Кварцевые часы — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 6 января 2017; проверки требуют 32 правки. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 6 января 2017; проверки требуют 32 правки. Настенные кварцевые часы Наручные кварцевые часы

Кварцевые часы — часы, в которых в качестве колебательной системы применяется кристалл кварца. Хотя электронные часы также являются кварцевыми, выражение «кварцевые часы» обычно применяется только к электромеханическим часам (электронным часам со стрелками).

Качественные бытовые кварцевые часы имеют точность ±15 секунд/месяц (в специально спроектированных особо точных хронометрах до 0,3 секунды/месяц). Таким образом, выставлять их надо дважды в год. Однако кристалл кварца подвержен старению, и со временем часы начинают, как правило, спешить.

Первые кварцевые часы, под названием «Ventura», были выпущены в 1957 году американской компанией «Hamilton», однако правильнее эти часы назвать электрическими. В 1969 году, на рынке Японии, компанией «Seiko» были представлены первые в мире кварцевые часы в современном понимании данного термина — это была модель «Astron». В 1978 году американская компания «Хьюлетт Паккард» впервые выпустила кварцевые часы с микрокалькулятором. На нём можно было совершать математические операции с шестизначными числами. Его клавиши нажимали шариковой ручкой. Размер этих часов составлял несколько квадратных сантиметров. В период между 1970 и 1990 годами в Швейцарии произошёл «Кварцевый кризис», доля швейцарских часов, проданных на мировом рынке, упала с 50 % до 15 %

[1]^[2]. Причиной кризиса послужила привязанность швейцарских часовых производителей к старым традициям производства механических часов^[3]. Только через 20 лет, благодаря объединённым усилиям нескольких ведущих фирм швейцарской часовой индустрии, Швейцарии удалось вернуть себе лидирующие позиции на мировом рынке^[4].

Электронная часть часов состоит из генератора колебаний, стабилизированных кварцевым резонатором, и делителя. Частота колебаний генератора, как правило, равна 32 768 Гц.
Выбор именно этой частоты обусловлен тем, что для получения секундного такта, необходимого для работы механической части часов, частоту кварцевого генератора требуется разделить на 2¹⁵. Это делается простейшим двоичным счётчиком, что упрощает электронную часть; особенно актуально это было до начала производства специализированных часовых микросхем.
Импульсы с периодом 1 с (в некоторых случаях частота выше) подаются на шаговый электродвигатель (как правило, это двигатель Лавета), вал которого через систему зубчатых колёс приводит в движение стрелки. Также существуют часы (как правило, настенные с относительно большим циферблатом), у которых частота импульсов на шаговом двигателе выше (около 5 Гц), соответственно у них другое соотношение редукции (механической передачи через зубчатые колёса). Что обеспечивает более плавный ход секундной стрелки.

Устройство электромеханических часов[править | править код]

Гибридные часы — циферблат со стрелками + цифровой дисплей

Электромеханические часы состоят из таких узлов:

Некоторые модели наручных кварцевых часов имеют цифровой дисплей электронных часов (так называемые гибридные часы).

• Leo Schelbert. Historical Dictionary of Switzerland. — Plymouth, UK: The Scarecrow Press, Inc., 2007. — 618 с. — ISBN 978-0-8108-4931-0.

Кварцевый резонатор. Принцип работы и область применения

Современная цифровая техника требует высокой точности, поэтому совсем неудивительно, что практически любое цифровое устройство, какое бы не попалось сегодня на глаза обывателю, содержит внутри кварцевый резонатор.

   Кварцевый резонатор

Кварцевые резонаторы на различные частоты необходимы в качестве надежных и стабильных источников гармонических колебаний. Таким образом, кварцевый резонатор — это надежная замена колебательному LC-контуру.

Если рассмотреть простой колебательный контур, состоящий из конденсатора и катушки индуктивности, то быстро выяснится, что добротность такого контура в схеме не превысит 300, к тому же емкость конденсатора будет плавать в зависимости от температуры окружающей среды, то же самое произойдет и с индуктивностью.

Не даром есть у конденсаторов и катушек такие параметры как ТКЕ — температурный коэффициент емкости и ТКИ — температурный коэффициент индуктивности, показывающие, насколько изменяются главные параметры этих компонентов с изменением их температуры.

В отличие от колебательных контуров, резонаторы на базе кварца обладают недостижимой для колебательных контуров добротностью, которая измеряется значениями от 10000 до 10000000, причем о температурной стабильности кварцевых резонаторов речи не идет, ведь частота остается постоянной при любом значении температуры, как правило из диапазона от -40°C до +70°C.

Так, благодаря высоким показателям температурной стабильности и добротности, кварцевые резонаторы применяются всюду в радиотехнике и цифровой электронике.

Для задания микроконтроллеру или процессору тактовой частоты, ему всегда необходим генератор тактовой частоты, на который он мог бы надежно опереться, и генератор этот всегда нужен высокочастотный и при том высокоточный. Здесь то и приходит на помощь кварцевый резонатор. Конечно, в некоторых применениях можно обойтись пьезокерамическими резонаторами с добротностью 1000, и таких резонаторов достаточно для электронных игрушек и бытовых радиоприемников, но для более точных устройств необходим кварц.

Принцип работы кварцевого резонатора

В основе работы кварцевого резонатора — пьезоэлектрический эффект, возникающий на кварцевой пластинке. Кварц представляет собой полиморфную модификацию диоксида кремния SiO2, и встречается в природе в виде кристаллов и гальки. В свободном виде в земной коре кварца около 12%, кроме того в виде смесей в составе других минералов также содержится кварц, и в общем в земной коре более 60% кварца (массовая доля).

