Magneto-Sensorik: GMR erobert die Schaltungstechnik

Zwar spielt der GMR-Effekt (Giant Magneto Resistance) bei der Herstellung von Dünnschicht-Leseköpfen für Computer-Festplatten längst keine Rolle mehr, dafür greifen die Entwickler von Elektronik und Sensor-Technik verstärkt auf das hochempfindlich auf Änderungen des Magnetfeldes reagierende Bauelement zu.

Zwar spielt der GMR-Effekt (Giant Magneto Resistance) bei der Herstellung von Dünnschicht-Leseköpfen für Computer-Festplatten längst keine Rolle mehr, dafür greifen die Entwickler von Elektronik und Sensor-Technik verstärkt auf das hochempfindlich auf Änderungen des Magnetfeldes reagierende Bauelement zu.

GMR-Elemente eignen sich wegen ihrer hohen Empfindlichkeit auch für die Realisierung einer galvanischen Trennung als Ersatz für einen Transformator oder einen Optokoppler. Das im Städtchen Eden Prairie südwestlich Minneapolis (Minnesota) im „mittleren Westen“ der USA angesiedelte Unternehmen NVE Corporation (www.nve.com) arbeitet bereits seit 1994 an elektronischen Bauelementen, die den MR- bzw. GMR-Effekt nutzen. Die in Dünnschicht-Technologie erstellten magnetischen Schichten reagieren mit einer drastischen Widerstandsänderung auf geringe Änderungen eines Magnetfeldes. Der Aufbau eines elektronischen Bausteins ist denkbar einfach: Der Primärstrom erzeugt über eine Spule ein Magnetfeld, dessen Änderungen von einer GMR-Wheatstone-Brücke erfasst werden. Die Spannungsdifferenz an der Brücke wird schließlich von einem Operationsverstärker auf den erforderlichen Pegel gebracht.

Wegen der hohen Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors kann die Induktivität der Koppelspule sehr klein gehalten werden; sie lässt sich daher in Dünnschicht-Technologie fertigen. Zudem ist die Grenzfrequenz der Übertragung, anders als bei einem transformatorischen Übertrager, nicht durch magnetische Verluste beschränkt, die maximale Übertragungsfrequenz der GMR-Übertrager von NVE reicht heute bis 150 MHz. Die Schaltung selbst ist natürlich höchst empfindlich gegenüber äußeren Magnetfeldern, daher ist eine magnetische Abschirmung unerlässlich. Nach Angaben von NVE ist diese aber so effizient, dass die vorgebenen EMV-Grenzwerte nahezu um das Siebenfache übertroffen werden. Als neuestes Bauelement bietet das Unternehmen unter der Bezeichnung IL3685 einen GMRKoppelbaustein an, der speziell als Optokoppler-Ersatz für die auf dem RS-485-Standard basierende Profibus-Schnittstelle gedacht ist. RS 485 definiert eine bidirektionale Datenübertragung, bei der Profibus-Spezifikation liegt die Datenübertragungsrate bei 12 Mbit/s. Der neue Baustein erreicht Datenübertragungsraten bis 40 Mbit/s und erfüllt alle Anforderungen der Profibus-Spezifikation. Die Eingänge verarbeiten 3,3- und 5-VSignale gleichermaßen. Die Isolationsstrecke widersteht für eine Minute einer angelegten Wechselspannung von 2500 V und Transienten mit einem Anstieg von 20 kV/μs. Zudem sind in dem 16-Pin-SOICGehäuse (Small Outline Integrated Circuit) Schutzschaltungen für thermische Überlast und Strombegrenzung integriert.

Auch die Firma Sensitec (www.sensitec.com) gehört nach eigenen Angaben zu den „Pionieren der GMR-Technologie“ und liefert heute MR-Sensoren für Winkel-, Längen- und Positionsmessung sowie die Bestimmung von Magnetfeldern und Strömen. Mit den neuen Sensoren CDS400 bietet das Unternehmen nun ein Bauteil für den Elektronik-Entwickler, mit dem sich Wechselströme bis 100 kHz sowie Impulse und Gleichströme potentialfrei messen lassen. Die Reaktionszeit auf Impulse liegt unterhalb von 0,1 μs. Der Hersteller bietet Strom-Sensoren dieser Bauart für maximale Stromstärken zwischen 3 und 150 A an. Die Bauelemente können dabei bis zum Dreifachen des Nennwertes überlastet werden, ohne dass sie Schaden erleiden. Der 150-A-Baustein „verarbeitet“ mithin in einem Volumen von 4,5 cm³ Ströme bis 450 A.

Die Schaltung des Strom-Sensors zeigt Bild 1. Über dem stromtragenden Leiter ist eine Wheatstone-Messbrücke aus vier magnetoresistiven Widerständen angebracht; die Brückenspannung wird einem Differenzverstärker zugeführt. Dieser ist Bestandteil eines anwendungsspezifischen Schaltkreises (ASIC), mit dem der Messaufbau zusätzlich linearisiert wird. Dazu speist dieser in der Rückführung eine zusätzliche Leiterschleife, die parallel zu den MR-Widerständen geführt wird. Das dort erzeugte Magnetfeld überlagert sich mit dem Magnetfeld des Messstroms, so lässt sich der Messwert bereits am Sensor selbst korrigieren. Für eine Vereinfachung der Beschaltung wird am ASIC eine Referenzspannung ausgegeben, auf die das Messsignal bezogen werden kann. Das Sensor-Element zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit, eine geringe Temperaturdrift und eine kleine Hysterese aus. Die Stromaufnahme für die Versorgung der Brückenschaltung und des ASIC beträgt bei dem 150-A-Sensor rund 50 mA.

Baumer (www.baumerelectric.com), ein Schweizer Hersteller von Industrie-Sensoren, nutzt den magnetoresistiven Effekt zur Realisierung von Winkelmess-Sensoren, die unter der Bezeichnung MDRM/MDFM neu auf dem Markt sind. Ein Sensor besteht aus einem Stator und einem Rotor (Bild 2). Dabei wird das Rotorelement in einem festen Abstand frei vor dem Stator gedreht, es sind also keine Lager oder Kupplungen erforderlich. So können Drehachsen ohne weiteres mit einer Drehzahl- oder Winkelmessung ausgestattet werden. Im Gegensatz zu potentiometrischen Sensoren ist eine totzonenfreie Bestimmung des Drehwinkels im Vollkreis möglich. Die neuen Sensoren sind in zylindrischen und quaderförmigen Gehäusen erhältlich.

Die mit dem magnetoresistiven Prinzip arbeitenden Sensoren sind praktisch wartungsfrei, auch in einem schwierigen Umfeld unter Einfluss von Staub, Fasern oder Feuchtigkeit. Die 8-bit-Version eignet sich für die einfache Winkelbestimmung in grob dimensionierten Anwendungen. Für höhere Ansprüche bietet der Hersteller eine 12-bit-Ausführung, die eine maximale Auflösung von 0,09° erreicht. jw

Siehe auch:

Distanzen sicher messen mit magnetoresistiven Sensoren