Ce sunt ceasurile pe quartz? Ceasurile cu cuart sunt ceasuri care utilizeaza un oscilator electronic reglat de un cristal de cuart pentru a mentine timpul. Acest oscilator de cristal creeaza un semnal cu o frecventa foarte precisa, astfel incat ceasurile cu cuart sa fie cel putin cu un ordin de marime mai precise decat ceasurile mecanice.
In general, o anumita forma de logica digitala numara ciclurile acestui semnal si ofera o afisare numerica a timpului, de obicei in unitati de ore, minute si secunde.
Primul ceas cu cuart din lume a fost construit in 1927 de Warren Marrison si J. W. Horton la Bell Telephone Laboratories. Cu toate acestea, primul ceas din cuart din lume a fost dezvaluit de catre ceasornicarul japonez Seiko sub numele de Astron in Decembrie 1969.
Incepand cu anii 1980, cand aparitia electronicii digitale le-a permis sa fie facute compacte si ieftine, cronometrele cu cuart au devenit cea mai folosita tehnologie de cronometrare din lume, utilizata in majoritatea ceasurilor, precum si a computerelor si a altor aparate care pastreaza timpul.
Ce sunt ceasurile pe quartz? Explicatie
Din punct de vedere chimic, cuartul este o forma specifica a unui compus numit dioxid de siliciu. Multe materiale pot fi formate in placi care vor rezona. Cu toate acestea, cuartul este, de asemenea, un material piezoelectric: adica, atunci cand un cristal de cuart este supus unor solicitari mecanice, cum ar fi indoirea, acesta acumuleaza sarcina electrica pe unele planuri.
Intr-un efect invers, daca sarcinile sunt plasate pe planul cristalului, cristalele de cuart se vor indoi. Deoarece cuartul poate fi condus direct (pentru a se flexa) printr-un semnal electric, nu este necesar un traductor suplimentar pentru a-l utiliza intr-un rezonator. Cristale similare sunt utilizate in cartusele de fonograf low-end: Miscarea stylusului (acului) flexeaza un cristal de cuart, care produce o tensiune mica, ce este amplificata si redata prin difuzoare. Microfoanele cu cuart sunt inca disponibile, desi nu sunt obisnuite.
Cuartul are un alt avantaj prin faptul ca dimensiunea sa nu se schimba prea mult pe masura ce temperatura fluctueaza. Cuartul topit este adesea folosit pentru echipamentele de laborator care nu trebuie sa-si schimbe forma odata cu temperatura. Frecventa de rezonanta a unei placi de cuart, in functie de dimensiunea sa, nu va creste sau scadea semnificativ. In mod similar, deoarece rezonatorul sau nu isi schimba forma, un ceas cu cuart va ramane relativ precis, pe masura ce temperatura se schimba.
La inceputul secolului al XX-lea, inginerii radio au cautat o sursa precisa si stabila de frecvente radio si au inceput sa foloseasca rezonatori din otel. Cu toate acestea, cand Walter Guyton Cady a descoperit ca un cristal de cuart poate rezona cu mai putine echipamente si are o stabilitate mai buna a temperaturii, rezonatoarele din otel au disparut in cativa ani.
Mai tarziu, oamenii de stiinta de la Institutul National de Standarde si Tehnologie (pe atunci Biroul National de Standardizare al SUA) au descoperit ca un oscilator de cristal ar putea fi mai precis decat un ceas cu pendul. Circuitul electronic este un oscilator, un amplificator a carui iesire trece prin rezonatorul de cuart.
Rezonatorul actioneaza ca un filtru electronic, eliminand toate frecventele, cu exceptia frecventei unice de interes. Iesirea rezonatorului se alimenteaza inapoi la intrarea amplificatorului, iar rezonatorul asigura ca oscilatorul „emite” cu frecventa exacta de interes. Cand circuitul este pornit, o singura explozie de zgomot (intotdeauna prezenta in circuitele electronice) poate aparea in cascada pentru a aduce oscilatorul la frecventa dorita. Daca amplificatorul ar fi perfect fara zgomot, oscilatorul nu ar porni.
Frecventa la care oscileaza cristalul depinde de forma, dimensiunea si planul de cristal pe care este taiat cuartul. Pozitiile in care sunt asezati electrozii pot schimba usor si reglajul. Daca cristalul este format si pozitionat cu precizie, acesta va oscila la frecventa dorita. In aproape toate ceasurile cu cuart, frecventa este de 32768 Hz, iar cristalul este taiat sub forma de diapazon mic, pe un anumit plan de cristal.
Aceasta frecventa este o putere de 215, suficient de mare pentru a depasi intervalul de auz uman, dar suficient de mica pentru a permite contoarelor ieftine sa obtina un impuls de 1 secunda. Un contor digital binar de 15 biti actionat de frecventa va actiona o data pe secunda, creand un impuls digital. Iesirea impuls pe secunda poate fi utilizata pentru a conduce mai multe tipuri de ceasuri.
Desi cuartul are un coeficient de expansiune termica foarte scazut, schimbarile de temperatura sunt cauza principala a variatiei frecventei in oscilatoarele de cristal. Cel mai evident mod de a reduce efectul temperaturii asupra ratei de oscilatie este de a mentine cristalul la o temperatura constanta.
Pentru oscilatoarele de laborator se foloseste un oscilator de cristal controlat de cuptor, in care cristalul este pastrat intr-un cuptor foarte mic, care este tinut la o temperatura constanta. Aceasta metoda este, totusi, impracticabila pentru mecanismele de ceas cu cuart si ceasuri de mana.