Для создания резонаторов подходит низкотемпературный кварц, обладающий ярко выраженными пьезоэлектрическими свойствами. Химически кварц весьма устойчив, и растворить его можно лишь в гидрофторидной кислоте. По твердости кварц превосходит опал, но до алмаза не дотягивает.

При изготовлении кварцевой пластинки, от кристалла кварца под строго заданным углом вырезают кусочек. В зависимости от угла среза полученная кварцевая пластинка будет отличаться по своим электромеханическим свойствам.

От типа среза зависит многое: частота, температурная стабильность, устойчивость резонанса и отсутствие либо наличие паразитных резонансных частот. На пластинку затем наносят с обеих сторон по слою металла, коим может быть никель, платина, серебро или золото. После чего жесткими проволочками крепят пластинку в основание корпуса кварцевого резонатора. Последний шаг — корпус герметично собирают.

 

   Кварцевый резонатор

Теперь если приложить к металлическим электродам пластики переменное напряжение данной резонансной частоты, то проявится явление резонанса, и амплитуда гармонических колебаний пластинки весьма значительно возрастет. При этом сопротивление резонатора сильно понизится, то есть процесс аналогичен происходящему в последовательном колебательном контуре. В силу высокой добротности такого «колебательного контура», энергетические потери при его возбуждении на резонансной частоте пренебрежимо малы.

   Эквивалентная схема

На эквивалентной схеме: C2 – статическая электроемкость пластинок с держателями, L – индуктивность, С1 — емкость, R – сопротивление, отражающие электромеханические свойства установленной пластинки кварца. Если убрать монтажные элементы, останется последовательный LC-контур.

В процессе монтажа на печатную плату, кварцевый резонатор нельзя перегревать, ведь конструкция его довольно хрупка, и перегрев может привести к деформации электродов и держателя. На электрических схемах кварцевый резонатор обозначается так:

   Кварцевый резонатор на схеме

Обозначение кварцевого резонатора на схеме похоже на обозначение конденсатора с прямоугольником между пластинами (кварцевая пластинка), и с надписью «ZQ» или «Z».

Проверка работоспособности кварцевого резонатора

Часто причиной повреждения кварцевого резонатора является падение или сильный удар устройства, в котором он установлен. Такие повреждения свойственны малогабаритным приборам, которые легко уронить. Однако, по статистике, подобные повреждения кварцевых резонаторов встречаются крайне редко, и чаще неисправность прибора оказывается вызвана иной причиной.

Чтобы проверить кварцевый резонатор на исправность, можно собрать небольшой пробник. Он поможет не только убедиться в работоспособности резонатора, но и увидеть его резонансную частоту. Схема пробника представляет собой типичную схему кварцевого генератора на одном транзисторе.

   Схема пробника

Включив резонатор между базой и минусом остается измерить частотомером резонансную частоту. Эта схема подойдет и для предварительной настройки колебательных контуров.

 

Когда схема включена, исправный резонатор станет способствовать генерации колебаний, и на эмиттере транзистора можно будет наблюдать переменное напряжение. Его частота будет соответствовать основной резонансной частоте тестируемого кварцевого резонатора.

Подключив к выходу пробника частотомер, пользователь сможет наблюдать эту резонансную частоту. Если частота стабильна, если небольшой нагрев резонатора поднесенным паяльником не приводит к сильному уплыванию частоты, то резонатор исправен. Если же генерации не будет, или частота будет плавать или окажется совсем другой, чем должна быть для тестируемого компонента, то резонатор неисправен, и его следует заменить.

Данный пробник удобен и для предварительной настройки колебательных контуров. В этом случае конденсатор C1 обязателен, хотя при проверке резонаторов его можно из схемы исключить. Контур просто подключается вместо резонатора, и схема начинает генерировать колебания аналогичным образом.

Пробник собранный по приведенной схеме замечательно работает на частотах от 15 до 20 МГц. Для иных диапазонов вы всегда можете поискать схемы в интернете. Благо их там много, как на дискретных компонентах, так и на микросхеме.

 

Читайте также по теме:

   Типы полупроводников. Свойства, практическое применение.

   Полупроводники. Физические и химические свойства вещества.

 

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Кварц — Википедия

Кварц
Кристалл кварца
Формула	SiO2
Цвет	Бесцветный, розовый, белый, фиолетовый, серый, жёлтый, коричневый, чёрный
Цвет черты	Белый
Блеск	Стеклянный, в сплошных массах иногда жирный
Прозрачность	Полупрозрачный,прозрачный
Твёрдость	7
Спайность	отсутсвует
Излом	раковистый
Плотность	2,6—2,65 г/см³
Сингония	тригональная
Показатель преломления	1,544
Медиафайлы на Викискладе

Кварц (нем. Quarz) — один из самых распространённых минералов в земной коре, породообразующий минерал большинства магматических и метаморфических пород. Свободное содержание в земной коре — 12 %^[1]. Входит в состав других минералов в виде смесей и силикатов.

Химическая формула: SiO₂

(является полиморфной модификацией диоксида кремния).

Слово «кварц» произошло от немецкого слова Quarz, происходящего от средневерхненемецкого twarc, что значит «твёрдый»^[2]. По другим данным от нем. Querklüfterz, Quererz — «руда секущих жил»^[3].

