S.Mihal' "Chasy.
Ot gnomona do atomnyh chasov",
Znanie/NiT<< Elektronnye chasy s mehanicheskim kamertonnym oscillyatorom | Oglavlenie | Elektronnye naruchnye chasy s peredachei informacii o vremeni po radio >>
Elektricheskie chasy s kvarcevym oscillyatorom
V 1933 - 1934 gg. fiziki Shaibe i Adel'sberger iz togdashnego Imperskogo fiziko-tehnicheskogo instituta v Berline zanyalis' vozmozhnostyami ispol'zovaniya p'ezoelektricheskogo effekta dlya izmereniya vremeni. Odnako oni ne byli pervymi v etoi oblasti. Eshe za neskol'ko let do etogo, v 1927 g., Gorton i Marrison v SShA dobilis' pervyh polozhitel'nyh rezul'tatov v sozdanii kvarcevyh oscillyatorov, pervonachal'no razrabotannyh imi dlya izmereniya chastoty radiovoln.
Kristally nekotoryh veshestv – kvarca, segnetovoi soli, turmalina i t.p., – otshlifovannye nadlezhashim sposobom, priobretayut pri mehanicheskom szhatii na ih koncevyh poverhnostyah elektricheskii zaryad. Etot tak nazyvaemyi p'ezoelektricheskii effekt imeet dvustoronnii harakter, t.e. pri podache elektricheskogo zaryada na eti poverhnosti kristalla proishodit, naoborot, ego szhatie.
P'ezoelektricheskie kristally primenyalis' uzhe s 1922 g. v telegrafii i v radioveshanii dlya upravleniya vysokochastotnymi peremennymi elektromagnitnymi polyami tak, chtoby dlina peredavaemyh voln ostavalas' postoyannoi. Odnako polnoe ispol'zovanie p'ezoelektricheskih svoistv kristalla kvarca bylo dostignuto lish' posle vtoroi mirovoi voiny, kogda v eksperimental'nyh laboratoriyah voznikli pervye kristallicheskie chasy, nadezhnye v ekspluatacii i prednaznachennye dlya nauchnyh astronomicheskih laboratorii i ih laboratorii vremeni.
Razvitie elektroniki, glavnym obrazom primenenie integral'nyh shem, otkrylo put' k ispol'zovaniyu kvarcevogo kristalla i v malyh naruchnyh chasah. V nastoyashee vremya proizvodstvennaya tehnologiya chasov s oscillyatorom v vide kristalla kvarca dostigla takogo urovnya, chto teper' uzhe mnogie zarubezhnye firmy uchastvuyut v proizvodstve chasov samyh razlichnyh tipov s klassicheskim strelochnym ciferblatom ili s elektronnym cifrovym indikatorom. Glavnye funkcional'nye elementy obeih sistem, po sushestvu, odinakovy, tol'ko u cifrovyh chasov strelochnyi mehanizm zamenen elektronnym delitelem chastoty i deshifratorom s displeem. Glavnymi chastyami kvarcevyh chasov, obshimi dlya chasov oboih tipov, yavlyayutsya kristally kvarca, vypolnyayushie funkcii oscillyatora, i delitelya chastoty. Kristall v pervyh kvarcevyh naruchnyh chasah, proizvodivshihsya v 1968 g. v Shveicarii, kolebalsya s chastotoi 8192 Gc. Bol'shinstvo nyneshnih kristallov kolebletsya s povsemestno ustanovlennoi chastotoi v 32 768 Gc. Odnako, nesmotrya na eto, s tochki zreniya elektroniki i eti sistemy vse eshe sohranyayut harakter oscillyatorov nizkoi chastoty.
V kachestve kristalla ispol'zuetsya monokristall natural'nogo ili sinteticheskogo kvarca. On vyrezaetsya iz massy kristalla pod opredelennym uglom otnositel'no ego kristallograficheskih osei. Orientaciya sreza opredelyaet takie vazhnye svoistva kristalla, kak hod temperaturnoi zavisimosti, induktivnost' i dobrotnost'. Kvarcevyi srez snabzhen elektrodami i pomeshen v steklyannyi ili metallicheskii korpus, zadelannyi holodnym svarochnym shvom.
