächen erhöht wird,
und folglich der Strom i durch die Scheibe bei einer gegebenen Spannung
v erhöht wird.
Jedoch erhöht
eine solche Maßnahme
auch das Maß der
ohmschen Erwärmung
der Scheibe, das durch das Produkt vi bestimmt wird. Da zusätzlich das
Volumen der Scheibe vermindert wird, wird auch ihre Wärmekapazität C sinken.
Der kombinierte Effekt dieser letzten beiden Erscheinungen ist eine
erhebliche Zunahme der Aufheizgeschwindigkeit des Widerstands, und
daher eine ungünstige
Reduzierung der Schaltdauer. Die erhöhte Aufheizgeschwindigkeit
kann wiederum eine Beschädigung
der Scheibe verursachen.
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Ein
alternativer Ansatz ist es, den Durchmesser der Scheibe bei einer
gegebenen Dicke zu erhöhen.
Dies bewirkt jedoch, daß die
lateralen Gesamtabmessungen der Scheibe erheblich zunehmen, was
in Hinblick auf den fortgesetzten Drang zur Miniaturisierung unerwünscht ist.
Da zusätzlich
die Wärmekapazität hierdurch
erhöht
wird, wird die Scheibe als ganzes weniger empfindlich gemacht, da eine
gegebene innere ohmsche Wärmemenge
nun eine kleinere Temperaturzunahme und so eine kleinere Widerstandsänderung
erzeugen wird.
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Noch
ein anderer Ansatz ist es, den elektrischen spezifischen Widerstand
des PTC-Materials in der Scheibe zu senken. Dies ist jedoch äußerst schwierig,
da die Anzahl der geeigneten PTC-Materialien, die gegenwärtig in
Gebrauch sind, sehr begrenzt ist, und der zulässige Dotierungsgrad solcher Materialien
(in Hinblick auf andere erforderliche Eigenschaften des endgültigen PTC-Materials,
wie seine Schalttemperatur) ebenfalls sehr eingeschränkt ist.
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Die
Patentanmeldung
GB 2
099 220 A beschreibt einen PTC-Widerstand, der aus mehreren scheibenförmigen Widerstandselementen
besteht, die in einem Stapel angeordnet und gehalten werden, in
dem jedes Widerstandselement zwei gegenüberliegend angeordnete Hauptflächen aufweist,
ein Metallarm zwischen benachbarten Widerstandselementen angeordnet
ist und durch Lötung
mit einer Hauptoberfläche
jedes Elements im Paar elektrisch verbunden ist, ein Metallarm mit
der abschließenden Hauptoberfläche an jedem
Ende des Stapels elektrisch verbunden ist und ein Teil jedes Metallarmes nach
außen über die
Begrenzung des Stapels hinaus vorsteht.
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DE-A-42
30 848 offenbart einen Mehrfach-PTC-Widerstand mit einer Vielzahl
von zwei sich gegenüberliegenden
Vorderseiten, die mit metallischen Kontakten verbunden sind, der
parallel geschaltete einzelne PTC-Widerstandsscheiben zeigt.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Zweipol-PTC-Widerstand bereitzustellen,
dessen Kaltwiderstand R25 erheblich niedriger
als jener von herkömmlichen
PTC-Widerständen
mit annähernd denselben
Abmessungen ist. Zusätzlich
ist es eine Aufgabe der Erfindung, daß die Wärmekapazität des erfinderischen PTC-Widerstands
in derselben Größenordnung
wie jener eines herkömmlichen
PTC-Widerstands mit annähernd
denselben Abmessungen liegt. Es ist außerdem eine Aufgabe der Erfindung, daß die Gestaltung
des neuen PTC-Widerstands ihn in einem hohen Maße auf die genauen individuellen Anforderungen
verschiedener Anwendungen zuschneidbar machen sollte.
