ПИПУНЫРОВ ИСТОРИЯ ЧАСОВ

По форме кристалл кварца пред­ ставляет собой шестигранную призму, оканчивающуюся шести­ гранными пирамидами. Оптиче­ ская ось, проходящая через гео­ метрическую ось, соединяет вер­ шины пирамид. Перпендикуляр­ но к ней расположены три элек­ трические оси, проходящие через ребра призмы. Также перпенди­ кулярно к оптической оси через середины противоположных гра­ ней призмы проходят три меха­ нические оси.

ных размеров, ориентации относительно кристаллических осей приведены на рисунке. Путем таких срезов можно получить кварцевые осцилляторы, соответствующие определенным требо­ ваниям.

Практически требуемое для возбуждения колебаний квар­ цевого осциллятора переменное электрическое поле образуется в нем при размещении осциллятора между электродами, к ко­ торым прикладывается переменное напряжение. Тогда возни­ кают упругие колебания кварца, пропорциональные напряже­ нию электрического поля. Амплитуда этих колебаний дости­ гает наибольшего значения при резонансе, т. е. при равенстве частоты электрического поля и частоты колебаний кварца.

Сущность механического резонанса в пластине состоит в том, что в ней устанавливаются стоячие упругие волны, причем раз­ мер пластинки, в направлении которой распространяются вол­ ны колебания, пропорционален половине длины этих волн. Длина упругой волны при данной частоте колебаний пропор­ циональна скорости распространения, которая, в свою очередь, определяется упругостью и плотностью кварца. Последние в кристаллическом кварце таковы, что размеры кварцевых пла­ стин измеряются в сантиметрах и миллиметрах.

В зависимости от размеров и формы пластин кварца в резо­ наторе могут использоваться поперечные упругие колебания, называемые еще колебаниями по толщине. Колебания по тол­ щине используются обычно на частотах в несколько сот кило­ герц, а колебания по длине — на более низких частотах. Ис-

Рис. 258. Структура кристалла кварца

Рис. 259. Схема использования кристалла кварца в качестве осциллятора

Рис. 260. Колебания кварцевого кольца Эссена

пользовать поперечные колебания на частотах ниже 300 кГц невыгодно, так как на этих частотах размеры пластин, ко­ леблющихся по толщине, будут велики. Продольные колеба­ ния неудобно использовать на высоких частотах, поскольку размеры пластин, колеблющихся по длине, на этих частотах малы.

Во Франции, Швейцарии и ФРГ кварц используется чаще всего в виде квадратных и прямоугольных брусков требуемого размера. Бруски вырезаются так, что у них большие грани параллельны электрической оси X, а малые соответственно па­ раллельны механическим осям Y и оптическим Z (см. рис. 258). Колебания волн совершаются в продольном направлении под действием центрального и двух конечных электродов, соединен­ ных электрически между собой так, как показано на рис. 259. Первоначально брусок или пластина зажимались между двумя накладными электродами. Теперь от этого способа отказались и их роль стало выполнять металлическое покрытие, нанесен-

ное непосредственно металлизацией на поверхность кварца в виде тонкой пленки (золота, серебра или никеля). Металличе­ ский слой электрода обеспечивает равномерное распределение электрических зарядов по всей поверхности пьезоэлемента. Ме­ таллические провода спаяны с «язычком», продолженным до узла колебательных волн. По мнению А. Шейбе, которому при­

Обод имеет квадратное сечение. Кольцо вырезано так, что его ось направлена по оптической оси Z. Когда электродам сооб­ щены переменные заряды, образуются три сегмента сжатия, ко­ торые расположены под углом 120° друг к другу, и шесть узлов колебательных волн.

Кристаллический кварц в форме прямоугольной пластины

тонких пластинках для получения колебаний с частотой 5 мГц вместо 1 мГц. Это достигается путем среза пластинки по тол­ щине так, чтобы можно было получать узловые точки колеба­ тельных волн в определенных местах, например в трех. Разрез

монике пьезоэлементов является их механическая прочность, так как толщина высокочастотных пьезоэлементов всего не­ сколько десятков микрон и их обработка представляет боль­ шие трудности.

