Точность астрономических часов Шорта была превзойдена кварцевыми часами, условия для появления которых были подготовлены развитием радиотехники и электроники.

История применения пьезоэлектрического кристалла кварца. Изучение физико-технических свойств кварца и их использование в технике (в частности, в области хронометрии) имеют свою небольшую, но интересную и во многом поучительную историю. Изучение свойств кварца привело к открытию пьезоэлектрического эффекта, который заключается в появлении на поверхности кристалла кварца при его сжатии или растяжении одинаковых по величине, но разноименных электрических зарядов. Этот эффект впервые обнаружили и изучили в 1880 г. братья П. и Ж. Кюри на кристаллах турмалина и кварца; он получил название прямого пьезоэлектрического эффекта. В 1881 г. немецкий ученый Липпман, ознакомившись с работа ми Кюри, предположил существование обратного пьезоэлектрического эффекта, или механической деформации кристалла кварца, пропорциональной напряженности электрического поля. В том же году братья Кюри экспериментально подтвердили существование такого эффекта. В настоящее время он используется в системе кварцевых часов.

Первая серьезная попытка использовать пьезоэлектрический эффект в электрической цепи была сделана в 1917 г. А. М. Никольсоном. Он применил сегмент сегнетовой соли (пьезоэлектрик),, чтобы создать устройство для превращения электрической энергии в звук и обратно. На этой основе он создал громкоговоритель и микрофон. Никольсон был одним из первых, кто сумел использовать пьезоэлектрические свойства кварца для контроля частоты. В 1918 г. французский физик П. Ланжевен применил пьезоэлектрический эффект кварца для подвод ной сигнализации при помощи ультразвуковых колебаний.

Исследовательские работы по использованию пьезоэффекта кварца в технике в качестве эталона частоты и времени были начаты в 1921 г. американским ученым Кеди, однако лишь в 1927—1930 гг. В. А. Маррисону — сотруднику телефонной лаборатории Белла (США)—первому удалось применить высоко частотные колебания кварца для создания часов. С этой целью был вырезан кусок кварца в форме кольца из кристалла таким образом, чтобы изменения частоты его колебаний с изменением температуры были возможно малы. Кристаллическое кольцо было установлено в камере с управляемой температурой, ее колебания допускались только в пределах ±0,01° С. В камере, где помещался кварц, атмосферное давление поддерживали на постоянном уровне. Камера находилась под герметическим кол паком. Колебания кристалла были отрегулированы на частоту 100 кГц.

В 1937 г. большая работа по усовершенствованию конструкции кварцевых часов была проведена в Германии А. Шейбе и У. Адельсбергом, обратившими особое внимание на выбор наиболее рационального способа изготовления кварцевой пластинки. Они доказали существование зависимости частоты резонанса от ориентации и форм волн упругих колебаний кварца относительно кристаллографических осей. Выводы из этих исследований позволили установить нужные направления среза кус ков кварца для уменьшения влияния изменения температуры на резонансные частоты колебаний кварца.

В кварцевых часах, созданных Шейбе и Адельсбергом, применены кварцевые бруски длиной 91 мм со сторонами сечения 11,4 мм; частота их продольных колебаний составляла 60 кГц.: Кварцевый стержень помещался в трубку с разреженным водородом, где прикреплялся в узлах упругих волн. Опытами было установлено, что если вырезать стержни так, чтобы их ось была параллельна электрической оси кварца, то можно добиться весьма малого температурного коэффициента, меняющего при температуре 36° С свой знак.

Когда первый каскад установки помещали в совершенный термостат при температуре 36° С, то удавалось значительно снизить влияние колебания температуры на частоту колебаний кварца. Благодаря этому и другим усовершенствованиям кварцевые часы Шейбе и Адельсберга оказались высокого качества.

Исключительное значение для дальнейшего усовершенствования конструкции кварцевых часов имели результаты исследований Дайя и Эссена, проведенные в Англии в Национальной физической лаборатории над кварцем, вырезанным из кристаллического кварца в виде кольца. Эти исследования позволили английским инженерам в 1934 г. создать весьма совершенные кварцевые часы с осциллятором в виде кварцевого кольца, плоскость которого перпендикулярна оси Z. В том же году они были применены в Гринвичской обсерватории в качестве эталона частоты и времени вместо маятниковых часов Шорта.