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Diese
und andere Aufgaben werden in einem Zweipolwiderstand mit einem
positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands gelöst, der
durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist. Der Widerstand
besteht aus mehreren scheibenförmigen
Widerstandselementen, die in einem Stapel angeordnet und gehalten
werden, wodurch:
- – jedes Widerstandselement
zwei gegenüberliegend
angeordnete metallisierte Hauptflächen aufweist, von denen jede
im wesentlichen in ihrer Gesamtheit metallisiert ist;
- – ein
Metallarm zwischen benachbarten Widerstandselementen angeordnet
ist, und an eine Hauptoberfläche
jedes Elements im Paar gelötet ist,
um eine elektrische Verbindung zu bilden,
- – ein
Metallarm an die abschließende
Hauptoberfläche
an jedem Ende des Stapels gelötet
ist;
- – ein
Teil jedes Metallarmes nach außen über die Begrenzung
des Stapels hinaus vorsteht;
- – die
vorstehenden Teile der Metallarme mit einer geraden Ordnungszahl
steif mit einem ersten Anschluß verbunden
sind, und die vorstehenden Teile der Metallarme mit einer ungeraden
Ordnungszahl starr mit dem zweiten Anschluß verbunden sind.
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Der
Ausdruck „scheibenförmig", wie er hier eingesetzt
wird, sollte nicht so interpretiert werden, daß er sich ausschließliche auf
kreisförmig-zylindrische
Körper
bezieht; vielmehr ist der Ausdruck dazu bestimmt, jede dreidimensionale
geometrische Form mit zwei gegenüberliegend
angeordneten Hauptoberflächen
einzuschließen,
unabhängig
von der Form ihrer Umfänge.
Beispiele solcher Formen umfassen rechteckige Blöcke, polygonale Scheiben, Parallelepipede
usw. Die Bestimmung, daß jede Hauptoberfläche „im wesentlichen
in ihrer Gesamtheit" metallisiert
sein sollte, sollte hier so interpretiert werden, daß sie bedeutet,
daß der
metallisierte Anteil jeder Hauptoberfläche mindestens 90%, vorzugsweise über 95%
und idealerweise 100 (oder einen Wert nahe daran) des Oberflächenbereichs
der betroffenen Hauptoberfläche
ausmacht. Der Grund für
diese Bestimmung wird später
erläutert.
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Die
einzelnen scheibenförmigen
Widerstandselemente im erfinderischen PTC-Widerstand sind elektrisch
in einer Parallelkonfiguration verbunden. Wenn vorausgesetzt wird,
daß diese
Konfiguration eine Vielzahl n identischer kreisförmiger Widerstandselemente
enthält,
von denen jedes einen Radius r und eine Dicke t/n aufweist, dann
wird der resultierende Widerstand des Stapels R/n2 betragen,
wobei R der Widerstand eines einzelnen scheibenförmigen Körpers desselben Materials ist,
der einen Radius r und eine Dicke t aufweist; der erfindungsgemäße PTC-Widerstand zeigt
daher einen drastisch niedrigeren elektrischen Widerstand als ein
monolithischer PTC-Widerstand mit annähernd denselben Gesamtabmessungen.
Andererseits beträgt
das Volumen des PTC-Materials im erfinderischen Widerstand n × (πr2 × t/n)
= πr2t, das dasselbe wie das Volumen des monolithischen
PTC-Widerstands
ist; folglich ist die Wärmekapazität des erfinderischen PTC-Widerstands
annähernd
dieselbe wie jene des monolithischen Widerstands. Da jedoch der
erfinderische PTC-Widerstand in mehrere verhältnismäßig dünne Scheiben unterteilt ist,
leitet er die ohmsche Wärme
effizienter als ein monolithischer Widerstand ab.
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Da
der erfinderische PTC-Widerstand insbesondere aus mehreren getrennten
Widerstandselementen besteht, können
seine physikalischen Eigenschaften durch eine geeignete Wahl der
Dicke und Materialzusammensetzung (z.B. des Grads und der Art der
Dotierung) jedes einzelnen Widerstandselements im Stapel genau auf
die besonderen Anforderungen einer gegebenen Anwendung zugeschnitten werden.
