Рис. 1. Схема электронных наручных часов с диодным выпрямителем.
Примерно около 1960 г. многие французские часовые фирмы стали работать над идеей замены гальванического элемента маленьким аккумулятором с большим количеством зарядных циклов. Леон Хато в Париже встроил в электрические наручные часы маленький аккумулятор с диодным выпрямителем (рис. 1), который имел лишь вторичную обмотку трансформатора для зарядки от сети. Первичная обмотка, присоединяемая к сети, находилась в отдельном штативе, в который часы вкладывались при дозарядке аккумулятора. По несколько более сложному пути решения этой же проблемы пошла фирма «Эбош С.А.» в Невшателе. Она разместила в крышке футляра маленький аккумулятор, который заряжался током от полуторавольтовой карманной батареи через привод, идущий в полости кнопки для управления стрелками.
Технически оба способа дозарядки аккумуляторов этих часов осуществимы, но они были весьма неудобны. Попытка упрощения этих способов запатентована упомянутой выше фирмой «Дойтче Урен-Роверке»: 12 кремниевых солнечных элементов были расположены последовательно вместо цифр непосредственно на циферблате. Для получения электроэнергии, необходимой для питания этих часов в течение целых суток, достаточно было подержать эти часы несколько минут в сутки под действием интенсивного дневного света.
Другой способ, заимствованный у автоматического заводного механизма механических часов, заключался в том, что в футляр часов встраивался маленький генератор электрического тока. Это маленькое динамо вырабатывало электроэнергию, разумеется, лишь при движении прибора на руке и при этом заряжало миниатюрный аккумулятор.
Все эти уже на первый взгляд довольно сложные пути выработки и аккумулирования электрической энергии имели свои обоснования в период начинающегося развития миниатюрных электрических часов, когда эффективность их основных систем была по сравнению с нынешними пренебрежимо малой.
При анализе работы механических часов мы указали, что зубчатый механизм передает значительную энергию груза или пружины. Поэтому колеса тех часов находились друг с другом в постоянном зацеплении, а постоянное давление в опорах вызывало значительное трение, что вело к изнашиванию соприкасающихся поверхностей. У электрических и электронных часов роль передаточного механизма аналогична, но в отличие от механических часов они передают лишь показание времени, а не усилие пружины. Таким образом, зубчатые колеса и опоры в электрических и электронных часах испытывают значительно меньшую нагрузку, а потому обладают значительно большим сроком службы.
Итак, электрические или электронные часы. Пора выяснить различие между этими двумя типами часов. У электрических часов дозировкой энергии, необходимой для их хода, управляет электрический контакт механического типа. Передаточный механизм является простым механическим редуктором, осциллятором в обычных случаях бывает баланс. Переход от электрических часов на электронные характеризуется заменой сравнительно мало надежного электрического контакта электронным полупроводниковым элементом – транзистором. Функции остальных элементов электрических и электронных часов с балансовыми осцилляторами, по существу, аналогичны.
Важным и притом весьма чувствительным элементом каждых электрических часов является контактный механизм, отпирающий и прерывающий электрическую импульсную сеть. При отпирании этой цепи начинает проходить ток через катушку и в ней и вокруг нее возникает магнитное поле. Если это поле своими силовыми линиями пересекает ферромагнитное ярмо на балансе, то возникает силовой импульс, необходимый для поддержания постоянной амплитуды осциллятора. Импульсная система должна иметь либо стационарную катушку и ферромагнитное ярмо на осцилляторе, либо, наоборот, обмотка катушки должна быть закреплена на балансе, а ферромагнитное ярмо должно быть неподвижным. Во втором случае волосок баланса выполняет двоякую функцию: он действует, создает, как в механических часах, возвращающий момент и одновременно соединяет электрически катушку с Другими элементами электрической схемы часов. Ярмом бывает постоянный магнит, чаще всего ферритовый. Его собственное магнитное поле складывается с полем катушки, в результате чего возникает притягивающая или отталкивающая сила. Импульсный характер этой силы достигается кратковременным переключением контактов.
Недостатки электрических контактных схем в часовом деле совершенно ясны. Поэтому уже вскоре после 1950 г. стали проделывать многочисленные эксперименты по бесконтактному управлению балансовыми осцилляторами в малогабаритных часах. Удовлетворительным решением явилось только применение полупроводниковой техники, при которой транзистор полностью заменил несовершенное и ненадежное механическое контактное устройство.
С начала первых экспериментов возникла обширная серия типов электрических и электронных схем поддержания колебаний балансовых осцилляторов. По способу передачи энергии от источника на осциллятор можно подразделить эти системы на две основные группы, а именно системы с электродинамическим приводом и системы с электромеханическим приводом. Электродинамический принцип успешно использован для стационарных электрических часов еще в конце прошлого века*. Для наручных часов эту систему впервые использовала в 1957 г. американская фирма «Гамильтон Уотч Компани», а теперь эту систему можно видеть в часах марки «Рула», «Таймекс», «Лейчер» и т.д. Электромагнитный привод отличается от электродинамического тем, что его катушка содержит ферромагнитный сердечник, концентрирующий магнитные силовые линии. Ярмо же изготовляется из магнитного мягкого материала. Электродинамическим системам часто отдают предпочтение потому, что они меньше поддаются вредным влияниям посторонних магнитных полей.
* Здесь речь идет о магнитоэлектрической и электромагнитной системах привода. (Прим. науч. ред.)
Электронные схемы современных балансовых наручных часов имеют много вариантов, но все они выполняют роль того или иного электронного ключа.
Интересное решение предложила известная электротехническая фирма «Филиппе» в Эйдховене, Голландия. Излучение небольшого количества радиоактивного вещества, нанесенного на баланс, воспринимает особый миниатюрный встроенный приемник, который трансформирует это излучение в электроэнергию, приводящую в действие балансовый осциллятор непосредственно через транзисторный усилитель.
Не менее интересный принцип, основанный на магнитострикционном явлении, использовала швейцарская фирма «Баэни Сосайте Аноним». Под магнитострикцией понимается изменение размеров ферромагнитного вещества (в данном случае волоска часов) в результате намагничивания его. Под действием магнитного поля изменяется кривизна волоска и происходит угловой поворот его витков, придающий силовой импульс балансу. Однако магнитострикционные материалы имеют весьма неустойчивый модуль упругости, что вызывает колебания возвращающей силы волоска, сопровождающиеся значительным изменением продолжительности времени колебания баланса.
Трудности со стабилизацией амплитуды привели к попыткам заменить волосковые осцилляторы крутильными осцилляторами, где обычный волосок заменили две несущие цилиндрические витые пружины. Опоры оси баланса здесь, собственно говоря, отпадают, и для них остается второстепенная роль предохранителя при резких сокращениях и ударах. В некоторых случаях удалось вместо цилиндрических витых пружин использовать торсионные пластины формы V, Y или X.