DE967383C

DE967383C - Semiconductor resistor with ferromagnetic properties

Info

Publication number: DE967383C
Application number: DEN3245A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Karl Pfister
Original assignee: NSF NUERNBERGER SCHRAUBENFAB
Current assignee: NSF NUERNBERGER SCHRAUBENFAB
Priority date: 1950-12-10
Filing date: 1950-12-10
Publication date: 1957-11-07

Description

Es ist bekannt, Ferromagnetika mit im Bereich der Betriebstemperaturen liegendem Curiepunkt für gewollte Schalthandlungen zu benutzen. Derartige sogenannte Curiepunktelemente gehen von der Tatsache aus, daß der Ferromagnetismus im Curiepunkt verschwindet. Insbesondere sind Temperaturfühler bekannt, die im magnetischen Kreis eingebaut sind. Überschreitet die Temperatur die Curietemperatur, so verliert der zunächst ferromagnetische Fühler seinen Ferromagnetismus, er kann also einen Schaltvorgang auslösen. Elektrische Halbleiterwiderstände mit negativem Temperaturkoeffizienten finden seit langer Zeit als Anlaßwiderstände, Temperaturfühler, Überbrückungswiderstände usw. in der gesamten Elektrotechnik Verwendung. Derartige Halbleiter sind auf der Basis gesinterter Oxyde aufgebaut und zeichnen sich durch Elektronenleitung aus. Bisher finden diese Halbleiter ausschließlich als ohmsche Widerstände Verwendung. Es wird also stets die Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes zur Einleitung von Schaltvorgängen benutzt. Schließlich ist schon ein Widerstand, jedoch kein Heißleiter, mit ferromagnetischen Eigenschaften bekannt, dessen Widerstandswert unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes in gewissen Grenzen geändert werden kann. Allen erörterten Bauelementen ist ein Merkmal gemeinsam, nämlich das, daß eine bestimmte physikalische Eigenschaft zur Beeinflussung eines elektrischen StromkreisesIt is known that ferromagnetic materials have a Curie point in the range of operating temperatures to be used for desired switching operations. Such so-called Curie point elements are based on the fact that ferromagnetism disappears at the Curie point. In particular, are temperature sensors known that are built into the magnetic circuit. If the temperature exceeds the Curie temperature, the initially ferromagnetic sensor loses its ferromagnetism, er can therefore trigger a switching process. Electrical semiconductor resistors with a negative temperature coefficient found for a long time as starting resistors, temperature sensors, bridging resistors etc. in all electrical engineering use. Such semiconductors are on the Based on sintered oxides and are characterized by electron conduction. Find so far these semiconductors are used exclusively as ohmic resistors. So it will always be the temperature dependence of the specific resistance is used to initiate switching processes. After all, there is resistance, but not one Thermistor, known with ferromagnetic properties, whose resistance value is under the influence a magnetic field can be changed within certain limits. All components discussed is one characteristic in common, namely that that a certain physical property to influence an electrical circuit

ausgenutzt wird. Diese können daher als monofunktionelle Bauelemente bezeichnet werden. In vielen Fällen sind jedoch bestimmte Charakteristiken erwünscht, die mit den bisherigen monofunktionellen Schaltelementen nicht mehr realisierbar sind.is exploited. These can therefore be referred to as monofunctional components. In in many cases, however, certain characteristics are desired that are common to the previous monofunctional ones Switching elements are no longer feasible.

