Ceas cu cuarț

Un ceas cu cuarț sau ceas electronic folosește un oscilator electronic controlat de un rezonator cu cristale de cuarț . Acest oscilator de cristal creează un semnal de timp foarte precis, astfel încât ceasurile cu cuarț sunt mai precise decât ceasurile mecanice .

Vocabular

Termenii ceas cu cuarț și ceas electronic sunt folosiți identic , ceea ce este corect în marea majoritate a cazurilor. Cu toate acestea, putem găsi:

Schema bloc a unui ceas de cuarț este relativ simplu. Energia provine de la o baterie cu buton care alimentează circuitul integrat (IC) , cuarț și un sistem de afișare, care folosește fie piese mobile pentru un ceas cu afișaj mecanic, fie un ecran pentru un ceas cu afișaj electronic. IC-ul oscilează cuarțul la o frecvență precisă și stabilă, care este baza de timp. În cazul unui ceas cu afișaj mecanic, IC-ul trimite impulsuri la intervale regulate către un motor pas cu pas care întoarce o roată dințată la care sunt atașate ace sau discuri, care indică orele, minutele și orele, adesea secundele.

Definiții pentru afișare

Există două tipuri de afișaje:

Există două tehnici:


Istoric

La începutul 20 - lea  secol, inginerii de radio sunt în căutarea pentru o sursă de frecvență precisă și stabilă. Încep cu rezonatori de oțel. În paralel, Paul Langevin folosește cuarțul pentru a emite și a primi unde acustice ( sonar ), ceea ce îi inspiră pe Walter Guyton Cady și GW Pierce, care dezvoltă primele oscilatoare cu cuarț. Acestea din urmă se dovedesc a fi foarte stabile chiar și atunci când temperatura variază. Rezonatorii din oțel dispar în câțiva ani. Mai târziu, cercetătorii de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) descoperă că un ceas care conține un oscilator de cristal poate fi mult mai precis decât un ceas cu pendul . Din 1930 până în 1960, ceasurile de cuarț aveau dimensiunea unui cuptor cu aragaz și stabileau standardul timpului până la apariția ceasurilor atomice .

Datorită miniaturizării electronice și îmbunătățirii proceselor de fabricație, conținutul unui frigider devine brusc portabil pe încheietura mâinii. Dezvoltarea ceasurilor cu cuarț are loc în paralel în Japonia și Elveția. În timpul competiției internaționale de cronometrie din 1967, primele mișcări de cuarț au fost prezentate publicului larg. Unele provin de la Centrul Électronique Horloger (CEH), iar altele de la centrul de cercetare și dezvoltare Seiko . Este o adevărată revoluție din punct de vedere cronometric, aceste mișcări sunt deja de zece ori mai precise decât cele mai bune ceasuri mecanice ale vremii. Primele zece locuri din competiție sunt câștigate de CEH. Aceste mișcări conțin un rezonator de cuarț în formă de bară, un tip de rezonator care nu mai este folosit deloc astăzi .

Primul ceas de mână din cuarț care se comercializează este Seiko 35SQ , lansat pe piață în 1969. Vândut în 100 de exemplare cu o carcasă din aur, costă prețul unei mașini. Primele ceasuri elvețiene din cuarț, folosind mișcarea beta 21, au fost comercializate din 1970.

În anii 1970, introducerea circuitelor integrate de tip MOS a făcut posibilă obținerea unei autonomii de 12 luni folosind o baterie simplă cu buton , fie că este vorba de acționarea unui motor pas cu pas Lavet sau a unui afișaj cu cristale lichide (LCD). Pe de altă parte, afișajele cu diode emițătoare de lumină (LED) au fost abandonate rapid din cauza consumului relativ ridicat.

Buton celulă

Butoanele din ceasurile electronice sunt fie oxid de argint (1,5 V), fie litiu (3 V). Capacitatea acestora variază, în funcție de dimensiunea bateriei și funcțiile ceasului, între 20 și 200 mAh. Bineînțeles, un ceas cronograf care are o întâlnire și o iluminare trebuie să conțină o baterie cu o capacitate mai mare decât un ceas cu două mâini pentru a avea o autonomie echivalentă (sau o rezervă de putere ).

