پیشگفتار:
پیشتر در این نوشته به تعریف قطعه الکترونیکی پرداختیم و سپس در مطلب تفاوت بین قطعات اکتیو و قطعات پسیو گفته شد که قطعات الکترونیکی به سه گروه تقسیم می‌شوند: قطعات اکتیو، قطعات پسیو و قطعات الکترومکانیکی. در این نوشتار تلاش بر این است که به تعریف قطعات الکترومکانیکی بپردازیم، اینکه چه هستند و کمی هم از وضعیت آنها در گذشته و حال بگوییم. انشاءالله در مطلبی دیگر به بررسی انواع قطعات الکترومکانیکی نیز خواهیم پرداخت. گفتنی است که برای خرید قطعات الکترومکانیکی از فروشگاه کهرنیک با قیمت مناسب می‌توانید به دسته محصولات با نام "الکترومکانیکی" مراجعه نمایید.
علم الکترومکانیک چیست؟
پیش از بررسی این مطلب که قطعات الکترومکانیکی چه هستند، بیایید کمی با واژه یا بهتر بگویم علم الکترومکانیک آشنا شویم. الکترومکانیک فرآیندها و رویه‌های برگرفته از مهندسی برق و مهندسی مکانیک را ترکیب می‌کند. این حوزه از علم بر برهم‌کنش سیستم‌های الکتریکی و مکانیکی به‌عنوان یک کل و نحوه تعامل این دو سیستم با یکدیگر تمرکز دارد. در واقع الکترومکانیک رشته‌ای است که اصول برق و مکانیک را برای طراحی، ساخت و نگهداری سیستم‌ها و دستگاه‌هایی که هم از اجزای الکتریکی و هم مکانیکی استفاده می‌کنند، ترکیب می‌کند.
اهمیت این حوزه به‌ویژه در مورد برخی سیستم‌ها برجسته می‌باشد، مانند ماشین‌های الکتریکی دوار DC یا AC که می‌توانند برای تولید برق از یک فرآیند مکانیکی، طراحی و به کار گرفته شوند (که در این حالت به آن ژنراتور گویند) یا برای تولید یک اثر مکانیکی از برق استفاده شوند (که در این حالت به آن موتور الکتریکی گویند). مهندسی برق در این بحث (حوزه علم الکترومکانیک) مهندسی الکترونیک را نیز در بر می‌گیرد.
قطعات الکترومکانیکی چه هستند؟
حال که با تعریف علم الکترومکانیک کمی آشنا شدیم به تعریف قطعات الکترومکانیکی بپردازیم. پیش از آن ذکر این نکته لازم است که در طول این متن شما با عبارت‌های قطعات الکترومکانیکی، دستگاه‌های الکترومکانیکی و یا سیستم‌های الکترومکانیکی مواجه می‌شوید و شاید این سوال برای شما پیش آید که مگر این نوشتار به تعریف قطعات الکترومکانیکی اختصاص ندارد؟ در این نوشته برای ما فرقی نمی‌کند آنچه که الکترومکانیکی است یه قطعه ساده است یا یک سیستم پیچیده! تلاش این متن صرفا توضیح این موضوع است که الکترومکانیکی یعنی چه.
قطعات الکترومکانیکی قطعاتی هستند که دارای فرآیندهای الکتریکی و مکانیکی (هر دو با هم) می‌باشند (هم اتفاقات الکتریکی در آنها رخ می‌دهد و هم مکانیکی). برای مثال، یک سوئیچ دستی یک قطعه الکترومکانیکی است که حرکتی مکانیکی (مثلا زدن کلید سوئیچ) منجر به خروجی‌ای الکتریکی (وصل شدن جریان برق) می‌شود.
این اصطلاح قطعات یا دستگاه‌ها یا سیستم‌های الکترومکانیکی معمولاً به قطعات یا دستگاه‌ها یا سیستم‌هایی اشاره دارد که در آنها سیگنالی الکتریکی برای ایجاد حرکتی مکانیکی یا برعکس، حرکتی مکانیکی برای ایجاد سیگنالی الکتریکی استفاده می‌شوند.
اغلب این قطعات شامل اصول الکترومغناطیسی می‌شوند. موتورها نمونه بارز این مطلب هستند که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی چرخشی یا خطی تبدیل می‌کنند. آنها معمولاً از جریان الکتریکی برای ایجاد میدان مغناطیسی استفاده می‌کنند که این میدان در ادامه باعث ایجاد حرکت فیزیکی (مکانیکی) می‌شود.
رله‌ها مثالی دیگر هستند، که به یک ولتاژ یا جریان اجازه می‌دهند تا ولتاژ یا جریان دیگری را با سوئیچینگ مکانیکی مجموعه‌‌ای از کنتاکت‌ها کنترل کند که این سوئیچینگ مکانیکی با استفاده از آهنربای الکتریکی (موجود در ساختار داخل رله) رخ می‌دهد. یا به‌عنوان نمونه‌ای دیگر (از قطعات الکترومکانیکی که اصول الکترومغناطیسی را در بر می‌گیرد) می‌توان از سلونوئید نام برد که به‌وسیله آن یک ولتاژ می‌تواند یک رابط مکانیکی را به حرکت درآورد که همین اتفاق در شیرهای برقی رخ می‌دهد.
