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Flachzylindrischer Heißleiter In dem Hauptpatent ist bereits ein elektrischer
Widerstand mit negativem T,eniperaturkoeffizienten, ,ein sogenannter Heißleiter,
dargestellt und beschrieben, der dadurch g:: kennzeichnet ist, daß zwischen dein
Heißleiterkörper und der gekühlten Umgebung (Wärmeerde) ein metallischer Körper
als Wärmevorsohaltwiderstand vorgesehen ist. Die Anordnung gemäß dem Hauptpatent
sollte hauptsächlich bewirken, daß die Kennlinie des Heißleiters in weiten Grenzen
von Änderungen der Außentemperatur unabhängig ist. In dem Hanaptpatent ist außerdem
bereits angegeben, daß bei flachzylindrischen Heißlelterkörpern der Wärmeableiterwiderstand
WV der besonderen Wärmeableitvorwiderstände mindestens 1/1o des inneren Wärme@bleitwiderstandes
des halben Heißleiterkörp:ers WH nicht unterschreiten darf
Die Bedingung 0 >_ o, z bedeutet nämlich, daß die Höhe des Heißle,iterkörpers ,gegenüber
der Länge des Wärmevorschalfiwiderstandes in ax.ial.er Richtung einen .bestimmten
Wert nicht überschreitet. Andernfalls würde sich die Heißleiterscheibe an ihren
Stirnflächen abkühlen, so daß diese kühleren Außenschichten als elektrische Vorschaltwiderstäude
gegenüber dem hocherwärmten mittleren Teil wirken würden. Dies würde zu einer Verflachung
des fallenden Teiles der Widerstandskennlinie führen, so daß der differentielle
Widerstand
(dU = Spannungsänderung, dI = Stromänderung) in seinem Betrage herabgesetzt
werden würde. In dem Hauptpatent ist auch bereits erwähnt, daß bei einer Bemessung
von O >_o, i die Gefahr des Wärmedurchschlages herabgesetzt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung richtet sich im wesentlichen auf Anordnungen
mit plattenförmigen Heißlei.terkörpern, bei welchen die Ausbildung örtlicher Wärmezonen
oder ein ungebändigter Wärmedurchschlag erfindungsgemäß durch ein solches Verhältnis
des Wärm.evorschaltwiderstandes zum inneren Wärmewiderstand des Heißleiterkörpers
vermieden
wird, daß die fallende Kennlinie hinter dein Abzweigpunkt,
der durch das Auftreten trauversaler Temperaturdifferenzen und eine neue Richtung
der Kennlinie erkennbar wird, keine überkippte Gestalt aufweist.
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Hierdurch lassen sich Anordnungen treffen, bei «-elchen .die Heißleiter
v erhältnisniäßig grolle Stromstärke bei Ideineni Spannungsabfall führen können.
Ferner können solche scheibenförmigen Heißleiter, wenn sie genügend dünn gewählt
und mit gut wärme-Ioitenden Elektroelen an ihren Stirnflächen in innigen Wärmekontakt
gebracht «-erden, auch Ströme verhältnismäßig hoher Frequenz verstärken, da sie
eine geringe Zeitkonstante besitzen.
