RELOJES DE CUARZO: QUÉ ES, COMO FUNCIONA Y UNA BREVE HISTORIA
El reloj de cuarzo, cómo funciona y un poco de historia.
En esta entrada veremos paso a paso cómo funciona un reloj de cuarzo y describiremos los hitos más importantes de su desarrollo.
Analizaremos primero las bases científicas que han hecho posible el desarrollo de los relojes de cuarzo, sobretodo el efecto piezoeléctrico y la oscilación.
A continuación explicaremos como se consigue un cristal de cuarzo con una vibración constante de 32.768 Hz pueda utilizrse como medida del tiempo.
Después daremos algunas nociones del tipo de motor que llevan estos relojes, responsable último del movimiento de las manecillas y porque unas pilas duran más que otras
Para finalizar haremos un breve repaso de la historia de los relojes de cuarzo, desde que dos ingenieros norteamericanos construyeron el primer relj de este tipo hasta la llamada crisis del cuarzo.
Cuando termines la lectura y veas el prodigio técnico/científico que es un raloj de cuarzo, primero, vas a dejar de considerar a estos relojes como de segunda categoría, como si fueran inferiores a los mecánicos.
Y segundo, a lo mejor te va a apetecer comprarte uno de estos cinco relojes de cuarzo a precios asequibles.
QUÉ ES UN RELOJ DE CUARZO.
BASES CIENTÍFICAS
Para entender cómo funciona un reloj de cuarzo hemos de saber (1) qué es un cristal de cuarzo, (2) qué es el efecto piezoeléctrico y (3) la importancia de la oscilación/vibración
(1). El cristal de cuarzo.
(El cuarzo en su presentación como cristales)
Fórmula química: SiO2
El cuarzo es un mineral abundante (el segundo más abundante, tras el feldespato),
Duro (valor 7 en la escala de Mohs).
Se presenta en forma de cristales.
Para un mejor y más completo conocimiento del cuarzo dejo este enlace, https://es.wikipedia.org/wiki/Cuarzo
(2). Efecto piezoeléctrico o Piezoelectricidad.
Piezoelectricidad: (Del griego piezein: presionar) describe la propiedad de determinados sólidos para generar una carga eléctrica bajo tensión mecánica. La fuerza de actuación modifica la estructura microscópica del cuerpo y se crean dipolos.
Dando un paso más: cuando una hoja de cuarzo se somete a una corriente eléctrica, vibra y oscila en proporción a su espesor. Y eso es exactamente lo que sucede dentro de los relojes de cuarzo.
Pero curiosamente el cuarzo no es conductor de la electricidad, así que el cuarzo debe ser triturado y laminado para que adquiera esa capacidad de conducir la electricidad.
La lámina de cuarzo va dentro de esa pequeña cápsula, que se muestra en la imagen, También se llama “Oscilador de cuarzo” que nos da pie al siguiente apartado de la Oscilación.
(3). Oscilación:
Este es un punto muy importante. Porque el efecto piezoeléctrico, antes descrito, del cristal de cuarzo, produce una oscilación constante de 32.768 ciclos por segundo o 32,768 Hz. La tecnología del reloj “de cuarzo” traslada esa vibración constante a la mecánica del reloj, aspecto que trataremos más adelante.
PRIMERA CONCLUSIÓN:
Lámina de cuarzo → Corriente eléctrica → Vibración 37.768 Hz
CÓMO UTILIZAR ESTA CIENCIA EN ALGO PRÁCTICO.
En esta SEGUNDA PARTE vamos a ver como aprovechamos la vibración del cuarzo para medir el tiempo. Hablaremos de (1) la fuente de energia y (2) del circuito electrónico
(1) La fuente de energía.
Una vez que tenemos claras las bases científicas y que sabemos que un cristal de cuarzo modificado en láminas y sometido a una corriente eléctrica va a vibrar a 32.768 Hz, podemos empezar por describir brevemente cual es esa fuente de energía.
La pila de botón en la mayoría de los casos, aunque hay otras como la toma de la corriente eléctrica y las pilas convencionales propias de relojes de pared. También es posible que la primera energía sea la obtenida de una fuente lumínica (Citizen Eco-Drive) o cinética (Seiko Kinetic o Hamilton Pusomatic) y que esta energía alimente a una batería recargable.
Tipos de pila de botón.
Pilas alcalinas: Son las más comunes y económicas. Tienen una duración media de 1-2 años.
Pilas de litio: Son más caras que las alcalinas, pero tienen una duración media de 3-5 años.
