اتصال کوتاه

.

.

فرآیند «کلیدگری مغناطیسی» (مگنتیک سوئیچینگ) نسبتاً جدیدی که به نام اثر ویگاند¹ شناخته می‌شود، پالس‌های خروجی کوتاه‌مدتی با دامنه بزرگ تولید می‌کند، بدون آنکه نیازی به تأمین توان الکتریکی داشته باشد. سادگی سیستم ویگاند یک مزیت اساسی در مقایسه با روش‌های دیگر و پیچیده‌تر به شمار می‌رود. برای تولید پالس‌های خروجی با دامنه‌ای در حد چند ولت، تنها کافی است یک تکه سیم کوتاه و نازک از مقابل یک «هدِ خوانش²» عبور داده شود. دامنه‌ی پالس‌های تولیدشده تقریباً ثابت است و به سرعت حرکت سیم نسبت به هدِ خوانش وابسته نیست.

.

اثر ویگاند: کاربردها و اصول

کاربردها
این اثر کلیدگری مغناطیسی، پیش‌تر، در دهه 1980 میلادی، در سامانه‌های جرقه‌زنی شمع موتور خودروها برای تولید پالس‌های جرقه در لحظه مناسب به کار گرفته شد. یک کاربرد دیگر آن در کنترل دسترسی به مناطق امنیتی و حفاظت‌شده است، که در آن کارت‌های شناسایی با سیم‌های ویگاندِ جاسازی‌شده در آن‌ها به کار می‌روند. به مرور زمان، کاربردهای فراوانِ دیگری برای این اثر پیدا شدند، از جمله در مهندسی پزشکی، اندازه‌گیری جریان الکتریکی، در کارت‌های اعتباری و موارد دیگر. اثر ویگاند به‌ویژه برای استفاده در کلید‌های بدون تماس، نمایشگرها و کلیدهای مجاورتی³ و صفحه‌کلیدها مناسب است.

.

اصول کار
این اثر در نیمه دوم دهه 1970 میلادی توسط جان آر. ویگاند⁴ و همکارش میلتون ولینسکی⁵ ابداع و به کار گرفته شد. به‌طور کلی، این اثر می‌تواند در هر سیمی از جنس مواد فِرّومغناطیس ایجاد شود که خواص مغناطیسی آن بر اثر تغییر شکل‌دادن آن با روش‌های آهنگری سرد (نورد یا فورج سرد) به‌صورت انتخابی تغییر داده شود.

ماده مورد استفاده فعلی از سری آلیاژهای ویکالوی⁶ است که شامل 52% کبالت، 38% آهن و 10% وانادیم می‌باشد. فرآوری این آلیاژ در یک فرآیند خاص باعث می‌شود که ناحیه بیرونی سیم دارای نیروی وادارندگی مغناطیسی⁷ بسیار بیشتری نسبت به هسته داخلی یا مغز سیم باشد.

بنابراین، هسته داخلی سیم از جنس «ماده نرم مغناطیسی⁸» به‌راحتی توسط یک میدان مغناطیسی نسبتاً ضعیف مغناطیسی می‌شود، در حالی که غلاف بیرونی سیم از جنس «ماده سخت مغناطیسی⁹» برای تغییر جهت مغناطیس‌پذیری به میدان بسیار قوی‌تری نیاز دارد.

.

رفتار مغناطیسی

• در نبود میدان مغناطیسی خارجی: در غیاب یک میدان مغناطیسی خارجی، میدان مغناطیسی لایه بیرونی غالب است. خطوط میدان مغناطیسی از هسته سیم عبور کرده و میدان در بیرون سیم بسیار ضعیف است.
• با حضور میدان مغناطیسی خارجی: هنگامی که یک میدان مغناطیسی خارجی در راستای طول سیم اعمال می‌شود، جهت یا قطبیت میدان در هسته مرکزی سیم به‌سرعت تغییر می‌کند، به‌محض اینکه میدان خارجی به مقدار معین H_Set برسد (تصویر 1). در این وضعیت، خطوط میدان مغناطیسی به‌طور کامل در بیرون سیم جریان پیدا می‌کنند.

این تغییر سریع در میدان خارجی توسط یک سیم‌پیچ (هدِ خوانش) قابل شناسایی است. سپس اگر قطبیت میدان خارجی تغییر کند، و در زمان T، زمانی که شدت میدان خارجی به مقدار H_Reset برسد، میدان هسته به جهت اولیه خود بازمی‌گردد.

.

تولید ایمپالس مغناطیسی
اگر یک «سیم‌پیچ خوانشِ تغییرات» با 1000 تا 3000 دور پیچش به دور سیم ویگاند پیچیده شود، واردکردن یک میدان مغناطیسی خارجی تقریباً هیچ ولتاژی در سیم‌پیچ القا نمی‌کند، فارغ از اینکه میدان چگونه تغییر کند. اما اگر میدان در هسته داخلی سیم تغییر جهت دهد، درست پس از اینکه میدان خارجی به مقدار H_Set برسد، یک پالس بزرگ (مطابق تصویر1) ایجاد می‌شود.
اگر میدان خارجی در جهت معکوس به مقدار H_Reset برسد، یک پالس بسیار کوچک‌تر در سیم‌پیچ القا می‌شود.
.

