Ви дивитеся на годинник. Ви не думаєте про фізику. Вам просто потрібно знати, чи не спізнюєтеся ви. Однак, якщо кварц усередині не працює, ви запізнитесь. Якщо дисплей вийде з ладу, ви дізнаєтеся про це лише тоді, коли перевірите час.
Кварц та рідкі кристали знаходяться навіть не в одному агрегатному стані. Однак саме вони становлять основу цифрового годинника. Без них звичайний годинник був би просто браслетом.
Що таке кварц?
Кристали всюди. Кварц – один із найпоширеніших мінералів на Землі. Вчені називають його діоксидом кремнію. Його також можна побачити у ювелірних виробах. Ви бачите його у наждачному папері. Ви також бачите його всередині свого телефону та телевізора.
Секрет полягає в “п’єзоелектриці”.
Коли ви тиснете на кристал, він створює електричний заряд. Якщо подати до нього електричний заряд, він почне вібрувати. Саме зворотний п’єзоелектричний ефект робить кварц таким, що підходить для вимірювання часу. Для підтримки вагань потрібно дуже мало енергії.
Навіщо цифровому годиннику потрібен рідкокристалічний дисплей?
Рідкі кристали – це щось інше. Вони є єдиною речовиною. Вони були вперше виявлені у XIX столітті. Вчені вивчали холестерин. Вони відкрили четвертий стан матерії.
Молекули мають стрижнеподібну або пластинчасту форму. Вони течуть як рідина. Але зберігають орієнтацію та порядок, характерні для твердих тіл. Коли світло проходить через них, їх оптичні властивості змінюються. Це робить їх ідеальними для дисплеїв.
Перший годинник з РК-екраном був випущений в 1973 році. З того часу РК-дисплеї замінили комп’ютери та телевізори. Цифри відображаються на РК-екрані годинника.
Як кварц відраховує час?
Цифровий кварцовий годинник має п’ять основних частин. Потрібен механізм відліку часу. Потрібен екран. Потрібна інтегральна схема. Потрібна батарея. Потрібна друкована плата.
Це не механічний годинник. Механічний годинник потрібно заводити. Вони використовують шестірні. Вони використовують кварц. Шестерні також використовуються в аналоговому годиннику. Вони зазвичай не використовують рідкі кристали. Цифровий кварцовий годинник використовують і те, і інше.
Кварц – це хронометрист. Seiko представила цю технологію у своєму годиннику в 1969 році, і вона швидко стала стандартом.
Точність висока. Час, що відображається, може відхилятися на кілька секунд на місяць. Чому? Це з тим, що кварц має дуже високу частоту коливань. Він п’єзоелектричний, тому споживає мало енергії. Одної лужної батареї може вистачити кілька років.
Батарея передає невеликий електричний заряд інтегральну схему. Ця схема підключена до кварцового генератора через невеликі електроди. Струм змушує кристал вібрувати.
Коливання стандартизовані. Кварцові генератори годинників вібрують 32 768 разів на секунду. Це 32,768 кілогерців. Інтегральна схема підраховує ці коливання. Вона вимірює інтервали. Секунди. Хвилини. Час.
На кожному інтервалі схема надсилає електричний імпульс. Куди іде імпульс? На рідкокристалічний дисплей.
Реальність відхилень
Галузь стандартизує коливання. Але реальність недосконала. Генератор вібрує трохи більше чи трохи менше. Це залежить від температури. Це залежить від тиску.
Цей годинник досить точний для повсякденного використання. Але відхилення накопичуються. Щомісяця ви можете втрачати кілька секунд. Це не є ідеальним. Але цього достатньо, щоби потрапити на наступну зустріч.
Як працює екран
Імпульси від інтегральної схеми впливають на рідкокристалічний дисплей. Рідкі кристали змінюють свою орієнтацію. Вони блокують чи пропускають світло. Це створює цифри, які з’являються на циферблаті годинника.
Процес безшумний. Він ефективний. Він заснований на дивному танці між кристалами, що вібрують, і поточними рідинами.
Ви дивитеся на годинник. Відобразиться число. Час виходити. Ви більше ніколи не подумаєте про діоксид кремнію або похідних холестерину. Поки що не сяде батарея. Або поки що екран не згасне. Тоді ви згадаєте.
Техніка проста. Фізика складна. Результат – просто число.
Кварц фіксує дрібні проміжки часу, які людина не здатна сприймати. Рідкі кристали перетворять цю невидиму ритміку на щось, що ми можемо прочитати. Один вимірює час, інший його відображає. Разом вони забезпечують збереження вашого розкладу.
Скручування рідких кристалів
РК-екрани мають специфічну структуру. Вони не відрізняються високою довговічністю. У них міститься менше рідини. Їхні оптичні властивості роблять їх ідеальними для викривлено-нематичних (TN) дисплеїв, які є стандартом для більшості цифрових годинників.
Усередині цього екрана молекули розташовані у вигляді скрученої спіралі. Уявіть собі крихітні штопори. Додаток електричного імпульсу (зовнішнього впливу) руйнує ці зв’язки. Ця фізична зміна змінює шлях проходження світла.
Між світлом та електрикою
РК-екрани за своєю суттю нагадують сендвічі. Вони складаються із двох скляних пластин. Обидві проводять електричний струм. Між ними є хімічні сполуки рідких кристалів.
Це найскладніша частина. Кожна пластина має поляризаційний фільтр. Фільтри орієнтовані під кутом 90 градусів один щодо одного. Зазвичай молекули рідких кристалів вирівняні паралельно до цих фільтрів. Навколишнє світло відбивається від дзеркала, розташованого знизу. Результат? Сріблясті відбивні фону. Саме тому циферблат годинника виглядає металевим у темряві.
Але якщо докласти електричного заряду, молекули перевертаються. Вони стають перпендикулярними фільтру. Фільтри поглинають весь світ. Осередки стають чорними.
«Коли ви подаєте заряд на РК-дисплей, молекули змінюють свою орієнтацію… залишаючи чорні осередки на екрані.»
Вважаємо секунди
Інтегральні схеми виконують основну роботу. Вони одержують дані про час від кварцового генератора. Ця схема відправляє електричні імпульси через регулярні інтервали, наприклад, кожну секунду, хвилину чи годину.
Ці імпульси вказують РК-екрану, які частини увімкнути або вимкнути. Екран поділено на кілька частин. Більшість цифр використовують семисегментну розмітку. Вона відображає числа від 0 до 9. Якщо змінити один сегмент, трійка перетвориться на двійку. П’ятірка стане шісткою.
Деякі дисплеї використовують 14-сегментні секції. У них більше осередків. Вони можуть відображати літери, а не лише цифри. Однак у питаннях відображення часу моделі із семисегментною розміткою переважають. Таким чином, ви можете прочитати 12:15 одну секунду та 12:16 в наступну.
Несподіване партнерство
Кварц і рідкі кристали принципово різні матеріали. Їх призначення зовсім по-різному. Кварц вагається. Рідкі кристали блокують чи пропускають світло.
Але без цього партнерства ми опинилися б у безвиході. Кварц забезпечує серцебиття. Рідкі кристали забезпечують особу. Без одного з них інший є просто цокаючий коробку або порожній екран.
