В этой статье мы попросили мастера ответить на вопрос: «Как работает кварцевый механизм часов?», а также дать полезные рекомендации для наших читателей. Что из этого получилось, читайте далее.
Человечество уже несколько столетий не представляет себе жизни без часов и постоянно совершенствует эти механизмы. Удалось добиться невероятной точности хода — +/- 5 секунд в сутки. Стоят такие сложнейшие приборы весьма дорого, но в быту вполне достаточно той точности, которую обеспечивают кварцевые часы, тем более что уж они-то доступны абсолютно всем.
Сегодня подавляющее большинство выпускаемых в мире часовых механизмов относится к кварцевым. Время от времени, глядя на движущуюся стрелку или мелькающие на табло секунды, ловишь себя на мысли: «Интересно, а как они работают?» И если вам попала на глаза эта статья, давайте остановимся на секундочку и узнаем, наконец, что такое кварцевые часы.
Коротко о главном
Основные элементы в механизме часов — шаговый электродвигатель и электронный блок. Один раз в секунду блок посылает двигателю электрический сигнал, и он поворачивает стрелки. Питание двигатель и блок получают от микробатарейки, которая рассчитана на несколько лет. Заводить кварцевые часы нет необходимости.
Электронный блок состоит из генератора электрических колебаний и делителя, их преобразующего. В генераторе расположен кристалл кварца, который является источником периодических импульсов. Они передаются с большой точностью, обусловленной пьезоэлектрическим эффектом кристалла.
Особенность кварцевого генератора состоит в том, что вырабатываемые им импульсы имеют очень высокую частоту – 32768 колебаний в секунду. Поэтому делитель преобразует их в колебания с частотой 1 герц и передает на обмотку шагового двигателя. При прохождении через катушку электрический импульс возбуждает в ней магнитное поле, которое вызывает движение ротора на пол-оборота. Тот, в свою очередь, вращает стрелки. Вот так и работают кварцевые часы.
Их механизм можно считать мини-компьютером, потому что запрограммированная микросхема может превратить их в многофункциональный прибор, включающий в себя секундомер, хронограф, будильник, компас и пр. Иногда вместо циферблата в них используется цифровой дисплей. В этом случае информация о времени выводится в виде цифр, но основой их все равно является кварцевый генератор.
Мы и не задумываемся над тем, что механизмы на основе электронного кварцевого блока работают и во всех известных электронных устройствах, которые имеют функцию фиксации времени: компьютерах, мобильных телефонах, системах навигации, пульсометрах и т. д.
Можно сказать, что, выбирая кварцевые часы, мы отдаем дань современности, ведь они были созданы всего лишь чуть более 40 лет назад. Сторонников у этих часовых механизмов теперь не меньше, чем у механических. Часы, которые мы носим на руке, характеризуют нас точно также, как любимые книги, автомобиль или костюм.
Считается, что кварцевые модели выбирают динамичные люди, которым в часах важна их точность и неприхотливость. Кроме наручных, выпускаются часы кварцевые настенные, настольные, каминные. Почти в каждом доме и офисе есть эти неутомимые хранители нашего времени. Разнообразные по дизайну и функциям, оригинальные и простые, они всегда рядом с нами. Они нужны и незаменимы.
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?
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.
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.
Дата добавления: 2015-01-13 ; просмотров: 1729 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Принцип работы кварцевых механических часов
Часы с кварцевым механизмом, как и любая техническая разработка, получили широкое распространение. Первые часы с кварцевым механизмом были выпущены в средине XX века, позднее, благодаря простому устройству, а также легкости производства часы с кварцевым механизмом стали одними из самых популярных. Свое название механизм получил благодаря основному компоненту, источнику колебания – кристаллу кварца. Кристалл кварца стабильно вырабатывает 32788 электрических колебаний в секунду, что обеспечивает точность хода. В качестве источника питания служит батарейка, благодаря ей заряд передается в электронный блок и двигатель. Механизм не содержит большого количества деталей, а материал изготовления в большинстве своем пластик, что делает простыми и надежными в использовании.
Сборка самых распространенных моделей состоит из:
- электронного блока;
- шагового электродвигателя;
- колесной передачи и стрелочной или цифровой индикации.
Общее строение механизма плавного хода
Движение стрелок часов с кварцевым механизмом осуществляется благодаря сложноустроенной колесной системе. Главной особенностью такой системы является ручная корректировка времени. Часто, у так называемых «тикающих» часов, можно заметить, что количество шестеренок у них меньше. Все часы производства Apeyron Electrics работают на бесшумном кварцевом механизме плавного хода. Стоит упомянуть, что благодаря инновационным технологиям, эти часы являются крайне точными, и среди потребителей не было жалоб о некорректном отображении времени.
Электронный блок и шаговый двигатель
Главным элементом электронного блока является кристалл кварца, который также называется генератором частоты, так как он способен выработать свыше тридцати тысяч электрических колебаний в секунду. Будучи недорогим и по большей степени доступным минералом, он получил широкое распространение в данной отрасли. Также в сборке присутствует схема с делителем, которая регулирует и дает команду двигателю шесть раз в секунду сделать плавный ход и один раз в секунду – дискретный.
Основное строение шагового двигателя основывается на штампованных стальных пластинах, индукционной катушкой и ротора. Далее, по основным законам физики, происходит подача электрического импульса, который преодолевая свой путь через обмотку индукционной катушки, создает небольшое, но достаточное магнитное поле, для совершения движения стрелок. Образованное магнитное поле взаимодействует с ротором, вследствие, поворачивая его на пол-оборота. Вращение последнего происходит по сложной системе шестерней и передается на стрелки.
Очень важно знать, что от длины обмотки и количества витков вокруг неё можно определить уровень КПД. Здесь работает правило прямой пропорциональности. Чем больше и длиннее обмотка, тем больше у неё будет КПД и наоборот. Благодаря удачной сборке, кварцевые механические часы преуспели в энергопотреблении. Это означает, что электроэнергии они употребляют значительно меньше, чем предполагалось при их разработке. Качество данного изобретения говорит само за себя. Однако, если учесть, что самое дорогая деталь данного изобретения – это индукционная катушка, то можно предположить, что некоторые производители кварцевых механических часов будут на них экономить. Поэтому остерегайтесь подделок!
Возможно у Вас есть свои мнения на тему «Как работает кварцевый механизм часов»? Напишите об этом в комментариях.
Загрузка...