Los relojes de cuarzo y los relojes de cuarzo son relojes que utilizan un oscilador electrónico regulado por un cristal de cuarzo para mantener el tiempo. Este oscilador de cristal crea una señal con una frecuencia muy precisa , de modo que los relojes de cuarzo y los relojes son al menos un orden de magnitud más precisos que los relojes mecánicos . Generalmente, alguna forma de lógica digital cuenta los ciclos de esta señal y proporciona una visualización de tiempo numérica , generalmente en unidades de horas, minutos y segundos.
El primer reloj de cuarzo del mundo fue construido en 1927 por Warren Marrison y J. W. Horton en Bell Telephone Laboratories . Sin embargo, el primer reloj de cuarzo del mundo fue presentado por el relojero japonés Seiko como Astron en diciembre de 1969. [1] [2] Desde la década de 1980, cuando el advenimiento de la electrónica digital de estado sólido permitió que se hicieran compactos y económicos, el cuarzo. Los cronometradores se han convertido en la tecnología de cronometraje más utilizada en el mundo, utilizada en la mayoría de relojes y relojes , así como en computadoras y otros aparatos que marcan el tiempo.
Explicación
Químicamente, el cuarzo es una forma específica de un compuesto llamado dióxido de silicio . Muchos materiales se pueden formar en placas que resonarán . Sin embargo, el cuarzo también es un material piezoeléctrico : es decir, cuando un cristal de cuarzo está sujeto a esfuerzos mecánicos, como la flexión, acumula carga eléctrica en algunos planos. En un efecto inverso, si se colocan cargas a través del plano del cristal, los cristales de cuarzo se doblarán. Dado que el cuarzo puede ser impulsado directamente (para flexionarse) mediante una señal eléctrica, no se requiere ningún transductor adicional para usarlo en un resonador . Se utilizan cristales similares en los cartuchos de fonógrafo de gama baja : el movimiento del lápiz óptico (aguja) flexiona un cristal de cuarzo, que produce un pequeño voltaje, que se amplifica y se reproduce a través de los altavoces. Los micrófonos de cuarzo todavía están disponibles, aunque no son comunes. [ cita requerida ]
El cuarzo tiene la ventaja adicional de que su tamaño no cambia mucho a medida que fluctúa la temperatura . El cuarzo fundido se usa a menudo para equipos de laboratorio que no deben cambiar de forma junto con la temperatura. La frecuencia de resonancia de una placa de cuarzo, basada en su tamaño, no aumentará ni disminuirá significativamente. De manera similar, dado que su resonador no cambia de forma, un reloj de cuarzo seguirá siendo relativamente preciso a medida que cambie la temperatura.
A principios del siglo XX, los ingenieros de radio buscaron una fuente precisa y estable de frecuencias de radio y comenzaron al principio con resonadores de acero. Sin embargo, cuando Walter Guyton Cady descubrió que el cuarzo puede resonar con menos equipo y mejor estabilidad de temperatura, los resonadores de acero desaparecieron en unos pocos años. Más tarde, los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (entonces la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU.) Descubrieron que un oscilador de cristal podría ser más preciso que un reloj de péndulo .
El circuito electrónico es un oscilador , un amplificador cuya salida pasa a través del resonador de cuarzo. El resonador actúa como un filtro electrónico , eliminando todas las frecuencias de interés excepto la única. La salida del resonador se retroalimenta a la entrada del amplificador, y el resonador asegura que el oscilador "aúlla" con la frecuencia exacta de interés. Cuando se enciende el circuito, una sola ráfaga de ruido de disparo (siempre presente en los circuitos electrónicos) puede caer en cascada para hacer oscilar el oscilador a la frecuencia deseada. Si el amplificador estuviera perfectamente libre de ruido, el oscilador no se iniciaría.
