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Druckabhängiges Widerstandselement für Zwecke des Regelns, Steuerns,
Verstärkens, Gleichrichtens od. dgl. Es ist bekannt, daß gestapelte Kohleplatten
bei Änderung eines in der Stapelrichtung wirkenden Druckes ihren Widerstand ändern.
Diese Widerstandsänderung ist praktisch ausschließlich auf die Änderung des Übergangswiderstandes
zwischen den einzelnen Platten zurückzuführen und dieser wieder darauf, daß bei
zunehmendem Druck die sich berührenden Flächenelemente der Platten größer werden.
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Die Erfindung geht vor allem darauf aus, druckabhängige Widerstandselemente
zu schaffen, die wirksamer sind oder vielseitiger verwendbar sind als die bekannten
Kohledruckregler, und zwar wird diese Verbesserung durch eine besondere Struktur
des Widerstandskörpers erzielt. Gegenstand der Erfindung ist ein druckabhängiges
Widerstandselement für Zwecke des Regelns, Steuerns, Verstärkens, Gleichrichtens
od. dgl. mit dem Kennzeichen, daß es aus in bezug auf seine Leitfähigkeit feinstgeschichtetem
oder -gesträhltem Stoff besteht, derart, daß besser und schlechter oder nichtleitende
Bereiche aufeinanderfolgen und bei zunehmendem Druck infolge Vergrößerung der Berührungsflächen
benachbarter Teilchen mehr und mehr gut leitende Schichten oder Fäden parallel geschaltet
werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Die Fig.l zeigt schematisch die Wirkungsweise eines bekannten Kohledruckwiderstandes.
Mit 1 sind zwei durch Kräfte P gegeneinandergepreßte Kohleplatten bezeichnet. Der
Spalt 2 zwischen den Platten ist übermäßig verbreitert dargestellt, um die Bildung
vorn Stromübergangsbrücken 3 besser veranschaulichen zu können. An diesen: Stromübergangsbrücken
drängen sich die mit 4 bezeichneten Stromlinien stark zusammen, breiten sich aber
vor und hinter den Brükken 3 auf den ganzen Kohlequerschnitt aus. Die Wirkung eines
solchen Reglers läßt sich durch das Schema der Fig.2 veranschaulichen. Hier sind
spezifisch kleine Widerstände 5 mit einem spezifisch größeren veränderlichen Widerstand
6 in Reihe geschaltet. Die Widerstände 5 entsprechen den Kohleplatten 1, der veränderliche
Widerstand 6 den Brücken 3. Da der Widerstand 6 sehr kurz ist, kann sich seine Änderung
nicht stark auswirken. Außerdem ist dieser Widerstand sehr stark belastet und einem
rascheren Verschleiß ausgesetzt.
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In Fig. 3 ist im Schema eine Widerstandselementanordnung gemäß der
Erfindung dargestellt. Hier sind 8 zwei durch Kräfte P aufeinandergepreßte Elemente,
die aber jetzt in bezug auf ihre Leitfähigkeit aus feinstgeschichtetem oder -gesträhltem
Stoff bestehen, so daß im Querschnitt besser leitende Bereiche 9 mit schlechter
oder nichtleitenden Bereichen 10 abwechseln, und zwar verläuft die Schicht
oder Strählrichtung in der Richtung des Durchgangsstromes, der durch Pfeile 40 angedeutet
ist. Auch hier sind der Deutlichkeit halber wieder der Spalt 2 und die Brükken 3,
deren Zahl sich mit zunehmendem Druck P erhöht, übertrieben groß dargestellt. Die
Stromverteilung ist hier aber eine ganz andere als bei Fig. 1. Es führen jetzt nur
noch die durch die Brücken 3 verbundenen leitenden Fäden oder Schichten Strom, d.
