Как работают кварцевые часы

1. Как работают обычные часы
2. Как работают кварцевые часы
3. Почему кварцевые часы выигрывают или теряют время вообще?
4. Но как на самом деле работает кристалл кварца?
5. дальнейшее чтение

от Крис Вудфорд , Последнее обновление: 20 ноября 2018 г.

Вы можете не верить в астрологию, но нет сомнений в том, что планеты управляют нашей жизнью. Мы встаём, когда восходит Солнце (или некоторое время спустя), и ложимся спать, когда оно садится. У нас есть календарь, основанный на днях, месяцах и годах - периодах времени, которые относятся к тому, как Луна и Земля движутся вокруг Солнца в небе. На протяжении большей части истории люди находили этот вид «астрономического хронометража» достаточно хорошим для своих нужд. Но по мере того, как мир становился все более безумным и сложным, людям приходилось отслеживать часы, минуты и секунды, а также дни, месяцы и годы. Это означало, что нам нужны точные способы удержания времени. Раньше маятниковые часы и механические часы были лучшим способом сделать это. Сегодня многие люди вместо этого используют кварцевые часы - но кто они и как они работают?

Фото: Кварц действительно дешев, и для часов, которые его используют, едва ли нужны движущиеся части. Вот почему он сейчас используется даже в самых недорогих часах. Поскольку он настолько точен и надежен, он очень важен для продажи - вот почему на таких часах гордо надето слово «кварц» на циферблатах. Обратите внимание, что это аналоговый часы (одна с стрелками): кварцевые часы и часы не должны быть цифровыми (иметь цифровые дисплеи).

Как работают обычные часы

Мы все знаем, что часы держат время, но вы когда-нибудь задумывались о том, как это происходит? Вероятно, самые простые часы, которые вы могли бы сделать, это говорящие часы. Если вы посчитаете секунды, повторяя фразу, которая скажет ровно одну секунду (например, «слон один», «слон два», «слон три» ...), вы обнаружите, что можете довольно точно следить за временем. Попробуйте это. Скажите вашим слонам от одного до шестидесяти и посмотрите, насколько хорошо вы держите время более минуты по сравнению с вашими часами.

Неплохо, а? Проблема в том, что у большинства из нас есть дела поважнее всего, чем сказать «слон». Вот почему люди изобрели часы. Некоторые из самых ранних часов использовали качающиеся маятники, чтобы сохранить время. маятник это длинный стержень или груз на веревке, которая качается взад и вперед. В 1583 г. итальянский физик Галилео Галилей (1564–1642 гг.) Обнаружил, что маятнику определенной длины всегда требуется одно и то же время, чтобы качаться взад-вперед, независимо от того, насколько он тяжел и насколько велик. Он понял это, наблюдая за огромной лампой, качающейся на цепочке с потолка. Пизанский собор в Италии, и использовал его пульс, чтобы измерять его, когда он двигался взад и вперед. Задача маятника в часах - регулировать скорость шестерни (блокировка колес с прорезанными зубцами по краям). Зубчатые колеса отсчитывают количество прошедших секунд и преобразуют их в минуты и часы, отображаемые на стрелках, которые движутся по часовой стрелке. Иными словами: шестерни в маятниковых часах действительно просто считают слонов.

Фото: сила маятника: этот качающийся стержень (с грузом внизу) - это то, что держит время в напольных часах. Это было одно из великих открытий, которое мы обязаны Галилею.

Вы можете сделать маятниковые часы, привязав вес к веревочке. Если длина нити составляет около 25 см (10 дюймов), маятник будет качаться взад-вперед примерно раз в секунду. Более короткие струны будут качаться быстрее, а более длинные - медленнее. Проблема с такими часами в том, что маятник будет продолжать останавливаться. Сопротивление воздуха и трение скоро израсходуют его энергию и остановят его. Вот почему маятниковые часы имеют пружины в них. Один раз в день вы заводите пружину в часы, чтобы накопить потенциальная энергия чтобы маятник двигался в течение следующих 24 часов. Когда пружина раскручивается, она приводит в движение механизмы внутри часов. Благодаря механизму качания , называемому спусковым механизмом , маятник заставляет шестерни вращаться с точной скоростью, и именно так шестерни держат время. Карманные часы, очевидно, слишком малы, чтобы в них помещался маятник, поэтому они используют другой механизм. Вместо маятника у него есть балансир, который вращается сначала в одну сторону, а затем в другую, управляемый намного меньшим спуском, чем в маятниковых часах.

Как работают кварцевые часы

Фото: кристаллы кварца. Фото любезно предоставлено Геологическая служба США ,

Проблема с маятниковыми часами и обычными часами состоит в том, что вы должны постоянно помнить, чтобы заводить их. Если вы забудете, они остановятся - и вы не будете знать, который час. Другая трудность с маятниковыми часами заключается в том, что они зависят от силы тяжести, которая очень мало меняется от места к месту; это означает, что маятниковые часы показывают время по-разному на больших высотах от уровня моря! Маятники также меняют длину при изменении температуры, слегка увеличиваясь в теплые дни и сокращаясь в холодные дни, что делает их снова менее точными.