Отличительные свойства кварца как осциллятора. Кварц является веществом физически и химически весьма стойким. Он имеет твердость, почти равную рубину и сапфиру. Кроме физической и химической стойкости, кварц обладает малым упругим гистерезисом и малым внутренним трением. Поэтому для поддержания его колебаний требуется небольшая энергия. Обладая слабым затуханием колебаний, кварц, как осциллятор, имеет высокую добротность (Q), равную 10-6 и более. В на стоящее время нет другой колебательной системы, которая мог ла бы обладать такой остротой и стабильностью резонанса, как кварц.
Кристалл кварца имеет сложную структуру, которая характеризуется рядом кристаллографических осей: оптической (Z), трех электрических (X) и трех механических (У). Они расположены в системе координатных осей так, как показано на рис. 258.

По форме кристалл кварца представляет собой шестигранную призму, оканчивающуюся шестигранными пирамидами. Оптическая ось, проходящая через геометрическую ось, соединяет вер шины пирамид. Перпендикуляр но к ней расположены три электрические оси, проходящие через ребра призмы. Также перпендикулярно к оптической оси через середины противоположных граней призмы проходят три механические оси.

Кристаллический кварц в качестве осцилляторов используется в форме колец, пластин, дисков, брусков. Они вырезаются из больших кусков кварца под разными углами по отношению к осям кристалла. Значение этих углов для разных типов среза с учетом соблюдения определенных размеров, ориентации относительно кристаллических осей приведены на рисунке. Путем таких срезов можно получить кварцевые осцилляторы, соответствующие определенным требованиям.

В. А. Маррисон

Практически требуемое для возбуждения колебаний кварцевого осциллятора переменное электрическое поле образуется в нем при размещении осциллятора между электродами, к которым прикладывается переменное напряжение. Тогда возни кают упругие колебания кварца, пропорциональные напряжению электрического поля. Амплитуда этих колебаний достигает 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 волны колебания, пропорционален половине длины этих волн. Длина упругой волны при данной частоте колебаний пропорциональна скорости распространения, которая, в свою очередь, определяется упругостью и плотностью кварца. Последние в кристаллическом кварце таковы, что размеры кварцевых пластин измеряются в сантиметрах и миллиметрах.

В зависимости от размеров и формы пластин кварца в резонаторе могут использоваться поперечные упругие колебания, называемые еще колебаниями по толщине. Колебания по толщине используются обычно на частотах в несколько сот кило герц, а колебания по длине — на более низких частотах. Использовать поперечные колебания на частотах ниже 300 кГц невыгодно, так как на этих частотах размеры пластин, колеблющихся по толщине, будут велики. Продольные колебания неудобно использовать на высоких частотах, поскольку размеры пластин, колеблющихся по длине, на этих частотах малы.

Рис. 258. Структура кристалла кварца

Рис. 259. Схема использования кристалла кварца в качестве осциллятора

Рис. 260. Колебания кварцевого кольца Эссена

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 параллельны механическим осям Y и оптическим Z (см. рис. 258). Колебания волн совершаются в продольном направлении под действием центрального и двух конечных электродов, соединенных 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, нанесенное непосредственно металлизацией на поверхность кварца в виде тонкой пленки (золота, серебра или никеля). Металлический слой электрода обеспечивает равномерное распределение электрических зарядов по всей поверхности пьезоэлемента. Металлические провода спаяны с «язычком», продолженным до узла колебательных волн. По мнению А. Шейбе, которому при надлежит разработка конструкции кристаллического кварца в форме бруска, они могут употребляться для получения колебаний с частотой в пределах 60—100 кГц.

Стандарт кристаллического кварца в форме кольца (см. рис. 258) разработан Л. Эссеном в Британской физической лаборатории. Внешний диаметр кольца 6 см, внутренний 4,5 см. Обод имеет квадратное сечение. Кольцо вырезано так, что его ось направлена по оптической оси Z. Когда электродам сообщены переменные заряды, образуются три сегмента сжатия, которые расположены под углом 120° друг к другу, и шесть узлов колебательных волн.

