DE2948281A1

DE2948281A1 - Elektrische schaltung und schaltungsschutzeinrichtung

Info

Publication number: DE2948281A1
Application number: DE19792948281
Authority: DE
Inventors: Joseph Hill Evans; Lee Mark Middleman; Donald Frank Pettingill
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1978-12-01
Filing date: 1979-11-30
Publication date: 1980-06-19
Anticipated expiration: 1999-12-01
Also published as: SE445691B; IT1126465B; HK83389A; JPH0461578B2; CA1143802A; JP2750265B2; US4238812A; DE2948281C2; IL58838A; NL7908691A; IL58838A0; GB2038550B; IT7927774A0; SE7909910L; FR2443124A1; JPH0819174A; JPH06202744A; JPS5582313A; JP2831594B2; GB2038550A

Description

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)R.-ING. WALTER ABITZ )R. DIETER F. MORF )IPL.-PHYS. M. GRITSCHNEDER ltcntanw j'ltc

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30. November. 19

Po-taiicrhrlfl / ToStH] Addrc Postfach biiOlOQ. 8OOO Mill

rieTizonauerstraße 28 Toiffon 98 32 22

Telegramme: Chenilndue München

T«lox : (O) 5 23992

965 344

Raychem Corporation, 3oo Constitution Drive, Menlo Park

California 94o25 / V.St.A.

Elektrische Schaltung und Schaltungsschutzeinrichtung

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B e s c hreibung

Die Erfindung betrifft Schaltungsschutzeinrichtungen mit aus PTC-Material bestehenden Elementen.

Bekanntlich ändert sich der spezifische Widerstand vieler leitender Materialien mit der Temperatur, und jene Materialien, die einen steilen Anstieg hinsichtlich des spezifischen Widerstandes in einem speziellen Temperaturbereich haben, werden häufig als Materialien mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) bezeichnet. Beispiele für PTC-Materialien sind bestimmt dotierte keramische Materialien, wie z.B. Bariumtitanat und bestimmte leitende Polymere, d.h. Polymere, die einen teilchenförmigen leitenden Füllstoff haben, der in der Polymermasse dispergiert ist. Die meisten verfügbaren keramischen PTC-Materialien haben sehr stabile elektrische Eigenschaften. Bei relativ hohen Spannungsgradienten, z.B. über 2 Volt / 25,4 μπι (2 Volt/mil) hat der spezifische Widerstand derartiger Materialien andererseits die Neigung, in unerwünschter Weise schnell abzufallen, wenn ein Schwellenwert bzw. ein Wendepunkt überschritten wird. Noch wichtiger ist die Tatsache, daß der minimale spezifische Widerstand bei 25°C relativ hoch, im allgemeinen über 4o Ohm χ cm, ist, so daß derartige Materialien dort nicht eingesetzt werden können, wo eine Kombination von geringem Widerstand und kleiner Größe notwendig ist. Zusätzlich sind derartige Materialien spröde und lassen sich nur mit Schwierigkeiten formen. Leitende polymere PTC-Materialien sind im allgemeinen vergleichs-

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weise flexibel und leicht zu formen, und obgleich bis heute der Bereich der physikalischen und elektrischen Eigenschaften, die diesen Materialien verliehen werden können, beschränkt ist, hat sich überraschenderweise ergeben, daß es leitende Polymere gibt, die eine größere Variationsbreite der Eigenschaften haben (und insbesondere Eigenschaften, wie niedrige spezifische Widerstände bei niedrigen Temperaturen in Verbindung mit hohen spezifischen Widerständen bei hohen Temperaturen). Hierdurch hat sich auch die Anwendungsbreite der so herstellbaren Materialien für Einrichtungen vergrößert, die leitende Polymere enthalten. In diesem Zusammenhang soll beispielsweise auf die US-PS 3 858 144, die DE-OS 25 43 314.1, ' 27 55 oll.2, 27 55 o76.1 und 28 21 799.4, auf die DE-Patentanmeldung P 29 03 442.2 und die gleichzeitigen Anmeldungen der vorliegenden Anmelderin mit Priorität vom 1. Dezember 1978, US-Patentanmeldung 965 343 und 965 345 hingewiesen werden. Keramische PTC-Materialien wurden in Heizungen und in Schaltungsschutzeinrichtungen verwendet (siehe beispielsweise den Artikel "The PTC Resistor" von R.F. Blaha in Proceedings of the Electronic Components Conference, 1971). Bei Schaltungen, die einen relativ starken Ruhestrom wie z.B. 1/2 Ampere oder mehr führen, sind Schaltungsschutzeinrichtungen, basierend auf keramischen PTC-Materialien in ihren Abmessungen unvertretbar groß (da derartige Materialien einen hohen spezifischen Widerstand haben). Leitende polymere PTC-Materialien werden bei Heizungen in großem Umfang eingesetzt. Zusätzlich wurde die Verwendung derselben in Schaltungsschutzeinrichtungen in der Literaturstelle beispielsweise in der US-PS 2 978 und US-PS 3 243 753 vorgeschlagen. In dieser Literatur befindet sich jedoch

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ganz allgemein keine spezifisch angegebene Schaltunqsschutzeinrichtung, die ein leitendes polymeres PTC-Eleirient enthält, mit der sich zufriedenstellende Resultate erzielen lassen könnten. Bei der Entwicklung hat sich ergeben, daß die Literatur, die spezifische Schaltungsschutzeinrichtungen dieser Art angibt, die dort tatsächlich aufgewiesenen Entwicklungsrichtungen unzulänglich und irreführend sind.

Die Erfindung schafft weiterentwickelte Schaltungsschutzeinrichtungen, die ein PTOElement (d.h. ein Element bestehend aus einer PTC-Masse bzw. einem PTC-Material) aufweist und die fähig sind, daß sie relativ starke Ströme selbst dann führen und leiten können, wenn sie in ihren Abmessungen klein sind.

Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Schaltung, die

1) eine elektrische Stromquelle,

2) eine Schaltungsschutzeinrichtung, die wenigstens zwei Elektroden und ein PTC-Element, bestehend aus einer PTC-Masse mit einer Schalttemperatur T aufweist, und

3) weitere Schaltungsbauelemente aufweist, die mit dem PTC-Element in Serie geschaltet sind und eine Impedanz R^ haben,

wobei die elektrische Schaltung einen normalen Betriebs-

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zustand hat, bei dem

(A) ein Strom durch das PTC-Element über eine Fläche eines äquivalenten Durchmessers d mit einer mittleren Weglänge t derart fließt, daß d/t wenigstens 2 ist,

(B) die Einrichtung eine Temperatur T, hat, bei der die Einrichtung einen Widerstand

Rj hat, der
dn

a) kleiner als 1 Ohm und

b) kleiner als o,5 χ R_ Ohm, vorzugsweise

kleiner als o,1 χ R Ohm ist und bei der

die PTC-Masse einen spezifischen Widerstand von weniger als 1o Ohm χ cm hat,

(C) die Einrichtung in Berührung mit einem Medium ist, das eine Temperatur T hat und bei dem

(D) ein stabiles Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit vorhanden ist, mit der die Einrichtung nach Maßgabe der Heizleistung I R Wärme erzeugt und der Geschwindigkeit, mit der die Einrichtung Wärme abführt, und

wobei die Einrichtung einen Zusammenhang von elektrischer Leistung bzw. Stromleistung / Temperatur hat und Wärme zu dem Medium mit einer Geschwindigkeit derart ableiten kann, daß

a) wenn (i) das Medium von T unter Konstanthaltung von R bei im wesentlichen konstant bleibender Spannung der Stromquelle langsam erwärmt wird oder (ii) Bauelemente der Schaltung verändfjPtQW/pB^pVn sa «laß der durch die

Einrichtung fließende Strom langsam von i bei im wesentlichen konstanter Temperatur T ansteigt, die Temperatur der Einrichtung langsam ansteigt, bis die Schaltung einen kritischen Betriebszustand erreicht, bei dem das Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit instabil ist, mit der die Einrichtung nach Maßgabe der Heizleistung I R Wärme erzeugt und der Geschwindigkeit, mit der die Wärme von der Einrichtung abgeführt wird, die Einrichtung eine Temperatur T, . . und einen Widerstand R, , . hat d trip d trip

und die Geschwindigkeit positiv ist, mit der sich der Widerstand der Einrichtung mit der Temperatur ändert,

^dRd t '