Die Erfindung geht vom erläuterten Stand der Technik aus mit dem Ziel, elektrische Bauelemente mit mehreren Funktionen zu erstellen. Die Erfindung betrifft Halbleiterwiderstände mit ferromagnetischen Eigenschaften, die zugleich Träger eines Magnetfeldes sind. Sie besitzen gemäß der Erfindung auch unterhalb ihres Curiepunktes Heißleitereigenschaften, und ihr Curiepunkt liegt im Bereich ihrer Betriebstemperaturen. Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, daß gewisse Oxydgemische, die in bestimmten Molanteilen zusammengesintert sind, zugleich Heißleitereigenschaften und ferromagnetische Eigenschaften besitzen. Bei geeigneter Bemessung und Wahl der Ausgangskomponenten läßt sich ferner der Curiepunkt ins Gebiet der Betriebstemperaturen verlegen. Wird die Curietemperatur überschritten, so wird das ursprünglich ferromagnetische Element spontan paramagnetisch. Diese spontane Änderung, gekoppelt mit den Heißleitereigenschaften, kann zur Auslösung und Einleitung von Schalt- oder Regelvorgängen und allgemein zur gewollten Beeinflussung der Charakteristik benutzt werden. Der erfindungsgemäße Heißleiter hat demnach eine derartige stoffliche Zusammensetzung, daß er ferromagnetische Eigenschaften besitzt. Ferner soll der Curiepunkt derart liegen, daß er durch die Betriebstemperaturen des Heißleiters erreicht wird. Zum Aufbau des Heißleiters wird Fe₃O₄ als Basis benutzt. Zu diesem Grundstoff kann man auch über Fe₂O₃ bei Sinterung in oxydierender Atmosphäre gelangen. Die Herstellung des Heißleiters in einer oxydierenden Atmosphäre bewirkt, daß der fertig hergestellte Heißleiter ohne Oberflächenschutz in freier Luft betrieben werden kann, ohne daß er seine elektrischen Eigenschaften verliert. Als Zusätze bei der Herstellung des erfindungsgemäß aufgebauten Heißleiters kommen in Betracht: Schwermetalloxyde, wie z. B. des Nickels und/oder Kobalts, Zinks und/oder Mangans und/oder Kupfers. Weiterhin kommen noch folgende Zusätze in Frage: Titandioxyd in Anatasform und Zusätze aus der Gruppe der Erdalkalioxyde bzw. Karbonate, wie Barium, Strontium, Calcium. Je nach der stofflichen Zusammensetzung kann die Lage des Curiepunktes in gewünschter Weise festgelegt werden.The invention is based on the explained prior art with the aim of creating electrical components with several functions. The invention relates to semiconductor resistors with ferromagnetic properties, which are also carriers of a magnetic field. According to the invention, they also have thermistor properties below their Curie point, and their Curie point is in the range of their operating temperatures. Experimental investigations have shown that certain oxide mixtures, which are sintered together in certain molar proportions, have both thermistor properties and ferromagnetic properties. With a suitable dimensioning and selection of the starting components, the Curie point can also be relocated to the operating temperature range. If the Curie temperature is exceeded, the originally ferromagnetic element spontaneously becomes paramagnetic. This spontaneous change, coupled with the thermistor properties, can be used to trigger and initiate switching or control processes and generally to influence the characteristics in a desired manner. The thermistor according to the invention accordingly has such a material composition that it has ferromagnetic properties. Furthermore, the Curie point should be such that it is reached by the operating temperatures of the thermistor. _{Fe 3} O _{4 is used} as a base to build the thermistor. This basic material can also be obtained via Fe ₂ O ₃ by sintering in an oxidizing atmosphere. The manufacture of the thermistor in an oxidizing atmosphere has the effect that the finished thermistor can be operated in the open air without surface protection without losing its electrical properties. As additives in the production of the thermistor constructed according to the invention come into consideration: Heavy metal oxides, such as. B. of nickel and / or cobalt, zinc and / or manganese and / or copper. The following additives are also possible: titanium dioxide in anatase form and additives from the group of alkaline earth oxides or carbonates, such as barium, strontium, calcium. Depending on the material composition, the position of the Curie point can be determined as desired.

