Je kijkt op je horloge. Je denkt niet aan natuurkunde. Je wilt gewoon weten of je te laat bent. Als het kwarts binnenin echter niet werkt, kom je te laat. Als het display uitvalt, weet u dat pas als u de tijd controleert.
Kwarts en vloeibaar kristal verkeren niet eens in dezelfde staat. Dit zijn echter de ruggengraat van digitale horloges. Zonder deze zou een gewoon horloge slechts een armband zijn.
Wat is kwarts precies?
Kristallen zijn overal. Kwarts is een van de meest voorkomende mineralen op aarde. Wetenschappers noemen het siliciumdioxide. Dit zie je ook terug in sieraden. Je ziet het in schuurpapier. Je ziet het ook in je telefoon en tv.
Het geheim is piëzo-elektriciteit.
Wanneer je op het kristal drukt, ontstaat er een elektrische lading. Stop er een elektrische lading in en hij trilt. Dit omgekeerde piëzo-elektrische effect is de reden waarom kwarts zo goed geschikt is voor tijdwaarneming. Er is heel weinig kracht nodig om in beweging te blijven.
Waarom hebben digitale horloges een LCD-scherm nodig?
Vloeibare kristallen zijn anders. Ze vormen niet één enkele stof. Ze werden voor het eerst ontdekt in de 19e eeuw. Wetenschappers bestudeerden cholesterol. Ze ontdekten de vierde toestand van materie.
Moleculen zijn staaf- of plaatvormig. Ze stromen als een vloeistof. Maar ze behouden de uitlijning en volgorde van vaste stoffen. Wanneer er licht doorheen gaat, veranderen hun optische eigenschappen. Dit maakt ze ideaal voor displays.
Het eerste horloge met een LCD-scherm werd uitgebracht in 1973. Sindsdien hebben LCD-schermen computers en televisies vervangen. Cijfers worden weergegeven op het LCD-scherm van het horloge.
Hoe geeft kwarts de tijd aan?
Een digitaal quartzhorloge bestaat uit vijf hoofdonderdelen. Er is een timingmechanisme nodig. Je hebt een beeldscherm nodig. Je hebt een geïntegreerd circuit nodig. Je hebt een batterij nodig. Je hebt een printplaat nodig.
Dit is geen mechanisch horloge. Mechanische horloges moeten opgewonden worden. Ze gebruiken versnellingen. Ze gebruiken geen kwarts. Tandwielen worden ook gebruikt in analoge klokken. Ze gebruiken meestal geen vloeibare kristallen. Digitale quartzhorloges gebruiken beide.
Kwarts is een tijdwaarnemer. Seiko introduceerde dit in 1969 in hun horloges en het werd al snel de standaard.
De nauwkeurigheid is hoog. De weergegeven tijd kan enkele seconden per maand variëren. Waarom? Dit komt omdat kwarts een zeer hoge trillingsfrequentie heeft. Het is piëzo-elektrisch en verbruikt dus weinig stroom. Eén enkele alkalibatterij kan meerdere jaren meegaan.
De batterij brengt een kleine hoeveelheid elektrische lading over naar het geïntegreerde circuit. Deze schakeling is via kleine elektroden verbonden met de kristaloscillator. De stroom zorgt ervoor dat het kristal trilt.
Trillingen zijn gestandaardiseerd. Kijk hoe kwartsoscillatoren 32.768 keer per seconde trillen. Het is 32,768 kilohertz. Het geïntegreerde circuit telt deze trillingen. Het meet de intervallen. Seconden. Notulen. tijd.
Bij elk interval verzendt het circuit een elektrische puls. Waar gaat de pols naartoe? Naar het LCD-scherm.
De realiteit van afwijking
De industrie standaardiseert trillingen. Maar de werkelijkheid is rommelig. De oscillator trilt iets meer of iets minder. Het hangt af van de temperatuur. Het hangt af van de druk.
Dit horloge is nauwkeurig genoeg voor dagelijks gebruik. Maar de afwijkingen stapelen zich op. Elke maand kun je een paar seconden verliezen. Het is niet perfect. Maar het is goed genoeg om u naar uw volgende afspraak te brengen.