*-, und entweder (i) das Medium eine Tem-

dT, . .
d trip

peratur T .^ oder (ii) der Strom einen Wert i

^ ent ent

hat, und daß

b) wenn entweder (i) das Medium unmittelbar über T . unter Aufrechterhaltung von R und der Konstanthaltung der Spannung der Stromquelle oder (ii) die Elemente der Schaltung derart verändert werden, daß der durch die Einrichtung fließende Strom auf 2 χ i . unter Konstanthaltung von T ansteigt, dann die Geschwindigkeit, mit der die

2 Einrichtung nach Maßgabe der Heizleistung I R Wärme erzeugt, größer als die Geschwindigkeit wird, mit der Wärme von der Einrichtung abgeführt wird, was zur Folge hat, daß die Temperatur und der Widerstand der Einrichtung schnell ansteigen und der Strom in der Schaltung abfällt, bis die Schaltung einen stabilen Betriebszustand im Hochtempe-

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-vr-

raturbereich erreicht, bei dem die Geschwindigkeit, mit der die Einrichtung nach

2 Maßgabe der Heizleistung I R Wärme erzeugt, gleich der Geschwindigkeit ist, mit der die Wärme von der Einrichtung abgeführt wird, und die Einrichtung eine Temperatur T, i_atcn

und einen Widerstand R, , , . hat, die so be-

d latch

messen sind, daß das Verhältnis der Leistung des Schaltkreises im normalen Betriebszustand zur Leistung der Schaltung im stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich (wobei dieses Verhältnis als Schaltverhältnis bezeichnet wird) wenigstens 8, vorzugsweise wenigstens 1o ist.

Zur näheren Kennzeichnung der Schaltungen der zuvor beschriebenen Art nach der Erfindung wird auf die Art und Weise bezug genommen, mit der die Schaltung auf einen langsamen Anstieg des durch die Einrichtung fließenden Stromes oder auf einen langsamen Anstieg der Temperatur des die Einrichtung umgebenden Mediums anspricht. Es sollte jedoch in diesem Zusammenhang unmißverständlich darauf hingewiesen werden, daß die Schaltungen nach der Erfindung in einen kritischen Betriebszustand übergeführt werden und dann in einen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich sowohl durch einen gleichzeitigen Anstieg des Stroms als auch der Temperatur überführt werden können und daß der Temperaturanstieg und/oder der Stromanstieg kein kleiner Anstieg zu sein braucht (und auch tatsächlich keiner ist, wenn der zu erwartende Störfall einen Anstieg des Stroms zur Folge hat, wie er beispielsweise durch einen Kurzschluß oder eine Spannungswelle verursacht wird).

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Bei den zuvor angegebenen Schaltungen wird die Schaltungsschutzeinrichtung unter Bezugnahme auf andere Schaltungsbauelemente, das Medium um die Einrichtung und die Geschwindigkeit näher bestimmt, mit der Wärme von der Einrichtung zu dem Medium abgeleitet werden kann. Eine Schaltungsschutzeinrichtung, die für viele Anwendungsfälle geeignet ist, kann jedoch auch dadurch näher bestimmt werden, daß die Verhaltensweise angegeben wird, die eine derartige Schaltung hat, wenn sie in einer üblichen Schaltung und in einer üblichen Umgebung mit üblicher Wärme verwirklicht ist. Die Erfindung gibt demnach eine Schaltungsschutzeinrichtung an, die ein PTC-Element, bestehend aus einer PTC-Masse mit einer Schalttemperatur T und wenigstens zwei Elektroden aufweist, die mit einerelektrischen Stromquelle verbindbar sind und die bei einer derartigen Schaltung bewirken, daß Strom durch das PTC-Element fließt, wobei die Einrichtung derart gewählt ist, daß, wenn sie in ruhiger Luft angeordnet ist und einen Teil einer Prüfschaltung bildet, die eine derartige Einrichtung, eine Stromquelle mit einer Spannung, die entweder 1o Volt oder 1oo Volt beträgt, und einen Widerstand mit gewähltem Widerstandswert in Serie geschaltet mit der Einrichtung umfaßt, wobei der Widerstandswert hierbei derart gewählt ist, daß, wenn die Temperatur der ruhigen Luft bei 25°C liegt, die Prüfschaltung einen kritischen Betriebszustand einnimmt, und wobei die Prüfschaltung einen normalen Betriebszustand hat, bei dem

A) ein Strom durch das PTC-Element übereine Fläche eines äquivalenten Durchmessers d mit einer mittleren Weglänge t derart fließt, daß d/t wenigstens 2 ist,

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B) die Einrichtung eine Temperatur T_dn hat, bei der die Einrichtung einen Widerstand R, von weniger als 1 Ohm hat und bei der die PTC Masse einen spezifischen Widerstand von weniger als 1o Ohm χ cm hat,

C) die Temperatur der Luft bei O⁰C liegt, und bei dem

D) ein stabiles Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit, mit der die Einrichtung nach'

2
Maßgabe der Heizleistung I R Wärme erzeugt, und der Geschwindigkeit vorhanden ist, mit der die Einrichtung Wärme abgibt,

und wobei die Einrichtung in dieser Prüfschaltung einen Zusammenhang von elektrischer Leistung bzw. Stromleistung und Temperatur hat, sowie Wärme zur Luft mit einer Geschwindigkeit derart abgeben kann, daß ,

a) wenn die Luft langsam von O⁰C unter Beibehaltung des Widerstandes und bei im wesentlichen konstanter Stromquelle die Temperatur der Einrichtung langsam ansteigt, bis die Schaltung einen kritischen Betriebszustand erreicht, bei dem das Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit, mit der die Einrichtung nach Maßgabe

der Heizleistung I R Wärme erzeugt und der Geschwindigkeit, mit der die Einrichtung Wärme abgibt, instabil wird, und wenn die Luft eine Temperatur von 25 C hat, die Einrichtung eine Temperatur T, . und einen Widerstand R, . . hat, wobei die Geschwindigkeit, mit der sich der Widerstand der Einrichtung mit der Tempera-

dR
tür ändert, , . . positiv ist, und daß

^dTd trip

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b) wenn die Luft dann unmittelbar über 25°C erwärmt wird, die Geschwindigkeit, mit der

die Einrichtung nach Maßgabe der Heizleistung

I R Wärme erzeugt, größer als die Geschwindigkeit wird, mit der Wärme von der Einrichtung abgeführt wird, was zur Folge hat, daß die Temperatur und der Widerstand der Einrichtung schnell ansteigen und die Stromstärke der Schaltung abfällt, bis die Schaltung einen stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich erreicht, bei dem die Geschwindigkeit, mit der

die Einrichtung nach Maßgabe der Heizleistung

ο
I R Wärme erzeugt, gleich der Geschwindigkeit

ist, mit der Wärme von der Einrichtung abgeführt wird und wobei die Einrichtung eine Temperatur

Tj ι i- u ^un<3 einen Widerstand R, , . , hat, d latch d latch

die derart abgestimmt sind, daß das Verhältnis der Leistung der Schaltung im normalen Betriebszustand zur Leistung der Schaltung im stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich (das sogenannte Schaltverhaltnis) wenigstens 8, vorzugsweise wenigstens 1o ist.

Der Widerstandswert des in der zuvor beschriebenen Prüf schaltung zu verwendenden Widerstandes kann am einfachsten dadurch gewählt werden, daß die Einrichtung in ruhige Luft bei 25°C gebracht wird, die Einrichtung mit einer sich ändernden Spannungsquelle verbunden und Aufzeichnungen über das Gleichgewicht von Strom über der Spannung der Einrich tung erstellt werden. Diese Aufzeichnung hat einen Wendepunkt bzw. einen Spitzenwert, der den maximalen Ruhestrom bestimmt, der durch die Einrichtung durchgeschickt werden kann.

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Dieser maximale Ruhestrom wird mit I bezeichnet. Der gewählte Widerstand ergibt sich dann aus der Spannung der Stromquelle der Prüfschaltung (d.h. 1o Volt oder 1 oo Volt betragt), dividiert durch I . Viele Einrich-

■ "* - " max

tungen werden die zuvor beschriebenen Prüfbedingungen erfüllen, wenn die Spannung in der Prüfschaltung 1o Volt und 1oo Volt ist. Die Erfindung umfaßt jedoch auch solche Einrichtungen, die ein derartiges Verhalten nur bei einem der Spannungswerte und nicht bei dem anderen Spannungswert haben.

