پدیده هیسترزیس (Hysteresis) در مهندسی برق، کامپیوتر و هوافضا — مفاهیم اولیه

پسماند یا «هیسترزیس» (Hysteresis)، پدیده‌ای است که وابستگی حالت فعلی یک سیستم به حالت‌های قبلی (مسیر تغییرات) آن را نمایش می‌دهد. این پدیده کاربردهای زیادی در حوزه‌های مختلفی نظیر فیزیک، شیمی، مهندسی، زیست‌شناسی و اقتصاد دارد. در این مقاله به معرفی تعاریف و کاربردهای هیسترزیس در علوم مهندسی نظیر مهندسی برق (سیستم‌های کنترل و مدارهای الکتریکی) و مهندسی کامپیوتر (طراحی رابط کاربری) خواهیم پرداخت. در انتها نیز اشاره کوتاهی به حضور این پدیده در مهندسی هوافضا (آیرودینامیک) خواهیم داشت.

سیستم‌های کنترل

پدیده هیسترزیس با در نظر گرفتن تاریخچه قبلی سیستم‌های کنترل می‌تواند سیگنال‌ها را به گونه‌ای فیلتر کند که سرعت عکس‌العمل خروجی نسبت به مواقع دیگر کمتر باشد. به عنوان مثال، ممکن است ترموستات کنترل‌کننده یک سیستم گرمایشی به گونه‌ای تنظیم شده باشد که با رسیدن دمای محیط به مقداری کمتر از A، سیستم روشن و تا پس از رسیدن دما به مقداری بیشتر از B، خاموش شود.

فیلم آموزش کنترل دیجیتال Digital Control در فرادرس

کلیک کنید

مثلاً اگر شخصی بخواهد دمای محیط خود را روی 20 درجه سانتی‌گراد نگه دارد، می‌تواند تنظیمات روشن شدن خودکار ترموستات را روی دمای 18 درجه سانتی گرد و خاموش شدن خودکار آن را روی دمای 22 درجه سانتی قرار دهد. با استفاده از روشی مشابه می‌توان کلیدی برای تعیین آستانه خاموش/روشن شدن دستگاه تنظیم فشار نیز طراحی کرد.

مدارهای الکترونیکی

در اغلب موارد، به منظور جلوگیری از تغییر وضعیت ناخواسته و ناگهانی مدارهای الکترونیکی، مقدار مشخصی هیسترزیس به درون مدار اضافه می‌شود.

فیلم مجموعه آموزش تحلیل و طراحی مدار الکتریکی – مقدماتی تا پیشرفته در فرادرس

کلیک کنید

این روش و روش‌های مشابه دیگر برای مقابله با پرش ناگهانی کلیدهای تغییر وضعیت (Contact Bounce) یا نویز موجود در سیگنال‌های الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. «اشمیت تریگر» (Schmitt Trigger)، یک مدار ساده الکترونیکی است که از این ویژگی بهره می‌برد (تصویر زیر).

پدیده هیسترزیس کابردهای گسترده‌ای در مدارهای الکترونیکی دارد. به عنوان مثال، «رله نگه‌دارنده» (Latching Relay) از سیم‌لوله برای به حرکت درآوردن یک مکانیسم ضامن چرخ‌دنده استفاده می‌کند. این مکانیسم حتی در صورت قطع شدن نیروی ورودی رله نیز باعث بسته ماندن آن می‌شود. وجود هیسترزیس برای عملکرد «ممریستورها» (Memristors) نیز ضروری است. ممریستورها قطعاتی هستند که در صورت قطع شدن جریان عبوری، آخرین مقاومت مدار را حفظ می‌کنند.

هیسترزیس برای اتصال آرایه‌های المان‌هایی نظیر قطعات نانو الکترونیک، سلول‌های الکتروکروم و دستگاه‌های دارای اثر حافظه از طریق «آدرس‌دهی ماتریس منفعل» (Passive Matrix Addressing) نیز قابل استفاده است. در این حالت، چندین مسیر میانبر بین مولفه‌های مجاور در یک آرایه ایجاد می‌شود و هیسترزیس به ثبات وضعیت مولفه‌ها در حین تغییر وضعیت مولفه‌های دیگر کمک می‌کند. به این ترتیب، به جای آدرس‌دهی به ردیف‌های جداگانه می‌توان تمام ردیف‌ها را به صورت هم‌زمان آدرس‌دهی کرد.

در وسایل الکترونیکی صوتی، اغلب از یک «نویز گیت» (Noise Gate) برای ایجاد هیسترزیس به منظور جلوگیری از قطع و وصل شدن ناگهانی سیستم در هنگام نزدیک بودن سیگنال‌ها به آستانه گیت استفاده می‌شود.

طراحی رابط کاربری

هیسترزیس در برخی از مواقع به درون الگوریتم‌های کامپیوتری نیز اضافه می‌شود. حوزه طراحی رابطه کاربری از اصطلاح هیسترزیس برای اشاره به تأخیرهای زمانی وارد شده برای تغییر وضعیت رابط کاربری در پس‌زمینه ورودی کاربر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پدیده اهمیت بسیار زیادی در ساخت منوها و کنترل‌ها دارد. به عنوان مثال، منوی ظاهر شده پس از کلیک راست بر روی صفحه دسکتاپ کامپیوتر را در نظر بگیرید (تصویر زیر). این منو دارای چندین گزینه به همراه زیرمنو است.

اگر موقعیت نشانگر موس را روی یک گزینه داری زیرمنو (دارای علامت فلش) قرار دهید، یک منوی جانبی (زیرمنو) در کنار منوی اصلی ظاهر می‌شود. در صورت حرکت موس به سمت یک گزینه دیگر، منوی جانبی با یک تأخیر زمانی محو خواهد شد. این تأخیر زمانی همان پدیده هیسترزیس است. کاربرد این هیسترزیس هنگامی مشخص می‌شود که بخواهید از روی یک مسیر غیر مستقیم به سمت یکی از گزینه‌های منوی جانبی حرکت کنید (تصویر زیر). تأخیر زمانی اعمال شده، فرصت کافی برای انتخاب گزینه مورد نظرتان را پیش از محو شدن منوی جانبی فراهم می‌کند.

آیرودینامیک

در حوزه آیرودینامیک، پدیده هیسترزیس هنگام کاهش زاویه حمله بال پس از «واماندگی» (Stall) با توجه به ضرایب «بَرا» (Lift) و «پَسا» (Drag) قابل مشاهده است. زاویه حمله در محلی که جریان‌های هوا در بالای بال مجدداً به هم می‌رسند کمتر از زاویه حمله در جایی است که جریان‌های هوا حین افزایش زاویه از هم جدا می‌شوند.

^^