Кварцевые часы как устроены
Устройство кварцевых часов и принцип работы кварцевого резонатора | Часовой блог - Хронометрика
Устройство кварцевых часов и кварцевого резонатора.
By Serj on 20.03.2017
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.
Устройство и принцип работы кварцевых часов
За несколько столетий человек смог значительно усовершенствовать наручные механические часы. Путем создания различных сложных по конструкции устройств удалось добиться точности хода до +-5 секунд в сутки. Но такие часы были сложны в изготовлении и, как следствие, очень дороги.
Электричество, все сильнее вторгавшееся во все области жизни человека, не могло обойти часовое дело. С появлением кварцевых технологий высокоточные часы стали доступны каждому жителю Земли, а качество часов стало зависеть не столько от мастерства и опыта людей, сколько от точности работы автоматических линий. Сегодня абсолютное большинство выпускаемых в мире часов относятся именно к кварцевым. Как они устроены, как работают и почему все больше людей отдают предпочтение именно кварцевым часам?
В двух словах
Основными элементами кварцевых часов являются электронный блок и шаговый электродвигатель. Электронный блок раз в секунду посылает импульс двигателю, а тот поворачивает стрелки.
| 1. Катушка 2. Стартор 3. Ротор 4. Триб ротора 5. Магниты |
Очень высокую стабильность частоты вырабатываемых импульсов, а значит, и высокую точность хода, обеспечивает кристалл кварца, из-за которого часы и получили свое название.
Батарейка, питающая электронный блок и двигатель, рассчитана на несколько лет работы и избавляет от необходимости заводить часы в течение всего этого срока. Получается уникальное сочетание высокой точности и удобства в использовании.
Иногда вместо циферблата со стрелками используется цифровой дисплей. Такие часы у нас принято называть электронными, но во всем мире их называют кварцевыми часами с цифровой индикацией. Это название подчеркивает, что, во-первых, основой часов является кварцевый генератор, а во-вторых, информация о времени в них отображается в виде цифр.
По сути, кварцевые часы являются мини-компьютером. Запрограммировав соответствующим образом микросхему, их легко превратить в многофункциональное устройство: хронограф, секундомер, добавить к ним будильник и т.д. Причем, в отличие от механических часов, их стоимость при этом возрастает не так сильно.
Зачем часам кристалл
Кристалл кварца обладает уникальными свойствами: при сжатии он порождает электрический импульс, а при воздействии электрического тока кварц сжимается. Таким образом, кристалл можно заставить сжиматься-разжиматься, т.е. колебаться, под воздействием электрического тока. Подбором размеров кристалла добиваются частоты резонанса 32768 герц.
 | 1. Источник питания 2. Шаговый двигатель 3. Передаточное колесо 4. Секундное колесо 5. Центральное колесо 6. Часовое колесо 7. Рычаг кулачковой муфты 8. Переводной рычаг 9. Переводная головка 10.Переводной вал 11. Кулачковая муфта 12.Тормозной рычаг 13. Минутное колесо 14. Промежуточное колесо 15. Блок кварцевого генератора |
Электронный блок кварцевых часов состоит из двух частей. Одна часть, генератор, вырабатывает электрические колебания, которые стабилизируются кварцевым кристаллом на его резонансной частоте. Таким образом, мы имеем генератор электрических колебаний, причем частота этих колебаний очень стабильна. Остается эти равномерные колебания превратить в равномерное же движение стрелок.
Генератор вырабатывает 32768 электрических колебаний в секунду. Это примерно в 10000 раз больше, чем число колебаний баланса в обыкновенных часах. Ни одно механическое устройство не может работать с такой скоростью. Поэтому другая часть электронной схемы, называемая делителем, преобразует эти колебания в импульсы частотой 1 герц. Эти импульсы подаются на обмотку шагового электродвигателя.
Двигатель состоит из статора, неподвижно закрепленной на нем катушки с обмоткой и ротора — постоянного магнита, насаженного на ось. При прохождении через катушку электрического импульса возникает магнитное поле, которое поворачивает ротор на пол-оборота. Ротор через систему шестерен вращает стрелки.
Сколько же прослужит «кварц»?
Колесный механизм у кварцевых часов имеет тот же ресурс, что и у механических. Очень долго прослужит и шаговый двигатель. Сегодня можно встретить работоспособные радиоприемники 20-х годов, т.е. ресурс электронных компонентов также велик и до конца еще не изучен. И, теоретически, хорошие кварцевые часы по долголетию не должны уступать механическим.
Статистики по «долгожительству» кварцевых часов пока не набрано, ведь они появились всего 30 лет назад. Но многие электронно-балансовые часы, выпущенные лет 40 назад, прекрасно ходят и по сей день.