h., der Strom verteilt sich jetzt nicht mehr über den ganzen Querschnitt des Widerstandskörpers,
sondern beschränkt sich auf diejenigen Teilbereiche, die in geradliniger Fortsetzung
der Brücken 3 liegen. Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 3 läßt sich durch
das Schema der Fig. 4 erläutern. :Ulan hat hier eine Vielzahl von parallel liegenden
größeren Widerständen 11 mit Schaltern 12. Die Widerstände 11 entsprechen den Strähnen
oder Schichten 9 der Fig. 3, die Schalter 12 den Brücken 3. Bei zunehmendem Druck
werden immer mehr Schalter 12 geschlossen, und es ist leicht einzusehen, daß bei
einer solchen Struktur des Widerstandselementes je nach Bedarf auch schon mit sehr
kleinen Druckänderungen ganz erhebliche Widerstandsänderungen erzielbar sind. Ein
weiterer wesentlicher Vorteil besteht auch noch darin, daß die Brücken, also die
Berührungsstellen der Widerstandskörper, nicht mehr überlastet werden, weil sich
die Stromwärme durch das Element hindurch gleich von Anfang an auf die ganze Länge
der gut leitenden Schicht verteilt und nicht wie beim Kohtedruckwiderstand auf die
Berührungsflächen allein.
Solche Widerstandselemente mit der angegebenen
Feinstruktur sind verhältnismäßig leicht herstellbar. Es gibt dafür im wesentlichen
vier Verfahrensarten: 1. die Ausnutzung der Brückenbildung ferromagnetischer Teilchen
im Magnetfeld, 2. die Ausnutzung der Brückenbildung dielektrischer Teilchen im elektrostatischen
Feld, 3. die mechanische Herstellung durch Bündeln, Schichten oder Wickeln, gegebenenfalls
mit nachfolgendem Ausziehen oder Auswalzen, -1. die Ausnutzung von Molekular- oder
Kristallkräften, indem man Einkristalle verwendet oder herstellt.
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Bei der ersten Art wird ein Gemisch, das ferromagnetisches Pulver
und eine nichtmagnetische Zwischensubstanz enthält, zwischen die Pole eines Magneten
oder in das Innere einer Magnetspule gebracht, wobei gegebenenfalls durch Schwingungen
des Magnetfeldes oder mechanische Erschütterungen des Gemisches die Brückenbildung
der ferromagnetischen Teilchen erleichtert wird. Die Zwischensubstanz kann dabei
entweder aus einem flüssigen, später härtbaren Bindemittel bestehen oder aus einem
Pulver. Nach der Behandlung im Magnetfeld wird der Mischkörper entweder durch Härtung
des Bindemittels oder durch Sintern verfestigt. Außer den üblichen härtbaren Harzen
und Kunstharzen lassen sich auch die neuerdings aufgekommenen Niederdruckharze verwenden,
die ohne Abscheidung von Stoffen, ohne Anwendung von Druck und höheren Temperaturen
nach Härterzusatz fest werden. Natürlich können, namentlich wenn nichtleitendes
ferromagnetisches Pulver verwendet wird, dem Gemisch auch leitende oder halbleitende
Pulver zugesetzt werden, oder es kann ein leitendes oder halbleitendes Bindemittel
verwendet werden. Bei Verwendung von nichtleitendem ferromagnetischem Pulver kann
als Bindemittel auch eine Metallschmelze niedrigen Schmelzpunktes benutzt werden
usw. Nach dem Erstarren oder Erhärten wird der Körper an den Stirnseiten glattgeschliffen,
oder er wird wenigstens an einer Stirnseite glattgeschliffen und an der anderen
Stirnseite, z. B. auf galvanischem Wege, mit einem gut leitenden, die einzelnen
Strähnen oder Schichten verbindenden Belag versehen, auf den noch eine stärkere
Deckplatte aufgelötet werden kann.
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Bei der zweiten Verfahrensart werden Pulver verschiedener Dielektrizitätskonstanten
und verschiedener elektrischer Leitfähigkeit mit oder ohne Bindemittel in ein elektrostatisches
Feld gebracht, und dann wird ebenso verfahren wie bei der ersten Methode. Natürlich
kann auch Metallpulver zugesetzt werden oder leicht reduzierbares Metalloxyd od.
dgl. Nach dem Hartwerden kann das Widerstandselement in geeigneter Atmosphäre wärmebehandelt
werden, um z. B. die Leitfähigkeit der einen Pulverart zu verändern oder um leitfähige
Pulverteilchen zu verschmelzen, also, allgemein gesprochen, mit dem Ziele, die Leitfähigkeitsunterschiede
zwischen den einzelnen Elementarbereichen zu vergrößern.
