Ювелирное обозрение

Устройство и принцип действия электрических часов

Электрические часы по конструкции принципиально отличаются от механических. Если в механических часах индивидуального пользования движение стрелок происходит за счет энергии, подаваемой от заводной пружины, то в электрических часах эта энергия получается от миниатюрной круглой, дискового типа батарейки (элемента) размером с небольшую пуговицу, размещенной в платине механизма. Энергия батарейки через привод приводит в действие регулятор. Регулятор передает колебания через храповое устройство и далее через редуктор на стрелочный механизм. Для перевода стрелок имеется устройство, аналогичное устройству в механических часах.

Электрические часы обладают более высокой точностью хода по сравнению с механическими.

Преимущество электрических часов заключается и в том, что они не требуют ежедневного завода, так как электрическая батарейка обеспечивает энергией непрерывную работу механизма в течение 12-24 мес.

Электрические часы по принципу действия подразделяют в зависимости от конструкции привода на контактные и бесконтактные (транзисторные), или иначе их называют электронно-механическими. В зависимости от конструкции регулятора часы бывают балансовыми и камертонными.

Контактные наручные часы. Они имеют магнитоэлектрический привод баланса. Источником питания служит миниатюрная батарейка (гальванический элемент) напряжением 1,3 В. Импульс баланса вызывается с помощью контакта, замыкающего электрическую цепь питания привода регулятора хода. Привод сообщает балансу импульс в результате взаимодействия полей постоянного магнита и электрической катушки. Энергия баланса через колесную систему передается на стрелки.

Механизм контактных электрических часов собран в три ряда. В верхнем ряду размещен баланс, в среднем – магнитная система, батарейка и колесная передача, в нижнем – стрелочный механизм.

Ось баланса из полюсов батарейки, установленной в часовом механизме, контактирует с токосъемной шинкой и соответственно с колонкой, изолированной от всего механизма. Колонка несет контактную пластинку, которая проходит через проволочную петлю, закрепленную на второй пластинке, тоже изолированной от механизма. Второй полюс батарейки подсоединен ко всему механизму.

Ток от батарейки поступает на баланс и затем попадает на катушку, закрепленную в прорезе обода баланса. Один конец катушки подсоединен к балансу, второй конец – к контактному штифту. Рядом с контактным штифтом помещен камень, который взаимодействует со второй пластинкой.

Под балансом находится миниатюрный постоянный магнит, закрепленный на магнитопроводе. Концентрацию магнитного поля на пути к катушке создает магнитопровод из электротехнической стали, имеющий форму скобы.

При колебании баланса контактный штифт, соприкоснувшись с контактной пластинкой, замыкает электрическую цепь, через катушку проходит ток и вокруг нее создается магнитное поле. При взаимодействии полей катушки и постоянного магнита возникает сила, стремящаяся вытолкнуть катушку из поля постоянного магнита. Баланс получает импульс.

При выходе катушки из зоны действия магнита контакт размыкается. Под воздействием спирали (волоска) баланс получает вращение в обратном направлении. В этом случае камень, установленный на балансе, соприкоснется со второй пластинкой, которая своей петлей захватит и отведет контактную пластинку настолько, что контактный штифт пройдет без соприкосновения с концом контактной пластинки. В результате этого балансу придается импульс одного направления.

Так как на балансе закреплен ролик, имеющий эллипс, последний при колебании баланса захватывает поочередно зубья храпового колеса, вращает его и одновременно через триб вращение передается секундному центральному колесу. Триб секундного центрального колеса вращает промежуточное колесо, в свою очередь триб промежуточного колеса передает движение минутному колесу, а установленный на втулке этого колеса триб вексельного колеса вращает часовое колесо.

Таким образом, баланс не только регулирует колебания, но и является двигателем колесной системы.

Размеры всех деталей электрической схемы в наручных часах весьма миниатюрны. Например, толщина изолированного медного провода катушки не превышает 15 мкм, толщина контактной пластинки менее 0,2 мм при ее ширине немногим более 0,5 мм и длине 10 мм. К недостаткам контактных наручных часов относится окисление контактов в процессе работы часов, что выводит их из строя.

Бесконтактные наручные часы. Эти часы (рис. 23), как и контактные, имеют магнитоэлектрический привод, но импульс, сообщаемый балансу, образуется не с помощью контакта, а посредством полупроводникового триода, т. е. тройного полупроводникового прибора, имеющего три вывода. Полупроводниковые триоды принято называть транзисторами (преобразователями); такое наименование в какой-то мере отражает принцип их действия.

