Кварцевые часы¶
Кварцевые часы — часы, в которых в качестве источника точного времени используется колебательный контур с кварцевым резонатором, работающим на принципе пьезоэлектрического эффекта. Кварцевый резонатор заменил в часах маятник и балансовый механизм, обеспечив существенно более высокую стабильность хода и снизив стоимость массового производства точных хронометров. Кварцевые часы стали основой современной часовой индустрии и служат эталоном времени в большинстве бытовых и промышленных устройств.
¶Принцип работы
Кварцевый резонатор представляет собой пластину или стержень из пьезоэлектрического кварца, обычно вырезанного из синтетического кристалла. При подаче на пластину электрического напряжения она деформируется (прямой пьезоэлектрический эффект), а при механической деформации на её гранях возникает электрический заряд (обратный эффект). Пластина, помещённая в электрическую цепь с усилителем, входит в автоколебания на собственной механической резонансной частоте, которая определяется формой и размерами пластины.
Частота колебаний кварцевого резонатора в часах, как правило, составляет 32 768 Гц — это $2^{15}$, что позволяет делить частоту простыми цифровыми схемами до 1 Гц. Стабильность частоты кварцевого резонатора обеспечивается температурной компенсацией: в точных часах применяют резонаторы с особой ориентацией среза (например, «разрез SC»), у которых температурный коэффициент частоты минимален вблизи комнатной температуры.
¶История
Идея использования пьезоэлектрического эффекта кварца для измерения времени была высказана французским физиком Пьером Кюри в 1880 году, а теоретические основы работы кварцевых резонаторов разработал в 1917 году Уолтер Гайтон Кати. Первые кварцевые осцилляторы были созданы в 1920-х годах в лабораториях Bell Laboratories и Национального бюро стандартов США.
В 1927 году американский инженер Уоррен Маррион Мейсон построил первые кварцевые часы, стабильность которых превышала точность лучших механических хронометров. В 1930-е годы кварцевые часы использовались в основном как эталоны времени на радиостанциях и в обсерваториях.
В СССР первые кварцевые часы были разработаны в 1940-х годах. В 1948 году на Московском заводе «Электроника» было налажено производство кварцевых хронометров для нужд обороны и науки. С 1960-х годов кварцевые резонаторы начали применять в карманных и наручных часах.
Массовое распространение кварцевые часы получили в 1970-е годы. В 1969 году японская компания Seiko выпустила первые в мире наручные кварцевые часы Seiko Quartz Astron, а в 1974 году — наручные кварцевые часы с ЖК-дисплеем. К концу 1970-х годов кварцевые часы вытеснили механические из массового сегмента рынка.
¶Устройство кварцевых наручных и карманных часов
Классическое устройство кварцевых часов включает:
- кварцевый резонатор;
- электронный генератор (осциллятор), поддерживающий колебания резонатора;
- делитель частоты, понижающий частоту до 1 Гц;
- шаговый двигатель, управляющий стрелками;
- источник питания (обычно батарейка-элемент LR44, CR2032 или аналогичный);
- микросхему управления и индикацию (стрелочную или цифровую).
Точность кварцевых часов определяется точностью резонатора и стабильностью температуры. Стандартные часы с резонатором типа «тонкий срез» имеют точность порядка ±15–20 секунд в месяц. Термокомпенсированные кварцевые резонаторы (TCXO) повышают точность до ±5 секунд в год, а схемы с активной температурной компенсацией (OCXO, с подогревом резонатора до постоянной температуры) — до долей секунды в год.
¶Типы кварцевых часов
По назначению и точности кварцевые часы делятся на:
| Тип | Точность | Применение |
|---|---|---|
| Бытовые наручные и карманные | ±15–20 с/мес | Повседневное ношение |
| Термокомпенсированные (TCXO) | ±5 с/год | Радиосвязь, приборы |
| Стандартные (OCXO) | ±0,001–0,01 с/год | Сети синхронизации, эталоны |
| Кварцевые хронометры | ±0,01–0,1 с/сут | Морская навигация, наука |
Отдельную категорию составляют так называемые «кварцевые хронометры» — часы с резонатором повышенной стабильности, применявшиеся в СССР для военно-морского флота и научных экспедиций.
¶Применение
Кварцевые резонаторы используются не только в часах. Они применяются в радиопередающей и приёмной аппаратуре, компьютерах (в качестве тактового генератора), телевизорах, мобильных телефонах, автомобильной электронике и системах точного времени. В России кварцевые резонаторы производят предприятия «Кварц» (Санкт-Петербург) и «Электроника» (Нижний Новгород).
¶Сравнение с другими типами часов
| Параметр | Механические | Кварцевые | Атомные |
|---|---|---|---|
| Принцип | Балансовое колебание | Пьезоэлектрический эффект | Переходы атомов |
| Точность | ±5–20 с/сут | ±15–20 с/мес | ±1 с за 100 млн лет |
| Стоимость | Высокая | Низкая | Очень высокая |
| Срок службы | Десятилетия | 2–5 лет (батарея) | Постоянно |
¶Интересные факты
- Частота 32 768 Гц была выбрана не случайно: это степень двойки, что упрощает построение делителя частоты.
- Первые кварцевые часы Seiko Quartz Astron 1969 года стоили около 450 000 иен (примерно 1250 долларов США) — сумму, сопоставимую с ценой автомобиля.
- В 1970-е годы в СССР кварцевые часы считались предметом роскоши и продавались в специализированных магазинах «Берёзка».
¶Источники
- Гуревич А. Г. «Часы и часовые механизмы».
- Носов Ю. И. «Часы: устройство, ремонт, обслуживание».
- БСЭ, статья «Кварцевые часы».
- Seiko Museum, история компании Seiko.
- Национальный институт стандартов и технологий США (NIST), история кварцевых часов.