Ein bevorzugter Gedanke der Erfindung liegt in einer.· Schaltungsschutzeinrichtung mit PTC-Elementen und Schaltungen, die derartige Einrichtungen enthalten. Die Einrichtungen schützen die Schaltung vor zu starken Strömen, und/oder vor zu hoher Temperatur, bei denen der Widerstand der Einrichtung zu stark ansteigt, so daß die Leistung der Schaltung sehr schnell abfällt. Das PTO-Element besteht aus einem Material, vorzugsweise einem leitenden Polymer, das einen normalen spezifischen Widerstand von weniger als 1o Ohm χ cm hat. Die Einrichtung hat normalerweise einen Widerstand von weniger als 1 Ohm. Die Einrichtung weist Elektroden auf, so daß der Strom durch das PTC-Element über eine Fläche mit einem äquivalenten Durchmesser d und einer mittleren Weglänge t derart fließt, daß d/t wenigstens 2 ist. Eine bevorzugte Ausführungsform einer derartigen Einrichtung ist insbesondere in der Fig. 5 dargestellt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung an Beispielen näher erläutert. Darin zeigen:

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Fig. 1 den Zusammenhang von Widerstand und

Temperatur eines typischen PTC - Elements,

Fig. 2 eine typische Ausführungsform einer Schaltung nach der Erfindung,

Fig. 3 und 4 die Zusammenhänge von Leistung und Temperatur für eine typische Ausführungsform einer Schaltungsschutzeinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 5 und 6 typische Ausführungsformen von der

Schaltschutzeinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 7 eine Aquariumheizung, deren Schaltung eine Schutzeinrichtung nach Fig. 5 hat und

Fig. 8 einen Schaltplan für die Aquariumheizung, von Fig. 7.

Die Erfindung wird nachstehend hauptsächlich unter Bezugnahme auf Schaltungen erläutert, die eine einzige Schaltungsschutzeinrichtung für die Schaltung der PTC-Elemente enthalten. · Selbstverständlich werden von der Erfindung auch Schaltungen erfaßt, die zwei oder mehrere derartige Schutzeinrichtungen enthalten, die bei unterschiedlichen Störungszuständen ausgelöst werden können. Die Bezeichnung "Schaltungsschutzeinrichtung" umfaßt auch zwei oder mehrere elektrische Einrichtungen, die parallel und/ oder in Serie geschaltet sind, die in Verbindung miteinander die gewünschte Schutzwirkung hervorrufen. Auch umfaßt die Erfindung Schaltungen und Einrichtungen bzw. Geräte der zuvor angegebenen

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Art, selbst wenn die Schaltung oder die Einrichtung bzw. das Gerät, die nicht alle speziellen Erfordernisse erfüllt, beispielsweise dann, wenn die elektrischen Kennwerte der Einrichtung bzw. des Geräts in ihrem ursprünglichen Herstellungszustand unzureichend sind, jedoch nach einer daran anschliessenden Alterungsbehandlung unter die Einrichtungen der zuvor bestimmten Art fallen.

In den neuartigen Schaltschutzeinrichtungen sind die Elektroden und das PTC-Element derart angeordnet, daß der Strom durch das Element über eine Fläche mit äquivalentem Durchmesser d und einer mittleren Weglänge t strömt, so daß d/t wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 1o, und insbesondere wenigstens 2o ist. Unter der Bezeichnung "äquivalenter Durchmesser" ist der Durchmesser eines Kreises zu verstehen, der dieselbe Fläche wie die Fläche hat, über die der Strom fliesst. Diese Fläche kann irgendeine Form oder Gestalt haben, jedoch ist sie aus Vereinfachungsgründen hinsichtlich der Herstellung der Einrichtung im allgemeinen kreisförmig oder rechteckförmig. Vorzugsweise werden im allgemeinen zwei planare Elektroden mit derselben Fläche verwendet, die einander gegenüberliegend auf der jeweiligen Seite eines flachen PTC-Elements mit konstanter Stärke angeordnet sind. Jedoch sind auch andere Auslegungen möglich, um speziell räumliche oder elektrische Erfordernisse zu erfüllen. Beispielsweise können mehr als 2 Elektroden, mehr als ein PTC-Element, ein keilförmiges PTC-Element oder gekrümmte bzw. gewölbte Schichtelektroden mit einem gekrümmten bzw. gewölbten schichtartigen PTC-Element von konstanter Stärke zwischen den Elektroden vorgesehen sein. Bei diesen anderen Auslegungen ist der Fachmann in der Lage, die Art und Weise herauszufinden, wie er das d/t Verhält-

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nis errechnen kann.

Das PTC-Element besteht im allgemeinen aus einer einstückigen bzw. gleichförmigen Masse, kann aber auch beispielsweise aus zwei oder mehreren Schichten bestehen, die unterschiedliche spezifische Widerstände und/oder unterschiedliche Schalttemperaturen haben. Die Elektroden können in direkter Berührung mit dem PTC-Element sein oder ein oder mehrere derselben können über ein weiteres leitendes Material, z.B. einer Schicht aus einer leitenden polymeren Masse mit relativ konstanter Wirkleistung bzw. Wattleistung elektrisch angeschlossen sein. Bei der Herstellung der Einrichtung sollte _.· \, berücksichtigt werden, daß ein übermässiger Kontaktwiderstand vermieden wird.

Die Elektroden bestehen im allgemeinen aus einem Material mit sehr niedrigem spezifischem Widerstand, z.B. kleiner

-4
als 1o Ohm χ cm und haben eine derartiae Stärke, daß sie während des Betriebs der Einrichtung keine beträchtlichen Wärmemengen erzeugen. Typischerweise bestehen die Elektroden aus Metall; Nickelelektroden oder nickelplattierte Elektroden werden bevorzugt. Zur Verbesserung der Adhäsion und zur Reduzierung des Kontaktwiderstandes haben die Elektroden vorzugsweise sie durchziehende Öffnungen. Die Öffnungen sind jedoch ausreichend klein, so daß die Elektrode eine im wesentlichen äquipotentielle Fläche über ihre Gesamterstreckung bildet. Somit werden Elektroden aus Streckmetallgeflecht oder geschweißtem Drahtgeflecht bevorzugt eingesetzt. Die Maschen bzw. Gitter haben einen lichten Öffnungsbereich von 5o bis 80% und die jeweilige Öffnung liegt

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zwischen weniger als o,13, vorzugsweise 0,06 bis o,oo1 cm , wobei die Fläche über die der Strom in das PTC-Element fließt ,im allgemeinen als die Gesamtfläche der Elektrode unter Vernachlässigung der darin vorgesehenen öffnungen angesehen werden kann.

Das PTC-Element besteht aus einem Material, das einen spezifischen Widerstand im normalen Betriebszustand der Schaltung von weniger als 1o Ohm χ cm hat. Spezifische Widerstandswerte von kleiner als 7 Ohm χ cm, vorzugsweise kleiner als 5 Ohm χ cm, insbesondere kleiner als 3 Ohm χ cm und vorzugsweise

kleiner als 1 Ohm χ cm werden bevorzugt. Unter normalen . t Arbeitsbedingungen der meisten Schaltungen liegt die Temperatur der Einrichtung T, über 25°C und der spezifische Widerstand des PTC-Elements bei 25°C wird kleiner als 1ο, im allgemeinen kleiner als 7, vorzugsweise kleiner als 5, insbesondere kleiner als 3 und speziell kleiner als 1 Ohm χ cm. Vorzugsweise werden als PTC-Massen, d.h. Heizleitermassen oder Massen mit positiven Temperaturkoeffizienten (positive temperature coefficient) leitende Polymere verwendet, deren leitender Füllstoff vorzugsweise ein leitender Ruß ist. Besonders bevorzugt geeignete PTC-Massen sind in der gleichzeitigen Anmeldung der vorliegenden Anmelderin mit Priorität vom I.Dezember 1978 - US-Patentanmeldung No. 965, 343 angegeben und beschrieben. Je dünner das PTC-Element ist, desto größer ist die auszuhaltende Spannungsbelastung. Deshalb ist es zweckmässig, daß das PTC-Material einer Spannungsbelastung von wenigstens 15 Volt/mm, insbesondere wenigstens 2oo Volt/Millimeter im stabilen Gleichsgewichtszustand im Hochtemperaturbereich standhalten können sollte, und daß das PTC-Element wenigstens o,o5 cm stark sein sollte.