Имеет тригональную сингонию, точечная группа D₃ (в обозначении Шёнфлиса) или 32 (в международном обозначении). Кристаллы — шестигранные псевдогексагональные призмы, с одного конца (реже с обоих) увенчанные шести- или трёхгранной пирамидальной головкой, сочетающей грани двух ромбоэдров. Часто по направлению к головке кристалл постепенно сужается. На гранях призмы характерна поперечная штриховка. Монокристаллы кварца могут иметь правую и левую формы.

В магматических и метаморфических горных породах кварц образует неправильные изометричные зёрна, сросшиеся с зёрнами других минералов, его кристаллами часто инкрустированы пустоты и миндалины в эффузии.

В осадочных породах — конкреции, прожилки, секреции (жеоды), щётки мелких короткопризматических кристаллов на стенках пустот в известняках и др. Также обломки различной формы и размеров, (щебень), (галечники) галька, песок (алевриты).

В чистом виде кварц бесцветен или имеет белую окраску из-за внутренних трещин и кристаллических дефектов. Элементы-примеси и микроскопические включения других минералов, преимущественно оксидов железа, придают ему самую разнообразную окраску. Имеет много разновидностей, среди которых — почти чёрный морион, фиолетовый аметист, жёлтый цитрин и т. д. Причины окраски некоторых разновидностей кварца имеют свою специфическую природу.

Часто образует двойники.

Растворяется в плавиковой кислоте и расплавах щелочей.

Температура плавления 1713—1728 °C (из-за высокой вязкости расплава определение температуры плавления затруднено, существуют различные данные).

Диэлектрик и пьезоэлектрик.

Относится к группе стеклообразующих оксидов, то есть может быть главной составляющей стекла. Однокомпонентное кварцевое стекло из чистого оксида кремния получают плавлением горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка. Диоксид кремния обладает полиморфизмом. Стабильная при нормальных условиях полиморфная модификация — α-кварц (низкотемпературный). Соответственно β-кварцем называют высокотемпературную модификацию. Переход α-кварца в β-кварц происходит при температуре 573°C.

[4]

Кварц имеет несколько полиморфных модификаций, являющихся самостоятельными минеральными видами:

• Авантюрин — зеленоватый минерал без включения «искр». Не путать с искусственным авантюрином- разновидность мурановского стекла (Италия), — мерцающий буровато-красный искусственный камень, (мерцание обусловлено включениями металлических крупинок)
• Агат  — слоисто-полосчатая разновидность халцедона.
• Аметист — фиолетовый.
• Аметрин — желто-фиолетовый, кристаллы с зональной окраской аметистовых и цитриновых цветов.
• Бингемит — иризирующий кварц с включениями гётита.
• Волосатик — горный хрусталь с включениями тонкоигольчатых кристаллов рутила, турмалина и/или других минералов, образующих игольчатые кристаллы.
• Горный хрусталь — кристаллы бесцветного прозрачного кварца.
• Кремень — плотные массивные агрегаты кремнезёма непостоянного состава, состоящее из кристаллического (кварц, халцедон) и аморфного кремнезёма в осадочных горных породах. Часто окрашен окислами железа и марганца в разные цвета, с плавными переходами между ними.
• Морион — чёрный.
• Переливт — cостоят из перемежающихся слоев микрокристаллов кварца и халцедона, никогда не бывают прозрачными.
• Празем — зелёный (из-за включений актинолита).
• Празиолит — луково-зелёный, редко встречается в природе^[5], также получается при прокаливании аметиста.
• Раухтопаз (дымчатый кварц) — светло-серый или светло-бурый.
• Розовый кварц — розовый.
• Халцедон — скрытокристаллическая тонковолокнистая разновидность. Полупрозрачен или просвечивает, цвет от белого до медово-жёлтого. Образует сферолиты^[6], сферолитовые корки, псевдосталактиты ^[7] или сплошные массивные образования.
• Цитрин — лимонно-жёлтый.
• Сапфировый кварц — синеватый, грубозернистый агрегат кварца.
• Кошачий глаз — белый, розоватый, серый кварц с эффектом светового отлива.
• Соколиный глаз — окварцованный агрегат синевато-серого амфибола.
• Тигровый глаз — аналогичен соколиному глазу, но золотисто-коричневого цвета.
• Оникс — коричневый с белыми и чёрными узорами, красно-коричневый, коричнево-жёлтый, медовый, белый с желтоватыми или розоватыми прослоями. Для оникса особо характерны плоско-параллельные слои разного цвета.
• Гелиотроп — непрозрачная тёмно-зелёная разновидность скрытокристалического кремнезема, по большей части тонкозернистого кварца, иногда с примесью халцедона, оксидов и гидроксидов железа и других второстепенных минералов, с ярко-красными пятнами и полосами.

Кварц образуется при различных геологических процессах.

Непосредственно кристаллизуется из магмы кислого состава. Содержит как интрузивные (гранит, диорит), так и эффузивные (риолит, дацит) породы кислого и среднего состава, может встречаться в магматических породах основного состава (кварцевое габбро). По данным измерений методами геобаротермометрии, в гранитах кварц выделяется при Т ≈ 700 °C .

В вулканических породах кислого состава нередко образует порфировые вкрапленники. Температура его выделения может превышать 1000 °C.

Кварц кристаллизуется из обогащённых флюидом пегматитовых магм и является одним из главных минералов гранитных пегматитов. В пегматитах кварц образует срастания с калиевым полевым шпатом (собственно пегматит), внутренние части пегматитовых жил нередко сложены чистым кварцем (кварцевое ядро).