Кварцевые часы решают все эти проблемы. Они есть аккумулятор питание и, поскольку они потребляют так мало электроэнергии, батарея часто может работать несколько лет, прежде чем ее нужно будет заменить. Они также намного точнее маятниковых часов. Кварцевые часы работают совершенно иначе, чем часы с маятником и обычные часы. В них по-прежнему есть механизмы для подсчета секунд, минут и часов и движения стрелок по часовой стрелке. Но механизмы регулируются крошечным кристаллом кварца вместо качающегося маятника или движущегося колеса баланса. Гравитация вообще не фигурирует в работе, поэтому кварцевые часы точно так же показывают время, когда вы поднимаетесь на гору Эверест, и точно так же, как и в море.

Фото: кварцевый генератор от часов. Вы можете увидеть, насколько он маленький, взглянув на самую последнюю фотографию на этой странице. Это часть под номером «5» на этом рисунке.

Кварц звучит экзотично - с «q» и «z», это отличное слово, чтобы играть в Scrabble, но на самом деле это один из самых распространенных минералов на Земле. Он сделан из химического соединения под названием диоксид кремния (кремний также материал, из которого компьютерные чипы сделаны), и вы можете найти его в песке и большинстве типов камней. Пожалуй, самое интересное в кварце - это пьезоэлектрический , Это означает, что если вы сжимаете кристалл кварца, он генерирует крошечное электрическое напряжение. Также верно и обратное: если вы подаете напряжение на кусок кварца, он вибрирует с определенной частотой (он трясется точное количество раз в секунду).

Внутри кварцевых часов или часов батарея посылает электричество на кристалл кварца через электронный цепи. Кристалл кварца колеблется (вибрирует взад-вперед) с точной частотой: ровно 32768 раз в секунду. Схема подсчитывает количество вибраций и использует их для генерации регулярных электрических импульсов, по одному в секунду. Эти импульсы могут питать ЖК дисплей (показывает время численно) или они могут водить небольшой электрический двигатель (крошечный шаговый двигатель фактически вращающиеся шестерни, которые вращают секундную, минутную и часовую стрелки часов.

Почему кварцевые часы выигрывают или теряют время вообще?

Если кварц настолько удивителен, вы можете удивиться, почему кварцевые часы не всегда точно показывают время. Почему он все еще получает или теряет секунды здесь и там? Ответ заключается в том, что кварц вибрирует с несколько иной частотой при разных температурах и давлениях, поэтому его способность выдерживать время в меньшей степени зависит от согревающего, остывающего, постоянно меняющегося мира вокруг нас. Теоретически, если вы все время держите часы на запястье (которые имеют более или менее постоянную температуру), они будут работать лучше, чем если бы вы их включали и выключали (вызывая довольно резкое изменение температуры каждый раз). Но даже если кристалл кварца может вибрировать с совершенно постоянной частотой, то, как он монтируется в цепи, незначительные дефекты зубчатой ​​передачи, трение и т. Д. Также могут привести к незначительным ошибкам в хронометраже. Все эти эффекты достаточны для того, чтобы вносить погрешность в обычные кварцевые часы и часы с точностью до секунды в день (имейте в виду, что секунда, потерянная за один день, может быть компенсирована секундой, полученной на следующий день, поэтому общая точность может быть хорошо, как несколько секунд в месяц).

Но как на самом деле работает кристалл кварца?

Вы можете найти достаточно объяснений, и если это так, вы можете перестать читать сейчас. Далее следует более подробное обсуждение того, как кварцевый генератор на самом деле работает для тех, кто хочет немного глубже. Я должен предупредить вас, что если у вас нет степени в области электронной техники, схемы из кварцевого кристалла очень быстро становятся очень сложными. Я дам вам очень краткую, упрощенную версию того, что происходит, и несколько советов для дальнейшего чтения, чтобы вы могли копать глубже, если хотите.

Главное, что нужно помнить о кварце, это то, что это пьезоэлектрический : он будет вибрировать, когда вы включаете в него электричество, или он будет выдавать электричество, когда вы его вибрируете. Генератор кварцевого кристалла использует пьезоэлектричество в обоих направлениях - одновременно!

То, как я нарисовал схему выше, показывает, что кристалл кварца отделен от цепи микрочипа, но на самом деле кристалл является интимной частью этой цепи, соединенной с ним двумя электродами. Вы можете ясно видеть их на большом фото внутренности часов и на фото самого генератора: это две маленькие серебряные ножки, торчащие из металлического цилиндрического корпуса. По сути, кварцевый генератор представляет собой еще один компонент, подключенный к микросхеме, как резистор или конденсатор.