Vozbuzhdenie kolebanii kvarcevogo kristalla obespechivaetsya odnotranzistornoi ili dvuhtranzistornoi shemoi. Chastota oscillyatora, upravlyaemogo kristallom, slishkom vysoka, chtoby mozhno bylo ee ispol'zovat' neposredstvenno dlya peredachi informacii o vremeni. Poetomu v takoi sisteme ispol'zuetsya mnogokaskadnyi delitel' chastoty, kotoryi daet sekundnye impul'sy dlya elektronnoi shemy cifrovogo indikatora. U chasov so strelochnym indikatorom signal ot delitelya chastoty idet na elektromehanicheskii preobrazovatel'. Takim preobrazovatelem mozhet byt' kamerton s kolesom, kotoryi raskachivaetsya elektromagnitnymi impul'sami katushki, ili zhe vibracionnyi motorchik, obrazuemyi katushkoi, raskachivayushei pruzhinu s zashelkoi, kotoraya tolkaet zubchiki hrapovogo kolesa, soedinennogo so strelochnym indikatorom1.
U cifrovyh sistem elektromagnitnyi preobrazovatel' otpadaet i zamenyaetsya elektroopticheskoi sistemoi. Etu sistemu obrazuyut dva vazhnyh elementa – deshifrator i displei. Deshifrator preobrazuet kodirovannye signaly delitelya chastoty v elektricheskie signaly, sozdayushie cifrovoe izobrazhenie pokazanii vremeni na displee.
V tekushei praktike teper' ispol'zuyut semisegmentnye displei. Otdel'nye segmenty sostoyat libo iz svetodiodov, libo iz zhidkih kristallov. Pervaya sistema oboznachaetsya v sovremennom elektronnom chasovom proizvodstve simvolom LED (Light Emitting diodes Displau), a vtoraya – LCD (Liquid Crystals Displau). Diody yavlyayutsya istochnikom svetovogo izlucheniya, a potomu pokazaniya diodnyh displeev vsegda kontrastny i ochen' horosho chitabel'ny nezavisimo ot togo, osveshayutsya li oni krasnym, zelenym ili sinim svetom. Otricatel'noi storonoi diodnyh displeev yavlyaetsya sravnitel'no bol'shoi rashod elektroenergii, koleblyushiisya v predelah 5 mA na segment. Poetomu proizvoditeli naruchnyh chasov s diodnymi displeyami snabzhayut eti chasy knopkami, tak chto displei zazhigaetsya lish' na vremya podachi informacii o vremeni. V bolee blagopriyatnom svete predstavlyayutsya zhidkie kristally, osobenno s nizkim rabochim napryazheniem v neskol'ko vol't, kotorye uprostili problemy, svyazannye s tranzistornym preobrazovatelem i ego transformatorom napryazheniya. Nesmotrya na eto, znachitel'nym nedostatkom zhidkih kristallov ostaetsya ih sravnitel'no korotkii srok sluzhby, koleblyushiisya v predelah chetyreh-pyati let. Posle etogo perioda prihoditsya displei zamenyat' novym. Princip izobrazheniya dannyh o vremeni zhidkimi kristallami zaklyuchaetsya v tom, chto pri podache elektricheskogo napryazheniya na kristall izmenyaetsya ego cvet. V otlichie ot diodnogo displeya okrashennye plastinki kristalla ne svetyatsya. Poetomu u ciferblata dolzhno imet'sya vspomogatel'noe osveshenie, upravlyaemoe knopkoi, chtoby mozhno bylo videt' pokazanie vremeni i v temnote.
