Частота часового кварца: Часовые кварцевые резонаторы 32768Гц

Содержание

Кварцевый резонатор | Описание, принцип работы, схемы

Кварцевый резонатор – это радиоэлемент, который используется в радиотехнических цепях для генерации электрических колебаний. В этой статье мы подробно рассмотрим и развенчаем некоторые мифы, связанные с кварцевым резонатором, а также рассмотрим схемы на его основе.

Пьезоэлектрики

На самом деле, кварц – это один из самых распространенных минералов в земной коре. Его доля составляет около 60%! Если полупроводниковые радиокомпоненты в основном делают из кремния, то кварц тоже состоит из кремния но в связке с кислородом. Его химическая формула SiO₂.

Выглядит минерал кварц примерно вот так.

минерал кварц

Ну прямо как сокровище какое-то! Но ценность этого сокровища спрятана не в самом кварце, а в том, каким свойством он обладает. И этот эффект кварца сделал революцию в прецизионной (точной) электронике для генерации высокостабильных колебаний электрического сигнала.

Еще в 19 веке два брата Кюри обнаружили интересное свойство некоторых твердых кристаллов генерировать ЭДС , деформируя эти кристаллы.

Деформация – это изменение формы какого-либо тела с помощью кручения, удара, растяжения и так далее. Так вот, ударяя по таким кристаллам, они обнаружили, что те могут выдавать какое-либо кратковременное напряжение.

пьезоэффект

Но они также обнаружили еще и обратный эффект. При подаче напряжения на такие кристаллы, эти кристаллы деформировались сами. Невооруженным глазом это было практически не заметно. Такой эффект назвали пьезоэффектом, а вещества – пьезоэлектриками.

Следует заметить, что ЭДС возникает только в процессе сжатия или растяжения. Может быть вы подумали, что можно прижать такой кристалл какой-нибудь увесистой болванкой и всю жизнь получать из него энергию? Как бы не так! Кстати, радиоэлемент пьезоизлучатель тоже относится к пьезоэлектрикам, и из него можно получить ЭДС. Ниже можно рассмотреть этот случай на видео. Светодиод, подпаянный к пьезоизлучателю, зажигается при ударе самого пьезоизлучателя.

https://youtu. be/b1kGfBikKTw

Не так давно смотрел фильм по National Geographic. Там целые пьезоэлектрические плиты устанавливали на дороге. По ним ходили люди и вырабатывали электрическую энергию, сами того не подозревая). Кстати, очень халявная, чистая и возобновляемая энергия. Ладно, что-то отвлекся… Так вот, кристаллы кварца тоже обладают пьезоэффектом и способны также вырабатывать ЭДС или деформироваться (изгибаться, изменять форму) под воздействием электрического тока.

[quads id=1]

Кварцевый резонатор

Что представляет из себя кварцевый резонатор

В настоящее время выявлены множество видов кристаллических веществ, но в электронике больше всего используют именно минералы кварца, так как он помимо того, что является пьезоэлетриком, так еще и обладает хорошей механической прочностью.

Резонатор – (от лат. resono – звучу в ответ, откликаюсь) – это система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть

резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы.

Получается, кварцевый резонатор в электронике, а в народе просто “кварц”, – это радиоэлемент, который способен резонировать, если на него подать переменный ток определенной частоты и формы.

Кварцевые резонаторы выглядят примерно так.

виды кварцевых резонаторов

Кварц является диэлектриком. А что будет если тонкий диэлектрик разместить между двумя металлическими пластинами? Получится конденсатор! Конденсатор получается очень маленькой емкости, так что замерить его емкость вряд ли получится. Зато не стали мудрить со схемотехническим обозначением кварца, и на схемах его показывают как прямоугольный кусочек кристалла, заключенный между двумя пластинками конденсатора.

обозначение на схеме кварцевого резонатора

Разобрав кварцевый резонатор, мы можем увидеть воочию сам кристалл кварца. Давайте вскроем кварц советского производства вот в таком корпусе.

Здесь мы видим прозрачный кристалл кварца, размещенный между двумя металлическими пластинками, к которым подпаяны выводы.

что внутри кварцевого резонатора

В маленьких кварцах типа этих

кварцевый резонатор

используются тонкие прямоугольные пластинки кварца. Физический размер и толщина кварцевой пластинки внутри кварцевого резонатора строго должна соблюдаться, так как именно ее габаритные размеры влияют на основную частоту колебаний. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 МГц, так как пластинка получается очень тонкая, что создает трудности при ее изготовлении. Да и держать ее как-то надо в корпусе, не поломав. По идее, можно выжать из кварца частоту и до 200 МГц, но работать такой кварц будет на

обертоне.

Обертоны кварцевого резонатора

Обертоны, или как еще их называют, моды или гармоники – это кратные частоты, выше основной частоты кварца. С помощью фильтров гасят основную частоту кварца и выделяют обертон. В кварцевом резонаторе в режиме обертонов используют

нечетные обертоны. Если основная частота кварца F – это первый обертон, то его рабочие обертоны будут как 3F, 5F, 7F, 9F. Стоит также отметить, что амплитуда обертона убывает с ростом его частоты, поэтому, далее 9 обертона смысла брать уже нет, так как выделять амплитуду маленького сигнала очень проблематично.

Пример: возьмем кварц с частотой в 10 Мегагерц. Тогда мы можем возбудить его на обертонах в 30 Мегагерц (третий обертон), в 50 Мегагерц (пятый обертон), в 70 Мегагерц (седьмой обертон) и максимум в 90 Мегагерц (девятый обертон).

Чтобы хоть как-то понять, что такое обертоны, для примера послушайте основную частоту 110 Герц и ее обертоны.

Схема, которая возбуждает кварц на обертонах, сложная и не очень надежная, так как во-первых, надо “давить” главную частоту кварца и выделять обертон, а во-вторых, кварц может возбудиться в режиме случайных колебаний. На практике все-таки делают схемы с умножением главной частоты кварца, что намного проще и надежнее. Здесь также есть еще одно правило: если частота маркируется в целых числах в Килогерцах – это работа на основной гармонике, а если в Мегагерцах через запятую – это обертонная гармоника. Например: РГ-05-18000кГц – резонатор для работы на основной частоте, а РГ-05-27,465МГц – для работы на 3-ем обертоне.

Последовательный и параллельный резонанс кварца

Очень много мифов ходит по интернету именно о кварцевом резонаторе. Самый популярный миф гласит так: если подать постоянное напряжение на кварцевый резонатор, он будет выдавать переменное напряжение с частотой, которая на нем указана. Насчет “частоты, указанной на нем”, я, может быть, соглашусь, но насчет постоянного напряжения – увы. Кристалл кварца просто сожмется или разожмется). Некоторые вообще до сих пор думают, что кварц сам по себе выдает переменный ток ). Ага, прям вечный двигатель).

Для того, чтобы понять принцип работы кварцевого резонатора, надо рассмотреть его эквивалентную схему:

эквивалентная схема кварцевого резонатора

С – это собственно емкость между обкладками конденсатора. То есть если убрать кристалл кварца, то останутся две пластины и их выводы. Именно они и обладают этой емкостью.

С1 – это эквивалетная емкость самого кристалла. Ее значение несколько фемтоФарад. Фемто – это 10^-15 !

L1 – это эквивалентная индуктивность кристалла.

R1 – динамическое сопротивление, при работе кварца может достигать от нескольких Ом и до нескольких КОм

Можно заметить, что С1, L1 и R1 образуют последовательный колебательный контур, который обладает своей резонансной частотой.

последовательный колебательный контур

Резонансная частота такого контура вычисляется по формуле

формула последовательного резонанса кварцевого резонатора

Но все бы хорошо, но как видите, есть еще в эквивалентной схеме кварцевого резонатора один увесистый конденсатор С, который портит всю малину.

Вся эта схема превращается в сложный параллельный колебательный контур. Резонансная частота такого контура уже будет определяться формулой

формула параллельного резонанса кварцевого резонатора

Поэтому, запомните: каждый кварцевый резонатор может возбуждаться на двух резонансных частотах. На частоте последовательного резонанса и на частоте параллельного резонанса. Если мы видим на кварце вот такую надпись

частота кварцевого резонатора

это говорит нам о том, что частота последовательного резонанса для этого кварцевого генератора составляет 8 МГц. Кварцевые резонаторы в электронике работают именно на частоте последовательного резонанса. На своей практике не припомню, чтобы кто-то возбуждал кварц для работы на частоте параллельного резонанса.

Часовой кварцевый резонатор

Чаще всего часовой кварц выглядит вот так.

“Что еще за часовой кварц?” – спросите вы. Часовой кварц – это кварц с частотой в 32 768 Герц. Почему на нем такая странная частота? Дело все в том, что 32 768 это и есть 2¹⁵. Такой кварц работает в паре с 15-разрядной микросхемой-счетчиком. Это наша микросхема К176ИЕ5.

Принцип работы этой микросхемы такой: после того, как она сосчитает 32 768 импульсов, на одной из ножек она выдает импульс. Этот импульс на ножке с кварцевым резонатором на 32 768 Герц появляется

ровно один раз в секунду. А как вы помните, колебание один раз в секунду – это и есть 1 Герц. То есть на этой ножке импульс будет выдаваться с частотой в 1 Герц. А раз это так, то почему бы не использовать это в часах? Отсюда и пошло название – часовой кварц.

В настоящее время в наручных часах и других мобильных гаджетах этот счетчик и кварцевый резонатор встроены в одну микросхему и обеспечивают не только счет секунд, но и целый ряд других функций, типа будильника, календаря и тд. Такие микросхемы называется RTC (Real Time Clock) или в переводе с буржуйского Часы Реального Времени.

Кварцевый генератор

Что такое генератор? Генератор – это по сути устройство, которое преобразует один вид энергии в другой. В электронике очень часто можно услышать словосочетание “генератор электрической энергии, генератор частоты, генератор функций ” и тд.

Кварцевый генератор представляет из себя генератор частоты и имеет в своем составе кварцевый резонатор. В основном кварцевые генераторы бывают двух видов:

те, которые могут выдавать синусоидальный сигнал

и те, которые выдают прямоугольный сигнал, который чаще всего используется в цифровой электронике.

Схема Пирса

Для того, чтобы возбудить кварц на частоте резонанса, нам надо собрать схему. Самая простая схема для возбуждения кварца – это классический генератор Пирса, который состоит всего лишь из одного полевого транзистора и небольшой обвязки из четырех радиоэлементов:

схема пирса для кварцевого резонатора

Пару слов о том как работает схема. В схеме есть положительная обратная связь и в ней начинают возникать автоколебания. Но что такое положительная обратная связь?

В школе всем вам ставили прививки на реакцию Манту, чтобы определить, если у вас тубик или нет. Через некоторое время приходили медсестры и линейкой замеряли вашу реакцию кожи на эту прививку

Когда ставили эту прививку, нельзя было чесать место укола. Но мне, тогда еще салаге, было по барабану. Как только я начинал тихонько чесать место укола, мне хотелось чесать еще больше)) И вот скорость руки, которая чесала прививку, у меня замерла на каком-то пике, потому что совершать колебания рукой у меня максимум получалось с частотой Герц в 15. Прививка набухала на пол руки)) И даже один раз меня водили сдавать кровь в подозрении на туберкулез, но как оказалось, не нашли. Оно и неудивительно ;-).

Так что это я вам тут рассказываю хохмы из жизни? Дело в том, что эта чесотка прививки самая что ни на есть положительная обратная связь. То есть пока я ее не трогал, чесать не хотелось. Но как только тихонько почесал, стало чесаться больше и я стал чесать больше, и чесаться стало еще больше и тд. Если бы на мою руку не было физический ограничений, то наверняка, место прививки уже бы стерлось до мяса. Но я мог махать рукой только с какой-то максимальной частотой. Так вот, такой же принцип и у кварцевого генератора ;-). Чуть подал импульс, и он начинает разгоняться и уже останавливается только на частоте параллельного резонанса ;-). Скажем так, “физическое ограничение”.

Первым делом нам надо подобрать катушку индуктивности. Я взял тороидальный сердечник и намотал из провода МГТФ несколько витков

тороидальная катушка индуктивности

Весь процесс контролировал с помощью LC-метра, добиваясь номинала, как на схеме – 2,5 мГн. Если не доставало, прибавлял витки, если перебарщивал номинал, то убавлял. В результате добился вот такой индуктивности.

измерение индуктивности

Транзистора у меня в загашнике не нашлось, и в местном радиомагазине его тоже не было. Поэтому, пришлось заказывать на Али. Кому интересно, брал здесь.

Его правильное название: транзистор полевой с каналом N типа.

транзистор 2n5485Распиновка слева-направо: Сток – Исток – Затвор

Ну а дальше дело за малым. Собираем схемку:

Небольшое лирическое отступление.

Как вы видите, я пытался максимально сократить связи между радиоэлементами. Дело все в том, что все радиоэлементы имеют свои паразитные параметры. Чем длиннее их выводы, а также провода, соединяющие эти радиоэлементы в схеме, тем хуже будет работать схема, а то и вовсе “не зафурычит”. Да и вообще, схемы с кварцевым резонатором на печатных платах трассируют не просто так от балды. Здесь есть свои тонкие нюансы. Мельчайшие паразитные параметры могут испоганить весь сигнал на выходе такого генератора.

Итак, кварцевый генератор мы собрали, напряжение подали, осталось только снять сигнал с выхода нашего самопального генератора. За дело берется цифровой осциллограф OWON SDS6062

Первым делом я взял кварц на самую большую частоту, которая у меня есть: 32 768 Мегагерц. Не путайте его с часовым кварцем (о нем пойдет речь ниже).

Не, ну а что вы хотели? Хотели увидеть идеальную синусоиду? Не тут-то было. Сказались паразитные параметры плохо собранной схемы и монтажа.

Внизу в левом углу осциллограф нам показывает частоту:

Как вы видите 32,77 Мегагерц. Главное, что наш кварц живой и схемка работает!

Давайте возьмем кварц с частотой 27 МГц.

Частоту тоже более-менее показал верно.

Ну и аналогично проверяем все остальные кварцы, которые у меня есть.

[quads id=1]

Вот осциллограмма кварца на 16 МГц.

Осциллограф показал частоту ровно 16 МГц.

Здесь поставил кварц на 6 МГц.

Ровно 6 МГц!

На 4 МГц.

Все ОК.

Ну и возьмем еще советский на 1 Мегагерц. Вот так он выглядит.

Сверху написано 1000 КГц = 1МГц.

Смотрим осциллограмму.

Рабочий!

При большом желании можно даже замерять частоту китайским генератором-частотомером.

измерение частоты частотомером

400 Герц погрешность для старенького советского кварца не очень и много, хотя дело может быть даже не кварце, а в самом частотомере.

[quads id=1]

Схема Пирса для прямоугольного сигнала

Итак, вернемся к схеме Пирса. Предыдущая схема Пирса генерирует синусоидальный сигнал

Но также есть видоизмененная схема Пирса для прямоугольного сигнала

А вот и она:

схема Пирса для меандра

Номиналы некоторых радиоэлементов можно менять в достаточно широком диапазоне. Например, конденсаторы С1 и С2 могут быть в диапазоне от 10 и до 100 пФ. Тут правило такое: чем меньше частота кварца, тем меньше должна быть емкость конденсатора. Для часовых кварцев конденсаторы можно поставить номиналом в 15-18 пФ. Если кварц с частотой от 1 до 10 Мегагерц, то можно поставить 22-56 пФ. Если не хотите заморачиваться, то просто поставьте конденсаторы емкостью в 22 пФ. Точно не прогадаете.

Также небольшая фишка на заметку: меняя значение конденсатора С1 можно настраивать частоту резонанса в очень тонких пределах.

Резистор R1 можно менять от 1 и до 20 МОм, а R2 от нуля и до 100 кОм. Тут тоже есть правило: чем меньше частота кварца, тем больше значение этих резисторов и наоборот.

