إذا زرتَ مصنعًا حديثًا ولاحظتَ روعة الإلكترونيات أثناء عملها في خلية تجميع، فسترى مجموعة متنوعة من المستشعرات معروضة. معظم هذه المستشعرات مزودة بأسلاك منفصلة لإمداد الجهد الموجب، والتأريض، والإشارة. يُمكّن توصيل الطاقة المستشعر من أداء وظيفته، سواءً كان ذلك برصد وجود معادن مغناطيسية قريبة أو إرسال شعاع ضوئي كجزء من نظام أمان المنشأة. المفاتيح الميكانيكية البسيطة التي تُشغّل هذه المستشعرات، مثل مفتاح القصب، لا تحتاج إلا إلى سلكين لأداء وظيفتها. تُفعّل هذه المفاتيح باستخدام المجالات المغناطيسية.
ما هو مفتاح القصب؟
وُلِد مفتاح القصب في عام 1936. وكان من بنات أفكار WB Ellwood في مختبرات Bell Telephone، وحصل على براءة اختراعه في عام 1941. ويبدو المفتاح مثل كبسولة زجاجية صغيرة تخرج من كل طرف أسلاك كهربائية.
كيف يعمل مفتاح القصب؟
تتكون آلية التبديل من شفرتين مغناطيسيتين حديديتين، يفصل بينهما بضعة ميكرونات فقط. عندما يقترب مغناطيس من هاتين الشفرتين، تجذبهما إحداهما الأخرى. بمجرد تلامسهما، تُغلق الشفرتان نقاط التلامس المفتوحة عادةً (NO)، مما يسمح بتدفق الكهرباء. تحتوي بعض مفاتيح القصب أيضًا على نقطة تلامس غير مغناطيسية حديدية، تُشكل خرجًا مغلقًا عادةً (NC). سيؤدي اقتراب المغناطيس إلى فصل نقطة التلامس وسحبها بعيدًا عن نقطة التلامس.
تُصنع نقاط التلامس من معادن متنوعة، منها التنغستن والروديوم. حتى أن بعض الأنواع تستخدم الزئبق، الذي يجب الحفاظ عليه في الاتجاه الصحيح للتبديل بشكل صحيح. يُحكم غلاف زجاجي مملوء بغاز خامل - عادةً النيتروجين - إغلاق نقاط التلامس عند ضغط داخلي أقل من ضغط جوي واحد. يُعزل هذا العزل نقاط التلامس، مما يمنع التآكل وأي شرارات قد تنتج عن حركة نقطة التلامس.
تطبيقات مفتاح القصب في العالم الحقيقي
ستجد أجهزة الاستشعار في الأدوات اليومية كالسيارات والغسالات، ولكن من أبرز استخداماتها أجهزة إنذار السرقة. في الواقع، تُعد أجهزة الإنذار تطبيقًا مثاليًا لهذه التقنية. تحتوي نافذة أو باب متحرك على مغناطيس، ويستقر المستشعر على قاعدته، ويرسل إشارة حتى إزالة المغناطيس. عند فتح النافذة، أو في حال قطع أحدهم السلك، سينطلق صوت الإنذار.
في حين أن أجهزة إنذار السرقة تُعد استخدامًا ممتازًا لمفاتيح القصب، إلا أن هذه الأجهزة يمكن أن تكون أصغر حجمًا. يُمكن وضع مفتاح مُصغّر داخل الأجهزة الطبية التي تُبلع، والمعروفة باسم "كاميرات الحبوب". بمجرد أن يبتلع المريض المسبار الصغير، يُمكن للطبيب تنشيطه باستخدام مغناطيس خارج الجسم. يُوفر هذا التأخير الطاقة حتى يتم وضع المسبار بشكل صحيح، مما يعني أن البطاريات المُدمجة يُمكن أن تكون أصغر حجمًا، وهي ميزة أساسية في جهاز مُصمم للتنقل عبر الجهاز الهضمي للإنسان. إلى جانب صغر حجمه، يُظهر هذا التطبيق أيضًا مدى حساسيته، حيث يُمكن لهذه المستشعرات التقاط المجال المغناطيسي عبر لحم الإنسان.
لا تتطلب مفاتيح القصب مغناطيسًا دائمًا لتشغيلها؛ إذ يُمكن تشغيلها بمرحّل كهرومغناطيسي. منذ أن طورت مختبرات بيل هذه المفاتيح في البداية، لم يكن من المُستغرب أن يستخدم قطاع الهاتف مرحلات القصب للتحكم ووظائف الذاكرة حتى تحول كل شيء إلى النظام الرقمي في تسعينيات القرن الماضي. لم يعد هذا النوع من المرحلات يُشكل العمود الفقري لنظام الاتصالات لدينا، ولكنه لا يزال شائعًا في العديد من التطبيقات الأخرى اليوم.
مزايا مرحلات القصب
مستشعر تأثير هول هو جهاز ذو حالة صلبة قادر على اكتشاف المجالات المغناطيسية، وهو بديل لمفتاح القصب. تأثيرات هول مناسبة بالتأكيد لبعض التطبيقات، إلا أن مفاتيح القصب تتميز بعزل كهربائي أفضل من نظيراتها ذات الحالة الصلبة، وتواجه مقاومة كهربائية أقل بفضل نقاط التلامس المغلقة. إضافةً إلى ذلك، يمكن لمفاتيح القصب العمل مع مجموعة متنوعة من الفولتية والأحمال والترددات، حيث يعمل المفتاح ببساطة كسلك متصل أو منفصل. كبديل، ستحتاج إلى دوائر كهربائية داعمة لتمكين مستشعرات هول من أداء وظيفتها.
تتميز مفاتيح القصب بموثوقية عالية جدًا مقارنةً بالمفاتيح الميكانيكية، وهي قادرة على العمل لمليارات الدورات قبل أن تتعطل. بالإضافة إلى ذلك، وبفضل تصميمها المُحكم، يُمكنها العمل في بيئات متفجرة حيث قد تُسبب الشرارة عواقب وخيمة. قد تكون مفاتيح القصب تقنية قديمة، لكنها لا تزال في طور الاكتمال. يُمكنك تركيب عبوات تحتوي على مفاتيح قصب على لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) باستخدام آلات التقاط ووضع آلية.
قد يتطلب مشروعك القادم مجموعة متنوعة من الدوائر المتكاملة والمكونات، والتي ظهرت جميعها لأول مرة في السنوات القليلة الماضية، ولكن لا تنسَ مفتاح القصب البسيط. فهو يُكمل وظيفته الأساسية في التبديل بطريقة بسيطة ورائعة. بعد أكثر من 80 عامًا من الاستخدام والتطوير، يمكنك الاعتماد على تصميم مفتاح القصب المُجرّب والفعال ليعمل بثبات.
وقت النشر: ٢٢ أبريل ٢٠٢٤