Mūsų gyvenimas neįsivaizduojamas be tikslios laiko matavimo sistemos. Ne vieną kartą per dieną žvilgčiojama į laikrodį, tačiau retai susimąstome, kas jo viduje.

Naujausi mokslo ir technikos pasiekimai neaplenkė ir laikrodžių pramonės, įprastinius mechaninius laikrodžius vis dažniau pakeičia elektroniniai, teikiantys daugiau informacijos, tikslesni.

Mechaniniuose laikrodžiuose pradėjus naudoti elektros energijos šaltinį, buvo sukonstruoti balansiniai elektroniniai-mechaniniai, kamertoniniai ir kvarciniai elektroniniai laikrodžiai. Juose pakeista įprastinė laikrodžių konstrukcija.

Tiksliausi yra kvarciniai elektroniniai laikrodžiai. Pavyzdžiui, 1970 m. šio laikrodžio nuokrypis nuo normos sudarė apie 5 minutes per metus, o per dešimtmetį paklaida sumažėjo iki 5-10 sekundžių. Pirmieji kvarciniai elektroniniai rankiniai laikrodžiai buvo apie 15 mm storio, o šiuo metu kai kurių storis – 1 mm.

Kaip žinia, laikrodžio tikslumą lemia sukuriamų virpesių dažnio stabilumas. Pradėjus naudoti laikrodžiuose elektroninius generatorius, virpesių stabilumas padidėjo, nes juose naudojamas kvarcinis rezonatorius turi labai pastovius rezonanso parametrus.

Kvarcinis rezonatorius gali būti strypo arba kamertono formos. Perspektyvesni, pastarieji, nes sumažina rezonatoriaus ir tuo pačiu vakuuminės kapsulės ilgį ir padidina matavimo tikslumą. Mat gamybos metu, naudojant lazerius, tiksliau sureguliuojamas kamertono vibracijos dažnis.

Dažniausiai gaminami kvarciniai rezonatoriai, kurie vibruoja 32 768 Hz dažniu. Didinant vibracijos dažnį, būtų galima dar padidinti tikslumą (tačiau, didinant dažnį, daugiau suvartojama elektros energijos). Laikoma, kad elektroninių laikrodžių su dvejetainiais dalytuvais optimalus dažnis 8-50 kHz.

Virpesių generatorius su kvarciniu rezonatoriumi vibruoja 32 768 Hz dažniu. Tokio dažnio signalai patenka į sekundžių skaitiklį, iš jo į minučių ir pagaliau į valandų skaitiklį. Skaitiklių išėjimo signalai patenka į dešifratorių, kuriame dvejetainis signalo kodas paverčiamas indikatoriaus kodu. Indikatoriaus segmentas užsidega pagal sudarytą algoritmą. Patį indikatorių, jei jis pagamintas iš skystojo kristalo, valdo 64 Hz dažnio signalas, ateinantis iš dalytuvo. Laiko parodymą galima koreguoti laikrodžio išorėje esančiais mygtukais.

Laikrodžio funkcijų skaičius priklauso nuo skaitiklių kiekio integrinėje schemoje. Analogiškai laikrodis gali skaičiuoti savaitės ir mėnesio dienas, būti chronometru ir pan.

Šuo metu laikrodžiuose vis plačiau naudojami mikroprocesoriai. Tai leidžia konstruktoriams į paprastą rankinį laikrodį įmontuoti dar ir mažą kalkuliatorių, kalendorių, pulso matuoklį, skambutį (kaip žadintuvo įtaisą), įtaisą, garsiai pasakantį laiką, užrašantį reikiamus skaitmeninius duomenis ir kt.

Elektroniniuose laikrodžiuose visa informacija skaitmeninė. Pirmuosiuose skaitmeniniuose laikrodžių indikatoriuose buvo naudojami šviesos diodai. Šio tipo indikatoriai nepaplito, nes laiką buvo galima sužinoti tik paspaudus mygtuką, o dieną arba ryškiai apšviestoje patalpoje skaičiai buvo matyti neaiškiai. Be to, diodai sunaudoja palyginus daug energijos. Todėl reikėjo kaip nors išvengti šių trūkumų. Pasirodė, kad skaitmeninei indikacijai geriausiai tinka skystieji kristalai.

Pirmųjų skystųjų kristalų indikatorių veikimas paremtas dinaminės sklaidos efektu. Šių indikatorių kontrasto koeficientas apie 12, maitinimo įtampa 10-15 V. Antroji skystųjų kristalų indikatorių karta pagrįsta lauko efektais, iš kurių dažniausiai naudojamas Tvisto efektas. Ši karta pranašesnė tuo, kad turi daug didesnį kontrastingumo koeficientą (iki 50 ir daugiau) ir mažesnę valdymo įtampą. Jų konstrukcija tokia. Tarp dviejų stiklinių plokštelių su skaidriais elektrodais įpilama skystojo kristalo. Prijungus prie elektrodų įtampą, keičiasi skystojo kristalo molekulių orientacija, pakinta skaidrumas ir tampa matomas vienas ar kitas indikatoriaus segmentas. Dabartiniai skystųjų kristalų indikatoriai maitinami kintama 3-4 V įtampa, kurios dažnis 32 arba 64 Hz.

