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