Кварц является главным из минералов апогранитных метасоматитов — грейзенов.

При гидротермальном процессе образуются кварцевые и хрусталеносные жилы. Нередки красивые жеоды из минералов кварца, часто с агатовой оболочкой.

Широко распространён в осадочных толщах (например, в Подмосковье), часто находится в известняках, доломитах и др. породах в форме конкреций, жеод, мелкокристаллических корок и прожилков в трещинах. При выветривании в поверхностных условиях кварц устойчив, накапливается в россыпях различного генезиса (прибрежно-морских, эоловых, аллювиальных и др.) в виде окатанной гальки. Основной минерал песков и песчаников, а месторождения мономинеральных кварцевых песков имеют большое промышленное значение.

Разработан метод синтеза искусственного кварца гидротермальным способом. Преимуществом синтетического кварца для промышленности является однородность распределения примесей, более высокая химическая чистота. Большое значение имеет то, что результатом выращивания являются монокристаллы, которые по своим свойствам более пригодны для использования в качестве пьезооптического кварца, чем широко распространённые в природе сдвойникованные кристаллы. Для ювелирной промышленности метод синтеза также является немаловажным, так как позволяет получать кварц любых цветов и нужной насыщенности, при необходимости даже с переходами одной окраски в другую. Искусственным кристаллам придают зелёную (очень редка в природе) и голубую (природных аналогов нет) окраски, выращивают даже не существующий в природе синий кварц. Производство синтетических кристаллов кварца развивается в Гусь-Хрустальном, Шилово-Рязанской области, Южноуральске.

Кварц используется в оптических приборах, в генераторах ультразвука, в телефонной и радиоаппаратуре (как пьезоэлектрик), в электронных приборах («кварцем» в техническом сленге иногда называют кварцевый резонатор — компонент устройств для стабилизации частоты электронных генераторов). В больших количествах потребляется стекольной и керамической промышленностью (горный хрусталь и чистый кварцевый песок). Также применяется в производстве кремнезёмистых огнеупоров и кварцевого стекла. Многие разновидности используются в ювелирном деле.

Кварцевый резонатор — Википедия

Кварцевый резонатор в кристаллодержателе

Кварцевый резонатор (жарг. «кварц») — прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы. Следует отличать кварцевый резонатор от устройств, использующих другие пьезоэлектрические материалы — например, специальную керамику (см. Керамический резонатор^[en]).

Принцип действия

На пластинку, тонкий цилиндр, кольцо или брусок, вырезанные из кристалла кварца с определённой ориентацией относительно кристаллографических осей монокристалла нанесены 2 или более электродов — проводящие полоски.

Резонатор механически крепится в узлах рабочей моды колебаний, чтобы снизить потери колебательной энергии через крепление. Для данной моды колебаний кристалл имеет некоторую резонансную частоту механических колебаний, причем на этой частоте добротность механического резонатора очень высока.

При подаче напряжения на электроды благодаря пьезоэлектрическому эффекту происходит изгиб, сжатие или сдвиг в зависимости от того, каким образом вырезан кристалл относительно кристаллографических осей, конфигурации возбуждающих электродов и расположения точек крепления..

Собственные колебания кристалла в результате обратного пьезоэлектрического эффекта наводят на электродах дополнительную ЭДС и поэтому кварцевый резонатор электрически ведёт себя подобно резонансной цепи, — колебательному контуру, составленному из конденсаторов, индуктивности и резистора, причем добротность этой воображаемой электрической цепи очень велика и близка к добротности собственных механических колебаний кристалла.

Если частота подаваемого напряжения равна или близка к частоте собственных механических колебаний пластинки, затраты энергии на поддержание колебаний пластинки оказываются намного ниже, нежели при большом отличии частоты. Это тоже соответствует поведению электрического колебательного контура.

Условное обозначение кварцевого резонатора (сверху) и его эквивалентная схема (снизу)

Эквивалентная схема

C₀ — собственная ёмкость кристалла, образуемая кристаллодержателем и/или обкладками резонатора;

C₁, L₁ — эквивалентные ёмкость и индуктивность механической колебательной системы резонатора;

R₁ — эквивалентное сопротивление потерь механической колебательной системы.

История

Кварцевый резонатор в герметичном стеклянном корпусе пальчикового бесцокольного исполнения Резонатор на 4 МГц в миниатюрном металлическом герметизированном корпусе HC-49/US Металлические корпуса разнообразных размеров

Пьезоэлектрический эффект был впервые открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Поль Ланжевен впервые практически использовал этот эффект в ультразвуковом излучателе и приемнике ультразвука в гидролокатора перед первой мировой войной.

Первый электромеханический резонатор, на основе сегнетовой соли, был изготовлен в 1917 году и запатентован в 1918 году Александром М. Николсоном (Alexander M. Nicholson) из компании Bell Telephone Laboratories, хотя его приоритет оспаривался Уолтером Гайтоном Кэди (Walter Guyton Cady), который изготовил кварцевый резонатор в 1921 году.

Некоторые улучшения в конструкцию кварцевых резонаторов предложены позже Льюисом Эссеном и Джорджем Вашингтоном Пирсом (George Washington Pierce).