Максимальная частота кварца, которую можно вставить в схему, зависит от быстродействия инвертора КМОП. Я взял микросхему 74HC04. Она не слишком быстродействующая. Состоит из шести инверторов, но использовать мы будем только один инвертор.

Вот ее распиновка:

Подключив к этой схеме часовой кварц, осциллограф выдал вот такую осциллограмму:

Ну как всегда всю картинку испортили паразитные параметры монтажа. Но, обратите внимание на частоту. Осциллограф почти верно ее показал с небольшой погрешностью. Ну оно и понятно, так как главная функция осциллографа отображать сигнал, а не считать частоту)

Кстати, вам эта часть схемы ничего не напоминает?

Не эта ли часть схемы используется для тактирования микроконтроллеров?

Она самая! Просто недостающие элементы схемы уже есть в самом МК 😉

Схема Колпитца

Это также довольно распространенная и знаменитая схема.

схема Колпитца

За основу взять схема усилителя с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Здесь все как обычно. Резисторы R1 и R2 устанавливают рабочую точку для транзистора. Резистор R_Eустанавливает уровень выходного напряжения. Транзистор NPN 2N4265 может работать на частотах до 100 МГц, поэтому его и взяли. Эта схема будет работать с кварцами в диапазоне от 1 и до 5 МГц.

Готовые модули кварцевых генераторов

В настоящее время кварцевые генераторы выпускают в виде законченных модулей. Некоторые фирмы, производящие такие генераторы, достигают частотной стабильности до 10^-11 от номинала! Выглядят готовые модули примерно так:

виды кварцевых генераторов

или так

Такие модули кварцевых генераторов в основном имеют 4 вывода. Вот распиновка квадратного кварцевого генератора:

распиновка кварцевого генератора

Давайте проверим один из них. На нем написано 1 МГц

кварцевый генератор на 1 МГц

Вот его вид сзади.

Подавая постоянное напряжение от 3,3 и до 5 Вольт плюсом на 8, а минусом на 4, с выхода 5 я получил чистый ровный красивый меандр с частотой, написанной на кварцевом генераторе, то бишь 1 Мегагерц, с очень небольшими выбросами.

сигнал с кварцевого генератора

Ну прям можно залюбоваться).

Да и китайский генератор-частотомер показал точную частоту.

Отсюда делаем вывод: лучше купить готовый кварцевый генератор, чем самому убивать кучу времени и нервов на наладку схемы Пирса или Колпитца. Схема Пирса будет пригодна для проверки резонаторов и для ваших различных самоделок, хотя на Алиэкспрессе встречал готовый проверяльщик кварцевых резонаторов, способный замерять частоту кварцев от 1 и до 50 МГц. Посмотреть можете по этой ссылке.

Плюсы кварцевых генераторов

Плюсы кварцевых генераторов частоты – это высокая частотная стабильность. В основном это 10^-5 – 10^-6от номинала или, как часто говорят, ppm (от англ. parts per million) — частей на миллион, то есть одна миллионная или числом 10^-6. Отклонение частоты в ту или иную сторону в кварцевом генераторе в основном связано с изменением температуры окружающей среды, а также со старением кварца. При старении кварца, частота кварцевого генератора стает чуточку меньше с каждым годом примерно на 1,8х10^-7от номинала. Если, скажем, я взял кварц с частотой в 10 Мегагерц ( 10 000 000 Герц) и поставил его в схему, то за год его частота уйдет примерно на 2 Герца в минус 😉 Думаю, вполне терпимо.

Смотрите подробное видео про кварцевый резонатор:

Устройство кварцевых часов и принцип работы кварцевого резонатора | Часовой блог

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.

Резонанс

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.

Микроконтроллер

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.

/ Статьи / Timeseller

По имени кварц

Несмотря на господство кварцевых часов на рынке, большинство людей, имеющих отношение к часовому делу, даже приблизительно не представляют себе, что такое кварц. В лучшем случае, мастера-ремонтники могут опознать его непосредственно в часах. Так что рассказ о нем, на наш взгляд, будет совсем не лишним.

Туманная личность

Сегодня узнать время нам помогают сотни самых разных приборов. Но как бы ни назывался такой прибор, какую бы форму и размеры он ни имел, с вероятностью 90% можно утверждать, что внутри него работает кварцевый генератор. Причин того, что кварцевые генераторы завоевали мир, несколько:

— кристалл кварца дешев в производстве;
— кварцевый генератор по своей эквивалентной схеме является обычным радиотехническим устройством и может быть легко внедрен в любую радиосхему;
— свойства кварца максимально стабильны во времени и достаточно стабильны в обычных для человека условиях.

Природа колебания

Работа кварцевого генератора основана на пьезоэлектрическом эффекте. В физике так называется эффект возникновения разности потенциалов (напряжения) на противоположных сторонах какого-либо кристалла при приложении к нему механического воздействия. Помимо прямого существует и обратный пьезоэффект, когда под воздействием напряжения происходит механическая деформация кристалла.

Обычно масштаб пьезоэффекта невелик и составляет мизерные доли процента. Тем не менее пьезоэффект широко применяется в технике. На нем основана работа многих устройств — от очень сложных до таких привычных, как проигрыватель грампластинок.

Одним из минералов, обладающих ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом, является кварц. Если к кристаллу кварца приложить электрическое напряжение, то под воздействием обратного пьезоэлектрического эффекта он деформируется. Если затем напряжение убрать, то в кристалле возникнут колебания — электрическая энергия будет преобразовываться в механическую и обратно. Это чем-то похоже на колебания маятника, когда кинетическая энергия движущегося маятника позволяет ему подняться относительно нижней точки и превращается в потенциальную, а затем происходит обратное превращение.

Так как при деформации кристалла часть энергии выделяется в виде тепла, колебания постепенно затухнут. Скорость затухания колебаний определяется тем, насколько кристаллическая решетка кварца близка к идеальной.

Каждый кристалл имеет собственную частоту колебаний, или резонансную частоту, которая зависит от его формы и физических размеров. Подбирая форму и размеры кристалла, можно получить любую заданную резонансную частоту.

Кристалл кварца, «упакованный» в металлический корпус с выведенными наружу контактами, называют кварцевым резонатором. Именно этот «бочонок» мы и видим внутри часов. Кварцевый резонатор является основой генератора, вырабатывающего колебания постоянной частоты. Основываясь на этих колебаниях, электронная схема посылает импульсы на шаговый двигатель, который через систему колес вращает стрелки часов.

В принципе, кварцевый резонатор может быть заменен обычным колебательным контуром, схема которого приведена на рисунке 1. Однако кварц занимает гораздо меньше места и имеет более выраженный пик резонансной частоты. К тому же температурная и временная стабильность индуктивно-емкостной цепочки на 3–4 порядка хуже, чем у кварца.

Подкорректируем

Резонансная частота кристалла кварца является величиной постоянной. Но итоговая частота, вырабатываемая кварцевым генератором, в небольших пределах может быть отрегулирована. Все способы корректировки частоты генератора основаны на наличии дополнительных устройств, подключенных к выводам резонатора. В простейшем случае для калибровки используются постоянные или переменные конденсаторы (емкости), включаемые в схему различными способами (см. рисунки 2 и 3).

В первом случае в схеме часов есть некоторый набор емкостей, которые могут быть подключены с помощью так называемой решетки. Замыкая между собой с помощью припоя или распаивая соседние гребенки, мы можем подключить одну или несколько емкостей. Таким образом мы варьируем шунтирующую емкость и влияем на частоту системы КВАРЦ + ШУНТ, которая и является частотой генератора.

Во втором варианте в схему встроен конденсатор переменной емкости — триммер. Его емкость можно изменять, вращая подстроечный винт обычной керамической отверткой. Это позволяет настроить часы до точности +/– 0,01 секунда/день. Но триммер удорожает механизм часов, к тому же, как и любая дополнительная деталь, он не добавляет надежности.

Вопрос корректировки частоты кварцевого генератора был актуален на заре кварцевой эры. Тогда еще не удавалось обеспечить должную точность изготовления кристаллов кварца, и триммеры с гребенками были необходимы для подстройки частоты генератора в часах. В настоящее время проблемы с обеспечением точности резонаторов решены, и большинство производителей отказались от использования триммеров. Соответственно, если механизм не имеет гребенки и триммера, то мастер лишен какой-либо возможности регулировать точность часов.

О влияниях…

Мы уже говорили, что резонансная частота кварцевого резонатора определяется его физическими характеристиками и фиксируется при изготовлении кристалла. Однако в процессе эксплуатации она может несколько меняться. Больше всего на нее влияют температура и время. Соответственно, двумя важнейшими характеристиками кварцевого генератора являются температурная и временная стабильность частоты. Именно от них зависит точность хода кварцевых часов.

Величины этих двух важнейших характеристик выражаются в миллионных долях (10-6 или ppm). Отклонение в 1 ppm на языке часов дает отклонение точности в 0,388 секунд в месяц. Стандартной точности в +/– 20 секунд в месяц будет соответствовать отклонение частоты в 51,5 ppm. Временное отклонение в свойствах всегда приводится для первого года службы (почему — мы расскажем чуть позже).

В зависимости от производителя и цены, кварцевые резонаторы обычных серийных часов в диапазоне температур –10/+60 градусов имеют отклонение в пределах от +/–30 ppm до +/–50 ppm. Временное отклонение для кварцевых генераторов обычно составляет от +/–2 до +/–7 ppm/год. У специальных резонаторов, используемых в швейцарских приборах измерения точности хода часов, эти характеристики на порядок выше.

… и борьбе с ними

С фактором «старения» кварца, к сожалению, ничего поделать нельзя: с течением времени резонансная частота кристалла постепенно «уходит» от первоначальной.

К счастью, это отклонение не столь значительно и в наибольшей степени проявляется в первые год-полтора после начала использования резонатора. Поэтому все фирмы, производящие калибровочное оборудование для часов, используют в нем искусственно состаренные кристаллы. Два года их «гоняют» на специальном стенде, после чего отбирают те, свойства которых остались в пределах нормы. Это позволяет практически исключить временной фактор или снизить его влияние в несколько раз, до уровня менее +/–1 ppm/год. Другими словами, за год ошибка составит не более 0,388 секунды в месяц, что для часов не страшно.

В отличие от временного фактора, справиться с влиянием температуры вполне реально. Для этого используют два основных приема. Первый — термостабилизация, когда за счет различных ухищрений пытаются обеспечить кристаллу постоянный температурный режим. Второй — термокомпенсация, когда в часы встраивают специальные электронные схемы, компенсирующие погрешность, возникающую при изменении температуры.

Термостабилизацию активно используют, например, в приборах проверки точности хода часов. В них резонаторы изолируют от внешней среды и оснащают системой поддержания постоянной температуры или, попросту, обогревом. Такие приборы выходят на рабочий режим через несколько минут после включения — кварц необходимо нагреть до нужной температуры. Этот способ весьма надежен, и единственным его недостатком в стационарных условиях является время выхода прибора «на режим».

Однако данный вариант не пригоден для использования в компактных и автономных устройствах, например в наручных часах: термоизолятор и нагреватель занимают достаточно много места, к тому же для работы нагревателя требуется дополнительная энергия. Там используют другой прием — термокомпенсацию.

Термический эффект в той или иной степени проявляется у любых радиодеталей, однако у целой группы материалов эти свойства выражены активнее. На их основе обычно разрабатывают схемы измерения температуры, термокомпенсации и т.п. Например, наслаждаться показаниями термометра в будильниках WENDOX мы можем благодаря специальному терморезистору, сопротивление которого сильно меняется при изменении температуры. Сейчас все большее количество производителей выпускают механизмы со схемами термокомпенсации. В них к резонатору добавляется специальная шунтирующая схема, имеющая тот же самый по значению и обратный по знаку термический эффект. Она работает как бы в противовес термическим свойствам резонатора. Благодаря этому удается уменьшить температурное отклонение частоты в несколько раз, а иногда и на порядок. Именно схемы термокомпенсации позволяют часам Grand Seiko, Breitling SuperQuartz демонстрировать точность на уровне 5–7 секунд в год.

В заключении рассказа о компенсации термоэффектов хочется сказать, что термостатирование обеспечивает гораздо большую стабильность частоты, чем термокомпенсация, и именно поэтому оно всегда останется актуальным.

К сожалению, размер статьи позволил рассказать только самое главное об основе кварцевых часов — о резонаторе. За рамками обзора осталось очень много интересного: история кварцевых часов, зависимость частоты кристалла от формы и т.п. Вот такая это непростая штука — кварц…

Александр ФЕДИЧКИН, Компания «Часовой сервис»

Опубликовано в журнале «Часовой Бизнес» № 1-2005

Автор: При перепечатке активная ссылка на источник обязательна
При перепечатке активная ссылка обязательна

Кварцевые часы

Это часы с кристаллом кварца в качестве колебательной системы. Они могут быть электромеханическими со стрелочной индикацией времени и электронными с цифровой индикацией.

Как работают кварцевые часы

Принцип работы основан на химических свойствах кварца. Этот минерал – пьезоэлетрик: под воздействием электричества в часовых схемах он колеблется (вибрирует) с частотой 32 768 раз в секунду. Микросхема подсчитывает количество вибраций и использует их для генерации регулярных электрических импульсов один раз в секунду. Импульсы подаются на жидкокристаллический дисплей электронных часов или управляют шаговым двигателем часовой схемы, преобразуя электрическую энергию в механическую. Далее вращательное движение передается колесному механизму, и его шестерни приводят в движение стрелки часов.

Источник тока в кварцевых часах – батарейка. В наручных моделях используется кнопочный элемент питания.

1 – Батарейка

2 – Блок кварцевого генератора

3 – Шаговый двигатель

4 – Колесный механизм

Чтобы кварц под действием тока колебался с нужной частотой, в схемы помещают U-образный кристалл определенного размера. Количество колебаний – не случайное число. Если использовать 15-разрядный двоичный счётчик и подать на него частоту в 32 768 колебаний, именно это число даст интервал времени в 1 секунду. Большее количество разрядов двоичного кода нецелесообразно с точки зрения распределения ресурсов.

Несколько фактов о кварцевых часах

Первые наручные кварцевые часы выпустила японская компания Seiko в 1969 году.

Часы с кварцевым кристаллом довольно точные – они отстают или уходят вперед не более чем на 20 секунд в месяц.

Их не нужно заводить каждый день. Достаточно проверять точность хода один раз в год.

Кварц со временем стирается, и часы изнашиваются. Но деградация кристалла занимает несколько десятилетий – точных цифр пока нет. Все изнашиваемые детали можно заменить.

Кварц. От рассвета до заката

В этом году кварцевый механизм вступает в по-настоящему зрелый возраст – ему исполняется 40 лет. Отличный повод вспомнить, как и зачем он появился на свет.

Голова 21-летнего ученого Пьера Кюри целиком была занята вопросами симметрии в строении вещества. Вместе со старшим братом Жаком они проводили эксперименты над полудрагоценным минералом турмалином, подвергая кристалл внешним воздействиям. Они заметили, что изменение размеров кристалла после нагрева или охлаждения сопровождалось возникновением на его гранях электрических зарядов, противоположных по знаку, то есть образованием разности потенциалов, или напряжения. Так в 1880 году молодыми французскими гениями был открыт прямой пьезоэлектрический эффект. Через год они же доказали существование обратного эффекта: оказалось, электрическое поле заставляет кристалл деформироваться. Благодаря неуемному желанию человечества прогрессировать спустя 90 лет это открытие пронесется по швейцарской часовой индустрии таким разрушительным торнадо, что на ее фоне нынешний кризис кажется лишь легким ветерком.