Путем точной ориентации срезов кварцевых пластин относи­ тельно кристаллографических осей, применения рациональной системы подвески кварца в баллонах и автоматического термостатирования можно добиться уменьшения ухода частоты от номинального значения.

Кварцевая пластинка или кольцо помещаются в специаль­ ный держатель между металлическими электродами, к кото­ рым подводится переменное напряжение. Конструкция держате­ ля и способ крепления кварца имеют существенное значение для качества работы генератора, его стабильности. Если в осцилляторах с пластинчатым или брусковым кварцем пласти­ на или брусок удерживаются в герметизированном баллоне на

металлических призмах, к которым они привязаны шелковой нитью, то кольцевой кварц закрепляется в специальной обойме на трех шариковых опорах и поддерживается над ними пружи­ ной. Кольцо располагается в обойме таким образом, что опоры находятся точно в узлах колебания. Кольцевой кварц защищен металлическим цилиндром, герметически сопрягающимся с

колебаний кварца. Термостатическое устройство контроля и управления представляет собой мост, неуравновешенность ко­ торого возникает вследствие изменения температуры и служит сигналом для устранения этого рассогласования.

На Женевской обсерватории кварцевый эталон частоты по­ мещен в термостат, работающий в системе мощного генератора низкой частоты, собранного по мостовой схеме Уитстона, при­ чем плечи моста образованы обмотками из никелина и константана, размещены на алюминиевом корпусе, в котором на­ ходится кварц. Вместе с кварцем в качестве термометрического устройства помещена мостовая схема.

До настоящего времени весьма актуальной остается проб­ лема «старения» кварца, могущая оказывать дестабилизирую­ щее действие на ход кварцевых часов. Когда кварц стареет, его кристаллическая структура с течением времени подвергается случайным изменениям и создается возможность немедленного ухода частоты колебания кварца. Исследования, однако, пока­ зали, что стабильность кварца повышается, если его помещать в условия сверхнизкой температуры. В США в Национальном комитете стандартов велись опыты по исследованию поведения кварца в жидком азоте (78° К) и в жидком гелии (4° К). Эти опыты дают надежду на возможность повышения стабильности кварца, когда будут найдены способы создавать кристаллы специально для этих температур. Устранение причин, вызываю­ щих старение кварца (тепловые действия, рекристаллизация, испарение и т. д.), имеет большое значение для повышения ка­ чества осциллятора. Старения добротных кварцевых осцил­ ляторов носят регулярный характер и во многих случаях при­ водят к монотонному экспоненциальному изменению частоты со временем. В этом случае в ход кварцевых часов может быть введена соответствующая поправка.

Первые кварцевые часы появились в 20-х годах нашего века и получили распространение с 30-х годов. Они были построе­ ны на многоламповых схемах и представляли собой сложное, громоздкое радиотехническое устройство. С 60-х годов стала успешно решаться проблема создания малогабаритных квар­ цевых часов с использованием полупроводниковой техники.

Кварцевые часы с многоламповой схемой. Кварцевые часы состоят из сле­ дующих основных блоков: задающего генератора с термостатом, делителя ча­ стоты с усилителями и выходными каскадами, блоков питания и электромеха­ нической системы для движения стрелок. В ламповом генераторе кварцевых ча­ сов (рис. 261) пьезоэлемент выполняет роль опорной колебательной системы. Выключение кварцевого осциллятора из схемы приводит к прекращению гене­ рации. Генератор, работающий в таком осцилляторном режиме, можно рас­ сматривать как обычный ламповый генератор с двумя колебательными конту­ рами. Схема генератора, в котором кварц заключается между сеткой и като­ дом триода, является одной из первых схем генератора с кварцевой стабили­ зацией.

Кварцевый генератор переменного тока обладает высокой частотой (100 кГц), но несет слишком ма­ лую энергию, чтобы можно было непосредственно приводить в действие синхронный двигатель, управляющий секундным и минутным контактами или стрелочным механизмом. Поэтому возникает необходимость усиливать этот переменный ток посредством ламповых усилителей и затем при по­ мощи трансформаторов частоты (мультивибрато­ ров) обращать в ток низкой частоты— 1000 Гц.