Indem zum Beispiel die Widerstandselemente so ausgeführt werden,
daß sie
aufeinanderfolgende höhere
Schalttemperaturen (Curietemperaturen) und elektrische spezifische
Widerstände
aufweisen, wird die Stromabnahme im erfinderischen PTC weiter ausgedehnt.
Dies wird durch die Tatsache bewirkt, daß wenn das erste Widerstandselement
hochohmig wird, es immer noch einen niederohmigen Nebenschluß darum
gibt, der in einem späteren
Stadium (höhere
Temperatur) hochohmig werden wird. Wenn dieser Nebenschluß aus mehr
als einem Widerstandselement besteht, dann kann die Stromabnahme
durch den gesamten Stapel erheblich ausgedehnt werden.
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In
dieser Hinsicht ist eine besonders einfache und attraktive Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Widerstands
dadurch gekennzeichnet, daß sie
nur zwei Widerstandselemente enthält, von denen eines sowohl
einen höheren
elektrischen spezifischen Widerstand als auch eine höhere Schalttemperatur
als das andere aufweist. Eine solche Ausführungsform sollte nicht mit
einem sogenannten „Duo-PTC" verwechselt werden,
der aus einem in Reihe geschalteten Paar PTC-Widerstandselementen
mit drei Anschlüssen
besteht, wie zum Beispiel im US-Patent
US 4,357,590 beschrieben.
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In
einer besonderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Widerstands
bestehen die Widerstandselemente vorherrschend aus (Ba:Sr:Pb)TiO3, mit dem zusätzlichen Vorhandensein von
mindestens einer Donator-Dotiersubstanz und mindestens einer Akzeptor-Dotiersubstanz.
Verglichen mit bekannten PTC-Polymeren, sind solche Keramikmaterialien
leichter zu metallisieren, und sie sind bei den verhältnismäßig hohen
Betriebstemperatureigenschaften von PTC-Widerständen (die häufig in der Größenordnung
von 150–200°C liegen)
weniger anfällig
gegenüber
einer thermi schen Deformation. Geeignete Donator-Dotiersubstanzen
umfassen zum Beispiel Sb, Nb, Y und viele der Lanthanide; andererseits
ist Mn eine exemplarische Akzeptor-Dotiersubstanz. In einer besonders
zufriedenstellenden Ausführungsform,
die durch die Erfinder hergestellt wurde, wurden Antimonoxid (Donator)
und Manganoxid (Akzeptor) in einem Verhältnis von 3:1 und in einer
Summenmenge von weniger als 1 Mol-% eingesetzt. Die Einstellbarkeit
des Atomverhältnisses Ba:Sr:Pb
ermöglicht
es, daß der
elektrische spezifische Widerstand und die Schalttemperatur der
einzelnen Widerstandselemente auf die besonderen Anforderungen zugeschnitten
werden, wodurch es ermöglicht
wird, daß unterschiedliche
Widerstandselemente im Stapel sich gegenseitig unterscheidende physikalische
Eigenschaften aufweisen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfinderischen PTC-Widerstands
ist dadurch gekennzeichnet, daß jede
Hauptoberfläche
mit einem Metall metallisiert ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die
aus Ag, Zn, Ni, Cr und ihren Legierungen besteht. Diese Metalle
zeigen gute Hafteigenschaften, insbesondere, wenn sie auf die Klasse
von Materialien aufgebracht werden, die im vorhergehenden Abschnitt erläutert werden,
jedoch auch, wenn sie auf andere Keramikzusammensetzungen und Polymer-PTC-Materialien aufgebracht
werden. Zusätzlich zeigen
sie einen verhältnismäßig niedrigen
Schichtwiderstand, eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine gute Lötbarkeit.
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Wie
in der nicht vorveröffentlichten
europäischen
Patentanmeldung Nr. 95201144.3 (PHN 15.292) erläutert, kann eine ungenügende Metallisierung
der Hauptoberflächen
eines Widerstandselements unterschiedliche Erwärmungseffekte im Element verursachen.
