Кварцевые часы. За и против
Рассказывая о часах, мы постоянно употребляем термины «механические» и «кварцевые». Человек, который, что называется, в теме, не нуждается в разъяснениях этих терминов. Но среди наших читателей наверняка есть и люди, только-только заинтересовавшиеся часами. Вот для них и попробуем разъяснить и разобраться. И начнем с широко распространенных сегодня кварцевых часов.
Главное
Для ясного понимания давайте вспомним – что самое главное в автомобиле? Это знает, наверное, каждый: главное – мотор! Плюс, конечно, топливо, которым мотор питается, и плюс трансмиссия, которую мотор приводит в движение, а она преобразует это движение во вращение колес. В часах все в принципе так же! И в кварцевых тоже: роль топлива исполняет батарейка (как правило, типа «таблетка»), роль мотора – кристалл кварца, роль трансмиссии – шаговый электродвигатель, непосредственно заставляющий двигаться стрелки.
КВАРЦ или МЕХАНИКА? Что выбрать
Итак, батарейка снабжает постоянным током кристалл кварца. Еще в 80-х годах XIX века Пьер Кюри открыл пьезоэлектрический эффект: при деформировании кристалла вырабатывается электричество. И наоборот: при воздействии электричества на кристалл он деформируется, вибрирует. Причем делает это со строго определенной частотой, так называемой частотой собственных колебаний.
При изготовлении кристаллов кварца (да-да, в промышленности используется искусственно выращенный, синтезированный кварц) их настраивают на ту или иную частоту. Она очень стабильна и на много порядков выше, чем частота колебаний чисто механических систем. В подавляющем большинстве современных кварцевых часов она составляет 32768 герц! Напомним, что, например, частота переменного тока в бытовых электрических сетях – всего 50 герц.
Почему такое, на первый взгляд, странное число – 32768? Оказывается, по простой причине: это двойка в 15-й степени. Ну, степень могла бы быть и другой – 14-й, 16-й и т.п., это не столь важно. Существенна именно двойка, потому что дальше вступает в дело наша «трансмиссия» – шаговый электродвигатель. Прежде чем передать движение на стрелки часов, он, деля исходную частоту на два, еще раз на два, и так 15 раз, понижает ее до одного герца, вследствие чего секундная стрелка «прыгает» ровно один раз в секунду.
Вот, собственно, и всё из нашего «главного».
Чем хороши кварцевые часы?
Прежде всего, они хороши а) точностью хода и б) автономностью. Сверхвысокая частота «мотора» дает и высочайшую точность хода – всего несколько секунд в месяц, и это еще в худшем случае: наиболее совершенные кварцевые модели отклоняются от абсолютного идеала на считанные секунды в год. Так, например, механизм 9F японского концерна Seiko ходит с точностью ±5 секунд в год! Что же до автономности, то здесь все понятно: батарейки хватает на несколько лет, нет никакой нужды в ежедневных упражнениях с заводной головкой.
Говорит мастер: про кварцевые часы и кварцевый механизм.
Дополнительные бонусы
Достоинства кварцевых часов далеко не ограничиваются вышеизложенным. Во-первых, крайне миниатюрная и весьма умная электроника способна оснащать такие часы очень широким набором функций. Точно показывать текущее время – это база, а к ней добавляется всевозможное: дополнительные часовые пояса, будильники, хронографы (для измерения отдельных интервалов времени), календари, астрономические функции (фазы Луны, время рассвета/заката, знаки Зодиака и т.д.), спортивные функции (шагомер, пульсометр, измеритель калорий и т.д.), модуль GPS. чего только не придумано!
Во-вторых, множество моделей кварцевых часов имеет не чисто стрелочную индикацию, а чисто цифровую (перед нами в этом случае уже не циферблат, а LED-дисплей) или смешанную (ее называют «ана-диджи», от слов analog и digital). Не счесть людей, которым это по душе! Далее, еще раз про автономность.
Батарейка-«таблетка», это, конечно, хорошо, но еще лучше солнечная батарея: вообще отпадает необходимость заботиться о запасе «топлива» для вашего «мотора». Просто не помещаем часы в «темницу», вот и всё. И наконец, еще раз о точности. Продвинутые модели современных кварцевых часов нередко оснащаются, попросту говоря, радиоприемником, настроенным на частоты сигналов сети специальных радиовышек, и модулем корректировки показаний по этим сигналам. Радиовышки работают по атомным часам, практически абсолютно точным, соответственно такими же становятся и кварцевые часы на запястье.
А против?
Всё сказанное выше – «за» кварцевые часы. Но есть ли что-то «против»? Оказывается, да, есть.
