Историята на електронния часовник

Преди няколко месеца в Сандъците – сандъците Ви запознахме с два модела български електронни часовници Булетроник. Те са произведени в момент на разцвет на тази техника в световен мащаб. Но откъде започва животът на електронния времеизмерител?

С тази статия ще се опитаме да отговорим на този въпрос.

Хората отдавна се стремят към точното измерване на времето. Първите опити в това отношение са правени още преди 5000 години. Слънчевият часовник, наречен по-късно ,,гномон“, е използван в Месо­потамия, Египет и Китай още около 3000 година пр. н. е.

После се появяват пясъчните часовници. Условно можем да ги приобщим към тъй нареченото „второ поколение“ часовници. Удобни в много отношения, те притежа­ват и един основен недостатък — измер­ват отрязъци от време, за съжаление, твърде кратки — от 10-15 най-много 30 минути.

„Третото поколение са водните часовници, наречени клепсидри. Около 380 го­дина пр. н. е. Платон използва такъв из­мерител на времето, основан на принципа на спадане и покачване на водата в сис­тема от специално направени прозрачни съдове. Така минават години и векове в усилени търсения на средство за удобно и прецизно измерване на времето. Александрийци, гърци, араби, по-късно римляни и византийци показват изумителна за времето си изобретателност. На тях дъл­жим уредите, които красят колекциите на много световноизвестни музеи.

Важен момент в историята на времеизмервателната техника е появата на механичния часовник. Въпросът за неговите първо­откриватели е спорен, но в Европа още през 1344 година Алесандро Донди от Падуа изработва изключително точен часовник с детайли, направени от месинг, и задвиж­ван чрез тежести.

В края на XV и началото на XVI Век в часовниковия механизъм се появява сто­манената спирална пружина — онази, която и днес движи механичните часовници. На вре­мето това предизвиква истинска рево­люция, защото освен прецизно измерване на времето, спиралната пружина осигурява и така желаната миниатюризация. В на­чалото на XVIII век се появяват джобните часовници, а по-късно — и ръчните Часовникът става неизменен спътник в жи­вота на човека.

До началото на XX век почти нищо не го про­меня, докато през 1925 година на сцената се появяват кварцовите часовници. В този нов вид измерители на времето липсват зъбните колела, рубините, осите, пружи­ните и дори стрелките. Те са заменени с нови елементи, а коренно различният принцип на действие осигурява неподози­рана дотогава точност. Възможността за „вграждане“ на допълнителен набор от по­лезни „странични“ функции, правят този вид часовници още по-привлекателни,

Първото споменаване за електронен часовник в световната преса датира от 1952 г., когато две компании – френската Leap Besancon и американската Elgin Watch Company – обявили, че започват развойна работа в тази област. Първият работещ прототип се появил след пет години – през 1957 г – и принадлежал на компанията Hamilton. Електронен в него бил само механизмът. Макар че циферблатът на модела Hamilton Electric 500 бил стрелкови, не било нужно да бъде предварително навиван.

Причина за толкова необичайно дълго забавяне в развитието на електронния часовник били проблемите на миниатюризиразацията, и по-точно – липсата на разработки на миниатюрни захранващи блокове. В първите електронни часовници на германската компания Deutsche Waren-Roverke батерията се намирала в гривната, обгръщаща ръката. други производители пък започнали да правят корпуса по-голям, като хитро разполагали по него различни декоративни елементи.

Чак през 1960 г. някои френски производители се сетили да използват вместо батерия малък акумулатор, а част от зарядното му устройство се помещавало в корпуса на часовника. Другата част – първичната намотка на изправителя – се намирала върху стойка, от която часовникът се зареждал. В скоро време обаче се отказали от тази технология, тъй като методиката на производство на акумулатори още не била съвсем усъвършенствана и по този начин самият процес на зареждане отнемал твърде много време.