Diese Effekte können
wiederum mechanische Spannungen verursachen, die zur Rißbildung
oder zum vollständigen
Bruch des Elements führen
können.
Eine Metallisierung der Hauptoberflächen kann mit der Hilfe von
zum Beispiel, Kathodenzerstäubungsabscheidung,
Dampfabscheidung oder Laserablationsabscheidung durchgeführt werden. Jedoch
wird es bevorzugt, eine Siebdruckprozedur für diesen Zweck zu verwenden,
da dies im allgemeinen zu einer vollständigeren Abdeckung (100%) der Hauptoberflächen führt, ohne
eine damit verbundene Metallisierung der Seitenflächen der
Widerstandselemente (und der damit verbundenen Gefahr eines Kurzschlusses).
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Geeignete
Metalle, aus denen die Metallarme hergestellt werden können, umfassen
Phosphorbronze, Zinn, rostfreien Stahl, Messing und Kupfer-Aluminium.
Diese Metalle weisen einen verhältnismäßig niedrigen
elektrischen spezifischen Widerstand auf, können leicht gebogen werden,
wenn sie in einer Feinblechform vorliegen, und zeigen eine gute
Lötbarkeit.
Es ist nicht notwendig, daß alle
Metallarme aus derselben Materialzusammensetzung bestehen, oder
daß sie
dieselbe geometrische Form oder Abmessungen aufweisen. Falls erwünscht, kann
zusätzlich
mehr als ein Metallarm zwischen jedem gegebenen Paar benachbarter
Widerstandselemente oder an einer abschließenden Hauptoberfläche an einem
Ende des Stapels eingesetzt werden.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Widerstands
ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Metallarme unter Verwendung einer Pb-Sn-Ag-Legierung an die Hauptoberflächen schmelzgelötet sind.
Ein geeignetes Beispiel einer solchen Legierung ist zum Beispiel
Pb50Sn46,5Ag3,55. Ein Vorteil solcher Legierungen ist,
daß sie
einen verhältnismäßig hohen
Schmelzpunkt aufweisen (in der Größenordnung von 200–210°C für die angegebene Zusammensetzung),
so daß sie
bei den verhältnismäßig hohen
Betriebstemperaturen unverwüstlich sind,
die für
einen PTC-Widerstand
charakteristisch sind (z.B. 150–180°C). Die Schmelzlötung ist
für die vorliegende
Erfindung besonders geeignet, da sie es ermöglicht, daß (Teile der) die Metallarme
vor dem Zusammenbau des Stapels der Widerstandselemente mit Lotlegierung überzogen
werden; sobald der Stapel zusammengebaut ist, können die Widerstandselemente
durch einfaches Erwärmen
des ganzen Stapels in z.B. einem Ofen an Ort und Stelle gelötet werden.
Dies erübrigt
die Notwendigkeit eines einzelnen Zugangs zu jedem der eng beabstandeten Scheiben
mit einem Lötkolben.
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Wenn
es gegebenenfalls erwünscht
ist, kann man ein elektrisch leitfähiges Klebemittel verwenden, um
die Widerstandselemente an den Metallarmen zu befestigen. Jedoch
ist dies im all gemeinen kostspieligerer als Löten und erfordert ein Klebemittel,
das einen verhältnismäßig hohen
Schmelzpunkt aufweist.