Planurile de cristal si reglarea unui cristal de ceas de consum sunt proiectate pentru o sensibilitate la temperatura minima in ceea ce priveste efectul lor asupra frecventei si functioneaza cel mai bine la aproximativ 25 pana la 28 ° C (77 pana la 82 ° F). La aceasta temperatura, cristalul oscileaza cel mai rapid. O temperatura mai mare sau mai scazuta va avea ca rezultat o rata de oscilatie de -0,035 ppm / ° C2 (mai lenta).
Deci, o abatere de temperatura de ± 1 ° C va reprezenta o (± 1) 2 × -0,035 ppm = -0,035 ppm variatie a ratei, care este echivalenta cu -1,1 secunde pe an. Daca, in schimb, cristalul se confrunta cu o abatere de temperatura de ± 10 ° C, atunci schimbarea ratei va fi (± 10) 2 × −0,035 ppm = −3,5 ppm, care este echivalenta cu −110 secunde pe an.
Producatorii de ceasuri cu cuart utilizeaza o versiune simplificata a metodei oscilatorului de cristal controlat de cuptor, recomandand purtarea regulata a ceasurilor pentru a asigura cele mai bune performante. Purtarea regulata a unui ceas cu cuart reduce semnificativ amplitudinea oscilatiilor de temperatura din mediul inconjurator, deoarece o carcasa de ceas proiectata corect formeaza un cuptor de cristal convenabil care foloseste temperatura stabila a corpului uman, pentru a mentine cristalul in intervalul sau de temperatura cel mai precis.
Mecanism
In ceasurile de cuart moderne, rezonatorul sau oscilatorul cu cristale de cuart are forma unui diapazon mic (taiat XY), decupat cu laser de precizie, pentru a vibra la 32768 Hz. Aceasta frecventa este egala cu 215 cicluri pe secunda.
Se alege o putere de 2, astfel incat un lant simplu de etape de divizare digitala cu 2, pentru a putea obtine semnalul de 1 Hz necesar. In majoritatea ceasurilor, rezonatorul este intr-o cutie mica sau ambalaj plat, de aproximativ 4 mm lungime. Rezonatorul de 32768 Hz a devenit atat de obisnuit datorita unui compromis intre dimensiunea fizica mare a cristalelor de joasa frecventa pentru ceasuri si scurgerea mare de curent a cristalelor de inalta frecventa, ceea ce reduce durata de viata a bateriei ceasului.
In anii 1970, introducerea circuitelor integrate metal-oxid-semiconductor (MOS) a permis o durata de viata a bateriei de 12 luni de la o singura celula tip moneda, atunci cand se actioneaza fie un motor pas cu pas mecanic de tip Lavet, un motor fara pasi, sau un afisaj cu cristale lichide (intr-un ceas digital LCD). Afisajele cu diode emitatoare de lumina (LED) pentru ceasuri au devenit rare datorita consumului lor relativ ridicat de baterie.
Ce sunt ceasurile pe quartz? Precizie
Stabilitatea relativa a rezonatorului de cuart si a circuitului sau de actionare este mult mai buna decat acuratetea sa absoluta. Rezonatoarele de acest tip de 32 768 Hz de calitate standard sunt garantate pentru a avea o precizie pe termen lung de aproximativ sase parti per milion (0,0006%) la 31 ° C (87,8 ° F): adica un ceas cu mecanism actionat cu cuart, va castiga sau pierde 15 secunde la 30 de zile (intr-un interval normal de temperatura de la 5 la 35 ° C sau 41 la 95 ° F).
Imbatranirea cristalelor de cuart
Cristalele de cuart pentru ceasuri sunt fabricate intr-un mediu ultra-curat, apoi protejate de un vid inert in recipiente inchise ermetic. In ciuda acestor masuri, frecventa unui cristal de cuart se poate schimba incet in timp. Efectul imbatranirii este mult mai mic decat efectul variatiei frecventei cauzate de schimbarile de temperatura, insa producatorii pot estima efectele acestuia.
In general, efectul de imbatranire scade in cele din urma frecventa unui cristal dat. Factorii care pot provoca o mica derivatie a frecventei in timp sunt ameliorarea stresului in structura de montare, pierderea etansarii ermetice, contaminarea retelei cristaline, absorbtia umezelii, modificarile in sau pe cristalul de cuart, efectele severe de soc si vibratii si expunerea la temperaturi ridicate. Imbatranirea cristalelor tinde sa fie logaritmica, ceea ce inseamna ca rata maxima de schimbare a frecventei are loc imediat dupa fabricare si se descompune dupa aceea.
Cea mai mare parte a imbatranirii va avea loc in primul an de viata a cristalului. Cristalele opresc in cele din urma imbatranirea (asimptotic), dar acest proces poate dura multi ani. Producatorii de mecanisme pot „pre-imbatrani” cristalele inainte de a le asambla in mecanisme de ceas. Pentru a obtine imbatranirea accelerata, cristalele sunt expuse la temperaturi ridicate.
Daca un cristal este pre-imbatranit, producatorul poate masura ratele de imbatranire (strict, coeficientii din formula de imbatranire) si poate solicita unui microcontroler sa calculeze corectiile in timp. Calibrarea initiala a unui astfel de mecanism, va ramane exacta mai mult decat in cazul celor in care cristalele sunt pre-imbatranite. Avantajul s-ar incheia dupa reglementarea ulterioara, care reseteaza la zero orice eroare de imbatranire cumulativa.
Un motiv pentru care mecanismele mai costisitoare tind sa fie cele mai exacte, este ca unele cristale sunt pre-imbatranite mai mult timp si selectate pentru o performanta mai buna de imbatranire. Uneori, cristalele pre-imbatranite sunt selectate manual pentru performanta.
