Zegarki kwarcowe nie pojawiły się ot tak. Eksplodowały.
Na początku lat 70. nie było to już tylko urządzenie do pomiaru czasu. Był to najnowszy, zaawansowany technologicznie gadżet na świecie. Pierwsze modele były towarami luksusowymi. W USA kosztują około 500 dolarów. Były wyposażone w czerwone wyświetlacze diodowe (LED), które świeciły w ciemności. Dziś sytuacja uległa całkowitej zmianie.
Ceny spadły. Zegarki kwarcowe można teraz znaleźć bezpłatnie w pudełkach płatków śniadaniowych. Technologia, która kiedyś sygnalizowała status, stała się wszechobecna. Kwarc różowy, piękną różową odmianę tego minerału, widzimy w tanich wałkach kosmetycznych i kryształkach w supermarketach. Jednak za zmianami estetycznymi kryje się fundamentalna zmiana w sposobie mierzenia czasu.
Czym są zegarki kwarcowe?
Zegarki kwarcowe opierają się na zastosowaniu kryształu kwarcu do regulacji czasu. Różni się to od ręcznie nakręcanych zegarków mechanicznych, które dominowały od wieków.
Zegarki mechaniczne to cud inżynierii. Ich rozwój rozpoczął się pod koniec XIV wieku. Innowacje na przestrzeni lat sprawiły, że urządzenia te są cieńsze, bardziej niezawodne i ostatecznie automatyczne. Pozostają one imponującymi osiągnięciami w inżynierii mikromaszyn.
Tradycyjne, ręcznie nakręcane zegarki opierają się na określonym zestawie komponentów, które istnieją od setek lat:
- Sprężyna lufowa do dostarczania energii
- Balansujący balanser pozwalający stworzyć tymczasową bazę
- Strzałki do wyświetlania czasu
- Tarcza z zaznaczonymi podziałami
- Przekładnie do przenoszenia energii ze sprężyny na strzały
Zobacz, jak działają zegary wahadłowe, aby zrozumieć szerszy kontekst mechanicznego pomiaru czasu. Te systemy są powolne. Oni tykają. Podlegają one tarciu i wpływowi grawitacji.
Przejście do kamertonu
Pod koniec lat sześćdziesiątych przemysł szukał odnowy. Bulova zrobiła pierwszy krok. Porzuciła tradycyjne koło balansowe.
Zamiast tego użyła oscylatora tranzystorowego z kamertonem. Ten zegar nie tykał. Brzęczeli. Działały na częstotliwościach setek herców. Oznacza to cykle na sekundę. Było to znacznie szybsze niż mechaniczne biegi zakotwiczone.
Kamerton zastąpił stabilizator i sprężynę śrubową. Był to rezonator wykonany z jednego materiału. Zmniejszyło to tarcie i poprawiło stabilność. Bateria zastąpiła sprężynę główną. Eliminowało to potrzebę ręcznego tankowania.
Przekładnie i koła nadal przekształcały mechaniczny ruch kamertonu w ruch strzał. Ale podstawowy mechanizm pomiaru czasu uległ zmianie. W swej istocie stał się elektroniczny, nawet jeśli wskazówki pozostały mechaniczne.
Następny logiczny krok
Zegarmistrzowie zdali sobie sprawę z ograniczeń pod koniec lat sześćdziesiątych. Kamerton był dobry. Ale pojawiły się układy scalone. Były zupełnie nowe. Ich ceny szybko spadły. Liczba tranzystorów w tych obwodach rosła wykładniczo.
Droga do przodu była jasna. Następny krok wymagał elementu rozrządu, który był jeszcze stabilniejszy niż kamerton. Wymagało to również układu scalonego o bardzo niskim zużyciu energii. Dlaczego? Ponieważ zegarek działał na małej wewnętrznej baterii. Duże baterie zrujnowałyby elegancki wygląd.
Nowością były także diody elektroluminescencyjne (LED). Jako alternatywę dla strzałek zaproponowali wyświetlacz cyfrowy. Przemysł musiał rozwiązać dwa problemy jednocześnie. Potrzebowała nowego elementu rozrządu. Potrzebowała elektroniki o bardzo niskim poborze mocy.