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Die
Erfindung und ihre mit ihr verbundenen Vorteile werden mit der Hilfe
exemplarischer Ausführungsformen
und der beigefügten
schematischen Zeichnungen weiter erläutert, die nicht alle einen
einheitlichen Maßstab
zeigen. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines scheibenförmigen PTC-Widerstandselements,
das metallisierte Hauptoberflächen
aufweist;
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2 eine
Aufrißansicht
eines erfindungsgemäßen Zweipol-PTC-Widerstands,
der einen Stapel Widerstandselemente des in 1 dargestellten Typs
aufweist;
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3 eine
perspektivische Darstellung eines metallischen Anschlusses mit vorstehenden
Metallarmen, der zur Verwendung im erfinderischen PTC-Widerstand
geeignet ist;
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4 eine
perspektivische Darstellung eines anderen metallischen Anschlusses
mit vorstehenden Metallarmen, der zur Verwendung im erfinderischen
PTC-Widerstand geeignet ist;
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5 eine
perspektivische Ansicht einer besonderen Ausführungsform des erfinderischen PTC-Widerstands;
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6 eine
graphische Darstellung des Stroms als Funktion der Zeit für den Gegenstand
der 5, verglichen mit einem bekannten PTC-Widerstand.
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Es
sollte beachtet werden, daß entsprechende
Merkmale in den verschiedenen Figuren durch dieselben Bezugszeichen
bezeichnet werden.
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Ausführungsform 1
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Die 1 und 2 betreffen
eine besondere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Zweipol-PTC-Widerstands.
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1 zeigt
ein scheibenförmiges
Widerstandselement 1, das aus einem Material besteht, das
einen positiven Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands
(PTC) zeigt. Das hier gezeigte besondere Element 1 ist
kreisförmig-zylindrisch,
und weist zwei gegenüberliegend
angeordnete (kreisförmige)
Haupt oberflächen 3 und
eine (zylindrische) Seitenfläche 5 auf.
Der Durchmesser der Flächen 3 beträgt 12 mm,
und die Dicke des Elements 1 beträgt 1 mm.
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Jede
der beiden Hauptoberflächen 3 ist
in ihrer Gesamtheit metallisiert, d.h. sie ist vollständig durch
eine Metallschicht mit einer im wesentlichen einheitlichen Dicke
bedeckt (typischerweise in der Größenordnung von 2–3 μm im Fall
der aufgedampften Schichten, und 10 μm im Fall von siebgedruckten Schichten).
Andererseits ist die Seitenfläche 5 im
wesentlichen nicht metallisiert oder auf jeden Fall frei von jeder
Metallbahn, die einen Kurzschluß der
beiden Oberflächen 3 verursachen
könnten.
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In
einer besonderen Ausführungsform
besteht das Element 1 aus Ba0,85Sr0,115Pb0,035TiO3, mit dem zusätzlichen Vorhandensein von
annähernd 0,24
Mol-% Sb2O3 und
0,08 Mol-% MnCO3 (vor dem Sintern). Sein
spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur (25°C) beträgt annähernd 1 Ωm. Ferner sind die Hauptoberflächen 3 mit
einer Silberlegierung metallisiert, die annähernd 6 Gew.% Zn enthält, die
mit Hilfe einer Siebdruckprozedur bereitgestellt wird (siehe zum
Beispiel die oben angeführte
nicht vorveröffentlichte
europäische
Patentanmeldung Nr. 95201144.3).
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2 zeigt
einen erfindungsgemäßen Zweipol-PTC-Widerstand 2.
Der Widerstand 2 besteht aus einem Stapel von fünf der Widerstandselemente 1, die
in 1 dargstellt werden. Es befindet sich ein Metallarm 7 zwischen
jedem Paar benachbarter Widerstandselemente 1 und ist auf
die benachbarte Hauptoberfläche 3 jedes
Elements 1 im Paar gelötet. Zusätzlich ist
ein Metallarm 7' auf
die abschließende Hauptoberfläche 3' jedes Endes
des Stapels gelötet, d.h.
auf die oberste und unterste Hauptoberfläche in 2.
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Jeder
der Metallarme 7, 7' steht
nach außen über die
Begrenzung des Stapels, d.h. über
den Umfang des benachbarten Elements 1 hinaus vor. Die vorstehenden
Teile der Metallarme 7, 7' mit einer geraden Ordnungszahl
n = 2,4,6 sind starr mit einem ersten Anschluß 9a verbunden, wohingegen
die vorstehenden Teile der Metallarme 7, 7' mit einer ungeraden
Ordnungszahl n = 1,3,5 starr mit dem zweiten Anschluß 9b verbunden
sind.