Razvitie poslednih let govorit, odnako, o tom, chto nedostatki displeev tipa svetodioda i zhidkih kristallov budut vskore polnost'yu preodoleny bolee sovershennymi sistemami. Odnoi iz pervyh, ne ves'ma udachnyh takih sistem byl displei, kombinirovannyi iz displeev LED i LSD, ispol'zovannyi v chasah "Lonzhin Zhemini". Pri nedostatochnom osveshenii mozhno bylo nazhat' knopku i privesti v deistvie svetyashiisya displei LED, a v ostal'nyh sluchayah mozhno videt' pokazaniya vremeni neposredstvenno LSD. V 1977 g. amerikanskaya firma ISaA vypustila na rynok chasy "Sensor Lazer 440 Didzhital" v vide tak nazyvaemogo displeya SDR (CDR – Crystal Diffusion Reflection). Eti chasy imeyut sobstvennyi avtomaticheskii istochnik osvesheniya v vide steklyannoi zapayannoi ampulki, zapolnennoi fosforom i tritiem. V sluchae padeniya intensivnosti sveta tritii chetko osveshaet displei. Rashod energii zdes' padaet do 0,0001 rashoda energii u displeya tipa LED (svetodioda), chto, konechno, privodit k mnogokratnomu uvelicheniyu sroka sluzhby batarei.
Naryadu s cifrovymi displeyami vstrechayutsya v elektronnyh chasah i drugie elektroopticheskie indikatory vremeni. Princip odnogo iz nih sostoit v tom, chto ciferblat sohranyaet svoyu klassicheskuyu krugluyu formu, no ne imeet ni cifr, ni strelok, a indikatorom yavlyayutsya 72 tochki, raspolozhennye na dvuh koncentricheskih kruglyh shkalah. Na 60 tochkah vneshnei shkaly izobrazhayutsya sekundy i minuty, a na 12 tochkah vnutrennei shkaly ukazyvayutsya chasy. Zazhiganie i potuhanie otdel'nyh tochek vneshnei shkaly prohodit cherez sekundnye intervaly, prichem indikacii sekund otlichayutsya ot indikacii minut lish' skorost'yu dvizhusheisya svetovoi tochki. Tochkami indikatora obeih shkal mogut byt' svetodiody ili zhidkie kristally. Predstavlyaetsya, chto v otlichie ot cifrovogo displeya etot ciferblat neskol'ko menee naglyaden. Odnako ego izobrazitel'naya sistema svyazana s ochen' malym rashodom energii, a s tochki zreniya dal'neishego razvitiya on interesen tem, chto predstavlyaet soboi perehod ot strelochnogo indikatora k elektronnomu psevdostrelochnomu.
V poslednee vremya proishodit dal'neishaya miniatyurizaciya shem, pri kotoroi kvarcevyi oscillyator pronikaet i v sushestvenno men'shie po razmeru zhenskie naruchnye chasy. Malye razmery takih priborov postavili ih konstruktorov pered ryadom problem. Problemu ob'ema reshili integral'nye shemy, kotorye zamenyayut slozhnye shemy, sostoyashie iz neskol'kih sot tranzistorov. Vopros o horoshei chitaemosti indikacii vremeni na malen'kom displee zhenskih naruchnyh chasov reshila firma "H'yugs Eikraft Kompani", naprimer, tem, chto dlya svoih kristallicheskih chasov s oscillyatorom, koleblyushimsya na neobychaino vysokoi chastote v 768 kGc, ona vvela novyi sposob indikacii vremeni, pri kotorom cherez sekundnye intervaly snachala ukazyvayutsya chasy, a zatem minuty.
O problemah miniatyurnyh istochnikov pitaniya uzhe govorilos'. V nastoyashee vremya ispol'zuyut dlya pitaniya naruchnyh elektronnyh chasov malen'kie rtutnye elementy, naprimer tipa "Mellori", s napryazheniem 1,35 V ili serebryanookisnye elementy s napryazheniem 1,5 i do 1,75 V. Pri potreblenii toka v predelah ot 5 do 20 mkA i emkosti ot 100 do 200 mA
ch ih srok sluzhby kolebletsya v predelah odnogo goda i bol'she. Novym i bezuslovno perspektivnym resheniem yavlyaetsya vnedrenie solnechnyh mikrobatarei s bol'shim srokom sluzhby. Esli takuyu batareyu podvergnut' v techenie neskol'kih minut vozdeistviyu solnechnogo ili dazhe iskusstvennogo osvesheniya, to etogo dostatochno dlya vospolneniya elektricheskoi energii, nuzhnoi dlya raboty etih chasov v techenie sutok.