Для обеспечения незатухающих колебаний генератора, работающего в осцилляторном режиме, необходимо к нему подключать источник электро­ движущей силы и эту энергию передавать на кварцевый осциллятор. На рис. 261 показана схема передачи этой энергии кварцевому генератору с помощью триодной электронной лампы.

Электроны, вылетающие из раскаленной нити F катода, на своем пути к аноду проходят через сетки G лампы. Наличие управляющей сетки между ка­ тодом и анодом Р дает возможность автоматически управлять потоком элек­ тронов, движущихся от катода к аноду. Интенсивность этого потока зависит от потенциала сетки. Если она имеет положительный потенциал, то помогает аноду притягивать электроны, летящие из раскаленной нити. Все электроны, прошедшие через сетку, участвуют в образовании анодного тока, который в итоге увеличивается. Наоборот, при достаточно большом отрицательном напря­ жении сетки анодный ток может совсем прекратиться. Сетка по своему дей­ ствию аналогична клапану.

Разность потенциалов между сеткой и катодом определяет напряжение сетки. Если оно не изменяется, анодный ток остается постоянным. Если же на сетку попадают пьезоэлектрические заряды, освобожденные колеблющим­ ся кварцем в результате пьезоэлектрического эффекта, то они ей сообщают пе­ ременный потенциал; вместе с этим сила анодного тока будет изменяться [313, 460]. В анодной цепи возникает пульсирующий ток.

Когда пьезоэлектрические заряды попадают по обмотке на пластинку конденсатора С то приходят в состояние колебательного движения с определен-

ной частотой, зависящей от индуктивности и емкости конденсатора. При равен­ стве этой частоты с частотой колебательного контура LC возникают сильные электрические колебания на пластинках конденсатора, потенциалы которого могут быть резко увеличены.

Благодаря связи анодной цепи с цепью сетки убыль энергии в колеба­ тельном контуре LC полностью компенсируется. Электрические колебания будут продолжаться до тех пор, пока действует анодная батарея. Переменная составляющая анодного тока, проходя через колебательный контур, создает переменное напряжение на сетке, уже усиленное электронной лампой. Оно по­ дается с обратным знаком на анод Р, который вместе с сеткой G образует добавочный конденсатор, с которого заряды попадают в осциллятор. Они должны быть соответствующего знака; это условие обеспечивается путем на­ стройки колебательного контура LC на частоту несколько большую, чем соб­ ственная частота колебаний кварцевого осциллятора. Поскольку кристалл квар­ ца соединен с сеткой и между ними имеется обратная связь через емкость меж­ ду анодом и сеткой на частоте, близкой к собственной частоте кварца, послед­ ний имеет возможность регулировать свое электрическое питание, подобно тому как маятник управляет импульсами, подаваемыми спусковым механизмом.

с частотой кварцевого осциллятора. Поэтому генераторы кварцевых часов со­ бирают по схеме с параллельным резонансом [8, 89].

Цепь, показанная на рис. 261, может, таким образом, рассматриваться как генератор переменного тока при частоте, которая всецело определяется часто­ той кварцевого осциллятора. Если она постоянна, то постоянна будет и частота генерируемого переменного тока, и, говоря иначе, будет эквивалентна резо­ нансу механических напряжений кварца.

Стабилизирующее действие кварца в виде пластинки, кольца или бруска заключается в том, что в случае ухода частоты лампового генератора кварц продолжает колебаться со своей собственной частотой, подобно маятнику, вы­ нуждая ламповый генератор вернуться к номиналу частоты. Наличие флуктуа­ ции в ламповом генераторе, обусловленное дробовым эффектом, тепловыми явлениями в проводниках и элементах схемы, колебаниями эмиссии катода, и прочие влияния на частоту колебания генератора значительно меньше бла­ годаря стабилизирующему действию кварца.