Рис. 23. Схема балансовых бесконтактных наручных часов: а – схема транзистора; б – схема часов: 1 – баланс; 2 – магнитопровод; 3 – два постоянных магнита; 4 – катушка возбуждения или катушка освобождения; 5 – импульсная катушка; б – транзистор; 7 – батарейка

К полупроводниковым веществам относят германий (Ge), кремний (Si), селен (Se), окислы некоторых металлов и ряд других аналогичных веществ. Свойство полупроводников, используемых для производства транзисторов, состоит в том, что при некоторых специально создаваемых условиях эти вещества могут преграждать путь электрическому току, т. е. становиться как бы изоляторами, или проводить ток в определенном направлении.

Для изготовления транзисторов из кристалла германия (Ge) вырезают пластинку, размеры которой измеряются долями миллиметра. С обеих сторон пластинки наносят капельки индия (In), после чего нагревают пластинку до температуры 500-600°С. Расплавленный индий растворяет германий, и по обе стороны пластинки возникают участки сплава индия и германия. Толщина оставшегося слоя германия, разделяющего оба участка сплава, не превышает 0,05 мм. Этот слой называют основанием или базой, участки же сплавов – эмиттером и коллектором. К базе, эмиттеру и коллектору припаивают выводы, после чего изготовленный триод заключают в герметический защитный корпус.

В спокойном состоянии транзистор, как говорят, заперт, т. е. он не проводит ток между коллектором и эмиттером. Однако если между коллектором и базой включить источник постоянного тока так, чтобы к базе был подведен отрицательный полюс батарейки, то транзистор откроется. Его коллектор – эмиттерный переход – приобретает способность проводить электрический ток.

Баланс в этих часах имеет миниатюрный магнитопровод, с внутренней стороны которого закреплены два постоянных магнита. На платине механизма установлены две миниатюрные катушки, одну из которых называют катушкой возбуждения, другую – импульсной. При колебании баланса и прохождении над катушками двух постоянных магнитов в катушке возбуждения возникает электродвижущая сила, транзистор мгновенно открывается (при разомкнутом контакте транзистор закрыт, т. е. он не проводит ток), и ток от батарейки поступает в импульсную катушку. Вокруг этой катушки возникает сильное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с магнитным полем двух постоянных магнитов. Происходит взаимное отталкивание этих полей, которое и сообщает балансу импульс. При выходе постоянных магнитов из зоны катушек электрическая цепь размыкается.

Под воздействием спирали баланс меняет направление своего вращения й процесс силового импульса повторяется в другом направлении. В свою очередь колебания баланса передаются на стрелочный механизм через устройства, аналогичные используемым в контактных часах.

Камертонные наручные часы. Такие часы имеют магнитоэлектрический транзисторный привод, питаемый источником тока от миниатюрной батарейки напряжением 1,3 В.

В качестве регулятора колебаний служит миниатюрный камертон в виде двух разомкнутых ветвей V-образной формы, неподвижно закрепленный на платине. Частота колебания камертона 360 Гц.

Камертон изготовляют из специальных сплавов, состав и обработка которых обеспечивают стабильную упругость и геометрические размеры при изменении температуры окружающей среды. На концах ножек камертона закреплены магнитопроводы, изготовленные из электротехнической стали. К внутренней стороне основания магнитопроводов прикреплены постоянные магниты. В зазоре между магнитопроводами и постоянными магнитами находятся катушки, намотанные на пластмассовые каркасы, которые закреплены на платине. С одной стороны расположена катушка возбуждения, которая имеет промежуточный отвод, разделяющий ее на две неравные части, с другой стороны находится импульсная катушка. Катушка взаимодействует с транзистором. В эту же цепь включена батарейка как источник питания.

Для улучшения режима открытия транзистора и ограничения амплитуды колебания камертона в схеме имеется сопротивление (резистор) миниатюрных размеров и два конденсатора.

При колебании ножек камертона вдоль катушек происходит перемещение постоянных магнитов вместе с магнитопроводами, в катушке возбуждения возникает электродвижущая сила, которая открывает транзистор, и ток от батарейки поступает в импульсную катушку. Возникающее магнитное поле этой катушки, воздействуя на камертон, сообщает ему силовой импульс для поддержания непрерывных колебаний.

Колебание ножек в свою очередь передается на храповое колесо посредством закрепленной на ножке пружинки, имеющей на конце заостренный камень. Этот камень толкает храповое колесо, заставляя его вращаться. Вращение колеса и триба передается через редуктор на стрелочный механизм.