Скучная добродетель
Все-таки, как не крути, лень или реклама здесь ни при чем. Истинным двигателем прогресса было и будет соревнование. Главный олимпийский девиз «Citius, Altius, Fortius» — вот что заставляет нас каждый день двигаться вперед и вверх. А в отношении техники этот принцип смело можно возводить в квадрат: наряду с непрекращающимся развитием стремительно растет скорость прогресса. Яркий тому пример – всемирная компьютерная сеть Internet, которая настолько тесно опутала нашу работу и досуг, что остается лишь искренне удивляться, как же раньше люди жили без этого чуда. Кроме всего прочего эта паутина становится мощным источником новых терминов, проникающих в наше общение. Один из них – «холивар» (от англ. holy war – священная война) – обозначает бесплодную полемику, в которой участники активно пытаются навязать друг другу свою точку зрения. Классическим холиваром последнего десятилетия стала тема «механические часы vs кварцевые часы».

Этот популярный спор людей, придерживающихся принципиально разных взглядов, в котором обе стороны вряд ли когда-нибудь воспримут аргументы оппонентов, заставляет задуматься над другим вопросом: как же получилось что кварцевые часы, которые, по сути, являлись миру как усовершенствование механических, в результате встали им в оппозицию?

Конечно же, по логике прогресса кварцевые часы должны были полностью искоренить механические, оставив им лишь небольшую специфическую нишу рынка, как это произошло, например, с компьютерами и пишущими машинками. Потому что кварц не просто точнее, дешевле и надежнее – он открывает больше возможностей для миниатюризации и роста функциональности часов. Однако производителям механики удалось извернуться и перевести разговор из технической в идеологическую плоскость. Никто не отрицает достоинств кварцевого механизма. Но говорить о нем в приличном обществе – скучно, как о добродетельных женах.

Потому что кажется, будто кварц уже не обещает никаких открытий и неожиданных сюрпризов. Но так ли это? Ведь историю рождения, молодости и взросления этого устройства можно назвать какой угодно, только не скучной.

Certius, certius, certius
Если мы попытаемся вспомнить, что часы когда-то были, да и сейчас иногда остаются прибором для измерения времени, то в олимпийский часовой девиз следует добавить Certius – «точнее». А заодно разобраться в том, от чего она зависит.

Очень грубо можно представить, что часы состоят из двух узлов: осциллятора – некоей системы, совершающей периодические колебания, — и счетчика, который подсчитывает эти колебания и преобразует их во вращение стрелок. Так вот, за точность в таких упрощенных часах отвечает колебательная система: чем равномернее ее колебания, тем меньшую ошибку дают часы. А эта равномерность в свою очередь связана с частотой колебаний: чем она выше, тем меньшее влияние на точность хода оказывают всевозможные внешние возмущения.

Сердцем наручных механических часов является колебательная система «баланс-спираль». Ее частота что сегодня, что 40 лет назад, варьировалась в пределах от 18 000 полуколебаний в час (2,5 Гц) до 36 000 полуколебаний в час (5 Гц), что позволяет обеспечить точность часов +40/-20 секунд в сутки.

В кварцевых часах таким осциллятором является кварцевый резонатор – герметичный контейнер со специально изготовленным кристаллом кварца и подведенными к нему электродами. Кварц, который дал имя этому виду часов, обладает прямым и обратным пьезолектрическим эффектом: при пропускании через кристалл электрического тока он сжимается, но при деформации сам создает электрическое поле. При этом каждый кристалл обладает собственной (механической) частотой резонанса. Если частота подаваемого напряжения равна или близка к собственной частоте механических колебаний кристалла, то он стабилизирует колебания в цепи на этой резонансной частоте. Причем стабильность частоты будет на несколько порядков выше, чем в цепи с известным по школьным урокам физики колебательным контуром из катушки и конденсатора.

В большинстве современных часов используются резонаторы с частотой 32 768 Гц, что в 8 000 раз выше частоты колебаний осциллятора механических часов — работать с такой скоростью не может ни один механический узел. Благодаря этому кварцевые часы имеют погрешность в среднем +/- 20 секунд в месяц. Не удивительно, что кварцевые часы с разгромным счетом выиграли у «механики» хронометрическое соревнование, не оставив ей ни малейших шансов на реванш.

Проект Х
Электротехническая революция 1870-1914 годов вывела скорость эволюции человечества на немыслимый ранее уровень. Сделанные во второй половины XIX века фундаментальные открытия свойств электричества и различных явлений в скором времени нашли практическое применение. Электрические батареи, электромагниты, электрическое освещение, телеграф, телефон, трансатлантический кабель, электродвигатели, электрогенераторы и электротранспорт – голова шла кругом от открывающихся возможностей. Электричество, все сильнее вторгавшееся во все области жизни человека, не могло обойти и часовое дело. Первые прототипы электрических часов стали появляться в первой четверти XX века, но потребовалось несколько десятилетий, чтобы добиться требуемой миниатюризации технологий и возможности их коммерческого использования.

Соревнование с целью первой наладить массовый выпуск электрических часов выиграла компания Hamilton Watch (Ланкастер, США). В апреле 1957 года она представила две модели «часов будущего» – Ventura и Van Horn – которые комплектовались механизмом Hamilton 500. Этот калибр стал результатом более чем 10-летних исследований и разработок в рамках «Проекта X», над которым американцы работали в сотрудничестве с немецкой компанией Epperlein. Место, традиционно отводимое заводной пружине, в новом механизме заняла батарейка. Но главным отличием новинки от традиционных часов была закрепленная на колесе баланса катушка индуктивности. В тот момент, когда она проходила между двумя постоянными магнитами, маленький штырек на балансе замыкал контакты, через катушку протекал ток, и возникающее магнитное поле подталкивало баланс. Таким образом, первые в мире электрические наручные часы были электромеханическими: подача энергии осуществлялось благодаря обычным контактам. Источником энергии служила батарейка.

Обе модели имели огромный успех. Всего компанией Hamilton за период с 1957 по 1969 годы было выпущено около 42 000 электрических часов. В 1970 году бренд Hamilton был продан SSIH (прародительнице нынешней Swatch Group).

Первые европейские электрические часы от французской компании Lip также были электромеханическими, хотя их конструкция существенно отличалась от американской. В противоположность Hamilton, в механизме R 57 катушка была закреплена на платине, а постоянный магнит — на колесе баланса. Контактом, замыкавшим электрическую цепь, служил сам обод баланса, на котором для этого были сделаны специальные выступы. При замыкании цепи на катушку подавался ток, и она притягивала магнит, расположенный на балансе. Таким образом, в ходе каждого колебания баланс получал импульс. Недостатком конструкции было искрение контактов, которое сокращало срок их эксплуатации. Несколько рабочих моделей R 57 были представлены на Базельском часовом салоне еще в 1955 году, и именно Lip считаются первыми в мире наручными электромеханическими часами. Однако на рынок модель Electronic с механизмом R 57 поступила позже Hamilton: ее продажи во Франции стартовали только в декабре 1958 году. Интересно также то, что хотя часы и назывались «Электроник», в основной функциональной цепи они не имели электронных компонент — несколько деталей были использованы только для защиты от искрения. Вероятно, французам очень хотелось, чтобы модель считалась электронной, так как за год до упомянутой премьеры им покорился еще один рекорд в этой сумасшедшей гонке: на Salon International d’Horlogerie адаптированный вариант механизма R 57 стал первым в мире транзисторным механизмом наручных часов.

И, все-таки, несмотря на определенный коммерческий успех электромеханических часов, они не обеспечили прорыва на качественно новый уровень. Применение контактов предопределяло невысокий ресурс механизма, а низкая частота колебаний балансового колеса не давала возможности добиться существенно более высокой точности, чем у традиционных наручных механических часов. Для прорыва требовался принципиально новый осциллятор и система управления его колебаниями. И первая «ласточка» была не за горами.

Замена колесу
Отмашкой для старта тотального проникновения электроники во все сферы жизни человека стало изобретение в 1947 году в лаборатории Bell Labs транзистора. К тому моменту электронные лампы как прибор для усиления сигналов и управления электронными цепями использовались уже давно, и часовщики даже успели создать несколько конструкции электронных часов, в том числе – не базе кварцевого резонатора. Но те устройства – как и ламповые радиоприемники — были весьма громоздкими и потребляли изрядное количество энергии. Транзистор позволил создать первые электронно-механические часы, в которых управление колебаниями осуществлялось бесконтактным способом.

Автором прорыва в вопросе повышении частоты в наручных часах стал выдающийся швейцарский инженер Макс Хетцель (Max Hetzel), который по заказу Bulova Watch Company Switzerland первым использовал в часах транзистор. Так 10 октября 1960 года появились на свет легендарные Bulova Accutron – первые в мире часы, которые заслуженно можно именовать электронными. Их механизм состоял всего лишь из 27 частей, только 12 из которых были движущимися! Эта сухая статистика ошеломляла, так как обычный механизм с автоподзаводом того времени включал минимум 136 частей, из которых 26 были движущимися. Однако самым поразительным фактом была неимоверная точность новинки, которая била все мыслимые и немыслимые стандарты для наручных моделей того времени. Accutron давал погрешность лишь +/- 2 секунды в день, или минуту в месяц. Такая беспрецедентная точность хода достигалась благодаря замене привычной системы «баланс-спираль» на осциллятор-камертон, который совершал 360 колебаний в секунду, то есть работал на частоте 360 Гц. Для сравнения, первые электрические часы работали с балансовым колесом с частотой 2.5 Гц или, позже, 4 Гц.

Bulova Accutron были не только первыми действительно электронными наручными часами, но и первой моделью, где отсутствовали традиционные баланс и спираль. Главной деталью механизма была миниатюрная вилка камертона – внешне очень похожая на тот, что используют музыканты. В обе консоли вилки были встроены постоянные магниты, а механизм содержал электромагнитные катушки. Транзисторная схема вырабатывала электрические колебания, близкие к 360 Гц, и через катушки вызывала резонансные колебания вилки. Вилка через толкатель взаимодействовала с храповым колесом, при каждом колебании поворачивая его на один зуб. Кстати, настоящим чудом техники считался вовсе не камертон и не транзистор, а именно это колесо: при диаметре один миллиметр оно имело 360 зубьев высотой около 1/100 мм каждый!

Bulova Accutron пользовались фантастической популярностью: за период с 1960 по 1973 было продано более 4 миллионов экземпляров данной модели. Камертонные часы неоднократно летали в космос, бывали на Луне, заслуженно получив прозвище «космический камертон». Выдающийся успех первых электронных часов увековечен в эмблеме компании Bulova.

Часы Accutron стали классическим примером того, как чермез много десятков и сотен лет на свет извлекаются блестящие идеи прошлого, которые лишь ждали, когда технические возможности часовщиков позволят их реализовать. Годом рождения самого камертона считается 1711, но в основном его колебательные свойства имели применение лишь в музыке, а использование в часовом деле не заходило дальше проб. Первый прототип механизма с механическим камертоном был разработан и запатентован никем другим, как Луи Бреге, внуком великого часовщика, в 1866 году во Франции, однако известно о существовании лишь единственного экземпляра тех часов.

Приручение электричества
В 1966 Хетцель возвращается из США в Швейцарию и начинает сотрудничество с компанией Ebauches SA (прародительница современной мега-фабрики ETA). Заключив договор на использование патента Bulova Accutron и обратившись за помощью к специалистам из Dubois Depraz SA, 11 мая 1972 года Ebauches SA (сокращенно ESA) выпускает первый в мире электронный хронограф – Swissonic 100 Chronograph с калибром Mosaba 9210.

Между прочим, советская часовая промышленность того времени шагала в ногу с техническим прогрессом остальной планеты. В начале 1960-х «2-й Московский часовой завод» («Слава») и «Петродворцовый часовой завод» выпускали электромеханические наручные часы под маркой «Электрические» (реф. 114-ЧН), их конструкция повторяла основные черты Hamilton 500. Первые камертонные часы в СССР были выпущены в 1962 году на «2-м Московском часовом заводе». «Слава Транзистор» копировал большинство технических решений Bulova Accutron. Интересно, что длительное время не удавалось наладить выпуск того самого храпового колеса надлежащего качества, которое было важнейшим звеном механизма преобразования колебаний камертона во вращение стрелок. И виной тому было вибрация, создаваемая московским метро. Соответственно проблема была решена выносом производства за пределы столицы.

После изобретения транзисторов достаточно малого размера, которые могли бы поместиться в корпусе наручных часов, наряду с камертонными часами компания ESA стала выпускать механизмы с привычной колебательной системой спираль-баланс, но колебанием этой системы управлял транзистор, выполняющий функцию переключателя. Этот механизм получил название ESA Dynotron и стал массово выпускаться в 1968 году. Частота колебаний осциллятора первоначально составляла 3 Гц, а позже была увеличена до 4 Гц. Естественно, такие механизмы получили огромное количество хронометрических сертификатов.

ESA продавала эти механизмы фабрикам, которые потом помещали их в свои корпуса и продавали готовые часы. Практически одновременно со швейцарцами подобные транзисторные часы были разработаны немцами (Junghans 600, этот механизм был скопирован в советских Луч 3045) и японцами (Citizen X-8, работал на частоте 6 Гц).

Из этого рассказа может показаться, что прогресс в деле проникновения электроники в наручные часы был значительным. Так оно и было, если не оглядываться на то, что происходило в часах интерьерных, где конструкции и технологии обскакали «наручку» на две головы. Пока Hamilton, Bulova и прочие баловались с всевозможными магнитно-камертонными конструкция, в стационарных моделях давно использовался кварцевый резонатор.

От баланса к кристаллу
Впервые идею так называемых кристаллических часов выдвинули в 1927 году американские физики Моррисон, Гортон и Лэк. Проблемы стабилизации частоты радиопередатчиков и измерения нерегулярности вращения Земли требовали создания более точного стандарта времени, чем существовавшие тогда маятниковые часы. В уже упоминавшейся лаборатории Белла они построили кварцевый эталонный генератор частоты, для работы которого использовался обратный пьезоэффект. Представленные ими в 1932 году первые кварцевые стационарные часы работали на частоте 50 000 Гц и давали точность 20 мс (0,02 секунды) в день. Добиться столь высоких показателей позволили свойства кварца и высокая частота его колебаний. В течение следующих 15 лет кварцевые стационарные часы стали использоваться лабораториями по всему миру как эталон времени, сменив на этом посту маятниковые часы Шорта.

Оценив перспективы нового подхода, часовые компании одна за другой бросились представлять прототипы и работающие экземпляры механизмов на базе кварцевого генератора. Помимо собственно генератора, сердцем которого был кристалл кварца, эти модели содержали так называемый «делитель частоты» — электронную схему, понижавшую частоту колебаний с нескольких тысяч герц до 10 Гц или 1 Гц, и импульсы этой частоты подавались на шаговый двигатель, приводивший в движение стрелки. Чем выше была исходная частота, т.е. точность, – тем большее количество каскадов электронных ламп приходилось размещать в делителе. Разумеется, о том, чтобы поместить такой шкаф на руку, не могло быть и речи. Например, первые кварцевые часы от Longines, выигравшие приз Обсерватории Невшатель в 1954 году, весили 53 кг!

Изобретение транзисторов позволило заменить ими ламповые триоды в качестве делителей частоты, что существенно уменьшило размер кварцевых часов. Тем не менее, до наручных моделей было еще далеко. Даже с использованием транзисторов делитель частоты представлял собой электронный блок, состоящий из многих десятков деталей и потреблявший изрядное количество энергии.

Однако основной принцип был понятен, оставалось напряженно работать над уменьшением размеров, понижением энергопотребления, стоимостью производства и сроком жизни батареи и кристалла.