Первые стабильные по частоте кварцевые резонаторы были разработаны в 1920—1930-х годах. Начиная с 1926 года, кварцевые резонаторы на радиостанциях стали использоваться в качестве элементов, задающих несущую частоту. В это же время резко возросло количество компаний, начавших выпускать кварцевые резонаторы, например, только до 1939 года в США было выпущено более чем 100 тыс. штук.

Применение

Одним из самых популярных видов резонаторов являются резонаторы, применяемые в часовых схемах и таймерах. Резонансная частота часовых резонаторов составляет 32 768 Гц; будучи поделённой на 15-разрядном двоичном счётчике, она даёт интервал времени в 1 секунду.

Применяются в генераторах с фиксированной частотой, где необходима высокая стабильность частоты. В частности, в опорных генераторах синтезаторов частот и в трансиверных радиостанциях для формирования DSB-сигнала на промежуточной частоте и детектирования SSB или телеграфного сигнала.

Также применяются в кварцевых полосовых фильтрах промежуточной частоты супергетеродинных приёмников. Такие фильтры могут выполняться по лестничной или дифференциальной схеме и отличаются очень высокой добротностью и стабильностью по сравнению с LC-фильтрами.

По типу корпуса кварцевые резонаторы могут быть выводные для объёмного монтажа (стандартные и цилиндрические) и для поверхностного монтажа (SMD).

Качество схемы, в которую входят кварцевые резонаторы, определяют такие параметры, как допуск по частоте (отклонение частоты), стабильность частоты, нагрузочная ёмкость, старение.

Преимущества

• Достижение намного бо́льших значений добротности (10⁴—10⁶) эквивалентного колебательного контура, нежели любым другим способом.
• Малые размеры устройства (вплоть до долей миллиметра).
• Высокая температурная стабильность.
• Большая долговечность.
• Лучшая технологичность.
• Построение качественных каскадных фильтров без необходимости их ручной настройки.

Недостатки

• Чрезвычайно узкий диапазон подстройки частоты внешними элементами. На практике для многодиапазонных систем эта проблема решается построением синтезаторов частот различной степени сложности.

См. также

Примечания

Ссылки

Литература

• Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. — М.: «Энергия», 1970. — 488 с. — 6000 экз.

• Альтшуллер Г. Б. Кварцевая стабилизация частоты. — М.: «Связь», 1974. — 272 с. — 5600 экз.

• Андросова В. Г., Банков В. Н., Дикиджи А. Н. и др. Справочник по кварцевым резонаторам / Под ред. П. Г. Позднякова. — Связь, 1978. — 288 с. — 15 000 экз.

• Глюкман Л. И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — 232 с. — 10 000 экз.

• Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объёмных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применение: Пер. с чешск. — М.: Мир, 1990. — 584 с. — 4050 экз. — ISBN 5-03-001086-6.

• Ладик А. И., Сташкевич А. И. Изделия электронной техники. Пьезоэлектрические и электромеханические приборы: Справочник. — М.: Радио и связь, 1993. — 104 с. — 3000 экз. — ISBN 5-256-01145-6, ISBN 5-256-00588-X.

Устройство кварцевых часов и принцип работы кварцевого резонатора | Часовой блог

В этой статье поговорим об устройстве кварцевых часов и кварцевом резонаторе. Возможно, это будет довольно сложная тема для понимания. Прошу заметить, что в статье рассматривается принцип работы кварцевых часов не на примере существующего механизма а на примитивной абстрактной и грубой модели, показывающей только суть работы большинсва электронных и кварцевых часов.
В этой статье хочется развеять неточности касательно устройства схемы кварцевых часов, которые я встречал на других ресурсах, но об этом чуть ниже.

Рассмотрим для примера самый простейший кварцевый механизм, он состоит из:

1. Электронный блок с контроллером и кварцевым резонатором
2. Элемент питания (на фото отсутствует)
3. Шаговый электродвигатель (катушка статор и ротор с постоянным магнитом)
4. Шестереночный привод стрелок

 

Тут кажется все просто, электронный блок подает электрический импульс на катушки статора и ротор делает оборот равный одной секунде. Но как же электронный блок «понимает», что прошло время крутить ротор.

Рассмотрим подробнее работу схему простейшего электронного блока кварцевых часов, он состоит из кварцевого резонатора (зеленый прямоугольник) и микроконтроллера (красный квадрат).

Теперь остановимся подробнее на принципе работы и устройстве кварцевого резонатора.

На фото вскрытый кварцевый резонатор, К сожалению у меня не получилось вскрыть, не повредив кварц, который чаще всего используется в наручных часах.

Работа кварцевого резонатора основана на пьезоэлектрическом эффекте.

Суть пьезоэлектрического эффекта — это генерация ЭДС пьезоэлектриком при сдавливание или растяжения (вибрации) твердого тела (пьезоэлектрика) и наоборот при подаче напряжения пьезоэлектрик будет сдавливаться или расширяться. Важно заметить, такой эффект происходит только в момент сжатия или растяжения.

Любой кварцевый резонатор состоит из монокристалла кварца вырезанным определенным образом и с закрепленными на нем металическими пластинами к которым подведены контакты. Конкретно в часах используются резонаторы с плоским кристаллом в форме камертона (в виде буквы «Y» или «U») с прикрепленными на плоскостях металическими пластинами к которым подключены выводы. Сам кварц диэлектрик — то есть электрический ток он не проводит.

А теперь переходим к сути работы этого компонента. Бытует мнение, что кварцевый резонатор сам генерирует постоянную частоту, при подаче постоянного тока. Это не так, на самом деле все несколько сложнее.