La frecuencia a la que oscila el cristal depende de su forma, tamaño y el plano del cristal en el que se corta el cuarzo. Las posiciones en las que se colocan los electrodos también pueden cambiar ligeramente la afinación. Si el cristal tiene la forma y la posición precisas, oscilará a la frecuencia deseada. En casi todos los relojes de cuarzo, la frecuencia es32 768 Hz , [3] y el cristal se corta en forma de pequeño diapasón en un plano de cristal particular. Esta frecuencia es una potencia de dos (32 768 = 2 15 ), lo suficientemente alto para exceder el rango de audición humana , pero lo suficientemente bajo como para permitir que contadores económicos obtengan un pulso de 1 segundo. [4] Un contador digital binario de 15 bits impulsado por la frecuencia se desbordará una vez por segundo, creando un pulso digital una vez por segundo. La salida de pulsos por segundo se puede utilizar para controlar muchos tipos de relojes.
Aunque el cuarzo tiene un coeficiente de expansión térmica muy bajo , los cambios de temperatura son la principal causa de variación de frecuencia en los osciladores de cristal. La forma más obvia de reducir el efecto de la temperatura sobre la velocidad de oscilación es mantener el cristal a una temperatura constante. Para los osciladores de laboratorio se utiliza un oscilador de cristal controlado por horno , en el que el cristal se mantiene en un horno muy pequeño que se mantiene a una temperatura constante. Sin embargo, este método no es práctico para los movimientos de relojes de pulsera y relojes de cuarzo de consumo.
Los planos de cristal y la sintonización de un cristal de reloj de calidad para el consumidor están diseñados para una sensibilidad mínima a la temperatura en términos de su efecto sobre la frecuencia y funcionan mejor a aproximadamente 25 a 28 ° C (77 a 82 ° F). A esa temperatura, el cristal oscila a su máxima velocidad. Una temperatura más alta o más baja dará como resultado una tasa de oscilación de −0,035 ppm / ° C 2 (más lenta). Por lo tanto, una desviación de temperatura de ± 1 ° C representará un cambio de velocidad de (± 1) 2 × −0.035 ppm = −0.035 ppm, lo que equivale a −1.1 segundos por año. Si, en cambio, el cristal experimenta una desviación de temperatura de ± 10 ° C, entonces el cambio de velocidad será (± 10) 2 × −0.035 ppm = −3.5 ppm, lo que equivale a −110 segundos por año.
Los fabricantes de relojes de cuarzo utilizan una versión simplificada del método del oscilador de cristal controlado por horno y recomiendan que sus relojes se usen con regularidad para garantizar el mejor rendimiento. El uso regular de un reloj de cuarzo reduce significativamente la magnitud de los cambios de temperatura ambiental, ya que una caja de reloj diseñada correctamente forma un conveniente horno de cristal que utiliza la temperatura estable del cuerpo humano para mantener el cristal en su rango de temperatura más preciso.
Mecanismo
En los relojes de cuarzo modernos, el resonador u oscilador de cristal de cuarzo tiene la forma de un pequeño diapasón ( corte XY ), recortado con láser o lapeado con precisión para vibrar en32 768 Hz . Esta frecuencia es igual a 2 15 ciclos por segundo. Se elige una potencia de 2 para que una simple cadena de etapas digitales de división por 2 pueda derivar la señal de 1 Hz necesaria para impulsar la manecilla de segundos del reloj. En la mayoría de los relojes, el resonador está en una lata pequeña o en un paquete plano, de unos 4 mm de largo. LaEl resonador de 32 768 Hz se ha vuelto tan común debido a un compromiso entre el gran tamaño físico de los cristales de baja frecuencia para relojes y el gran consumo de corriente de los cristales de alta frecuencia , lo que reduce la vida útil de la pila del reloj . Durante la década de 1970, la introducción de circuitos integrados de semiconductores de óxido de metal (MOS) permitió una vida útil de la batería de 12 meses con una sola celda de moneda al conducir un motor paso a paso mecánico tipo Lavet , un motor no paso a paso de barrido suave o un pantalla de cristal líquido (en un reloj digital LCD). Las pantallas de diodos emisores de luz (LED) para relojes se han vuelto raras debido a su relativamente alto consumo de batería.