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Der Widerstand der Einrichtung unter normaler Betriebsbedingung der Schaltung, der in der Beschreibung als R bezeichnet wird und der bei einer sehr einfachen Aus-

dn
führungsform der Einrichtung mit zwei Metallelektroden, die in Berührung mit dem PTC-Element sind, hauptsächlich von dem Widerstand des PTC-Elements bestimmt wird, ist kleiner als 1 Ohm, vorzugsweise kleiner als o,2 Ohm und insbesondere kleiner als o,1 Ohm. Je geringer die Spannung der Spannungsquelle der Schaltung ist, z.B. wenn die Spannung 50 Volt oder kleiner, vorzugsweise 3o Volt oder kleiner und insbesondere 12 Volt oder kleiner ist, umso zweckmäßiger ist es, daß die Einrichtung einen geringen Widerstand hat. Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen hat das PTC-Element im allgemeinen eine Stärke von o,o5 bis 1 cm, zweckmäßigerweise o,1 bis o,5 cm und einen äquivalenten Durchmesser von o,6 bis 5 cm, vorzugsweise 1,5 bis 3,3 cm, ob gleich auch wesentlich größere Stärken und/oder äquivalente Durchmesser verwendet werden können. Auch ist es notwendig, daß in der Schaltung, für die die Einrichtung bestimmt ist, der Widerstand R, kleiner als o,5 χ R Ohm ist, wobei R

ein Lm j_i

die Impedanz der restlichen Teile der Schaltung ist, die in Serie zu der Einrichtung angeordnet sind. R, ist vorzugsweise kleiner als o,1 χ R_T Ohm, insbesondere kleiner als o,o4 χ R_x,

JLj JLj

insbesondere kleiner als o,oo1 χ R Ohm. R ist vorzugsweise

-Lj L·

im wesentlichen konstant, d.h. daß sich R nicht um mehr als

JLj

+ 25% innerhalb des Temperaturbereichs als Arbeitsbereich der Schaltung ändert. R ist im allgemeinen ein Ohm'scher Wider-

JLj

stand als Verbraucher, jedoch kann er auch insgesamt oder teilweise kapazitativ oder induktiv sein. Wenn sich jedoch R über den Temperaturbereich als Arbeitsbereich der Ein-

richtung beträchtlich ändert, kann die Einrichtung die

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Schaltung vor übermä'ssigen Schwankungen von R schützen, indem ein Schutz vor zu starkem Strom resultierend aus einer Verminderung von R₁. und/oder vor einer zu starken Wärmeerzeugung resultierend aus einem Anstieg von R geschaffen wird.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, ist die Leistung der Einrichtung unter normalen Betriebsbedingungen der Schaltung sehr gering und kann einfach zur Umgebung abgeführt werden. Wenn sich jedoch andererseits ein Störungszustand einstellt, muß die Stromleistung der Einrichtung zuerst schnell ansteigen, so daß diese Leistung bzw. Energie nicht zur Umgebung abgeführt werden kann und die Stromleistung fällt ab, bis ein stabiler Betriebszustand im Hochtemperaturbereich erreicht wird, bei dem die Energie bzw. Leistung abgeführt werden kann und der Widerstand der Einrichtung ausreichend gross ist, um sicherzustellen, daß die Schaltung "abgeschaltet" wird, d.h. der Strom in der Schaltung auf einen geeigneten niedrigen Wert abnimmt. Da die Stromleistung der Einrichtung sowohl von ihrem Widerstand (der von der Temperatur abhängig ist), als auch von dem durchgehenden Strom abhängig ist, schaltet die Einrichtung die Schaltung in Abhängigkeit von einer übergrossen Temperatur im Umgebungsbereich der Einrichtung oder in Abhängigkeit von einem zu grossen Strom in der Schaltung (oder selbstverständlich bei einer Kombination dieser beiden Verhältnisse) ab. Es hat sich herausgestellt, daß zum Senken des Stroms auf Werte, die bei den praktischen Anwendungsfällen erforderlich sind, das Schaltverhältnis, d.h. das Verhältnis von der Leistung in der Schaltung unter normaler Betriebsbedingung, zur Leistung der Schaltung im stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich wenigstens 8

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sein muß, allgemein jedoch wenigstens 1o ist, vorzugsweise im wesentlichen grosser, beispielsweise wenigstens 2o, vorzugsweise wenigstens 4o und insbesondere wenigstens 1oo sein sollte.

Viele der Einrichtungen nach der Erfindung können dazu verwendet werden, Schaltungen sowohl vor übergrossen Umgebungstemperaturen als auch vor zu starken Strömen zu schützen. Um ein weitgehend optimales Betriebsverhalten zu erreichen, sollten die einzelnen Bauteile der Einrichtung und ihre Umgebung hinsichtlich des Wärmeeinflusses unter Berücksichtigung des zu erwartenden Störungszustandes gewählt werden. Es gibt einige Schaltungen und diese ümge- £ bende Umgebungen, bei denen eine bestimmte Einrichtunq erfindungsgemäss in Abhängigkeit von einem zu grossen Anstieg des Stromes, jedoch nicht in Abhängigkeit von einem unerwünschten Temperaturanstieg in der Umgebung, und umgekehrt arbeitet. Die Einrichtungen sind insbesondere für Schaltungen bestimmt, die einen Strom von stärker als o,5 Ampere, z.B. o,5 bis 4 Ampere, vorzugsweise zwischen o,5 bis 2,5 Ampere unter normaler Arbeitsbedingung haben. Die Schaltungen können so ausgelegt sein, daß im Dauerzustand Ströme von bis zu 15 Ampere oder sogar mehr durchgeschickt werden können.

Die Arbeitsweise der Einrichtung lässt sich am einfachsten unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 der beigefügten Zeichnung erläutern. Fig. 1 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Widerstand und der Temperatur einer typischen Ausführungsform der Einrichtung. Fig. 2 zeigt eine typische Ausführungsform einer Schaltung nach der Erfindung, die eine elektrische

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Stromquelle, einen Ohm¹sehen Widerstand R als Verbraucher und eine PTC-Schutzeinrichtung R, umfaßt. Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Leistung und der Temperatur

der Einrichtung, wenn die elektrische Schaltung mit Ausnahme von Änderungen des Widerstandes in der Einrichtung infolge von Änderungen der Umgebungstemperatur und der I R Heizleistung unverändert bleibt. In der Fig. 3 sind repräsentative Belastungslinien A1, A2, A3, A4, B1, B2, B3 und B4 angegeben, die die Leistung bzw. Energie angeben, die die Einrichtung durch Wärmeverluste unter verschiedenen Bedingungen abführen kann. Die Steilheit dieser Linien (die etwa geradlinig sind, wenn die Differenz zwischen der Temperatur der Einrichtung und der Temperatur des die Einrichtung umgebenden Mediums kleiner als 1oo C ist, wie dies im allgemeinen der Fall ist) hängt von der Wärmeleitfähigkeit des die Einrichtung umgebenden Mediums, der Bewegung des Mediums, wenn das Medium eine solche ausführt und von der Oberfläche der Einrichtung ab,und die Lage der Linien hängt von der Temperatur des die Einrichtung umgebenden Mediums ab. Die Belastungslinien A1, A2, A3 und A4 sind somit repräsentativ für eine erste Einrichtung in einem ersten sie umgebenden Medium bei ansteigenden Temperaturen des Mediums, die mit T-, T₂, T- und T- bezeichnet sind. Die Belastungslinien B1, B2, B3 und B4 sind beispielsweise repräsentativ für (a) dieselbe Einrichtung in einem zweiten sie umgebenden Medium, das eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das erste Medium hat oder (b) für eine zweite Einrichtung, die dieselbe Leistung/Temperaturkurve wie die erste Einrichtung, aber eine kleinere Oberfläche als die erste Einrichtung hat, wobei die Einrichtung in dem ersten Medium sich befindet.