Pilas de óxido de plata: Son las más caras y tienen una duración media de 7-10 años.
(2) El circuito electrónico*
Podríamos llamarle “el domador”. El cristal de cuarzo vibra constantemente a 37.768 Hz. Esto es imposible de traducir a ninguna medida de tiempo útil y menos aún en un reloj. Esa función es la que corresponde al circuito electrónico que primero cuenta esa frecuencia (37.768 Hz) y después la va dividiendo hasta llegar al segundo.
La pila (de botón) da energía al circuito electrónico, éste a su vez la transmite al oscilador de cuarzo que emite esa vibración ya super conocida de 37.768 Hz que llega al circuito electrónico para que este la cuente y la divida hasta llegar a 1 Hz.
SEGUNDA CONCLUSIÓN
Pila → circuito → ←oscilador de cuarzo. La pila entrega energía al circuito de manera unidireccional, el circuito entrega energía al oscilador de cuarzo para que oscile a 32.768 Hz y este osciador a su vez devuelve energía al circuito para que éste «la dome» y la deje en una perfectamente util para medir el tiempo de 1 Hz. Ver figura número 2
(*He escogido el término “circuito electrónico” de manera genérica, al que definimos como conjunto de componentes conectados eléctricamente para realizar una función determinada, como amplificar una señal, procesar información o controlar la energía que fluye a través de él. Estos componentes pueden ser resistencias, condensadores, transistores y otros dispositivos electrónicos.
Tengamos en cuenta que puede tratarse de un “circuito integrado” o de microprocesadores. En ningún caso se trata de circuitos eléctricos. Veamos: Un circuito eléctrico deja pasar la corriente sin mayor intervención. Por contra un circuito electrónico hace algo con esa corriente, por ejemplo determina que se encienda a tal hora el radiodespertador. Aquí, en el tema que nos ocupa, el circuito electrónico es el responsable de contar la frecuencia de vibración del oscilador de cuarzo y después de dividirla hasta unidades manejables.
Dejo más información, para los que estén especialmente interesados, sobre circuitos electrónicos en este enlace.
https://electronicaonline.net/circuito-electrico/)
Ahora vamos a ver que el encargado de que todo lo anterior se visualice en la esfera del reloj de cuarzo es el motor.
EL MOTOR
Secuencia básica del funcionamiento de un reloj de cuarzo.
La batería proporciona energía al circuito electrónico.
El circuito electrónico genera una corriente eléctrica que se aplica a la bobina.
La corriente eléctrica crea un campo magnético en la bobina.
El campo magnético interactúa con el imán, lo que hace que el eje gire.
El eje transmite el movimiento a las manecillas o la pantalla digital.
La velocidad de giro de un motor de reloj de cuarzo suele ser de 21.600 revoluciones por minuto (rpm).
La potencia de un motor de reloj de cuarzo suele ser de unos pocos milivatios.
El consumo de energía de un motor de reloj de cuarzo suele ser de unos pocos miliamperes.
Ver figura número 3.
Como las anteriores han sido obtenidas de :
https://www.youtube.com/watch?v=148TqbyK9GE&t=160s
A partir de este punto podemos decir que hay dos tipos fundamentales de motores.
Motor de Bobina.
Motor de pasos.
Las diferencias de unos con los otros son las siguientes:
Motor de Bobina:
Un motor de bobina, también conocido como motor de corriente continua (DC) o motor de escobillas, funciona mediante el principio de la acción de una bobina de alambre dentro de un campo magnético. Este tipo de motor es alimentado por una corriente continua y utiliza escobillas y un conmutador para cambiar la dirección de la corriente en la bobina y, por lo tanto, invertir la dirección del movimiento.
Los motores de bobina son conocidos por su simplicidad y su capacidad para proporcionar un alto par de arranque. Se utilizan en aplicaciones donde se requiere un control de velocidad y posición relativamente sencillo.
Sin embargo, los motores de bobina tienden a tener una vida útil más corta debido al desgaste de las escobillas y pueden generar interferencias electromagnéticas.
Motor de Pasos:
Un motor de pasos es un tipo de motor que se utiliza para convertir pulsos eléctricos en movimientos angulares discretos. En lugar de girar continuamente como un motor convencional, los motores de pasos giran en incrementos discretos, conocidos como «pasos».
Los motores de pasos no requieren escobillas ni conmutadores y funcionan mediante la activación secuencial de sus bobinas para mover el eje en pasos precisos. Cada paso representa un ángulo fijo de rotación.