Не будем долго рассуждать о таких чисто технических деталях, как постепенное старение кристалла кварца и вызванный им уход частоты от заданного (это достаточно долгий процесс) и о некотором влиянии температуры воздуха на ту же частоту (давно придуман и освоен в производстве так называемый термокомпенсированный кварц). Нет, скажем о другом, чисто субъективном. И здесь нам придется дать немного истории.
Первые кварцевые часы, построенные в лаборатории Bell (США) в 1932 году, были стационарными, огромными (занимали целую комнату) и эталонно точными – 0,02 сек. в сутки. В конце 1950-х и начале 1960-х годов свет увидели уже наручные часы, в которых применялась электроника: в знаменитой модели Bulova Accutron использовались незадолго до того изобретенные транзисторы (это позволило радикально уменьшить количество деталей механизма); частоту колебаний задавал механический камертон (360 герц). Оставалось лишь заменить его кристаллом кварца, а синтезировать эти кристаллы научились как раз в те же годы.
Однако легко сказать, а в реальности путь к первым наручным кварцевым часам занял целое десятилетие. Ими, первыми, стали выпущенные в продажу в декабре 1969 года часы Seiko 35SQ Quartz Astron. Вскоре последовали и новые модели, как японские, так и швейцарские. В мае 1970 года американская (ныне швейцарская) компания Hamilton представила миру первые в мире кварцевые часы с цифровым дисплеем.
Все вышеперечисленные достоинства кварцевых часов плюс великолепная пригодность к массовому производству – и, следовательно, невысокие цены – означали, казалось, смерть традиционной часовой механики. Но вот тут-то и вступило в силу то самое «против». Специалисты, знатоки, любители микромеханики сочли кварц лишенным души!
Ведь часовой механизм, с его десятками, а то и сотнями деталей, искусно соединенных в единый «оркестр» и, к тому же, филигранно обработанных (часто вручную), – и в самом деле произведение искусства! Как бы то ни было, механика выжила. Период, названный «кварцевым кризисом», продлился порядка 10 лет, после чего оба часовых направления сосуществуют вполне мирно. Вам безразлично часовое искусство, требуются лишь утилитарные достоинства – что ж, носите кварц. В обратном случае – отдавайте предпочтение механике, которая престижнее (и, естественно, дороже).
И еще несколько слов об искусстве
Представления о бездуховности кварцевых часов представляются нам несколько схематичными. Многие и многие великолепные (и крайне дорогие) ювелирные часы работают именно на кварце. И дизайнерам тоже есть где применить фантазию. Впрочем, это уже скорее не часы, а аксессуар, украшение.
А примером подлинной духовности, проявленной в сфере кварцевых часов, можно с полным правом назвать историю создания первых в мире «неубиваемых» часов Casio G-SHOCK. Главная роль здесь принадлежит инженеру Кикуо Ибе, который, с крохотной группой сотрудников и с благословения тогдашнего главы компании Кацуо Касио, нашел (не без драматизма) фантастически красивое решение проблемы противоударности, подвесив электронный (кварцевый) модуль внутри корпуса часов на эластичных элементах (рессорах). Это было в 1983 году, а ныне семейство кварцевых часов Casio G-SHOCK насчитывает сотни или даже тысячи различных моделей, на любой вкус.
Ну, а о главном и не самом главном, но тоже интересном, в отношении механических часов, об их «за» и «против» мы тоже планируем рассказать. Следите за нашим блогом!
ИсточникКварцевые часы, как они и почему работают
Самым старым средством определения времени, это наблюдая расположение солнца в небе. Когда солнце находится прямо над головой, время примерно 12:00. Чуть позже развитие, и одним меньше подвержено индивидуального суждения, является использование солнечных часов. В светлое время суток, солнечный свет падает на вертикальную трубу, помещенную в центр калиброванной шкалы, тем самым бросая тень на циферблат и предоставляя читателю относительно точного времени на чтение.
Изобретение механических часов в четырнадцатом веке было крупным достижением — это обеспечивало более краткий и последовательный метод измерения времени. Механические часы включают в себя сложную серию колес, зубчатых передач и рычагов питание от падающих весов и с маятником (или более поздней версии с пружиной). Эти части вместе перемещают стрелки на циферблате, чтобы показать время. Добавление курантов или гонгов на час, полчаса и четверть часа с последующим вскоре после этого добавлением. В восемнадцатом веке, небольшие часы для дома были доступны, в отличие от своих предшественников, были закрыты и опломбированы .