Способность кварца, находящегося в высокочастотном электрическом поле, стабилизировать генератор и поддерживать постоянство частоты передаваемых электрических волн была известна задолго до появления кварцевых часов и широко применялась в радиотехнике.

Вместо описанной выше простой цепи триода нередко применяется схема моста Уитстона (рис. 262), который изображен слева, а кристалл кварца и переменный конденсатор — на одной из сторон этого моста. На противополож­ ной стороне находится электронная лампа с вольфрамовой нитью, являющейся контуром, состоящим из единственного витка при всех частотах, и действую­ щая как чистое сопротивление. На двух других противоположных сторонах имеются постоянные и меняющиеся сопротивления. Когда частота колебаний в его цепи такая же, как и частота собственных колебаний кварца, мост находит­ ся в равновесности. Таким образом, кристалл кварца определяет частоту ко­ лебания в цепи моста. Хорошо отрегулированный кварцевый осциллятор не

Рис. 262. Схема генератора с применением моста Уитстона

Рис. 263. Схема делителя частоты с усилителями

Рис. 264. Схема последовательного снижения частоты посредством мультиви­ братора (а) и регенеративного модулятора (б)

допускает внезапных отклонений частоты более чем на 1.10-10. Применение мостовых схем особенно необходимо в кварцевых часах, используемых в ка­ честве эталона времени.

Деление частоты колебаний кварцевого осциллятора осуществляется для получения колебаний, частота которых в п раз меньше его резонансных ко­ лебаний. Главный переходный этап в последовательных делениях начальной частоты (100 кГц) составляет 1000 Г.

Деление частоты от 100 до 1 кГц осуществляется устройством, известным под названием преобразователя частоты (мультивибратора), или делителя частоты. Он состоит из дополнительной цепи триода, действующего синхрон­ но с электрической цепью (рис. 263). Замечательным свойством цепей электрон­ ных ламп является то, что их действия могут быть легко согласованы. Таким образом, две цепи, спаренные между собой и настроенные на одну и ту же частоту, действуют в унисон. Лампы в этом случае работают как сопротивле­ ние с усилителем. Так как анод второй лампы присоединен к сетке первой, то

те или иные изменения потенциала на сетке первой лампы, передаваясь на вторую лампу, действуют как усилитель, после чего ток проходит обратно к первой лампе. Этот цикл повторяется снова и снова, таким образом обеспечи­ ваются автоколебания кварцевого генератора.

Кроме образования своей основной частоты, мультивибратор создает и много гармоник. Следовательно, он может быть настроен с основной частотой 10 кГц, а частота его десятикратной гармоники будет примерно такая же, как частота кварца (100 кГц). Когда эта основная частота (10 кГц) управ­ ляется и поддерживается кварцем, то она может попадать в такт с его часто­ той 100 кГц. Имея, таким образом, пониженную частоту до 10 кГц, можно за­ тем повторить действие с тем, чтобы понизить с 10 до 1 кГц, т. е. до частоты, при которой синхронный двигатель уже будет действовать.

Другой метод деления частоты основан на использовании генератора дроб­ ной частоты, или делителя, с регенеративным делением частоты, который может делить начальную частоту сначала на 2, а затем на 5 (рис. 264). Таким обра­ зом достигается понижение первоначальной частоты на 10. Этот процесс по­ вторяется, чтобы осуществить следующую стадию деления от 10 кГц.

На рис. 261, б показаны этапы последовательного снижения частоты по­ средством мультивибратора двумя ступенями 1/10 и посредством регенератив­ ного делителя ступенями 2 и 5.

Коэффициент деления должен быть в пределах от 103 до 106. На всем диапазоне частот необходимо обеспечить полную независимость коэффициента деления от напряжения источника тока, температуры окружающей среды, ста­ рения элементов схемы и от различных помех. Колебания на выходе схемы должны появляться только при наличии входного сигнала. Делители должны быть экономичными по расходу энергии и не громоздкими. В ряде случаев не требуется высокой стабильности по фазе, в частности при подаче тока на син­ хронный двигатель, поскольку точность последнего относительно невелика: по­ ворот на 1° при частоте 50 Гц соответствует 55 с.

