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

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

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

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

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

Теперь остановимся подробнее на принципе работы и устройстве кварцевого резонатора.

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

Работа кварцевого резонатора основана на пьезоэлектрическом эффекте.

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

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

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

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

Резонанс

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

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

Микроконтроллер

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

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

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