Кварцовий годинник не просто з’явився. Вони вибухнули.
На початку 1970-х років це був не просто прилад для виміру часу. Це був найновіший високотехнологічний гаджет на планеті. Перші моделі були предметами розкоші. Вони коштували близько 500 доларів США. Вони оснащувалися червоними світлодіодними (LED) дисплеями, що світилися у темряві. Сьогодні ситуація повністю змінилася.
Ціни впали. Тепер кварцовий годинник можна знайти безкоштовно в коробках з пластмасовими сніданками. Технологія, що колись сигналізувала про статус, стала повсюдною. Ми бачимо рожевий кварц, гарний рожевий різновид мінералу, у дешевих масажних роликах для краси та кристалах у супермаркетах. Але за естетичними змінами ховається фундаментальна зміна у тому, як ми вимірюємо час.
Що таке кварцовий годинник?
В основі кварцового годинника лежить використання кварцового кристала для регулювання часу. Це відрізняється від механічного годинника із заводом від руки, який домінували протягом століть.
Механічний годинник – це інженерне диво. Їхня розробка почалася наприкінці XIV століття. Інновації протягом багатьох років робили ці пристрої більш тонкими, надійними та зрештою автоматичними. Вони залишаються вражаючими досягненнями мікромашинобудування.
Традиційний годинник із заводом від руки покладається на певний набір компонентів, які існують уже сотні років:
- Бочкоподібна пружина для подачі енергії
- балансир, що коливається, для створення тимчасової бази
- Стрілки для відображення часу
- Циферблат із нанесеними поділками
- Шестерні для передачі енергії від пружини до стрілок
Дивіться, як працює маятниковий годинник, щоб зрозуміти ширший контекст механічного хронометражу. Ці системи повільні. Вони цокають. Вони схильні до тертя і впливу гравітації.
Перехід до камертону
До кінця 1960-х років промисловість шукала оновлення. Компанія Bulova зробила перший крок. Вона відмовилася від традиційного балансового колеса.
Натомість вона використовувала транзисторний генератор з камертоном. Цей годинник не цокав. Вони гули. Вони працювали на частоті сотні герц. Тобто циклів за секунду. Це було набагато швидше за механічні анкерні ходи.
Камертон замінив балансир та спіральну пружину. Він був резонатор з одного матеріалу. Це знизило тертя та покращило стабільність. Батарея замінила заводну пружину. Це усунуло необхідність ручного заправлення.
Шестерні і колеса, як і раніше, перетворювали механічний рух камертону в рух стрілок. Але основний механізм хронометражу змінився. В основі він став електронним, навіть якщо стрілки залишалися механічними.
Наступний логічний крок
Годинники наприкінці 1960-х років усвідомили обмеження. Камертон був добрий. Але виникали інтегральні схеми. Вони були новими. Їхні ціни швидко падали. Кількість транзисторів у цих схемах зростала експонентно.
Був ясний шлях уперед. Наступний крок вимагав елемента хронометражу, який був би ще стабільнішим, ніж камертон. Він також вимагав інтегральної схеми з дуже низьким енергоспоживанням. Чому? Тому що годинник працював від крихітної внутрішньої батареї. Великі батареї зіпсували б витончений дизайн.
Світлодіоди (LED) також були новинкою. Вони пропонували цифрове відображення як альтернативу стрілкам. Індустрії потрібно одночасно вирішити дві проблеми. Їй був потрібен новий елемент хронометражу. Їй була потрібна електроніка з ультранизким енергоспоживанням.
Рішення полягало у властивості матеріалу. П’єзоелектрика.
Сила п’єзоелектрики
Вибрати правильний елемент таймера було неважко. Кварц у тисячі разів перевершує камертон за точністю підтримання часу. Ці кристали використовувалися багато років. Справжньою проблемою стала інтеграція напівпровідникових технологій, здатних працювати за досить низького енергоспоживання.
Кварц всюди. Він забезпечує точні частоти для радіопередавачів, приймачів та комп’ютерів. Ця точність обумовлена вдалим збігом фізичних властивостей. Діоксид кремнію, який є піском, зберігає кристалічну структуру при температурах в сотні градусів. Він стійкий до більшості розчинників.
Магія відбувається, коли ви стискаєте його. П’єзоелектричний ефект змушує кварц генерувати електричний заряд або напругу на поверхні при стисканні. Якщо прикласти до нього напругу, він трохи згинається.
Уявіть собі дзвін, виточений із єдиного кристала кварцу. Вдарте по ньому, і він буде дзвеніти кілька хвилин. Фактично немає втрат енергії. Частота коливань не змінюється із температурою. Ви можете зняти цю поверхневу напругу за допомогою електродів. Підсилити його. Повернутись назад. Кристал продовжує дзвеніти.
Ви могли б зробити кварцовий дзвін. Але це ідеально. Занадто багато енергії витікає у повітря. Пряма смужка чи диск працюють краще. Смужка зберігає свою частоту доти, доки зберігається співвідношення довжини до ширини.
Сучасний годинник використовують крихітні смужки або форми у вигляді камертону. Вони часто виготовляються із тонких листів кварцу. Нанесіть на них структуру як в інтегральній схемі. Витруйте їх хімічним способом, щоб надати форму.
32 кілогерці – стандартна частота для годинника. Вона невелика. Вищі частоти вимагають більше енергії. Ранні годинники витратили мільйони доларів, намагаючись змусити інтегральні схеми ділити частоту 1-2 МГц, що генерується дисковими кристалами.
Хороший хронометраж залежить від точності початкової частоти. Кут різання щодо кристалографічної осі має значення. Також важливо, скільки забруднень потрапить усередину годинника.
Електроніка збільшує шум на частоті кристала. Це призводить до виникнення вагань. Вихідний сигнал генератора перетворюється на імпульси для цифрових схем. Або якщо є стрілки, дільники створюють імпульси з періодом в одну секунду. Крихітний двигун надає руху шестірні.
Точність зустрічається з доступністю
Кварцовий годинник змінив індустрію. Вони поєднують точність із довговічністю та доступністю. Механічний годинник не може конкурувати зі стабільністю кварцових коливань.
Живлення від батареї означає меншу кількість частин, що рухаються. Це підвищує надійність. Значно знижується необхідність обслуговування.
Горологія завжди любила інновації. Кварц поєднує традиційну привабливість із сучасною ефективністю. У міру розвитку технологій цей годинник залишається свідченням цього духу.
Про автора
Дуглас Дваєр заснував компанію Frequency Precision Ltd. Він консультує електронну промисловість. Він працює у галузі управління частотою з середини 1960-х років. Він писав про кварцові генератори, їх температурно-компенсовані версії та моделі з термостатуванням. Генератори на поверхневих акустичних хвилях — ще одна сфера його експертизи. Технології промислового виробництва є частиною його роботи. Він цікавиться історією годинника з того часу, як почав проектувати кварцовий годинник.