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Bei den bisherigen Versuchen, brauchbare Heillll.eiter in Täblettenforin
zu erlialtcn. stiei,l man auf die Schwierigkeit, diese Heißleiter nur in einem sehr
kleinen Teil der fallenden Kennlinie ausnutzen zu können, da bei größerer Stromvorbelastung
sehr bald ein Wärmedurchschlag einzutreten pflegte.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zur
Verschiebung des durch Wärmedurchschlag gefährdeten Gebietes in ein Gebiet erhöhter
Stromvorbelastung folgende Anordnungen getroffen «-erden müssen: i. Zur Vermeidung
von Stromfä:len in axialer Richtung muß der als Elektrode dienende unmittelbar am
Heißleiterkörper anliegende Teil des Mlärmevorschaltwiderstandes genügend lang bemessen
sein, damit Unterschiede in der Erwärriung des Heißleiters quer zur Achsenrichtun.g
sich in den Vorschaltwideritänden ausgleichen können, bevor clie Wärme an die kalten
Wärmeerden gelangt. Aus @-ersuch.en hat sich ergeben. daß dazu die Länge L' des
die Querkopplung b:-wirl:end:.n Teiles des Wärmevorschaltwiderstandes mindestens
gleich dem dritten Teil des Radius R des Heißleiterkörpers sein inul,l
=. Ferner muß das Verhältnis
sein. a) Einmal wird auf diese Weise erreicht, daß der Temperaturabfall zwischen
dein Hei ßleiterkörper und der Wärmeerdung sich hatiptsächLich an dein Wärmevorschaltwiderstand
ausbildet, während in dem Heißleiterkörper in axialer Richtung praktisch überall
gleiche Temperatur herrscht. Bei Nichterfüllung dieser Bedingung würde sich in der
Mittelebene des flachen Hoißleiterzylinders eine heiße Partie ausbilden, die gegen
das Elek-
trodenmetall durch kühlere Partien im @eil.t- |
leiterkörper an den 1),zcl:fliielien abgeschirmt |
wird. Deshalb könnte ei!i Ouerausgleicli der |
Wärme nicht mehr ein dafür vorgesehenen |
Elel:trocieninetall, sondern höchstens in den |
kühlen Deckflächenpartien des Heißleiter- |
körpers stattfinden. Wegen der geringen |
Wä rineleitfähigkeit des Heißleiterniaterials |
im Vergleich zum l?lel:trodeninaterial und <I_r |
geringen Höhe der kühleren Deckfläclienpar- |
tien wäre dieser jetzt noch verbleihen.#Ic |
Wärniea:usgleich äußerst gering, so lall sclbst |
bei Erfüllung der Bedingung i die 11ittrl- |
partie in der Querrichtung praktisch tlicr- |
misch entkoppelt wäre. |
b) Ferner wird der Punkt, an lein iiei- |
Durchschlag einsetzen könnte, zu tini so liölie- |
ren Temperaturen hinausgescholten. je gr ö l.ler |
O ist. |
Uni die unter i und z genannten Be.diii- |
gungen zu erfüllen, könnte man als @@'ürnie- |
vorschaltwid.eritand einen Metallzylinder ge- |
mäß Fig. i verwenden, der den gleichen Ourr- |
schnitt hat wie der I-Ieißleiterlcörper und des- |
sen Höhe sich bei cler Bedingung @3 @i aus |
der Glcheiung |
leicht ermitteln läßt.
Obige Gleichung ergibt sich «-ie folgt: Es ist |
II"v = Wärme des Vorschaltwiderstawies ;in |
einer Seite. |
Ii-H = innerer Wärinewider:tand des liallxn |
Heißleiterkörpers. |
L = Länge des Vorschaltwiderstandszyli_i- |
ders, |
H = Höhe des Heißleiterkörpers, |
1,411 = spezifischer Wärmeleitwert des metal- |
lischen Wärinevorsclialtwiclerstandz- s, |
1.,1,7 - spezifischer Wärmeleitwert des Heil3- |
leiterlcörpers, |
F = (,verschnitt des @eil@lei:erkäri;ers und |
des Wärmevorschaltwiderstandes. |
Da sich die Werte von h.ti zwischen etwa |
i cal%grad cm (für Silber) und caligr:i i ein |
(für \IckeIstahl) bewegen, die kH-@@'ertv rler |
Heißleiter aber etwa- caligra@i ein |
betragen, kann das V erhältxiis h,ülkil Werte |
zwischen etwa 3 und iooo annehmen. Eine , nach den gegebenen Richtlinien
gebaute Anordnung ist in Fig. i dargestellt, wobei ein Verhältnis kmlkH 5zz#; io
zugrunde gelegt ist. Mit i ist der Heißleiterkörper, mit 2 und 3 " s incldieVorschaltwiderständetlndn'it4'-"I-15
die Wärmeerden bezeichnet. List etwa gleich io H gewählt.
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Wird bei der Anordnung gemäß Fig. i als Heißleitermaterial durchoxydiertes
Kupfer verwendet, so würde trotz der `Fahl eines die Wärme nicht gut leitenden Metalls,
wie etwa Nickel, für die Wärmevorschaltwiderstände 2 und 3 die Größe von L etwa
.den iofachen XVert von H ausmachen, wie in Fig. i dargestellt. Dies führt in manchen
Fällen zu unerwünschten Abmessungen; insbesondere sind bei zu großer Höhe der Metallzylinder
die Kontaktflächen Metall-Heißleiter mechanisch gefährdet.