Кристаллический кварц в форме прямоугольной пластины (1X1,25X2,5 мм) применяется преимущественно в США. Он имеет срез GT (рис. 258) по плоскости, проходящей через ось X, и с оптической осью образует угол 51°; к механической оси ребра наклонены под углом 45°. Электроды расположены на больших гранях. Частота колебаний 100 кГц.

В последнее время известно применение в США срезов на тонких пластинках для получения колебаний с частотой 5 мГц вместо 1 мГц. Это достигается путем среза пластинки по толщине так, чтобы можно было получать узловые точки колебательных волн в определенных местах, например в трех. Разрез AT (см. рис. 258) проходит по плоскости, параллельной оси X с наклоном 35° к оси Z. Электроды находятся на лицевых сторонах на небольшом расстоянии друг от друга. Колебания по перечные.

Пределом для получения высоких частот на основной гармонике пьезоэлементов является их механическая прочность, так как толщина высокочастотных пьезоэлементов всего не сколько десятков микрон и их обработка представляет большие трудности.

Путем точной ориентации срезов кварцевых пластин относительно 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 специальный держатель между металлическими электродами, к кото рым подводится переменное напряжение. Конструкция держателя 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 пружиной. Кольцо располагается в обойме таким образом, что опоры находятся точно в узлах колебания. Кольцевой кварц защищен металлическим цилиндром, герметически сопрягающимся с базой обоймы.

В кварцевых часах осциллятор обычно находится в двух ступенчатом термостате или в сосуде Дьюара, где поддерживается температура с точностью до 0,001° С. Благодаря постоянству температуры обеспечивается стабильность частоты колебаний кварца. Термостатическое устройство контроля и управления представляет собой мост, неуравновешенность которого возникает вследствие изменения температуры и служит сигналом для устранения этого рассогласования.

На Женевской обсерватории кварцевый эталон частоты помещен 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 находится кварц. Вместе с кварцем в качестве термометрического устройства помещена мостовая схема.

До настоящего времени весьма актуальной остается проблема «старения» кварца, могущая оказывать дестабилизирующее 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, показали, 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, вызывающих старение кварца (тепловые действия, рекристаллизация, испарение и т. д.), имеет большое значение для повышения качества осциллятора. Старения добротных кварцевых осцилляторов 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 построены на многоламповых схемах и представляли собой сложное, громоздкое радиотехническое устройство. С 60-х годов стала успешно решаться проблема создания малогабаритных кварцевых часов с использованием полупроводниковой техники.

Кварцевые часы с многоламповой схемой. Кварцевые часы состоят из следующих основных блоков: задающего генератора с термостатом, делителя частоты с усилителями и выходными каскадами, блоков питания и электромеханической системы для движения стрелок. В ламповом генераторе кварцевых часов (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 контурами. Схема генератора, в котором кварц заключается между сеткой и катодом триода, является одной из первых схем генератора с кварцевой стабилизацией.

Кварцевый генератор переменного тока обладает высокой частотой (100 кГц), но несет слишком малую 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 (мультивибраторов) обращать в ток низкой частоты— 1000 Гц.

Кварцевый осциллятор при включении в колебательный ламповый генератор ведет себя как резонансный контур с индуктивностью и емкостью, какие обычно используются в радиотехнике. Кристалл кварца соединен с сеткой триодной электронной лампы.

Рис. 261. Простейшая схема генератора с кварцевой стабилизацией

Для обеспечения незатухающих колебаний генератора, работающего в осцилляторном режиме, необходимо к нему подключать источник электродвижущей 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 катодом и анодом Р дает возможность автоматически управлять потоком электронов, 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 напряжении сетки анодный ток может совсем прекратиться. Сетка по своему действию 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 колеблющимся кварцем в результате пьезоэлектрического эффекта, то они ей сообщают переменный потенциал; вместе с этим сила анодного тока будет изменяться. В анодной цепи возникает пульсирующий ток.

Когда пьезоэлектрические заряды попадают по обмотке на пластинку конденсатора С то приходят в состояние колебательного движения с определенной частотой, зависящей от индуктивности и емкости конденсатора. При равенстве 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 колебательном 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 собственная частота колебаний кварцевого осциллятора. Поскольку кристалл кварца соединен с сеткой и между ними имеется обратная связь через емкость между анодом и сеткой на частоте, близкой к собственной частоте кварца, последний имеет возможность регулировать свое электрическое питание, подобно тому как маятник управляет импульсами, подаваемыми спусковым механизмом.