Puterea necesară funcționării unui ceas electronic cu trei mâini este echivalentă cu cea a unui ceas mecanic (de obicei 1,5 μW), cu toate acestea cantitatea de energie disponibilă într-o celulă de butoane este mai mare decât cea a unui butoi , ceea ce oferă cu ceasurile electronice simple o autonomie mai mare (de obicei 3 ani față de 2 zile pentru ceasurile mecanice).

Circuit integrat (IC)

Circuitul integrat al ceasurilor electronice este produs în tehnologia CMOS , cu o atenție deosebită acordată puterii consumate, care trebuie să fie cât mai redusă posibil (de obicei 0,1 μW). O parte a circuitului este dedicată oscilatorului. Această parte include un amplificator, care, împreună cu cuarțul extern și cu doi condensatori, formează un oscilator Pierce . Condensatoarele pot fi încorporate în circuitul integrat sau pot fi externe. Sunt folosite pentru a regla frecvența oscilatorului.

O altă parte a CI are 15 etape, fiecare împărțind frecvența oscilatorului la două. Această frecvență se schimbă astfel de la 32 768  Hz la 1 Hz și este utilizată pentru a crește secundele.

Pentru a limita consumul, impulsurile trimise la motor pot fi tăiate și viteza de tocare poate fi modificată în funcție de sarcina motorului. Pe baza semnului curentului care curge prin motor, IC-ul detectează dacă o treaptă a motorului are succes sau nu. Dacă este ratat, pasul este prins și rata de hash este adaptată astfel încât pasul să fie făcut corect. Apoi servo încearcă să reducă din nou consumul prin scăderea ratei de hash. Acest lucru se întâmplă în mod obișnuit în timpul schimbării datei (la schimbarea datei), roata dințată având nevoie de mai mult cuplu în acest moment.

Dacă ceasul are un afișaj electronic, comanda afișajului înlocuiește comanda motorului.

IC poate include, de asemenea, controlul funcțiilor suplimentare, cum ar fi un cronograf sau un ceas cu alarmă.

IC poate conține, de asemenea, setarea de rulare prin inhibare.

Cuarţ

Cele cuarț Combinele monocristaline trei caracteristici care o fac foarte popular ca un rezonator pentru baza de timp sau frecvență  :

Proprietăți de cuarț

Chimic, cuarț este alcătuit din dioxid de siliciu (SiO 2 ) , molecule care sunt aranjate într - o trigonal-trapezoidal cristal structură și care au piezoelectrice proprietăți . Atunci când o lamă de cuarț este supusă unor solicitări mecanice, cum ar fi îndoirea, aceasta acumulează sarcini electrice la suprafață. În schimb, dacă sarcinile electrice sunt plasate pe fețele lamei de cuarț, aceasta se va îndoi. Aceste efecte piezoelectrice și piezoelectrice inverse pot fi utilizate atât în microfoane sau fonografe , unde vibrațiile mecanice produc un semnal electric, cât și în capetele de imprimare cu jet de cerneală în care un semnal electric produce vibrații mecanice.

Cuarțul are un alt avantaj important: în funcție de orientarea cristalină a napolitanei în care va fi fabricat rezonatorul și în funcție de modul de vibrație, coeficienții săi termomecanici, în special coeficientul său termoelastic (variația modulului lui Young cu temperatura ) sunt mici și, prin urmare, frecvența sa de rezonanță rămâne stabilă atunci când temperatura variază. Furcile de acordare sunt realizate în plăci de cuarț orientate într-o tăietură numită z + 2 ° x. Modul lor de vibrație este flexia . Au fost utilizați alți rezonatori, de exemplu, cu o tăietură ZT, care corespunde unei duble rotații (începând de la o tăietură z, ​​o primă rotație în jurul x sub un unghi φ = 26,5 °, apoi o rotație de Θ = 20 ° în jurul z ') . Rezonatorul ZT funcționează în extensie , frecvența sa de rezonanță este de obicei de 2 MHz. Să cităm și tăierea AT, care este foarte răspândită pentru a face baze de frecvență între câțiva MHz și 200 MHz și care folosește un mod de forfecare .