Как говорилось выше, пьезоэлектрический эффект возникает только в момент сжатия или растяжения пьезоэлектрика. К примеру если кратковременно подать электрический заряд на выводы на кварцевого резонатора то кристалл кварца сожмется (ЭДС). Но в тот момент, как кварц будет обратно разжиматься он создаст противоположный по полярности (противоЭДС) заряд на выводах, конечно гораздо меньший чем был подан изначально. Т.Е произойдет одно колебание. Колебаний может быть несколько, важно то, что именно в этом случае (если нет подпитки электрозаряда из вне) они будут гармонически затухающими. Все это происходит за очень короткий момент времени. Это примерно тоже самое, что и удар по камертону. Кристал кварца может колебаться только с одной частотой, независимо от амплитуды.

Резонанс

Что бы колебания кварца были постоянные а не затухающие, нужно обеспечить постоянную внешнюю подпитку этих колебаний, например электрическим током определенной частоты.

А теперь переходим к тому, почему резонатор называется резонатором. У самого кристалла кварца есть своя частота механических колебаний. Как я уже приводил пример выше с камертоном. У него тоже есть своя механическая частота, то есть неважно, как его ударили, он будет выдавать звучание на одной и той же ноте (частоте). С кварцем все то же самое. Если подать на выводы электрический ток какой либо частоты (в разумных пределах)  кварц будет механически колебаться (в этот раз уже постоянно в отличии от кратковременного заряда) только с определенной своей (резонансной) частотой, генерируя ЭДС и противоЭДС. Но если на выводы кварца подать ток именно той частоты на которой резонирует кварц, то потребление электричества которое превращается в работу (в колебания кварца) будет минимально в отличие от других частот. Грубо говоря кварц пропустит через себя все частоты кроме своей резонансной, при которой резко увеличится сопротивление. Все это нам напоминает работу колебательного контура, но кварц отличается гораздо лучшей добротностью.

Микроконтроллер

Одна из задач микроконтроллера поддержания частоты на выводах кварца при которой он резонирует опираясь на сопротивление при определенной частоте.

Т.Е Микроконтроллер синхронизируется с кварцем а так как частота кварца известна то и известно сколько прошло времени за определенное количество колебаний кварца. Чаще всего частота кварца используемого в часах равна 32 768 гц. При такой частоте можно обеспечить хорошие показатели в точности измерение времени.

Другая задача микроконтроллера «посчитать» колебания кварца, равное одной секунде и подать напряжение на катушку статора для движение секундной стрелки.

принцип работы и область применения

С момента изобретения генератора частоты прошло уже немало времени. Разработчики столкнулись с множеством проблем на этом пути. Целью проектировщиков всей планеты было создание генератора, который был бы способен выдавать на выходе стабильную частоту. Именно на ней и базируется работа цифровых устройств: компьютеров, микропроцессоров, кварцевых часов и т.д. Получение стабильной частоты, которая не зависит от таких параметров, как температура или время работы, означало прорыв в построении электронных схем и возможность проектировать новые электронные устройства. Ситуация кардинально изменилась с того момента, когда появился кварцевый резонатор. Это небольшое компактное устройство позволяет “творить чудеса” в электронике.

Схемные решения, в которых стал использоваться кварцевый резонатор, оказались настолько удачными, что это устройство прочно вошло в разряд наиболее востребованных при проектировании и разработке электронных схем. С развитием цифровых устройств наблюдается устойчивая тенденция все больше применять кварцевый резонатор. Принцип работы достаточно простой и основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Иными словами, если на его выход подать переменное напряжение, то это приведет к сдвигу фаз, так как при спаде полуволны устройство начинает отдавать запасенную механическую энергию. Этот эффект и был замечен разработчиками этого удивительного элемента.Каждый кристалл, из которого изготовлен кварцевый резонатор, обладает своими механическими свойствами. Они в свою очередь влияют на такой параметр, как частота прибора. Давайте представим, что с помощью несложной схемы мы имитируем условия, при которых будет работать прибор. Начинаем постепенно увеличивать частоту. В определенный момент мы достигнем определенного сдвига фаз между подающим напряжением, и отдаваемым кварцем. С увеличением частоты мы сможем ввести схему в резонанс – собственно, отсюда и происхождение самого названия устройства.

Миниатюрные устройства на основе резонаторов широко применяются в радиоэлектронике. Хорошим примером этому могут послужить измерительные микрозонды, гетеродины. С их помощью появились стабильные и надежные устройства. В популярной игре “ охота на лис ” используются приборы на основе этих элементов.

Всем известные кварцевые часы содержат кварцевый резонатор, который и является устойчивым источником импульсов. Подсчитывая эти импульсы можно сформировать секундный сигнал, необходимый для работы этого известного во всем мире устройства.

Современная электроника не может отказаться от применения этого удивительного прибора. Интересно, как бы стал работать ваш компьютер, если бы генератор импульсов опорной частоты в процессоре вдруг стал выдавать нестабильную частоту? Это привело бы к неправильной работе всей системы, и, скорее всего, к ее зависанию.

Так называемый резонатор кварцевый является “сердцем” практически любого цифрового прибора. Без него перестанет работать компьютер или ноутбук, не станет интернета и мобильной связи.

Также стоит отметить, что развитие этих устройств идет по пути минимизации габаритов и увеличения рабочей частоты.

Кварц, его разновидности и полезные свойства. часть 1

Природные камни — дары матери Земли людям.