Для того чтобы частоты колебаний кварцевого генератора и генератора с триодом были одинаковы, их контуры должны быть настроены в резонанс с частотой кварцевого осциллятора. Поэтому генераторы кварцевых часов собирают по схеме с параллельным резонансом.

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 резонансу 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, вынуждая ламповый генератор вернуться к номиналу частоты. Наличие флуктуации 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 благодаря 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 противоположной стороне находится электронная лампа с вольфрамовой нитью, являющейся контуром, состоящим из единственного витка при всех частотах, и действующая 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 находится в равновесности. Таким образом, кристалл кварца определяет частоту колебания в цепи моста. Хорошо отрегулированный кварцевый осциллятор не допускает внезапных отклонений частоты более чем на 1.10-10. Применение мостовых схем особенно необходимо в кварцевых часах, используемых в качестве эталона времени.

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)

Деление частоты колебаний кварцевого осциллятора осуществляется для получения колебаний, частота которых в п раз меньше его резонансных колебаний. 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 синхронно с электрической цепью (рис. 263). Замечательным свойством цепей электронных 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 сопротивление 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 обеспечиваются 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) управляется 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 дробной частоты, или делителя, с регенеративным делением частоты, который может делить начальную частоту сначала на 2, а затем на 5 (рис. 264). Таким образом достигается понижение первоначальной частоты на 10. Этот процесс повторяется, 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 регенеративного 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 синхронный 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. Помимо 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 ступенях делителей.

Синхронные двигатели, как и шаговые двигатели, срабатывают от импульсов 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 двигатель 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 зубчатой передачи с передаточным числом 1/3ооо-

Электродвигатель Уоррена с самопуском, так как его ротор через 1 /2 5 с после включения в электрическую цепь сам начинает вращаться и не требует каких-либо пусковых приспособлений. Он плавно входит в синхронизм и устойчиво работает в режиме синхронного вращения.

Необходимость применения электродвигателей с меньшими, чем 3000 об/мин, скоростями вызвала создание многополюсных реактивных синхронных 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 Уоррена и многополюсных реактивных двигателей приведено в книге Л. П. Шишелова.

Синхронные часы по своей конструкции совершенно отличны от механических 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 смотреть как на вторичный механизм, регулятором которого служат генераторы переменного тока центральной электростанции, питающей сеть, в которую включены часы. Для правильной работы синхронных часов необходимо строгое постоянство питающего их переменного тока.

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

В качестве источника энергии, необходимой для функционирования кварцевых 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 аккумуляторы. Батарея, создающая различные необходимые напряжения, заряжается через выпрямитель. Трансформация постоянного тока в переменный достигается через вибропреобразователи, а также от статических преобразователей (умформеров, преобразователей частоты) на полупроводниковых триодах.

Малогабаритные кварцевые часы на полупроводниковых приборах. Начиная 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 кварцевых часов удалось довести до таких минимальных размеров, что они стали выполнять функции переносных приборов времени. Особое значение имели успехи, достигнутые в развитии техники микроминиатюризации радиоаппаратуры в полупроводниковой техники, в частности в области новых полупроводниковых приборов на туннельных диодах. На этом фоне немаловажное значение имели открывавшиеся возможности в применений: а) автономных источников электропитания, обеспечивающих их автономную работу в течение длительного 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 которого вращается при деформации биметаллической пластинки или спирали; г) высокоэкономичных синхронных и шаговых электродвигателей.

Первый кварцевый хронометр, собранный на туннельных диодах, был разработан и изготовлен в США в 1960 г. Р. Уоттерсом. Схема собрана на четырех туннельных диодах и на одном транзисторе.

Шаговые электродвигатели в часовой технике заменили в электромеханических и электронно-механических приборах времени работу анкерных и храповых спусков для передачи импульсов на стрелку часов или на индикаторное устройство. Эти функции стал выполнять шаговый двигатель. В этом случае 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. Вращение выходного вала в этом электродвигателе носит дискретный (шаговый) характер.