Scufundat într-o soluție care conține acid fluorhidric, cuarțul este gravat mult mai rapid de-a lungul axei z decât în ​​celelalte direcții. Procesul de frabricare constă în depunerea straturilor metalice de Cr și Au, apoi aplicarea unui fotorezistent (PR) pentru îndepărtarea acestor straturi într-o manieră localizată și aceasta pe ambele părți ale oblelor. Straturile metalice servesc apoi ca o mască pentru gravarea chimică a cuarțului și pot fi apoi utilizate pentru o parte a electrozilor. Această gravare chimică puternic anizotropă face posibilă obținerea laturilor relativ drepte. Straturile de metal sunt încă aranjate pe părțile laterale ale brațelor diapozitivului. În cele din urmă, o ajustare a frecvenței prin ablație cu laser este efectuată la capetele brațelor.

Datorită proprietăților de mai sus, este posibil să se fabrice rezonatoare în formă de furcă de reglare, oscilante la aproximativ 32 kHz, cu proprietăți cronometrice excelente. Acești rezonatori sunt încă încapsulați sub vid pentru a evita fricțiunile în aer, ceea ce crește factorul de calitate și, prin urmare, scade puterea necesară pentru menținerea oscilațiilor.

Ceas cuarț

Circuitul electronic al unui ceas cu cuarț cuprinde un oscilator , care include un amplificator , încorporat în circuitul integrat și un rezonator de cuarț. Rezonatorul acționează ca un filtru electronic prin eliminarea tuturor frecvențelor, în afară de frecvența sa naturală. Semnalul de la ieșirea rezonatorului este returnat la intrarea amplificatorului, care asigură oscilația circuitului. Când circuitul pornește, există suficient zgomot în circuit pentru a iniția oscilația la frecvența dorită.

La ceasurile cu cuarț moderne, rezonatorul de cuarț are forma unui diapazon mic , a cărui frecvență de rezonanță este ajustată aproape de 32 768  Hz cu ajutorul unui laser . Această frecvență, egală cu 2 15 cicluri pe secundă, este aleasă astfel încât un lanț de 15 divizoare electronice (T flip-flop) face posibilă atingerea frecvenței de 1 Hz necesare pentru controlul indicației secundelor. La ceasuri, rezonatorul este încapsulat într-o cutie metalică sau într-o cutie ceramică . Este lipit la modulul electronic în același timp cu celelalte componente electronice.

Motivul pentru care rezonatorul de 32 kHz a devenit atât de popular se datorează unui compromis între frecvențele înalte care necesită o mare putere de susținere și frecvențele joase care necesită cristale mari.

Formula pentru calcularea frecvenței fundamentale ( ) a vibrației unui fascicul de cuarț în funcție de dimensiunile sale este:

sau

Cele mai vechi rezonatoare de ceas de mână cuarț aveau un cuarț în formă de bară, cu o constantă K de 5590 Hz m, în timp ce pentru o diapazonă, această constantă este de numai 880 Hz m. Pentru o frecvență dată, o constantă joasă K implică dimensiuni mai mici, ceea ce este interesant pentru ceas. În plus, în timpul asamblării în carcasa sa, fixarea furcii de reglare este mai ușor de realizat decât cea a barei.

Precizie ceas cuarț

Acuratețea funcționării unui ceas cu cuarț este mai bună decât ± 1  s / zi (a doua zi).

Datorită constrângerilor de fabricație, un cuarț nu este niciodată exact la frecvența dorită și acest lucru în ciuda numeroaselor etape de reglare în timpul gravării chimice, precum și la sfârșitul fabricației în timpul ablației cu laser a stratului d. Aur la lungimea brațului. Diferite sisteme de corecție a ratei fac posibilă fie corectarea frecvenței (reglarea prin condensator), fie corectarea blocului divizor de frecvență (reglarea prin inhibare).

