Кварцевые часы Туманная личность
Сегодня узнать время нам помогают сотни самых разных приборов. Но как бы ни назывался такой прибор, какую бы форму и размеры он ни имел, с вероятностью 90% можно утверждать, что внутри него работает кварцевый генератор. Причин того, что кварцевые генераторы завоевали мир, несколько:
кристалл кварца дешев в производстве;
кварцевый генератор по своей эквивалентной схеме является обычным радиотехническим устройством и может быть легко внедрен в любую радиосхему;
свойства кварца максимально стабильны во времени и достаточно стабильны в обычных для человека условиях.
Несмотря на господство кварцевых часов на рынке, большинство людей, имеющих отношение к часовому делу, даже приблизительно не представляют себе, что такое кварц. В лучшем случае, мастера-ремонтники могут опознать его непосредственно в часах. Так что рассказ о нем, на наш взгляд, будет совсем не лишним.
Природа колебания
Работа кварцевого генератора основана на пьезоэлектрическом эффекте. В физике так называется эффект возникновения разности потенциалов (напряжения) на противоположных сторонах какого-либо кристалла при приложении к нему механического воздействия. Помимо прямого существует и обратный пьезоэффект, когда под воздействием напряжения происходит механическая деформация кристалла.
Обычно масштаб пьезоэффекта невелик и составляет мизерные доли процента. Тем не менее пьезоэффект широко применяется в технике. На нем основана работа многих устройств — от очень сложных до таких привычных, как проигрыватель грампластинок.
Одним из минералов, обладающих ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом, является кварц. Если к кристаллу кварца приложить электрическое напряжение, то под воздействием обратного пьезоэлектрического эффекта он деформируется. Если затем напряжение убрать, то в кристалле возникнут колебания — электрическая энергия будет преобразовываться в механическую и обратно. Это чем-то похоже на колебания маятника, когда кинетическая энергия движущегося маятника позволяет ему подняться относительно нижней точки и превращается в потенциальную, а затем происходит обратное превращение.
Так как при деформации кристалла часть энергии выделяется в виде тепла, колебания постепенно затухнут. Скорость затухания колебаний определяется тем, насколько кристаллическая решетка кварца близка к идеальной.
Каждый кристалл имеет собственную частоту колебаний, или резонансную частоту, которая зависит от его формы и физических размеров. Подбирая форму и размеры кристалла, можно получить любую заданную резонансную частоту.
Кристалл кварца, «упакованный» в металлический корпус с выведенными наружу контактами, называют кварцевым резонатором. Именно этот «бочонок» мы и видим внутри кварцевых часов. Кварцевый резонатор является основой генератора, вырабатывающего колебания постоянной частоты. Основываясь на этих колебаниях, электронная схема посылает импульсы на шаговый двигатель, который через систему колес вращает стрелки часов.
В принципе, кварцевый резонатор может быть заменен обычным колебательным контуром, схема которого приведена на рисунке. Однако кварц занимает гораздо меньше места и имеет более выраженный пик резонансной частоты. К тому же температурная и временная стабильность индуктивно-емкостной цепочки на 3—4 порядка хуже, чем у кварца.
Подкорректируем
Резонансная частота кристалла кварца является величиной постоянной. Но итоговая частота, вырабатываемая кварцевым генератором, в небольших пределах может быть отрегулирована. Все способы корректировки частоты генератора основаны на наличии дополнительных устройств, подключенных к выводам резонатора. В простейшем случае для калибровки используются постоянные или переменные конденсаторы (емкости), включаемые в схему различными пособами (см. рисунки 2 и 3).
В первом случае в схеме кварцевых часов есть некоторый набор емкостей, которые могут быть подключены с помощью, так называемой решетки. Замыкая между собой с помощью припоя или распаивая соседние гребенки, мы можем подключить одну или несколько емкостей. Таким образом, мы варьируем шунтирующую емкость и влияем на частоту системы КВАРЦ + ШУНТ, которая и является частотой генератора.
Во втором варианте в схему встроен конденсатор переменной емкости — триммер. Его емкость можно изменять, вращая подстроечный винт обычной керамической отверткой. Это позволяет настроить часы до точности +/- 0,01 секунда/день. Но триммер удорожает механизм часов, к тому же, как и любая дополнительная деталь, он не добавляет надежности.
Вопрос корректировки частоты кварцевого генератора был актуален на заре эры кварцевых часов. Тогда еще не удавалось обеспечить должную точность изготовления кристаллов кварца, и триммеры с гребенками были необходимы для подстройки частоты генератора в часах. В настоящее время проблемы с обеспечением точности резонаторов решены, и большинство производителей отказались от использования триммеров. Соответственно, если механизм не имеет гребенки и триммера, то мастер лишен какой-либо возможности регулировать точность часов.