С другой стороны, 100 лет назад часы передавали по наследству потому, что это была чрезвычайно редкая и дорогая вещь. Те времена давно прошли, сегодня все чаще мы покупаем новую вещь не потому, что старая испортилась, а потому, что она морально устарела. А срок, необходимый для морального устаревания, кварцевые часы выхаживают, доставляя владельцу минимум хлопот.
В нашей стране механические часы пока популярнее кварцевых. Но, по прогнозам зарубежных специалистов, в ближайшие годы ситуация будет резко меняться и через 4-5 лет доля кварцевых часов составит не менее 80% рынка.
Какие часы точнее? У механических часов точность зависит от множества факторов: температуры, положения часов, степени завода пружины, износа деталей, регулировки. В кварцевых часах все проще: частота импульсов, вырабатываемых кварцевым генератором, практически постоянна. А двигатель и стрелки — это просто исполнительное устройство, их дело — вращаться по команде. И если для механических часов хорошим результатом считается отклонение +-20 секунд в сутки, а +-5 секунд — почти предельным, то основная масса кварцевых часов обеспечивает точность около +-20 секунд в месяц, а лучшие — до +-5 секунд в год. Даже дешевые кварцевые часы точнее механического хронометра.
Почему механизмы кварцевых часов часто делают пластмассовыми? Все детали механических часов большую часть времени находятся под нагрузкой, которую создает заводная пружина, и только в очень малые моменты времени, когда баланс и анкерная вилка разрешают повернуться анкерному колесу, это напряжение падает. Большие нагрузки, высокое контактное давление, требуют использования твердых материалов, таких как сталь, латунь, рубин. В кварцевых же часах все наоборот: большую часть времени детали свободны. И только когда шаговый двигатель поворачивает колеса, на короткое время детали оказываются нагруженными. Это позволяет использовать более мягкие материалы. К тому же мощность, развиваемая шаговым двигателем, во много раз меньше мощности, развиваемой заводной пружиной. Чтобы двигатель смог повернуть стрелки, детали кварцевого механизма должны быть как можно легче, а трение — меньше. Пластик легче стали, а при специальном подборе пластиков удается сделать трение в паре «пластик-пластик» в несколько раз меньше, чем в паре «сталь-латунь», обычно используемой в механике. Другими словами, в кварцевых часах использование пластика по многим причинам предпочтительнее.
Кстати, у Seiko, например, состав пластмасс, используемых в механизмах, запатентован.
Почему в кварцевых часах обычно нет камней? Потому, что они там не нужны. Вопреки распространенному мнению, камни в механических часах используются не потому, что они позволяют снизить трение, а потому, что рубин тверже и лучше выдерживает контактное давление. А в кварцевых часах оно очень мало.
Обычно в кварцевых часах ставят один камень — нижнюю опору ротора шагового двигателя. Дело в том, что статор двигателя достаточно сильно «притягивает» ротор, и эта опора единственное место в часах, где контактное давление относительно велико.
Почему кварцевые часы дешевле? Точность хода кварцевых часов определяется только параметрами генератора. Кварцевые часы не требуют тонкой ручной настройки при сборке, в них относительно мало деталей. Это позволяет большинство операций по изготовлению деталей и сборке механизма поручить автоматике. Естественно, себестоимость таких часов ниже.
Боятся ли кварцевые часы ударов? В кварцевых часах нет деталей, чувствительных к ударам подобно оси баланса в механических. Фактически, все кварцевые часы являются противоударными. Они почти не чувствительны к обычным в реальной жизни ударам, которые выводят из строя механику. Но экспериментировать, проверяя их на прочность, мы не советуем.
Какие часы дольше прослужат? Многие говорят, что механические часы служат намного дольше, чем кварцевые. В пример приводят экземпляры сто и даже двухсотлетней давности. Но многие ли из часов, выпущенных 100 — 200 лет назад, работают сегодня
Журнал ЧАСОВОЙ БИЗНЕС Автор: Вячеслав Медведев
Устройство кварцевых часов: просто о сложном – возможно!,
Устройство кварцевых часов: просто о сложном – возможно!Разобраться в принципах работы столь привычного для нас аксессуара – наручных часов – задача, напоминающая путешествие в темный, дремучий лес: мы настраиваемся, бодримся, собираемся с силами, делаем первый шаг в чащу и… поворачиваем обратно.
Так и с часами. Натолкнувшись на сложное двухметровое предложение мы, чаще всего, закрываем книгу и забрасываем смелую идею в необозримое будущее. И все бы хорошо, только как произнести «не знаю», если завтра ребенок или младший братишка огорошит вопросом: «А что внутри часиков»?
Рассказать об этом – возможно. Как – попробуем разобраться в этой статье.
