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 ± 0,005 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?

42.2.1 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. 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. На рисунке 42.1 показан принцип работы кварцевых часов.

1. Катушка 2. Стартор 3. Ротор 4. Триб ротора 5. Магниты

Рисунок 42.1 – Принцип работы кварцевых часов

42.2.2 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.

Рисунок 42.2 - Кварцевые часы на основе кристалла

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.

42.2.3 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. Поэтому, 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.

42.2.4 Всё о хронографах - Как это работает?

42.2.4.1 Хронографпредставляет собой секундомер, встроенный в часы и работающий за счет основного механизма. Он позволяет измерять промежутки времени при помощи минутного и часового (часовой счетчик встречается далеко не на каждых часах) счетчиков, а также центральной секундной стрелки, которую можно легко запустить, остановить или вернуть в исходное положение. Существуют различные типы хронографов - простые и суммирующего действия, одно- и двухстрелочные (с "догоняющей" стрелкой или Сплит - хронографы).

42.2.4.2 Простые хронографы имеют одну кнопку управления. При первом нажатии секундная и минутная стрелки приходят в движение и начинают отсчитывать время. При втором нажатии секундомер останавливается и фиксирует время, прошедшее между первым и вторым нажатием. При третьем нажатии кнопки обе стрелки возвращаются в исходное "нулевое" положение. Обычно кнопка совмещается с заводной головкой.У хронографов суммирующего действия - две кнопки. Первая запускает и останавливает секундомер. Количество пусков не ограничено, однако, при последней остановке хронограф фиксирует суммарную продолжительность всех промежутков времени. Вторая кнопка служит для сброса показаний секундомера. Она может сработать только при остановленном секундомере. Даже довольно простые хронографы имеют очень сложный часовой механизм. Конструктивно хронограф - это колесный механизм с рычажным управлением. Колеса имеют такие мелкие зубья, что при разглядывании невооруженным глазом кажутся просто шероховатыми. Поэтому часовщики называют их "бархатными". (Это относится только к секундному хронографному колесу.)

Рисунок 42.3 – Внешний вид кварцевых часов (крышка снята)

Обычно шаг зубьев в нем в 2 - 3 раза больше, чем в сопряженном с ним колесом. Причем форма зубьев у них в виде пилы. Это сделано для уверенного зацепления колес при пуске, а также для снижения пусковой погрешности. Дальнейшее увеличение шага зубьев натыкается на технологические сложности. Своего рода центр управления хронографа, отвечающий за координацию действий, вызываемых нажатием кнопок, - это колонное колесо. Оно обеспечивает точный запуск, остановку и возврат в начальное положение секундной стрелки хронографа, а также стрелок часового и минутного счетчиков. Общий вид часов с хронографом зависит от количества вспомогательных циферблатов. Их может быть два, три и даже четыре, причем один из них - боковой - показывает секунды текущего времени. По завершении полного оборота и возвращении центральная секундная стрелки в положение "12 часов" стрелка счетчика минут перескакивает на следующее деление. (Минутные циферблаты накопителей обычно бывают на 30, 45 или 60 минут.) Более сложные хронографы имеют кроме минутного дополнительный часовой циферблат. Это дает возможность измерять отрезки времени продолжительностью до 12 часов. Традиционно, если хронограф запущен, то несвоевременное обнуление счетчиков может привести к поломке механизма. Механизм Flyback (или Retour-en-vol), напротив, сделан таким образом, что обнуление возможно в любой момент. Достаточно нажать одну из двух кнопок, и показания счетчиков будут сброшены. Если же ее отпустить, то хронограф тут же начнет новый отсчет. Таким образом, отпадает необходимость в дополнительных нажатиях кнопок, отвечающих за функции "стоп" и "сброс". (Blancpain и Lange Datograph). Механизм сплит-хронографа, называемого во Франции "rattrapante", расширяет набор функций обычного хронографа. Измерение двух и более событий, начавшихся одновременно, но имеющих разную длительность. Это могут быть полезным, например, в авто-, вело- и прочих гонках. В сплит-хронографах центральных секундных стрелок - две. С помощью специальной кнопки стрелка может быть остановлена столько раз, сколько нужно, и снова запущена "с нуля", в то время как стрелка хронографа продолжает, не прерывая, своё движение.