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Wenn die Einrichtung Belastungsljnien A1, A2, A3 und A4 hat, befindet sich die Einrichtung im stabilen Gleichgewicht, so lange die Temperatur des Mediums kleiner als T, ist. Wenn jedoch die Temperatur des Mediums die kritische Temperatur T-, erreicht, (die nachstehend als kritische Temperatur T ..) bezeichnet wird, bei der die Einrichtung eine Temperatur T, . hat, wird das Gleichgewicht instabil und bei irgendeinem weiteren Temperaturanstieg des Mediums überschreitet die Leistung der Einrichtung den Spitzenwert . der P/T-Kurve, bis ein stabiler Gleichgewichtspunkt im Hochtemperaturbereich erreicht wird. Wenn beispielsweise die Temperatur des Mediums nur sehr geringfügig ansteigt, dann wird ein stabiles Gleichgewicht an einer Stelle erreicht, an der die Belastungslinie A₃ die Leistungs-Temperaturkurve hinter dem Spitzenwert bzw. dem Wendepunkt der Kurve schneidet, d.h. wenn die Einrichtung eine Temperatur T, , , , _A hat. Wenn die Temperatur des Mediums ständig weiter ansteigend in Richtung T. ansteigt, dann wird ein Gleichgewicht erreicht, wenn die Einrichtung eine höhere Temperatur, T, , , , ,.. hat. Hieraus ergibt sich, daß wenn die Einrichtung einmal in den stabilen Gleichgewichtszustand im Hochtemperaturbereich mit hohem Widerstand gebracht worden ist, daß sie dann nicht in den Zustand mit geringem Widerstand zurückkehrt (d.h. sie unterbindet im wesentlichen einen Stromdurchgang durch die Schaltung ständig) es sei denn, daß die Temperatur des Mediums unter die Temperatur T~ abfällt, die im wesentlichen niedriger als die Temperatur des Mediums T . ist, die eine Auslösung der Einrichtung erstmalig bewirkt hat. Somit kann man sagen, daß die Einrichtung in einem "verriegelten" Zustand ist. Die Einrichtung kann auch zum Rücksetzen gezwungen werden, d.h. daß sie zu ihrem Zustand mit niedrigem Widerstand zurückkehrt, indem die Geschwindigkeit beträchtlich gesteigert

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wird, mit der die Einrichtung Wärme zu ihrer Umgebung abgibt. Im allgemeinen sind jedoch die Einrichtungen nach der Erfindung derart beschaffen und ausgelegt und arbeiten derart/ daß, wenn eine Sperrung bzw. Verriegelung der Einrichtung auftritt, die Rückstellung bzw. das Rücksetzen dadurch erreicht wird, daß der Strom abgeschaltet wird und die Einrichtung abkühlen kann.

Die Arbeitsweise einer Einrichtung mit Belastungslinien B1 , B2, B3 und B4 lässt sich auf ähnliche Art und Weise erklären. Bei diesen Belastungslinien ergibt sich, daß die Einrichtung ausgelöst wird, wenn die Temperatur des £ die Einrichtung umgebenden Mediums T- erreicht wird {die im wesentlichen unter T₃ liegt), bei der die Temperatur der Einrichtung T, . . „ ist (die im wesentlichen tiefer als α trip B

^Ttri_P A

In Fig. 4 sind beispielhaft Leistung/Temperatur-Kurven P und P und Belastungslinien A und B für eine typische Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung gezeigt. P ist die Leistung/Temperatur-Kurve der Einrichtung, wenn die elektrische Schaltung abgesehen von Änderungen des Widerstands der Einrichtung infolge einer Temperaturänderung

2
der Umgebung und/oder einer I R-Heizleistung unverändert bleibt. Unter normalen Betriebsbedingungen bei einer Umgebungstemperatur T beläuft sich die Temperatur der Einrichtung auf Τ,., wenn die Einrichtung eine Belastungslinie A hat und beläuft sich auf T,_n, wenn die Einrichtung eine Belastungslinie B hat. P ist die Leistungs/Temperatur-Kurve der Einrichtung mit einem Strom, der wesentlich stärker als der Strom unter normalen Betriebsbedingungen ist.

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-9t-

Wenn ein elektrischer Störungszustand, z.B. ein Kurzschluß von IL. oder eine Spannunqswelle auftritt, steigt der durch die Einrichtung gehende Strom steil an und die Leistung
der Einrichtung springt nahezu gleichzeitig auf P , wenn
die Einrichtung die Belastungslinie A hat und auf P , wenn die Einrichtung die Belastungslinie B hat. Somit steigt die Leistung der Einrichtung auf einen sehr hohen Wert an und
fällt dann mit zunehmender Temperatur (deshalb zunehmendem Widerstand) der Einrichtung ab, bis ein Gleichgewicht erreicht wird, wenn die Belastungslinie die Leistungs/Temperatur-Kurve schneidet. Es sei noch erwähnt, daß, wenn die
Einrichtung eine Belastungslinie A hat, beim Aufheben bzw. Entstören des Kurzschlusses die Schaltung in ihren ursprünglichen normalen Arbeitszustand zusammen mit der Einrichtung bei einer Temperatur T, zurückkehrt. Wenn andererseits die Einrichtung eine Belastungslinie B hat, ist die Einrichtung verriegelt bzw. gesperrt, d.h. bei der Beseitigung des Kurzschlusses findet nur eine geringfügige Temperaturabsenkung der Einrichtung auf T,_ und eine entsprechende ge-

QD

ringfügige Verminderung der Leistung der Einrichtung statt, während die ursprünglichen normalen Betriebszustände nicht wieder eingenommen werden.

Bei vielen bedeutsamen Anwendungsfällen der Einrichtung nach der Erfindung ist es wichtig, daß die Einrichtung im wesentlichen auf dieselbe Art und Weise über längere oder
kürzere Zeiträume selbst dann weiterarbeiten sollte, wenn
in der Einrichtung im Zustand des hohen Widerstands und im hohen Temperaturbereich eine Alterung auftritt. Bei bevorzugten Schaltungen nach der Erfindung hat die Einrichtung, nachdem die Schaltung einerAlterungsbehandlung unterworfen

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worden ist, die ein Betreiben der Schaltung 1o Stunden lang mit der Einrichtung am Gleichgewichtspunkt bei dieser hohen Temperatur, ein Abschalten des Stromes, eine Abkühlung der Einrichtung im wesentlichen auf eine Temperatur unter T, und eine Temperaturreduzierung des Mediums im wesentlichen auf eine Temperatur unter T umfaßt, einen Stromleistung/Temperatur-Zusammenhang in der Form, daß die Schaltung nach der zuvor gegebenen Art unter einer normalen Arbeitsbedingung arbeitet. Die Einrichtung erreicht einen instabilen Gleichgewichtspunkt der zuvor angegebenen Art, wenn das Medium langsam ausgehend von T erwärmt wird, wobei das Medium bei diesem instabilen Gleichgewichtspunkt eine Temperatur T ·±./λ hat, die zwischen (T . -2o) C ..,_v und (T ..+1ο) C, vorzugsweise zwischen (T ·+-"-*) *~ und (T ..+5)°C liegt. Die Einrichtung erreicht einen stabilen Gleichgewichtspunkt im Hochtemperaturbereich der zuvor beschriebenen Art, wenn das Medium auf eine Temperatur über T _lt/.j erwärmt wird. Zweckmässigerweise hat die Einrichtung nach der Alterungsbehandlung einen Widerstand im normalen Arbeitsbereich der qealterten Schaltung R, ,,

an/ Io

zwischen o,5 χ R, und 3 χ R, , vorzugsweise zwischen o,7 χ R, und 1,5 χ R, . Wenn es zu erwarten ist, daß die Einrichtung lange im ausgelösten Zustand verharrt, sollte vorzugsweise zur Aufrechterhaltung der Eigenschaften der Einrichtung eine ähnliche Behandlung wie zuvor angegeben vorgenommen werden, die sich jedoch auf 1oo Stunden erstreckt.

Auch hat sich ergeben, daß die Einrichtungen eine besser vergleichmässigte Leistung bzw. ein besser vergleichmässigtes Arbeitsverhalten haben, wenn die Einrichtung derart beschaffen ist, daß bei jeder Temperatur zwischen T und T, . . die

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Mengengrösse

1 ^x ^R

R dT

sich nicht um mehr als +_ 5o% , vorzugsweise nicht mehr als 25% ändert, wenn die Einrichtung einer Alterungsbehandlung unterworfen wird, die ein Betreiben der Schaltung 1o Stunden lang, vorzugsweise 1oo Stunden lang mit der Einrichtung bei diesem Gleichgewichtspunkt im Hochtemperaturbereich, ein Abschalten des Stromes und eine Abkühlung der Einrichtung auf eine Temperatur im wesentlichen kleiner als T, umfaßt.

Bei der vorstehend angegebenen Mengongrösse ist mit R der Widerstand der Einrichtung in Ohm und mit T die Temperatur der Einrichtung bezeichnet.