Начнем с простейшего. Чем знамениты кварцевые модели? С их появлением жизнь простых людей облегчилась невероятно: часы перестали быть атрибутом высшего общества, — отныне высокоточные, но, в то же время недорогие изделия стали доступны чуть ли не каждому, кто хотел угнаться за юрким временем. В последнее десятилетие абсолютное большинство выпускаемых часов – кварцевые.
Так как же они работают? Основными элементами любой кварцевой модели являются электронный блок и шаговый электродвигатель. Электронный блок каждую секунду посылает двигателю импульс, и тот поворачивает стрелки в нужном направлении (делает «шаг»).
Чтобы со временем частота сигналов не снижалась, и механизм сохранял идеальную точность, разработчики используют в конструкции часов кристаллы кварца, которые «колеблются» под воздействием электрического тока, сжимаясь и разжимаясь попеременно.
Еще одна составная часть электронного блока – генератор – производит электрические колебания, которые на своей частоте стабилизирует кварцевый кристалл. В результате мы получаем генератор со стабильной частотой электрических колебаний, которые остаётся обратить в равномерное движение стрелок.
Как правило, кварцевый генератор вырабатывает в 10000 раз больше электрических колебаний в секунду, чем механизм простых часов. Ни одному механическому устройству не под силу работа с подобной скоростью.
Батарейки, используемые в кварцевых часах, питают двигатель и электроблок, обеспечивая безотказную работу на протяжении нескольких лет, что, в свою очередь, позволит Вам не волноваться о постоянном заводе часов. В результате Вы получаете удобное использование и высокую точность.
Общеизвестные электронные часы, в которых используется не циферблат и стрелки, а цифровой дисплей, во всём мире принято называть кварцевыми часами с цифровой индикацией. Из названия ясно, что время в таких часах отображается цифрами, а их сердце – кварцевый генератор.
Образно кварцевые часы можно сравнить с мини-компьютером. Достаточно запрограммировать микросхему определенным образом, и многофункциональное устройство, в котором есть секундомер, хронограф и будильник — к Вашим услугам.
Что точнее – «кварц» или механика?
Точность механических часов обусловлена многочисленными факторами. Это и положение часов, и степень износа деталей, и регулировка, и завод пружины.
Гораздо проще дело обстоит с кварцевыми часами, ведь специальный генератор механизма обеспечивает практически постоянную частоту импульсов. В этой системе стрелки и двигатель играют лишь роль исполнителя, который должен вращаться по команде.
Для механических часов отклонение + — 20 секунд в сутки считается хорошим показателем точности, и лишь немногие могут похвастаться предельным результатом + — 5 секунд. Что же касается кварцевых часов, то основная их масса способна отклониться на + — 20 секунд лишь за месяц, а лучшие представители показывают результат до + — 5 секунд в год. С уверенностью можно заявить, что даже самые дешёвые кварцевые часы обойдут в точности любой механический хронометр.
Почему механизмы часов — пластмассовые?
Преимущественная часть деталей механических часов длительное время находится под нагрузкой, созданной заводной пружиной. И лишь в некоторые моменты, когда анкерная вилка и баланс позволяют повернуться анкерному колесу, нагрузка спадает.
Подобные условия требуют применять в использовании твёрдые материалы: рубин, сталь, латунь. Совершенно противоположная ситуация наблюдается в механизме кварцевых часов, где основную часть времени детали находятся без нагрузки, что позволяет применять более мягкие материалы. Плюс ко всему, мощность шагового двигателя, который и нагружает детали в кварцевых часах на короткое время, гораздо меньше мощности, которую развивает заводная пружина механических часов.
Трение деталей кварцевого механизма должно быть как можно меньше, а сами детали – как можно легче, чтобы двигатель без проблем мог повернуть стрелки. Это условие как нельзя лучше выполняется при специальном подборе пары трения «пластик-пластик».
А где же камни?
По сути своей камни в механических часах применяются для предохранения от контактного давления. А поскольку в кварцевых часах оно крайне мало, то и камни в них совершенно не нужны. Хотя иногда можно встретить один камень, который выполняет роль нижней опоры ротора шагового двигателя – место, где контактное давление действительно присутствует.
Почему кварцевые часы дешевле?
По причине того, что в кварцевых часах не так много деталей, а их точность зависит только от параметров генератора, они не требовательны к тонкой ручной настройке при сборке. Большая часть операций по сборке механизма и изготовлению деталей выполняется автоматикой, что, соответственно, влияет на себестоимость часов.
Сколько же прослужит «кварц»?
Вопреки всеобщему мнению, можно с уверенностью сказать, что хорошие кварцевые часы не уступят по долголетию механическим. Тот факт, что в кварцевых часах нет чувствительных к ударам деталей, позволяет зачислить их в категорию противоударных.
