В этом номере мы представляем вам общие принципы диагностики неисправностей часов с кварцевыми механизмами

В этом номере мы представляем вам общие принципы диагностики неисправностей часов с кварцевыми механизмами.

Прежде чем говорить о диагностике кварцевых часов разберем принцип их работы и назначение основных узлов.
Кварцевые часы состоят из следующих основных элементов (рис.1):
• электронного блока, включающего в себя батарейку, кварцевый резонатор и встроенную микросхему. Электронный блок генерирует каждую секунду электрический импульс и передает его двигателю;
• шагового электродвигателя, преобразующего импульсы во вращательное движение;
• колесного механизма, приводящего стрелки часов и календарь в движение.
Разберем по отдельности назначение и принципы работы каждого из описанных элементов, а также их влияние на функционирование часов.

ЭЛЕМЕНТ ПИТАНИЯ
Батарейка – это гальванический источник электрического тока постоянного напряжения. Ее работа основана на свойстве некоторых веществ реагировать в щелочной или кислотной среде, называемой электролитом, освобождая или притягивая отрицательно заряженные частицы. В первых батарейках в качестве таких веществ использовалась пара «медь–цинк», в современных источниках питания применяются другие материалы. Для каждой такой пары характерно свое вырабатываемое напряжение. Например, пары «двуокись марганца – цинк», «оксид меди – литий» вырабатывают 1,5 В, «оксид серебра – цинк» – 1,55 В, а пары «двуокись марганца – литий» и «монофторид углерода – литий» – 3 В. Отсюда становится понятно, почему для каждого типа механизмов необходимо использовать только подходящие батарейки.

Рис.1. Основные узлы кварцевых часов

В наручных часах чаще всего используются так называемые таблеточные (высота которых меньше диаметра) серебряно-цинковые миниатюрные элементы питания напряжением 1,55 В. Различные производители используют собственные маркировки батареек, универсальным является код международной электротехнической комиссии. В нем каждый тип элементов имеет свое обозначение, начинающееся с букв SR. В качестве катода таких элементов питания используется смесь оксида цинка или цинковой пыли, анодом служит оксид серебра, а электролитом является раствор гидроксида калия (KOH) или натрия (NaOH). При этом батарейки с гидрооксидом калия обладают более низким сопротивлением и способны «выбрасывать» ток большой величины, что позволяет использовать их в часах с высоким или неравномерным электропотреблением (HD = high drain, сильный сток), например, с подсветкой, звуковым сигналом, хронографом. Батарейки с гидроксидом натрия обладают более высоким сопротивлением и предназначены для часов с низким и стабильным электропотреблением (LD – low drain, слабый сток). Различия в их характеристиках хорошо видны на рисунке 2.

Рис.2. Падение напряжения в батарейках LD и HD

Поскольку работа гальванического элемента основана на химическом процессе, она зависит от окружающей температуры. Важно также помнить, что любая батарейка подвержена саморазрядке. Даже если она не была установлена в часы, ее емкость постепенно уменьшается, и через некоторое время имеющейся энергии уже недостаточно для работы механизма. Скорость саморазряда

Рис.3. Энергоемкость батарейки в зависимости от температуры

зависит от множества факторов: качество изготовления, влажность, температура и др. Например, после десяти лет хранения при температуре 0°С батарейка потеряет всего 7–8% своей емкости, после семи лет хранения при 20°С – 15%, а после всего четырех лет хранения при 40°С – 30% исходной емкости. Даже жирные отпечатки пальцев повышают ток саморазряда, поэтому обращаться с батарейкой следует при помощи пинцета. Хранить батарейки следует при температуре не выше 20°С и влажности до 50%.
Существует стандарт ISO на маркировку, позволяющую узнать дату или код производства, как и предельный срок ввода в эксплуатацию. Согласно ему, дата производства формируется последней цифрой года и цифрой месяца. Для октября, ноября и декабря используются буквы O, Y, Z соответственно. Например, код 01 будет соответствовать январю 2010 года, 9Y – ноябрю 2009-го. Увы, производители не всегда следуют данным рекомендациям.

Рис.4. Скорость саморазрядки батарейки при различных температурах хранения

Теоретический срок службы батарейки в часах зависит от ее емкости и потребляемого механизмом тока. Как правило, источники питания современных часов обеспечивают автономность от двух до десяти лет. Но важно помнить, что этот теоретический срок не учитывает ток саморазряда.
Другими типами источников энергии, используемыми в кварцевых часах, являются аккумуляторы и конденсаторы. Они применяются в механизмах, предусматривающих генерацию энергии от солнечных лучей или движения руки. Аккумулятор – это источник постоянного напряжения, который преобразует химическую энергию в электрическую и наоборот. В отличие от батарейки аккумулятор допускает перезарядку. В противоположность батарейки или аккумулятору в конденсаторе для передачи или накопления электроэнергии не происходит какой-либо химической реакции, поэтому его срок службы составляет более 10 лет. С точки зрения диагностики механизма не имеет особого значения, какой именно тип источника энергии использован в часах.

