اتصال کوتاه

.

.

.

اثر ویگاند¹ چیست؟

اثر ویگاند از پالس‌های ناشی از تغییرات میدان مغناطیسی خارجی برای برداشت انرژی استفاده می‌کند. سازندگان از سال ۲۰۰۵ از این اثر بهره گرفته‌اند تا باتری‌های پردردسر یا سامانه‌های نوری حجیم و پرهزینه در «رمزگرهای مغناطیسی  چنددَوَرانی²»  را حذف کند. اما این اثر چیست؟

.

سیمی با خواص فرومغناطیسی استثنایی

قلب سیستم ویگاند، سیمی نازک به ضخامت مو از جنس آلیاژ «ویکالوی³» است. این سیم با طولی در حدود ۱۵ میلی‌متر، به عنوان هسته، در دل یک سیم‌پیچ مسی ظریف جاگذاری شده است. این سیم، به‌دلیل ترکیب لایه‌های سخت و نرم مغناطیسی در هسته و پوسته‌ی خود، از ویژگی‌های فرومغناطیسی منحصربه‌فردی برخوردار است. در رمزگرها، هر بار که این سیم توسط میدان یک آهنربای دایمیِ در حال چرخش روی یک محور چرخان (مثلاً شفت یک موتور)، مغناطیسی می‌شود، یا به عبارت دقیق دچار «واگردانی مغناطش»⁴ می‌شود، یک پالس ایجاد می‌گردد که در سیم‌پیچ دور آن به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. انرژی تولیدشده (۱۹۰ نانوژول) برای تغذیه و فعال‌سازی مداوم مدار الکترونیک مرتبط با رمزگر شامل یک شمارشگر و ثبّات دقیق حرکات شفت حتی در حالت بدون جریان کافی است. سنسورهای ویگاند حتی در کندترین سرعت‌های چرخش نیز پالس‌های انرژی قابل اطمینانی تولید می‌کنند.

.

.

در سال‌های اخیر، فن‌آوری ویگاند تأثیر فزاینده‌ای بر سازندگان رمزگرهای دورانی و سنسورهای شیب، از جمله شرکت «پوزیتال⁵» گذاشته است. در اوایل سال ۲۰۱۴، واحد فن‌آوری ویگاند در مرکز تحقیق و توسعه آخن در آلمان آغاز به کار کرد. در این مرکز، سیم‌های ویگاند با استفاده از فرآیند تولید پیچیده‌ای شامل شکل‌دهی سرد (فورج سرد) و آنیلینگ (تِمپِرن)⁶ بر اساس ماشین‌آلات اصلی و فرمول‌ها و دستورالعمل‌های جان ویگاند، مخترع آمریکایی این فن‌آوری، ساخته می‌شوند. همزمان، یک خط تولید خودکار برای ساخت سنسورهای ویگاند به صورت افزاره‌هایی برای مونتاژ به صورت نصب سطحی SMD راه‌اندازی شد.

.

.

انتقال بی‌سیم انرژی

با پشتوانه‌ی نصب میلیون‌ها سنسور ویگاند در سراسر جهان، تولیدکنندگان دست به یک ابتکار گسترده برای کشف کاربردهای جدید این «سیم جادویی» زده‌اند. تمرکز این اقدامات علاوه بر برداشت انرژی، بر تولید سیگنال و انتقال بی‌سیم انرژی الکتریکی نیز قرار دارد. در این راستا، با حمایت وزارت فدرال آموزش و پژوهش آلمان (BMBF)، دو پروژه‌ی پژوهشی پیشگامانه در اوایل سال ۲۰۲۰ با بودجه هر کدام حدود یک میلیون یورو آغاز شد.

.

.

 اهداف کلیدی پروژه‌ها:

۱. بهبود فن‌آوری ویگاند: افزایش بهره‌وری در تبدیل انرژی مغناطیسی به الکتریکی.

۲. کاربردهای نوین:

   - توسعه سامانه‌های تأمین انرژی بدون سیم برای حسگرها در محیط‌های صنعتی.

   - یکپارچه‌سازی فن‌آوری ویگاند در شبکه‌های اینترنت اشیا (IoT).

۳. کاهش وابستگی به باتری: ایجاد راهکارهای پایدار برای دستگاه‌های خودکار.

.

 چشم‌انداز آینده:

این پروژه‌ها می‌توانند زمینه‌ساز تحول در صنایعی مانند اتوماسیون صنعتی، رباتیک و سامانه‎های نظارت هوشمند شوند، جایی که نیاز به انتقال مطمئن انرژی و داده‌ها به‌صورت بی‌سیم حیاتی و تعیین‌کننده است.

.