Чем более требовательным было изготовление подвижных деталей, тем точнее становились часы. До середины двадцатого века, события решений в часах сосредоточены были на повышении движущиеся части и работали с максимально возможной точностью.
Разработки в технологии металлов и в миниатюризации, смазка мелких деталей, а также использование первых, природных сапфиров (а потом искусственных сапфиров) в местах, особого трения — все это стало неотъемлемыми составляющими часовой науки. Небольшие карманные часы, возможно, в два-три дюйма (от пяти до семи сантиметров) в диаметре, были доступны к концу девятнадцатого века. Механические наручные часы были повседневным элементом в Соединенных Штатах к 1960. И все же, главная проблема, с которой сталкиваются часы и часовщики остались прежними: механическая части изнашиваются, становятся неточными, и ломаются.
Начало разработки атомных часов
В первые годы после Второй мировой войны интерес к атомной физике, привели к разработке атомных часов. Радиоактивные вещества испускают частицы (сгнившие) с известной и постоянной скоростью. Части механических часов, чтобы сохранить время могут быть заменены устройством, которое стимулировало часы движение каждой частицы, испускаемые радиоактивным элементом. Атомные часы, кстати, до сих пор производятся и продаются, и они оказываются последовательно точными.
С развитием микрочипа в 1970-х и 1980-х годов, новый тип часов был изобретен. Наручные часы, которые смешивают технологии микрочипа с кристаллами кварца стали стандартом; Есть несколько бескварцевых наручных часов, сделанные сегодня. Микрочип используется для передачи сигналов на циферблате часов на постоянной основе. Потому что это не механическое устройство с движущимися частями, он не изнашивается.
Использование кварца в часах используют давно известного типа электричество, известное как пьезоэлектричество. Пьезоэлектричество-это ток, который течет от или через кусок кварца, если кварц ставится под электрическое или механическое давления (пьезо-от греческого глагола, означающий «давить»). Кварцевые часы используют электроэнергию из куска кварца, подвергнутого электричеством из батареи, чтобы отправить очередную, счетную серию сигналов (колебаний) с одним или несколькими микросхем.
Наиболее точные кварцевые часы являются те, в которых появляется время в электронным управлением цифровым дисплеем, производится через светоизлучающий диод (LED) или жидкокристаллический дисплей (LCD). Это возможно, конечно, иметь микропроцессорный посыл его сигнала к механическим устройствам, которые двигают стрелки по циферблату, создавая аналоговый монитор. Но поскольку стрелки с механическим приводом проходят через часть часов, известной как зубчатые передачи, аналоговые часы, как правило, не столь точные, как цифровые и подвержены износу. Оба типа часов достигли огромной точности, вместе с цифровыми часами, которые обычно не получают точностью до трех секунд в месяц.
Сырье для часов
Электронные часы производят многие из самых современных доступных материалов, в том числе пластмасс и сплавов металлов. Могут быть изготовлены из любого пластика или металла; часы в металлических корпусах часто включают в себя нержавеющую сталь. Микросхемы, как правило, сделаны из кремния, в то время как светодиоды обычно изготавливаются из арсенида галлия, фосфид галлия или арсенида галлия фосфида. ЖК-дисплеи состоят из жидких кристаллов, расположенных между кусочками стекла. Электрические контакты между частями, как правило, изготовлены из небольшого количества золота (или Goldplated); золото является почти идеальным проводником электрического тока и может быть с успехом использовано в очень малых количествах.
Процесс производства часов
В этом разделе основное внимание будет уделено кварцевым цифровым часах на светодиодных дисплеях. Хотя сборка таких часов должна быть выполнена тщательно и методично, наиболее существенные аспекты процесса производства находятся в производстве компонентов.
Кварц как сердце часов
1 Сердце кварцевых часов это крошечный кусочек кварца. Синтетически произведенный кварц режется алмазной пилой и отправлен производителю для использования. Производство «, выращенного» кварцf является важным шагом в этом процессе.
Кварц, в естественном виде, сначала загружается в гигантский котел или в автоклав (то же самое устройство, используемое врачами и стоматологами для стерилизации инструментов). Свисающие с верхней части автоклава семена или мелкие частицы кварца с желаемой кристаллической структурой.
Щелочной материал закачивают в нижнюю часть автоклава, и автоклав нагревается до температуры примерно 400 градусов по Цельсию. Природный кварц растворяется в горячей щелочной жидкости, испаряется, а депозиты идут себе на семена. После, примерно 75 дней, камера может быть открыта, и вновь выращенные кристаллы кварца могут быть удалены и нарезаны нужной пропорции. Различные углы и толщины при резке приведут к предсказуемым норме колебаний. Требуемая скорость колебаний для кварца, используемого в наручных часах составляет 100000 в мегагерцах или 100000 колебаний в секунду.
