Wie funktioniert eine Quarzuhr? – Das Quarzuhrwerk im Detail erklärt
Die Quarzuhr, genau, zuverlässig und günstig. – Ein Dorn im Auge mechanischer Uhrmacher.
Durch die Weiterentwicklung der Quarzuhr im Jahr 1980 wurden Quarzuhren erschwinglich. Dadurch wurde es für jedermann möglich, eine Uhr zu tragen. Quarzuhrwerke sind jedoch nicht nur in preiswerten Uhren zu finden. Diese neue Entwicklung stürzte die gesammte Uhrenindustrie zwischenzeitig in eine regelrechte Quarzkrise.
Aufgrund ihrer ausgezeichneten Qualität, Kompaktheit und Genauigkeit sind sie auch in den Uhren renommierter Hersteller wie Rolex vertreten.
Wie funktioniert das Quarzuhrwerk einer Quarzuhr?
In einem Quarzuhrwerk wird ein Quarzkristall als Taktgeber verwendet. Durch den Piezoeffekt schwingt der Quarz mit 32.768 Schwingungen pro Sekunde, die gezählt werden, woraus sich die Zeit ergibt. Die Zeiger der Quarzuhr werden mittels eines kleinen Motors angetrieben. Die Energie dafür stammt aus einer kleinen Batterie, die jährlich ausgetauscht werden sollte.
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Wie genau funktioniert eine Quarzuhr im Detail?
Anders als bei einer Automatikuhr werden die Zeiger einer Quarzuhr nicht durch mechanisch gespeicherte Energie angetrieben, sondern durch elektronisch gespeicherte Energie. Im Wesentlichen ist die Funktionsweise von Quarzuhrwerken einfacher als die Funktionsweise eines mechanischen Uhrwerkes.
Um es verständlich zu erklären, unterteile ich das Quarzuhrwerk in zwei Bereiche: den Antrieb und den Zeit messenden Mechanismus.
Der Antrieb
Bei einer Quarzuhr wird das Räderwerk mit einem kleinen elektrischen Motor angetrieben. Mit dem Räderwerk wird die Drehzahl des Sekundenzeigers auf die Drehzahl des Minuten- und Stundenzeigers übersetzt. Die Übersetzung funktioniert wie bei einem mechanischen Uhrwerk über eine Reihe von Zahnrädern.
Die Energie für den Elektromotor stammt aus einer kleinen Knopfbatterie, die jährlich getauscht werden sollte.
Gut, du weißt jetzt, wie die Quarzuhr ihre Zeiger bewegt, aber das Einzigartige an einer Quarzuhr ist der Mechanismus, der die Zeit misst und somit die Geschwindigkeit der Zeiger reguliert.
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Der Zeit messende Mechanismus einer Quarzuhr im Detail
Quarz ist ein piezoelektrisches Material.
Das bedeutet, dass sich die elektrischen Pole verschieben, wenn eine elastische Verformung stattfindet. Das Verschieben der Pole führt anschließend zu einer elektrischen Spannung.
Der inverse Piezoeffekt besagt im Umkehrschluss, dass sich ein Material beim Anlegen einer Spannung durch das Verschieben der Pole verformt.
Das klingt kompliziert, deshalb noch einmal verständlicher:
«Ein Quarzkristall verformt sich, wenn eine elektrische Spannung anliegt.»
Der Quarz bewegt sich nun, aber woher kommt die Resonanz und die genaue Anzahl Schwingungen pro Sekunde?
Die Frequenz, mit der der Quarzkristall schwingt, wird maßgeblich durch die Form bestimmt.
Ein quadratischer Quarz schwingt mit einer extrem hohen Frequenz. Diese ist so hoch, dass der Stromverbrauch für das Auslesen der Frequenz die Kapazitäten einer Armbanduhr überschreiten würde.
Mit dem Stimmgabel-Design konnte die Frequenz des Schwingquarzes auf 32.768 Hz reduziert werden, was zu einem wesentlich geringeren Stromverbrauch führte.
Dabei mussten die Uhrmacher abwägen zwischen einer höheren Frequenz, die zu einer genaueren Uhr führt, und einer niedrigeren Frequenz, die einen geringeren Stromverbrauch hat.
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So und jetzt klären wir, wie die Stimmgabel hin und her schwingt!
An jeder Seite der Stimmgabel wird eine Elektrode fixiert, daran wird mit einem Oszillator ein beliebiges Wechselfeld angelegt.
Das angelegte Wechselfeld führt dank des inversen Piezoeffekts dazu, dass der Quarzkristall zu schwingen beginnt.
Mithilfe einer Rückkopplung wird die Frequenz des Wechselfelds an die mechanische Eigenfrequenz des Quarzkristalls angepasst.
