Электрические часы с кварцевым осциллятором

В 1933...1934 гг. физики Шайбе и Адельсбергер из тогдашнего Имперского физико-технического института в Берлине занялись возможностями использования пьезоэлектрического эффекта для измерения времени. Однако они не были первыми в этой области. Еще за несколько лет до этого, в 1927 г., Гортон и Маррисон в США добились первых положительных результатов в создании кварцевых осцилляторов, первоначально разработанных ими для измерения частоты радиоволн.

Кристаллы некоторых веществ – кварца, сегнетовой соли, турмалина и т.п., – отшлифованные надлежащим способом, приобретают при механическом сжатии на их концевых поверхностях электрический заряд. Этот так называемый пьезоэлектрический эффект имеет двусторонний характер, т.е. при подаче электрического заряда на эти поверхности кристалла происходит, наоборот, его сжатие.

Пьезоэлектрические кристаллы применялись уже с 1922 г. в телеграфии и в радиовещании для управления высокочастотными переменными электромагнитными полями так, чтобы длина передаваемых волн оставалась постоянной. Однако полное использование пьезоэлектрических свойств кристалла кварца было достигнуто лишь после второй мировой войны, когда в экспериментальных лабораториях возникли первые кристаллические часы, надежные в эксплуатации и предназначенные для научных астрономических лабораторий и их лабораторий времени.

Развитие электроники, главным образом применение интегральных схем, открыло путь к использованию кварцевого кристалла и в малых наручных часах. В настоящее время производственная технология часов с осциллятором в виде кристалла кварца достигла такого уровня, что теперь уже многие зарубежные фирмы участвуют в производстве часов самых различных типов с классическим стрелочным циферблатом или с электронным цифровым индикатором. Главные функциональные элементы обеих систем, по существу, одинаковы, только у цифровых часов стрелочный механизм заменен электронным делителем частоты и дешифратором с дисплеем. Главными частями кварцевых часов, общими для часов обоих типов, являются кристаллы кварца, выполняющие функции осциллятора, и делителя частоты. Кристалл в первых кварцевых наручных часах, производившихся в 1968 г. в Швейцарии, колебался с частотой 8192 Гц. Большинство нынешних кристаллов колеблется с повсеместно установленной частотой в 32 768 Гц. Однако, несмотря на это, с точки зрения электроники и эти системы все еще сохраняют характер осцилляторов низкой частоты.

В качестве кристалла используется монокристалл натурального или синтетического кварца. Он вырезается из массы кристалла под определенным углом относительно его кристаллографических осей. Ориентация среза определяет такие важные свойства кристалла, как ход температурной зависимости, индуктивность и добротность. Кварцевый срез снабжен электродами и помещен в стеклянный или металлический корпус, заделанный холодным сварочным швом.

Возбуждение колебаний кварцевого кристалла обеспечивается однотранзисторной или двухтранзисторной схемой. Частота осциллятора, управляемого кристаллом, слишком высока, чтобы можно было ее использовать непосредственно для передачи информации о времени. Поэтому в такой системе используется многокаскадный делитель частоты, который дает секундные импульсы для электронной схемы цифрового индикатора. У часов со стрелочным индикатором сигнал от делителя частоты идет на электромеханический преобразователь. Таким преобразователем может быть камертон с колесом, который раскачивается электромагнитными импульсами катушки, или же вибрационный моторчик, образуемый катушкой, раскачивающей пружину с защелкой, которая толкает зубчики храпового колеса, соединенного со стрелочным индикатором*.

* В настоящее время вместо таких электродвигателей применяются исключительно микроминиатюрные шаговые двигатели. (Прим. науч. ред.)

У цифровых систем электромагнитный преобразователь отпадает и заменяется электрооптической системой. Эту систему образуют два важных элемента – дешифратор и дисплей. Дешифратор преобразует кодированные сигналы делителя частоты в электрические сигналы, создающие цифровое изображение показаний времени на дисплее.

В текущей практике теперь используют семисегментные дисплеи. Отдельные сегменты состоят либо из светодиодов, либо из жидких кристаллов. Первая система обозначается в современном электронном часовом производстве символом LED (Light Emitting diodes Displau), а вторая – LCD (Liquid Crystals Displau). Диоды являются источником светового излучения, а потому показания диодных дисплеев всегда контрастны и очень хорошо читабельны независимо от того, освещаются ли они красным, зеленым или синим светом. Отрицательной стороной диодных дисплеев является сравнительно большой расход электроэнергии, колеблющийся в пределах 5 мА на сегмент. Поэтому производители наручных часов с диодными дисплеями снабжают эти часы кнопками, так что дисплеи зажигается лишь на время подачи информации о времени. В более благоприятном свете представляются жидкие кристаллы, особенно с низким рабочим напряжением в несколько вольт, которые упростили проблемы, связанные с транзисторным преобразователем и его трансформатором напряжения. Несмотря на это, значительным недостатком жидких кристаллов остается их сравнительно короткий срок службы, колеблющийся в пределах четырех-пяти лет. После этого периода приходится дисплей заменять новым. Принцип изображения данных о времени жидкими кристаллами заключается в том, что при подаче электрического напряжения на кристалл изменяется его цвет. В отличие от диодного дисплея окрашенные пластинки кристалла не светятся. Поэтому у циферблата должно иметься вспомогательное освещение, управляемое кнопкой, чтобы можно было видеть показание времени и в темноте.

