Электрические часы с кварцевым осциллятором

Поговорим о часах, в которых в роли осциллятора выступает резонатор. Это блок с кварцевым кристаллом, к которому подведены электроды. Этот блок или контейнер, если быть точнее, герметичен. При прохождении тока через кварц происходит его сжатие. Такая деформация приводит к образованию электрического поля. У каждого кристалла разная резонансная частота, и если та, которая возникает от подаваемого напряжения, близка по значению (или приравнена) к собственной, то возникающие колебания в цепи стабилизируются на этой частоте.

Часовщики оснащают современные аксессуары резонаторами с частотой 32 768 Гц. Этот показатель в 8 тысяч раз превышает частоту колебаний осциллятора в моделях механического типа, что объясняет их точность. Погрешность составляет не более 20 сек/месяц. Это недостижимо для механики.


Немного истории

Упоминания о прототипах электрических часов датируются первой четвертью XX столетия. Вместе с тем говорить о рабочем и конкурентоспособном устройстве удалось только через несколько десятилетий. Это событие связывают с компанией Hamilton Watch. В 1957 году она представила инновацию, вернее сразу две — часы Ventura и Van Horn.


Hamilton Van Horn.jpg

В них вместо заводной пружины использовалась батарейка, а на колесе баланса размещалась катушка индуктивности. При ее прохождении между магнитами, происходило замыкание контактов. В результате этого через катушку направлялся ток. Так формировалось магнитное поле. Оно подталкивало баланс. По сути, мы сейчас описали не электрические, а электромеханические часы, но и это было серьезным прорывом.


Bulova Accutron

Первыми же по-настоящему электрическими были легендарные и известные поныне часы Bulova Accutron. Это наручная модель без привычных баланса и спирали. Ее основной элемент — вилка камертона со встроенными постоянными магнитами. Часовой механизм был оснащен электромагнитными катушками, через которые транзисторная схема инициировала колебания вилки в резонансе. Последняя, в свою очередь, контактировала с колесом храпового типа. Колебания вилки приводили к его смещению на один зуб. В то время колесо считалось чудом инноваций. Оно состояло из 360 зубьев и при этом составляло всего 1 мм в диаметре.


Принцип работы кварцевого осциллятора

Использование кварцевого осциллятора базируется на пьезоэлектрическом эффекте. Его суть заключается в следующем: при деформации (вибрация, сдавливание) твердого тела происходит генерация ЭДС и наоборот, когда подается напряжение, пьезоэлектрик деформируется (расширяется/сдавливается). Пьезосвойства были известны и применялись еще в начале прошлого столетия, преимущественно в радиовещании. Достичь прогресса в этом направлении удалось после Второй мировой войны. Тогда экспериментальным путем создали кристаллические часы для астрономической лаборатории.

Осциллятор состоит из:


  • монокристалла кварца;
  • металлических пластин;
  • контактов, подведенных к пластинам.

В часах используются осцилляторы с кристаллом плоской формы, напоминающим букву «Y» (или «U»). К его плоскостям крепятся металлические пластины. К ним, в свою очередь, подсоединены выводы. Кварц в такой системе выполняет роль диэлектрика. Как работает осциллятор?

При кратковременной подаче электрического заряда на выводы кварцевого резонатора произойдет сжатие кристалла (ЭДС). В момент, когда кварц будет возвращаться в исходную форму, возникнет заряд противоположной полярности (противоЭДС). Это спровоцирует одно или несколько колебаний. Если электрозаряд не подпитывается извне, то колебания будут последовательно затухать. Весь этот процесс происходит очень быстро. При внешней подпитке колебания не будут затухать.

Теперь о том, почему роль осциллятора выполняет резонатор. У кристалла предопределена некая частота колебаний. Если подать на выводы ток, кварц будет выполнять механические колебания, но уже не кратковременно, как при заряде, а постоянно. При этом генерируются ЭДС и противоЭДС. Если же на выводы подается ток с частотой, соответствующей величине резонирования, то потребление электричества будет минимальным. По сути, кварц пропускает через себя частоты, отличные от его резонансной.

Колебания кварцевого кристалла вызывает однотранзисторная или двухтранзисторная схема. При этом частота осциллятора будет очень высокой. Чтобы с его помощью можно было отмерять время, потребуется многокаскадный делитель частоты. Если часы стрелочные, то сигнал от делителя направляется на электромеханический преобразователь. Им может быть камертон с колесом, который приводится в действие за счет электромагнитных импульсов катушки. Альтернативный вариант — вибрационный моторчик. Он образован катушкой, которая раскачивает пружину с защелкой. Она, в свою очередь, дает толчок зубчикам храпового колеса, соединенного со стрелочным индикатором. В современных часах заменой таким электродвигателям становятся микроминиатюрные шаговые двигатели.

Современные часы с кварцевым осциллятором демонстрируют потрясающую точность. Погрешность в годовом измерении не превышает 1 минуты. С одной стороны, это должно способствовать коммерческому успеху. Но есть сдерживающий фактор: высокая стоимость интегральных схем.

Rambler's Top100