На Швейцарской выставке образцов 1960 г. впервые экспонировались малогабаритные 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 смонтирована по блочной системе на 14 транзисторах. Часы состоят из четырех блоков: кварцевого осциллятора, делителя частоты, усилителя и синхронного электродвигателя со стрелочным механизмом. Погрешность кварцевого осциллятора (имеющего температурную компенсацию) не превышает ±0,1 с в сутки в интервале изменения температуры от 0 до 50°.

Малогабаритные кварцевые хронометры выпускаются в разных странах не только радиотехническими фирмами, но и традиционными часовыми фирмами, занятыми изготовлением механических хронометров, такими, как «Па тек—Филипп» и «Нарден» (Швейцария), «Гамильтон» (США), «Лип» (Франция») 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. Основным 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, выполнен на основе кварцевого осциллятора с собственной частотой 100 кГц. Делитель частоты собран на трех туннельных диодах. На выходе делителя полу чаются напряжения со стабильной частотой 50 кГц, поступающие на питание синхронного двигателя. Питание схемы осуществляется от батарейки, имею щей размеры элемента для карманного электрического фонаря. Работа туннельных диодов отличается высокой стабильностью, а вся схема обладает малой чувствительностью к температурным колебаниям.

Двумя швейцарскими фирмами «Улис Нарден» и «Эбош» создан кварце вый морской хронометр габаритом 250X180X130 мм с приводом стрелочного механизма от синхронного двигателя с самопуском. Этими же фирмами выпущен малогабаритный морской хронометр (200X150X150 мм) с миниатюрным шаговым двигателем, обеспечивающим полминутные скачки секундной стрелки.

Швейцарская фирма «Лонжин» выпускает наиболее малогабаритный кварцевый хронометр: размер его всего 104X72X82 мм. В нем применен кварцевый осциллятор с частотой 12 кГц. Он снабжен специальной схемой термокомпенсации. Делитель частоты состоит из предварительного делителя с каскадом деления на 5 и двух параллельных каналов с коэффициентами деления соответственно 5,5 и 6,4. С выхода делителя частоты поступают сигналы времени с частотой 96 и 100 Гц, а сигнал с частотой 4 Гц, снимаемый с выхода схемы совпадения, подается на шаговый двигатель стрелочного механизма. Хронометр обладает большой точностью хода. При постоянной температуре +20° С он обеспечивает отклонение суточного хода-в пределах ±0,005 с, а в диапазоне температур от 4 до 36° С отклонение хода не превышает ±0,1 с.

Английская фирма «Автоматик телефон энд электрик компаний выпускает малогабаритный кварцевый хронометр ATE на транзисторах. Осциллятор имеет форму бруска прямоугольного сечения и работает на колебаниях изгиба. Собственная частота колебания кварцевого осциллятора равна 4,096 кГц. Кварце вый регулятор собран по схеме с термокомпенсацией. Отклонение частоты колебаний не выходит за пределы 0,2 с по суточному ходу, что превышает точностные требования к механическим морским хронометрам первого класса.

Во Франции выпускаются кварцевые хронометры для астрономических наблюдений в экспедициях и для определения траекторий ракет и самолетов с синхронным двигателем. Скорость вращения выходной оси двигателя 60 об/мин.

Применение кварцевых часов в астрономических обсерваториях. Высокое постоянство частоты кварцевого осциллятора позволило создать астрономические кварцевые часы и использовать их в обсерваториях вместо астрономических маятниковых часов. Они применяются группами по двое, трое и более. Поэтому блок-схема кварцевых часов, объединенных в группы, может быть представлена в несколько усложненном виде (рис. 265) по сравнению с обычной схемой кварцевых часов. В связи с этим возникает необходимость применения добавочных устройств, как то: умножителя частоты, контактного устройства для подачи сигналов точного времени, схемы сравнения между собой частоты кварцевых часов, образующих группу, и т. д.

Комплексный характер использования кварцевых часов в обсерваториях имеет следующие преимущества: 1) группа кварцевых часов продолжает работать, если даже один из них выйдет из строя (например, при перегорании лампы); 2) имеется возможность обнаружения неправильности в работе любых кварцевых часов; 3) обеспечивается высокая точность в течение долгого промежутка времени.