На выходе делителей частоты имеется напряжение с частотой 1000, 500 или 250 Гц; оно подводится к синхронному электродвигателю, который при­ водит в движение механизм стрелок. Выходная ось двигателя делает один оборот в секунду. На оси укреплен кулачок, замыкающий контакты, дающие секундные импульсы. Они, однако, обладают меньшей стабильностью, чем полученные путем деления частоты до 1 Гц с применением декатрона. Поми­ мо секундных импульсов, кварцевые часы имеют выходы высокостабильных синусоидальных сигналов с частотами 100, 10, 1 кГц, 100, а иногда и 10 Гц. Эти частоты используются для работы синхронных моторов и других устройств в различной измерительной аппаратуре и формируются на промежуточных сту­ пенях делителей.

Синхронные двигатели, как и шаговые двигатели, срабатывают от импуль­ сов электрического тока, которые возникают в электронной схеме часов по сигналу осциллятора. Колебательное движение кварцевого осциллятора пре­ образуется во вращательное движение двигателя с помощью электронной схемы.

Попутно — некоторые сведения о синхронных часах. Американец Генри Уоррен в 1918 г. изобрел для этих часов малогабаритный синхронный двига­ тель гистерезисного типа. Он питается от переменного тока с частотой 50 Гц. Число оборотов синхронного двигателя д = 6 0 f/p, где / — частота и р — число

пар полюсов. Синхронный двигатель Уоррена имеет одну пару полюсов. При частоте 50 Гц он делает 3000 об/мин. Скорость синхронного электродвигателя зависит только от частоты переменного тока и пар полюсов и не зависит от напряжения. Применение такого электродвигателя, в частности, для передачи движения на стрелки часов требует понижения скорости при помощи зубча­ той передачи с передаточным числом 1/3ооо-

Электродвигатель Уоррена с самопуском, так как его ротор через 1 /25 с после включения в электрическую цепь сам начинает вращаться и не требует каких-либо пусковых приспособлений. Он плавно входит в синхронизм и устой­ чиво работает в режиме синхронного вращения.

Необходимость применения электродвигателей с меньшими, чем 3000 об/мин, скоростями вызвала создание многополюсных реактивных синхрон­ ных двигателей. Они, в отличие от двигателей Уоррена, без самопуска, и для включения их в действие нужны особые пусковые устройства.

Подробное техническое описание конструкции синхронного двигателя Уор­ рена и многополюсных реактивных двигателей приведено в книге Л. П. Шишелова [323, 177—207].

Синхронные часы по своей конструкции совершенно отличны от механиче­ ских и других часов. В них нет ни завода, ни регулятора, и если чем-либо они напоминают механические часы, то разве только наличием в их устройстве зубчатой передачи и стрелки на циферблате. На синхронные часы можно смо­ треть как на вторичный механизм, регулятором которого служат генераторы переменного тока центральной электростанции, питающей сеть, в которую включены часы. Для правильной работы синхронных часов необходимо стро­ гое постоянство питающего их переменного тока.

Появление часов с синхронным двигателем знаменует совершенно новое направление в истории хронометрии. Его революционное значение заключает­ ся в том, что конструирование и создание часов перешло из рук часовщиков к людям науки и техники. По верному замечанию Хоуп-Джонса, прежнее пре­ клонение «перед энтузиазмом часовщиков отпало» [365, 237]. Со времени по­ явления кварцевых и атомных часов именно конструирование и изготовление часов стало всецело базироваться на достижениях науки и техники. И это ста­ ло основной тенденцией в развитии хронометрии.

В качестве источника энергии, необходимой для функционирования квар­ цевых часов, чаще всего используется сеть переменного тока. Благодаря трансформации и выпрямлению можно получить все необходимые стабильные напряжения. Однако в случае перерывов в работе сети надо иметь некоторый дополнительный источник энергии, и в качестве такового применяются аккуму­ ляторы. Батарея, создающая различные необходимые напряжения, заряжается через выпрямитель. Трансформация постоянного тока в переменный достигается через вибропреобразователи, а также от статических преобразователей (ум­ формеров, преобразователей частоты) на полупроводниковых триодах.

