Технологии сбережения энергии в кварцевых часах

Одним из главных недостатков кварцевых часов является необходимость замены батарейки. Чтобы избавиться от этого недостатка, часовщики использовали несколько способов.

Наиболее распространенными технологиями кварцевых часов, в которых не нужно менять батарейку, являются Kinetic/Autoquartz и EcoDrive. Обе технологии основаны на том, что часы способны «улавливать» энергию извне часов и за счет нее подзаряжать элемент питания часов. В технологии Kinetic/Autoquartz источником энергии служат движения руки человека, а в технологии EcoDrive — солнечная энергия, падающая на циферблат часов. Часы Kinetic/Autoquartz и EcoDrive не являются часами «без батарейки». И часы Kinetic/ Autoquartz, и часы с технологией EcoDrive остаются обычными кварцевыми часами с элементом питания, который может самозаряжаться. Дело в том, что батарейки, которые устанавливаются в обычных кварцевых часах, нельзя зарядить, а в часах Kinetic/ Autoquartz и EcoDrive используется не обычная батарейка, а заряжаемый элемент питания — аккумулятор или конденсатор.

Kinetic и Autoquartz — два названия одной и той же технологии. Первое использует разработчик технологии, компания Seiko, второе — ряд швейцарских компаний, выпускающих аналогичные по сути механизмы. Естественно, в данном случае мы говорим только об общей идее технологии. Каждый из выпускаемых механизмов имеет свои особенности. Например, некоторые из механизмов с технологией Autoquartz могут быть «заведены» вращением заводной головки, как в обычных механических часах. Слово «заведены» поставлено в кавыч¬ки, т.к. в данном случае на самом деле происходит не завод пружины, а зарядка аккумулятора часов.

Часы Kinetic - это кварцевые часы, не требующие замены батарейки. В них кинетическая энергия движения руки человека преобразуется в электрическую, питающую механизм часов. Механизм Kinetic является симбиозом кварцевых часов и механических часов с автоподзаводом. При движениях руки груз, аналогичный грузу в часах с автоподзаводом, вращается вокруг оси и через систему шестерен вращает ротор генератора. Электрический ток, вырабатываемый генератором, заряжает накопитель энергии — конденсатор.

Чтобы генератор смог выработать ток нужного напряжения, ротор должен вращаться с большой скоростью. Если в механических часах колесная передача от груза автоподзавода до барабана уменьшает обороты, то в KINETIC наоборот. Колесная передача часов KINETIC обеспечивает скорость вращения ротора до 100 000 оборотов в минуту (это примерно в 5 раз больше числа оборотов двигателя болида Формулы-1). При таких больших скоростях главной проблемой становится трение в опорах ротора. Для уменьшения трения генератор сконструирован так, что ротор висит в магнитном поле, как в невесомости, почти не касаясь опор. Благодаря магнитной подвеске ось, имеющая на концах диаметр в 3-4 раза тоньше человеческого волоса, спокойно выдерживает вес ротора, который примерно в 20 раз тяжелее ротора шагового двигателя,

Технологическим шедевром считаются изготовленные с высочайшей точностью миниатюрные опоры оси ротора. С той же целью — уменьшения трения — была разработана специальная смазка для опор, обладающая малой вязкостью.
При резких движениях, например, при ударе рукой по столу, груз может начать вращаться во много раз быстрее обычного. Чтобы предотвратить разрушение цапф оси ротора необходимо ограничить скорость его вращения. Для этого в передаче использована фрикционная муфта. Она выглядит как обычное колесо с трибом, но колесо сидит на оси не жестко, а с некоторым трением. При нормальных скоростях триб вращается вместе с колесом, но при резких ускорениях триб муфты проворачивается относительно колеса, предохраняя ротор. Ротор генератора, вращающийся с огромной скоростью, должен быть отбалансирован с очень высокой точностью, иначе он просто разрушит часы.

Впрочем, часы с подобными технологиям не пользуются большой популярностью у покупателей, отдающих предпочтение скорее кварцевым моделям. В связи с этим производителям приходится изобретать различные способы увеличения автономности кварцевых часов, т.е. срока, в течение которого они могут работать без замены батарейки или подзарядки. Автономность кварцевых часов зависит от двух факторов: емкости источника пита¬ния и потребляемого часами тока. Потребляемый ток зависит от конструкции механизма, и в наибольшей степени от наличия дополнительных устройств: подсветка, хронограф, сигнал, других функций часов, потребляющий много энергии. Также влияние оказывают такие характеристики самой батареи, как ток саморазряда, способ¬ность батареи не терять герметичность в течение какого-то срока. Некоторые компании используют ряд энергосберегающих технологий, основанных на одной идее: на время, в которое часы не используются, в них отключается ряд узлов, требующих существенного количества энергии. Например, компания Seiko создала принципиально новый механизм, использующий кинетическую энергию движения и перерабатывающий ее в электрическую, получивший название система Seiko Kinetic.

Механизм кварцевых часов состоит из нескольких функциональных блоков: генератор колебаний, электронный блок, который подсчитывает колебания и переводит их в понятное нам время, индикатор, т.е. система шестерен, вращающих стрелки, или LCD-дисплей. Большая часть энергии потребляется именно индикатором. Идея конструкторов состоит в том, чтобы на время, когда часы не используются, «отключать» индикацию. Так, например, в часах Kinetic Auto Relay останавливаются стрелки, а в цифровых часах Casio «гаснут» цифры на дисплее. Внешне часы «спят», но электронный блок продолжает отсчитывать время. И после того как владелец возьмет часы в руки, специальный датчик активизирует механизм и тот автоматически выставит правильное время.

В 1999 году японская компания SEIKO объявила об очередном технологическом прорыве - создании Kinetic Auto Relay. Эти часы способны показывать правильное время, даже если в них не меняли батарейку или не пользовались до четырех лет. Большая часть энергии в кварцевых часах — около 85% — расходуется на вращение стрелок, и лишь 15% затрачивается на работу их электронной части, которая, собственно, и отсчитывает время. Электронный мозг часов Kinetic Auto Relay может останавливать стрелки, экономя за счет этого энергию для более длительной работы.

Kinetic Auto Relay созданы на базе технологии Kinetic, но имеют особый электронный блок, и не один, как в обычных кварцевых часах, а несколько шаговых двигателей. Когда Kinetic Auto Relay носят на руке, стрелки двигаются, как обычно. Если же часы остаются неподвижными более чем 72 часа, они переходят в режим сбережения энергии — электронное устройство останавливает стрелки. При этом потребление энергии уменьшается более чем в 6 раз.

 Но даже когда стрелки остановились и часы находятся в режиме сбережения энергии, электронный блок продолжает отсчитывать время. Стоит немного пошевелить часы, чтобы груз автоподзавода пришел в движение. После этого, как по команде электронного мозга, высокоскоростной шаговый двигатель установит на правильное текущее время часовую и минутную стрелки, а затем другой шаговый двигатель выставит и секундную стрелку. Ручной настройки может потребовать только календарь.

Срок, в течение которого часы могут работать в «спящем» режиме, зависит от накопленной энергии. При полной зарядке они будут отсчитывать время в течение четырех лет.

Версия для печати | вверх