2 Чтобы наиболее эффективно работать, кусок кварца должен быть запечатан в вакуумной камере. Чаще всего кварц помещен в своего рода в капсуле, с проводами, прикрепленных к обоим концам, так что капсула может быть припаяна или иным способом подключена к плате
микрочипа.
3 Через кварц, подключенный к батареи (производящие колебания) пойдет в микрочип, который служит в качестве «разделяющего цепь частоты.» производство микрочипов, как кварц, за счет поставщика до производителя часов. Обширный и сложный процесс, делая микрочип, включает химическую или рентгеновское травление микроскопической электронной схемой на маленький кусочек диоксида кремния.
4 Скорость колебаний возможно 100000 вибраций / сек сводится к 1 или 60 или какой-либо другой более управляемым числом колебаний. Новый образец колебания затем отправляется на другой микрочип, который функционирует в качестве «контр-декодера-драйвера.» Этот чип будет на самом деле рассчитывать колебания, которые он получает. Если есть шестьдесят колебаний в секунду, чип будет менять показания на светодиодный каждую секунду. После 3600 колебаний (60 х 60), то счетчик будет изменять показания для минут. И, после того, как 60 х 60 х 60 колебаний (216,000), то счетчик будет менять часовое чтение.
сборка
5 Весь набор хрусталя и микрочипов устанавливается на печатной плате. На плате применены пространство для хранения батареи, которая поставляет электроэнергию в кристалле кварца и обеспечивает питание светодиодного дисплея. Вообще, пространство для аккумулятора на внешней поверхности, обращенной к задней части корпуса. Батарея может быть заменена путем удаления задней крышки корпуса, вытряхивая старую, и устанавливая новую батарею.
6 Механизм, используемый для установки часов затем подключается. Этот механизм включает в себя два штифта, выступающих за пределы часов. Один штырь позволяет знать, какие показания счетчика цепи сброса—секунд, минут, или часов. Второй штырь при толкании несколько раз выводит отображение в нужное чтение.
7 Вся печатная плата, вместе с батареей, затем закрывают в случае, а ремешок прилагается.
Дополнительные Часы Особенности
Поскольку микрочипы в кварцевых часах способны удерживать большие объемы информации, это возможно, с инженерной точки зрения, чтобы добавить другие функции часам без особых затруднений. Дополнительная кнопка на корпусе подключается к контр цепи может обеспечить будильником, информацию о приливах, и еще многим. Микрочип может быть столь же легко запрограммироваться, чтобы установить часы вперед или назад определенное количество нажатием кнопки, так что владелец может определить время в другом часовом поясе, или, возможно, есть два, три, или больше временных зон отображающихся последовательно.
Контроль качества кварцевых часов
Все компоненты электронных часов изготавливаются под строгой системой контроля качества. Кварцевые кристаллы, к примеру, их частоты проходят перед использованием в часах. Микросхемы должны быть сделаны в «чистой комнате» среде со специально очищенного воздуха, так даже самые мелкие частицы пыли могут сделать специальную микросхему бесполезный. Микросхемы тщательно изучаются и также проверяются точность перед использованием.
После того как часы изготовлены, они снова проходят контроль перед отправкой на рынок. В дополнение к своей точности хронометража и он также подвергается капли теста, в котором он должен продолжать работать должным образом после падения и ином испытании; тест температурой; и испытанием водой. В то время как часовщик может, с надлежащим тестированием и доказательством, утверждать, что часы «водостойкие» при определенных, известных спецификациях, было бы неправильно сказать часы «водонепроницаемые потому что без определенной спецификации, и что обозначение не имеет ни какого смысла.
Большие часовые компании сделали все свои собственные компоненты, гарантируя, что стандарты качества продукта на месте при первой точке в процессе производства.
Будущее за кварцевыми часами
Потому сегодня электронные часы настолько точны, точность не единственная цель, для которой направлена производители часов. Будущие изменения в продукте будет воспользоваться другими технологиями из других областей, таких как добавление функций калькулятора на часы или даже добавлением радио-передатчика, который может посылать и прослеживать сигнал, если владелец будет потерян или в беде.
ИсточникКварц в часах что
В этой статье поговорим об устройстве кварцевых часов и кварцевом резонаторе. Возможно, это будет довольно сложная тема для понимания. Прошу заметить, что в статье рассматривается принцип работы кварцевых часов не на примере существующего механизма а на примитивной абстрактной и грубой модели, показывающей только суть работы большинсва электронных и кварцевых часов.