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Die dritte Verfahrensart bedarf eigentlich keiner näheren Erläuterung,
denn es sind viele Verfahren bekannt, um Körper geschichteter oder strähniger Struktur
zu erzeugen. So kann man z. B. isolierte Feindrähte oder Folienstreifen mit Hilfe
eines Klebers, Bindemittels od. dgl. zu Stapeln oder Bündeln zusammenpressen, oder
man kann auf eine Fläche zuerst eine sehr dünne Schicht weniger gut leitendes und
hierauf eine ebensolche Schicht besser leitendes Pulver aufbringen und diese mit
Bindemittel besprühten Schichten auf eine Trommel aufwickeln, oder man kann abwechselnd
schlechter und besser leitende Schichten, .die beispielsweise Zusätze von pulverförmigen,
schmelzfähigen Bindemitteln enthalten, übereinanderstäuben, dann erhitzen, so daß
sie zu einem Kuchen zusammenbacken, der dann anschließend in Widerstandselemente
zerschnitten wird. Die besser leitenden Pulverschichten kann man auch strählen,
indem man durch sie kammartige Gebilde hindurchzieht oder indem man vor dem Aufstäuben
ein entsprechendes Gitter auf die darunterliegende Schicht auflegt usw.
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Bei der vierten Art verwendet man Einkristalle, z. B. Graphitkristalle,
die in der einen Richtung eine um eine Größenordnung größere Leitfähigkeit haben
als in der anderen Richtung.
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Die Fig. 5 bis 10 zeigen verschiedene Anwendungsarten. In Fig. 5 ist
8 wieder ein Widerstandselement mit Feinstruktur. 13 ist beispielsweise ein metallischer
Druckkörper, der an der Stirnfläche leicht wellig ist. Schon durch geringfügige
Druckänderungen läßt sich der Widerstand der Anordnung erheblich vergrößern.
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Wegen dieses starken Druckgradienten des Widerstandes kann man die
Zahl der Berührungsflächen, an denen sich Brücken bilden, bis auf eine verringern,
und man kann auch den Druckteilen, also den Elektroden, sehr kleine Masse geben,
weil keine hohen Drücke erforderlich sind. Dadurch ist man in der Lage, Widerstandsanordnungen
zu schaffen, die auch hohen Druckfrequenzen mit entsprechenden Widerstandsänderungen
folgen können.
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So liegt in Fig.6 an der einen Stirnseite eines solchen Widerstandselementes
8 eine dünne Membran 14 an, die wie ein Mikrophon besprochen werden kann.
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InFig.7sind zwei Widerstandselemente 8 aus ferromagnetischem Pulver
als Magnetkern in eine Spule 15 unter Zwischenlage von ferromagnetischen Elektroden
16 eingesetzt. Bei Änderung des Stromes in der Spule 15 werden die Elektroden mehr
oder weniger stark gegen die Körper 8 gepreßt, so daß die Änderungen des Stromes
in der Spule 15 in dem an die Klemmen 17 angeschlossenen Stromkreis verstärkt wiedergegeben
werden.
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Man kann, wie die Fig. 8 zeigt, im Inneren des Körpers 8 auch einen
lamellierten Magnetkern 18 anordnen, um die auf die Elektroden 16 wirkende Magnetzugkraft
zu verstärken. Natürlich braucht dann der Körper 8 kein ferromagnetisches Pulver
zu enthalten.
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Wegen der geringen Trägheit dieser Anordnungen kann man sie außer
für Steuerungen, Regelungen auch als Verstärker, sogar als Verstärker für Tonfrequenzen
oder als Gleichrichter benutzen. Im letzteren Falle muß nur dafür gesorgt werden,
daß der Widerstand bei der einen Halbwelle des durch den Widerstandskörper gehenden
Stromes größer ist als bei der anderen Halbwelle. Beim Gleichrichten 50periodigen
Wechselstromes kann man dies ohne weiteres durch 50periodige Druckschwankungen erzielen.