После каждого колебания камертона вторая пружинка, закрепленная на платине, фиксирует положение храпового колеса, чтобы оно свободно не проворачивалось.

Храповое колесо при диаметре 2,5 мм имеет по окружности 300 мельчайших зубьев. Вращение колеса и работу пружинок можно заметить только при очень значительном увеличении (рис. 24).

Рис. 24. Схема наручных камертонных часов: 1 – миниатюрный камертон; 2 – чашеобразные магнитопроводы; 3 – постоянные магниты; 4 – крепление камертона винтом к платине часов; 5 – пластмассовые каркасы, закрепленные на платине часов; 6 – катушка возбуждения; 7 – импульсная катушка; 8 – эмиттер и база транзистора; 9 – батарейка (источник питания); 10 – миниатюрный резистор; 11 и 12 – малогабаритные конденсаторы; 13 – миниатюрная пружинка; 14 – заостренный камень; 15 – храповое колесо; 16 – пружинка, фиксирующая положение храпового колеса

В камертонных наручных часах отсутствует характерное тиканье, издаваемый колеблющимся камертоном звук напоминает комариный писк. Секундная стрелка у этих часов перемещается плавно, а не скачкообразно.

Камертонные наручные часы по сравнению с системой баланс-спираль более надежны при работе в сложных динамических условиях, так как они не имеют хрупких опор типа цапф.

Электронно-механические (бесконтактные с транзисторной схемой) крупногабаритные часы. Отечественная часовая промышленность выпускает их в виде будильников, настольных и настенных часов.

Будильник электронно-механический "Слава" производства Второго московского часового завода имеет механизм на 6 рубиновых камнях с центральной сигнальной стрелкой.

Механизм электронно-механического будильника типа Б-9м состоит из следующих основных узлов: колебательной системы, магнитоэлектрического привода, колесной системы, устройства для включения и выключения звонка в заранее заданное время, электрического звонка (зуммера) и источника постоянного питания.

Система привода и сигнальное устройство питаются от источника постоянного тока – батарейки типа "373" напряжением 1,5 В, расположенной отдельно от механизма в гнезде корпуса.

Работа будильника осуществляется следующим образом. При воздействии силовых импульсов от магнитоэлектрического привода баланс-спираль совершает колебательные движения, которые через дисковый преобразователь обеспечивают вращение колесной системы и движение стрелок. Дисковый преобразователь, состоящий из палетных дисков, узла баланса и ходового колеса, вращает узел ходового колеса. Вращение передается через ходовой триб на узел секундного колеса и далее через узел промежуточного колеса на узел центрального колеса, на оси которого находится минутная стрелка. На центральной оси насажен минутник, в зацепление с которым входит узел вексельного колеса. Через триб вексельного колеса вращение передается часовому колесу и часовой стрелке. Трибом перевода в зацеплении с сигнальным колесом сигнальная стрелка устанавливается на заданное время сигнала.

Продолжительность работы механизма от одного источника тока до 12 мес. Средний суточный ход будильника ± 30 с, период колебания баланса 0,4 с, продолжительность сигнала не более 5 мин. Работа сигнала может быть прекращена принудительно путем нажима на клавиш, находящийся на верхней части корпуса, который размыкает электрическую цепь питания звонка.

Часы электронно-механические в настенном и настольном исполнениях имеют магнитоэлектрический привод баланса; электронная схема на одном или двух транзисторах; источником питания служит батарейка типа "373" напряжением 1,5 В, продолжительность работы 12 мес.

В конструктивном отношении часы настенные, настольные и будильники мало отличаются друг от друга.

Электрические часы (настенные, настольные и будильники) могут иметь дополнительные устройства – календарь одинарный или двойной, показывающий числа месяца и дни недели, вмонтированную миниатюрную лампочку для подсвечивания циферблата в ночное время с питанием от одной и той же батарейки, которая используется для механизма часов и сигнального устройства.

Игорь Гладкобородов

Сердце электронных часов — кварцевый генератор. Он вырабатывает электрические импульсы с высокой точностью. Как маятник у механических часов, только работает гораздо быстрее.

Пьезоэлектрический эффект так же используется:

• — в пьезозажигалках для получения искры,
• — в микрофонах для преобразования звуковых волн в электромагнитные,
• — для сверхточного управления положения головки жесткого диска,
• — для подачи чернил в некоторых типах струйных принтеров.

