По имени кварц
Туманная личность
Сегодня узнать время нам помогают сотни самых разных приборов. Но как бы ни назывался такой прибор, какую бы форму и размеры он ни имел, с вероятностью 90% можно утверждать, что внутри него работает кварцевый генератор. Причин того, что кварцевые генераторы завоевали мир, несколько:
— кристалл кварца дешев в производстве;
— кварцевый генератор по своей эквивалентной схеме является обычным радиотехническим устройством и может быть легко внедрен в любую радиосхему;
— свойства кварца максимально стабильны во времени и достаточно стабильны в обычных для человека условиях. Несмотря на господство кварцевых часов на рынке, большинство людей, имеющих отношение к часовому делу, даже приблизительно не представляют себе, что такое кварц. В лучшем случае, мастера-ремонтники могут опознать его непосредственно в часах. Так что рассказ о нем, на наш взгляд, будет совсем не лишним.
— кристалл кварца дешев в производстве;
— кварцевый генератор по своей эквивалентной схеме является обычным радиотехническим устройством и может быть легко внедрен в любую радиосхему;
— свойства кварца максимально стабильны во времени и достаточно стабильны в обычных для человека условиях. Несмотря на господство кварцевых часов на рынке, большинство людей, имеющих отношение к часовому делу, даже приблизительно не представляют себе, что такое кварц. В лучшем случае, мастера-ремонтники могут опознать его непосредственно в часах. Так что рассказ о нем, на наш взгляд, будет совсем не лишним.
Природа колебания
Работа кварцевого генератора основана на пьезоэлектрическом эффекте. В физике так называется эффект возникновения разности потенциалов (напряжения) на противоположных сторонах какого-либо кристалла при приложении к нему механического воздействия. Помимо прямого существует и обратный пьезоэффект, когда под воздействием напряжения происходит механическая деформация кристалла.
Обычно масштаб пьезоэффекта невелик и составляет мизерные доли процента. Тем не менее пьезоэффект широко применяется в технике. На нем основана работа многих устройств — от очень сложных до таких привычных, как проигрыватель грампластинок. Одним из минералов, обладающих ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом, является кварц. Если к кристаллу кварца приложить электрическое напряжение, то под воздействием обратного пьезоэлектрического эффекта он деформируется. Если затем напряжение убрать, то в кристалле возникнут колебания — электрическая энергия будет преобразовываться в механическую и обратно. Это чем-то похоже на колебания маятника, когда кинетическая энергия движущегося маятника позволяет ему подняться относительно нижней точки и превращается в потенциальную, а затем происходит обратное превращение.
Так как при деформации кристалла часть энергии выделяется в виде тепла, колебания постепенно затухнут. Скорость затухания колебаний определяется тем, насколько кристаллическая решетка кварца близка к идеальной. Каждый кристалл имеет собственную частоту колебаний, или резонансную частоту, которая зависит от его формы и физических размеров. Подбирая форму и размеры кристалла, можно получить любую заданную резонансную частоту. Кристалл кварца, «упакованный» в металлический корпус с выведенными наружу контактами, называют кварцевым резонатором. Именно этот «бочонок» мы и видим внутри часов. Кварцевый резонатор является основой генератора, вырабатывающего колебания постоянной частоты. Основываясь на этих колебаниях, электронная схема посылает импульсы на шаговый двигатель, который через систему колес вращает стрелки часов.
В принципе, кварцевый резонатор может быть заменен обычным колебательным контуром. Однако кварц занимает гораздо меньше места и имеет более выраженный пик резонансной частоты. К тому же температурная и временная стабильность индуктивно-емкостной цепочки на 3—4 порядка хуже, чем у кварца.
Подкорректируем
Резонансная частота кристалла кварца является величиной постоянной. Но итоговая частота, вырабатываемая кварцевым генератором, в небольших пределах может быть отрегулирована. Все способы корректировки частоты генератора основаны на наличии дополнительных устройств, подключенных к выводам резонатора. В простейшем случае для калибровки используются постоянные или переменные конденсаторы (емкости), включаемые в схему различными способами.
В первом случае в схеме часов есть некоторый набор емкостей, которые могут быть подключены с помощью так называемой решетки. Замыкая между собой с помощью припоя или распаивая соседние гребенки, мы можем подключить одну или несколько емкостей. Таким образом мы варьируем шунтирующую емкость и влияем на частоту системы КВАРЦ + ШУНТ, которая и является частотой генератора.
Во втором варианте в схему встроен конденсатор переменной емкости — триммер. Его емкость можно изменять, вращая подстроечный винт обычной керамической отверткой. Это позволяет настроить часы до точности +/— 0,01 секунда/день. Но триммер удорожает механизм часов, к тому же, как и любая дополнительная деталь, он не добавляет надежности. Вопрос корректировки частоты кварцевого генератора был актуален на заре кварцевой эры. Тогда еще не удавалось обеспечить должную точность изготовления кристаллов кварца, и триммеры с гребенками были необходимы для подстройки частоты генератора в часах. В настоящее время проблемы с обеспечением точности резонаторов решены, и большинство производителей отказались от использования триммеров. Соответственно, если механизм не имеет гребенки и триммера, то мастер лишен какой-либо возможности регулировать точность часов.