تصویر 1: اثر ویگاند. الف) میدان بیرونی پیرامون سیم ویگاند، ب) تغییر خطوط میدان در سیم ویگاند، پ) ایمپالس القا شده در سیم‌پیچ خوانش

.

سیم‌های ویگاند در اصل عناصر مغناطیسی دوحالته (بی‌استابل) هستند. این سیم‌ها می‌توانند در سیم‌پیچ‌ها پالس‌هایی با مدت‌زمان 20 میکروثانیه و دامنه‌ای حدود 5 ولت روی یک بار با مقاومت 1 کیلواهم تولید کنند. سایر عناصر مغناطیسی دوحالته‌ی شناخته‌شده تنها قادر به تولید پالس‌هایی در محدوده‌ی میلی‌ولت هستند.

.

کاربردهای معمول
در یک سیستم ویگاند، باید یک آهنربای کوچک در نزدیکی سیم ویگاند حرکت کند یا سیم ویگاند در نزدیکی یک آهنربا حرکت داده شود.
در موارد دیگر، ممکن است هم سیم و هم آهنربا ثابت باشند؛ در این شرایط باید یک پوشش مغناطیسی متحرک میان آن‌ها قرار گیرد.

.

تصویر 2: پالس خروجی سیم‌پیچ خوانش هیچ قله‌های مزاحمی ندارد و بنابراین می‌تواند به صورت الکترونیکی مستقیماً و بدون نیاز به مدارهای ضدجهش (debounce) پردازش شود

.

سادگی، یکی از مزایای بزرگ سیستم ویگاند است. برای ساخت یک ژنراتور پالس کامل تنها به یک سیم ویگاند کوتاه، یک سیم‌پیچ دریافت‌کننده و یک یا دو آهنربای دایمی کوچک نیاز است. زمان کلیدگری سریع منجر به تغییر سریع در جریان مغناطیسی و در نتیجه تولید پالس خروجی بزرگی می‌شود.
تصویر 2 پالس معمولی یک سیم‌پیچ دریافت‌کننده ویگاند را نشان می‌دهد. از آنجا که پالس بسیار تمیز است، یعنی عاری از پالس‌ها و قله‌های مزاحم است، می‌توان آن را در بسیاری از کاربردها بدون نیاز به مدارهای تبدیل و اصلاح پالس یا فیلتر، مستقیم برای تحریک و راه‌اندازی تریستورها یا کنترل ترانزیستورهای قدرت استفاده کرد.

قدرت و مدت زمان پالس حاصل‌شده از تغییر قطبیت مغناطیسی، مستقل از سرعت تغییر میدان مغناطیسی خارجی است. این ویژگی باعث جذابیت اثر ویگاند برای مهندسان می‌شود: دیناموهای ساده حرکت‌های چرخشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند، اما توان خروجی آنها به سرعت چرخش محور دینامو بستگی دارد. اگر محور یک دینامو به آرامی بچرخد، سطح توان آن بسیار پایین‌تر از آن است که بتواند مفید باشد. در یک سامانه‌‌ی شامل سیم ویگاند، میزان انرژی الکتریکی که با هر "چرخش" میدان مغناطیسی تولید می‌شود، ثابت می‌ماند، صرف نظر از اینکه میدان مغناطیسی با چه سرعتی تغییر می‌کند.

علاوه بر ویژگی بالا، آزمایش‌ها نشان داده‌اند که اثر ویگاند در بازه‌ی دمایی میان 80- تا 260+ درجه سانتی‌گراد پایدار باقی می‌ماند. بنابراین، در واقع محدودیت‌های محیطیِ افزاره‌های دیگر هستند که مانع و محدودکننده‌ی کاربرد سیم ویگاند در مصارف سخت و محیط‌هایی با شرایط غیرمتعارف می‌شوند.

.

برخی کاربرد های سنسور ویگاند

با محرک‌های ولتاژ متناوب: علاوه بر آهنرباهای دایمی، میدان‌های الکترومغناطیسی تولیدشده توسط جریان متناوب (AC) نیز می‌توانند سیم ویگاند را فعال کنند. گاهی یک سیم‌پیچ به سادگی حول سنسور ویگاند پیچیده شده و جریان متناوب به آن اعمال می‌شود. در طراحی‌های پیشرفته‌تر، از یک آهنربای الکتریکی برای تحریک سنسور استفاده می‌شود.

.

تصویر 3 – کاربرد سیم ویگاند در قفل درب‌های ایمنی که با کارت باز می‌شوند

.