Die Erfindung sei an den Fig. ι bis 4 der Zeichnung beispielsweise näher geoffenbart. Die Fig. 1 zeigt die normale Schaltung eines bisherigen Heißleiterstromkreises. Mit N ist der Heißleiter, mit R ein Verbraucher, z. B. ein ohmscher Widerstand, und mit U die an der Serienschaltung des Heißleiters N und des Verbrauchers R liegende Spannung bezeichnet. Eine derartige Schaltung gibt die in der Fig. 2 stark ausgezogene Kennlinie 1 des Heißleiters, wobei i der durch den Heißleiter fließende Strom und t die Zeit ist. Wenn nun nicht ein Heißleiter der eingangs beschriebenen Art, sondern ein gemäß der Erfindung aufgebauter Heißleiter mit ferromagnetischen Eigenschaften und mit einem Curiepunkt verwendet wird, der bei der Betriebstemperatur des Heißleiters erreicht wird, so erhält man damit eine Fortsetzung der voll ausgezogenen Kennlinie 1 durch die gestrichelt gezeichnete Kennlinie 2, sofern die in der Fig. 3 dargestellte Schaltung benutzt wird. Bei dieser Schaltung ist in Reihe zum erfindungsgemäß aufgebauten Heißleiter N' an Stelle des Widerstandes R eine Spule D, z. B. eine Drosselspule, geschaltet.The invention is disclosed in more detail in FIGS. 1 to 4 of the drawing, for example. Fig. 1 shows the normal circuit of a previous NTC thermistor circuit. With N the thermistor, with R a consumer, z. B. an ohmic resistor, and U denotes the voltage applied to the series circuit of the thermistor N and the consumer R. Such a circuit gives the characteristic curve 1 of the thermistor, which is strongly drawn out in FIG. 2, where i is the current flowing through the thermistor and t is the time. If a thermistor of the type described at the outset is not used, but a thermistor constructed according to the invention with ferromagnetic properties and a Curie point that is reached at the operating temperature of the thermistor, then one obtains a continuation of the fully drawn characteristic curve 1 by the dashed line Characteristic curve 2 drawn, provided that the circuit shown in FIG. 3 is used. In this circuit is connected in series to the invention constructed in accordance with thermistor N 'instead of the resistor R, a coil D z. B. a choke coil switched.

An der aus dem Heißleiter N' und der Spule D gebildeten Serienschaltung liegt die Wechselspannung U. Der Heißleiter N' bildet bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel den Kern der Spule D. Der Heißleiter N' kann aber auch irgendeinen anderen Teil des magnetischen Kreises der Spule D darstellen. Beim Erreichen der Temperatur T_c verschwindet der Magnetismus des Heißleiters N'. Vom Punkt T_c an erhält man daher die Kennlinie 2. Der steile Anstieg des Stromes der Kennlinien ist einmal bedingt durch die von der Heißleiterstromwärme hervorgerufene Verkleinerung des μ-Wertes in der Nähe des Curiepunktes und damit des Wertes der Selbstinduktionskoeffizienten sowie des Widerstandes. Zum anderen steigt mit wachsender Temperatur (wegen der Widerstandsverkleinerung) aber auch der Anteil der vom Wechselfluß erzeugten Wirbelstromverluste innerhalb des Heißleiters an. Mit dem Steigen der Wirbelstromverluste ist eine zusätzliche Erwärmung des Heißleiters verbunden. Die Kennlinie 2 steigt damit sprungartig an und gibt, wie die Fig. 2 zeigt, in dem Bereich 3 sehr gute Schnittpunkte mit den die Stromwerte begrenzenden, zur i-Achse parallelen Geraden.At from the thermistor N 'and formed of the coil D series circuit, the AC voltage is U. The thermistor N' forms in which the core of the coil D. The thermistor N ', in the Fig. Exemplary embodiment shown in Figure 3 but also any other part of the magnetic Represent the circle of the coil D. When the temperature T _{c is reached} , the magnetism of the thermistor N 'disappears. From point T _c on, characteristic curve 2 is obtained. The steep rise in the current of the characteristic curves is due to the reduction in the μ value near the Curie point and thus the value of the self-induction coefficient and the resistance caused by the thermistor current heat. On the other hand, as the temperature rises (because of the reduction in resistance), the proportion of eddy current losses within the thermistor generated by the alternating flux also increases. The rise in eddy current losses is associated with additional heating of the thermistor. The characteristic curve 2 thus rises abruptly and, as FIG. 2 shows, in the area 3 gives very good points of intersection with the straight lines that limit the current values and are parallel to the i-axis.