سوئیچ: یکی از قطعات الکترومکانیکی
رله: یکی از قطعات الکترومکانیکی
از وسایل الکترومکانیکی‌ای که از اصول الکترومغناطیسی استفاده نمی‌کنند، دستگاه‌های پیزوالکتریک می‌باشند. دستگاه‌های پیزوالکتریک می‌توانند یک سیگنال الکتریکی را به‌عنوان ورودی دریافت کرده و متناسب با شدت این سیگنال ورودی در خروجی خود صدا یا ارتعاش (اثری مکانیکی) ایجاد کنند (برای مثال اسپیکر) یا برعکس، با حس کردن صدا یا ارتعاش مکانیکی، سیگنالی الکتریکی ایجاد نمایند (برای مثال میکروفون).
قبل از توسعه الکترونیک مدرن، دستگاه‌های الکترومکانیکی به‌طور گسترده در زیرسیستم‌های پیچیده دستگاه‌ها استفاده می‌شدند. برای مثال: ماشین‌های تحریر الکتریکی، تله‌پرینتر، ساعت‌ها، سیستم‌های تلویزیون اولیه و کامپیوترهای دیجیتال الکترومکانیکی اولیه. اما امروزه الکترونیک حالت جامد در بسیاری از کاربردها جایگزین الکترومکانیک شده است.
برای درک این مطلب که الکترونیک حالت جامد چیست به مقاله "منظور از الکترونیک حالت جامد چیست؟" در بخش مقالات سایت کهرنیک مراجعه کنید. نکته اینکه بر مبنای آن می‌توان نیاز به حرکت (یعنی بخش مکانیکی) را حذف کرد. به همین خاطر ممکن است در زمان خرید مثلا رله هم با رله معمولی که ساختاری الکترومکانیکی دارد مواجه شوید و همه رله حالت جامد که دیگر قطعه‌ای الکترومکانیکی نیست چون بخش متحرک ندارد.
طبقه‌بندی سیستم‌های الکترومکانیکی
در حالت کلی سیستم‌های الکترومکانیکی را می‌توان این‌گونه طبقه‌بندی کرد:
- سیستم‌های الکترومکانیکی معمولی
- سیستم‌های الکترومکانیکی در مقیاس کوچک (میکرو)
اصول عملیاتی و پایه‌های اساسی سیستم‌های الکترومکانیکی معمولی و میکرو یکسان یا مشابه هستند. فیزیک و تجزیه‌وتحلیل کلی دستگاه براساس علم الکترومغناطیس و مکانیک کلاسیک است. اما تکنولوژی‌های ساخت (از جمله فرآیندها و مواد مورد استفاده) می‌تواند عمیقا متفاوت باشد. احتمالا با سیستم‌های الکترومکانیکی معمولی آشنایی دارید مثل موتورها، ژنراتورها و غیره. لذا در ادامه کمی در مورد سیستم‌های الکترومکانیکی در مقیاس کوچک که شاید با آن برخورد نداشته‌اید صحبت خواهیم کرد.
سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS):
سیستم‌های الکترومکانیکی در مقیاس کوچک یا عنوانی که معمولا برای آنها استفاده می‌شود یعنی سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (Microelectromechanical systems: MEMS) ریشه در انقلاب سیلیکونی دارند که این انقلاب به دو اختراع نیمه‌رسانای سیلیکونی مهم اشاره دارد: اولی اختراع تراشه مدار مجتمع یکپارچه (اختراع آی‌سی) توسط رابرت نویس در Fairchild Semiconductor در سال 1959 و دومی اختراع ترانزیستور اثر میدانی نیم‌رسانا اکسید-فلز (MOSFET) بین سال‌های 1955 تا 1960 در آزمایشگاه‌های بل.
همان‌طور که احتمالا می‌دانید، در داخل آی‌سی‌ها تعداد بسیار زیادی ترانزیستور وجود دارد. یافتن روش‌های ساختی که باعث کوچک‌سازی ماسفت‌های مورد استفاده در تراشه‌های آی‌سی شود باعث کوچک شدن خود آی‌سی‌ها و در نتیجه، منجر به کوچک‌سازی وسایل الکترونیکی گشت، که این خود پایه‌‌ای شد برای کوچک‌سازی سیستم‌های مکانیکی (یا بهتر بگوییم الکترومکانیکی) که با توسعه فناوری ریزماشین‌کاری مبتنی‌بر دستگاه‌های نیمه‌رسانای سیلیکونی محقق گردید.
در واقع مهندسان متوجه شده بودند که با استفاده از تراشه‌های سیلیکونی و ماسفت‌ها می‌توان با محیط اطراف تعامل و ارتباط برقرار کرد و چیزهایی مانند مواد شیمیایی، حرکات و نور را پردازش نمود. یکی از اولین حسگرهای فشار (یک قطعه الکترومکانیکی) سیلیکونی توسط Honeywell در سال 1962 در ابعادی کوچک تولید شد.