Рис.5. Кварцевый резонатор (общий вид и в разрезе)

КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР
Свое название кварцевые часы получили благодаря кристаллу кварца, который используется в кварцевом резонаторе электронного блока часов. Если кристалл кварца подвергнуть давлению или изгибам в определенных направлениях по отношению к его осям, то на других гранях появляются электрические заряды. И наоборот: подача напряжения между определенными гранями вызывает деформацию кристалла. Подавая на кристалл переменный ток, можно вызвать его колебания, причем их частота будет весьма стабильна и зависит только от физических размеров кварца. Это свойство позволило использовать кварц как задатчик частоты в различных радиоэлектронных приборах, в том числе – часах.
Добиваются частоты резонанса в 32 768 Гц, то есть 32 768 колебаний в секунду с помощью подбора размеров кварца. Подобный подбор частоты колебаний не случаен, 32 768 – это 2 в 15-й степени. То есть поделенная на 15-разрядном двоичном счетчике эта частота дает интервал времени в 1 секунду.

Рис.6. Зависимость частоты колебаний кварца от температуры

В часах, как правило, применяют U-образные кристаллы кварца. Благодаря нанесенным на каждую их ветку электродам, внутри кристалла образуется электрическое поле, которое вызывает поочередно в ответвлениях асимметричное продольное пьезоэлектрическое сжатие и растяжение, что приводит к их колебаниям. Точная настройка частоты происходит при помощи лазера, который испаряет слой позолоты с концов ответвлений, меняя их массу и частоту резонанса. Полученная вилка помещается в корпус без воздуха, что позволяет предотвратить потери из-за трения об воздух и снизить влияние атмосферного давления на частоту колебаний.
Частота резонанса кристалла кварца зависит от температуры. Эта взаимосвязь описывается кривой, вершина которой называется точка инверсии (рис.5). Резонатор изготавливается так, чтобы точка инверсии соответствовала температуре использования. Для часов на руке она соответствует +28°С. Любое отклонение от этой температуры вызывает снижение частоты колебаний и, соответственно, отставание часов. Если электронная схема механизма допускает регулировку частоты, значение точности хода при комнатной температуре следует установить на +0,15 сек. в сутки.
Характеристики кварца меняются с течением времени. Однако при производстве он подвергается процессу стабилизации, что значительно уменьшает эффекты старения.

Рис.7. Шаговый двигатель

ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Создаваемые электронным блоком часов электрические импульсы передаются шаговому двигателю, задачей которого является преобразование этих импульсов во вращательное движение. Шаговый двигатель состоит из катушки, статора, и ротора.
Ротор – это вращающаяся часть мотора. Он представляет собой выполненный в виде диска очень сильный магнит из сплава самария и кобальта, который закреплен на трибе и при вращении приводит в движение колесную систему, а через нее – стрелки часов.
Статор – неподвижная часть мотора. Он изготавливается из железо-никелевого сплава с высокой магнитной проницаемостью и служит для замыкания магнитной цепи. Статор размыкается на уровне ротора, чтобы магнитный поток проходил через него.
Катушка содержит несколько тысяч витков очень тонкого провода. При прохождении электрического импульса она создает магнитное поле в статоре, который на это время становится магнитом. Полярность этого магнита будет зависеть от направления тока в катушке.
ИС подает на катушку поочередно импульсы разной направленности. Каждый такой импульс заставляет ротор сориентироваться в соответствии с возникающим магнитным полем, для чего тому приходится повернуться на пол-оборота. Такой шаговый двигатель называется однофазным. Помимо него существует так называемый двухфазный двигатель. Внешне он отличается формой статора, а функционально – тем, что может вращать ротор в любом направлении. Такие двигатели применяются в хронографах и других сложных механизмах, подразумевающих разнонаправленное вращение стрелок.