Perehod na bolee vysokuyu chastotu oscillyatora, upravlyaemogo kristallom kvarca, skazyvaetsya na povyshenii tochnosti hoda chasov. Horoshie naruchnye chasy s kvarcevym oscillyatorom rabotayut teper' s godovoi oshibkoi, ne prevyshayushei 1 min. Odnako bolee bystromu kommercheskomu rasprostraneniyu takih chasov meshaet poka chto sravnitel'no vysokaya stoimost' integral'nyh shem.
Na sovremennyh mirovyh rynkah imeyutsya teper' naruchnye chasy s oscillyatorom, upravlyaemym kristallom kvarca oboih tipov, t.e. LED i LSD. Takie chasy proizvodyat v nastoyashee vremya mnogie firmy. K naibolee izvestnym chasam etogo tipa otnosyatsya, naprimer, shveicarskie chasy "Lonzhin S 776" (LSD), rabotayushie s tochnost'yu 
0,3 s/sutki, vypushennye na rynok eshe v 1975 g. Bolee deshevye tipy cifrovyh kristallicheskih chasov oboih vidov so srednei tochnost'yu v 0,5 s/sutki proizvodit shveicarskaya firma SGT. Bolee zhe dorogie chasy – eto cifrovye chasy marki "Arnekskvarc" (LED) amerikanskogo proizvodstva s tochnost'yu 0,1 s/sutki, prichem eti chasy ukazyvayut chas, minuty, sekundy, mesyac i den'. Ves'ma slozhnye naruchnye chasy proizvodit yaponskaya firma "Seiko-Hattori", tesno sotrudnichayushaya s amerikanskoi firmoi "Makdonnell Duglas Astronavtikz Kompani". Ee naruchnye chasy seriinogo proizvodstva – hronograf sistemy LSD, ukazyvayushii vse obychnye dannye vremeni, – mozhno nazhatiem knopki prevratit' v tehnicheskie ili sportivnye chasy, s pomosh'yu kotoryh mozhno izmeryat' dva proishodyashih nezavisimo drug ot druga processa s lyubym kolichestvom promezhutochnyh indikacii vremeni.
V chehoslovackih magazinah kristallicheskie naruchnye chasy vpervye poyavilis' v nachale 1976 g. Pervymi iz nih byli chasy "Mondein Didzhi Kvarc" (LED), zatem posledovali chasy "Certina Didzhi Kvarc" (LSD) (ris. 38a) i "Rondo Kvarc" (ris. 38b) s klassicheskim ciferblatom s ukazaniem daty, s central'noi sekundnoi strelkoi. Vse eti chasy shveicarskogo proizvodstva rabotayut s tochnost'yu 1 s/sutki.
Chelovecheskaya fantaziya, stimuliruemaya kommercheskimi interesami proizvoditelei i ostroi konkurentnoi bor'boi na mirovyh rynkah, vynuzhdaet konstruktorov razrabatyvat' vse bolee slozhnye pribory mnogocelevogo naznacheniya. Eti obstoyatel'stva priveli v poslednee vremya i k proizvodstvu kvarcevyh naruchnyh chasov, sochetayushihsya s drugimi izmeritel'nymi priborami ili s elektronnoi miniatyurnoi vychislitel'noi mashinoi, so slozhnymi integral'nymi shemami, zamenyayushimi rabotu neskol'kih tysyach tranzistorov.
1 V nastoyashee vremya vmesto takih elektrodvigatelei primenyayutsya isklyuchitel'no mikrominiatyurnye shagovye dvigateli. (Prim. nauch. red.)
<< Elektronnye chasy s mehanicheskim kamertonnym oscillyatorom | Oglavlenie | Elektronnye naruchnye chasy s peredachei informacii o vremeni po radio >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
istoriya astronomii - vremya - Chasy
Publikacii so slovami: istoriya astronomii - vremya - Chasy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
