-
Widerstandskörper aus Halbleiterstoffen Widerstandskörper aus Halbleiterstoffen
mit vorwiegender Elektronenleitfähigkeit, bestehend aus den Oxyden, Sulfiden, Seleniden
oder Telluriden von Metallen, haben in der Technik wegen ihres negativen Temperaturkoeffizienten
und ihres hohen Widerstandes bei Raumtemperatur ein weites Anwendungsgebiet gefunden.
Sie besitzen im allgemeinen den in der Abb. i dargestellten Stromspannungsverlauf.
Die Abbildung zeigt den an den Enden des Widerstandskörpers auftretenden Spannungsabfall
E bei veränderlicher Strombelastung J. Der Spannungsabfall steigt mit wachsender
Strombelastung zunächst bis zum Punkt A an. Er bleibt dann ganz oder nahezu unveränderlich
und steigt schließlich vom Punkt B wieder mit der Belastung. Für den Bereich unveränderlicher
Spannung E folgt aus der Grundgleichung
daß,der Widerstand I2 sich umgekehrt proportional zur Strombelastung J ändert. Durch
Versuche wurde nun festgestellt, daß bei Widerstandskörpern, deren Widerstand bei
Raumtemperatur mehr als i Ohm für den Leiter von i cm2 Ouerschnitt und i cm Länge
beträgt, durch geeignete Beeinflussung der Temperaturverhältnisse der zwischenAundB
liegende Teil des Stromspannungsverlaufs so geändert werden kann, daß der Spannungsabfall
am Widerstand mit steigender StrombeIastung sinkt (Abb, z), d.h. also, daß der Widerstand
R sich mehr als umgekehrt -proportional zur Strombelastung J ändert. Dabei ist der
fallende kennlinienteil um so besser ausgeprägt, je mehr der spezifische Widerstand
den angegebenen Grenzwert übersteigt. Möglicherweise hat dies seinen Grund darin,
daß bei Halbleiterstoffen mit einem geringen elektrischen Widerstand das spezifische
Wärmeleitvermögen größer ist, als es nach dem Wiedemann-Franzschen Gesetz sein sollte,
so daß sich hier kein ausreichendes Temperaturgefälle ausbilden kann, während bei
den Halbleiterstoffen mit mehr als i Ohm Widerstand für den Leiter von i em2 Querschnitt
und i cm Länge das Verhältnis zwischen der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit
für die Ausbildung eines Temperaturgefälles günstiger ist. Zweckmäßig verwendet
man ein in Richtung des Stromflusses verlaufendes Temperaturgefälle. Starke Abkühlung
an den Enden oder eine an irgendeiner Stelle bewirkte Wärmestauung lassen den Widerstandskörper
örtlich verschiedene Temperaturen annehmen. Ebenso kann das Temperaturgefälle beispielsweise
dadurch erzeugt werden, daß der Widerstandskörper
nicht überall
den gleichen leitenden Querschnitt oder die gleiche Wärmeableitung erhält. Solche
Mittel zur Erwärmung oder Abkühlung von Widerständen sind an sich bekannt, wurden
aber bisher nur angewendet, um einen Widerstand über seine ganze Ausdehnung gleichmäßig
zu erwärmen oder abzukühlen. Ein Grund für den Einfluß des Temperaturgefälles auf
den Stromspannungsverlauf kann nicht mit Bestimmtheit angegeben werden, doch ist
der Einfluß durch zahlreiche Versuche an verschiedenen Widerstandskörpern einwandfrei
festgestellt worden.
-
An sich ist die Verwendung von Metalloxyden oder ähnlichen Halbleiterwerkstoffen
für elektrische Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten bekannt. Solche
Widerstände können ihre Eigenschaften der Gasbeladung der einzelnen Körnchen verdanken,
oder der Elektronenleitfähigkeit des verwendeten Stoffes. Die bekannten Gasbeladungswiderstände
sind jedoch spannungsabhängig und erfordern, daß ihre Temperatur unbedingt konstant
gehalten wird. Das bereitet naturgemäß Schwierigkeiten, da jeder Widerstand durch
den Stromdurchgang erwärmt wird. Im Gegensatz hierzu sind die Widerstände nach der
Erfindung temperaturabhängig, indem gerade durch die Temperaturerhöhung und deren
eigentümliche Verteilung ein Fallen des Widerstandes erreicht wird. Erst das Auftreten
erheblicher örtlicher Temperaturunterschiede im Widerstandskörper ermöglicht das
Erzielen einer fallenden Kennlinie. Eine solche Kennlinie wird auch mit : den bekannten
Halbleiterwiderständen mit-Elektronenleitfähigkeit nicht erreicht, da bei diesen
eine auf den ganzen Widerstandskörper gleichmäßig wirkende Heizung vorgesehen ist,
die eine Kennlinie, wie sie nach der. Erfindung angestrebt wird, nicht erzielen
läßt.