В этой статье хочется развеять неточности касательно устройства схемы кварцевых часов, которые я встречал на других ресурсах, но об этом чуть ниже.
Рассмотрим для примера самый простейший кварцевый механизм, он состоит из:
- Электронный блок с контроллером и кварцевым резонатором
- Элемент питания (на фото отсутствует)
- Шаговый электродвигатель (катушка статор и ротор с постоянным магнитом)
- Шестереночный привод стрелок
Тут кажется все просто, электронный блок подает электрический импульс на катушки статора и ротор делает оборот равный одной секунде. Но как же электронный блок «понимает», что прошло время крутить ротор.
Рассмотрим подробнее работу схему простейшего электронного блока кварцевых часов, он состоит из кварцевого резонатора (зеленый прямоугольник) и микроконтроллера (красный квадрат).
Теперь остановимся подробнее на принципе работы и устройстве кварцевого резонатора.
На фото вскрытый кварцевый резонатор, К сожалению у меня не получилось вскрыть, не повредив кварц, который чаще всего используется в наручных часах.
Работа кварцевого резонатора основана на пьезоэлектрическом эффекте.
Суть пьезоэлектрического эффекта — это генерация ЭДС пьезоэлектриком при сдавливание или растяжения (вибрации) твердого тела (пьезоэлектрика) и наоборот при подаче напряжения пьезоэлектрик будет сдавливаться или расширяться. Важно заметить, такой эффект происходит только в момент сжатия или растяжения.
Любой кварцевый резонатор состоит из монокристалла кварца вырезанным определенным образом и с закрепленными на нем металическими пластинами к которым подведены контакты. Конкретно в часах используются резонаторы с плоским кристаллом в форме камертона (в виде буквы «Y» или «U») с прикрепленными на плоскостях металическими пластинами к которым подключены выводы. Сам кварц диэлектрик — то есть электрический ток он не проводит.
А теперь переходим к сути работы этого компонента. Бытует мнение, что кварцевый резонатор сам генерирует постоянную частоту, при подаче постоянного тока. Это не так, на самом деле все несколько сложнее.
Как говорилось выше, пьезоэлектрический эффект возникает только в момент сжатия или растяжения пьезоэлектрика. К примеру если кратковременно подать электрический заряд на выводы на кварцевого резонатора то кристалл кварца сожмется (ЭДС).
Но в тот момент, как кварц будет обратно разжиматься он создаст противоположный по полярности (противоЭДС) заряд на выводах, конечно гораздо меньший чем был подан изначально. Т.Е произойдет одно колебание. Колебаний может быть несколько, важно то, что именно в этом случае (если нет подпитки электрозаряда из вне) они будут гармонически затухающими.
Все это происходит за очень короткий момент времени. Это примерно тоже самое, что и удар по камертону. Кристал кварца может колебаться только с одной частотой, независимо от амплитуды.
Что бы колебания кварца были постоянные а не затухающие, нужно обеспечить постоянную внешнюю подпитку этих колебаний, например электрическим током определенной частоты.
А теперь переходим к тому, почему резонатор называется резонатором. У самого кристалла кварца есть своя частота механических колебаний. Как я уже приводил пример выше с камертоном. У него тоже есть своя механическая частота, то есть неважно, как его ударили, он будет выдавать звучание на одной и той же ноте (частоте). С кварцем все то же самое.
Если подать на выводы электрический ток какой либо частоты (в разумных пределах) кварц будет механически колебаться (в этот раз уже постоянно в отличии от кратковременного заряда) только с определенной своей (резонансной) частотой, генерируя ЭДС и противоЭДС. Но если на выводы кварца подать ток именно той частоты на которой резонирует кварц, то потребление электричества которое превращается в работу (в колебания кварца) будет минимально в отличие от других частот. Грубо говоря кварц пропустит через себя все частоты кроме своей резонансной, при которой резко увеличится сопротивление. Все это нам напоминает работу колебательного контура, но кварц отличается гораздо лучшей добротностью.
Одна из задач микроконтроллера поддержания частоты на выводах кварца при которой он резонирует опираясь на сопротивление при определенной частоте.
Т.Е Микроконтроллер синхронизируется с кварцем а так как частота кварца известна то и известно сколько прошло времени за определенное количество колебаний кварца. Чаще всего частота кварца используемого в часах равна 32 768 гц. При такой частоте можно обеспечить хорошие показатели в точности измерение времени.
Другая задача микроконтроллера «посчитать» колебания кварца, равное одной секунде и подать напряжение на катушку статора для движение секундной стрелки.
Источник