Рис. 265. Использование группы кварцевых часов в астрономической обсерватории

При Бюро стандартов (США) имелось семь кварцевых часов, из них шесть имеют пластинки среза GT на 100 кГц в мостовой схеме стабилизации и один — брусок специальной фор мы на 200 кГц. Кристалл — в небольшом герметически закупоренном металлическом ящике в термостате. Для лучших образцов кварцевых часов при нормальных условиях работы кратковременные отклонения частоты меньше, чем ±2-10-9 ; сползание частоты за месяц меньше, чем 2-10-9, а за день — меньше, чем 10-10 .

Стабилизируемый кристаллом стандарт при Национальной физической лаборатории в Англии содержит кольцо на 100 кГц. В вакууме при постоянной температуре нестабильность составляет ±4- 10-1 0 за час и 1-10-8 за месяц. Длиннопериодная устойчивость, согласно Л. Эссену, составляет 2-10″8.

В Гринвичской обсерватории группа кварцевых часов со стояла из 16 штук. Осциллятор—в виде кольца на 100 кГц. В четырех кварцевых часах Физико-технической палаты мер (ГДР) применены кварцевые бруски с длиной, параллельной X или Y. Частота 69 кГц. Бруски отделяются от электродов зазором в 1 мм и монтируются в вакуумном термостате. Для этих часов дневное изменение составляет меньше 2-10-10, месячное— около 3-10-9.

В кварцевых часах «Дженерал радио» используется 50-килогерцевый кварцевый брусок среза X с длиной, параллельной X или Y. Температура коэффициента частоты составляет от 0,7-10_6 до 1,5-10~». Электроды состоят из химически нанесенного серебра, защищенного слоем меди или золота (или того и другого).

Многолетняя практика применения кварцевых часов в астрономических обсерваториях убедительно свидетельствует о необходимости учитывать при выборе схемы кварцевого генера тора то, что срок работы таких часов должен быть максимальный, а вариация их хода — минимальной,: В астрономических кварцевых часах генератор должен работать непрерывно в течение многих месяцев в условиях, обеспечивающих высокую стабильность частоты.

Рис. 266. Схема работы передающей системы

Для уменьшения влияния внешней среды на работу кварцевого генератора его помещают в стеклянный вакуумированный баллон. Этим практически исключается вредное влияние изменения атмосферного давления и влажности на стабильность частоты кварцевого резонатора. Стабильность повышается, когда кварцевые генераторы помещены в специальных подвалах на массивных столбах. Если подвалы глубоки, они играют еще и роль дополнительных термостатов. Постоянство температуры и стабильность напряжения питания — два важных условия для нормальной работы кварцевого генератора.

Поскольку резонансная частота кварцевого осциллятора заметно меняется при неустойчивой температуре, необходимо поддерживать постоянную температуру кварца. Для этого кварцевый резонатор помещается в термостат, где и поддерживается постоянная рабочая температура с точностью до 0,0001°. Усилитель, включенный в диагональ моста, должен обладать высокой стабильностью и значительным коэффициентом усиления.

В астрономических кварцевых часах высокое требование предъявляется и к источникам питания. Источники питания термостата, делителей и генератора должны быть независимы, при этом питание отдельных блоков должно обладать высокой стабильностью. Особенно это относится к генератору, так как стабильность его частоты зависит от качества источника питания. Применение специальных электронных стабилизаторов позволяет поддерживать напряжение питания с постоянством до долей процентов.

Если регулировать температуру с указанной точностью и строго контролировать напряжение питания и амплитуду колебаний, можно достигнуть стабильности частоты, которая для коротких промежутков времени равна 10-10 , а для длинных — От 10-7 до 10~8 (причем ограничивающим фактором служит старение кварца). Это значит, что через год такие часы отстанут или уйдут вперед приблизительно на 1 с. Старение кварца является основным недостатком кварцевых часов, не позволяющим использовать их в качестве постоянного эталона времени и частоты.

Сигналы времени теперь передаются службой времени, имеющей в своем распоряжении группу первоклассных кварцевых часов и атомный эталон. Схема работы передающей системы приведена на рис. 266. Передача сигналов точного времени производится по определенным программам через радио станции.