Станислав Михаль - Часы. От гномона до атомных часов

Недостатки электрических контактных схем в часовом деле совершенно ясны. Поэтому уже вскоре после 1950 г. стали проделывать многочисленные эксперименты по бесконтактному управлению балансовыми осцилляторами в малогабаритных часах. Удовлетворительным решением явилось только применение полупроводниковой техники, при которой транзистор полностью заменил несовершенное и ненадежное механическое контактное устройство.

С начала первых экспериментов возникла обширная серия типов электрических и электронных схем поддержания колебаний балансовых осцилляторов. По способу передачи энергии от источника на осциллятор можно подразделить эти системы на две основные группы, а именно системы с электродинамическим приводом и системы с электромеханическим приводом. Электродинамический принцип успешно использован для стационарных электрических часов еще в конце прошлого века [19] Здесь речь идет о магнитоэлектрической и электромагнитной системах привода. (Прим. науч. ред.) . Для наручных часов эту систему впервые использовала в 1957 г. американская фирма «Гамильтон Уотч Компани», а теперь эту систему можно видеть в часах марки «Рула», «Таймекс», «Лейчер» и т.д. Электромагнитный привод отличается от электродинамического тем, что его катушка содержит ферромагнитный сердечник, концентрирующий магнитные силовые линии. Ярмо же изготовляется из магнитного мягкого материала. Электродинамическим системам часто отдают предпочтение потому, что они меньше поддаются вредным влияниям посторонних магнитных полей.

Электронные схемы современных балансовых наручных часов имеют много вариантов, но все они выполняют роль того или иного электронного ключа.

Интересное решение предложила известная электротехническая фирма «Филиппе» в Эйдховене, Голландия. Излучение небольшого количества радиоактивного вещества, нанесенного на баланс, воспринимает особый миниатюрный встроенный приемник, который трансформирует это излучение в электроэнергию, приводящую в действие балансовый осциллятор непосредственно через транзисторный усилитель.

Не менее интересный принцип, основанный на магнитострикционном явлении, использовала швейцарская фирма «Баэни Сосайте Аноним». Под магнитострикцией понимается изменение размеров ферромагнитного вещества (в данном случае волоска часов) в результате намагничивания его. Под действием магнитного поля изменяется кривизна волоска и происходит угловой поворот его витков, придающий силовой импульс балансу. Однако магнитострикционные материалы имеют весьма неустойчивый модуль упругости, что вызывает колебания возвращающей силы волоска, сопровождающиеся значительным изменением продолжительности времени колебания баланса.

Трудности со стабилизацией амплитуды привели к попыткам заменить волосковые осцилляторы крутильными осцилляторами, где обычный волосок заменили две несущие цилиндрические витые пружины. Опоры оси баланса здесь, собственно говоря, отпадают, и для них остается второстепенная роль предохранителя при резких сокращениях и ударах. В некоторых случаях удалось вместо цилиндрических витых пружин использовать торсионные пластины формы V, Y или X.

В 1961 г. американская фирма «Булова Уотч Компани» выпустила на рынок новый тип наручных часов марки «Аккутрон», решение которых вышло за рамки концепций ранее выпускавшихся электрических и электронных систем сразу в нескольких отношениях. Эти часы имели совершенно новый осциллятор в виде маленького камертона с длиной 25 мм. Частота камертона 360 Гц была для часовых осцилляторов того времени необычно высокой. Постоянство частоты поддерживалось электронной схемой, видной по рис. 37.

Рис. 37.Схема электронных часов с камертонным осциллятором: 1 — постоянные магниты, 2 — катушка привода, 3 — вспомогательная катушка для обратной связи, 4 — конденсатор, 5 — сопротивление для настройки рабочей точки, 6 — источник, 7 — толкатель, 8 — храповое колесо, 9 — фиксатор

Обе консоли камертона имели встроенные постоянные магниты. Работу этих часов можно описать следующим образом: при прохождении тока через катушку привода попеременно притягиваются и отталкиваются несущие втулки магнитов из мягкого железа. При колебании ветвей камертона в катушке возникает переменный ток, который передает камертону импульсы в те моменты, когда сила притяжения или отталкивания магнитов действует в фазе с колебаниями камертона. Синхронизацию обеспечивает вспомогательная обмотка на одной из двух катушек [20] Явление синхронизации здесь не имеет места, обмотка одной из катушек раздвоена для обеспечения симметрии привода камертона. (Прим. науч. ред.) . Главный контур тока образуется обмоткой этой катушки, а другая катушка соединена последовательно. Вторичный контур со вспомогательной синхронизационной обмоткой и элементом RC соединен с главным контуром транзистором. Питание обоих контуров обеспечивается миниатюрным ртутным элементом напряжением 1,3 В, который при потребляемой мощности в 8 мкВт способен обеспечивать работу часов в течение целого года.

Точность этих часов примерно на порядок, почти в 10 раз больше, чем точность прежних высококачественных наручных часов. Погрешность часов составляет около ±1 мин в месяц.

Изобретателем «Аккутрона» был швейцарец Макс Хетцель. В сотрудничестве с американцем В.О. Беннетом нью-йоркская фирма «Булова Уотч Компани» стала производить эти часы серийно. В настоящее время часы «Аккутрон» производит по лицензии и ряд других фирм под названием «Юнисоник 52», «Электроник F 300», «WIC Электроник» и т.д. [21] Последние 5-7 лет эти часы не производятся. Они уступили место более точным кварцевым часам. (Прим. науч. ред.)

В 1933-1934 гг. физики Шайбе и Адельсбергер из тогдашнего Имперского физико-технического института в Берлине занялись возможностями использования пьезоэлектрического эффекта для измерения времени. Однако они не были первыми в этой области. Еще за несколько лет до этого, в 1927 г., Гортон и Маррисон в США добились первых положительных результатов в создании кварцевых осцилляторов, первоначально разработанных ими для измерения частоты радиоволн.

Кристаллы некоторых веществ — кварца, сегнетовой соли, турмалина и т.п., — отшлифованные надлежащим способом, приобретают при механическом сжатии на их концевых поверхностях электрический заряд. Этот так называемый пьезоэлектрический эффект имеет двусторонний характер, т.е. при подаче электрического заряда на эти поверхности кристалла происходит, наоборот, его сжатие.