Wie sich Schnittstellen mit GMR-Technik galvanisch zuverlässig entkoppeln lassen

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Ein vielversprechender neuer Ansatz: der GMR-Effekt

Aufbau eines GMR-Kopplers: Die „Primärseite“ besteht aus einer in den Chipintegrierten Spule, deren Erregerstrom den Leitwert der magnetfeldsensitiven Widerstände der Sekundärseite steuert, der integrierte Schaltverstärker setzt die Änderung des Widerstandswertes in eine logische 1 bzw. 0 um (Archiv: Vogel Business Media)

Ein magnetoresistiver Quanteneffekt neueren Datums ist dagegen recht interessant: GMR, der Giant Magnetoresistive Resistor (GMR = Riesenmagnetwiderstand). Hier steigt der Widerstand nanokristalliner Schichten, wenn diese gegenläufig magnetisiert werden und sinkt, wenn sie gleichsinnig magnetisiert werden. Es handelt sich um eine nanotechnische Anwendung von sogenannter „Spintronik“, bei der nicht die elektrische Ladung der Elektronen relevant ist, sondern ihre Orientierung (Spin).

Entdeckt wurde dieser Effekt erst 1988 unabhängig voneinander von den beiden Forschern Peter Grünberg vom Forschungszentrum Jülich und Albert Fert von der Universität Paris-Süd. Dies brachte ihnen 2007 den Nobelpreis für Physik ein. Bekannt ist GMR hauptsächlich durch die heute bei Festplatten verwendeten Leseköpfe, die enorm hohe Speicherdichten ermöglichen, doch kann GMR-Technologie ebenso in Magnetsensoren und eben Datenkopplern verwendet werden, wie sie das US-Unternehmen NVE (Non Volatile Electronics, deutscher Exklusiv-Vertrieb: HY-LINE) unter dem Markennamen „Isoloop“ anbietet.

Bis zu fünf Kopplerkanäle finden Platz in einem MSOP-Gehäuse

Die Aufbaustruktur galvanisch getrennter Logikschaltungen zeigt Parallelen zu denen von standardmäßigen Siliziumschaltkreisen: Dieser Koppleraufbau eignet sich zur Herstellung eines breiten Produktspektrums mit potenzialgetrennten Standard-Logikfunktionen (Archiv: Vogel Business Media)

In diesen Bausteinen sind als Einzel- und Doppelkoppler GMR-Elemente, Steuerspulen und Elektronik im bislang kleinsten Format (MSOP-Gehäuse) eines isolierenden Datenkopplers verbaut, in nur wenig größeren Gehäusen sind bis zu fünf Kopplerkanäle verbaut.

Der Firmenname NVE – Non Volatile Electronics – spielt übrigens auf eine eher unerwartete Eigenschaft der Bausteine an: Da es sich nicht um elektrische, sondern um magnetische Effekte handelt, bleibt der Schaltzustand des Kopplers auch nach einem Stromausfall erhalten und kehrt in denselben Zustand zurück, wenn die Stromversorgung wiederkehrt.

Die GMRs sind in den Isoloop-Kopplern als Wheatstone-Brücke geschaltet, wodurch Fehlfunktionen durch Drift und Fremdfelder vermieden werden. Es gibt unterschiedliche Isolatorbaureihen, so sind NVE IL5xx und IL6xx pegel- und IL7xx flankengesteuert. IL6xx verzichten dabei auf der Eingangsseite auf Logikschaltungen: Die Magnetspule ist hier direkt ansteuerbar. Dies ermöglicht besonders hohe Übertragungsgeschwindigkeiten, Steuerung durch strom- statt spannungsliefernde Quellen und den direkten Ersatz von Optokopplern, deren Sendedioden ja ebenfalls stromgesteuert sind. Somit sind bei den IL6xx mit entsprechender Dimensionierung des Vorwiderstands auch Steuerspannungen von weniger als einem bis zu einigen 100 V oder die Steuerung mit schwebenden Differenzspannungen möglich.

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