Станислав Михаль - Часы. От гномона до атомных часов

Пьезоэлектрические кристаллы применялись уже с 1922 г. в телеграфии и в радиовещании для управления высокочастотными переменными электромагнитными полями так, чтобы длина передаваемых волн оставалась постоянной. Однако полное использование пьезоэлектрических свойств кристалла кварца было достигнуто лишь после второй мировой войны, когда в экспериментальных лабораториях возникли первые кристаллические часы, надежные в эксплуатации и предназначенные для научных астрономических лабораторий и их лабораторий времени.

Развитие электроники, главным образом применение интегральных схем, открыло путь к использованию кварцевого кристалла и в малых наручных часах. В настоящее время производственная технология часов с осциллятором в виде кристалла кварца достигла такого уровня, что теперь уже многие зарубежные фирмы участвуют в производстве часов самых различных типов с классическим стрелочным циферблатом или с электронным цифровым индикатором. Главные функциональные элементы обеих систем, по существу, одинаковы, только у цифровых часов стрелочный механизм заменен электронным делителем частоты и дешифратором с дисплеем. Главными частями кварцевых часов, общими для часов обоих типов, являются кристаллы кварца, выполняющие функции осциллятора, и делителя частоты. Кристалл в первых кварцевых наручных часах, производившихся в 1968 г. в Швейцарии, колебался с частотой 8192 Гц. Большинство нынешних кристаллов колеблется с повсеместно установленной частотой в 32 768 Гц. Однако, несмотря на это, с точки зрения электроники и эти системы все еще сохраняют характер осцилляторов низкой частоты.

В качестве кристалла используется монокристалл натурального или синтетического кварца. Он вырезается из массы кристалла под определенным углом относительно его кристаллографических осей. Ориентация среза определяет такие важные свойства кристалла, как ход температурной зависимости, индуктивность и добротность. Кварцевый срез снабжен электродами и помещен в стеклянный или металлический корпус, заделанный холодным сварочным швом.

Возбуждение колебаний кварцевого кристалла обеспечивается однотранзисторной или двухтранзисторной схемой. Частота осциллятора, управляемого кристаллом, слишком высока, чтобы можно было ее использовать непосредственно для передачи информации о времени. Поэтому в такой системе используется многокаскадный делитель частоты, который дает секундные импульсы для электронной схемы цифрового индикатора. У часов со стрелочным индикатором сигнал от делителя частоты идет на электромеханический преобразователь. Таким преобразователем может быть камертон с колесом, который раскачивается электромагнитными импульсами катушки, или же вибрационный моторчик, образуемый катушкой, раскачивающей пружину с защелкой, которая толкает зубчики храпового колеса, соединенного со стрелочным индикатором [22] В настоящее время вместо таких электродвигателей применяются исключительно микроминиатюрные шаговые двигатели. (Прим. науч. ред.) .

У цифровых систем электромагнитный преобразователь отпадает и заменяется электрооптической системой. Эту систему образуют два важных элемента — дешифратор и дисплей. Дешифратор преобразует кодированные сигналы делителя частоты в электрические сигналы, создающие цифровое изображение показаний времени на дисплее.

В текущей практике теперь используют семисегментные дисплеи. Отдельные сегменты состоят либо из светодиодов, либо из жидких кристаллов. Первая система обозначается в современном электронном часовом производстве символом LED (Light Emitting diodes Displau), а вторая — LCD (Liquid Crystals Displau). Диоды являются источником светового излучения, а потому показания диодных дисплеев всегда контрастны и очень хорошо читабельны независимо от того, освещаются ли они красным, зеленым или синим светом. Отрицательной стороной диодных дисплеев является сравнительно большой расход электроэнергии, колеблющийся в пределах 5 мА на сегмент. Поэтому производители наручных часов с диодными дисплеями снабжают эти часы кнопками, так что дисплеи зажигается лишь на время подачи информации о времени. В более благоприятном свете представляются жидкие кристаллы, особенно с низким рабочим напряжением в несколько вольт, которые упростили проблемы, связанные с транзисторным преобразователем и его трансформатором напряжения. Несмотря на это, значительным недостатком жидких кристаллов остается их сравнительно короткий срок службы, колеблющийся в пределах четырех-пяти лет. После этого периода приходится дисплей заменять новым. Принцип изображения данных о времени жидкими кристаллами заключается в том, что при подаче электрического напряжения на кристалл изменяется его цвет. В отличие от диодного дисплея окрашенные пластинки кристалла не светятся. Поэтому у циферблата должно иметься вспомогательное освещение, управляемое кнопкой, чтобы можно было видеть показание времени и в темноте.

Развитие последних лет говорит, однако, о том, что недостатки дисплеев типа светодиода и жидких кристаллов будут вскоре полностью преодолены более совершенными системами. Одной из первых, не весьма удачных таких систем был дисплей, комбинированный из дисплеев ЛЭД и ЛСД, использованный в часах «Лонжин Жемини». При недостаточном освещении можно было нажать кнопку и привести в действие светящийся дисплей ЛЭД, а в остальных случаях можно видеть показания времени непосредственно ЛСД. В 1977 г. американская фирма ISaA выпустила на рынок часы «Сенсор Лазер 440 Диджитал» в виде так называемого дисплея СДР (CDR — Crystal Diffusion Reflection). Эти часы имеют собственный автоматический источник освещения в виде стеклянной запаянной ампулки, заполненной фосфором и тритием. В случае падения интенсивности света тритий четко освещает дисплей. Расход энергии здесь падает до 0,0001 расхода энергии у дисплея типа ЛЭД (светодиода), что, конечно, приводит к многократному увеличению срока службы батареи.

Наряду с цифровыми дисплеями встречаются в электронных часах и другие электрооптические индикаторы времени. Принцип одного из них состоит в том, что циферблат сохраняет свою классическую круглую форму, но не имеет ни цифр, ни стрелок, а индикатором являются 72 точки, расположенные на двух концентрических круглых шкалах. На 60 точках внешней шкалы изображаются секунды и минуты, а на 12 точках внутренней шкалы указываются часы. Зажигание и потухание отдельных точек внешней шкалы проходит через секундные интервалы, причем индикации секунд отличаются от индикации минут лишь скоростью движущейся световой точки. Точками индикатора обеих шкал могут быть светодиоды или жидкие кристаллы. Представляется, что в отличие от цифрового дисплея этот циферблат несколько менее нагляден. Однако его изобразительная система связана с очень малым расходом энергии, а с точки зрения дальнейшего развития он интересен тем, что представляет собой переход от стрелочного индикатора к электронному псевдострелочному.