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In Fig.9 besteht der Widerstandskörper 8 aus einem Bündel isolierter
Feinstdrähte, die fest zusammengebacken sind. An der einen Stirnfläche 19 wird der
Körper glattgeschliffen. Auf diese Stirnfläche wirkt die Elektrode 16 ein. An der
anderen Stirnfläche 20 sind die einzelnen Drähte 21 herausgeführt und können
nun einzeln über Kondensatoren 22, Drosselspulen 23, über ohmsche Widerstände, kombinierte
Widerstände, Schwingungskreise, Magnetwicklungen oder elektrische Zellen an eine
gemeinsame Ableitung 24 angeschlossen sein. Man erhält auf diese Weise leicht und
rasch regelbare ohmsche, induktive, kapazitive,
negative oder gemischte
Widerstände, ja man kann sogar erreichen, daß sich der Widerstandscharakter in Abhängigkeit
vom Druck ändert, wenn man z. B. ballige Elektroden benutzt und an die Drähte der
inneren Zone Widerstände der anderen Art anschließt. Man kann mit solchen Anordnungen
Schwingungskreise stetig verstimmen, Ströme modulieren, sogar frequent- oder phasenmodulieren
usw.
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Die einzelnen Leitsträhnen oder -schichten brauchen nicht geradlinig
durch den Körper zu laufen, sondern können auch die Form von Windungen haben. Ein
solcher Körper ist in Fig.10 beispielsweise dargestellt. Er besteht aus lagenweise
gewickelten Feinstdrähten, bei denen jedoch die Drähte in jeder Lage endigen und
an der einen Stirnseite 20 herausgeführt sind. Die andere Stirnseite 19, auf die
die Elektrode 16 einwirkt, ist wieder glattgeschliffen. Bestehen die Drähte aus
Widerstandsmetall, dann kann man in einem solchen Körper auch verhältnismäßig hohe
Widerstände unterbringen. Natürlich kann auch die Stirnseite 20, wie schon oben
erwähnt, einen leitenden Belag haben, der alle Drahtenden miteinander verbindet.
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Da solche Widerstandskörper mitunter höhere Temperaturen annehmen
können, kann man zur Isolation hitzebeständiges Isoliermaterial, wie Silicone, Kieselsäureester
u. dgl., verwenden. Für thermisch sehr hoch beanspruchte Körper eignet sich Isolation
aus feinsten Glimmerschüppchenmit anorganischem Bindemittel oder mit organischem
Bindemittel, dessen organische Bestandteile nachträglich durch Erhitzung verdampft
werden. Insbesondere wird man die Lagenisolation des Körpers nach Fig. 10 mit Vorzug
aus Folien herstellen, die aus derartigen Glimmerschüppchen bestehen.
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Um haltbare Kontaktflächen für die Elektroden zu erzielen, empfiehlt
es sich, die Stirnflächen mit beständigem Metall oder Metallegierungen zu galvanisieren
oder solche Metalle aufzuschmelzen, die sich dann mit den leitenden Enden der Stirnflächen
gut verbinden. Vor und nach dieser Behandlung werden die Stirnflächen am besten
glattgeschliffen.
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Als Druckelektroden können auch mit einem leitenden Belag versehene
Gummikörper oder Körper aus elektrisch leitfähigem Gummi- oder Kunststoff dienen.
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Solche Widerstandselemente lassen sich an Stelle von Kohledruckwiderständen
oder Abwälzwiderständen verwenden, übertreffen aber diese bekannten Widerstände
durch höhere Wirksamkeit, d. h., sie können viel kleiner und viel leichter gebaut
werden. Auch kann man mit wesentlich kleineren Drücken und Druckschwankungen auskommen.
Darüber hinaus sind aber solche Widerstandsanordnungen wegen ihrer hohen Wirksamkeit
und geringen Trägheit für Verstärker-, Gleichrichterzwecke usw. verwendbar. Es wird
also das Anwendungsgebiet druckabhängiger Widerstände durch die Erfindung wesentlich
erweitert.