Я говорю «схема», но проще всего представить генератор как часть двух отдельных цепей, каждая из которых находится на одном микросхеме. Первая схема (назовем это входом) стимулирует кварцевый кристалл вспышками электричества. Подача электричества в кварц заставляет его вибрировать (или, если хотите, колебаться или резонировать) через то, что иногда называют обратным пьезоэлектрическим эффектом (где электричество производит вибрации). Генератор настроен так, что кварц вибрирует ровно 32768 раз в секунду. Но теперь вспомним обычный пьезоэлектрический эффект: когда кусок кварца вибрирует, он генерирует электрическое напряжение. Вторая цепь на микросхеме обнаруживает это «выходное напряжение» (колеблется 32768 раз в секунду) и делит его частоту, чтобы генерировать импульсы раз в секунду, которые приводят двигатель в движение от шестерен. В часах с цифровым дисплеем вместо использования шестерен микросхема многократно делит частоту генератора, чтобы приводить сегменты часов, минут и секунд (как показано на иллюстрации ниже).

Работа: Как кварцевый генератор управляет цифровыми часами с дисплеем часов и минут и мигающим двоеточием между ними («12:32») для обозначения проходящих секунд. Генератор (желтый) вибрирует 32 768 раз в секунду. Бинарный делитель (синий, слева) делит это 15 раз, чтобы создать импульс 1 Гц (один в секунду), который приводит в движение мигающую двоеточие. Сигнал 1 Гц от делителя сам делится на 60, чтобы получить минуты, и еще 12, чтобы сделать часы. Эти сигналы управляют серией драйверов (красного цвета), которые питают сегменты на цифровом дисплее. Работа от Патент США 3,863,436: твердотельные кварцевые часы Джек Шварцшильд и Рэймонд Боксбергер, Timex. 4 февраля 1975 года, любезно предоставлено Бюро по патентам и товарным знакам США.

В одной из ранних форм кварцевого генератора на кварцевом кристалле было установлено два набора электродов. Первый набор был подключен к входной цепи и подавал электричество в кристалл, чтобы он вибрировал. Когда кристалл вибрировал, он генерировал пьезоэлектрическое напряжение. Это было обнаружено вторым набором электродов (прилипших к другой части того же кристалла) и подается на выходную цепь. Когда кварцевая технология была миниатюрной для использования в компактных наручных часах, стало ясно, что нужны меньшие генераторы, и не было места для двух пар электродов. Вот почему современные генераторы используют одну пару электродов, чтобы стимулировать кристалл энергией и обнаруживать его вибрации.

Это столько, сколько я собираюсь тебе сказать. Если вы хотите узнать больше, вы можете взглянуть на следующие источники. Имейте в виду, что они сложны и трудны для подражания, если вы не обладаете знаниями в области электронной техники.

дальнейшее чтение

генеральный

• Кварцевый генератор : Подробное введение из Википедии. Это одна из тех слегка сбивающих с толку статей Википедии, которые могут иметь смысл только людям, которые достаточно разбираются в предмете, чтобы написать статью в первую очередь. Тем не менее, это разумная отправная точка для дальнейших исследований.

история

• Эволюция кварцевых хрустальных часов Уоррен Маррисон, Технический журнал The Bell System, Vol. XXVII, стр. 510-588, 1948. Это превосходный, увлекательный, исчерпывающий и подробный документ с изложением истории кварцевого хронометража, написанный одним из его пионеров. Но обратите внимание, что это сложная статья из технического журнала. [Архивировано через Wayback Machine и доступно в различных других форматах из Интернет архив .]
• Современные разработки в области точных часов AL Loomis (лаборатория Loomis) и WA Marrison, IEE Electrical Engineering, Vol. 51, № 2, февраль 1932 г. Еще один классический отчет из архива двух ключевых пионеров. (Подписная статья в электронном виде загружена в 2013 году.)

Патенты

Узнать больше

На этом сайте

книги

• О времени Адам Франк. Oneworld, 2013. История часовых свистков от солнечных часов до квантовых часов.
• Time Warped Клаудия Хаммонд HarperCollins, 2013. Как мы воспринимаем время - и правда ли говорить, что наше чувство времени «все в уме»? По сути, поп-научное руководство по психологии времени.
• История часов Эрик Брутон. Книжные продажи, 2004. Краткое введение в часы, древние и современные.
• Пип Пип: Боковой взгляд на время Джей Гриффитс. HarperCollins, 2000. Как мы ощущаем время, когда наши жизни проходят. Необычное, заставляющее задуматься руководство о том, как время течет в нашей жизни и наоборот.

статьи

Патенты

Для более глубокой технической детали, попробуйте:

• Патент США 3,863,436: твердотельные кварцевые часы Джек Шварцшильд и Рэймонд Боксбергер, Timex. 4 февраля 1975 года. Этот сравнительно простой для понимания патент описывает типичные современные электронные часы с цифровым дисплеем. На рис. 3 и в сопроводительном тексте показано, как сигнал кварцевого генератора с частотой 32 768 Гц многократно делится на интегральную микросхему для драйверов часов, минут и секунд, которые питают дисплей.
• Патент США 3,803,828: резистор для кварцевого генератора Юджин Килер и Роберт Шапиро, Timex. 16 апреля 1974 года. Этот более ранний патент описывает типичную схему «подстройки», через которую кварцевый генератор может использоваться для питания часов с высокой точностью.

Похожие

Комментарии