Забег электроников
Началась безжалостная конкурентная гонка со всеми ее обязательными атрибутами: промышленным шпионажем и переманиванием специалистов, удачными находками и оглушительными провалами. Олимпийский девиз часовщиков стал чуть другим: «быстрее, точнее, меньше». Швейцарские производители не собирались мириться с явно вырывающимися вперед в вопросах точности американцами и японцами (Seiko). Полем сражения стала Невшательская обсерватория, в которой регулярно проводились соревнования точности хронометров в разных категориях. На кон были поставлены всемирное признание со всеми вытекающими моральными и финансовыми благами. События развивались настолько стремительно, что напоминали мелькание кадров кинохроники. Итак:

1955 год – американская компания Brush производит первый синтетический кристалл кварца. Теперь становится возможным выпуск идентичных кристаллов в больших количествах.
1956 – Patek Philippe, прозорливо создавшая сразу после открытия транзистора электронное подразделение, выпускает первый прототип полностью электронных кварцевых часов.
1959 — Джек Килби получает патент на первую в мире микросхему, что открывает путь к миниатюризации электронной части часов.
1960 – на Базельской выставке кварцевые часы представляют Ulysse Nardin и ESA.
1962 – Seiko производит свои первые кварцевые часы. Проект создания японских наручных кварцевых часов получает название Quartz Astron. Против общего мощного врага надо было действовать сообща, и в том же году 20 швейцарских брендов организовывает новую исследовательскую лабораторию CEH (Centre Electronique Horloger) для разработки электронных наручных часов Beta 21.
1963 – кварцевые часы ESA и Ulysse Nardin выигрывают первый приз в соревнованиях точности в секции «кварцевые часы объемом до 1 литра».
1964 – Longines и Bernard Golay S.A. (также швейцарцы) представляют в Обсерватории Невшатель первые маленькие кварцевые часы в категории «морской хронометр объемом до 200 см3». Кристалл кварца работает на частоте 12 кГц, а система электронных делителей уменьшает частоту импульсов до необходимых 2 Гц. В этой же категории представляет свою модель Seiko.
1965 – те же Longines и Bernard Golay S.A. на том же соревновании показывают первые карманные кварцевые часы в категории объемом до 19.64 см3. Их точность была просто удивительной – 0,01 секунды в сутки!
1966 – вслед за швейцарцами первые карманные часы представляют и японцы.
1967 – американская лаборатория RCA запускает новую технологию интегральных схем МОП, которая существенно снижает потребление энергии. Вот оно недостающее звено – теперь все компоненты, необходимые для изготовления кварцевого механизма, могут быть размещены в корпусе наручных часов! Первые прототипы кварцевых наручных часов от Seiko и CEH тестируются в Обсерватории Невшатель. 14 февраля оглашаются результаты: швейцарская Beta-2 берет первый приз с отклонением в 0,003 секунды в день, а японская SQ 35 получает лишь диплом участника, проиграв всего тысячную секунды.

Однако прототипы – это хорошо, но окончательным победителем может считаться лишь тот, кто наладил коммерческий выпуск. Остался последний круг и вот он финиш, скорее даже фотофиниш.

22 мая 1969 года 20 швейцарских производителей, инициировавших создание CEH, среди которых были Omega, Bulova, IWC, Longines, Patek Philippe, Rado, Rolex и др., принимают решение выпустить первую партию из 6000 механизмов Beta 21, но его производство оказывается настолько дорогим, что ряд компаний (Omega, Longines, Bulova и Girard-Peregaux) отказываются от комплектации своих часов Beta 21 и декларируют желание выпускать собственные кварцевые механизмы.

Черная метка
В декабре 1969 года первые в мире наручные кварцевые часы в ограниченном количестве поступили в продажу в Японии. Это был калибр Seiko 3500, работавший на частоте 8192 кГц. А уже в следующем месяце японцы запускают в производство калибр 3502 с частотой 16 384 кГц – первые коммерческие кварцевые наручные часы. В начале 1970 года индустриально было выпущено и несколько сот часов с механизмом Beta 21, однако гонка европейцами была проиграна. Как показали последующие печальные для них события, в этом проигрыше было что-то символическое.

Еще одним знаковым явлением в истории швейцарского часового дела стала потеря интереса к традиционному хронометрическому соревнованию в Обсерватории Невшателя после появления первых кварцевых прототипов в 1967 году. Точность механизмов нового поколения делала традиционных механических участников абсолютно неконкурентоспособными. Поэтому начиная с 1968 года сертификаты хронометрам стали выдаваться без соревнования, а лишь при условии выполнения ряда фиксированных требований.

Апрельский салон в Базеле 1970 года можно смело считать полноценным стартом экспансии электронных наручных часов. Пятью компаниями, представившими свои механизмы, были: Seiko (Quartz Astron, 35SQ), Longines (Ultraquartz, 6512), CEH (Beta-21), Girard Perregeaux (GP 350) и Hamilton (Pulsar).

«Черной меткой» для часовой механики стала презентация компанией Hamilton 6 мая 1970 года модели Pulsar Time Computer – первых в мире часов, не имеющих движущихся частей. Механизм Hamilton 101 состоял из 18 деталей, считая батарейку, а индикация времени осуществлялась с помощью LED дисплея (светодиодов).

Последующие события не уступали по драматичности «кварцевой гонке». Легендарная швейцарская часовая отрасль рушилась как карточный домик. Традиционные, складывавшиеся десятилетиями рынки сбыта механических часов за считанные годы уменьшились в сотни раз, механику вытеснили электронные часы, более дешевые и, — что самое главное, — более модные. В «продвинутых» США люди покупали только кварцевые часы, не хотели отставать и европейцы. Несмотря на срочную переориентацию швейцарских часовых домов на выпуск кварцевых часов, им сложно было соревноваться с американцами и японцами в уровне технологий и стоимости продукта. Если в середине 70-х на швейцарские часы приходилось 45-50 мировых продаж, а в индустрии было занято около 90 тысяч человек, то к 1982 году число работников сократилось в четыре раза, количество компаний в отрасли — втрое, а продажи упали до 3 от мирового объема. Это была катастрофа. А вы говорите: кризис…

И снова вперед и вверх
Использование интегральных схем КМОП в начале 1970-х позволило снизить энергопотребление электронных механизмов на 60 . Это дало возможность увеличить частоту резонанса кварца сначала до 16 кГц, а затем и до 32 кГц с целью повышения точности. Это второе поколение кварцевых часовых модулей с частотой колебаний 32 768 Гц остается стандартом и по сей день. Параметры электронного блока, в том числе форма и размеры кристаллы пьезоэлектрика, подбираются таким образом, чтобы частота резонанса была степенью числа 2 (32 768 = 215). Это позволяет с помощью электронных делителей получить на выходе импульсы частотой 1 Гц, которые подаются на шаговый двигатель.

Хотя достигнутый результат стал стандартом и успешно используется уже на протяжении практически 40 лет, поиски способов увеличить точность часов на этом не закончились. Продолжать улучшать характеристики кварцевых механизмов можно было разными путями. Наиболее очевидным пошла Omega, сумев создать механизм, работающий на частоте 2 400 000 колебаний в секунду (2.4 МГц). Коммерчески часы были представлены в 1974 году и стали первыми наручными часами, получившими сертификат Обсерватории Невшатель в категории «морской хронометр», так как Omega Marine Chronometer давали погрешность +/- 12 секунд … в год! Калибр Megaquartz 1510 имел кристалл в форме линзы и стал первым кварцевым механизмом третьего поколения.

В деле повышения точности альтернативой значительному увеличению частоты колебаний пьезоэлектрика является термокомпенсация, то есть увеличение стабильности частоты колебаний кварца за счет контроля над его температурой. Впервые эта технология была реализована в 1977 году одной из компаний-основательниц CEH – Rolex — с помощью интеграции в микросхему термисторов. Калибр Oysterquartz 5035 кроме термокомпенсации мог похвастаться подстроечным триммером, своеобразным аналогом градусника в механических часах.

А что же Seiko? А Seiko в 1978 году снова обошла всех. С помощью использования цифровой термокомпенсации Seiko Twin Quartz стали самыми точными наручными часами, когда-либо выпускавшимися на нашей планете на тот момент. Погрешность +/- 5 секунд в год достигалась за счет работы двух кристаллов кварца, один из которых, основной, работал на стандартной частоте 32 КкГц, а второй, вспомогательный – на частоте 196 КкГц. Вспомогательный осциллятор «определял» температуру и в связке с микропроцессором компенсировал термопогрешности основного. Производство этого механизма отличалось очень высокой стоимостью и было коммерчески неоправданно, поэтому продолжалось всего несколько лет.

Собственно, на третьем поколении кварцевых часов, созданных в конце 70-х, соревнование за точность и закончилось, исчерпав смысл.

Арт-победитель
То, как именно швейцарская часовая индустрия возрождалась, и как вновь обретали популярность механические часы, заслуживает отдельного и подробного повествования. Однако напоминание с чего начался этот ренессанс поможет разобраться-таки с нашим холиваром.

По иронии судьбы новую жизнь безумно дорогим механическим моделям дали самые дешевые кварцевые часы Swatch (точнее – их предшественник Delirium). Копеечный пластиковый корпус, двухкопеечный 1,8-миллиметровый кварцевый механизм, который никогда не ремонтировался, а в случае чего просто выбрасывался и заменялся на другой, и тысячи, тысячи форм, расцветок, ремней и браслетов заставили радикально изменить отношение к часам. Нет, это больше не прибор для измерения времени, теперь это стильный аксессуар, который можно каждый день менять под настроение или цвет брюк. С таким товаром в 1983 году ныне самый влиятельный человек Швейцарии Николас Хайек принялся за спасение Швейцарии. Новая идеология была основательно подперта правильными маркетинговыми решениями: эффективной рекламой и повсеместной продажей Swatch в простых фирменных киосках, которые располагались в проходных местах европейских городов и подталкивали людей относиться к часам как к необходимой еженедельной покупке. Swatch заслуженно стали называть социальным феноменом, а самая крупная на сегодняшний день часовая группа мистера Хайека была переименована в 1998 году в Swatch Group.

Безнадежно проиграв «кварцу» соревнование в точности, производителям механики пришлось искать другое обоснование необходимости своей продукции. И они его нашли: стали позиционировать всевозможные турбийоны, репетиры, скелетоны и сложные календари не как прибор времени, а как арт-объект. И в итоге оказалось совершенно неважно, что именно установлено внутри часового корпуса, если конечный продукт оказывается «арт-объектом по правильной цене». Так, господин Хайек, почувствовав смещение акцентов на часовом рынке, стал активно развивать линию автоматических часов в коллекциях Swatch, а на ближайшее будущее даже поделился планами оснастить некоторые серии Swatch… турбийонами, произведенными на фабрике Nouvelle Lemania, ныне Montres Breguet.

И, тем не менее, не случайно в этот год – год «официального юбилея» кварцевого механизма — в день открытия Базельской выставки площадь Swatch Group в центре первого павильона была занята ни чем-нибудь, а экспозицией часов Swatch, расписанных знаменитыми художниками. Кварцевых Swatch.

И это далеко не все. Казалось бы, маркам, в свое время участвовавшим в «кварцевой гонке», можно было порадоваться юбилею, выпустить красивые буклеты или, скажем, организовать выставку – все-таки хороший медиа-повод напомнить о себе. Но все оказалось серьезнее. В этом году сразу несколько именитых производителей выпустило современные реплики своих культовых кварцевых моделей.

В самом начале года на Женевском салоне Girard-Perregaux поразила всех посетителей новой моделью Laureato Quartz, оснащенной мануфактурным кварцевым механизмом GP13500 – продолжением кварцевого калибра Elcron, представленного компанией в 1970 году. Модель получилась красивой, коллекционной и недешевой.

Bulova, теперь входящая в концерн Citizen решила не только отметить 50-летие знаменитой Accutron, выпустив соответственно современную реплику легендарной модели, но и снова открыть «соревнование точности», и представила новую кварцевую модель Precisionist, чья плывущая секундная стрелка убежит или отстанет за год не более чем на 8 секунд. На презентации вечером 17-го марта представители американо-швейцарско-японской компании называли Precisionist самыми точными в мире часами с плывущей секундной стрелкой. Увы, самыми точными Bulova пробыли меньше суток: утром 18-го земляки из Seiko отмечали 40-летие своего кварцевого Astron’a и показали Grand Seiko, дающие ошибку 5 секунд в год. В итоге, как и 40 и 30 лет назад, последнее слово осталось за Seiko.

В этот ряд можно поставить юбилейные переиздания Hamilton Ventura Electronic и появление в этом году целого ряда автоматических механизмов с цифровыми дисплеями: у той же Hamilton, Rado и у неожиданно вернувшейся из небытия Ventura. Конечно, если рассуждать технически, все это уже не имеет прямого отношения к теме кварцевого механизма. Но идеологически — это все части единого целого. Как и показанная в этом году той же Seiko наконец-то работающая и не такая энергозатратная модель с e-paper разрешением в 300 dpi.

О чем это все говорит? А о том, что кварцевый механизм перешел в возраст зрелости, обрел благородные черты, перестал быть страшилкой для поклонников «истинных часовых ценностей». У него наконец-то появились собственные умелые маркетологи, которые способны объяснить, что кварцевые часы — это не только «ценный мех и килограммы легкоусвояемого мяса», но и тот же самый арт-объект, способный удивлять, поражать, быть источником новостей. Причем арт-объект по правильной цене.

Иван Гопей, опубликовано в журнале «Мои часы» №2-2010

Кварцевый резонатор для часов — MOREREMONTA

В основе принципа действия кварцевого резонатора лежат физические свойства кристалла кварца. По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение. Кварцевые резонаторы часовой частоты или, так называемые, часовые кварцы – резонаторы частоты 32.768 кГц (или 32768 Гц) – одни из самых популярных резонаторов, применяемых сегодня в электронике. Термин «часовой» указывает на тот факт, что основной областью применения резонаторов этой частоты являются часовые схемы. . Резонансная частота часовых резонаторов 32.768 кГц, поделённая на 15-разрядном двоичном счётчике, даёт интервал времени в 1 секунду.

Для самого распространённого в мире часового кварца 32.768 кГц на складе доступно 5 вариантов корпусов:

DT-26 Цилиндр 2×6 мм
DT-38 Цилиндр 3×8 мм
SMD08038P4 8×3.8 мм
SMD07015P3 7×1.5 мм
SMD03215C2 3.2×1.5 мм

Для самого распространённого в мире часового кварца 32.768 кГц на складе доступно 5 вариантов корпусов:

DT-26 Цилиндр 2×6 мм
DT-38 Цилиндр 3×8 мм
SMD08038P4 8×3.8 мм
SMD07015P3 7×1.5 мм
SMD03215C2 3.2×1.5 мм

При эксплуатации недорогого китайского видео-регистратора XPX я столкнулся с тем, что его часы сильно «убегали» вперед. За 1 сутки часу уходили вперед на несколько десятков секунд. За месяц часы уходили вперед более чем на 5 минут. В видео-регистраторе все время приходилось корректировать время.
Сдать его по гарантии продавцу не было возможности, т.к. он мне был подарен на День Рождения в упаковке без чека.

Для устранения «бега» часов в видео-регистраторе была снято заднее стекло с дисплеем после откручивания 4 винтов на рамке корпуса. Шлейф с проводниками от дисплея к плате был отсоединен, чтобы не мешал. Чтобы видео-регистратор обесточить был отпаян плюсовой провод от аккумулятора.
Далее на плате с электронными компонентами видео-регистратора был найден часовой кварцевый резонатор. Всего на плате два кварцевых резонатора. 1 из них – для работы микропроцессора, 2 – для работы часов. Отличить (найти) часовой кварцевый резонатора удалось по мелкой лазерной гравировке на его корпусе под увеличительным стеклом с цифрой 32768. Это его паспортная частота в герцах.

Данный китайский кварцевый резонатор с надписью 32768 был выпаян паяльником, у которого я предварительно заточил жало, поскольку корпус его очень мелкий длинной 6 мм, а специального инструмента у меня не было.
На место выпаянного кварцевого резонатора был припаян новый кварцевый резонатор 32.768 кГц, KX-26T (DT-26) производителя Geyer Electronic (Германия), приобретенный в Интернет – магазине Чип и Дип.
Сайт страницы Интернет магазина Чип и Дип, на которой показан упомянутый кварцевый резонатор www.chipdip.ru/product0/9000275421/. Сайт производителя кварцевых резонаторов www.geyer-electronic.de/.
Интернет магазин Чип и Дип мне нравится тем, что на нем нет ограничения по минимальной сумме заказа и доставка заказа осуществляется в течение 2 дней после предоплаты в выбранный пункт Евросеть.