سوئیچ‌های مجاورتی برای محیط‌های انفجاری

این دو پروژه‌ی تحقیق و توسعه با راه‌اندازی واحد کسب‌وکار اوبیتو (Ubito) در سال ۲۰۲۱ مرتبط هستند که فعالیت‌های مرتبط با اثر ویگاند در شرکت پوزیتال را در قالب یک پرژه‌ی چندوجهی متمرکز کرده و بر حوزه‌های جدیدتر نیز تمرکز دارد. یکی از دستاوردهای پیشرفته، استفاده از سنسورهای ویگاند به‌عنوان کلیدهای مجاورتی⁷ ذاتاً ایمن برای نظارت بر اجسام آهنی یا فولادی در محیط‌های انفجاری (Ex) مانند معادن، پالایشگاه‌ها، پمپ‌بنزین‌ها، واحدهای شیمی و پتروشیمی ووو است. در این کاربرد، برداشت انرژی موضوع اصلی نیست، بلکه تمرکز بر پالس جریان ناشی از تغییر قطبیت در سنسور است که با نزدیک شدن اجسام به محدوده خطر، سیگنالی به سامانه‌ی کنترل ارسال می‌کند.

.

 مزایای کلیدی سنسورهای ویگاند در این کاربرد: 

- عدم نیاز به منبع تغذیه خارجی: سنسورها به‌طور کامل خودکفا هستند. 

- حذف جرقه و اضافه‌ولتاژ: ایمنی ذاتی در محیط‌های انفجاری. 

- پاسخ سریع و قابل اطمینان: تشخیص دقیق نزدیک‌شدن اجسام فلزی. 

.

 پروژه‌های مرتبط با واحد اوبیتو: 

۱. بهینه‌سازی سنسورها: 

   - افزایش مقاومت مکانیکی و محیطی سنسورهای ویگاند. 

   - اتوماسیون بیشتر فرآیند تولید برای کاهش هزینه‌ها. 

۲. افزایش بازده انرژی: 

   - تأمین انرژی مورد نیاز برای ارتباط بی‌سیم سنسورها در سامانه‌های IIoT (اینترنت اشیا صنعتی). 

   - استفاده از فن‌آوری‌های کم‌مصرف مانند میکروکنترلرهای پیشرفته و پروتکل‌های نوین بی‌سیم. 

   - توسعه نمونه‌های اولیه سنسورهای IIoT خودکفا که بدون نیاز به باتری یا منبع خارجی کار می‌کنند. 

این پیشرفت‌ها، سنسورهای ویگاند را به گزینه‌ای ایده‌آل برای محیط‌های حساس نظیر صنایع نفت، گاز و شیمیایی تبدیل می‌کند که ایمنی و قابلیت اطمینان از اولویت‌های حیاتی آن‌ها هستند.

.

چشم‌اندازهای آینده: شارژ بی‌سیم کم‌فرکانس و انتقال انرژی بدون شکافتن پوست و بافت‌ها برای شارژ باتری در دستگاه‌های پزشکی کاشتنی در بدن انسان. 

از موضوعات پیشرو در این حوزه، شارژ بی‌سیم کم‌فرکانس و انتقال انرژی از طریق پوست (ترانسکوتان)⁸ برای دستگاه‌های پزشکی کاشتنی مانند ضربان‌سازهای قلبی است. سنسورهای ویگاند در ترکیب با میدان‌های الکترومغناطیسی کم‌فرکانس می‌توانند انرژی مورد نیاز برای سامانه‌های کم‌مصرف را در محیط‌هایی که انتقال فرکانس بالا (مثل وایفای یا بلوتوث) امکان‌پذیر نیست، تأمین کنند. 

.

 نمونه کاربردی:

پالس‌های تولیدشده توسط سنسور ویگاند می‌توانند به‌عنوان منبع جریان برای شارژ باتری ضربان‌سازهای قلبی از طریق پوست (بدون نیاز به جراحی یا سیم) استفاده شوند. این فن‌آوری با بهره‌گیری از میدان‌های کم‌فرکانس، خطرات ناشی از گرمایش بافتی (مشکل رایج در انتقال انرژی فرکانس بالا) را حذف می‌کند.

.

 مزایای کلیدی: 

- ایمنی بالا: مناسب برای دستگاه‌های حساس پزشکی. 

- کم‌فرکانس: کاهش تداخل با سایر سامانه‌های الکترونیکی. 

- سازگاری با محیط‌های چالش‌برانگیز: مانند داخل بدن انسان یا فضای صنعتی پرنویز. 

.

این نوآوری‌ها نشاندهنده پتانسیل بالای فن‌آوری ویگاند در پزشکی هوشمند و صنایع پیشرفته است.

.

.

مطالب مرتبط:

.

.

پانویس‌ها:

1- Wiegand Effect

2- Magnetic Multi-Turn Encoder

3- VICALLOY، آلیاژی شامل 52% کبالت، 38% آهن و 10% وانادیم

4- Magnetization Reversal

5- Posital GmbH

6- Annealing یا Tempering یک نوع عملیات حرارتی تنش‌زدا برای بهبود خواص مکانیکی فلزات است.

7- Proximity Switch

8-Transcutaneous Energy  Transfer System، در خصوص این فن‌آوری، علاقه‌مندان می‌توانند این مقاله را در کانال تلگرام «اتصال کوتاه - کتاب، مقاله و بیش‌تر» بخوانند.

.

.

.