Dadurch wird der Quarzkristall zu einem elektrischen Resonanzkreis, der eine sogenannte geringe Dämpfung hat, was bedeutet, dass die Schwingungen des Quarzkristalls sehr lange aufrechterhalten werden können, ohne viel Energie zu verlieren. Die Schwingungen werden anschließend in elektrische Impulse umgewandelt.
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Ein elektronisches Zählwerk zählt die Impulse und errechnet daraus die Zeit. Sobald das Zählwerk eine bestimmte Anzahl von Impulsen erreicht hat, sendet es einen Befehl an den Elektromotor, der die Zeiger der Quarzuhr bewegt.
Die Genauigkeit der Quarzuhr ist durch die präzise Frequenz des Quarzkristalls und die hohe Stabilität des elektrischen Resonanzkreises gewährleistet. Deshalb sind Quarzuhren in der Regel genauer als mechanische Uhren.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Quarzuhrwerk aufgrund der Kombination aus einem piezoelektrischen Quarzkristall, einem elektrischen Resonanzkreis und einem elektronischen Zählwerk funktioniert. Diese Komponenten ermöglichen es der Quarzuhr, die Zeit sehr genau zu messen und die Zeiger präzise zu bewegen.
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Schwingungen zählen
Der Quarz schwingt, und das Räderwerk wird mithilfe des elektrischen Motors bewegt. – Jetzt können wir noch im Detail klären, wie die Anzahl der Schwingungen gezählt werden.
Um die Frequenz auszuwerten, wird die Wechselspannung, die 32.768 Hz hat, auf eine Reihe von T-Flipflops gelegt.
Ein T-Flipflop ist ein Schaltkreis mit zwei Eingängen, die wie bei einem Schalter von 0 auf 1 umschalten können.
Durch die Serienschaltung von 15 T-Flipflops ergeben sich 2^15 Kombinationsmöglichkeiten.
2^15 ergibt 32.768, was genau das Tausendfache der Schwingrate ist.
Legt man also die Frequenz von 32.768 Hz auf die 15 T-Flipflops, lässt sich daraus ein Sekundenpuls ableiten.
Nun wissen wir die genauen Zeitabstände und können den Schrittmotor, der die Zeiger bewegt, nach diesem Sekundenpuls ansteuern.
Zuvor habe ich angesprochen, dass bei einer höheren Frequenz mehr Energie benötigt wird. Das hat damit zu tun, dass bei einer höheren Frequenz mehr T-Flipflops gebraucht werden, die insgesamt mehr Strom benötigen.
So! Du hast gerade verstanden, wie eine Quarzuhr im Detail funktioniert.
Falls du noch Fragen oder Anmerkungen hast, darfst du die gerne in den Kommentaren äußern.
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Fazit
Ich muss zugeben, zu Beginn war ich etwas davon eingeschüchtert, wie komplex ein Quarzuhrwerk ist.
Aber die Grundlagen sind dann doch schnell verstanden.
Dabei müssen wir berücksichtigen, dass wir nicht darauf eingegangen sind, wie die Frequenz der Wechselspannung mit der Eigenfrequenz des Quarzkristalls synchronisiert wird. Außerdem gibt es auch zu den T-Flipflops noch einiges mehr zu wissen, als ich hier angeschnitten habe.
Aus Relevanzgründen bin ich nicht genauer auf diese zwei Bereiche eingegangen, ich habe aber die passenden Wikipedia-Artikel verlinkt.
Ich würde mich sehr über eine Anmerkung oder einen Kommentar freuen, wenn du noch eine Frage hast.
Quelle Titelbild: Gentleman-watches, Artikel wird fortlaufend aktualisiert
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Q&A
Wie genau ist eine Quarzuhr?
Quarzuhren glänzen mit ihrer Genauigkeit von unter einer Sekunde pro Monat. Auf das Jahr gerechnet sind das ca. 10 Sekunden. Quarzuhren sind also so genau, dass es nicht nötig ist, diese regelmässig nachzustellen.
Wie lange hält die Batterie der Quarzuhr?
Die Knopfbatterie der Quarzuhr hält in der Regel ein Jahr lang. Um sie zu wechseln, muss man die Uhr zu einem Uhrmacher bringen, der sie öffnet und die Batterie austauscht. Bei günstigen Uhren kann man die Batterie auch selbst wechseln. Der Batteriewechsel kostet je nach Uhr und Uhrmacher zwischen 15 und 50 €.
Über den Autor
Maio Rosatzin
Meine Leidenschaft begann mit einer Breitling Premier B01. Seitdem teile ich hier auf meinem Blog meine Faszination für die Uhrmacherkunst. Lass uns gemeinsam in diese faszinierende Welt eintauchen!
