Patrzysz na zegarek. Nie myślisz o fizyce. Musisz tylko wiedzieć, czy się spóźniłeś. Jeśli jednak kwarc w środku nie działa, spóźnisz się. Jeżeli wyświetlacz ulegnie awarii, dowiesz się o tym dopiero, gdy sprawdzisz godzinę.
Kwarc i ciekłe kryształy nie są nawet w tym samym stanie skupienia. Stanowią one jednak podstawę zegarków cyfrowych. Bez nich zwykły zegarek byłby jedynie bransoletką.
Co to jest kwarc?
Kryształy są wszędzie. Kwarc jest jednym z najpowszechniejszych minerałów na Ziemi. Naukowcy nazywają go dwutlenkiem krzemu. Można to zobaczyć także w biżuterii. Widzisz to na papierze ściernym. Zobaczysz to także w swoim telefonie i telewizorze.
Sekret tkwi w piezoelektryczności.
Po naciśnięciu kryształu wytwarza się ładunek elektryczny. Jeśli przyłożysz do niego ładunek elektryczny, zacznie wibrować. To właśnie ten odwrotny efekt piezoelektryczny sprawia, że kwarc tak dobrze nadaje się do pomiaru czasu. Do utrzymania oscylacji potrzeba bardzo mało energii.
Dlaczego zegarki cyfrowe potrzebują wyświetlacza LCD?
Ciekłe kryształy to coś innego. Nie są pojedynczą substancją. Po raz pierwszy odkryto je w XIX wieku. Naukowcy zbadali cholesterol. Odkryli czwarty stan skupienia.
Cząsteczki mają kształt pręta lub płytki. Płyną jak ciecz. Zachowują jednak orientację i porządek charakterystyczny dla brył. Kiedy przechodzi przez nie światło, zmieniają się ich właściwości optyczne. Dzięki temu idealnie nadają się do ekspozycji.
Pierwszy zegarek z ekranem LCD został wypuszczony na rynek w 1973 roku. Od tego czasu wyświetlacze LCD zastąpiły komputery i telewizory. Liczby są wyświetlane na ekranie LCD zegarka.
Jak kwarc odmierza czas?
Cyfrowy zegarek kwarcowy składa się z pięciu głównych części. Potrzebny jest mechanizm rozrządu. Potrzebujesz wyświetlacza. Potrzebny jest układ scalony. Potrzebujesz baterii. Potrzebujesz płytkę drukowaną.
To nie jest zegarek mechaniczny. Zegarki mechaniczne wymagają nakręcania. Używają przekładni. Nie używają kwarcu. Przekładnie są również stosowane w zegarach analogowych. Generalnie nie używają ciekłych kryształów. Cyfrowe zegarki kwarcowe wykorzystują jedno i drugie.
Kwarc jest chronometrażystą. Seiko wprowadziło tę technologię do swoich zegarków w 1969 roku i szybko stała się standardem.
Dokładność jest wysoka. Wyświetlany czas może się różnić o kilka sekund na miesiąc. Dlaczego? Wynika to z faktu, że kwarc charakteryzuje się bardzo dużą częstotliwością drgań. Jest piezoelektryczny, więc zużywa niewiele energii. Jedna bateria alkaliczna może wystarczyć na kilka lat.
Bateria przekazuje niewielki ładunek elektryczny do układu scalonego. Obwód ten jest podłączony do oscylatora kwarcowego za pomocą małych elektrod. Prąd powoduje wibrację kryształu.
Wahania są standaryzowane. Oscylatory kwarcowe zegarka wibrują 32 768 razy na sekundę. To jest 32,768 kiloherca. Układ scalony zlicza te wahania. Mierzy interwały. Towary drugiej jakości. Protokół. Czas.
W każdym odstępie obwód wysyła impuls elektryczny. Gdzie podział się impuls? Na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym.
Rzeczywistość odchyleń
Branża standaryzuje wahania. Ale rzeczywistość jest niedoskonała. Generator wibruje trochę bardziej lub trochę mniej. To zależy od temperatury. To zależy od ciśnienia.
Zegarek ten jest wystarczająco dokładny do codziennego użytku. Ale odchylenia kumulują się. Co miesiąc możesz stracić kilka sekund. To nie jest idealne. Ale to wystarczy, aby dostać się na kolejne spotkanie.
