Podíváš se na hodinky. Nemyslíš na fyziku. Jen musíte vědět, jestli jdete pozdě. Pokud však křemen uvnitř nefunguje, přijdete pozdě. Pokud selže displej, dozvíte se to až při kontrole času.
Křemen a tekuté krystaly nejsou ani ve stejném stavu agregace. Tvoří však základ digitálních hodinek. Bez nich by běžné hodinky byly jen náramkem.
Co je to křemen?
Krystaly jsou všude. Křemen je jedním z nejběžnějších minerálů na Zemi. Vědci tomu říkají oxid křemičitý. Je to vidět i ve špercích. Vidíte to v brusném papíru. Vidíte to také uvnitř telefonu a televize.
Tajemstvím je piezoelektřina.
Když na krystal zatlačíte, vytvoří se elektrický náboj. Pokud na něj aplikujete elektrický náboj, začne vibrovat. Právě tento inverzní piezoelektrický jev činí křemen tak vhodným pro měření času. K udržení oscilací je potřeba velmi málo energie.
Proč digitální hodinky potřebují LCD displej?
Tekuté krystaly jsou něco jiného. Nejsou jedinou látkou. Poprvé byly objeveny v 19. století. Vědci zkoumali cholesterol. Objevili čtvrté skupenství hmoty.
Molekuly jsou tyčovitého nebo deskovitého tvaru. Tečou jako kapalina. Zachovají si však orientaci a uspořádání charakteristické pro tělesa. Když jimi prochází světlo, mění se jejich optické vlastnosti. Díky tomu jsou ideální pro displeje.
První hodinky s LCD obrazovkou byly uvedeny na trh v roce 1973. Od té doby LCD displeje nahradily počítače a televize. Čísla se zobrazují na LCD displeji hodinek.
Jak křemen udržuje čas?
Digitální quartzové hodinky mají pět hlavních částí. Je nutný časový mechanismus. Potřebujete displej. Je potřeba integrovaný obvod. Potřebujete baterii. Potřebujete desku s plošnými spoji.
Nejedná se o mechanické hodinky. Mechanické hodinky je potřeba natahovat. Používají ozubená kola. Nepoužívají křemen. Ozubená kola se také používají v analogových hodinách. Obecně nepoužívají tekuté krystaly. Digitální quartzové hodinky používají obojí.
Quartz je časomíra. Seiko zavedlo tuto technologii do svých hodinek v roce 1969 a rychle se stala standardem.
Přesnost je vysoká. Zobrazený čas se může lišit o několik sekund za měsíc. Proč? To je způsobeno tím, že křemen má velmi vysokou frekvenci vibrací. Je piezoelektrický, takže spotřebuje málo energie. Jedna alkalická baterie vydrží několik let.
Baterie přenáší malý elektrický náboj do integrovaného obvodu. Tento obvod je připojen ke krystalovému oscilátoru přes malé elektrody. Proud způsobuje, že krystal vibruje.
Výkyvy jsou standardizované. Křemenné oscilátory hodinek vibrují 32 768 krát za sekundu. To je 32,768 kilohertz. Integrovaný obvod tyto výkyvy počítá. Měří intervaly. Sekundy. Zápis. Čas.
V každém intervalu obvod vyšle elektrický impuls. Kam jde impuls? Na displeji z tekutých krystalů.
Realita odchylek
Průmysl standardizuje výkyvy. Ale realita je nedokonalá. Generátor vibruje trochu více nebo trochu méně. Záleží na teplotě. Záleží na tlaku.
Tyto hodinky jsou dostatečně přesné pro každodenní použití. Ale odchylky se hromadí. Každý měsíc můžete ztratit pár sekund. Není to ideální. Ale to stačí, abyste se dostali na další setkání.
Jak funguje obrazovka
Pulzy z integrovaného obvodu ovlivňují displej z tekutých krystalů. Tekuté krystaly mění svou orientaci. Blokují nebo propouštějí světlo. Tím se vytvoří čísla, která se objeví na ciferníku.
Proces je tichý. Je to účinné. Je založen na zvláštním tanci mezi vibrujícími krystaly a proudícími kapalinami.
Podíváš se na hodinky. Zobrazí se číslo. Je čas jít ven. Už nikdy nebudete myslet na oxid křemičitý nebo deriváty cholesterolu. Dokud se nevybije baterie. Nebo dokud obrazovka nezhasne. Pak si vzpomenete.
Technika je jednoduchá. Fyzika je složitá. Výsledkem je jen číslo.
Quartz zaznamenává nejmenší časové úseky, které člověk není schopen vnímat. Tekuté krystaly přeměňují tento neviditelný rytmus na něco, co můžeme číst. Jeden měří čas, druhý jej zobrazuje. Společně udržují váš rozvrh podle plánu.
Kroucení tekutých krystalů
LCD obrazovky mají specifickou strukturu. Nejsou příliš odolné. Obsahují méně tekutiny. Díky svým optickým vlastnostem jsou ideální pro zakřivené nematické (TN) displeje, které jsou standardem pro většinu digitálních hodinek.
Uvnitř této obrazovky jsou molekuly uspořádány do stočené spirály. Představte si drobné vývrtky. Aplikace elektrického impulsu (vnější vliv) tyto spoje zničí. Tato fyzická změna mění dráhu světla.
Mezi světlem a elektřinou
LCD obrazovky jsou v podstatě sendvičové. Skládají se ze dvou skleněných desek. Oba vedou elektrický proud. Mezi nimi jsou chemické sloučeniny tekutých krystalů.
To je ta nejtěžší část. Každá deska má polarizační filtr. Filtry jsou vůči sobě orientovány pod úhlem 90 stupňů. Molekuly tekutých krystalů jsou obvykle uspořádány paralelně s těmito filtry. Okolní světlo se odráží od zrcadla umístěného níže. Výsledek? Stříbrné reflexní pozadí. To je důvod, proč ciferník hodinek vypadá ve tmě kovově.
Ale pokud použijete elektrický náboj, molekuly se převrátí. Stávají se kolmými k filtru. Filtry absorbují veškeré světlo. Buňky zčernají.
“Když nabijete LCD, molekuly změní svou orientaci… na obrazovce zůstanou černé buňky.”
Počítání sekund
Většinu práce zastanou integrované obvody. Časová data přijímají z krystalového oscilátoru. Tento obvod vysílá elektrické impulsy v pravidelných intervalech, například každou sekundu, minutu nebo hodinu.
Tyto impulsy sdělují LCD obrazovce, které části se mají zapnout nebo vypnout. Obrazovka je rozdělena do několika částí. Většina čísel používá sedmisegmentové značení. Zobrazuje čísla od 0 do 9. Pokud změníte jeden segment, tři se změní na dva. Z pěti se stane šest.
Některé displeje používají čtrnácti segmentové sekce. Mají více buněk. Mohou zobrazovat písmena, nejen čísla. Pokud však jde o zobrazení času, převažují modely se sedmisegmentovým značením. Můžete tedy číst jednu sekundu 12:15 a další 12:16.
Nečekané partnerství
Křemen a tekuté krystaly jsou zásadně odlišné materiály. Jejich účel je zcela odlišný. Křemen kolísá. Tekuté krystaly blokují nebo propouštějí světlo.
Ale bez tohoto partnerství bychom byli ve slepé uličce. Křemen zajišťuje srdeční tep. Tekuté krystaly poskytují obličej. Bez jednoho je druhý jen zaškrtávací políčko nebo prázdná obrazovka.