Reglarea ratei prin condensator variabil

Circuitul electronic, care menține oscilațiile cuarțului, îl vede ca un circuit electric LC .

Prin urmare, este posibil să reglați frecvența de oscilație prin adăugarea unui condensator reglabil, numit și tundător , în serie cu cuarțul.

Această soluție, utilizată în primele module electronice de cuarț, prezintă o problemă de îmbătrânire. De-a lungul anilor, capacitatea condensatorului variabil se schimbă și frecvența începe să scadă. Ceasul trebuie reglat regulat. Acest sistem se găsește numai în module electronice vechi.

În prezent, ceasurile cu cuarț folosesc tehnica de reglare prin condensatori integrati sau prin inhibare.

Reglarea ratei prin condensatori integrati

Acest sistem funcționează ca pentru reglarea prin condensator variabil, cu excepția faptului că condensatorul variabil este înlocuit de un banc de condensatori fixi, implantat în circuitul integrat. Reglarea se face prin deconectarea unuia sau mai multor condensatori fixi. Corecția este deci programată prin arderea laserului („laser fused”) anumite conexiuni ale condensatorului direct pe circuitul integrat. Conexiunile pot fi, de asemenea, programate într-o EEPROM care activează tranzistoarele pentru a conecta sau nu condensatoarele. Reprogramarea ratei este posibilă în cazul EEPROM.

Ajustarea ratei prin inhibare

Cu sistemul de control al ratei prin inhibiție, cuarțul trebuie să aibă o frecvență de oscilație puțin mai mare de 32 768  Hz . Circuitul electronic care împarte frecvența este echipat cu o logică care permite scăderea unui anumit număr de impulsuri la intervale regulate, de exemplu o dată pe minut. Odată asamblat modulul electronic, frecvența acestuia este comparată cu un ceas de precizie. Numărul de cicluri de scăzut este determinat și programat în modulul electronic.

Din nou, programarea se poate face prin tăierea pieselor de cupru pe circuitul tipărit („PCB scratch”), prin conectarea cu laser a circuitelor integrate („laser fused”) sau prin stocarea informațiilor într-o EEPROM .

Dependența termică

Frecvența oscilatorului este reglată prin una dintre metodele de mai sus, în principiu la o temperatură de 25 ° C. Cu toate acestea, variațiile de temperatură determină o derivare a frecvenței care poate fi descrisă de:

sau

  •  : coeficientul de temperatură de ordinul întâi
  •  : coeficient de temperatură de ordinul doi
  •  : coeficient de temperatură de ordinul III
  •  : temperatura de referință (în general 25 ° C)

Diapozitivul de cuarț z + 2 ° x tăiat, utilizat la majoritatea ceasurilor, are o dependență termică parabolică ( = -0,035 ppm / ° C 2 și = 25 ° C), ceilalți coeficienți de temperatură fiind aproape zero. Referindu-ne la graficul opus ratei în s / d (1 s / d = 11,6 ppm ), un ceas cu cuar tinde să rămână în urmă, indiferent dacă temperatura crește sau scade comparativ cu 25 ° C.

Compensare termică

Mai multe evoluții au făcut posibilă îmbunătățirea preciziei ceasurilor electronice. De exemplu, prin utilizarea a două furci de reglare a căror dependență termică este schimbată sau prin alegerea unei alte tăieturi în cuarț, cum ar fi tăierea ZT care are o dependență mult mai mică și de formă cubică. Aceste tipuri de rezonatoare utilizează un mod de vibrație de alungire. Au o frecvență rezonantă relativ mare de ordinul MHz și, prin urmare, consumă mai multă energie decât diapazonele. Au o dependență termică similară cu cea a rezonatoarelor de forfecare AT.

La unele ceasuri electronice, variațiile de temperatură sunt compensate. Un senzor este integrat pentru a măsura temperatura și a corecta rata printr-o a doua inhibiție, în blocul divizorului de frecvență. Circuitul trebuie calibrat pentru a introduce într-o memorie numărul de impulsuri care trebuie retrase în funcție de temperatura măsurată. Această compensare a temperaturii permite producerea ceasurilor cu o precizie de până la ± 5  s / an .