Naudodamiesi mechaniniais rankiniais laikrodžiais, įpratome laiką nustatyti pagal rodyklių padėtį. Toks laiko parodymo būdas mums yra greičiau suvokiamas, ir todėl pastaruoju metu konstruojami elektroniniai laikrodžiai su rodyklėmis. Jų ciferblatas padalintas į 60 lygių dalių, kurių kiekviena turi po 10 skystųjų kristalų segmentų. Jiems paeiliui įsijungiant ar išsijungiant, galime stebėti valandų, minučių bei sekundžių kaitą.

Į skystąjį kristalą pridėjus dažo molekulių, galima gauti spalvotą laiko indikaciją. Laikrodžio informatyvumui padidinti dažnai daromi dviejų sluoksnių skystųjų kristalų indikatoriai. Pavyzdžiui, .viename sluoksnyje gali būti atvaizduotas laikrodis, o kitame – kalendorius ar pan. Jau yra ir matricinių indikatorių, kuriuose atkuriama ne tik skaitinė, bet ir vaizdinė informacija.

Šioje srityje nemaža nuveikė Vilniaus V. Kapsuko universiteto mokslininkai: jie sintetina skystuosius kristalus, tiria jų savybes bei pritaikymo galimybes elektroninių laikrodžių pramonėje.

Pati opiausia elektroninių laikrodžių problema – energijos sunaudojimas. Nuo to, kokie yra elektros energijos šaltiniai (o jų daugiau kaip 30 rūšių), priklauso ne tik laikrodžio matmenys, bet ir naudojimo laikas.

Į laikrodžio ciferblatą įmontuota saulės baterija negadina laikrodžio išvaizdos, tačiau ji nepatogi tuo, kad, nesant apšvietimo, elektros srovė nustoja tekėjusi. Todėl, be saulės baterijos, reikia akumuliatoriaus. Dažniausiai naudojamas nikelio-kadmio akumuliatorius, bet jo palyginti nedidelė darbo įtampa (1,25 V) ir trumpas naudojimo laikas. Kol kas dar nėra tinkamo akumuliatoriaus saulės baterijoms, kuris dirbtų 5 metus.

Tolesnis žingsnis, kuriant energijos šaltinius, buvo atominės baterijos. Jų pagrindas – radioaktyvusis izotopas, kuriam spinduliuojant grandinėje susidaro kelių dešimčių mikroamperų elektros srovė. Jos pakanka stabiliam laikrodžio elementų darbui. Tačiau, naudojant indikaciją su šviesos diodais arba apšvietimą, elektrinėje schemoje turi būti papildomų energijos kaupimo elementų.

Dar vienas rankinių laikrodžių energijos šaltinių – termoelektrinis keitiklis. Jis veikia dėl laikrodžio paviršiaus, liečiančio ranką, ir išorinio paviršiaus temperatūros skirtumo. Termoelektrinio keitiklio galingumas 8-12 µW – tai kelis kartus viršija laikrodžiui reikiamą galingumą.

Vis dėlto populiariausi yra cheminiai elektros energijos šaltiniai. Laikrodžių gamintojai kūrė ir bandė įvairių rūšių elektrochemines baterijas. Keičiant chemines medžiagas, baterijų konstrukciją, buvo sukonstruoti ir silpnos, ir stiprios srovės energijos šaltiniai. Tapo įmanoma skystųjų kristalų indikatorių apšvietimui naudoti elektros lemputę (maitinamą 15-20 mA srove).

Geri laikrodžių energijos šaltiniai veikia 3-5 metus. Manoma, kad, naudojant baterijas, turinčias labai mažą savaiminį išlydį, energijos šaltinių darbo laikas galėtų padidėti iki 10 metų. Sukūrus mažus ilgo veikimo energijos šaltinius, bus galima sukonstruoti laikrodžius, kuriems nereikės keisti baterijų.

Šiuo metu laikrodžiai labai įvairūs. Jau 1980 m. pasaulyje buvo pagaminta apie 30 mln. mažagabaričių laikrodžių, iš kurių 46% – kvarcinių, o laikrodžiai su skaitmenine indikacija sudarė ketvirtadalį visų pagamintų laikrodžių. Jų korpusai plastmasiniai, nerūdijančio plieno arba iš įvairių (aliuminio, sidabro, titano, aukso) lydinių.

Turint galvoje elektroninių laikrodžių pranašumus, galima teigti, kad ateityje didės ne tik šių laikrodžių gamyba, bet ir paklausa.

Pranas Juozas Žilinskas

Technikos mokslų kandidatas

Aušra Vaškevičienė

Jaunesnioji mokslinė bendradarbė

Žurnalas „Mokslas ir Technika”

1985, Nr. 2