Пристрій кварцових годин і принцип роботи кварцового резонатора, часовий блог

У цій статті поговоримо про пристрій кварцових годин і кварцовому резонаторі. Можливо, це буде досить складна тема для розуміння. Прошу зауважити, що в статті розглядається принцип роботи кварцових годинників не на прикладі існуючого механізму а на примітивній абстрактної і грубої моделі, яка б показала тільки суть роботи большості електронних і кварцових годин.
У цій статті хочеться розвіяти неточності щодо пристрою схеми кварцових годин, які я зустрічав на інших ресурсах, але про це трохи нижче.

Розглянемо для прикладу самий найпростіший кварцовий механізм, він складається з:

1. Електронний блок з контролером і кварцовим резонатором
2. Елемент живлення (на фото відсутня)
3. Кроковий електродвигун (котушка статор і ротор з постійним магнітом)
4. Шестереночние привід стрілок

Тут здається все просто, електронний блок подає електричний імпульс на котушки статора і ротор робить оборот дорівнює одній секунді. Але як же електронний блок «розуміє», що пройшов час крутити ротор.

Розглянемо докладніше роботу схему найпростішого електронного блоку кварцових годин, він складається з кварцового резонатора (зелений прямокутник) і мікроконтролера (червоний квадрат).

Тепер зупинимося докладніше на принципі роботи і влаштуванні кварцового резонатора.

На фото розкритий кварцовий резонатор, На жаль у мене не вийшло розкрити, не пошкодивши кварц, який найчастіше використовується в наручних годинниках.

Робота кварцового резонатора заснована на п'єзоелектричного ефекту.

Суть п'єзоелектричного ефекту - це генерація ЕРС п'єзоелектриком при здавлювання або розтягування (вібрації) твердого тіла (пьезоелектрика) і навпаки при подачі напруги п'єзоелектрик буде здавлюватися або розширюватися. Важливо зауважити, такий ефект відбувається тільки в момент стиснення або розтягування.

Будь-кварцовий резонатор складається з монокристала кварцу вирізаним певним чином і з закріпленими на ньому металевими пластинами до яких підведені контакти. Саме в годинниках використовуються резонатори з плоским кристалом у формі камертона (у вигляді букви «Y» або «U») з прикріпленими на площинах металевими пластинами до яких підключені висновки. Сам кварц діелектрик - тобто електричний струм він не проводить.

А тепер переходимо до суті роботи цього компонента. Існує думка, що кварцовий резонатор сам генерує постійну частоту, при подачі постійного струму. Це не так, насправді все дещо складніше.

Як говорилося вище, п'єзоелектричний ефект виникає тільки в момент стиснення або розтягування пьезоелектрика. Наприклад якщо короткочасно подати електричний заряд на висновки на кварцового резонатора то кристал кварцу стиснеться (ЕРС). Але в той момент, як кварц буде назад розтискати він створить протилежний по полярності (протівоедс) заряд на висновках, звичайно набагато менший ніж було подано спочатку. Т.е відбудеться одне коливання. Коливань може бути кілька, важливо те, що саме в цьому випадку (якщо немає підживлення електрозарядов із зовні) вони будуть гармонійно затухаючими. Все це відбувається за дуже короткий момент часу. Це приблизно те ж саме, що і удар по камертону. Кристал кварцу може коливатися тільки з однією частотою, незалежно від амплітуди.

Що б коливання кварцу були постійні а не затухаючі, потрібно забезпечити постійну зовнішнє підживлення цих коливань, наприклад електричним струмом певної частоти.

А тепер переходимо до того, чому резонатор називається резонатором. У самого кристала кварцу є своя частота механічних коливань. Як я вже наводив приклад вище з камертоном. У нього теж є своя механічна частота, тобто неважливо, як його вдарили, він буде видавати звучання на одній і тій же ноті (частоті). З кварцом все те ж саме. Якщо подати на висновки електричний струм будь-якої частоти (в розумних межах) кварц буде механічно коливатися (в цей раз вже постійно на відміну від короткочасного заряду) тільки з певною своєю (резонансної) частотою, генеруючи ЕРС і протівоедс. Але якщо на висновки кварцу подати струм саме тієї частоти на якій резонує кварц, то споживання електрики яке перетворюється в роботу (в коливання кварцу) буде мінімально на відміну від інших частот. Грубо кажучи кварц пропустить через себе все частоти крім своєї резонансної, при якій різко збільшиться опір. Все це нам нагадує роботу коливального контуру, але кварц відрізняється набагато кращої добротністю.

Одне із завдань мікроконтролера підтримки частоти на висновках кварцу при якій він резонує спираючись на опір при певній частоті.

Т.е Микроконтроллер синхронізується з кварцом а так як частота кварцу відома то і відомо скільки пройшло часу за певну кількість коливань кварцу. Найчастіше частота кварцу використовуваного в годинах дорівнює 32 768 гц. При такій частоті можна забезпечити хороші показники в точності вимірювання часу.

Інше завдання мікроконтролера «порахувати» коливання кварцу, що дорівнює одній секунді і подати напругу на котушку статора для рух секундної стрілки.