Hoe het scherm werkt
De pulsen van het geïntegreerde circuit raken het LCD-scherm. Vloeibare kristallen veranderen hun opstelling. Ze blokkeren of laten licht door. Hierdoor worden de cijfers gemaakt die op de wijzerplaat verschijnen.
Het proces is stil. Het is efficiënt. Het is gebaseerd op een vreemde dans tussen trillende kristallen en stromende vloeistoffen.
Je kijkt op je horloge. Er wordt een nummer weergegeven. Je zou moeten vertrekken. U zult nooit meer aan silica of cholesterolderivaten denken. Totdat de batterij leeg is. Of het scherm wordt donker. Dan herinner je het je.
De techniek is eenvoudig. Natuurkunde is ingewikkeld. Het resultaat is slechts een getal.
Quartz legt kleine momenten vast die mensen niet kunnen waarnemen. Vloeibare kristallen transformeren dit onzichtbare ritme in iets dat we kunnen lezen. Eén meet de tijd. Een ander laat het zien. Samen zorgen deze ervoor dat uw planning intact blijft.
Vloeibare kristallen twist
De LCD-schermen zijn vreemd verdeeld. Het is niet erg duurzaam. Er is minder vloeistof. De optische eigenschappen maken het ideaal voor een twisted nematic (TN) display, wat de standaard is voor de meeste digitale horloges.
Binnen dit scherm zijn de moleculen in een gedraaide spiraal gerangschikt. Zie ze als kleine kurkentrekkers. Het toepassen van een elektrische puls (externe kracht) verbreekt deze bindingen. Deze fysieke verandering verandert de manier waarop licht reist.
Tussen licht en elektriciteit
LCD-schermen zijn eigenlijk sandwiches. Er zitten twee stukjes glas in. Beide geleiden elektriciteit. Daartussen zitten de vloeibare kristalchemicaliën.
Dit is het moeilijkste deel. Elke plaat heeft een polarisatiefilter. De filters staan onder een hoek van 90 graden ten opzichte van elkaar. Typisch zijn de vloeibare kristalmoleculen evenwijdig aan deze filters uitgelijnd. Het omgevingslicht wordt gereflecteerd door de spiegel eronder. Het resultaat? Zilveren reflecterende achtergrond. Dit is de reden waarom de wijzerplaat er in het donker metaalachtig uitziet.
Maar breng een elektrische lading aan en de moleculen draaien om. Ze lopen loodrecht op het filter. Filters absorberen al het licht. De cellen worden zwart.
“Wanneer je een lading toevoegt aan een LCD-scherm, veranderen de moleculen van richting… waardoor er zwarte cellen op het scherm achterblijven.”
Tel de seconden
Geïntegreerde circuits verzorgen het zware werk. Het ontvangt tijdgegevens van de kwartsoscillator. Dit circuit verzendt elektrische pulsen met regelmatige tussenpozen, zoals elke seconde, minuut of uur.
Deze pulsen vertellen het LCD-scherm welke onderdelen moeten worden in- of uitgeschakeld. Het scherm is opgedeeld in verschillende delen. De meeste cijfers gebruiken een lay-out van zeven segmenten. Hier worden de cijfers 0-9 weergegeven. Als je één segment verandert, worden drie twee. Een vijf wordt een zes.
Sommige beeldschermen gebruiken secties van 14 segmenten. Deze hebben meer cellen. Ze kunnen letters weergeven, niet alleen cijfers. Als het echter om timing gaat, hebben zevensegmentmodellen de overhand. Zo kun je de ene seconde 12:15 en de volgende seconde 12:16 lezen.
Een onwaarschijnlijk partnerschap
Kwarts en vloeibaar kristal zijn fundamenteel verschillende materialen. Hun doel is compleet anders. Kwarts oscilleert. Vloeibare kristallen blokkeren of laten licht door.
Maar zonder dit partnerschap zouden we verloren zijn. Kwarts zorgt voor de hartslag. Vloeibaar kristal zorgt voor het gezicht. Zonder de een is de ander slechts een aanvinkvakje of een leeg scherm.