Gemäß der Erfindung aufgebaute Heißleiter können zur Ausführung mannigfacher gewollter Schalthandlungen ausgenutzt werden. Die Spule D kann beispielsweise die Spule eines Relais sein. In diesem Falle kann man dann beispielsweise mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Heißleiter erreichen, daß das Relais zuerst nach dem Anheizen des Heißleiters N' (Punkt T_A der Fig. 4) anspricht. In Fig. 4 stellt die Kurve 4 den Spulenstrom und die Kurve 5 den Kontaktstrom des Relais dar. Er- no reicht der Heißleiter N' im Betrieb dann seinen Curiepunkt T_c (Fig. 4, Temperatur T_c ) T_A), so verschwindet sein Magnetismus. Der Relaisanker fällt dann wieder ab. Wird die Spule D als Relaisspule verwendet, so kann die an der Serienschaltung vom Heißleiter N' und Spule D liegende Spannung eine Gleich- oder eine Wechselspannung sein. Auch bei diesem Anwendungsfall kann der gemäß der Erfindung aufgebaute Heißleiter irgendeinen Teil des magnetischen Kreises bilden. Beispielsweise kann der Heißleiter der Anker des Relais sein.NTC thermistors constructed in accordance with the invention can be used to carry out a variety of desired switching operations. The coil D can, for example, be the coil of a relay. In this case, for example, with the thermistor designed according to the invention, the relay responds first after the thermistor N 'has been heated up (point T _A in FIG. 4). In FIG. 4, curve 4 represents the coil current and curve 5 represents the contact current of the relay. If the thermistor N ' then reaches its Curie point T _c (FIG. 4, temperature T _c ) T _A ) during operation, then disappears its magnetism. The relay armature then drops off again. If the coil D is used as a relay coil, the voltage across the series circuit of the thermistor N ' and coil D can be a direct voltage or an alternating voltage. In this application, too, the thermistor constructed according to the invention can form any part of the magnetic circuit. For example, the thermistor can be the armature of the relay.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten und vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. In der Serienschaltung des Heißleiters mit einer Spule, wie sie in der Fig. 3 dargestellt ist, kann beispielsweiseThe invention is not limited to that shown in FIGS. 1 to 4 and described above Embodiments limited. In the series connection of the thermistor with a coil like them is shown in Fig. 3, for example

noch ein weiterer normal aufgebauter Heißleiter in Serie eingeschaltet werden, so daß man eine nach den jeweiligen Erfordernissen geformte Kennlinie erhält.yet another normally constructed thermistor can be switched on in series, so that one is given a characteristic curve shaped according to the respective requirements.

Claims

Patent claims:

1. Semiconductor resistor with ferrotnagnetic Properties, which is at the same time a carrier of a magnetic field, characterized in that it also has thermistor properties below its Curie point and its Curie point is in the range of its operating temperatures.

2. NTC thermistor according to claim i, characterized in that it consists of a mixture of Fe ₃ O ₄ and other heavy metal oxides, for example Ni and / or Co and / or Zn and / or Mn and / or Cu and optionally further additions of TiO ₂ and / or oxides or carbonates of the alkaline earth metals, e.g. B. barium, strontium, calcium is sintered.

3. NTC thermistor according to claim 1 or 2, characterized in that the structural Conversions at the Curie point caused changes in the physical quantity be used in a manner known per se for desired switching operations.

4. NTC thermistor according to claim 1 or the following, characterized by its use as part of the magnetic circuit, for example as the core of a coil, e.g. B. a choke coil or a relay coil (Figs. 3 and 4).

5. NTC thermistor according to claim 1 or the following, characterized in that the thermistor forms the armature of a relay.

6. NTC thermistor according to claim 1 or the following, characterized in that it is such is dimensioned so that the relay responds first and then drops out again (Fig. 4).

Considered publications:
German patent application N 476 VIIId / 2ic; British Patent Nos. 630307, 605386; U.S. Patent No. 2,446,353.

1 sheet of drawings