Corecție radio controlată

În unele mișcări electronice, timpul poate fi sincronizat la intervale regulate cu un timp transmis prin undă radio. Aceasta se numește ceas radio-controlat . Există mai multe tipuri de transmisii radio în timp:

Precizia ceasurilor radio controlate este excelentă. Este comparabilă cu cea a ceasurilor atomice la care sunt sincronizate. În plus, ceasurile radio controlate sunt setate automat la ora la care se schimbă fusurile orare.

Cu toate acestea, această precizie nu se datorează ceasului în sine. În cazul pierderii semnalului de transmisie, ceasul radio controlat revine la precizia cuarțului pe care îl conține.

Cronometre

Un ceas electronic poate revendica titlul de Cronometru . Pentru aceasta, fiecare ceas trebuie să treacă individual testele unui laborator certificat precum COSC .

Titlul de Cronometru impune ceasului cuarț o eroare de funcționare mai mică de 0,07  s / zi sau 25  s / an . Pentru a îndeplini aceste criterii stricte ale etichetei Chronometer, ceasurile cu cuarț trebuie să fie echipate în prezent cu compensare termică (vezi mai sus).

Ceasurile cu pilot radio nu pot revendica titlul de Cronometru, deoarece precizia lor este obținută de ceasuri atomice externe ceasului.

Ceas mecanic cu afișaj

Ceasurile cu cuarț cu afișaje mecanice folosesc aproape întotdeauna un motor pas cu pas , de tip Lavet, pentru a muta mâinile sau discurile.

Motor de toaletă

Inventat în 1936 de Marius Lavet , motorul Lavet conține un rotor care include un magnet și un stator . Când se aplică un impuls de tensiune pe bobina statorului, câmpul magnetic generat este condus de materialul magnetic moale al statorului și determină rotirea rotorului. Funcționarea sa poate fi împărțită în patru etape (ilustrate în diagrama opusă):

  • a) fără tensiune, magnetul rotorului este orientat în funcție de celulele formate în stator;
  • b) un prim impuls de tensiune pozitivă roteste rotorul printr-un unghi în sensul acelor de ceasornic;
  • c) odată ce tensiunea electrică a scăzut, celulele repoziționează rotorul în funcție de unghi . A făcut o întoarcere în U;
  • d) un al doilea impuls, de data aceasta negativ, continuă să rotească rotorul în sensul acelor de ceasornic. Odată ce tensiunea electrică a scăzut, rotorul revine la poziția sa inițială.

Brevetul depus pentru acest motor a făcut averea lui Marius Lavet, datorită căreia a creat premiul Chéreau-Lavet care îi răsplătește pe inginerii-inventatori francezi.

Pentru ceasurile cu trei mâini, deci cu cel de-al doilea, motorul pas cu pas face o rotire în fiecare secundă, deci se folosește un reductor de 30x până la roata secundară.

Setarea orei

În principiu, timpul ceasurilor cu afișaj mecanic se face mecanic. O roată dințată conectată la coroană face posibilă reglarea poziției orelor și minutelor sau a discurilor.

Ceas cu afișaj electronic

Ceasul cu afișaj electronic urmează un model ușor modificat față de ceasul cu afișaj mecanic. IC-ul acționează afișajul electronic. Prin urmare, nu există părți mecanice în mișcare, în afară de butoanele de reglare a timpului sau, de exemplu, de aprindere a unei lumini pentru a vedea ora pe timp de noapte.

Afișul electronic este alcătuit dintr-o suprafață care include o multitudine de elemente active numite segmente sau pixeli. Aceste elemente sunt utilizate pentru a afișa ora, textul, pictogramele etc. Tehnologiile cele mai utilizate astăzi sunt LCD , LED , OLED și hârtie electronică .