Работу кварцевого генератора обеспечивает пьезоэлектрический эффект. Кварц — это такой кристалл, который изменяет свою форму, когда по нему проходит электричество, и наоборот: при изменении своей формы он вырабатывает электричество обратно.

Главная деталь генератора — пластинка из кварца нужного размера. От размера зависит частота собственных механических колебаний пластинки. Эту пластину закрепляют между двумя электродами, на которые подается переменный ток. Пластинка сгибается от тока и при разгибании сама вырабатывает электрический импульс. Частота этих импульсов равна частоте разгибаний – собственных механических колебаний пластинки.

Для электронных часов обычно используются генераторы с частотой 32768 герц, это 32768 импульсов в секунду. Такая частота удобна с технологической точки зрения, ведь это 2 в 15 степени. Чтобы понизить эту частоту до 1 герца надо уменьшить частоту в два раза 15 раз подряд.

Время течет куда медленнее, чем генератор вырабатывает электрические импульсы. Значит, нужно уменьшить количество импульсов до одного в секунду (1 герц). Для этого используется делитель частоты. Это электронная схема, которая уменьшает частоту входящих сигналов. На входе мы получаем 32768 герц, а на выходе — 1 герц. То, что нужно — часы могут показывать секунды.

Чтобы вывести время у нас есть три цифровых дисплея: секунды, минуты и часы. Раз в секунду мы получаем электрический импульс, который отправляем на дисплей с секундами, его значение увеличивается на один. Параллельно этот импульс отправляем на следующий делитель частоты, который уменьшает частоту в 60 раз: получаются минуты и отправляются на дисплей с минутами. Следующий делитель обеспечивает дисплей с часами.

Электронные часы со стрелками работают почти так же, только обходятся одним делителем. Электрический импульс раз в секунду приходит на миниатюрный электрический двигатель. Тот поворачивает шестеренку, двигающую секундную стрелку. Дальше работает механика: все преобразования для минутной и часовой стрелок идут через систему шестеренок.

Принцип работы электронных часов

Для начала хотелось бы рассказать о принципе работы электронных часов, для того что бы понять как ведется отсчет времени и индикация.

Структурная схема изображена в приложении 1. Элементарные часы могут быть реализованы благодаря тому, что имеется возможность получать импульсы со стабильным временным интервалом. Если в некоторый момент начать подавать их на счетчик, то накапливающиеся в нем число соответствует промежутку времени, отсчитанному от указанного монета.

Поэтому основу электронных часов составляет генератор стабильной частоты и счетчики с определенными модулями счета.

Импульсы стабилизированные кварцем генератора поступают на отделитель частоты, на входе которого получаются импульсы с периодом в одну секунду. Они заполняют счетчик СТ1 секундных импульсов, изменяющий модуль счета. Каждый импульс его переполнения увеличивает содержимое счетчика СТ2 с модулем счета. Максимальное число счетчиков СТ1 и СТ2 составляет 59. С поступлением следующего секундного импульса счетчики СТ1 и СТ2 обнуляются и импульс переноса с СТ2 записывает единицу счетчик СТ3. Следующая единица в СТ3 будет записана через минуту. Счетчики СТ3 и СТ4 (десятки минут) имеют модуль счета соответственно равной модулям счета СТ1 и СТ2. С выходом счетчика СТ4 импульсы переноса с периодом в один час заполняют счетчик СТ5 (единицы часов), с которого каждые 10 часов импульсы переноса заполняют счетчик СТ6 (десятки часов), имеющий модуль счета. Максимальное число в счетчиках СТ1 – СТ6 соответствует времени 23 часа 59 минут 59 секунд. Поступающий после этого секундный импульс вызывает пополнение всех счетчиков – устанавливает их в ноль, начинается счет времени следующих суток.

Описание схемы электрической принципиальной

Электрическая схема часов на БИС К145ИК1901 приведена на чертеже приложении 2. В них микросхема DD1 обеспечивает все необходимые сигналы для управления индикатором HG1. Микросхемой управляет посредством девяти кнопок SB1-SB9.

Данные часы работают от сети (220 Вольт 50 Герц), нужное напряжение для питания всех электрических узлов обеспечивает трансформатор. Для нормальной работы электроннолучевого индикатора на катод с трансформатора подается переменное напряжение 4,5 вольта, остальное питание и сигналы подает микросхема. Для питания микросхемы у блока питания стоит выпрямитель и стабилизатор напряжения, с помощью которых БИС обеспечивается питанием -25 вольт.