Малогабаритные кварцевые часы на полупроводниковых приборах. Начи­ ная с 60-х годов нашего столетия в ряде стран (Швейцария, Франция, США) велись работы по созданию малогабаритных кварцевых хронометров взамен кварцевых часов, построенных на ламповых схемах. Габариты и вес кварце­ вых часов удалось довести до таких минимальных размеров, что они стали вы­ полнять функции переносных приборов времени. Особое значение имели успехи, достигнутые в развитии техники микроминиатюризации радиоаппаратуры в

полупроводниковой техники, в частности в области новых полупроводнико­ вых приборов на туннельных диодах. На этом фоне немаловажное значение имели открывавшиеся возможности в применений: а) автономных источников электропитания, обеспечивающих их автономную работу в течение длитель­ ного периода (до 1 года и более) и узлов электрической схемы, экономичных по потреблению тока; б) низкочастотных кварцевых осцилляторов (на частоте 10 кГц и ниже); в) схем температурной компенсации, где роль термозависящего реактивного элемента выполняет подстроечный конденсатор, ротор кото­ рого вращается при деформации биметаллической пластинки или спирали; г) высокоэкономичных синхронных и шаговых электродвигателей.

Первый кварцевый хронометр, собранный на туннельных диодах, был раз­ работан и изготовлен в США в 1960 г. Р. Уоттерсом. Схема собрана на четы­ рех туннельных диодах и на одном транзисторе.

Шаговые электродвигатели в часовой технике заменили в электромехани­ ческих и электронно-механических приборах времени работу анкерных и хра­ повых спусков для передачи импульсов на стрелку часов или на индикатор­ ное устройство. Эти функции стал выполнять шаговый двигатель. В этом слу­ чае исполнительное устройство не имеет кинематической связи с кварцевым осциллятором, и потому последний не расходует кинетической энергии для приведения в действие исполнительного механизма. Колебания осциллятора становятся более свободными, а ход часов — более точным и стабильным. Вра­ щение выходного вала в этом электродвигателе носит дискретный (шаговый) характер.

На Швейцарской выставке образцов 1960 г. впервые экспонировались ма­ логабаритные кварцевые часы швейцарской фирмы «Филипп Патек». Они имеют объем всего 830 см3, включая батарею источников питания. Габариты часов 134X94X66 мм, вес 3,5 кг. Точность хода порядка 10-6 (±0,1 с в сутки), температурный диапазон работы 4—36°. Источник питания — аккумуляторная батарея на 70 часов без подзарядки. Потребление тока 15 мВт. Напряжение источника питания 1,25 В постоянного тока. Электрическая схема смонтирова­ на по блочной системе на 14 транзисторах. Часы состоят из четырех блоков: кварцевого осциллятора, делителя частоты, усилителя и синхронного электро­ двигателя со стрелочным механизмом. Погрешность кварцевого осциллятора (имеющего температурную компенсацию) не превышает ±0,1 с в сутки в ин­ тервале изменения температуры от 0 до 50°.

Малогабаритные кварцевые хронометры выпускаются в разных странах не только радиотехническими фирмами, но и традиционными часовыми фир­ мами, занятыми изготовлением механических хронометров, такими, как «Па­ тек—Филипп» и «Нарден» (Швейцария), «Гамильтон» (США), «Лип» (Фран­ ция») и т. д. Они нашли применение в ряде областей науки и техники.

На Базельской ярмарке 1961 г. был представлен электронный хронометр с периодом колебаний 0,5 с. Прибор предназначен для морского флота. Основ­ ным элементом хронометра является транзисторная схема с кварцем и микро­ двигателем. Размер часов 200X150 мм.

Центральной электронной лабораторией (США) в 1961 г. создан хронометр с точностью хода ±5 с в год. Хронометр, как и все кварцевые часы, выпол­ нен на основе кварцевого осциллятора с собственной частотой 100 кГц. Дели­ тель частоты собран на трех туннельных диодах. На выходе делителя полу­ чаются напряжения со стабильной частотой 50 кГц, поступающие на питание