La fórmula básica para calcular la frecuencia fundamental ( f ) de vibración de un voladizo en función de sus dimensiones (sección transversal cuadrática) es [5]
dónde
- 1.875104 (redondeado) es la solución positiva más pequeña de la ecuación cos ( x ) cosh ( x ) = −1, [6]
- l es la longitud del voladizo,
- a es su espesor a lo largo de la dirección del movimiento,
- E es su módulo de Young ,
- ρ es su densidad .
Un voladizo de cuarzo ( E = 10 11 N / m 2 = 100 GPa y ρ = 2634 kg / m 3 [7] ) con una longitud de 3 mm y un espesor de 0,3 mm tiene, por tanto, una frecuencia fundamental de alrededor de 33 kHz. El cristal está sintonizado exactamente a 2 15 =32 768 Hz o funciona a una frecuencia ligeramente superior con compensación de inhibición (ver más abajo).
Precisión
La estabilidad relativa del resonador de cuarzo y su circuito de conducción es mucho mejor que su precisión absoluta. Se garantiza que los resonadores de 32768 Hz de calidad estándar de este tipo tienen una precisión a largo plazo de aproximadamente seis partes por millón (0,0006%) a 31 ° C (87,8 ° F): es decir, un reloj de pulsera o de cuarzo típico mejorará o perder 15 segundos cada 30 días (dentro de un rango de temperatura normal de 5 a 35 ° C o 41 a 95 ° F) o menos de medio segundo de desviación del reloj por día cuando se usa cerca del cuerpo.
Compensación de inhibición
Muchos relojes de cuarzo económicos utilizan una técnica conocida como compensación de inhibición . [3] El cristal está hecho deliberadamente para que corra algo más rápido. Después de la fabricación, cada módulo se calibra con un reloj de precisión en la fábrica y se ajusta para mantener la hora exacta mediante la programación de la lógica digital para omitir una pequeña cantidad de ciclos de cristal a intervalos regulares, como 10 segundos o 1 minuto. Para un movimiento de cuarzo típico, esto permite ajustes programados en incrementos de 7,91 segundos por 30 días para intervalos de 10 segundos (en una puerta de medición de 10 segundos) o ajustes programados en incrementos de 1,32 segundos por 30 días para intervalos de 60 segundos (en un intervalo de 60 segundos). segunda puerta de medición). La ventaja de este método es que el uso de programación digital para almacenar el número de pulsos a suprimir en un registro de memoria no volátil en el chip es menos costoso que la técnica anterior de recortar la frecuencia del diapasón de cuarzo. La lógica de inhibición-compensación de algunos movimientos de cuarzo puede ser regulada por los centros de servicio con la ayuda de un temporizador de precisión y un terminal de ajuste después de salir de fábrica, aunque muchos movimientos de relojes de cuarzo económicos no ofrecen esta funcionalidad.
Ajuste interno
Algunos diseños de movimiento premium se autorregulan y se autocalifican. Es decir, en lugar de simplemente contar las vibraciones, su programa de computadora toma el conteo simple y lo escala usando una relación calculada entre una época establecida en la fábrica y la hora más reciente en la que se configuró el reloj. Estos relojes se vuelven más precisos a medida que envejecen. [ cita requerida ]
Es posible que un movimiento de cuarzo computarizado de alta precisión mida su temperatura y también se ajuste a ella. La compensación de temperatura tanto analógica como digital se ha utilizado en relojes de cuarzo de alta gama. En los relojes de cuarzo de gama alta más costosos, la compensación térmica se puede implementar variando el número de ciclos para inhibir dependiendo de la salida de un sensor de temperatura. El estándar de tasa diaria promedio de COSC para los cronómetros de cuarzo COSC con certificación oficial es de ± 25,55 segundos por año a 23 ° C. Para adquirir la etiqueta de cronómetro COSC, un instrumento de cuarzo debe beneficiarse de la termocompensación y la encapsulación rigurosa. Cada cronómetro de cuarzo se prueba durante 13 días, en una posición, a 3 temperaturas diferentes y 4 niveles de humedad relativa diferentes. [8] Los movimientos de cuarzo termocompensados, incluso en relojes de pulsera, pueden tener una precisión de ± 5 a ± 25 segundos por año y se pueden utilizar como cronómetros marinos para determinar la longitud por medio de la navegación celeste . [9] [10] [11]
Ajuste externo
Si un movimiento de cuarzo se "clasifica" midiendo sus características de indicación de la hora frente a la transmisión de la hora de un reloj de radio , para determinar cuánto tiempo gana o pierde el reloj por día, y se realizan ajustes en los circuitos para "regular" la indicación de la hora, entonces el tiempo corregido será fácilmente exacto dentro de ± 10 segundos por año. Esto es más que adecuado para realizar navegación celeste .