میکروفون‌های MEMS: نمونه‌ای از قطعات الکترومکانیکی مبتنی‌بر سیستم‌های میکروالکترومکانیکی
یک نمونه اولیه از یک دستگاه MEMS (یعنی یک سیستم میکروالکترومکانیکی؛ سیستم الکترومکانیکی‌ای در ابعاد میکرو) ترانزیستور گیت-رزونانس است، اقتباسی از MOSFET که توسط هاروی سی ناتانسون در سال 1965 توسعه یافت. در طول دهه 1970 تا اوایل دهه 1980، تعدادی از ریزحسگرهای MOSFET برای اندازه‌گیری پارامترهای فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و محیطی توسعه یافتند. در اوایل قرن بیست و یکم، تحقیقاتی در مورد سیستم‌های نانوالکترومکانیکی (NEMS) انجام شده است.
وضعیت کنونی قطعات الکترومکانیکی
امروزه فرآیندهای الکترومکانیکی اساسی عمدتاً توسط شرکت‌های برق مورد استفاده قرار می‌گیرند. ژنراتورهای مبتنی‌بر سوخت، حرکت مکانیکی را به نیروی الکتریکی تبدیل می‌کنند. برخی از انرژی‌های تجدیدپذیر مانند باد و برق آبی توسط سیستم‌های مکانیکی که حرکت را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند در دسترس قرار دارند.
در سی سال آخر قرن بیستم، تجهیزاتی که عموماً از دستگاه‌های الکترومکانیکی استفاده می‌کردند ارزان‌تر شدند. این تجهیزات ارزان‌تر شد زیرا از مدارهای شامل میکروکنترلر استفاده می‌کرد. همان‌طور که می‌دانید میکروکنترلر قطعه‌ای نیمه‌هادی (یعنی مبتنی‌بر الکترونیک حالت جامد) است که قابلیت برنامه‌ریزی برای انجام کارهای مختلف را دارد، لذا میزان استفاده از قطعات متحرک را کاهش داده و این باعث ارزان‌تر شدن تجهیزات می‌شود؛ در واقع از بخش مکانیکی دستگاه الکترومکانیکی کاسته شده است.
پیشتر در قطعات الکترومکانیکی فقط قطعات متحرک وجود داشت، مانند اکچویتورهای مکانیکی (mechanical actuators). اما مدارهای الکترونیکی قابل برنامه‌ریزی (میکروکنترلرها) که قابلیت اطمینان آنها هم بیشتر است جایگزین اکثر دستگاه‌های الکترومکانیکی شده‌اند، زیرا هر نقطه از یک سیستم که برای عملکرد صحیح باید به حرکت مکانیکی متکی باشد، ناگزیر دچار سایش مکانیکی شده و در نهایت از کار می‌افتد درحالی‌که مدارهای الکترونیکی با طراحی مناسب بدون قطعات متحرک زمان بسیار زیادی به‌درستی کار می‌کنند. امروزه مدارهای بدون قطعات متحرک در تعداد زیادی از اقلام از چراغ‌های راهنمایی گرفته تا ماشین‌های لباسشویی ظاهر می‌شوند.
پسگفتار
قطعات الکترومکانیکی برای کاربردهای مشخصی تقریباً در تمام شاخه‌های صنعت ضروری می‌باشند. از رله‌ها و اکچویتورها گرفته تا کلیدها و سیستم‌های اتصال. هر روز، هرکدام از ما از دستگاه‌هایی که دارای قطعات الکترومکانیکی هستند استفاده می‌کنیم و عمدتاً به هزاران سیستم الکترومکانیکی وابسته‌ایم. بیش از 99 درصد از برق تولیدی توسط ماشین‌های الکتریکی (ژنراتورها) که یک شکل از انرژی (هسته‌ای، آبی، خورشیدی، حرارتی، بادی، و غیره) را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند تامین می‌شود.
در این نوشتار تلاش شد کمی بیشتر با قطعات (یا دستگاه‌ها یا سیستم‌های) الکترومکانیکی آشنا شویم. سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) معرفی شدند که امروزه این واژه استفاده زیادی دارد! و در نهایت وضعیت کنونی قطعات الکترومکانیکی نیز مورد بررسی قرار گرفت و گفته شد به‌دلیل مشکلاتی که حرکت ایجاد می‌کند (یعنی بخش مکانیکی این قطعات) تلاش است برای قطعاتی که امکان آن وجود دارد، آنها را با نمونه‌ای که نیاز به بخش متحرک نداشته باشد جایگزین سازیم! و یا میزان قطعات متحرک را کاهش دهیم که مثال‌هایی در این ارتباط آورده شد. انشاءالله در مطلبی دیگر به معرفی انواع قطعات الکترومکانیکی خواهیم پرداخت.