Jak działa ekran
Impulsy z układu scalonego wpływają na wyświetlacz ciekłokrystaliczny. Ciekłe kryształy zmieniają swoją orientację. Blokują lub przepuszczają światło. Spowoduje to utworzenie liczb wyświetlanych na tarczy zegarka.
Proces jest cichy. To skuteczne. Opiera się na dziwnym tańcu pomiędzy wibrującymi kryształami i płynącymi cieczami.
Patrzysz na zegarek. Wyświetli się liczba. Czas wyjść. Już nigdy nie pomyślisz o krzemionce czy pochodnych cholesterolu. Dopóki bateria się nie wyczerpie. Lub do momentu, gdy ekran zgaśnie. Wtedy zapamiętasz.
Technika jest prosta. Fizyka jest skomplikowana. Wynik to tylko liczba.
Kwarc rejestruje najmniejsze okresy czasu, których dana osoba nie jest w stanie dostrzec. Ciekłe kryształy przekształcają ten niewidzialny rytm w coś, co możemy odczytać. Jeden mierzy czas, drugi go wyświetla. Razem dbają o to, aby Twój harmonogram był zgodny z planem.
Skręcanie ciekłych kryształów
Ekrany LCD mają specyficzną konstrukcję. Nie są zbyt trwałe. Zawierają mniej płynu. Ich właściwości optyczne sprawiają, że idealnie nadają się do zakrzywionych wyświetlaczy nematycznych (TN), które są standardem w większości zegarków cyfrowych.
Wewnątrz tego ekranu cząsteczki ułożone są w skręconą spiralę. Wyobraź sobie małe korkociągi. Podanie impulsu elektrycznego (wpływ zewnętrzny) niszczy te połączenia. Ta fizyczna zmiana zmienia ścieżkę światła.
Między światłem a elektrycznością
Ekrany LCD przypominają zasadniczo kanapkę. Składają się z dwóch szklanych płytek. Obydwa przewodzą prąd elektryczny. Pomiędzy nimi znajdują się związki chemiczne ciekłych kryształów.
To najtrudniejsza część. Każda płytka posiada filtr polaryzacyjny. Filtry są ustawione względem siebie pod kątem 90 stopni. Zazwyczaj cząsteczki ciekłych kryształów są ułożone równolegle do tych filtrów. Światło otoczenia odbija się od lustra znajdującego się poniżej. Wynik? Srebrne odblaskowe tło. Dlatego tarcza zegarka w ciemności wygląda metalicznie.
Ale jeśli przyłożysz ładunek elektryczny, cząsteczki przewrócą się. Stają się prostopadłe do filtra. Filtry pochłaniają całe światło. Komórki stają się czarne.
„Kiedy ładujesz wyświetlacz LCD, cząsteczki zmieniają swoją orientację… pozostawiając czarne komórki na ekranie”.
Liczenie sekund
Większość pracy wykonują układy scalone. Otrzymują dane czasowe z oscylatora kwarcowego. Obwód ten wysyła impulsy elektryczne w regularnych odstępach czasu, na przykład co sekundę, minutę lub godzinę.
Impulsy te informują ekran LCD, które części należy włączyć, a które wyłączyć. Ekran jest podzielony na kilka części. Większość liczb używa znaczników siedmiosegmentowych. Wyświetla liczby od 0 do 9. Jeśli zmienisz jeden segment, trójka zmieni się w dwójkę. Pięć stanie się sześcioma.
Niektóre wyświetlacze wykorzystują sekcje czternastu segmentów. Mają więcej komórek. Mogą wyświetlać litery, a nie tylko cyfry. Jeśli jednak chodzi o wyświetlanie czasu, dominują modele z oznaczeniami siedmiosegmentowymi. Możesz więc przeczytać 12:15 w jednej sekundzie i 12:16 w następnej.
Nieoczekiwane partnerstwo
Kwarc i ciekłe kryształy to zasadniczo różne materiały. Ich cel jest zupełnie inny. Kwarc się zmienia. Ciekłe kryształy blokują lub przepuszczają światło.
Jednak bez tego partnerstwa znaleźlibyśmy się w ślepym zaułku. Kwarc zapewnia bicie serca. Ciekłe kryształy zapewniają twarz. Bez jednego drugi jest tylko zaznaczonym polem lub pustym ekranem.