Estos motores son conocidos por su precisión y su capacidad para mantener la posición sin necesidad de retroalimentación adicional. Son ampliamente utilizados en impresoras 3D, máquinas CNC y otras aplicaciones que requieren un control preciso de la posición.
La diferencia principal entre un motor de bobina y un motor de pasos radica en su funcionamiento. Los motores de bobina funcionan de manera continua y utilizan escobillas, mientras que los motores de pasos funcionan en pasos discretos y no requieren escobillas.
En resumen: Los motores de pasos son más precisos, más duraderos y pueden utilizarse en una variedad de relojes, tanto de lujo como no. Elección obligada cuando se requiere una medición precisa de los tiempos, como es el caso de los popularmente conocido como cronómetro
Podemos encontrarlos en marcas de lujo como el Patek Philippe Nautilus 5711/1A , el Omega Speedmaster Professional Moonwatch utiliza un motor de pasos para controlar el cronógrafo. Pero el motor de pasos también se encuentra en marcas no de lujo como un Seiko Prospex Samurai o un Citizen Eco-Drive Promaster Diver.
La imagen número 3 muestra en forma esquemática cómo es el funcionamiento de esta parte de un reloj, desde el motor hasta las manecillas.
Breve historia de los relojes de cuarzo.
En 1920, Warren Morrison (1887-1956, ingeniero eléctrico) y J.W. Horton(1892-1971, también ingeniero eléctrico) construyen el primer reloj de cuarzo en los Bell Telephone Laboratories.
Fotografías Morrison y de Horton.
El «aparatoso» reloj de cuarzo del año 1920
Fotografías tomadas de https://canalrelojeria.blogspot.com/2017/01/historia-del-cuarzo.html
El reloj de cuarzo que desarrollaron tenía carencias importantes en cuanto a exactitud cronométrica, adelantaba +30 seg/dia. La fuente de energía era una pila de 1.5 v.
1960 Hacia esos primeros años de la década de los 60 del siglo XX se ha conseguido una reducción del tamaño de los relojes de cuarzo, que los hace utilizables en marinería y otras actividades de importancia cronométrica aunque imposible de llevar como reloj de uso personal.
1963 A un año de las olimpiadas de Tokio (Japón) Seiko presenta su Quartz Crystal QC-591 para cronometrar pruebas olímpicas. Su magnífico desempeño anticipó el vuelco en la industria relojera mundial.
https://canalrelojeria.blogspot.com/2017/01/historia-del-cuarzo.html
En 1967, aparecen los dos primeros prototipos de relojes de pulsera de cuarzo, el Beta 1, presentado por el Centre Electronique Horloger de Neuchâtel, Suiza y el Astron de Seiko. Véase que la industria relojera suiza también desarrolló su propio sistema de cuarzo pero el poco entusiasmo demostrado concluyó en la denominada “Crisis del Cuarzo” aunque para otros se denominó la “Revolución del Cuarzo”
En Navidad de 1969 se pone comercialmente a la venta el Seiko Quartz-Astron 35SQ, primer reloj de pulsera de cuarzo del mercado, que atrasaba tan solo 5 segundos al mes. Fabricado en oro, Solo se produjeron 100 piezas; su precio era de 1250 dólares, como un automóvil en su época. El eslogan de lanzamiento marcó un hito en la publicidad: «Algún día, todos los relojes serán así».
Unos meses más tarde, los principales 21 fabricantes suizos que habían desarrollado el Beta 21 presentan en la feria de Basel sus relojes de cuarzo de pulsera, que por diversos motivos no tuvo éxito y fue olvidado por el cliente.
1972, la firma norteamericana Hamilton lanza el primer reloj digital, bajo la marca Pulsar, marca que luego sería adquirida por Seiko. Longines elaboraría al poco tiempo el primer reloj digital con pantalla LCD.
Pronto se inicia una producción masiva de este tipo de relojes ya sea analógicos como principalmente digitales LCD en Japón y Hong Kong a cargo de fabricantes como Casio, Citizen o Seiko. Gracias a su comodidad (muchos consumidores los usan para sustituir a relojes de alimentación a cuerda) precisión, bajo coste y funciones antes reservadas a relojes de alto precio como alarmas, cronógrafos o calendarios que no requieren ajuste, tienen un fulgurante éxito comercial. El reloj mecánico tradicional poco a poco es arrinconado comercialmente y muchos fabricantes suizos, en horas bajas comerciales, adoptan el cuarzo y lanzan modelos digitales.