Die Arbeitsweise der Einrichtung ist teilweise abhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Wärme von der Einrichtung abgeführt werden kann. Diese Geschwindigkeit hängt von der Wärmeübergangszahl der Einrichtung ab. Hierbei wurde festgestellt, daß die Einrichtung im allgemeinen eine Wärmeübergangszahl gemessen in ruhiger Luft und gemittelt über die Gesamtfläche der Einrichtung von 2.5 bis 6 Milliwatt/ C χ cm , vorzugsweise 2,5 bis 5 Milliwatt/ C χ cm haben soll. Die optimale Auslegung hinsichtlich des Wärmeeinflusses der Einrichtung'hängt von dem Störungszustand ab, vor dem die Schaltung zu schützen ist. In den meisten Anwendungsfällen sollte die Einrichtung so schnell wie möglich auf den Störungszustand ansprechen und Gegenmaßnahmen ergreifen. Eine Einrichtung, die als Schutz vor einer thermischen überlastung bestimmt ist, sollte daher vorzugsweise

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einen guten Wärmekontakt mit dem umgebenden Medium haben, während eine Einrichtung, die als Schutz vor einem zu starken Strom bestimmt ist, vorzugsweise relativ gut wärmeisoliert sein sollte. Zum Schutz vor thermischen Überlastungen sollte die Einrichtung thermisch mit der Stelle gekoppelt sein, an der die übergrosse Wärme vermutlicherweise erzeugt werden wird.

Die Schaltungsschutzeinrichtungen nach der Erfindung weisen im allgemeinen einen elektrisch isolierten Mantel auf, der das PTC-Element und die Elektroden umgibt und durch den die Verbindungsleitungen zu den Elektroden gehen. Dieser ^v Mantel beeinflusst ebenfalls die thermischen Eigenschaften der Einrichtung und seine Stärke wird unter entsprechender Abstimmung gewählt. Vorzugsweise weist die Einrichtung eine Sauerstoffsperrschicht auf, die in der schwebenden Anmeldung von Middleman u.a. angegeben ist.

Die Schaltungen nach der Erfindung können weitere Schaltungsschutzeinrichtungen wie z.B. einen üblichen Thermostaten oder einen Bimetallschalter enthalten, die dazu bestimmt sein können, die Schaltung vor demselben Störungszustand wie das PTC-Element oder vor einem anderen Störungszustand zu schützen. Wenn die übliche Einrichtung und die PTC-Einrichtung dazu bestimmt sind, einen Schutz vor demselben Störungszustand zu erreichen, wird die PTC-Einrichtung im allgemeinen derart ausgelegt, daß sie nur ausgelöst wird und arbeitet, wenn die andere Einrichtung versagt bzw. ausfällt. Die Spannungsquelle bzw. die Energiequelle kann eine Gleichstromquelle wie z.B. eine oder mehrere 12 Volt Batterien oder eine Wechselstromquelle wie z.B. 11o Volt oder 22o Volt sein.

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In den Fig. 5 und 6 der Zeichnung sind Querschnittsansichten von Einrichtungen nach der Erfindung gezeigt. Die Einrichtung in Fig. 5 weist ein PTC-Elcment T in Form einer runden Scheibe auf, die runde Gitterelektroden 2 hat, die in gegenüberliegenden Flächen der Scheibe eingebettet sind. Ferner weist die Einrichtung in Fig. 5 Anschlußleitungen 4, die an den Elektroden 2 angebracht sind und eine Sauerstoffsperrschicht 3 auf, in der das PTC-Element 1 und die Elektroden 2 eingekapselt sind, wobei die Anschlußleitungen 4 durch die Sauerstoff sperrschicht gehen. Die Übergangsstelle von der Sperrschicht 3 zu dem PTC-Element 1 ist im wesentlichen frei von grossen Hohlräumen. Die Einrichtung nach Fig. 6 ist im wesentlichen gleich wie die Einrichtung in Fig. 5 ausgelegt. Eine Ausnahme bildet die Tatsache, daß in Fig. 6 jede Elektrode in eine Schicht 5 aus einer leitenden polymeren Masse relativ konstanter Wattleistung eingebettet ist.

In den Fig. 7 und 8 ist jeweils in einer Ansicht eine Aquariumheizung gezeigt, die eine Schaltungsschutzeinrichtung nach der Erfindung und eine körperliche Schaltung für die Aquariumheizung umfaßt. Eine Schaltungsschutzeinrichtung 11, wie in Fig. 5 gezeigt, ist in Serie mit einer Drahtwicklungsheizung 12 geschaltet, die Widerstandsheizdrähte 121 hat, die um einen hohlen keramischen Kern 122 gewickelt sind und einen BLmetallthermostaten 13 hat, der mittels eines Rändelknopfs 131 derart einstellbar ist, daß er öffnet, wenn die Temperatur der Umgebungsluft eine Temperatur in der Grössenordnung von 25 bis 45 C übersteigt. Ein Kondensator 132 ist parallel zum Thermostaten 13 geschaltet. Mit Hilfe eines Anschlußsteckers 15 kann die Heizung 12 an eine 12o Volt Wechselstromquelle (nicht gezeigt) angeschlossen werden. Eine Lampe 16 und ein Widerstand"17

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(in Fig. 7 nicht gezeigt) sind parallel zur Heizung 12 und der Einrichtung 11 geschaltet, so daß die Lampe 16 aufleuchtet, wenn die Schaltung mit Wechselspannung über den Stecker 15 versorgt wird. Eine Lampe 18 und ein Widerstand 19 sind parallel zur Einrichtung 11 geschaltet, so daß die Lampe 18 aufleuchtet, wenn die Einrichtung ihren Gleichgewichtszustand im Hochtemperaturbereich einnimmt und nicht aufleuchtet, wenn die Aquariumheizung unter normalen Arbeitsbedingungen betrieben wird. Die verschiedenen zuvor genannten Bauteile sind an einer gespritzten oder gegossenen Kunststoffkappe 2o befestigt, die einen nach unten verlaufenden Rahmenabschnitt 2o1 hat, so daß die Anordnung in ein als Glasrohr ausgebildetes Gehäuse 21 einführbar ist, an dessen Oberseite ein gegossenes Kunststoffteil 22 befestigt ist, das passend zu der Kappe 2o ausgelegt ist und auf dem Boden des rohrförmigen Glasgehäuses 21 befindet sich Glaswolle 14.Ebenfalls fest mit dem Glasgehäuse 21 ist ein als Schutz dienender gegossener Kunststoffring 23 verbunden.

Die Aquariumheizung nach den Fig. 7 und 8 ist im wesentlichen ähnlich wie übliche Aquariumheizungen ausgelegt. Eine Ausnahme bildet die Tatsache, daß zusätzlich die Einrichtung 11, die Lampe 18 und der Widerstand 19 vorgesehen sind.

Wenn der Bodenabschnitt der Aquariumheizung nach den Fig. und 8 in Wasser eingetaucht wird und die Aquariumheizung dann an eine 12o Volt Wechselstromspannungsauelle angeschlossen wird, wird die von der Heizung 12 erzeugte Wärme zum Wasser abgegeben, so daß der Thermostat 13 wechselweise in

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Abhängigkeit von der Temperatur der Umgebungsluft öffnet und schließt und die Einrichtung 11 in einem Zustand mit geringem Widerstand bleibt. Wenn die Aquariumheizung aus dem Wasser genommen wird, wird die Luft in dem Glasgehäuse schnell aufgeheizt und vorausgesetzt, daß der Thermostat ordnungsgemäss arbeitet, wird er öffnen, so daß in der Schaltung kein Strom mehr fließt und die Einrichtung 11 bleibt in einem Zustand mit niedrigem Widerstand. Jedoch sind Bimetallthermostate nicht immer zuverlässig und wenn sie versagen, nehmen sie häufig ihre Schließstellung ein. Somit können die bekannten Heizungen, die keine Einrichtung 11 haben, beim Versagen des Thermostaten das Glasgehäuse überhitzen, so daß das Gehäuse Risse bekommt und wenn es dann wiederum in Wasser eingetaucht wird, kann sogar Feuer entfacht werden. Wenn jedoch der Bimetallthermostat bei der Aquariumheizung nach den Fig. 7 und 8 ausfällt, steigt die Temperatur der Luft in dem Gehäuse ständig an, bis die Einrichtung 11 zur Auslösung gebracht wird, wodurch der Strom in der Schaltung auf einen sehr niedrigen Wert herabgesetzt wird, bei dem die Heizung 12 keine nennenswerte Wärme mehr erzeugt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Eine Schaltungsschutzeinrlchtung nach Fig. 5 wurde unter Verwendung der Verfahrensweise hergestellt, die in der gleichzeitigen Anmeldung der vorliegenden Anmelderin mit

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Priorität vom 1. Dezember 1978, US-Patentanmeldung No.965,345 in Beispiel 2 angegeben ist. Die Einrichtung weist ein PTC-Elcment in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser d von 19,o5 mm (o,75 inch) und einer Stärke von 2,o3 mm (o,o8 inch) mit einer Elektrode aus nickelplattiertem Kupfergitter, die in jede Fläche eingebettet ist, auf, so daß sich eine wirksame Dicke zwischen den Elektroden (t) von etwa 1,52 mm (o,o6 inch) ergibt (d.h. d/t etwa 12). Das PTC - Element bestand aus einer Dispersion aus Ruß in einem Gemisch aus Polyäthylen mit hoher Dichte und einem Ä'thylen/Acry] säure-Copolymer. Der Widerstand der Einrichtung belief sich auf o,1 Ohm bei 25 C und die Einrichtung hatte einen maximalen Durchlaßstrom (I . von etwa 2,5 Ampere

max; .