После замены китайского кварцевого резонатора на немецкий кварцевый резонатор Geyer Electronic в корпусе KX-26T (DT-26) точность хода часов заметно возросла и составила +5 секунд в сутки. Точность хода часов в видео-регистраторе проверял на основании данных в своем домашнем компьютере, предварительно синхронизировав время на компьютере с эталонными часами на сайте time.windows.com.
Такая точность хода часов меня вполне устраивает.

Заднее стекло с дисплеем у видео-регистратора по окончании работ было привернуто обратно.

VT-200-F, SSP-T7-F высококачественные часовые кварцы 32.768 кГц компании Seiko

VT-200-F, SSP-T7-F – высококачественные часовые кварцы с рабочей частотой 32.768 кГц в популярных корпусах, типа цилиндр и MC-146, японской компании Seiko Instruments, доступны для заказа в компании МТ-Системс.

VT-200-F — высокоточный кварцевый резонатор килогерцового диапазона c частотой 32.768 kHz обладает высокой точностью [email protected]°C и стабильностью -0.035×10^-6/°C² max, низким ESR 50 кОм, низкой нагрузочной емкостью 6 или 12.5 pF и рабочим диапазоном температур -40…+85°C, выпускается в популярном цилиндрическом корпусе для THT монтажа размером D2x6 мм.

SSP-T7-F — высокоточный кварцевый резонатор килогерцового диапазона c частотой 32.768 kHz обладает высокой точностью [email protected]°C и стабильностью -0.033×10^-6/°C² max, низким ESR 65 кОм, низкой нагрузочной емкостью 7 или 12.5 pF и рабочим диапазоном температур -40…+85°C, выпускается в популярном корпусе для SMD монтажа 7.0×1.5 мм.

Кварцевые резонаторы VT-200-F и SSP-T7-F производства Seiko Instruments предлагаются по привлекательной цене с коротким сроком поставки.

Краткие технические характеристики кварцевых резонаторов, рекомендованных к применению:

VT-200-F

высокая точность 20 ppm при 25°C
ESR 50 kOhm
нагрузочная емкость 6 или 12.5pF
параболический коэффициент -0.035×10^-6/°C² max
коэффициент старения 3ppm
диапазон рабочих температур -40…+85 °C
компактный корпус THT D2.0x6.0 mm

SSP-T7-F

высокая точность 20 ppm при 25°C
ESR 65 kOhm
нагрузочная емкость 7 или 12.5pF
параболический коэффициент -0.033×10^-6/°C² max
коэффициент старения 3ppm
диапазон рабочих температур -40…+85 °C
корпус для SMD монтажа 7.0×1.5 mm

Доступность:

Кварцевые резонаторы VT-200-F и SSP-T7-F находятся в массовом производстве и доступны для заказа.

Ресурсы:

Как работают кварцевые часы

Как работают кварцевые часы — Объясните, что материал Рекламное объявление

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 15 сентября 2020 г.

Вы можете не верить в астрологию, но Нет никаких сомнений в том, что планеты управляют нашей жизнью. Мы встаем, когда восходит солнце (или когда-нибудь после) и ложитесь спать, когда она схватится. У нас есть календарь на основе дни, месяцы и годы — периоды времени, относящиеся к тому, как Луна и Земля движутся вокруг Солнца в небе.На протяжении большей части истории люди сочли этот вид «астрономического хронометража» достаточно хорошим для их потребности. Но по мере того, как мир становился все более безумным и сложным, людям нужно было отслеживать часы, минуты и секунды, а также дни, месяцы и годы. Это означало, что нам нужно точные способы отсчета времени. Часы с маятником и механические часы раньше были лучшим способом сделать это. Сегодня многие люди используют Кварцевые часы , а вместо них часы — но что это такое и как они Работа?

Фото: Кварц действительно дешев, и часы, которые его используют, почти не нуждаются в каких-либо движущихся частях.Вот почему теперь он используется даже в самых недорогих часах. Поскольку они такие точные и надежные, это очень выгодный аргумент — вот почему на циферблатах таких часов с гордостью написано слово «кварц». Обратите внимание, что это аналог часы (со стрелками): кварцевые часы и часы не обязательно должны быть цифровыми (иметь числовые дисплеи).

Как работают обычные часы

Все мы знаем, что часы отсчитывают время, но останавливались ли вы когда-нибудь, чтобы подумайте, как это сделать? Наверное, самые простые часы, которые ты мог бы make — это говорящие часы.Если считать секунды, повторяя фразу чтобы сказать (например, «слон», «слон два «,» слон три «…), вы обнаружите, что умеете красиво держать время точно. Попробуйте сами. Скажите своим слонам от одного до шестидесяти и посмотрите насколько хорошо вы отсчитываете время за минуту по сравнению с часами.

Неплохо, а? Проблема в том, что у большинства из нас есть дела поважнее. день, чем сказать «слон». Вот почему люди изобрели часы. Несколько из в самых ранних часах для измерения времени использовались качающиеся маятники.Маятник — это длинный стержень или гиря на тетиве, которая раскачивается вперед и назад. В 1583 г. итальянский физик Галилео Галилей (1564–1642) обнаружил, что маятнику определенной длины всегда требуется одно и то же время, чтобы повернуться назад и далее, независимо от того, насколько он тяжелый или насколько велики качели. Он понял это, наблюдая, как огромная лампа качается на цепочке из потолок Пизанского собора в Италии, и используя его пульс, чтобы отсчитывать время его движения назад и вперед. В часах задача маятника — регулировать скорость. шестерен (сцепляющиеся колеса с врезанными в их края зубьями).Шестеренки подсчитывают количество прошедших секунд и преобразуют их в минуты и часы, отображаемые на руках, которые кружат циферблат. Другими словами: шестерни в маятниковых часах действительно просто считать слонов.

Фото: Сила маятника: Этот качающийся стержень (с грузом внизу) — то, что держит время в напольных часах. Это было одно из величайших открытий, которых мы обязаны Галилею.

Вы можете сделать маятниковые часы, привязав груз к нить.Если длина струны составляет около 25 см (10 дюймов), маятник будет качаться вперед и назад примерно раз в секунду. Более короткие строки будут качайте быстрее, а длинные струны медленнее. Проблема с часами вроде это то, что маятник будет останавливаться. Сопротивление воздуха и трение скоро израсходует свою энергию и остановит ее. Вот почему маятниковые часы имеют в себе пружины. Примерно раз в день вы заканчиваете пружина внутри часов, чтобы накапливать потенциальную энергию, чтобы маятник двигался на следующие 24 часа.Когда пружина разматывается, она приводит в действие шестерни. внутри часов. Через механизм качения, называемый спусковым механизмом , маятник заставляет шестерни вращаться с определенной скоростью — и вот как шестерни держат время. Карманные часы явно слишком малы, чтобы иметь маятник внутри него, поэтому он использует другой механизм. Вместо маятник, у него балансовое колесо , которое сначала поворачивается в одну сторону и затем другой, управляемый спусковым механизмом гораздо меньшего размера, чем тот, что в маятниковые часы.

Подробнее обо всем этом читайте в отдельной статье о маятнике. часы.

Рекламные ссылки

Как работают кварцевые часы

Фото: Кристаллы кварца. Фото любезно предоставлено Геологической службой США.

Проблема с маятниковыми часами и обычными часами в том, что вы не забывайте наматывать их. Если ты забываешь, они останавливаются — а ты понятия не имею, который час. Еще одна трудность с маятниковыми часами заключается в том, что они зависят от силы тяжести, которая очень незначительно меняется от места к месту; это означает, что маятниковые часы показывают время на большой высоте иначе, чем на уровне моря! Маятники также изменяют длину при изменении температуры, немного расширяется в теплые дни и сужается в холодные дни, что делает их менее точными очередной раз.

Все эти проблемы решают кварцевые часы. Они питаются от батареи и, поскольку они используют так мало электричества, батарея часто может прослужить несколько лет, прежде чем вам потребуется ее заменить. К тому же они намного точнее маятниковых часов. Кварцевые часы работают совсем не так, как маятниковые и обычные часы. В них все еще есть шестеренки, чтобы отсчитывать секунды, минуты и часов и проведите стрелками по циферблату. Но шестерни регулируется крошечным кристаллом кварца вместо качающегося маятника или движущееся колесо баланса.Гравитация вообще не фигурирует в работе, поэтому кварцевые часы показывает время, когда вы поднимаетесь на Эверест, и когда вы находитесь в море.

На фото: кварцевый генератор от часов. Вы можете увидеть, насколько он мал, посмотрев на самую последнюю фотографию на этой странице. Это часть под номером 5 на этом рисунке.

«Кварц» звучит экзотично — с буквами «q» и «z» это отличное слово для игры. Scrabble — но на самом деле это один из самых распространенных полезные ископаемые на Земле.Он сделан из химического соединения, называемого кремнием. диоксид (кремний также является материалом, из которого сделаны компьютерные чипы), и вы можете найти его в песке и в большинстве пород. Возможно, самое интересное в кварце — это то, что он пьезоэлектрический. Это означает, что если вы сожмете кристалл кварца, он образует крошечный электрическое напряжение. Верно и обратное: если вы подаете напряжение на кусок кварца, он вибрирует с определенной частотой (он встряхивается точное количество раз в секунду).

Внутри кварцевых часов батарея передает электричество на кристалл кварца через электронную схему.Кристалл кварца колеблется (колеблется взад и вперед) на точная частота: ровно 32768 раз в секунду. В схема подсчитывает количество вибраций и использует их для генерации регулярные электрические импульсы, один в секунду. Эти импульсы могут питать ЖК-дисплей (показывающий время в цифрах) или они могут приводить в движение небольшой электродвигатель (фактически, крошечный шаговый двигатель), вращая зубчатые колеса, которые вращают секундную, минутную и часовую стрелки часов.

Внутри кварцевые часы

Теоретически работает так:

Батарея обеспечивает ток микросхеме
Схема микрочипа делает кристалл кварца (точно вырезанный и имеющий форму камертон) колеблется (вибрирует) 32768 раз в секунду.
Схема микрочипа обнаруживает колебания кристалла и превращает их в регулярные электрические импульсы, один в секунду.
Электроимпульсы приводят в действие миниатюрный шаговый электродвигатель. Это преобразует электрическую энергию в механическую.
Электрический шаговый двигатель вращает шестерни.
Gears водит стрелками по циферблату, чтобы следить за временем.

На практике …

А так на самом деле выглядит внутренняя часть кварцевых часов. Ни при каких обстоятельствах не разбирайте свой, если вы когда-нибудь захотите, чтобы он снова заработал.Вы не можете увидеть все эти части, просто сняв задник с часов. Показанные здесь часы поставлялись бесплатно с пачкой кукурузных хлопьев (серьезно!), И они были сломаны, прежде чем я открыл их. Но потом он сломался еще сильнее …

Аккумулятор.
Электродвигатель шаговый.
Микрочип.
Схема соединяет микросхему с другими компонентами.
Кварцевый генератор.
Винт с головкой для установки времени.
Gears вращают часовую, минутную и секундную стрелки с разной скоростью.
Крошечный центральный вал удерживает руки на месте.

Почему кварцевые часы вообще выигрывают или теряют время?

Если кварцевые часы настолько удивительны, вы можете задаться вопросом, почему кварцевые часы не отслеживают время с абсолютной точностью вечно. Почему он все еще выигрывает или теряет секунды здесь и там? Ответ в том, что кварц вибрирует с немного другой частотой при разных температурах и давлениях поэтому на его способность вести хронометраж в незначительной степени влияет потепление, охлаждение и постоянно меняющийся мир вокруг нас.Теоретически, если вы все время держите часы на запястье (которое более или менее постоянно температура), он будет держать время лучше, чем если бы вы его включали и выключали (вызывая довольно резкое изменение температуры каждый раз). Но даже если кварцевый кристалл может вибрировать с совершенно постоянной частотой, то, как он установлен в цепи, крошечные дефекты зубчатой передачи, трение и т. Д. Также могут вносить незначительные ошибки в хронометраж. Всех этих эффектов достаточно, чтобы ввести погрешность до секунды в день в типичных кварцевых часах и наручных часах. (имейте в виду, что секунда, потерянная в один день, может быть компенсирована секундой, полученной на следующий день, поэтому общая точность может быть всего несколько секунд в месяц).

Но как на самом деле работает кварцевый бит

Вы можете найти это объяснение, и если да, то можете прекратить читать сейчас. Ниже приводится более подробное обсуждение того, как кварцевый кварцевый генератор на самом деле работает для тех, кто хочет немного глубже. Я должен предупредить вас, что если у вас нет степени в области электроники инженерные сети, схемы на кристалле кварца очень быстро становятся очень сложными. Я собираюсь дать тебе очень краткая, упрощенная версия того, что происходит, и несколько указателей для дальнейшего чтения, чтобы вы можете копать глубже, если хотите.

Главное, что нужно помнить о кварце, — это то, что он пьезоэлектрический: он будет вибрировать, когда вы приложите к нему электричество, или он будет излучать электричество, когда вы его вибрируете. Генератор на кварцевом кристалле использует пьезоэлектричество обоими способами — одновременно!

То, как я нарисовал свою диаграмму выше, делает вид, будто кристалл кварца отделен от схема микрочипа, но, на самом деле, кристалл является интимной частью этой схемы, подключенной к ней двумя электродами. Вы можете отчетливо увидеть их на большом фото внутренней части часов и в фото самого генератора: это две маленькие серебристые ножки, торчащие из цилиндрического металла дело.По сути, кварцевый генератор — это просто еще один компонент, подключенный к микросхеме, точно так же, как резистор или конденсатор.

Я говорю «схема», но проще представить генератор как часть двух отдельных схем, каждая из которых находится на одном микрочипе. Первая цепь (назовем ее входной) стимулирует кристалл кварца импульсами электричества. Подача электричества в кварц заставляет его вибрировать (или, если хотите, колебаться или резонировать) через то, что иногда называют обратным пьезоэлектрическим эффектом (когда электричество производит вибрации).Генератор настроен так, что кварц колеблется ровно 32768 раз в секунду. Но теперь вспомните обычный пьезоэлектрический эффект: когда кусок кварца вибрирует, он генерирует электрическое напряжение. Вторая схема микрочипа определяет это «выходное напряжение». (колеблется 32768 раз в секунду) и делит свою частоту, чтобы производить раз в секунду импульсы, которые приводят в действие двигатель, приводящий в действие шестерни. В часах с цифровым дисплеем вместо шестерен микросхема многократно делит частоту генератора для управления сегментами часов, минут и секунд (как показано на иллюстрации ниже).

Иллюстрация: Как кварцевый осциллятор приводит в действие цифровые часы с отображением часов и минут и мигающим двоеточием между ними («12:32»), указывающим прошедшие секунды. Осциллятор (желтый) вибрирует 32 768 раз в секунду. Двоичный делитель (синий, слева) делит это на два 15 раз (так что 32768 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 = 1) для создания импульса с частотой 1 Гц (один в секунду), который управляет мигающим двоеточием. Сам сигнал 1 Гц от делителя делится на 60, чтобы получить минуты, и еще на 12, чтобы получить часы.Эти сигналы управляют серией драйверов (красный), которые приводят в действие сегменты цифрового дисплея. Изображение из патента США 3 863 436: твердотельные кварцевые часы Джека Шварцшильда и Раймонда Боксбергера, Timex. 4 февраля 1975 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

В одной из ранних форм кварцевого генератора на кристалле кварца было установлено два набора электродов. Первый набор был подключен к входной цепи и подавал электричество на кристалл, заставляя его вибрировать. Когда кристалл вибрировал, он генерировал пьезоэлектрическое напряжение.Это было обнаружено вторым комплектом электродов (заклинило к другой части того же кристалла) и подается на выходную цепь. Когда кварцевая технология была уменьшена для использования в компактных наручных часах, стало ясно, что меньшие размеры Были необходимы генераторы, а для двух пар электродов не хватило места. Вот почему современные осцилляторы используйте одну пару электродов как для стимуляции кристалла энергией, так и для обнаружения его колебаний.