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Die
Anschlüsse 9a, 9b können zum
Beispiel als Metallstäbe
oder -platten ausgeführt
werden, an die die Metallarme 7, 7' gelötet sind. Alternativ kann von
einer Haltestruktur Gebrauch gemacht werden, wie jener, die in den 3 und 4 dargestellt
wird, wobei die Metallarme aus einem Metallblech herausgebogen sind,
das dann als Anschluß dient.
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Um
die Oberflächemontage
auf einer gedruckten Schaltung (PCB) zu erleichtern, ist eine Spitze
jedes der Anschlüsse 9a, 9b nach
innen gebogen worden, um jeweils einen Fuß 9a', 9b' zu bilden. Jedoch ist es auch
möglich,
den Widerstand 2 auf einer PCB in Löchern anzubringen, indem z.B.
eine Spitze jedes der Anschlüsse 9a, 9b zu
einer dünnen fingerförmigen Form
verjüngt
wird.
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In
einer besonderen Ausführungsform
weisen die Metallarme 7, 7' und die Anschlüsse 9a, 9b eine
Blechdicke von annähernd
0,2 mm auf, und bestehen aus einer Phosphor-Bronze-Legierung (die z.B.
eine annähernde
Zusammensetzung von 94 Atom-% Cu, 5,9 Atom-% Sn, 0,1 Atom-% P aufweist). Die
Arme 7, 7' werden
an die metallisierten Hauptoberflächen 3, 3' bei annähernd 250°C unter Verwendung
einer Pb50Sn46, 5Ag3,5-Legierung
schmelzgelötet. Zu
diesem Zweck werden die Arme 7, 7' gemäß wohlbekannter Praxis in der
Technik mit einer geschmolzenen Mischung der Lotlegierung, einer
Flußmittellösung und
einem Aktivator vorbeschichtet (wobei z.B. eine Bürste oder
ein Rakel verwendet werden).
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Setzt
man voraus, daß R
den elektrischen Widerstand eines zylindrischen monolithischen PTC-Widerstands
mit dem Durchmesser 12 mm und der Dicke 5 mm bezeichnet, der die
oben angegebene Keramikzusammensetzung aufweist, dann weist der
hier beschriebene besondere erfinderische Widerstand 2 einen
Widerstandswert R/(5)2 = R/25 auf. Jedoch
weist ein solcher monolithischer Widerstand im wesentlichen dieselben
Abmessungen wie der erfinderische Widerstand auf.
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Ausführungsform 2
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Die 3 und 4 zeigen
andere spezifische Ausführungsformen
der Haltestrukturen 4, die zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen PTC-Widerstand
geeignet sind. Jede Struktur 4 wird hergestellt, indem
gemäß eines
spezifischen Musters Metallarme 7 aus der Ebene eines dünnen Metallblechs 9 herausgebogen
werden.
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Das
Ausgangsprodukt zur Herstellung der Struktur 4 in 3 ist
ein längliches
Metallband 9, in diesem Fall ein Rechteck, das 10 mm × 3 mm mißt und eine
Blechdicke von 0,3 mm aufweist. In einem ersten Herstellungsschritt
werden beide Längskanten
dieses Bandes 9 in eine Reihe zueinander paralleler Längsstreifen 7,
d.h. längliche
Streifen 7 unterteilt, deren Längsachse parallel zur langen
Kante des Bandes 9 ist. Dies wird zum Beispiel mit Hilfe
einer Funkenerosion oder einer Drahtsäge, einem Laserstrahl oder
Wasserstrahl erreicht, wodurch schmale L-förmige
Bahnen von den langen Kanten des Bandes 9 nach innen geschnitten
werden. Diese L-förmigen
Bahnen begrenzen rechteckige Streifen 7, von denen jeder
in der Ebene des Bands 9 liegt und längs einer kurzen Kante 6 daran
befestigt ist. Wie hier dargestellt wird, ist jeder der Streifen 7 rechteckig,
wobei er annähernd
2,0 × 1
mm2 mißt.
