Quartzové hodinky se neobjevily jen tak. Vybuchly.
Počátkem 70. let to nebyl jen přístroj na měření času. Byl to nejnovější high-tech gadget na planetě. První modely byly luxusní předměty. V USA stojí asi 500 dolarů. Byly vybaveny červenými světelnými diodami (LED), které svítily ve tmě. Dnes se situace zcela změnila.
Ceny se zhroutily. Quartz hodinky nyní najdete zdarma v krabičkách na snídaňové cereálie. Technologie, která kdysi signalizovala stav, se stala všudypřítomnou. Růžový křemen, krásnou růžovou odrůdu minerálu, vídáme v levných kosmetických válečcích a krystalech v supermarketech. Za estetickými změnami se ale skrývá zásadní změna způsobu měření času.
Co jsou quartzové hodinky?
Quartz hodinky spoléhají na použití křemenného krystalu k regulaci času. Tím se liší od ručně natahovaných mechanických hodinek, které dominovaly po staletí.
Mechanické hodinky jsou technický zázrak. Jejich vývoj začal koncem 14. století. Inovace v průběhu let učinila tato zařízení tenčí, spolehlivější a nakonec automatická. Zůstávají působivými úspěchy ve strojírenství mikrostrojů.
Tradiční ručně natahované hodinky se spoléhají na specifickou sadu komponentů, které existují stovky let:
- Hlavová pružina pro dodávku energie
- Houpací vyvažovač pro vytvoření dočasné základny
- Šipky pro zobrazení času
- Číselník s vyznačenými dílky
- Ozubená kola pro přenos energie z pružiny na šípy
Podívejte se, jak fungují kyvadlové hodiny, abyste pochopili širší souvislosti mechanického měření času. Tyto systémy jsou pomalé. Tikají. Podléhají tření a vlivu gravitace.
Přechod na ladičku
Koncem šedesátých let průmysl hledal obnovu. Bulova udělala první krok. Opustila tradiční balanční kolo.
Místo toho použila tranzistorový oscilátor s ladičkou. Tyto hodiny netikaly. Bzučely. Pracovaly na frekvencích stovek hertzů. Tedy cyklů za sekundu. Bylo to mnohem rychlejší než mechanické kotvení.
Ladička nahradila vyvažovačku a vinutou pružinu. Byl to rezonátor vyrobený z jednoho materiálu. Tím se snížilo tření a zlepšila se stabilita. Baterie nahradila hlavní pružinu. Tím odpadla nutnost ručního doplňování paliva.
Ozubená kola a kola stále převáděly mechanický pohyb ladičky na pohyb šípů. Ale základní mechanismus časování se změnil. V jádru se stal elektronickým, i když ručičky zůstaly mechanické.
Další logický krok
Hodináři si omezení uvědomili koncem 60. let. Ladička byla dobrá. Objevily se ale integrované obvody. Byly úplně nové. Jejich ceny rychle klesaly. Počet tranzistorů v těchto obvodech rostl exponenciálně.
Cesta vpřed byla jasná. Další krok vyžadoval rozvodový prvek, který byl ještě stabilnější než ladička. Vyžadovalo to také integrovaný obvod s velmi nízkou spotřebou energie. Proč? Protože hodinky běžely na malinkou vnitřní baterii. Velké baterie by zničily elegantní design.
Nové byly také světelné diody (LED). Jako alternativu k šipkám nabízeli digitální displej. Průmysl potřeboval vyřešit dva problémy současně. Potřebovala nový prvek časování. Potřebovala elektroniku s ultranízkým výkonem.
Řešení spočívalo ve vlastnostech materiálu. Piezoelektřina.
Síla piezoelektrické energie
Výběr správného prvku časovače byl snadný. Quartz je v udržování času tisíckrát přesnější než ladička. Tyto krystaly se používají již mnoho let. Skutečnou výzvou se stala integrace polovodičových technologií, které mohou fungovat při dostatečně nízké spotřebě energie.
Quartz je všude. Poskytuje přesné frekvence pro rádiové vysílače, přijímače a počítače. Tato přesnost je způsobena úspěšnou shodou fyzikálních vlastností. Oxid křemičitý, což je v podstatě písek, si zachovává svou krystalickou strukturu při teplotách stovek stupňů. Je odolný vůči většině rozpouštědel.
Kouzlo se stane, když ho zmáčknete. Piezoelektrický jev způsobuje, že křemen při stlačení vytváří na svém povrchu elektrický náboj nebo napětí. Pokud na něj aplikujete napětí, trochu se ohne.
Představte si zvon vyřezaný z jednoho krystalu křemene. Stiskněte jej a několik minut bude zvonit. Nedochází prakticky k žádné ztrátě energie. Frekvence oscilací se s teplotou nemění. Toto povrchové napětí můžete uvolnit pomocí elektrod. Posílit to. Vraťte to zpět. Krystal zvoní dál.
Můžete vyrobit křemenný zvon. Ale není to ideální. Do vzduchu uniká příliš mnoho energie. Přímý proužek nebo kotouč funguje lépe. Pás si zachovává svou frekvenci tak dlouho, dokud je zachován poměr délky k šířce.
Moderní hodiny používají drobné proužky nebo tvary ladičky. Často jsou vyrobeny z tenkých plátů křemene. Aplikujte na ně strukturu, jako je integrovaný obvod. Chemicky je leptejte, abyste je vytvarovali.
32 kilohertz je standardní frekvence pro hodinky. Je to malé. Vyšší frekvence vyžadují více energie. První výrobci hodin utratili miliony dolarů za to, že se snažili přimět integrované obvody, aby sdílely frekvenci 1–2 MHz generovanou krystaly disku.
Dobré načasování závisí na přesnosti spouštěcí frekvence. Důležitý je úhel řezu vzhledem ke krystalografické ose. Důležité je také to, jaké množství nečistot se dostane dovnitř hodinek.
Elektronika zesiluje šum na krystalové frekvenci. To vede k oscilacím. Výstupní signál generátoru se převádí na impulsy pro digitální obvody. Nebo, pokud jsou zde šipky, děliče vytvářejí impulsy s periodou jedné sekundy. Ozubená kola pohání malý motorek.
Přesnost se snoubí s přístupností
Quartz hodinky změnily průmysl. Kombinují přesnost s odolností a cenovou dostupností. Mechanické hodinky nemohou konkurovat stabilitě quartzových vibrací.
Napájení z baterie znamená méně pohyblivých částí. Tím se zvyšuje spolehlivost. Potřeba údržby je výrazně snížena.
Horologie vždy milovala inovace. Quartz kombinuje tradiční přitažlivost s moderní účinností. Jak technologie postupuje, tyto hodinky zůstávají důkazem tohoto ducha.
O autorovi
Douglas Dwyer založil Frequency Precision Ltd. Poskytuje poradenství pro elektronický průmysl. Od poloviny 60. let se pohybuje v oblasti řízení frekvence. Psal o krystalových oscilátorech, jejich teplotně kompenzovaných verzích a teplotně řízených modelech. Další oblastí jeho odbornosti jsou oscilátory povrchových akustických vln. Součástí jeho práce jsou i průmyslové výrobní technologie. O historii hodinek se zajímá od doby, kdy začal navrhovat quartzové hodinky.