LCD

Ore, minute și, eventual, secunde sunt afișate în majoritatea cazurilor prin cifre numerice formate din segmente , conținând cristale lichide (LCD) . În funcție de tensiunea aplicată cristalului lichid, segmentul este fie vizibil, fie transparent. Cristalul lichid este, în general, de tip nematic răsucit. Fără tensiune la bornele sale, rotește polarizarea luminii cu 90 °. Din polarizatori sunt dispuși de fiecare parte a cristalului lichid cu polarizări perpendiculare unul față de celălalt. Fără tensiune, prin urmare, lumina trece prin segment și polarizatoare. Când se aplică o tensiune suficientă, cristalele lichide se orientează în câmp și, prin urmare, nu mai rotesc polarizarea. Al doilea polarizator blochează apoi lumina și, prin urmare, segmentul apare negru.

Setarea orei

Timpul ceasurilor cu afișaj electronic se face în general prin butoane sau printr-o coroană electronică sau printr-o suprafață tactilă plasată sub cristalul ceasului.

Vezi și tu

Note și referințe

  1. Brevet, rezonator cu arc echilibrat termocompensat, T. Hessler și R. Dinger (2003), Asulab SA, EP1519250-B1 .
  2. DB Sullivan , „  Măsurarea timpului și frecvenței la NIST: primii 100 de ani  ”, Divizia timp și frecvență ,2001
  3. "Aventura ceasului de cuarț", M. Forrer și colab., Centredoc, 2002.
  4. http://ieee-uffc.org/wp-content/uploads/2016/11/step.pdf Carlene Stephens și Maggie Dennis Ingineria timpului: inventarea ceasului de mână electronic
  5. „  First-Hand: The First Quartz Wrist Watch  ” (accesat la 21 decembrie 2018 )
  6. „  Cum funcționează un ceas cu cuarț  ” (accesat pe 29 iunie 2016 )
  7. J. Hermann , "  Rezonatoare cuarțice de ceasornic  ", Ziua de studiu SSC ,1989
  8. (în) Virgil E. Bottom , Introducere în proiectarea unităților din cristal de cuarț , seria Van Nostrand Reinhold de electrotehnică / informatică și inginerie,1982
  9. M. Vermot , P. Bovay , D. Prongué , S. Dordor și V. Beux , Tratatul construcției ceasornicarilor , PPUR,2014, 1116  p. ( ISBN  978-2-88074-883-8 , citit online )
  10. „  Foaie de date, seria DS, micro cristal  ”
  11. Pascal Lagorgette , „  Calibrele NTC: revoluția electronică a mișcării de cuarț  ”, Ziua de studiu SSC ,2017
  12. Brevet, Îmbunătățiri la sistemele și dispozitivele de control electric de la distanță, în special la motoarele și ceasurile sincrone, Marius Lavet (1938), Hatot, FR823395 (A) .
  13. „  Premiul Chéreau-Lavet  ” , pe arts-et-metiers.asso.fr (accesat la 15 octombrie 2012 ) .

Lecturi suplimentare

  • Cook A, „  Time and the Royal Society  ”, Note and Records of the Royal Society of London , vol.  55, n o  1,2001, p.  9–27 ( DOI  10.1098 / rsnr.2001.0123 )
  • Marrison WA, „  Evoluția ceasului cu cristal de cuarț  ” , Bell System Technical Journal , vol.  27,1948, p.  510-588 ( DOI  10.1002 / j.1538-7305.1948.tb01343.x , citiți online )
  • Jacques Mermod , Maurice Gauchat , Georges Mongin și Francis Schwab , Ceasuri electrice și electronice , Neuchâtel, Federația școlilor tehnice elvețiene,1977, 253  p.
  • Charles-André Reymondin , Georges Monnier , Didier Jeanneret și Umberto Pelaratti , Teoria horologiei , Neuchâtel, Federația școlilor tehnice (FET),2015, 333-359  p. ( ISBN  978-2-940025-47-3 și 2-940025-47-9 )
  • Michel Vermot , Philippe Bovay , Sébastien Dordor , Vincent Beux și Damien Prongué , Tratatul construcției ceasornicarilor , Lausanne, Presses polytechniques et universitaire romandes (PPUR),2014, 897–1102  p. ( ISBN  978-2-88074-883-8 , citit online ).

linkuri externe