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In
einem anschließenden
Herstellungsschritt wird jeder der rechteckigen Streifen 7 aus
der Ebene des Bandes 9 herausgebogen, indem er um seine Kante 6 geklappt
wird. Sobald dieser Biegeschritt ausgeführt worden ist, dient jeder
Streifen 7 als Metallarm, und das Band 9 dient
als Anschluß (im
Kontext des erfindungsgemäßen PTC-Widerstands). Selbstverständlich kann
die gegenseitige Trennung und Länge
der Arme 7 auf den Durchmesser und die Dicke der Widerstandselemente 1 zugeschnitten werden,
die zur Verwendung im erfinderischen PTC-Widerstand 2 bestimmt
sind. Entsprechend kann die Anzahl der Arme 7 auf die geplante
Anzahl der Widerstandselemente 1 im Widerstand 2 zugeschnitten
werden.
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Wenn
es gegebenenfalls erwünscht
ist, kann der Anschluß 9 auf
eine kompaktere Größe gestutzt werden,
indem längs
der Li nie 8a, 8b geschnitten wird, um überschüssiges Blechmaterial
zu entfernen. Zusätzlich
kann der Anschluß 9 längs der
Linie 10 gebogen werden, um einen Fuß 9' zu schaffen, der die Oberflächenmontage
des Anschlusses 9 auf einer PCB erleichtert.
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4 zeigt
eine Haltestruktur 4, die sich von jener unterscheidet,
die in 3 dargestellt wird. Ausgehend von demselben länglichen
Metallband 9 werden die Streifen 7 nun in eine
kurze Kante des Bandes in nacheinander größere Tiefen geschnitten. Jeder
solche Streifen 7 wird dann aus der Ebene des Bandes 9 herausgebogen,
indem er um seine Kante 6 geklappt wird, die ihn mit dem
Band 9 verbindet.
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Sobald
dieser Biegeschritt ausgeführt
worden ist, dient jeder Streifen 7 als Metallarm, und das Band 9 dient
als Anschluß (im
Kontext des erfindungsgemäßen PTC-Widerstands).
Die verschiedenen Metallarme 7 weisen untereinander unterschiedliche
Längen
auf, können
jedoch auf eine einheitliche Länge
gekürzt
werden, falls erwünscht.
Zusätzlich kann
der Anschluß 9 längs der
Linie 10 gebogen werden, um einen Fuß 9' zu schaffen, der die Oberflächenmontage
des Anschlusses 9 auf einer PCB erleichtert.
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Ausführungsform 3
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5 ist
eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen PTC-Widerstands 2,
der zwei Widerstandselemente 1 aufweist, die in eine metallische
Haltestruktur 7, 7', 9a, 9b eingeschlossen
sind. Eines der Elemente 1 weist die annähernde Zusammensetzung
(Ba0,74Sr0,172Pb0,042Ca0,046) TiO3 auf, was eine Curietemperatur Tc von 70°C
ergibt, und das andere Element 1 weist die annähernde Zusammensetzung
(Ba0,74Sr0,12Pb0,094Ca0,046) TiO3 auf, mit Tc = 95°C. Die Kaltwiderstände R25 dieser Elemente 1 betragen 20 Ω bzw. 32 Ω.
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6 stellt
graphisch den Wert eines Wechselstroms i durch den Widerstand 2 in 5 als Funktion
der Zeit t dar (durchgezogene Linie), verglichen mit einem bekannten
PTC-Widerstand (unterbrochene
Linie). Der bekannte PTC-Widerstand ist ein Philips Typ 2322 662
96016, mit Tc = 75°C und R25 =
24 Ω.
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Aus
der graphischen Darstellung wird sofort offenkundig, daß der erfinderische
PTC-Widerstand eine größeren Einschaltstrom
und eine langsamere Stromabnahme als der bekannte PTC-Widerstand aufweist.