Это все, что я вам скажу. Если вы хотите узнать больше, вы можете взглянуть на следующие источники.Имейте в виду, что они сложны, и их трудно понять, если у вас нет некоторых знаний в области электронной техники.

Дополнительная литература

Общие

Кварцевый осциллятор: подробное введение из Википедии. Это одна из тех немного сбивающих с толку статей Википедии, которые могут иметь смысл только для людей, которые знают достаточно о предмете, чтобы написать статью. Тем не менее, это разумная отправная точка для дальнейших исследований.
Хрустальные часы В.А. Marrison, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 16, No. 7 (15 июля 1930 г.), стр. 496–507. Одна из самых ранних работ по технологии кристаллов кварца, написанная одним из ее пионеров.

История

«Эволюция кварцевых часов» Уоррена А. Маррисона, Технический журнал Bell System, Vol. XXVII, pp. 510–588, 1948. Это превосходный, увлекательный, исчерпывающий и подробный документ, излагающий историю кварцевого хронометража.Но учтите, что это сложная статья из технического журнала. [Архивировано через Wayback Machine и доступно в различных других форматах на Интернет-архив.]
Современные разработки точных часов А. Л. Лумиса (Лаборатория Лумиса) и В. А. Маррисона, IEE Electrical Engineering, Vol. 51, No. 2, февраль 1932 г. Еще один классический отчет из архивов двух ключевых пионеров. (Статья для подписки загружена в электронном виде в 2013 г.)
Варианты и комбинации: изобретение и разработка технологий кварцевых часов в AT&T Шауль Кацир, Icon, Международный комитет истории технологий (ICOHTEC), Vol.22 (2016), стр. 78–114. Подробный взгляд на то, как кварцевые часы были разработаны Уорреном Маррисоном и его коллегами.

Патенты

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

Книги

О времени Адам Франк. Oneworld, 2013. Яркая история часов — от солнечных часов до квантовых часов.
«Искаженное время» Клаудии Хаммонд. HarperCollins, 2013. Как мы воспринимаем время — и правда ли, что наше чувство времени «все в уме»? По сути, научно-популярное руководство по психологии времени.
История часов Эрика Брутона. Книжные продажи, 2004. Краткое введение в часы, древние и современные.
Пип Пип: Взгляд со стороны на время Джея Гриффитса. HarperCollins, 2000. Как мы переживаем время по мере того, как проходит наша жизнь. Оригинальное, наводящее на размышления руководство о том, как время течет в нашей жизни и наоборот.

Статьи

Патенты

Чтобы получить более подробные технические сведения, попробуйте:

Патент США 3,863,436: твердотельные кварцевые часы Джека Шварцшильда и Раймонда Боксбергера, Timex.4 февраля 1975 г. Этот относительно простой для понимания патент описывает типичные современные электронные часы с цифровым дисплеем. На рисунке 3 и сопроводительном тексте показано, как сигнал кварцевого генератора 32 768 Гц многократно разделяется микросхемой интегральной схемы на драйверы часов, минут и секунд, которые питают дисплей.
Патент США 3 803 828: Подстройка резистора для кварцевого генератора Юджина Киллера и Роберта Шапиро, Timex. 16 апреля 1974 г. В этом более раннем патенте описана типичная схема «подстройки», с помощью которой кварцевый генератор может использоваться для питания часов с высокой точностью.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2006/2015) Часы кварцевые. Получено с https://www.explainthatstuff.com/quartzclockwatch.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают кварцевые часы

Как работают кварцевые часы — Объясните, что материал Рекламное объявление

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 15 сентября 2020 г.

Вы можете не верить в астрологию, но Нет никаких сомнений в том, что планеты управляют нашей жизнью.Мы встаем, когда восходит солнце (или когда-нибудь после) и ложитесь спать, когда она схватится. У нас есть календарь на основе дни, месяцы и годы — периоды времени, относящиеся к тому, как Луна и Земля движутся вокруг Солнца в небе. На протяжении большей части истории люди сочли этот вид «астрономического хронометража» достаточно хорошим для их потребности. Но по мере того, как мир становился все более безумным и сложным, людям нужно было отслеживать часы, минуты и секунды, а также дни, месяцы и годы. Это означало, что нам нужно точные способы отсчета времени.Часы с маятником и механические часы раньше были лучшим способом сделать это. Сегодня многие люди используют Кварцевые часы , а вместо них часы — но что это такое и как они Работа?

Фото: Кварц действительно дешев, и часы, которые его используют, почти не нуждаются в каких-либо движущихся частях. Вот почему теперь он используется даже в самых недорогих часах. Поскольку они такие точные и надежные, это очень выгодный аргумент — вот почему на циферблатах таких часов с гордостью написано слово «кварц».Обратите внимание, что это аналог часы (со стрелками): кварцевые часы и часы не обязательно должны быть цифровыми (иметь числовые дисплеи).

Как работают обычные часы

Все мы знаем, что часы отсчитывают время, но останавливались ли вы когда-нибудь, чтобы подумайте, как это сделать? Наверное, самые простые часы, которые ты мог бы make — это говорящие часы. Если считать секунды, повторяя фразу чтобы сказать (например, «слон», «слон два «,» слон три «…), вы обнаружите, что умеете красиво держать время точно.Попробуйте сами. Скажите своим слонам от одного до шестидесяти и посмотрите насколько хорошо вы отсчитываете время за минуту по сравнению с часами.

Неплохо, а? Проблема в том, что у большинства из нас есть дела поважнее. день, чем сказать «слон». Вот почему люди изобрели часы. Несколько из в самых ранних часах для измерения времени использовались качающиеся маятники. Маятник — это длинный стержень или гиря на тетиве, которая раскачивается вперед и назад. В 1583 г. итальянский физик Галилео Галилей (1564–1642) обнаружил, что маятнику определенной длины всегда требуется одно и то же время, чтобы повернуться назад и далее, независимо от того, насколько он тяжелый или насколько велики качели.Он понял это, наблюдая, как огромная лампа качается на цепочке из потолок Пизанского собора в Италии, и используя его пульс, чтобы отсчитывать время его движения назад и вперед. В часах задача маятника — регулировать скорость. шестерен (сцепляющиеся колеса с врезанными в их края зубьями). Шестеренки подсчитывают количество прошедших секунд и преобразуют их в минуты и часы, отображаемые на руках, которые кружат циферблат. Другими словами: шестерни в маятниковых часах действительно просто считать слонов.

Вы можете сделать маятниковые часы, привязав груз к нить. Если длина струны составляет около 25 см (10 дюймов), маятник будет качаться вперед и назад примерно раз в секунду. Более короткие строки будут качайте быстрее, а длинные струны медленнее. Проблема с часами вроде это то, что маятник будет останавливаться.Сопротивление воздуха и трение скоро израсходует свою энергию и остановит ее. Вот почему маятниковые часы имеют в себе пружины. Примерно раз в день вы заканчиваете пружина внутри часов, чтобы накапливать потенциальную энергию, чтобы маятник двигался на следующие 24 часа. Когда пружина разматывается, она приводит в действие шестерни. внутри часов. Через механизм качения, называемый спусковым механизмом , маятник заставляет шестерни вращаться с определенной скоростью — и вот как шестерни держат время. Карманные часы явно слишком малы, чтобы иметь маятник внутри него, поэтому он использует другой механизм.Вместо маятник, у него балансовое колесо , которое сначала поворачивается в одну сторону и затем другой, управляемый спусковым механизмом гораздо меньшего размера, чем тот, что в маятниковые часы.

Подробнее обо всем этом читайте в отдельной статье о маятнике. часы.

Рекламные ссылки

Как работают кварцевые часы

Фото: Кристаллы кварца. Фото любезно предоставлено Геологической службой США.

Проблема с маятниковыми часами и обычными часами в том, что вы не забывайте наматывать их.Если ты забываешь, они останавливаются — а ты понятия не имею, который час. Еще одна трудность с маятниковыми часами заключается в том, что они зависят от силы тяжести, которая очень незначительно меняется от места к месту; это означает, что маятниковые часы показывают время на большой высоте иначе, чем на уровне моря! Маятники также изменяют длину при изменении температуры, немного расширяется в теплые дни и сужается в холодные дни, что делает их менее точными очередной раз.

Все эти проблемы решают кварцевые часы. Они питаются от батареи и, поскольку они используют так мало электричества, батарея часто может прослужить несколько лет, прежде чем вам потребуется ее заменить.К тому же они намного точнее маятниковых часов. Кварцевые часы работают совсем не так, как маятниковые и обычные часы. В них все еще есть шестеренки, чтобы отсчитывать секунды, минуты и часов и проведите стрелками по циферблату. Но шестерни регулируется крошечным кристаллом кварца вместо качающегося маятника или движущееся колесо баланса. Гравитация вообще не фигурирует в работе, поэтому кварцевые часы показывает время, когда вы поднимаетесь на Эверест, и когда вы находитесь в море.

«Кварц» звучит экзотично — с буквами «q» и «z» это отличное слово для игры. Scrabble — но на самом деле это один из самых распространенных полезные ископаемые на Земле. Он сделан из химического соединения, называемого кремнием. диоксид (кремний также является материалом, из которого сделаны компьютерные чипы), и вы можете найти его в песке и в большинстве пород.Возможно, самое интересное в кварце — это то, что он пьезоэлектрический. Это означает, что если вы сожмете кристалл кварца, он образует крошечный электрическое напряжение. Верно и обратное: если вы подаете напряжение на кусок кварца, он вибрирует с определенной частотой (он встряхивается точное количество раз в секунду).

Внутри кварцевых часов батарея передает электричество на кристалл кварца через электронную схему. Кристалл кварца колеблется (колеблется взад и вперед) на точная частота: ровно 32768 раз в секунду.В схема подсчитывает количество вибраций и использует их для генерации регулярные электрические импульсы, один в секунду. Эти импульсы могут питать ЖК-дисплей (показывающий время в цифрах) или они могут приводить в движение небольшой электродвигатель (фактически, крошечный шаговый двигатель), вращая зубчатые колеса, которые вращают секундную, минутную и часовую стрелки часов.

Внутри кварцевые часы

Теоретически работает так:

Батарея обеспечивает ток микросхеме
Схема микрочипа делает кристалл кварца (точно вырезанный и имеющий форму камертон) колеблется (вибрирует) 32768 раз в секунду.
Схема микрочипа обнаруживает колебания кристалла и превращает их в регулярные электрические импульсы, один в секунду.
Электроимпульсы приводят в действие миниатюрный шаговый электродвигатель. Это преобразует электрическую энергию в механическую.
Электрический шаговый двигатель вращает шестерни.
Gears водит стрелками по циферблату, чтобы следить за временем.

На практике …

Аккумулятор.
Электродвигатель шаговый.
Микрочип.
Схема соединяет микросхему с другими компонентами.
Кварцевый генератор.
Винт с головкой для установки времени.
Gears вращают часовую, минутную и секундную стрелки с разной скоростью.
Крошечный центральный вал удерживает руки на месте.

Почему кварцевые часы вообще выигрывают или теряют время?

Но как на самом деле работает кварцевый бит

Дополнительная литература

Общие

Кварцевый осциллятор: подробное введение из Википедии. Это одна из тех немного сбивающих с толку статей Википедии, которые могут иметь смысл только для людей, которые знают достаточно о предмете, чтобы написать статью. Тем не менее, это разумная отправная точка для дальнейших исследований.
Хрустальные часы В.А. Marrison, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 16, No. 7 (15 июля 1930 г.), стр. 496–507. Одна из самых ранних работ по технологии кристаллов кварца, написанная одним из ее пионеров.

История

«Эволюция кварцевых часов» Уоррена А. Маррисона, Технический журнал Bell System, Vol. XXVII, pp. 510–588, 1948. Это превосходный, увлекательный, исчерпывающий и подробный документ, излагающий историю кварцевого хронометража.Но учтите, что это сложная статья из технического журнала. [Архивировано через Wayback Machine и доступно в различных других форматах на Интернет-архив.]
Современные разработки точных часов А. Л. Лумиса (Лаборатория Лумиса) и В. А. Маррисона, IEE Electrical Engineering, Vol. 51, No. 2, февраль 1932 г. Еще один классический отчет из архивов двух ключевых пионеров. (Статья для подписки загружена в электронном виде в 2013 г.)
Варианты и комбинации: изобретение и разработка технологий кварцевых часов в AT&T Шауль Кацир, Icon, Международный комитет истории технологий (ICOHTEC), Vol.22 (2016), стр. 78–114. Подробный взгляд на то, как кварцевые часы были разработаны Уорреном Маррисоном и его коллегами.

Патенты

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

Книги

О времени Адам Франк. Oneworld, 2013. Яркая история часов — от солнечных часов до квантовых часов.
«Искаженное время» Клаудии Хаммонд. HarperCollins, 2013. Как мы воспринимаем время — и правда ли, что наше чувство времени «все в уме»? По сути, научно-популярное руководство по психологии времени.
История часов Эрика Брутона. Книжные продажи, 2004. Краткое введение в часы, древние и современные.
Пип Пип: Взгляд со стороны на время Джея Гриффитса. HarperCollins, 2000. Как мы переживаем время по мере того, как проходит наша жизнь. Оригинальное, наводящее на размышления руководство о том, как время течет в нашей жизни и наоборот.

Статьи

Патенты

Чтобы получить более подробные технические сведения, попробуйте:

Патент США 3,863,436: твердотельные кварцевые часы Джека Шварцшильда и Раймонда Боксбергера, Timex.4 февраля 1975 г. Этот относительно простой для понимания патент описывает типичные современные электронные часы с цифровым дисплеем. На рисунке 3 и сопроводительном тексте показано, как сигнал кварцевого генератора 32 768 Гц многократно разделяется микросхемой интегральной схемы на драйверы часов, минут и секунд, которые питают дисплей.
Патент США 3 803 828: Подстройка резистора для кварцевого генератора Юджина Киллера и Роберта Шапиро, Timex. 16 апреля 1974 г. В этом более раннем патенте описана типичная схема «подстройки», с помощью которой кварцевый генератор может использоваться для питания часов с высокой точностью.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2006/2015) Часы кварцевые. Получено с https://www.explainthatstuff.com/quartzclockwatch.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Как работают кварцевые часы

Как работают кварцевые часы — Объясните, что материал Рекламное объявление

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 15 сентября 2020 г.

Вы можете не верить в астрологию, но Нет никаких сомнений в том, что планеты управляют нашей жизнью.Мы встаем, когда восходит солнце (или когда-нибудь после) и ложитесь спать, когда она схватится. У нас есть календарь на основе дни, месяцы и годы — периоды времени, относящиеся к тому, как Луна и Земля движутся вокруг Солнца в небе. На протяжении большей части истории люди сочли этот вид «астрономического хронометража» достаточно хорошим для их потребности. Но по мере того, как мир становился все более безумным и сложным, людям нужно было отслеживать часы, минуты и секунды, а также дни, месяцы и годы. Это означало, что нам нужно точные способы отсчета времени.Часы с маятником и механические часы раньше были лучшим способом сделать это. Сегодня многие люди используют Кварцевые часы , а вместо них часы — но что это такое и как они Работа?

Фото: Кварц действительно дешев, и часы, которые его используют, почти не нуждаются в каких-либо движущихся частях. Вот почему теперь он используется даже в самых недорогих часах. Поскольку они такие точные и надежные, это очень выгодный аргумент — вот почему на циферблатах таких часов с гордостью написано слово «кварц».Обратите внимание, что это аналог часы (со стрелками): кварцевые часы и часы не обязательно должны быть цифровыми (иметь числовые дисплеи).