Кварц — один из самых распространённых минералов в Земной коре. Имеет множество разновидностей и как ни один другой минерал разнообразен и по цвету, и по формам. Для кварца обычны кристаллы в виде шестигранной призмы, с одного конца (реже с обоих).

Благодаря своей уникальной спиралевидно-винтовой кристаллической форме — самый мощный целитель и усилитель энергии на планете.

Распространенный по всему миру, кварц поглощает, хранит, выпускает и регулирует энергию и прекрасно подходит для ее разблокировки.

Содержащий разнообразные цвета, прозрачный кварц работает на всех уровнях существования.

Хранящие информацию как настоящие компьютеры, эти кристаллы — духовные библиотеки, ждущие, чтобы к ним получили доступ.

Кварц имеет способность рассеивать кармические семена.

Он увеличивает психические способности и настраивает вас на духовную цель.

Используемый при медитации, этот камень отфильтровывает все, что отвлекает ваше внимание.

Увеличивает силу мышц и защищает против радиации.

Генерирует электромагнитные волны и рассеивает статическое электричество.

Разновидности кварца:

• Горный хрусталь
• Дымчатый кварц или Раухтопаз
• Морион
• Аметист
• Цитрин
• Авантюрин
• Празем
• Аметрин или Боливианит
• Волосатик или Волосы Венеры или стрелы Амура
• Халцедон
• Агат
• Кремень
• Тигровый глаз, Соколиный глаз, Бычий глаз
• Опал
• Яшма
• Гелиотроп

Полезные свойства:

Горный хрусталь

Считается, что хрусталь имеет связь с астральным миром, дает человеку дар ясновидения.

Кусочек горного хрусталя, положенный под подушку, избавляет спящего от дурных сновидений.

Носимый в виде ожерелья горный хрусталь способствует увеличению количества молока у кормящей женщины.

Для лечения обычно используют кристалл хрусталя, лучше всего работает двухконечный кристалл с двумя острыми вершинами, хрустальный шар или пирамидка.

Хрусталь может излечить практически весь организм: особенно хорошо он лечит лимфатическую систему и любые нарушения баланса жидкости, отеки и водянки.

Хрусталь нормализует тепловой баланс организма, кольцо с хрустальной вставкой не даст вам замерзнуть в мороз или получить солнечный удар в жару, особенно полезно это для людей с нестабильным давлением, страдающим от резких перепадов температуры.

Прекрасно влияет камень на болезни зубов и костей, дыхательной системы, помогает при заболеваниях почек, печени, желчного и мочевого пузыря, способствует выведению камней из организма.

Горный хрусталь дарит носящему его жизненную энергию, но не возбуждает, а успокаивает, и улучшает память и речь.

В виде украшения этот камень полезно носить на безымянном пальце в серебряном перстне, в коротких ожерельях на уровне ключиц или, наоборот, в подвесках на длинных цепочках, чтобы камень опускался на уровень сердца.

Дымчатый кварц или раухтопаз

Дымчатая разновидность горного хрусталя от серого до темно-серого и коричневато-серого цвета.

Считается, что этот минерал способен излечить депрессию, склонность к самоубийству, навязчивые идеи.
Для того, чтобы лечебные свойства минерала оказали эффективное воздействие, кристалл необходимо всегда носить при себе, а в момент обострения заболевания крепко сжимать его в руке, мысленно обращаясь при этом к нему за помощью.
Дымчатый кварц оказывает помощь в лечении алкоголизма и наркомании, облегчает возможность бросить курить.

Камень также способствует очищению сознания человека и избавлению от внутренних комплексов.

Активизирует природные инстинкты человека, сделает его более мужественным, стойким и жизнеспособным, а также повысит сексуальную активность своего владельца и сделает его неутомимым работником.

Буддисты считают раухтопаз «камнем Будды». В древней Индии люди верили, что этот минерал способен вывести шлаки и негативную энергию из организма человека.

Морион

Черный хрусталь — темно-бурый, почти черный кварц, просвечивающийся только в тонких (10- 15 мм) пластинках.

Очень полезен, когда у человека и, особенно у детей возникают ночные кошмары — он может защитить жилище людей от негативных энергий.

Как амулет морион помогает избавиться от наркотической зависимости, врачует кровь, помогает при инсультах и инфарктах, рассасывает сгустки крови в кровеносных сосудах, выводит из организма шлаки, с которыми не справляются почти никакие препараты.
Он великолепно помогает при заболеваниях опорно-двигательного аппарата и укрепляет позвоночник.
Камень Морион собирает негативную энергию и преобразует, но не накапливает ее в себе, однако все же этот камень надо чаще промывать в проточной воде.
Черный кварц обладает силой убивать раковые клетки и выводить их из организма, он сжимает опухоль, иссушает ее, размалывает и удаляет.

Аметист

Драгоценный камень, разновидность горного хрусталя фиолетового, фиолетово-розового, сиренево-красного цвета.

Камень чистоты и непорочности. В средние века он был камнем любви. В Древнем Египте аметист был символом счастья и здоровья, в Европе — искренности и чистосердечия, в Индии — миролюбия. В древнерусских рукописях сказано, что «аматист… мысли лихие отдаляти, добрый разум делает и во всех делах помочь дает», «если кто из того камня настой изопьет, это даст неплодным детей, а отраву погасит и воинов от врагов сбережет и приведет к победе, да еще и в ловле диких зверей и птиц помогает».