کارت‌های امنیتی: در قفل درب‌های حفاظتی، یک کارت‌خوان میدان مغناطیسی ثابتی ایجاد می‌کند و کاربران کارت‌های مجهز به سیم ویگاند را از داخل آن می‌کشند. سیم‌های ویگاند در دل کارت در دو ردیف چیده شده‌اند؛ یک ردیف حاوی داده‌های باینری «۰» و ردیف دیگر حاوی داده‌های باینری «۱» هستند. با تغییر جهت میدان مغناطیسی در هر سیم، خروجی به صورت سریال و با طرح «خودکلاک⁸»، «۰» یا «۱» تولید می‌شود. سپس داده‌های دیجیتال به یک کنترلر مرکزی ارسال می‌شوند که تصمیم می‌گیرد آیا قفل درب به صورت الکتریکی باز شود یا خیر. قالب این جریان داده، که یک استاندارد ارتباطی برای انتقال داده‌های دیجیتال در سیستم‌های کنترل دسترسی است، «پروتکل ویگاند» نامیده می‌شود که به نام جان ویگاند نامگذاری شده و هنوز هم پس از گذشت نیم قرن در صنعت حفاظت و امنیت به طور گسترده استفاده می‌شود. 

.

سنسور جریان: یک کاربرد دیگر برای سیستم‌های ویگاند، اندازه‌گیری جریان است. همانطور که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، در یک پروپیلر چرخان سیم‌های ویگاند تعبیه شده‌اند که به صورت شعاعی و با همان زاویه نسبت به یکدیگر قرار دارند. یک سنسور از یک سیم‌پیچ در یک بخش ثابت از سنسور جریان قرار دارد، به طوری که با هر بار عبور سیم ویگاند از سیم‌پیچ، پالس‌هایی با دامنه ثابت تولید می‌شود. بنابراین، دنباله پالس‌ها نشان‌دهنده سرعت چرخش عنصر است و سرعت چرخش نیز به نرخ جریان معادل آن مرتبط است .

.

تصویر 4- کاربرد سنسور ویگاند در یک افزاره‌ی اندازه‌گیری شدت جریان سیّال

.

کارت‌های شناسایی: یک کاربرد کاملاً متفاوت برای اثر ویگاند وجود دارد که در آن سیم‌های ویگاند در کارت‌های پلاستیکی کوچک که برای شناسایی استفاده می‌شوند، تعبیه می‌شوند. این کارت‌های پلاستیکی می‌توانند دو ردیف سیم‌های ویگاند داشته باشند (تصویر 5). یک ردیف نمایانگر ارقام باینری 0 و ردیف دیگر نمایانگر ارقام باینری 1 است. وجود هر سیم ویگاند در هر ردیف می‌تواند باعث تولید یک پالس در یک «هد دریافت» شود که از مقابل آن کارت عبور می‌کند. بنابراین، «هد دریافت» یک دنباله از پالس‌های دیجیتال کد شده به صورت باینری تولید می‌کند که با شماره کارت مطابقت دارد و به یک دیکودر الکترونیکی در سیستم حفاظتی ارسال می‌شود.

.

تصویر 5- کارت‌های شناسایی و امنیتی و کارت‌خوان ویگاند

.

جمع‌بندی
اثر ویگاند راه‌حلی عملی برای مشکل تولید پالس‌های تند با دامنه بالا و مقاومت خروجی کم و با کمترین تلاش فراهم می‌آورد. در حال حاضر، پیش‌بینی کامل امکانات آینده اثر ویگاند دشوار است. با این حال، مطمئناً کاربردهای جدیدی برای آن پیدا خواهد شد.

.

تصویر 6- کاربردهای متنوع سیم ویگاند در کار و صنعت

.

اختراعات
اختراعات مربوط به سیستم‌های مبتنی بر اثر ویگاند متعلق به شرکت Echlin Manufacturing Company از ایالت کانکتیکت، آمریکا است. این شرکت به شرکت Robert Bosch GmbH برای کاربردهای خودرویی در سراسر جهان مجوز داده است، به شرکت Colt Industries برای کاربردهای خودرویی در ایالات متحده، به شرکت Emerson Electric برای سنسورهای جریان صنعتی و به شرکت IBM برای کاربردهای سیستم‌های اطلاعاتی مجوز داده است.

.

تصویر 7- سنسورهای اثر ویگاند به شکل های مختلف و برای مصارف متنوع تولید می‌شوند.

.

.

پانویس‌ها:

1- Wiegand Effect

2- Reading Head

3- Proximity Switch

4- John R. Wiegand

5- Milton Velinsky

6- Vicalloy

7- coercive force نیروی خنثی‌کننده ، نیروی مغناطیس‌زدا، نیروی کوئرسیو، میزان میدان مغناطیسی معکوس لازم برای کاهش مغناطش یک ماده‌ی فرومغناطیس به صفر است. به عبارت دیگر، نیروی وادارندگی نشان‌دهنده‌ی مقاومت یک ماده در برابر از دست دادن خاصیت مغناطیسی خود است.

8- self-clocking

.

.

مطالب مرتبط:

پتانسیل‌های عظیم سیم جادویی ویگاند

.

.

.