По имени кварц

КварцЧто такое кварцевый генератор, как его можно изобразить схематически, каковы его слабые и сильные стороны? Господство кварцевых часов на рынке заставляет нас забывать об этих элементарных, но чрезвычайно важных вопросах.
Туманная личность
Сегодня узнать время нам помогают сотни самых разных приборов. Но как бы ни назывался такой прибор, какую бы фор­му и размеры он ни имел, с вероятностью 90% можно утверждать, что внутри него работает кварцевый генератор. Причин то­го, что кварцевые генераторы завоевали мир, несколько:
—    кристалл кварца дешев в произ­водстве;
—    кварцевый генератор по своей экви­валентной схеме является обычным радио­техническим устройством и может быть легко внедрен в любую радиосхему;
—    свойства кварца максимально ста­бильны во времени и достаточно стабиль­ны в обычных для человека условиях. Несмотря на господство кварцевых ча­сов на рынке, большинство людей, имею­щих отношение к часовому делу, даже при­близительно не представляют себе, что та­кое кварц. В лучшем случае, мастера-ре­монтники могут опознать его непосредст­венно в часах. Так что рассказ о нем, на наш взгляд, будет совсем не лишним.
Природа колебания
Работа кварцевого генератора основа­на на пьезоэлектрическом эффекте. В фи­зике так называется эффект возникнове­ния разности потенциалов (напряжения) на противоположных сторонах какого-либо кристалла при приложении к нему механи­ческого воздействия. Помимо прямого су­ществует и обратный пьезоэффект, когда под воздействием напряжения происходит механическая деформация кристалла.
Кварц
Обычно масштаб пьезоэффекта неве­лик и составляет мизерные доли процента. Тем не менее пьезоэффект широко приме­няется в технике. На нем основана работа многих устройств — от очень сложных до таких привычных, как проигрыватель грам­пластинок. Одним из минералов, обладающих ярко выраженным пьезоэлектрическим эффек­том, является кварц. Если к кристаллу квар­ца приложить электрическое напряжение, то под воздействием обратного пьезоэлек­трического эффекта он деформируется. Если затем напряжение убрать, то в крис­талле возникнут колебания — электричес­кая энергия будет преобразовываться в ме­ханическую и обратно. Это чем-то похоже на колебания маятника, когда кинетичес­кая энергия движущегося маятника позво­ляет ему подняться относительно нижней точки и превращается в потенциальную, а затем происходит обратное превращение.

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.
Эквивалентная схема замещения резонатора
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.
Механизм кварцевых часов
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