Тук историята на този тип времеизвервателни уреди става много интересна за нас, тъй като в нея е намесен и българин – роденият на 21.Х.1919 г. в с. Брестовица инженер и изобретател Петър Петров. Животът му е отделна тема, затова сега ще започнем разказа за участието му от факта, че през 1968 г. в САЩ той основал компания на име Care Electrics. През 1969 – 70 тя (вече под името ElectroData), заедно с известната  Hamilton Watch, се занимавала с разработката на първите в света електронни часовници с цифров индикатор (с LED екран) – Pulsar – пуснат на пазара през 1972 г. В него за изобразяване на информацията се използвал дискретен светодиод. Над часовника е работил проектантски колектив (повече от един човек), но за автор на това изобрегение се признава Петров (или най-малкото, има огромния и решаващ принос в работата на инженерния колектив от компаниите!) и затова в повечето източници (вкл. и американски книги) този вид часовници се споменават като негово еднолично изобретение (made, developed и т.н.). Един от първите произведени такива Pulsar-и все още може да се види изложен в Смитсоновия институт

За жалост обаче продажбите на изделието не потръгнали особено успешно, тъй като компанията решила да го представи като някаква невероятна новост и изключителност, което, разбира се, веднага се отразило на цената. Определено 2100 долара не били точно количеството, което повечето хора биха платили за един ръчен часовник, та бил той и последна дума на техниката. В момента часовници като Casio G-7500-1VER, имащи относително добри характеристики, струват неособено скъпо. Но в зората на електронните времеизмерители за всичко, създавано в тази област, се смятало, че трябва непременно да струва извънредно скъпо.

През 1977 г. Seiko отново зарадвали ентусиастите с революционна разработка – електронен часовник с вграден калкулатор – Pulsar Module 1. Освен бутоните за управление и настройка на времето, на лицевия си панел джаджата имала под светодиодния дисплей стандартна клавиатура за калкулатор. В скоро време и други компании възприели идеята, пускайки на пазара цял ред подобни устройства.

Три години по-късно не по-малко иновативната компания Casio захранила пазара с модела Game-10. Негова особеност било наличието на вградена игра тип ,,шутър“ (стрелба) с доста опростен сюжет.

През 1982 г. излиза моделът Seiko TV Watch. Както навярно вече сте се досетили, този модел бил снабден с вграден телевизор. В часовника се разполагал единствено екранът. Приемникът бил оформен като отделно устройство, което потребителят трябвало да носи заедно в джоба си в специален калъф. Макар изображението често да се губело и звукът да стържел, моделът TV Watch направил такъв фурор, че даже Джеймс Бонд носи такъв в един от филмите за Агент 007, излязъл през 1983 г.

През 1983 г. видяла бял свят поредната новост от Seiko – електронен часовник с вграден преводач. Моделът TE-2500 можел да преведе отделни думи от японски, испански, френски и немски език на английски. В електронната памет на джаджата се съхранявали около 1,5 хиляди думи.

През 1985 г. в нишата на електронните часовници се намесила друга компания – Epson. Моделът RC-20 разполагал с вграден миникомпютър с 8-битов процесор, 2 кб оперативна памет и 8 кб памет за постоянно съхранение на данни. Екранът имал резолюция 42 х 32 точки.

През 2000 г. на пазара се появил моделът Casio WQV-1, при който забележителното била камерата  и достатъчно добрият едноцветен дисплей, който можел да изобразява до 16 отсенки на сивото.

А сега Ви предлагаме да ,,отворим“ един такъв електронен часовник и да разгледаме как работи всичко това! :)

Казахме, че първият кварцов часовник е конструиран през 1925 година, но едва 1970-те години години могат да се ха­рактеризират като епоха на „големия взрив”: тогава около 2/3 от продаваните ча­совници са кварцови, а през следващите години техният дял нараства до 90 процента. Освен спо­менатата точност, кварцовите часовни­ци правят и много други неща: свирят две-три, а понякога и повече мелодии, бу­дят в желаното от нас време, и то с особен сигнал, който в началото е твърде приятен и гали ухото, но след 30—40 се­кунди променя тона си, докато ни накара да напуснем леглото. Някои часовници „помнят“ годишнини на близки за нас хора и подсещат собственика си навреме да посети ма­газините за подаръци и цветя. Както видяхме, други са „въоръжени“ с миниатюрни калкулаторчета и с тях може да събираме, изваждаме, делим и умножаваме с голяма точност. Видяхме също така, че с електронните часовници може „да убием“ част от свободното си време в различни електронни игри.

Още през 1880 година френският физик Жак Кюри (1850-1941) забелязва,.че ако парче кварц се подложи на механични напрежения — натиск или опън — в двете му страни се получава разлика в потен­циалите: възниква електрически ток. Този феномен е наречен пиезоелектричен ефект. Важно обстоятелство се оказва обратимостта на процеса. При провоки­ране на разлика в потенциалите на същото парченце кристал чрез подаване на про­менлив ток, той започва да вибрира с определена постоянна честота. По-късно възниква въпросът не е ли възможно из­граждането на своеобразен „мотор“, кой­то би помогнал за прецизно измерване на времето. За сравнение ще използваме принципа на действие на часовниковия механизъм, задвижван с тежести.