О влияниях...
Мы уже говорили, что резонансная частота кварцевого резонатора определяется его физическими характеристиками и фиксируется при изготовлении кристалла. Однако в процессе эксплуатации она может несколько меняться. Больше всего на нее влияют температура и время. Соответственно, двумя важнейшими характеристиками кварцевого генератора являются температурная и временная стабильность частоты. Именно от них зависит точность хода кварцевых часов.
Величины этих двух важнейших характеристик выражаются в миллионных долях (10~6 или ррт). Отклонение в 1 ррт на языке часов дает отклонение точности в 0,388 секунд в месяц. Стандартной точности в +/— 20 секунд в месяц будет соответствовать отклонение частоты в 51,5 ррт. Временное отклонение в свойствах всегда приводится для первого года службы (почему — мы расскажем чуть позже).
В зависимости от производителя и цены, кварцевые резонаторы обычных серийных часов в диапазоне температур —10/+60 градусов имеют отклонение в пределах от +/-30 ррт до +/—50 ррт.
Временное отклонение для кварцевых генераторов обычно составляет от +/-2 до +/—7 ppm/год. У специальных резонаторов, используемых в швейцарских приборах измерения точности хода часов, эти характеристики на порядок выше.
... и борьбе с ними
С фактором «старения» кварца, к сожалению, ничего поделать нельзя: с течением времени резонансная частота кристалла постепенно «уходит» от первоначальной. К счастью, это отклонение не столь значительно и в наибольшей степени проявляется в первые год-полтора после начала использования резонатора. Поэтому все фирмы, производящие калибровочное оборудование для кварцевых часов, используют в нем искусственно состаренные кристаллы. Два года их «гоняют» на специальном стенде, после чего отбирают те, свойства которых остались в пределах нормы. Это позволяет практически исключить временной фактор или снизить его влияние в несколько раз, до уровня менее +/—1 ppm/год. Другими словами, за год ошибка составит не более 0,388 секунды в месяц, что для кварцевых часов не страшно.
В отличие от временного фактора, справиться с влиянием температуры вполне реально. Для этого используют два основных приема. Первый — термостабилизация, когда за счет различных ухищрений пытаются обеспечить кристаллу постоянный температурный режим. Второй — термокомпенсация, когда в часы встраивают специальные электронные схемы, компенсирующие погрешность, возникающую при изменении температуры.
Термостабилизацию активно используют, например, в приборах проверки точности хода часов. В них резонаторы изолируют от внешней среды и оснащают системой поддержания постоянной температуры или, попросту, обогревом. Такие приборы выходят на рабочий режим через несколько минут после включения — кварц необходимо нагреть до нужной температуры. Этот способ весьма надежен, и единственным его недостатком в стационарных условиях является время выхода прибора «на режим».
Однако данный вариант не пригоден для использования в компактных и автономных устройствах, например в наручных часах: термоизолятор и нагреватель занимают достаточно много места, к тому же для работы нагревателя требуется дополнительная энергия. Там используют другой прием — термокомпенсацию.
Термический эффект в той или иной степени проявляется у любых радиодеталей, однако у целой группы материалов эти свойства выражены активнее. На их основе обычно разрабатывают схемы измерения температуры, термокомпенсации и т.п. Например, наслаждаться показаниями термометра в будильниках WENDOX мы можем благодаря специальному терморезистору, сопротивление которого сильно меняется при изменении температуры.
Сейчас все большее количество производителей выпускают механизмы со схемами термокомпенсации. В них к резонатору добавляется специальная шунтирующая схема, имеющая тот же самый по значению и обратный по знаку термический эффект. Она работает как бы в противовес термическим свойствам резонатора. Благодаря этому удается уменьшить температурное отклонение частоты в несколько раз, а иногда и на порядок. Именно схемы термокомпенсации позволяют часам Grand Seiko, Breitling SuperQuartz демонстрировать точность на уровне 5-7 секунд в год.
В заключении рассказа о компенсации термоэффектов хочется сказать, что термостатирование обеспечивает гораздо большую стабильность частоты, чем термокомпенсация, и именно поэтому оно всегда останется актуальным.
К сожалению, размер статьи позволил рассказать только самое главное об основе кварцевых часов — о резонаторе. За рамками обзора осталось очень много интересного: история кварцевых часов, зависимость частоты кристалла от формы и т.п. Вот такая это непростая штука — кварц...