Crianza de cristales de cuarzo
Los cristales de cuarzo de reloj se fabrican en un entorno ultralimpio y luego se protegen con un vacío ultra alto inerte en recipientes herméticamente sellados. A pesar de estas medidas, la frecuencia de un cristal de cuarzo puede cambiar lentamente con el tiempo. Sin embargo, el efecto del envejecimiento es mucho menor que el efecto de la variación de frecuencia causada por los cambios de temperatura y los fabricantes pueden estimar sus efectos. Generalmente, el efecto de envejecimiento eventualmente disminuye la frecuencia de un cristal dado.
Los factores que pueden causar una pequeña desviación de frecuencia con el tiempo son el alivio de la tensión en la estructura de montaje, la pérdida del sello hermético, la contaminación de la red cristalina , la absorción de humedad, los cambios en o sobre el cristal de cuarzo, los efectos de vibraciones y golpes severos, y la exposición a muy altas temperaturas. [12] El envejecimiento de los cristales tiende a ser logarítmico , lo que significa que la tasa máxima de cambio de frecuencia ocurre inmediatamente después de la fabricación y luego decae. La mayor parte del envejecimiento ocurrirá durante el primer año de vida útil del cristal. Los cristales finalmente dejan de envejecer ( asintóticamente ), pero puede llevar muchos años. Los fabricantes de movimientos pueden envejecer los cristales antes de ensamblarlos en movimientos de reloj. Para promover el envejecimiento acelerado, los cristales se exponen a altas temperaturas. [13] Si un cristal está preenvejecido, el fabricante puede medir sus tasas de envejecimiento (estrictamente, los coeficientes de la fórmula de envejecimiento) y hacer que un microcontrolador calcule las correcciones a lo largo del tiempo. La calibración inicial de un movimiento se mantendrá precisa durante más tiempo si los cristales se envejecen previamente. La ventaja terminaría después de una regulación posterior que restablezca a cero cualquier error de envejecimiento acumulativo. Una razón por la que los movimientos más costosos tienden a ser más precisos es que los cristales se envejecen previamente durante más tiempo y se seleccionan para un mejor rendimiento de envejecimiento. A veces, los cristales pre-envejecidos se seleccionan a mano para el rendimiento del movimiento. [14]
Cronómetros
Los cronómetros de cuarzo diseñados como estándares de tiempo a menudo incluyen un horno de cristal para mantener el cristal a una temperatura constante. Algunos se autoevalúan e incluyen "granjas de cristal", de modo que el reloj puede tomar el promedio de un conjunto de medidas de tiempo.