Превръщането на потенциалната енер­гия в кинетична, осъществено от издиг­натата на определена височина тежест, осигурява въртенето на зъбно колело, кое­то чрез кобилица задвижва махалото. Тази връзка е обратна, защото махалото огра­ничава скоростта на движение на тежес­тите. Периодът му е точно фиксиран и зависи само от дължината на махалото. То прави един мах за едно придвижване от зъб в зъб и отмерва половин, секунда. Ако колелцето например има 6 зъба, то ще прави един пълен оборот за 3 секунди Ние сме свободни дз определяме броя на зъбите на колелцата. В такъв случай можем да конструираме колелцето със 120 зъба и тогава то ще прави по един оборот за 60 секунди или точно толкова, колкото ни е необходимо за секундната стрелка. Чрез система от зъбни колела, наричани редук­тори, можем да преценим точно как да изведем минутната, а след това и часо­вата стрелка.

Въпросът как е възможно в едно миниа­тюрно предметче да се вмести „машина“ с такива удивителни качества е напълно естествен. Ако си припомним някои факти от физиката и достиженията на електронната миниатюризация през 70-те години, ще се убедим, че място за чудеса тук няма.

Вероятно така са разсъждавали майсто­рите на часовникови механизми още през XV—XVI век и днес всеки може да се убеди в това, гледайки как работят огромните старинни часовници в Лондон, Па­риж, Москва, Кьолн…

А сега отново да се върнем при кварца и неговото свойство да вибрира с учуд­ваща стабилност, забелязана впрочем и при други еластични субстанции.

В този случай имаме на разположение надежден „контрольор“, с чиято помощ можем да управляваме честотата на про­менливия ток. Не случайно едно от пър­вите приложения на пиезоелектричния ефект е да се регулира и контролира чес­тотата на радиовълните.

И така, ако изберем парченце кварц и го свържем с източник на променлив ток, ще се получат механични вибрации, които ще осигурят стабилизирана честота на тока. Следващата стъпка е да се намери елек­трическият еквивалент на механичния ре­дуктор, за който споменахме по-горе. По тази тема вече електрониката си е казала ду­мата и този „делител“ на честоти е из­вестен под името тригер. Тригерът, раз­бира се, е само елемент на интегралната схема.

Онова, което спира вниманието ни при пръв поглед, сравнявайки механичния и електронния часовник, е начинът, по който отчитаме времето. Точното време или поне онова, което в даден момент механичният часовник показва, се отчита върху циферблата в зависимост от раз­положението на стрелките. Това е извест­но като аналогово отчитане нз времето

Електронният часовник е снабден с екранче и върху него в „явен десетичен вид“ с „електронен шрифт“ се изписва съ­ответното време — 10,23.31 или 12.30.42, или пък 16,33,57.

Как е реализирано екранчето и на какъв принцип са изградени многообразните и твърде полезни функции, които електрон­ният часовник изпълнява? Тайната е в теч­ните кристали — още един важен елемент в конструкцията. Тези субстанции в нор­мално състояние са поозрачни, но ако бъ­дат захранени с електрически ток, гледани под различен ъгъл, те стават непрозрачни. Когато течните кристали са представени като отделни миниатюрни порции под формата на точици или тиренца и са снаб­дени с изводи, свързани към източник на електрически ток, има възможност за се­лективно захранване. От контраста и комбинацията на прозрачни и непрозрачни (съответно незахранени и захранени) точици и ти­ренца се получава „образ“ върху екранчето — цифри, букви или картинки. Тогава въз­никва въпросът как екранчето показва ту времето, ту надписи, ту рисунки и то по наше желание само с едно натискане на миниатюрните бутончета. Явно, необхо­дими са памет, логика, дешифратор. Всич­ко това съществува в кварцовия часовник и е заложено в интегралните схеми, за кои­то стана дума по-горе. Наричат ги ГИС — големи интегрални схеми, каквито са и възможностите им. Разбира се, въпреки помпозно­то си име, те са твърде миниатюрни.

Това (в общи линии) представлява електронният измерител на времето. Неговото изоставане или избързвзне с няколко секунди на година са отклонения, които не тревожат и най-ревностните привърже­ници на точността.