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.