Кристалл аметиста, положенный между бровями, успокаивает сознание, способствуя достижению внутреннего покоя. Считается, что аметист инициирует раскрытие «третьего глаза» — то есть помогает погрузиться в подсознательную область всевидения. В этот момент совершается переход от материального уровня к высшим силам Вселенной.

Своим целебным фиолетовым цветом аметист гасит душевную боль и тревогу, успокаивает и очищает мысли, наполняет ауру положительной энергией и добрыми намерениями. В индийской «Аюрведе» сказано, что аметист помогает контролировать эмоции.

Считается, что аметист наделяет человека проницательностью и помогает контролировать злые мысли.

Перстень с аметистом приносит удачу в спортивных состязаниях.

Украшения с аметистами кладут под подушку, чтобы видеть хорошие сны.

Созерцание аметистов снимает нервное раздражение, вызывает успокоение и поэтому хорошо при борьбе с бессонницей. Вода, в которой лежали аметисты, полезна для восстановления мозгового кровообращения.

Украшения из аметиста следует регулярно очищать, снимая с них негативную энергию.

Цитрин

Кристаллы кварца лимонно-жёлтой, медово-жёлтой и буровато-жёлтой окраски.

В древние времена считалось, что цитрин приносил защиту от змеиного яда и злых мыслей.

Цитрин известен как камень успеха, в фольклоре многих народов говорится, что способствует успеху и изобилию, особенно в предпринимательстве и торговле.

Цитрин является одним из немногих камней, которые рассеивают отрицательную энергию и никогда не требуют очистки. Они источают тёплую энергию, которая способствует оптимизму. Привлекает изобилие и в некоторых странах известен как камень торговца. Принято было помещать его в кассовый аппарат, или держать там где происходит коммерческая деятельность.

Цитрин может способствовать не только приобретению состояния, а также его удержанию.

Он усиливает целительную энергию тела и открывает сознание к интуиции.

Помогает человеку адаптироваться и приспособиться к изменениям, приносит доверие и безопасность.

Магнитная энергия излучаемая от цитрина может усилить речевые способности, что делает его отличным камнем для актёров и ораторов.

Он может быть полезен в борьбе с нерешительностью, поскольку помогает сделать правильный выбор при принятии важного решения .

Лечебные свойства цитрина могут помочь пищеварению,положительно влияют на щитовидную железу.

Действует на пользу эндокринной и пищеварительной системе. Очищает и удаляет накопленные токсины. Он также снижает обострения язвенной болезни и хорошо помогает при детоксикации всех органов.

Обычно его рекомендуется использовать при застое в творчестве, неспособности решить проблемы, подавленном гневе, бессоннице, при ночных кошмарах, проблемах с расстройством желудка, ожирении и многих других проблемах, связанных с обменом веществ и внешностью.

Цитрин может помешать разрушительной самокритике и помогает увеличить самооценку.

Авантюрин

Кварцевая горная порода, мерцающая из-за многочисленных включений мелких чешуек слюды или гематита.

Авантюрин издавна считается счастливым талисманом, который носят для сохранения радостного настроения. Этот камень способен помочь человеку обрести бодрость духа и ясность ума. Он увеличивает у своего владельца оптимизм и уверенность в собственных силах.

Иногда этот радующий глаз самоцвет называют «камнем любви», поскольку считается, что он способствует возникновению взаимной симпатии, обостряет чувства и эмоции.

Авантюрин символизирует творческие порывы и рыцарство.

Литотерапевты утверждают, что авантюрин обладает проективной энергией Ян.

Он помогает бороться с аллергическими дерматитами и выпадением волос.

Изделия из авантюрина снижают давление, лечат бронхиты и простуды, применяются при заболеваниях сердечно-сосудистой системы и болезнях кровообращения.

Авантюрин помогает при вялотекущих хронических заболеваниях, он ускоряет заживление ран и сводит бородавки.

В индийской йоге зеленый авантюрин используется для стимуляции сердечной чакры, для укрепления зрения и развития интеллекта.

Авантюрин может применяться в виде аппликации на патологически измененные участки тела. Весьма полезным считается массаж с помощью шаров из авантюрина. Богатство окраски этого минерала позволяет подобрать шар определенного цвета, усиливающего физиотерапевтический эффект лечения.

Празем

Кварц специфического природного травянистого луково-зелёного цвета.

Зеленый кварц работает на вибрационном уровне, настроенном на определенную энергию, необходимую для исцеления больного или для совершения духовной работы.

Несет энергию к самому совершенному состоянию и останавливает и обращает вспять патологическое состояние прежде, чем начнется болезнь.

Чистит и улучшает состояние органов и тонких тел, и действует как глубокий очиститель души, соединяя физическое измерение с сознанием.

Этот кристалл поднимает энергию к максимально возможному уровню.

Помогает сконцентрироваться и «отпирает» память.

Кварц эффективно сберегает энергию. Приложенный к линии подачи топлива в автомобиле, кварцевый кристалл уменьшает потребление горючего.

Замечательный целитель. Его можно использовать при любых условиях.

Он стимулирует иммунную систему и регулирует состояние организма.

Он полезен для успокоения ожогов.

Гармонизирует все чакры и связывает тонкие тела.

Зеленый кварц преобразовывает негативную энергию, дает творческое вдохновение и уравновешивает эндокринную систему.

Позволяет обрести уверенность в себе и добиться успеха.

Помогает творческим людям.

Продолжение в части 2

Информация и фото взяты из открытых источников на необъятных просторах интернета.