El efecto Wiegand es un efecto magnético no lineal, llamado así en honor a su descubridor John R. Wiegand , producido en un alambre especialmente recocido y endurecido llamado alambre Wiegand. [1]
El alambre Wiegand es Vicalloy de bajo contenido de carbono , una aleación ferromagnética de cobalto , hierro y vanadio . Inicialmente, el alambre está completamente recocido. En este estado, la aleación es "blanda" en el sentido magnético; es decir, es atraída por los imanes y, por lo tanto, las líneas de campo magnético se desviarán preferentemente hacia el metal, pero el metal retiene solo un campo residual muy pequeño cuando se elimina el campo externo.
Durante la fabricación, para dar al cable sus propiedades magnéticas únicas, se lo somete a una serie de operaciones de torsión y desenrollado para trabajar en frío la capa exterior del cable mientras se conserva un núcleo blando dentro del cable, y luego se envejece el cable. El resultado es que la coercitividad magnética de la capa exterior es mucho mayor que la del núcleo interior. Esta capa exterior de alta coercitividad conservará un campo magnético externo incluso cuando se elimine la fuente original del campo.
El cable presenta ahora una histéresis magnética muy grande : si se acerca un imán al cable, la capa exterior de alta coercitividad excluye el campo magnético del núcleo blando interior hasta que se alcanza el umbral magnético, momento en el que todo el cable (tanto la capa exterior como el núcleo interior) cambia rápidamente la polaridad de magnetización. Este cambio se produce en unos pocos microsegundos y se denomina efecto Wiegand.
El valor del efecto Wiegand es que la velocidad de conmutación es lo suficientemente rápida como para que se pueda generar un voltaje significativo desde una bobina que utiliza un núcleo de cable Wiegand. Debido a que el voltaje inducido por un campo magnético cambiante es proporcional a la velocidad de cambio del campo, un núcleo de cable Wiegand puede aumentar el voltaje de salida de un sensor de campo magnético en varios órdenes de magnitud en comparación con una bobina similar con un núcleo que no sea Wiegand. Este voltaje más alto se puede detectar fácilmente de forma electrónica y, cuando se combina con el alto umbral de repetibilidad de la conmutación del campo magnético, hace que el efecto Wiegand sea útil para los sensores de posición.
Una vez que el cable Wiegand ha invertido su magnetización, la conservará hasta que se invierta en la otra dirección. Los sensores y mecanismos que utilizan el efecto Wiegand deben tener en cuenta esta retención.
El efecto Wiegand es una extensión macroscópica del efecto Barkhausen , ya que el tratamiento especial del cable Wiegand hace que este actúe macroscópicamente como un único dominio magnético de gran tamaño. Los numerosos dominios pequeños de alta coercitividad en la capa exterior del cable Wiegand se conmutan en una avalancha, lo que genera el cambio rápido del campo magnético del efecto Wiegand.
Los sensores Wiegand son sensores magnéticos que utilizan el efecto Wiegand para generar un pulso constante cada vez que se invierte la polaridad del campo magnético y, por lo tanto, no dependen de ningún voltaje o corriente externa. [2] La consistencia de los pulsos producidos por los sensores Wiegand se puede utilizar para proporcionar energía para aplicaciones de bajo consumo y ahorro de energía. [3] Al ser autoalimentados, los sensores Wiegand tienen potencial en aplicaciones de IoT como recolectores de energía, sensores de proximidad y contadores de eventos. [4] [5]
John R. Wiegand y Milton Velinsky desarrollaron una tarjeta de control de acceso utilizando cables Wiegand. [6]
Además de los sensores, el efecto Wiegand se utiliza para cerraduras de puertas con tarjeta de seguridad. [7] La tarjeta de plástico tiene una serie de tramos cortos de cable Wiegand incrustados en ella, que codifica la llave por la presencia o ausencia de cables. Una segunda pista de cables proporciona una pista de reloj . La tarjeta se lee tirando de ella a través de una ranura en un dispositivo lector, que tiene un campo magnético fijo y una bobina sensora. A medida que cada tramo de cable pasa a través del campo magnético, su estado magnético cambia, lo que indica un 1, y esto es detectado por la bobina. La ausencia de un cable indica un 0. El código digital del protocolo Wiegand resultante se envía luego a un controlador host para determinar si se debe desbloquear eléctricamente la puerta.
Las tarjetas Wiegand son más duraderas y difíciles de falsificar que las tarjetas con código de barras o banda magnética . Dado que el código clave se establece de forma permanente en la tarjeta durante la fabricación mediante la posición de los cables, las tarjetas Wiegand no se pueden borrar mediante campos magnéticos ni reprogramar, como sí se puede hacer con las tarjetas con banda magnética. [8]
La interfaz Wiegand , desarrollada originalmente para tarjetas con cable Weigand, sigue siendo la convención estándar de facto para transmitir datos desde cualquier tipo de tarjeta de acceso a un panel de control de acceso. [6]
Algunos codificadores magnéticos rotatorios utilizan cables Wiegand para alimentar los circuitos multivuelta. A medida que el codificador gira, la bobina central del cable Wiegand genera un pulso de electricidad suficiente para alimentar el codificador y escribir el recuento de vueltas en una memoria no volátil. Esto funciona a cualquier velocidad de rotación y elimina el mecanismo de reloj/engranaje que normalmente se asocia con los codificadores multivuelta. [10] [11]
Se colocan cables Wiegand en el diámetro exterior de una rueda para medir las velocidades de rotación. Un cabezal de lectura montado externamente detecta los pulsos Wiegand.