Как работают обычные часы

Все мы знаем, что часы отсчитывают время, но останавливались ли вы когда-нибудь, чтобы подумайте, как это сделать? Наверное, самые простые часы, которые ты мог бы make — это говорящие часы. Если считать секунды, повторяя фразу чтобы сказать (например, «слон», «слон два «,» слон три «…), вы обнаружите, что умеете красиво держать время точно.Попробуйте сами. Скажите своим слонам от одного до шестидесяти и посмотрите насколько хорошо вы отсчитываете время за минуту по сравнению с часами.

Неплохо, а? Проблема в том, что у большинства из нас есть дела поважнее. день, чем сказать «слон». Вот почему люди изобрели часы. Несколько из в самых ранних часах для измерения времени использовались качающиеся маятники. Маятник — это длинный стержень или гиря на тетиве, которая раскачивается вперед и назад. В 1583 г. итальянский физик Галилео Галилей (1564–1642) обнаружил, что маятнику определенной длины всегда требуется одно и то же время, чтобы повернуться назад и далее, независимо от того, насколько он тяжелый или насколько велики качели.Он понял это, наблюдая, как огромная лампа качается на цепочке из потолок Пизанского собора в Италии, и используя его пульс, чтобы отсчитывать время его движения назад и вперед. В часах задача маятника — регулировать скорость. шестерен (сцепляющиеся колеса с врезанными в их края зубьями). Шестеренки подсчитывают количество прошедших секунд и преобразуют их в минуты и часы, отображаемые на руках, которые кружат циферблат. Другими словами: шестерни в маятниковых часах действительно просто считать слонов.

Вы можете сделать маятниковые часы, привязав груз к нить. Если длина струны составляет около 25 см (10 дюймов), маятник будет качаться вперед и назад примерно раз в секунду. Более короткие строки будут качайте быстрее, а длинные струны медленнее. Проблема с часами вроде это то, что маятник будет останавливаться.Сопротивление воздуха и трение скоро израсходует свою энергию и остановит ее. Вот почему маятниковые часы имеют в себе пружины. Примерно раз в день вы заканчиваете пружина внутри часов, чтобы накапливать потенциальную энергию, чтобы маятник двигался на следующие 24 часа. Когда пружина разматывается, она приводит в действие шестерни. внутри часов. Через механизм качения, называемый спусковым механизмом , маятник заставляет шестерни вращаться с определенной скоростью — и вот как шестерни держат время. Карманные часы явно слишком малы, чтобы иметь маятник внутри него, поэтому он использует другой механизм.Вместо маятник, у него балансовое колесо , которое сначала поворачивается в одну сторону и затем другой, управляемый спусковым механизмом гораздо меньшего размера, чем тот, что в маятниковые часы.

Подробнее обо всем этом читайте в отдельной статье о маятнике. часы.

Рекламные ссылки

Как работают кварцевые часы

Фото: Кристаллы кварца. Фото любезно предоставлено Геологической службой США.

Проблема с маятниковыми часами и обычными часами в том, что вы не забывайте наматывать их.Если ты забываешь, они останавливаются — а ты понятия не имею, который час. Еще одна трудность с маятниковыми часами заключается в том, что они зависят от силы тяжести, которая очень незначительно меняется от места к месту; это означает, что маятниковые часы показывают время на большой высоте иначе, чем на уровне моря! Маятники также изменяют длину при изменении температуры, немного расширяется в теплые дни и сужается в холодные дни, что делает их менее точными очередной раз.

Все эти проблемы решают кварцевые часы. Они питаются от батареи и, поскольку они используют так мало электричества, батарея часто может прослужить несколько лет, прежде чем вам потребуется ее заменить.К тому же они намного точнее маятниковых часов. Кварцевые часы работают совсем не так, как маятниковые и обычные часы. В них все еще есть шестеренки, чтобы отсчитывать секунды, минуты и часов и проведите стрелками по циферблату. Но шестерни регулируется крошечным кристаллом кварца вместо качающегося маятника или движущееся колесо баланса. Гравитация вообще не фигурирует в работе, поэтому кварцевые часы показывает время, когда вы поднимаетесь на Эверест, и когда вы находитесь в море.

«Кварц» звучит экзотично — с буквами «q» и «z» это отличное слово для игры. Scrabble — но на самом деле это один из самых распространенных полезные ископаемые на Земле. Он сделан из химического соединения, называемого кремнием. диоксид (кремний также является материалом, из которого сделаны компьютерные чипы), и вы можете найти его в песке и в большинстве пород.Возможно, самое интересное в кварце — это то, что он пьезоэлектрический. Это означает, что если вы сожмете кристалл кварца, он образует крошечный электрическое напряжение. Верно и обратное: если вы подаете напряжение на кусок кварца, он вибрирует с определенной частотой (он встряхивается точное количество раз в секунду).

Внутри кварцевых часов батарея передает электричество на кристалл кварца через электронную схему. Кристалл кварца колеблется (колеблется взад и вперед) на точная частота: ровно 32768 раз в секунду.В схема подсчитывает количество вибраций и использует их для генерации регулярные электрические импульсы, один в секунду. Эти импульсы могут питать ЖК-дисплей (показывающий время в цифрах) или они могут приводить в движение небольшой электродвигатель (фактически, крошечный шаговый двигатель), вращая зубчатые колеса, которые вращают секундную, минутную и часовую стрелки часов.

Внутри кварцевые часы

Теоретически работает так:

Батарея обеспечивает ток микросхеме
Схема микрочипа делает кристалл кварца (точно вырезанный и имеющий форму камертон) колеблется (вибрирует) 32768 раз в секунду.
Схема микрочипа обнаруживает колебания кристалла и превращает их в регулярные электрические импульсы, один в секунду.
Электроимпульсы приводят в действие миниатюрный шаговый электродвигатель. Это преобразует электрическую энергию в механическую.
Электрический шаговый двигатель вращает шестерни.
Gears водит стрелками по циферблату, чтобы следить за временем.

На практике …

Аккумулятор.
Электродвигатель шаговый.
Микрочип.
Схема соединяет микросхему с другими компонентами.
Кварцевый генератор.
Винт с головкой для установки времени.
Gears вращают часовую, минутную и секундную стрелки с разной скоростью.
Крошечный центральный вал удерживает руки на месте.

Почему кварцевые часы вообще выигрывают или теряют время?

Но как на самом деле работает кварцевый бит

Дополнительная литература

Общие

Кварцевый осциллятор: подробное введение из Википедии. Это одна из тех немного сбивающих с толку статей Википедии, которые могут иметь смысл только для людей, которые знают достаточно о предмете, чтобы написать статью. Тем не менее, это разумная отправная точка для дальнейших исследований.
Хрустальные часы В.А. Marrison, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 16, No. 7 (15 июля 1930 г.), стр. 496–507. Одна из самых ранних работ по технологии кристаллов кварца, написанная одним из ее пионеров.

История

«Эволюция кварцевых часов» Уоррена А. Маррисона, Технический журнал Bell System, Vol. XXVII, pp. 510–588, 1948. Это превосходный, увлекательный, исчерпывающий и подробный документ, излагающий историю кварцевого хронометража.Но учтите, что это сложная статья из технического журнала. [Архивировано через Wayback Machine и доступно в различных других форматах на Интернет-архив.]
Современные разработки точных часов А. Л. Лумиса (Лаборатория Лумиса) и В. А. Маррисона, IEE Electrical Engineering, Vol. 51, No. 2, февраль 1932 г. Еще один классический отчет из архивов двух ключевых пионеров. (Статья для подписки загружена в электронном виде в 2013 г.)
Варианты и комбинации: изобретение и разработка технологий кварцевых часов в AT&T Шауль Кацир, Icon, Международный комитет истории технологий (ICOHTEC), Vol.22 (2016), стр. 78–114. Подробный взгляд на то, как кварцевые часы были разработаны Уорреном Маррисоном и его коллегами.

Патенты

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

Книги

О времени Адам Франк. Oneworld, 2013. Яркая история часов — от солнечных часов до квантовых часов.
«Искаженное время» Клаудии Хаммонд. HarperCollins, 2013. Как мы воспринимаем время — и правда ли, что наше чувство времени «все в уме»? По сути, научно-популярное руководство по психологии времени.
История часов Эрика Брутона. Книжные продажи, 2004. Краткое введение в часы, древние и современные.
Пип Пип: Взгляд со стороны на время Джея Гриффитса. HarperCollins, 2000. Как мы переживаем время по мере того, как проходит наша жизнь. Оригинальное, наводящее на размышления руководство о том, как время течет в нашей жизни и наоборот.

Статьи

Патенты

Чтобы получить более подробные технические сведения, попробуйте:

Патент США 3,863,436: твердотельные кварцевые часы Джека Шварцшильда и Раймонда Боксбергера, Timex.4 февраля 1975 г. Этот относительно простой для понимания патент описывает типичные современные электронные часы с цифровым дисплеем. На рисунке 3 и сопроводительном тексте показано, как сигнал кварцевого генератора 32 768 Гц многократно разделяется микросхемой интегральной схемы на драйверы часов, минут и секунд, которые питают дисплей.
Патент США 3 803 828: Подстройка резистора для кварцевого генератора Юджина Киллера и Роберта Шапиро, Timex. 16 апреля 1974 г. В этом более раннем патенте описана типичная схема «подстройки», с помощью которой кварцевый генератор может использоваться для питания часов с высокой точностью.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2006/2015) Часы кварцевые. Получено с https://www.explainthatstuff.com/quartzclockwatch.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

Все, что вам нужно знать о кристаллах камертона — Jauch Blog-Seite

Кристалл камертона, используемый в часах, является чем-то вроде «классики» среди кристаллов кварца. Его частота всегда равна 32,768 кГц. Но почему это значение?

Ответ на этот вопрос можно найти в истории кристаллов кварца.Bell Telephone Laboratories, бывший исследовательский отдел сегодняшней телекоммуникационной группы AT&T, является одним из пионеров в этой области. Первоначально их исследования были сосредоточены на стабилизации радиочастот, но вскоре стало ясно, что кристаллы кварца также полезны для измерения времени. В 1928 году американцы с гордостью представили первые в мире часы с кварцевым управлением.

Кристалл камертона устанавливает новые стандарты точности

До этого прорыва все часы работали чисто механически.За счет установки кристалла кварца и соответствующего источника энергии, который заставляет кварц колебаться, впервые был представлен электронный компонент. И это сработало: новые кварцевые часы работали намного точнее, чем чисто механические часы.

Но какую функцию на самом деле выполняет кристалл кварца? Проще говоря, кварцевый кристалл гарантирует, что часы «знают», сколько длится секунда. Это достигается за счет генерации частоты ровно один герц. Герцы — это общепринятая единица измерения частот.Он указывает количество повторяющихся процессов в секунду в периодическом сигнале; в этом случае смещение секундной стрелки на одну позицию на циферблате.

Выходная частота 32,768 кГц?

Откуда взялась уникальная стандартная частота для кристалла камертона 32 768 Гц? Чтобы понять это, вы должны знать, что частота кристалла кварца зависит от его формы и размера. Кварц с собственной частотой всего в один герц был бы настолько большим, что он больше подходил бы для часовой башни «Биг Бен», чем для наручных часов.Очевидно, это было бы непрактично с точки зрения производства и использования, поэтому есть особый трюк.

Часовые кристаллы с частотой 32,768 кГц относительно несложно изготовить. Его исходная частота, встроенная в часы, разделяется с помощью так называемых T-триггеров или счетчиков пульсаций. Каждый T-триггер может вдвое уменьшить частоту кварца. Если 15 из этих T-триггеров соединены последовательно, выходная частота 32,768 кГц равна точно одному герцу. Таким образом, частота классического кристалла камертона в конечном итоге является результатом простой арифметической операции и общих условий производства кварца.

Точные частоты для массового рынка

Прошло несколько десятилетий, прежде чем кварцевые часы наконец попали на массовый рынок. В 1969 году японская компания Seiko выпустила на рынок первые коммерчески доступные кварцевые наручные часы. Однако стоимость 460 000 иен была эквивалентна стоимости небольшой машины. Но развитие шло быстрыми темпами: к середине 1970-х кварцевые часы были уже дешевле, чем «обычные» часы с чисто механическими механизмами.

В то время Jauch также воспользовалась возможностью и создала собственную торговую и производственную сеть для кристаллов камертона и других продуктов для регулирования частоты.Естественно, кристаллы камертона по-прежнему являются частью сегодняшнего портфолио. Однако Jauch также предлагает широкий спектр генераторов с частотой камертона 32,768 кГц.

О Паскале Саймоне

Менеджер по маркетингу и связям с общественностью в штаб-квартире нашей компании в Филлинген-Швеннингене — писатель-энтузиаст с большой страстью к словам и Вердеру (Бремен).

Как работают кварцевые часы | HowStuffWorks

Проблем с выбором элемента времени не возникло.Кристалл кварца, возможно, в тысячи раз лучше для определения времени, чем камертон, а кристаллы кварца существуют уже много лет. Необходимо было выбрать только тип и частоту кристалла. Трудность заключалась в выборе технологии интегральной схемы, которая работала бы при достаточно малой мощности .

Кристаллы кварца регулярно используются в течение многих лет для определения точной частоты для всех радиопередатчиков, радиоприемников и компьютеров.Их точность обусловлена удивительным набором совпадений: кварц, который представляет собой диоксида кремния , как и большинство песков, не подвержен влиянию большинства растворителей и остается кристаллическим до сотен градусов по Фаренгейту. Свойство, которое делает его электронным чудом, заключается в том, что при сжатии или изгибе он генерирует на своей поверхности заряд или напряжение . Это довольно распространенное явление, называемое Пьезоэлектрический эффект . Точно так же, если приложить напряжение, кварц будет очень немного гнуться или изменить свою форму.

Если бы колокол был сформирован путем измельчения монокристалла кварца, он бы звенел в течение нескольких минут после удара по нему. В материале почти не теряется энергия. Кварцевый колокол — если он сформирован в правильном направлении по отношению к оси кристалла — будет иметь колебательное напряжение на своей поверхности, и скорость колебаний не зависит от температуры. Если поверхностное напряжение на кристалле снимается с помощью покрытых электродов и усиливается транзистором или интегральной схемой, его можно повторно приложить к звонку, чтобы он продолжал звонить.

Можно сделать кварцевый колокол, но это не лучшая форма, потому что с воздухом передается слишком много энергии. Лучшие формы — это прямой стержень или диск . Преимущество полосы в том, что она сохраняет ту же частоту, при условии, что отношение длины к ширине остается неизменным. Кварцевый стержень может быть крошечным и колебаться с относительно низкой частотой — 32 килогерца (кГц) обычно выбирают для часов не только из-за размера, но и потому, что схемы, которые делятся от частоты кристалла до нескольких импульсов в секунду для часов дисплею требуется больше мощности для более высоких частот.Электроэнергия была большой проблемой для ранних часов, и швейцарцы потратили миллионы, пытаясь продвинуть технологию интегральных схем, чтобы разделить частоту более стабильных дисковых кристаллов с 1 до 2 МГц.

В современных кварцевых часах теперь используется низкочастотный стержень или кристалл в форме камертона. Часто эти кристаллы состоят из тонких листов кварца, покрытых наподобие интегральной схемы, и подвергаются химическому травлению для придания им формы. Основное различие между хорошим и индифферентным хронометрированием заключается в точности начальной частоты и точности угла среза кварцевого листа относительно оси кристалла.Количество загрязнения , которое может проникнуть через капсулу на поверхность кристалла внутри часов, также может повлиять на точность.

Электроника часов изначально усиливает шум на кварцевой частоте. Это создает или регенерирует в колебание — оно запускает звон кристалла. Затем выходной сигнал кварцевого генератора часов преобразуется в импульсы, подходящие для цифровых схем. Они делят частоту кристалла вниз, а затем переводят ее в правильный формат для отображения.(См. «Как работают цифровые часы», где подробно обсуждаются делители и драйверы дисплея.) Или, в кварцевых часах со стрелками, делители создают импульсы длительностью в одну секунду, которые приводят в движение крошечный электродвигатель, и этот двигатель соединен со стандартными шестернями для привода. руки.