Генератор звукового сигнала собран на двух инверторах – элементе DD1.3 и транзисторе VT5. Инвертор DD1.3 охвачен отрицательной обратной связью через резистор R12 , выводящий его на линейный участок характеристики при подаче с выхода элемента DD1.2 лог.1 кабеля генератора срываются, транзистор VT5 закрывается,. Разрешающим сигналом является лог. 0 на выходе элемента DD1.2. Он возникает при лог. 1 из выхода Б1 и Б2 микросхемы DD2.Сигнал будильника прерывается импульсами с частотой 1 Гц, поступающим с выхода S микросхема DD2 . Те же импульсы через транзистор VT4 поступают на аноды разделительных точек индикатора и вызывают их мигание.

Отметим, что микросхема DD2 включена несколько необычно – вывод 14 соединен с общим приводом, на вывод 7 подано напряжение – 9 В. Сигналом лог. 1 для нее служит напряжение 0 вольт а сигналом лог. 0 – напряжение – 9 вольт.

Электронные часы могут работать в следующих режимах:

– отсчет и выдача на индикатор значения текущего времени с возможностью его коррекции и обнуления (в часах и минутах, а по специальной команде – в минутах и секундах) ;

– обратный отсчет заранее установленного времени с выдачей управляющего сигнала по его истечении с максимальной выдержкой 59мин. 59 сек.;

-выдача управляющих сигналов при совпадении текущего времени с заранее установленными значениями в двух независимых регистрах (режим “Будильник 1” и “Будильник 2”);

-остановка индикации текущего времени с продолжением его отсчета.

Клавиатура управления обеспечивают подачу необходимых команд с помощью кнопок SB1…SB9. Управление осуществляется таким образом:

– SB1 (Ч) устанавливает часы в режиме отсчета текущего времени, а также будильников 1, 2 и установка минут в режиме таймера,

– SB2 (М) отвечает за установку минут в режиме отсчета, будильников 1 и 2; установка секунд в режиме таймера,

– SB3 (Б1) вызов на индикатор времени срабатывания будильника 1 или времени отсчета таймера,

– SB4 (Т) запускает таймер,

– SB5 (С) вызов на индикатор минут и секунд текущего времени,

– SB6 (О) фиксация показаний индикатора во всех режимах,

– SB7 (В) вызов на индикатор часов и минут текущего времени,

– SB8 (К) коррекция показаний часов в режиме отсчета текущего времени и обнуление разрядов минут и секунд

– SB9 (Б2) вызов на индикатор времени срабатывания будильника 2.

Описание структурной схемы

Структурная схема часов представлена на чертеже, по ней можно определить принцип работы часов.

Начну описание с блока питания (БП). В этом курсовом проекте блок питания предназначен для преобразования напряжения в сети (которое очень высокое) в нужное для работы индикатора. Для правильной работы АЛУ стоит выпрямитель и стабилизатор напряжения.

Частотозадователь нужен для обеспечения нужной частоты импульсов для АЛУ, где импульсы, следующие с периодом в одну минуту, поступают на первый счетчик минутных импульсов ( >). Каждый импульс его переполнения увеличивает содержимое второго счетчика ( >). Максимальное число в этих счетчиках составляет >. С поступлением следующего минутного импульса эти счетчики обнуляются, и импульс переноса со второго счетчика записывается в третий счетчик ( >). Следующая единица будет записана в третий счетчик через час. С третьего счетчика каждые 10 часов импульсы переноса заполняют четвертый счетчик ( >). Максимальное число в четырех счетчиках соответствует времени 23 часа 59 минут. Поступающий после этого минутный импульс вызывает переполнение всех счетчиков – устанавливает их в нуль, начинается счет времени следующих суток.

Для управления АЛУ, в этих часах есть блок управления (БУ) с помощью которого ведется настройка и управление временем, будильниками и позволяет использовать часы как таймер.

Для работы генератора звука собран умножитель напряжения, который питается от напряжения индикатора и умножает его чуть больше чем в 2 раза. Для работы преобразователя стоит выпрямитель, который переводит из переменного напряжения в постоянное. Преобразователь напряжения переводит из положительного напряжения в отрицательное от которого питается генератор звука. Для возбуждения ГЗ микросхема передает импульс.

Все команды во время настройки, управления и вообще работа часов выводится на электроннолучевой индикатор который представляет собой обычное табло состоящие из четырех восьмерок разделяющих на две группы чисел двумя мигающими точками.