О влияниях...
Мы уже говорили, что резонансная частота кварцевого резонатора определяется его физическими характеристиками и фиксируется при изготовлении кристалла. Однако в процессе эксплуатации она может несколько меняться. Больше всего на нее влияют температура и время. Соответственно, двумя важнейшими характеристиками кварцевого генератора являются температурная и временная стабильность частоты. Именно от них зависит точность хода кварцевых часов.
Величины этих двух важнейших характеристик выражаются в миллионных долях (10~6 или ррт). Отклонение в 1 ррт на языке часов дает отклонение точности в 0,388 секунд в месяц. Стандартной точности в +/— 20 секунд в месяц будет соответствовать отклонение частоты в 51,5 ррт. Временное отклонение в свойствах всегда приводится для первого года службы (почему — мы расскажем чуть позже).
В зависимости от производителя и цены, кварцевые резонаторы обычных серийных часов в диапазоне температур —10/+60 градусов имеют отклонение в пределах от +/—30 ррт до +/—50 ррт. Временное отклонение для кварцевых генераторов обычно составляет от +/—2 до +/—7 ppm/год. У специальных резонаторов, используемых в швейцарских приборах измерения точности хода часов, эти характеристики на порядок выше.
... и борьбе с ними
С фактором «старения» кварца, к сожалению, ничего поделать нельзя: с течением времени резонансная частота кристалла постепенно «уходит» от первоначальной. К счастью, это отклонение не столь значительно и в наибольшей степени проявляется в первые год-полтора после начала использования резонатора. Поэтому все фирмы, производящие калибровочное оборудование для часов, используют в нем искусственно состаренные кристаллы. Два года их «гоняют» на специальном стенде, после чего отбирают те, свойства которых остались в пределах нормы. Это позволяет практически исключить временной фактор или снизить его влияние в несколько раз, до уровня менее +/— 1 ppm/год. Другими словами, за год ошибка составит не более 0,388 секунды в месяц, что для часов не страшно.
В отличие от временного фактора, справиться с влиянием температуры вполне реально. Для этого используют два основных приема. Первый — термостабилизация, когда за счет различных ухищрений пытаются обеспечить кристаллу постоянный температурный режим. Второй — термокомпенсация, когда в часы встраивают специальные электронные схемы, компенсирующие погрешность, возникающую при изменении температуры.
Термостабилизацию активно используют, например, в приборах проверки точности хода часов. В них резонаторы изолируют от внешней среды и оснащают системой поддержания постоянной температуры или, попросту, обогревом. Такие приборы выходят на рабочий режим через несколько минут после включения — кварц необходимо нагреть до нужной температуры. Этот способ весьма надежен, и единственным его недостатком в стационарных условиях является время выхода прибора «на режим». Однако данный вариант не пригоден для использования в компактных и автономных устройствах, например в наручных часах: термоизолятор и нагреватель занимают достаточно много места, к тому же для работы нагревателя требуется дополнительная энергия. Там используют другой прием — термокомпенсацию.
Термический эффект в той или иной степени проявляется у любых радиодеталей, однако у целой группы материалов эти свойства выражены активнее. На их основе обычно разрабатывают схемы измерения температуры, термокомпенсации и т.п. Например, наслаждаться показаниями термометра в будильниках WENDOX мы можем благодаря специальному терморезистору, сопротивление которого сильно меняется при изменении температуры. Сейчас все большее количество производителей выпускают механизмы со схемами термокомпенсации. В них к резонатору добавляется специальная шунтирующая схема, имеющая тот же самый по значению и обратный по знаку термический эффект. Она работает как бы в противовес термическим свойствам резонатора. Благодаря этому удается уменьшить температурное отклонение частоты в несколько раз, а иногда и на порядок. Именно схемы термокомпенсации позволяют часам GrandSeiko, BreitlingSuperQuartz демонстрировать точность на уровне 5—7 секунд в год.
В заключении рассказа о компенсации термоэффектов хочется сказать, что тер-мостатирование обеспечивает гораздо большую стабильность частоты, чем термокомпенсация, и именно поэтому оно всегда останется актуальным. К сожалению, размер статьи позволил рассказать только самое главное об основе кварцевых часов — о резонаторе. За рамками обзора осталось очень много интересного: история кварцевых часов, зависимость частоты кристалла от формы и т.п. Вот такая это непростая штука — кварц...
Опубликовано в журнале "Часовой Бизнес" № 1-2005
Портал профессионалов часового бизнеса TimeSeller.ru
При перепечатке активная ссылка обязательна
Теги: 1-2005 Технологии и материалы