(wobei sich die Einrichtung in ruhiger Luft bei 25 C befand) .

Die Einrichtung wurde in eine Aquariumheizung nach Fig. 7 eingebaut, die dann in Wasser getaucht und an eine 12o Volt Wechselspannungsquelle angeschlossen wurde. Der Widerstand der Drahtwicklungsheizung belief sich auf 144 Ohm.Wennder Bodenabschnitt der Aquariumheizung im Wasser war, d.h. unter normalen Betriebsbedingungen der Heizung, betrug der Strom in der Schaltung o,83 Ampere, die Temperatur der Einrichtung (T, ) war kleiner als 5o C und der Widerstand der Einrichtung (R, ) war kleiner als o,2 Ohm. Die Aquariumheizung wurde aus dem Wasser genommen und in Luft gebracht, wobei der Thermostat ständig im geschlossenen Zustand gehalten wurde, um einen Störungszustand zu simulieren. Die durch die Drahtwicklungsheizung erzeugte Wärme bewirkte, daß die Temperatur im Innenraum des Glasgehäuses schnell auf etwa 8o°C (T ..) anstieg, bei der der Widerstand der Einrichtung R, . . etwa o,3 Ohm war, die Temperatur der Einrichtung (T_d . . )

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belief sich auf etwa 9o C und die Geschwindigkeit, mit

2 der die Einrichtung Wärme nach der Gleichung I R erzeugte, war grosser als die Geschwindigkeit, mit der die Einrichtung Wärme abführen konnte. Die Temperatur der Einrichtung stieg dann schnell an, bis der stabile Gleichgewichtspunkt im Hochtemperaturbereich erreicht wurde, bei dem die Einrich-

2
tung die von der nach I R erzeugten Heizleistung und dadurch verursachten Wärme abführen konnte. An diesem Punkt hatte die Einrichtung eine Temperatur (T, , , , ) von etwa 125°C und einen Widerstand (R, , , , ) von etwa 7 2oo Ohm und

d latch

der Schaltungsstrom belief sich auf etwa o,o2 'Ampere, so daß die Drahtwicklungsheizung keine nennenswerte Wärmemenge mehr erzeugen konnte. Das Schaltverhältnis belief sich etwa auf 5o. Die Einrichtung war in der Sperrstellung, so daß der Strom in der Schaltung extrem schwach war, wenn auch die Drahtwicklungsheizung keine Wärme mehr erzeugte. Wenn der Strom abgeschaltet wurde und sich die Einrichtung auf Raumtemperatur abkühlen konnte, konnte die Aquariumheizung wieder in ihren Ausgangszustand eingesetzt werden.

Beispiel 2

Eine im Beispiel 1 angegebene Einrichtung wurde in einer Schaltung angeordnet/ die die Einrichtung, einen Widerstand von 144 Ohm in Serie geschaltet zu der Einrichtung, und eine 12o Volt Gleichstromquelle umfaßt. Diese Schaltung, die hinsichtlich ihrer elektrischen Auslegung im wesentlichen mit der Schaltung im Beispiel 1 übereinstimmt, hatte ähnliche normale Arbeitsbedingungen.

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Am Widerstand trat ein Kurzschluß auf, so daß der Verbraucher in Reihe mit der Einrichtung auf 1 Ohm abfiel, wodurch der Strom auf etwa 12o Ampere anstieg. Die Leistung der Einrichtung stieg nahezu gleichzeitig auf etwa 15oo Watt an und fiel dann ab, da die Einrichtung heiss und ihr Widerstand grosser wurde, bis der Gleichgewichtspunkt im Hochtemperaturbereich erreicht war. Wie in Beispiel 1 belief sich das Schaltverhältnis auf etwa 5o und die Einrichtung befand sich im Sperrzustand.

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Claims

Patentansprüche

( 1. !Elektrische Schaltung mit einer elektrischen Stromquelle, einer Schaltungsschutzeinrichtung, die wenigstens zwei Elektroden und ein PTC-Element, bestehend aus einer PTC-Masse mit einer Schalttemperatur T , aufweist, und weiteren Schaltungsbauelementen, die in Serie zu dem PTC-EIement geschaltet sind und eine Impedanz R Ohm haben, wobei die Schaltung (a) einen normalen Betriebszustand hat, indem ein stabiles Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit vorhanden ist, mit der die Einrichtung Wärme durch die Heizleistung I R erzeugt und der Geschwindigkeit, mit der die Wärme von der Einrichtung abgeführt wird, (b) einen kritischen Betriebszustand hat, der dadurch verursacht wird, daß ein Temperaturanstieg in dem die Einrichtung umgebenden Medium oder ein Anstieg des durch die Einrichtung fließenden Stroms oder beides auftritt, bei diesem kritischen Betriebszustand (i) ein instabiles Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit vorhanden ist, mit der die Einrichtung nach Maßgabe der Heizleistung I R Wärme erzeugt und der Geschwindigkeit, mit der die Wärme von der Einrichtung abgeführt wird und (ii) die Geschwindigkeit positiv ist, mit der sich der Widerstand der Einrichtung in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, so daß ein weiterer Temperaturanstieg des die Einrichtung umgebenden Mediums oder ein weiterer Anstieg des durch die Einrichtung fließenden Stroms bewirkt, daß der Widerstand der Einrichtung schnell ansteigt und der Strom der Schaltung abfällt, und (c) einen stabilen Betriebs-

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zustand im Hochtemperaturbereich hat, den die Schaltung einnimmt, wenn der Widerstand der Einrichtung von dem kritischen Betriebszustand ansteigt und bei dem ein stabiles Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit vorhanden ist,

2 mit der die Einrichtung nach Maßgabe der Heizleistung I R Wärme erzeugt und der Geschwindigkeit, mit der die Einrichtung Wärme abführt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem normalen Betriebszustand (a)

(A) ein Strom i durch das PTC-Element (1)

über eine Fläche eines äquivalenten Durchmessers (d) mit einer mittleren Weglänge (t) derart fließt, daß d/t wenigstens 2 ist und

(B) die Einrichtung (11) eine Temperatur T hat, bei der die PTC-Masse einen spezifischen Widerstand von weniger als 10 Ohm χ cm hat und bei der die Einrichtung (11) einen

Widerstand R, hat, der dn

a) kleiner als 1 Ohm und

b) kleiner als 0,5 χ R_T Ohm ist,

und daß im stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich (c) die Einrichtung (11) einen derartigen Widerstand hat, daß das Verhältnis von Leistung der Schaltung im normalen Betriebszustand zur Leistung der Schaltung im stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich, das Schaltverhältnis, wenigstens 8 ist.

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2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß R, weniger als 0,IxR. und das Schaltverhältnis wenigstens 1o ist und daß das PTC-Element (1) aus einer Masse besteht, die einen spezifischen Widerstand bei T, von weniger als 5 Ohm χ cm hat und die durch einen Verarbeitungsprozeß hergestellt wird, bei dem ein leitender Ruß in einem Polymer dispergiert wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die PTC—Masse bei T, einen spezifischen Widerstand von weniger als 7 Ohm χ cm hat und R, kleiner als o,2 Ohm und kleiner als o,o1 R^ Ohm ist.

4. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis d/t wenigstens Io ist.

5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Schaltverhältnis wenigstens 4o ist.

6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß im stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich die Einrichtung (11) eine Temperatur T, , . . und einen Wider stand R, , . . hat, und daß R, , , , kleiner als der Widerstand der Einrichtung (11) bei allen Temperaturen

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zwischen T, . , , und (T, , . , +5ο) C ist. d latch α latch

7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß im stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich die Einrichtung (11) eine Temperatur T, , , , und einen Widerstand ^Rd 1 t h ^^a*" ^un<^ ^^aß ^*^{e E}i^nri^c^^tun9 (11) einen Widerstand bei einer Temperatur größer T, latch hat, der wenigstens das 1o-fache von R, , . , ist.

α latch

8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, .· dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmeübergangszahl der Einrichtung (11) gemessen in ruhiger Luft 2,5 bis 6 Milliwatt pro °C und cm ist.