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Gemäß der weiteren Erfindung lassen sich jedoch die unter i und 2
genannten Bedingungen auch noch erfüllen, wenn den Elektroden beispielsweise eine
Form gemäß Fig.2 gegeben wird. Hier ist der Heißleiterkörper mit 6 bezeichnet, die
Vorschaltwiderständc 7 bestehen aus einem unmittelbar an den Ele-ktroden .anliegenden
Teil8, einem verjüngten Ansatz 9 und einem verbreiterten Ansatz 1o. Die Höhe des
Teiles 8 ist lediglich so zu b:elnessen, daß :die unter i .genannte Bedingung erfüllt
ist. Der gesamte Wärmewiderstand von 7 ist so zu betressen, ,daß die Aneinanderreihung
der Wärmewiderstände 8, 9 und io zwischen der Heißleiterplatte 6 und der Wärmeerdung
i i die unter 2 genannte Bedingung erfüllt. Da der Wärmewiderstand des "feiles 9
verhältnismäßig groß isf, kann der Wärnrev orschaltwiderstand 7 nach Fi:g. 2 in
seiner Länge L' bedeutend kleiner bemessen werden, als dies gemäß Fig. i der Fall
war. Die Ansätze io dienen lediglich zur guten mechanischen Halterung und zur Gewährung
eines guten Wärmeausgleiches des Wärmevorschaltwiderstandes mit der Wärmeerde.
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Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform läßt sich innerhalb der
.gegebenen Grundlinien= in mannigfacher Weise abändern. Auch die Wärmeerden können
beliebig ausgeführt sein, besonders zweckmäßig sind hierfür die in dem Hauptpatent
dargestellten Ausführungsformen. Eine besonders gute Wärmeerde stellen wasserdurchströmte
Röhren .dar.
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Die beschriebenen und dargestellten Anordnungen ermöglichen, wie bereits
erwähnt, die Verwendung flachzylindrischer Halbleiter als negative Widerstände in
einem Bereich, der über den bisher erreichten Bereich wesentlich hinausgebt. In
Fig. 5 ist die Kennlinie des Stromspannungsverlaufes eines Heißleiters dargestellt:
War bei den bekannten Anordnungen bisher eine Belastung dieser Widerständ,- nur
etwa bis zu der mit i b:zeichn:ten Stelle d° r Fig. 5 möglich, so kann gemäß der
Erfinjung der Heifileiter nunmehr in einem «-,itergehenden Bereich, etwa bis ziiin
Bereich 2 der Fig. 5, ausgenutzt werden. Es wurde ermittelt, daß bei Betriebstemperaturen
bis zu einem bestimmten Wert bei Erfiillutig der obigen Bedingungen ein stetiger
Abfall der Kennlinie erfolgt. -Ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen kann der Punkt
2 nicht überschritten werden, "-:eil die im Punkt 2 ansetzende Abzweigkennlinie,
die der Ausbildung einer heißen Zone ain Rande entspricht, häufig einen rückläufige
i Charakter (Kennlinie 8 in Fig. 5) zeigen wird. In diesem Fall würde nämlich beim
t'berschreiten .des Punktes 2 mit einer Vorschaltwid.erstandsgeraden 6 der Arbeitspunkt
von 2 nach 2' springen. Dein Punkt 2' entsprechen nun aber in der heißen Zone des
Heißleiters so hohe Temperaturen, daß das Material zerstört werden würde.