Для получения дополнительной информации воспользуйтесь ссылками на следующей странице.

Все, что нужно знать перед покупкой кварцевых часов

До того, как кварц стал повсеместным и стал предметом гнева многих энтузиастов часов, когда-то кварц был передовой технологией, которая почти перевернула целую часовую индустрию.Начав то, что называется либо кварцевым кризисом, либо кварцевой революцией (в зависимости от ваших ощущений от технологии), кварц быстро доказал, что самый надежный и самый точный способ определения времени — это не замысловатая сеть шестерен, а с помощью маленького кристалла. , аккумулятор и несколько крошечных моторов. Некоторым казалось непростительным использование этой методологии для хронометража, отсюда и статус кварца, состоящего из четырех букв, среди многих энтузиастов часов.

Но неважно, что кварцевые часы, за исключением периодической замены батарейки, требуют гораздо меньшего обслуживания, чем их механический аналог.Забудьте о том, что они точнее даже самых дорогих механических часов с самой умелой настройкой. Забудьте, что они более доступны, чем механические часы. Однако если вы немного покопаетесь под капотом и поймете, как работает эта технология, это станет совершенно увлекательным, и вы начнете понимать, что дешевые часы с кварцевой регулировкой в конце концов не так уж и плохи.

Более того, кварцевая технология невероятно проста и может быть уменьшена и дополнена другой электроникой и интеллектуальными функциями.Например, гибридные умные часы используют кварц в качестве основы для аналогового хронометража, а затем добавляют другие элементы, такие как трекеры и мониторы сердечного ритма. Другие производители часов смогли включить атомный хронометраж в свои кварцевые часы и возможность подключения к смартфону, что сделало сверхточные часы еще более точными. Короче говоря, это далеко не старая, простая и бездушная технология — она продолжает развиваться.

Как работают кварцевые часы?

Любые часы нуждаются в колеблющемся регулирующем элементе для точного времени; в механических часах это имеет форму балансира и балансового колеса.Однако на кварцевых часах есть крошечный кристалл кварца, вырезанный в форме камертона. Кварц естественным образом вибрирует с точной частотой, а также обладает пьезоэлектрическими свойствами, что означает, что когда на него оказывается давление, он производит небольшое напряжение электричества.

Верно и обратное этому свойству: когда электрический ток проходит через кварц, он вибрирует, обычно 32 768 раз в секунду. Микрочиповая схема часового механизма затем снижает эту частоту до одного электрического импульса в секунду.Этот импульс приводит в движение двигатель, который, в свою очередь, приводит в движение секундную стрелку и дает кварцевым часам характерное тикание один раз в секунду.

Что такое «высокоточный кварц»?

Большинство часов с кварцевым механизмом имеют гарантированную точность около 15 секунд в месяц или около того. Это по-прежнему намного лучше, чем даже лучшие механические часы, но есть разновидность кварцевых часов, которые могут работать еще лучше: кварцевые часы высокой точности (HAQ). HAQ по-прежнему работают по тем же принципам, что и стандартные кварцевые механизмы, но они учитывают одну серьезную угрозу точности кварцевых часов: изменения температуры.Таким образом, датчики HAQ имеют термокомпенсацию и могут обнаруживать эти изменения и соответствующим образом настраиваться, что обычно обеспечивает гарантированную точность около 10 секунд в год.

Вехи в кварцевой технологии

1880: Французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектричество в кварце.
1927: Уоррен Маррисон и Дж. У. Хортон создают первые кварцевые часы в Bell Laboratories.
1952: И Elgin, и LIP представляют прототипы электронных часов, хотя ни в одной из них не используется кварц.
1957: Hamilton представляет первые электронные часы.
1967: Швейцарский центр электроники Horloge выпускает прототип кварцевых наручных часов Beta 1.
1969: Seiko выпускает Astron, первые кварцевые часы, поступающие в продажу. Он стоит 450 000 иен, что сегодня превышает 8 000 долларов.
1971: Girard-Perregaux представляет калибр 350, который устанавливает стандарт для кварцевых колебаний на частоте 32 768 Гц, работает быстрее, чем предыдущие кварцевые часы, оказывается более точным и потребляет меньше энергии.

Руководство по покупке

Casio G-Shock DW-5600E

G-Shock был основан на принципе создания сверхфункциональных и сверхдоступных часов, и, естественно, кварц был единственным реальным способом добиться этого. Хотя DW-5600E не является OG G-Shock, он существует с 1980-х годов и является символом идеала бренда. Существуют более дорогие, более функциональные модели G-SHocks, но DW-5600E может выдержать более сильные удары, чем большинство часов, и продолжать работать.И это обойдется вам всего в 40 долларов или около того.

Характеристики: Секундомер, будильник, подсветка
Размер: 42 мм
Водонепроницаемость: 200 м

Купить сейчас: 45 $

Timex MK1 Алюминий

Нет лучшего представителя стильных недорогих аналоговых кварцевых часов, чем классические Timex. Этот MK1 — дань уважения часам Mil-Spec в пластиковом корпусе, которые бренд производил в течение 1980-х годов, но в его переработанном виде он отличается более прочным, но легким корпусом из алюминия.Хотя часы сохраняют классический вид полевых часов старой школы, они также имеют очаровательную фирменную подсветку Indiglo, которая была бы невозможна без батареи.

Характеристики: Алюминиевый корпус, подсветка
Размер: 40 мм
Водонепроницаемость: 30 м

Подробнее: здесь

CWC G10

Многие энтузиасты часов любят романтизировать использование механических часов в армии, но правда в том, что вооруженные силы повсюду переходили на кварцевые часы, как только могли.Например, G10 начали использовать в вооруженных силах Великобритании в 1980 году. Компания Cabot Watch Company (CWC) до сих пор производит G10 по тем же стандартам, что означает, что вы по-прежнему получаете очень простые, прочные и серьезные часы. .

Характеристики: Люм, люк для быстрой замены аккумулятора
Размер: 38 мм
Водонепроницаемость: 50 м

Подробнее: здесь

Bulova Lunar Pilot

Speedmaster были не единственными часами, которые носили на Луне — во время миссии Apollo 15 командир Дэвид Скотт носил изготовленный на заказ хронограф Bulova на поверхности Луны вместо своего выпущенного НАСА Speedy.В то время как эти часы были механическими, в представленной здесь дань уважения используется версия высокочастотного кварцевого механизма Bulova Precisionist с хронографом. Вместо того, чтобы секундная стрелка тикала каждую секунду, как в стандартных кварцевых часах, она плавно перемещается по циферблату часов.

Характеристики: Хронограф, черный корпус с PVD-покрытием
Размер: 45 мм
Водонепроницаемость: 50 м

Купить сейчас: $ 595

Marathon TSAR Diver’s Medium

Построен в U.S. По военным стандартам, Marathon TSAR (Tritium Search and Rescue) — это прочные часы в небольшом корпусе. Его толщина составляет всего 36 мм, по сегодняшним меркам он небольшой, но все же очень прочный и позволяет погружаться на глубину до 300 метров. Он также оснащен трубками с газообразным тритием для люминесценции, что приятно, ярко и красочно.

Характеристики: Тритиевый просвет, безель для дайвинга
Размер: 36 мм
Водонепроницаемость: 200 м

Купить сейчас: $ 625

Seiko Prospex SUN065

Еще один убедительный пример соотношения цены и качества, обеспечиваемого линейкой Prospex, — часы для дайвинга SUN065 от Seiko, оснащенные стрелкой GMT и механизмом, снижающим потребность в замене батарей.Но вместо того, чтобы использовать солнечную зарядку, как многие другие кварцевые часы для дайвинга, Prospex использует систему, аналогичную ротору в автоматических часах. Когда вы носите его и двигаете запястьем, он заводит ротор, который генерирует энергию и разряжает аккумулятор.

Характеристики: Кинетическая зарядка, стрелка GMT, безель для дайвинга
Размер: 47,5 мм
Водонепроницаемость: 200 м

Купить сейчас: $ 750

Junghans Max Bill MEGA

Многие бренды, такие как Casio и Citizen, в последние годы дополнили свои кварцевые часы атомным хронометражем, но Junghans была первой в 1990 году, представив MEGA 1.Теперь немецкий производитель часов внедряет технологию в свой культовый дизайн Max Bill, давая классическим часам Bauhaus возможность настраивать свое время в соответствии с радиосигналами времени. Более того, вечный календарь сохраняет дату до 2400 года.

Характеристики: Радиоуправляемый хронометраж, вечный календарь
Размер: 38 мм
Водонепроницаемость: 30 м

Подробнее: здесь

Модель

Longines Conquest VHP

Даже среди часов HQA Conquest VHP (очень высокая точность) Longines — одни из самых точных аналоговых часов в мире с гарантированной точностью около пяти секунд в год.Как это делает VHP? Longines добавила в механизм множество интересных технологий, таких как система «определения положения шестерни», которая проверяет точное положение шестерни и корректирует показания, если оно не соответствует временной развертке кварца. Часы также могут регулироваться после удара или в присутствии магнитного поля.

Характеристики: Вечный календарь, точность HQA
Размер: 41 мм
Водонепроницаемость: 50 м

Купить сейчас: $ 1,000

Grand Seiko 9F (SBGX259G)

Калибр Grand Seiko 9F, впервые выпущенный в 1993 году, остается одним из самых совершенных кварцевых механизмов из когда-либо созданных.Термокомпенсация, точность до десяти секунд в год и герметичность, так что, за исключением замены батарейки, часы не нуждаются в обслуживании в течение 50 лет. Есть и другие впечатляющие мелкие детали, такие как пружина для предотвращения люфта и высокоскоростной двигатель, который меняет дату за 1/2000 секунды. Это удивительно сложный механизм, сочетающийся с изысканной отделкой корпуса и циферблата, которыми славится Grand Seiko.

Характеристики: Точность HQA, быстрая дата
Размер: 37 мм
Водонепроницаемость: 100 м

Купить сейчас: $ 2,200

Sinn Hydro UX

Вы всегда можете рассчитывать на то, что Sinn предоставит великолепный излишеств для своих часов с инструментами, и бренд не разочарует, даже когда он работает с кварцем.Hydro UX — это кварцевый вариант дайвера марки U1, что означает, что он представляет собой потрясающий корпус, сделанный из нержавеющей стали для подводного плавания (на самом деле). Что действительно отличает часы, так это то, что все они заполнены маслом (опять же, действительно). Масло, по сути, делает часы удобочитаемыми под любым углом (даже под водой), а поскольку механический механизм и масло не взаимодействуют друг с другом, Шинн обратился к кварцевому механизму ETA 955.652 с термокомпенсацией.

Характеристики: Термокомпенсация, маслонаполненный корпус, безель для дайвинга
Размер: 44 мм
Водонепроницаемость: 5000 м

Купить сейчас: 2270 долларов США

Citizen Eco-Drive One

Citizen Eco-Drive One толщиной чуть менее 3 мм — одни из самых тонких часов, когда-либо созданных, и демонстрация того, как упрощенный и компактный кварцевый механизм может сочетаться с поразительным дизайном.В дополнение к невероятно тонкой конструкции, часы могут похвастаться солнечной зарядкой, а также безелем из металлокерамики (металлокерамический сплав) и корпусом из закаленной нержавеющей стали, чтобы эта проклятая вещь не согнулась, когда вы ее наденете.

Характеристики: Солнечная зарядка, металлокерамическая рамка
Размер: 40 мм
Водонепроницаемость: «Защита от брызг»

Купить сейчас: $ 2,600

Citizen Chronomaster (AQ4030-51A)

Если Eco-Drive One демонстрирует способность японского производителя часов использовать кварцевую технологию для дизайна, то Chronomaster демонстрирует его мастерство в создании технически совершенных механизмов.Механизм здесь — это еще один HAQ с точностью до пяти секунд в год и, кстати, с солнечной зарядкой. Однако часы — это не только механизм — корпус изготовлен из титана, а циферблат — из бумаги васи, которая придает им текстуру, но при этом остается достаточно прозрачной, чтобы пропускать свет для зарядки механизма.

Характеристики: HQA точность, титановый корпус, солнечная зарядка
Размер: 38 мм
Водонепроницаемость: НЕТ

Купить сейчас: $ 3 327

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Как работают кварцевые часы?

Спросил: Тони Д.

Ответ

Любое устройство для хронометража будет содержать как минимум три разные части: приводной механизм, спусковое устройство (способ измерения времени) и способ отображения. Например, заводной будильник использует пружину растяжения в качестве механизма привода, спусковое колесо и механические стрелки с приводом от зубчатой передачи, перемещающиеся по циферблату для индикации времени.Поколения хронометров на протяжении всей истории работали над повышением точности. В ранних механических часах использовались падающие грузы в качестве приводных устройств, а также планка и линя в качестве спускового устройства. Гребень представлял собой шестерню, натянутую под тяжестью веса, а фолиот представлял собой храповое устройство, которое колебалось взад и вперед на грани с фиксацией и отпусканием, создавая знакомый тиканье часов. В современных механических часах используется почти такая же концепция. Открытие маятника Галилеем предоставило еще более точный метод измерения времени, поскольку частота колебаний маятника не зависит от его амплитуды во времени.Другими словами, даже когда колебание маятника ослабло по амплитуде, частота между циклами оставалась постоянной. У портативных часов тоже были свои проблемы. Часы с маятником плохо работают в движении. Часы с пружинным приводом обеспечивают портативность, но работают быстрее при новом заводе и постепенно замедляются при ослаблении пружины. Электрические часы были улучшением, но при все еще относительно низкой частоте спуска 60 циклов в секунду не были очень точными. Войдите в кварцевые часы.В кварцевых часах используется природа кристалла кварца, что обеспечивает очень точный резонатор, который подает постоянный электронный сигнал для целей хронометража. Кристаллы кварца являются пьезоэлектрическими, что означает, что они генерируют электрический заряд при приложении к ним механического давления. Они также вибрируют, если к ним приложить электрический заряд. Частота этой вибрации зависит от огранки и формы кристалла. Кристаллы кварца можно разрезать до одинакового размера и формы, чтобы они вибрировали тысячи раз в секунду, что делает их чрезвычайно стабильными резонаторами для очень точного измерения времени.Хотя пьезоэлектрический эффект кристаллов кварца был понят с 1880-х годов, первое применение этого свойства кварца при использовании часов не произошло до 1927 года. Именно в этом году У. А. Маррисон изобрел оригинальные кварцевые часы. и JW Хортон. Их кварцевые часы были очень большим устройством по сравнению с сегодняшними кварцевыми наручными часами, которые также используют микрочип и технологию жидкокристаллического дисплея. Дополнительная литература: «Как работают кварцевые часы» от Horology.com
Ответил: Стивен Портц, учитель технологий, средняя школа космического побережья, Флорида

Основным принципом всех наручных часов является устройство, которое колеблется с фиксированной частотой.Ранние механические часы и часы использовали маятник или пружины с каким-либо регулятором, чтобы поддерживать фиксированную частоту. Время просто измеряется путем подсчета этих колебаний. Простое устройство может колебаться с частотой 1 Гц (один раз в секунду), поэтому для каждого колебания будет проходить 1 секунда. Кварцевые часы начали появляться в начале 1970-х годов. Они используют кристалл кварца (диоксида кремния) в форме небольшого бруска. Это «пьезоэлектрический» материал — при изгибе или сжатии он создает небольшое электрическое поле (и наоборот).Кристалл имеет собственные колебания с частотой около 32000 Гц. Эти колебания генерируют небольшие электрические сигналы, которые «разделяются» схемой в часах до необходимой частоты (обычно секунд) и преобразуются в импульсы, которые отправляются на дисплей часов или двигатель для перемещения секундной стрелки. Преимущество кварцевых часов заключается в их простоте и точности — кристаллы сохраняют свою частоту в широких условиях эксплуатации и дешевы в изготовлении.