Развитие последних лет говорит, однако, о том, что недостатки дисплеев типа светодиода и жидких кристаллов будут вскоре полностью преодолены более совершенными системами. Одной из первых, не весьма удачных таких систем был дисплей, комбинированный из дисплеев ЛЭД и ЛСД, использованный в часах «Лонжин Жемини». При недостаточном освещении можно было нажать кнопку и привести в действие светящийся дисплей ЛЭД, а в остальных случаях можно видеть показания времени непосредственно ЛСД. В 1977 г. американская фирма ISaA выпустила на рынок часы «Сенсор Лазер 440 Диджитал» в виде так называемого дисплея СДР (CDR – Crystal Diffusion Reflection). Эти часы имеют собственный автоматический источник освещения в виде стеклянной запаянной ампулки, заполненной фосфором и тритием. В случае падения интенсивности света тритий четко освещает дисплей. Расход энергии здесь падает до 0,0001 расхода энергии у дисплея типа ЛЭД (светодиода), что, конечно, приводит к многократному увеличению срока службы батареи.

Наряду с цифровыми дисплеями встречаются в электронных часах и другие электрооптические индикаторы времени. Принцип одного из них состоит в том, что циферблат сохраняет свою классическую круглую форму, но не имеет ни цифр, ни стрелок, а индикатором являются 72 точки, расположенные на двух концентрических круглых шкалах. На 60 точках внешней шкалы изображаются секунды и минуты, а на 12 точках внутренней шкалы указываются часы. Зажигание и потухание отдельных точек внешней шкалы проходит через секундные интервалы, причем индикации секунд отличаются от индикации минут лишь скоростью движущейся световой точки. Точками индикатора обеих шкал могут быть светодиоды или жидкие кристаллы. Представляется, что в отличие от цифрового дисплея этот циферблат несколько менее нагляден. Однако его изобразительная система связана с очень малым расходом энергии, а с точки зрения дальнейшего развития он интересен тем, что представляет собой переход от стрелочного индикатора к электронному псевдострелочному.

В последнее время происходит дальнейшая миниатюризация схем, при которой кварцевый осциллятор проникает и в существенно меньшие по размеру женские наручные часы. Малые размеры таких приборов поставили их конструкторов перед рядом проблем. Проблему объема решили интегральные схемы, которые заменяют сложные схемы, состоящие из нескольких сот транзисторов. Вопрос о хорошей читаемости индикации времени на маленьком дисплее женских наручных часов решила фирма «Хьюгс Эйкрафт Компани», например, тем, что для своих кристаллических часов с осциллятором, колеблющимся на необычайно высокой частоте в 768 кГц, она ввела новый способ индикации времени, при котором через секундные интервалы сначала указываются часы, а затем минуты.

О проблемах миниатюрных источников питания уже говорилось. В настоящее время используют для питания наручных электронных часов маленькие ртутные элементы, например типа «Мэллори», с напряжением 1,35 В или серебряноокисные элементы с напряжением 1,5 и до 1,75 В. При потреблении тока в пределах от 5 до 20 мкА и емкости от 100 до 200 мА·ч их срок службы колеблется в пределах одного года и больше. Новым и безусловно перспективным решением является внедрение солнечных микробатарей с большим сроком службы. Если такую батарею подвергнуть в течение нескольких минут воздействию солнечного или даже искусственного освещения, то этого достаточно для восполнения электрической энергии, нужной для работы этих часов в течение суток.

Переход на более высокую частоту осциллятора, управляемого кристаллом кварца, сказывается на повышении точности хода часов. Хорошие наручные часы с кварцевым осциллятором работают теперь с годовой ошибкой, не превышающей 1 мин. Однако более быстрому коммерческому распространению таких часов мешает пока что сравнительно высокая стоимость интегральных схем.

На современных мировых рынках имеются теперь наручные часы с осциллятором, управляемым кристаллом кварца обоих типов, т.е. ЛЭД и ЛСД. Такие часы производят в настоящее время многие фирмы. К наиболее известным часам этого типа относятся, например, швейцарские часы «Лонжин S 776» (ЛСД), работающие с точностью ±0,3 с/сутки, выпущенные на рынок еще в 1975 г. Более дешевые типы цифровых кристаллических часов обоих видов со средней точностью в ±0,5 с/сутки производит швейцарская фирма SGT. Более же дорогие часы – это цифровые часы марки «Арнекскварц» (ЛЭД) американского производства с точностью ±0,1 с/сутки, причем эти часы указывают час, минуты, секунды, месяц и день. Весьма сложные наручные часы производит японская фирма «Сейко-Хаттори», тесно сотрудничающая с американской фирмой «Макдоннелл Дуглас Астронавтикз Компани». Ее наручные часы серийного производства – хронограф системы ЛСД, указывающий все обычные данные времени, – можно нажатием кнопки превратить в технические или спортивные часы, с помощью которых можно измерять два происходящих независимо друг от друга процесса с любым количеством промежуточных индикаций времени.

В чехословацких магазинах кристаллические наручные часы впервые появились в начале 1976 г. Первыми из них были часы «Мондейн Диджи Кварц» (ЛЭД), затем последовали часы «Цертина Диджи Кварц» (ЛСД) (рис. 38а) и «Рондо Кварц» (рис. 38б) с классическим циферблатом с указанием даты, с центральной секундной стрелкой. Все эти часы швейцарского производства работают с точностью ±1 с/сутки.

Человеческая фантазия, стимулируемая коммерческими интересами производителей и острой конкурентной борьбой на мировых рынках, вынуждает конструкторов разрабатывать все более сложные приборы многоцелевого назначения. Эти обстоятельства привели в последнее время и к производству кварцевых наручных часов, сочетающихся с другими измерительными приборами или с электронной миниатюрной вычислительной машиной, со сложными интегральными схемами, заменяющими работу нескольких тысяч транзисторов.