9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltung noch normale, kritische und stabile Betriebszustände im Hochtemperaturbereich hat, wenn die Schaltung dadurch gealtert worden ist, daß die Schaltung in dem stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich 1o Stunden belassen, der Strom abgeschaltet und die Einrichtung (11) auf eine Temperatur abgekühlt wurde, die im wesentlichen niedriger ^{als T}dn ^lst·

1o. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11) nach dieser Alterungsbehandlung einen Widerstand im normalen Betriebs-

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zustand von R, ,„„ zwischen ο,5 χ R, und 3 χ R, hat.
dn/10 dn dn

11. Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Mediums im kritischen Betriebszustand T . ,. _Q, zwischen (T . -20)⁰C und (T . +1O)⁰C liegt, wenn die gealterte Schaltung in den kritischen Betriebszustand allein dadurch überführt wird, daß die Temperatur des die Einrichtung (11) umgebenden Mediums ansteigt, wobei T die Temperatur des Mediums ist, wenn die ungealterte Schaltung in den kritischen Betriebszustand allein dadurch gebracht wird, daß die Temperatur des Mediums ansteigt.

12. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder
Temperatur zwischen T, und der Temperatur der Einrichtung (11) im kritischen Betriebszustand die Mengengröße — χ -^ sich nicht um mehr als + 50 % ändert, wenn die Einrichtung einer Alterungsbehandlung unterworfen wird, die ein Betreiben der Schaltung im stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich 100 Stunden lang, ein Abschalten des Stromes und ein Abkühlen der Einrichtung (11) auf
eine Temperatur umfaßt, die im wesentlichen niedriger als T, ist, (wobei mit R der Widerstand der Einrichtung in Ohm und mit T die Temperatur der Einrichtung (11) bezeichnet ist) .

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13. Schaltungsschutzeinrichtung mit einem PTC-Element, bestehend aus einer PTC-Masse mit einer Schalttemperatur T und wenigstens zwei Elektroden, die mit einer elektrischen Stromquelle verbindbar sind und die bei einer derartigen Schaltung bewirken, daß Strom durch das PTC-Element fließt, wobei die Schaltungsschutzeinrichtung als Teil einer Prüfschaltung dient, die zusätzlich eine elektrische Stromquelle und weitere Schaltungsbauelemente hat, die in Serie zu dem PTC-Element geschaltet sind und eine Impedanz von R Ohm haben, und sich hierdurch eine Schaltung bildet, die (a) einen normalen Betriebszustand hat, indem ein stabiles Gleichgewicht zwischen der Geschwin- _# { digkeit vorhanden ist, mit der die Einrichtung Wärme gemäß

2
der Heizleistung I R erzeugt und der Geschwindigkeit, mit der die Einrichtung Wärme abgibt, (b) einen kritischen Betriebszustand hat, der dadurch verursacht wird, daß ein Temperaturanstieg in dem die Einrichtung umgebenden Medium oder eine Zunahme des durch die Einrichtung fließenden Stromes oder beides auftritt, bei diesem kritischen Betriebszustand (i) ein instabiles Gleichgewicht zwischen der Geschwindigkeit, mit der die Einrichtung nach Maßgabe der Heizleistung I R Wärme erzeugt und der Geschwindigkeit, mit der die Einrichtung Wärme abführt und (ii) die Geschwindigkeit positiv ist, mit der sich der Widerstand der Einrichtung mit der Temperatur ändert, so daß ein weiterer Temperaturanstieg in dem die Einrichtung umgebenden Medium oder ein weiterer Anstieg des durch die Einrichtung fließenden Stromes bewirkt, daß der Widerstand der Einrichtung schnell ansteigt und der Strom abfällt und (c) einen stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich hat, den die Schaltung einnimmt, wenn der Widerstand der Einrichtung von dem kritischen Betriebszustand ansteigt, und bei dem ein stabiles

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Gleichgowicht zwischen der Geschwindigkeit vorhanden ist,

2 mit der die Einrichtung nach Maßgabe der Heizleistung I R Wärme erzeugt und der Geschwindigkeit, mit der die Einrichtung Wärme abführt, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Stromquelle in der Prüfschaltung entweder 1o Volt oder 1oo Volt beträgt, die Einrichtung (11) in ruhiger Luft ist und R derart gewählt ist, daß im kri-

Lt

tischen Betriebszustand der Prüfschaltung die ruhige Luft etwa 25 C beträgt, die Schaltung in einem normalen Betriebszustand ist, wenn die Temperatur der ruhigen Luft O⁰C ist, in diesem normalen Betriebszustand

(A) ein Strom durch das PTC-Element (1) über eine Fläche eines äquivalenten Durchmessers d mit einer mittleren Weglänge t derart strömt, daß d/t wenigstens 2 ist und

(B) in dem die Einrichtung (11) eine Temperatur

T, hat, bei der die Einrichtung (11) einen an

Widerstand R, von weniger als 1 Ohm hat und bei der die PTC-Masse einen spezifischen Wider stand von weniger als 1o Ohm χ cm hat,

und daß im stabilen Betriebszustand der Schaltung im Hoch temperaturbereich die Einrichtung (11) eine Temperatur T, , . . und einen Widerstand R, _Λ . , hat, die derart bemeslatch d latch

sen sind, daß das Verhältnis der Leistung der Schaltung im normalen Betriebszustand zu der Leistung der Schaltung im stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich, das Schaltverhältnis wenigstens 8 ist.

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14. Schaltungsschutzeinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß das PTOElement 1 aus einer Masse besteht, die man durch einen Verarbeitungsprozeß erhält, bei dem ein leitender Ruß in einem Polymer dispergiert wird.

15. Schaltungsschutzeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Masse einer Spannungsbelastung von wenigstens 2oo Volt/mm bei T, standhält.

16. Schaltungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Masse bei T, einen spezifischen Widerstand von weniger als 7 Ohm χ cm hat und daß R, kleiner als o,2 Ohm ist.

17. Schaltungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß das das Verhältnis d/t wenigstens 1o ist.

18. Schaltungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekenn zeichnet, daß R, höchstens o,1 χ R. ist.

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19. Schaltungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß das Schaltverhältnis wenigstens 1o ist.

2o. Schaltungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromquelle eine Spannung von 1oo Volt hat und das Schaltverhältnis wenigstens 6o ist.

21. Schaltungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 2o, dadurch gekennzeichnet , daß R, ₁ , kleiner als der Widerstand der Einrichtung (11)

bei allen Temperaturen zwischen T, , . , und (T, , . . ^ d latch d latch

+ 5o)°C ist.

22. Schaltungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (11) bei einer Temperatur grosser ^Td lat h ^e;*-^nen Widerstand hat, der wenigstens 1o χ R, latch ^ist·

23. Schaltungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, gekennzeichnet durch eine Wärmeübergangszahl,gemessen in ruhiger Luft,von 2,5 bis 6 Milliwatt pro °C und cm .

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24. Schaltungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet , daß die Prüfschaltung noch normale, kritische und stabile Betriebszustände im Hochtemperaturbereich hat, wenn die Prüfschaltung dadurch gealtert worden ist, daß sie 1o Std. lang im stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich belassen, der Strom .abgeschaltet und die Einrichtung (11) auf eine Temperatur abgekühlt wurde, die im wesentlichen

kleiner als T, ist.
dn

25. Schaltungsschutzeinrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (11) nach der Alterungsbehandlung einen Widerstand im normalen Betriebszustand zwischen o.5 χ R, und 3 χ R, hat.

dn dn

26. Schaltungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Schaltung nach der Alterungsbehandlung in den kritischen Betriebszustand allein dadurch gebracht wird, daß die Temperatur der ruhigen Luft ansteigt, die Temperatur der ruhigen Luft im kritischen Betriebszustand zwischen 2o°C und 3o°C liegt.

27. Schaltungsschutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch "gekennzeichnet , daß bei jeder Temperatur zwischen T, und der Temperatur der Einrichtung im kritischen Betriebszustand die Mengengrösse jT χ -j= sich nicht um mehr als + 5o% ändert, wenn die Ein-

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_n_ 2948781

richtung (11) einer Alterungsbehandlung unterworfen wird, bei der die Schaltung 1oo Std. im stabilen Betriebszustand im Hochtemperaturbereich arbeitet, der Strom abgeschaltet und die Einrichtung auf eine Temperatur abgekühlt wird, die im wesentlichen unter T, liegt (wobei mit R der Widerstand der Einrichtung in Ohm und mit T die Temperatur der Einrichtung 11 bezeichnet ist).

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