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Dieser gefährliche Rücklaufcharakter 8 der Abzweigcharakteristik wird
nach der weiteren Erfindung vermieden, wenn die Be dingung
beachtet wird. Diese Bedingung gilt für deii weiter unten zu erörternden Fall der
Anordnungen nach Abb. 3 oder 4., wo durch stärkte Kühlwirkung am Rande dafür Sot;ge
getragen ist, daß die heißeste Zone in der .Titte, nicht am Rand der Halbleiterscheibe
auftritt. Sie ist in diesem Falle als Antiälierungsbedingung aus der Forderung abzuleitcii,
daß der Wärmeableitwiderstand von cl--r Mittelebene des Halbleiters bis zur Elektrodenoberfläche
kleiner sein inuli als der Wärmeableitwiderstand zwischen Ele@<tro@l@noberfläcbe
und den kalt bleibenden äußeren Teilen der Elektrode:
Hierbei darf, wie die genauere Rechnung ergibt, ungefähr so gerechnet «-erden, als
ob nur ein innerer Teil der Halbleiterscheibe vorn Radius
erhitzt würde. Dann gilt:
61% i kann andererseits wegen
annähernd so berechnet werden, als ob es sich
um den Wärmeablentwiderstand
einer Kroisscheibe vom Radius in einem unendlich ausgedehnten Halbraum
von der Wärmeleitfähigkeit hAi des Elektrodeninetalles handelte:
Durch Einsetzen der beiden letzten Gleichungen in die vorhergehende ergibt sich
die oben angegebene Bedingung.
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Bei Beachtung dieser Bedingung hat dic 'Lbzwei.gcharakteristilzdieGestalt
z-3 (F ig.5), die durch einen genügend hoben Vorschaltwiderstand in allen Punkten
stabil betrieben werden kann (gebändigter Wärnie.durchschlag). Das Arbeiten mit
einem solchen g:-bändigten Wärmedurchschlag bietet für Verstärkungs-, Schwingungs-,
Regel- und Schaltzwecke unter anderem folgende Vorteile: i. größeren Betrag des
negativen differentiellen Widerstandes, a. geringe Trägheit und somit Verwendungsmöglichkeit-für
höhere Frequenzen. Diese Erkenntnis, wie ein totaler Wärmedurchschlag in einen gebändigten
Wärmedurchschlag. übergeführt werden kann, hat nicht nur für die vorliegende Aufgabenstellung,
sondern auch auf anderen Gebieten große Bedeutung, Um zu erreichen, daß bei gebändigtem
Durchschlag eine Wärmezonenbildung nicht an den Rändern. sondern in der -litte des
Halbleiters auftritt, bzw. uin zu vermeiden, daß ein Wärmedurchschlag am Rande des
Heißleiterkörpers erfolgt, wenn im Bereich 1-z gearbeitet wird, ist es zweckmäßig,
Anen gemäß den Fig. 3 und .1 zu verordnung wenden, bei denen zum Schutze der gefährdeten
Randstellen des Heißleiterkörpers metallische Halbräume 7 zur Kühlung vorgesehen
sind.
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Bei den Anordnungen gemäß Fi.g. 3 und 1 ist die Strombahn im Heißleiter
durch d;ie Form des Heißleiterkörpers bzw. durch die Forin einer oder beider Elektroden
räumlich begrenzt. .
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Wie im vorstehenden dargelegt wurde, ist eine relativ geringe Höhe
der Heißleiterscheibe erwünscht. Als besonders zweckmäßig haben sich Anordnungen
herausgestellt, in denen die Höhe des Heißleiterkörpers nur o,5- bis o,oi min beträgt.
Besonders zur Erzielung geringstmöglicher Trägheit sind solche Anordnungen vorteilhaft.
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Um eine innige Kopplung zwischen dem Heißleiterkörper und den EIektroden_
zu gewährleisten, ist es ferner von großer Bedeutung, daß ein sehr guter Wärmeübergang
zwischen dem Heißleiterkörper und den Elektrolen, vorzugsweise durch Zusamntensinterung
mit die Wärme gut leitenden Metallen, z. B. Silberoxvdpillen, die unter Druck verflüssigt
werden, hergestellt wirr]. Die «-endung der bis zur Verflüssigung erhitzten Silherozvdpillen
führt daza, dat, etwa vorhandene Hohlräume zwischen den Elektroden und der Heißleiterplatte
ausgefüllt und somit ein sehr guter elektrischer und Wärmekontakt erzielt wird.
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Man kann die Querkopplung innerhalb des Heißleiterkörpers ferner dadurch
verbessern, daß innerhalb des Heißleiterkörpers z«ischrn den zvlindrischen oder
Halbraumelektrodea und dem Heißleiterkörper Metallplatten ;ingebracht «-erden, die
die Wärm: gut leiten.