Rozwiązanie leży we właściwościach materiału. Piezoelektryczność.
Siła piezoelektryczności
Wybór odpowiedniego elementu timera był łatwy. Kwarc jest tysiące razy dokładniejszy w utrzymywaniu czasu niż kamerton. Kryształy te były używane przez wiele lat. Prawdziwym wyzwaniem stała się integracja technologii półprzewodnikowych, które mogą działać przy wystarczająco niskim zużyciu energii.
Kwarc jest wszędzie. Zapewnia precyzyjne częstotliwości dla nadajników radiowych, odbiorników i komputerów. Dokładność ta wynika z udanej zbieżności właściwości fizycznych. Dwutlenek krzemu, który zasadniczo jest piaskiem, zachowuje swoją krystaliczną strukturę w temperaturach setek stopni. Jest odporny na większość rozpuszczalników.
Magia dzieje się, gdy go ściśniesz. Efekt piezoelektryczny powoduje, że kwarc po ściśnięciu generuje ładunek elektryczny lub napięcie na swojej powierzchni. Jeśli zastosujesz do niego napięcie, lekko się ugnie.
Wyobraź sobie dzwon wyrzeźbiony z pojedynczego kryształu kwarcu. Naciśnij go, a będzie dzwonił przez kilka minut. Praktycznie nie ma strat energii. Częstotliwość oscylacji nie zmienia się wraz z temperaturą. Możesz zmniejszyć to napięcie powierzchniowe za pomocą elektrod. Wzmocnij to. Zwróć to z powrotem. Kryształ nadal dzwoni.
Można zrobić dzwonek kwarcowy. Ale to nie jest idealne. Za dużo energii ucieka do powietrza. Prosty pasek lub dysk działa lepiej. Pasek zachowuje swoją częstotliwość tak długo, jak zachowany jest stosunek długości do szerokości.
Nowoczesne zegary wykorzystują małe paski lub kształty kamertonów. Często są wykonane z cienkich arkuszy kwarcu. Zastosuj do nich strukturę przypominającą układ scalony. Wytraw je chemicznie, aby nadać im kształt.
Standardowa częstotliwość zegarków to 32 kiloherce. Jest mały. Wyższe częstotliwości wymagają więcej energii. Pierwsi zegarmistrzowie wydali miliony dolarów, próbując zmusić układy scalone do współdzielenia częstotliwości 1–2 MHz generowanej przez kryształy dyskowe.
Dobry czas zależy od dokładności częstotliwości początkowej. Znaczenie ma kąt cięcia względem osi krystalograficznej. Ważne jest również to, ile brudu dostanie się do wnętrza zegarka.
Elektronika wzmacnia szum o częstotliwości kryształu. Prowadzi to do oscylacji. Sygnał wyjściowy generatora przetwarzany jest na impulsy dla obwodów cyfrowych. Lub, jeśli są strzałki, dzielniki tworzą impulsy z okresem jednej sekundy. Mały silnik napędza przekładnie.
Precyzja spotyka się z dostępnością
Zegarki kwarcowe zmieniły branżę. Łączą precyzję z trwałością i przystępną ceną. Zegarki mechaniczne nie mogą konkurować ze stabilnością drgań kwarcu.
Zasilanie bateryjne oznacza mniej ruchomych części. Poprawia to niezawodność. Konieczność konserwacji jest znacznie zmniejszona.
Horologia zawsze kochała innowacje. Kwarc łączy w sobie tradycyjny wygląd z nowoczesną wydajnością. Wraz z postępem technologii te zegarki pozostają świadectwem tego ducha.
O autorze
Douglas Dwyer założył firmę Frequency Precision Ltd. Zajmuje się doradztwem dla branży elektronicznej. Zajmuje się regulacją częstotliwości od połowy lat 60-tych. Pisał o oscylatorach kwarcowych, ich wersjach z kompensacją temperatury i modelach z regulacją temperatury. Powierzchniowe oscylatory fal akustycznych to kolejny obszar jego specjalizacji. Przemysłowe technologie produkcyjne są również częścią jego pracy. Historią zegarków interesuje się od początku projektowania zegarków kwarcowych.