-
Die Widerstände mit fallender Kennlinie können aus Halbleiterstoffen
trit vorwiegender Elektronenleitfähigkeit hergestellt werden. Von den Metalloxyden
sind z. B. die Oxyde von Cu, Ag,: Zn, Hg, TI, Si, Ti, Zr, Hf, Th, V, Nb, Ta, Bi,
Cr, Mo, W, U, Mn, Re, Fe, Co, Ni und von den Sulfiden, Seleniden und Telluriden.z.
B. die des Ag, Zn, Cd, Hg, TI, Sn, Bi, Cr, U, Mn geeignet. Unter den genannten Stoffen
sind wegen der Unveränderlicbkeit der elektrischen Eigenschaften auch über lange
Zeit der Beanspruchung und wegen der günstig liegenden spezifischen Widerstände.
besonders zweckmäßig die Uranoxyde, insbesondere das Urandioxyd, U02, und die Kobaltoxyde
mit kleinerem Sauerstoffgehalt, als der Formel C0203 entspricht. Dadie Steilheit
der negativen Kennlinie bei sonst gleichen Bedingungen um so größer ist, je größer
der spezifische Widerstand des Halbleiterstoffes ist, und da weiterhin der spezifische
Widerstand ein und desselben Halbleiterstoffes abhängig ist von einer nur sehr geringen
Abweichung des Metalloidgehalts gegenüber der berechneten stöchiometrischen Zusammensetzung,
so ist es zweckmäßig, den Metalloidgehalt der Verbindung so zu wählen, daß der spezifische
Widerstand so groß wie möglich ist.
-
Die Widerstandskörper können je nach dem Verwendungszweck die Form
von Stäben, Röhren, Scheiben o. dgl. erhalten, wobei die Stromzuführungen wenigstens
an einer Seite eine gute Wärmeableitung gewährleisten müssen. In den Abb. 3 bis
15 sind einige einfache Ausführungsbeispiele für Widerstandskörper nach der
Erfindung dargestellt. .
-
Die Abb. 3 zeigt einen stabförmigen Widerstandskörper i, der an seinen
beiden Enden von sehr starken, gut wärmeableitenden Stützen und Stromzuführungen
a und 3 gehalten wird. Diese Stützen sind zweckmäßig aus einem Metall mit guter
Wärmeleitfähigkeit und geringer spezifischer Wärme, z. B. Cu oder W, hergestellt.
Die Stützen ermöglichen eine starke Kühlung der Enden bei geringem Wärmeverlust
der Mitte, so daß in einfacher Weise ein starkes Temperaturgefälle erzeugt wird.
In der Abb.,. sind an den Enden des Widerstandskörpers r Kühlfahnen .4 und 5 vorgesehen.
Diese Kühlfahnen können auch gleichzeitig mit den wärmeableitenden Stützen benutzt
wherdsn (Abb.5). Ähnliche Wirkungen hat ein gut wärmestrahlender Üb°rzug an den
Enden des Widerstandes.
-
Zur Erzeugung des Temperaturgefälles kann auch der Wärmeverlust der
Mitte des Stabes herabgesetzt werden. In der Abb.6 ist dies mit Hilfe des Strahlungsschirmes
6 erreicht worden. Das Temperaturgefälle wird ferner durch die gleichzeitige Anwendung
der wärmeabführenden Stützen 2 und 3 verstärkt. Es ist auch möglich, noch Kühlfahnen
anzuwenden. Durch Schwärzung oder Aufrauhung der Kühlfahnen wird eine noch stärkere
Wirkung erzielt. Eine isolierende oder wenig strahlende Schicht 7, wie sie in der
Abb. 7 dargestellt ist, setzt ebenfalls die Wärmeverluste herab und wird daher mit
Vorteil an den geeigneten Stellen vorgesehen. Sie kann zusammen mit einem Strahlungsschirm,
mit wärmeableitenden Stützen oder mit den Kühlfahnen benutzt werden. Eine wärmeisolierende
Schicht wird vorteilhaft so ausgebildet, daß ihre Stärke nach der Seite zu abnimmt.
In manchen Fällen kann jedoch auch eine plötzliche Änderung der Dicke Vorteile bieten.
Die Abb. 8 zeigt einen Widerstandsstab mit einem durchlöcherten Strahlungsschirm
8,
dessen Durchbohrungen nach den Rändern zu derart zunehmen, daß ein allmähliches
Temperaturgefälle zu den Enden des Widerstandskörpers erreicht wird.