Рис.8. Настройка частоты колебаний с помощью конденсатора

ВСТРОЕННАЯ МИКРОСХЕМА
Помимо батарейки и кварцевого резонатора, важнейшим элементом электронного блока часов является интегральная микросхема. ИС выполняет несколько очень важных функций. Прежде всего она является не чем иным, как колебательным контуром кварцевого резонатора. Микросхема содержит в себе электрическую цепь, включающую катушку индуктивности и конденсатор, в которой и возникают электромагнитные колебания, стабилизируемые после этого кварцем. ИС подсчитывает сигналы кварцевого генератора и передает дальше, обеспечивая поворот стрелок либо вывод информации на дисплей. Частота создаваемых кварцевым генератором колебаний в десять тысяч раз превышает частоту колебаний баланса в часах. Встроенные в микросхему делители частоты преобразовывают ее до 1 Гц. Микросхема управляет календарем, хронографом, будильником и другими функциями. Однако самой важной ее задачей является, пожалуй, настройка частоты колебаний, производимых кварцевым резонатором.

Рис.9. Импульс микросхемы без системы автоматической регулировки

НАСТРОЙКА ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ
Точность часов зависит от частоты вырабатываемых кварцевым генератором колебаний. А она, в свою очередь – от характеристик кристалла и параметров колебательного контура, входящего в состав ИС. Существует несколько способов настройки нужной частоты колебаний.
Первый – настройка частоты колебаний с помощью подстроечного конденсатора, включенного в колебательный контур и вынесенного на печатную плату (рис.8). Например, именно такая схема применялась в советских кварцевых механизмах. В некоторых кварцевых механизмах на печатную плату вынесены несколько металлических рисок, часть из которых могут быть замкнуты. Это так называемый безкорпусной конденсатор, также являющийся частью колебательного контура. Замыкание или размыкание рисок меняет его емкость и, как следствие, частоту колебаний. С точки зрения мастера-часовщика, важно, что при этих способах регулировки значения точности хода, полученные на основе использования частоты колебаний кварцевого генератора, идентичны значениям, полученным на основе измерений частоты импульсов электродвигателя.
При обоих способах настройка производится на производстве, хотя в определенных пределах может быть изменена в ремонтной мастерской. Однако в настоящее время системы настройки частоты с помощью конденсаторов считаются устаревшими.

Рис.10. Экономия энергии при укорочении импульсов

На смену им пришла электронная коррекция частоты. В данном случае в микросхему встроен специальный программный модуль коррекции ошибок. На производстве в него прошивается отклонение, которое имеет кварцевый генератор конкретного механизма. При работе часов по истечении определенного периода (так называемого периода коррекции) этот модуль сокращает число импульсов, отправляемых на шаговый двигатель, корректируя таким образом ошибку. Этот модуль может быть весьма развитым – например, содержать датчик температуры и информацию, позволяющую корректировать температурную погрешность. В такой системе по истечении периода коррекции измерения точности хода часов с использованием частоты колебаний кварцевого генератора и импульсов электродвигателя будут выдавать различный результат.

Рис.11. Использование микросхемы с укороченными импульсами двигателя

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
Главным потребителем энергии в кварцевых часах является шаговый двигатель. При этом расход энергии зависит от сопротивления катушки и длительности импульса. В самом простом случае шаговый электродвигатель может приводиться в движение с помощью биполярных импульсов равной длины. Длина импульсов при этом не укорочена и рассчитана так, чтобы за время импульса ротор гарантированно успел повернуться на свои пол-оборота. Такая схема надежна, но весьма расточительна. Подобный тип микросхем чаще всего используется в недорогих кварцевых часовых механизмах. Форма импульса подобной микросхемы на диагностическом приборе показана на рис.9.
В более дорогих и энергоэкономичных моделях используется иная схема: один длинный импульс заменяется серией коротких. Эти мини-импульсы и промежутки между ними подобраны так, что ротор не успевает остановиться благодаря инерции. Таким образом, шаговый двигатель приводится в движение с помощью биполярных импульсов, длина которых укорочена и адаптирована в соответствии с требованиями двигателя. Используемый в данной системе двухступенчатый контроль над силой тока обеспечивает постоянную автоматическую регулировку коэффициента укорочения импульсов. Принцип укорочения импульсов и достигаемая экономия энергии схематически представлена на рисунке 10.
В более сложных механизмах предусмотрена возможность самоконтроля: электронная схема не просто посылает импульсы на шаговый двигатель, но и по наведенному ротором электрическому полю анализирует, повернулся ли он. При обнаружении ошибки ИС может выдать дополнительную серию импульсов (рис.11). В данном примере представлен импульс длиной в 6,8 м/сек с периодом импульсов в 1 секунду.

Рис.12. Адаптивный биполярный импульс двигателя на экране прибора

Использование подобной системы приводит к сокращению потребления энергии, необходимой для механического привода часов, что, в свою очередь, позволяет продлить срок службы батарейки. Вид адаптивных импульсов на экране прибора приведен на рис.12.

Опубликовано в журнале "Часовой Бизнес" №5-2011

Портал профессионалов часового бизнеса TimeSeller.ru
При перепечатке активная ссылка обязательна