Historia
Las propiedades piezoeléctricas del cuarzo fueron descubiertas por Jacques y Pierre Curie en 1880. El primer oscilador de cristal de cuarzo fue construido por Walter G. Cady en 1921. En 1923, DW Dye en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido y Warren Marrison en Bell Telephone Laboratories Produjo secuencias de señales de tiempo de precisión con osciladores de cuarzo. En 1927, Warren Marrison y J. W. Horton construyeron el primer reloj de cuarzo en Bell Telephone Laboratories. [15] [16] Las siguientes 3 décadas vieron el desarrollo de relojes de cuarzo como estándares de tiempo de precisión en entornos de laboratorio; los voluminosos y delicados componentes electrónicos de conteo, construidos con tubos de vacío , limitaban su uso en otros lugares. En 1932, un reloj de cuarzo fue capaz de medir pequeñas variaciones en la velocidad de rotación de la Tierra durante períodos tan cortos como unas pocas semanas. [17] En Japón en 1932, Issac Koga desarrolló un corte de cristal que proporcionó una frecuencia de oscilación con una dependencia de la temperatura muy reducida. [18] [19] [20] La Oficina Nacional de Estándares (ahora NIST ) basó el estándar de tiempo de los EE. UU. En relojes de cuarzo entre las décadas de 1930 y 1960, después de lo cual pasó a los relojes atómicos . [21] El uso más amplio de la tecnología de reloj de cuarzo tuvo que esperar el desarrollo de la lógica digital de semiconductores baratos en la década de 1960. La 14ª edición revisada de Encyclopædia Britannica [ ¿cuándo? ] declaró que los relojes de cuarzo probablemente nunca serían lo suficientemente asequibles para usarse en el país. [ cita requerida ]
Los primeros prototipos de relojes de pulsera de cuarzo analógicos del mundo se revelaron en 1967: el Beta 1 revelado por el Center Electronique Horloger (CEH) en Neuchâtel Suiza, [22] [23] y el prototipo del Astron revelado por Seiko en Japón (Seiko había estado trabajando en relojes de cuarzo desde 1958). [22]
En diciembre de 1969, Seiko produjo el primer reloj de pulsera de cuarzo comercial del mundo, el Seiko-Quartz Astron 35SQ [24], que ahora cuenta con el IEEE Milestone . [25] El Astron tenía un oscilador de cuarzo con una frecuencia de 8192 Hz y tenía una precisión de 0,2 segundos por día, 5 segundos por mes o 1 minuto por año. El Astron fue lanzado menos de un año antes de la introducción del Swiss Beta 21, que fue desarrollado por 16 fabricantes de relojes suizos y utilizado por Rolex, Patek y Omega en sus modelos de electrocuarzo. La precisión inherente y el bajo costo de producción han dado lugar a la proliferación de relojes de cuarzo y relojes desde entonces. En la década de 1980, la tecnología del cuarzo se había apoderado de aplicaciones como los temporizadores de cocina , los relojes de alarma , las cerraduras de tiempo de las bóvedas de los bancos y las espoletas de tiempo en las municiones, de los primeros movimientos mecánicos del volante , un trastorno conocido en la relojería como la crisis del cuarzo .
Los relojes de cuarzo han dominado el mercado de relojes de pulsera y relojes desde la década de 1980. Debido al alto factor Q y al bajo coeficiente de temperatura del cristal de cuarzo, son más precisos que los mejores relojes mecánicos, y la eliminación de todas las partes móviles los hace más resistentes y elimina la necesidad de mantenimiento periódico.
Los relojes de pared comerciales analógicos y digitales estuvieron disponibles en 2014 que utilizan un oscilador de cuarzo de doble horno, con una precisión de 0,2 ppb . Estos relojes están sincronizados de fábrica con el estándar de tiempo atómico y, por lo general, no requieren más ajustes de tiempo durante la vida útil del reloj. [ cita requerida ]
Ver también
- Cuarzo automático
- Frecuencias de oscilador de cristal
- Reloj de energía solar
- Reloj electrico
- Crisis del cuarzo
- Motor paso a paso tipo Lavet
- Perforar oscilador
Referencias
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- ^ "La crisis del cuarzo y la recuperación de la relación de los relojes suizos entre los relojes y la sociedad" . EL MUSEO DE SEIKO . Consultado el 3 de marzo de 2019 .
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Otras lecturas
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enlaces externos
- Artículo de TimeZone.com sobre el desarrollo de relojes de cuarzo
- Explica esas cosas: cómo funcionan los relojes de cuarzo
- Relojes "analógicos" de cuarzo modernos y relojes con animaciones
- Douglas Dwyer. Cómo funcionan los relojes de cuarzo en HowStuffWorks
- Horology 101 - preguntas frecuentes sobre el cuarzo
- Una breve introducción a los cristales de cuarzo de corte AT