-
In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein,.. das Temperaturgefälle
nicht von der Mitte aus nach beiden Enden hin abfallen zu lassen, sondern das eine
Ende des Widerstandskörpers warm zu halten und das andere zu kühlen. Die Abb. 9
zeigt eine einfache Ausführung dieser Art, bei der das zu kühlende Ende des Widerstandskörpers
i an den wärmeableitenden Träger 2 angeschlossen ist, während an dem anderen Ende
die Stromzu-. führung über eine dünne Feder oder Wendel 9 erfolgt. Die Wärmeabgabe
des gekühlten Endes kann naturgemäß noch durch Kühlflügel und durch Schwärzung erhöht
werden. Es ist auch möglich, die Temperatur des warm gehaltenen Endes durch isolierende
Überzüge zu erhöhen. Die Abb. io zeigt eine Ausführung, bei der zusätzlich noch
ein Strahlungsschirm so um das heiße Ende des. Widerstandskörpers i herum vorgesehen
ist. Dieser Strahlungsschirm ist wiederum so ausgebildet, daß er vermöge der nach
dein Ende hin zunehmenden Durchlöcherung einen allmählichen Temperaturübergang schafft.
-
Ganz besondere Vorteile bietet die Ausbildung der Widerstandskörper
als flache Scheiben, die radial vom Strom durchflossen werden. Die Zusammendrängung
der Stromlinien in der Mitte schafft im Zusammenhang mit der kleinen wärmeabstrahlenden
Oberfläche an dieser Stelle in Verbindung mit einer gut wärmeableitenden Stromzuführung
an der Außenfläche ein .sehr starkes Temperaturgefälle. Die Abb. ii zeigt ein Ausführungsbeispiel
einer Widerstandsscheibe i i mit einer Strornzuführüng 13, die durch eine Feder
1q. an die von einer Kühlfahne 15 umgebene Scheibe i i angeschlossen ist.
Zur weiteren Steigerung der Wirkung ist es möglich, die Widerstandsscheibe in der
Mitte mit einem isolierenden oder wenig Wärme abstrahlenden Überzug 16 zu
versehen (Abb. 1z). Es ist auch möglich, die Dicke der Widerstandsscheibe von innen
nach außen zunehmen zu lassen. Der Widerstandskörper kann auch die Gestalt eines
Rohres mit außen- und innenliegenden Elektroden erhalten.
-
Auch bei stabförmigen Widerstandskörpern ist es möglich, eine Zusammendrängung
der Stromlinien an einzelnen Stellen zu erreichen, um damit ein Temperaturgefälle
zu erzielen. Die Abb. 13 zeigt einen Widerstandskörper, der aus einzelnen
Scheiben mit verschiedenem Durchmesser zusammengesetzt ist. Dieser Widerstandskörper
ist vor allem für hohe Strombelastungen geeignet. "Um eine gleichmäßige Verteilung
der Stromlinien in den einzelnen Widerstandsscheiben zu erreichen, ist es vorteilhaft,
an den Grenzflächen aufgesinterte Metallüberzüge vorzusehen. Die Abb. 14 zeigt einen
ähnlichen- Widerstandskörper, bei dem der Querschnitt jedoch von den Enden nach
der Mitte zu stetig abnimmt. In der Abb. 15 ist &in Widerstandskörper dargestellt,
bei dem der Querschnitt sich von einem zum anderen 'Ende ändert.
-
Es ist selbstverständlich, daß die an einem Ausführungsbeispiel dargestellten
einzelnen Hilfsmittel in beliebiger Weise mit Hilfsmitteln der anderenAusführungsbeispiele
vereinigt werden können, um verstärkte oder veränderte Wirkungen zu erzielen. Auch
können vielerlei Änderungen an den einzelnen Hilfsmitteln vorgenommen werden. Die
in den Abb.9 und io dargestellten Wendeln können z. B. auch als Doppelwendeln: ausgebildet
werden. Der Strahlungsschirm 8 in der Abb. 8 kann in der Mitte völlig lochfrei bleiben.
Die Stromzuführungen zu den heißbleibenden Enden können im Bedarfsfalle so bemessen
werden, däß auch in ihnen bereits merkbare Joulesche Wärme frei wird. Eine weitere
Beeinflussung ist dadurch möglich, daß die Widerstandskörper in einem Gefäß mit
geeigneter Gasfüllung angeordnet werden. Zur Erhöhung der Wärmeabfuhr wird man das
Gefäß zweckmäßig mit Wasserstoff und zur Erniedrigung der Wärmeabfuhr mit Argon
füllen. Bei senkrechter Anordnung in Anlehnung an Abb. io wird außerdem durch die
Strömung des heißen Gases oder der heißen Luft die Ausbildung des Temperaturgefälles
unterstützt. Bei großen Widerstandskörpern wird man eine einseitige oder zweiseitige
Preßluft-, Wasser- oder Ölkühlung oder eine zusätzliche Heizung vorsehen.
-
Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten werden oft parallel
zu dem Verbraucher geschaltet, an dem die Spannung bei wechselnder Netzspannung
unveränderlich gehalten werden soll. Selbstverständlich können diese Widerstände
auch bei gleicher Wirkung mit dem Verbraucher hintereinandergeschaltet werden, wenn
dieBetriebsspannung unveränderlich oder annähernd unveränderlich ist, jedoch durch
den Verbraucher Stromschwankungen hervorgerufen werden.