Kuvars Saatler Nasıl Çalışıyor?

Astrolojiye inanmıyor olabilirsiniz; ancak hiç şüphesizdir ki gezegenler yaşamlarımıza hükmetmektedirler. Sadece astrologların iddia ettiği gibi değil.

Güneş doğduğunda (ya da bir süre sonra) uyanıyor, battığında yatıyoruz. Ay ile Dünya’nın gökyüzünde Güneş etrafındaki hareketleriyle bağlantılı zaman dilimleri olan günlere, aylara ve yıllara dayalı bir de takvimimiz var. Tarihin büyük bir kısmında, insanlara göre bu tarz bir "astronomik zaman ölçümü" onların ihtiyaçları için gayet yeterliydi. Fakat Dünya giderek daha çılgın ve sofistike hale geldikçe, günlerin, ayların ve yılların yanı sıra insanların saat, dakika ve saniyeleri de ölçmesi gerekir oldu. Bu da bizlerin zamanı ölçmek için doğru yöntemlere ihtiyacımızın olduğu anlamına geliyordu. Sarkaçlı ve mekanik saatler bunu yapmanın en iyi yoluydu. Günümüzde, birçok insan bunların yerine kuvars duvar ve kol saatleri kullanmaktalar. Peki nedir bu saatler ve nasıl çalışırlar?

Sıradan Saatler Nasıl Çalışıyor?

Hepimiz saatlerin zamanı ölçtüğünü biliriz ama hiç durup, bunu nasıl yaptıklarını düşündünüz mü? Muhtemelen üretebileceğiniz en basit saat bir konuşan saattir. Saniyeleri, tam bir saniye süren bir ifadeyi tekrarlayarak sayarsanız, (örneğin ''birinci fil'', ''ikinci fil'', ''üçüncü fil''... gibi) zamanı oldukça doğru bir şekilde ölçebileceğinizi göreceksiniz. Bir deneyin. Fillerinizi birden altmışa kadar sayın ve saatinize kıyasla bir dakikalık zamanı ne kadar iyi tuttuğunuzu görün.

Gayet iyi, değil mi? Sorun şu ki, çoğumuzun bütün gün "fil" demekten daha önemli işleri var. Bu yüzden insanlar saatleri icat etti. İlk zamanlardaki saatlerin bazıları zamanı ölçmek için sallanan sarkaçlar kullanırdı. Sarkaç, ileri geri sallanan bir ipe bağlı uzun bir çubuk veya bir ağırlıktır. 1583'te, İtalyan fizikçi Galileo Galilei (1564-1642), belirli bir uzunlukta bir sarkacın, ne kadar ağır olursa olsun ya da ne kadar büyük bir salınım yaparsa yapsın, her zaman ileri geri sallanmasının aynı sürede gerçekleştiğini keşfetti. Bunu, İtalya'daki Pisa Katedrali'nin tavanında bir zincire asılı büyük bir lambayı izleyerek ve nabzını lamba ileri geri hareket ederken süre tutmak için kullanarak keşfetmişti. Saatlerde sarkacın görevi, köşeleri kesik dişlerle birbirine kenetlenmiş tekerlekler olan dişlilerin hızını düzenlemektir. Dişliler, geçen saniye sayısını sayar ve bu saniyeleri kadran etrafında dönen ibrelerde görüntülenen dakika ve saatlere dönüştürür. Bir başka deyişle: Sarkaçlı saatin içerisindeki dişliler aslında filleri saymaktadır.

Herhangi bir ağırlığı bir ip parçasına bağlayarak bir sarkaçlı saat yapmanız mümkündür. Eğer elinizdeki ip yaklaşık 25 santimetre uzunluğunda ise, sarkaç saniyede yaklaşık bir kez ileri geri sallanacaktır. Daha kısa ipler daha hızlı; daha uzun ipler ise daha yavaş sallanacaktır. Böyle bir saatteki sıkıntı şudur ki sarkaç sürekli duracaktır. Hava direnci ve sürtünme çok geçmeden sarkacın enerjisini tüketecek ve onu durduracaktır.

Bu sebeple sarkaçlı saatlerin içerisinde yaylar bulunur. Günde bir defa, sarkacın bir sonraki 24 saat boyunca hareket etmesini sağlamak amacıyla potansiyel enerjiyi depolamak için saatin içerisindeki yayı kurmanız gerekir. Yay gevşedikçe, saatin içerisindeki dişlilere güç sağlayacaktır. Saat maşası adı verilen bir tahterevalli mekanizması aracılığıyla, sarkaç dişlileri belirli bir hızda dönmeye iter - işte dişliler, zamanı bu şekilde ölçmektedirler.

Cep saatleri, içerisinde bir sarkaç bulundurmak için aşikardır ki çok küçüktürler, bu nedenle farklı bir mekanizmaları vardır. Cep saatlerinde, bir sarkaç yerine, önce bir tarafa, sonra diğer tarafa dönen, sarkaçlı saattekinden çok daha küçük bir saat maşası ile kontrol edilen bir denge çarkı bulunur.

Kuvars Saatler Nasıl Çalışıyor?

Sarkaçlı ve sıradan saatlerdeki sıkıntı şudur: Bunları kurmayı unutmamanız gerekir. Unuttuğunuz takdirde, dururlar ve bu nedenle saatin kaç olduğundan haberiniz olamaz. Sarkaçlı saatlerdeki bir başka sıkıntı ise bu saatlerin mekandan mekana çok az değişen yer çekimi kuvvetine bağlı olmalarıdır; bu, bir sarkaçlı saatin deniz seviyesinden yüksek irtifalarda saati farklı göstereceği anlamına gelir! Sarkaçların ayrıca sıcaklık değiştikçe uzunluğu da değişmektedir, öyle ki sıcak günlerde az oranda genleşir; soğuk günlerde kısalır, bu da sarkaçları daha az hassas kılar.

Kuvars saatler tüm bu sorunları çözmektedirler. Bu saatler pille çalışırlar ve çok az elektrik harcadıklarından, pili değiştirmeniz için genellikle en az birkaç yıl geçmesi gerekir. Ayrıca sarkaçlı saatlerden çok daha hassastırlar. Kuvars saatler, sarkaçlı ve sıradan saatlerden çok farklı bir şekilde çalışır. Hala içerlerinde saniyeleri, dakikaları ve saatleri sayacak, ibreleri kadran etrafında döndürecek dişliler bulunur. Ancak dişliler, sallanan bir sarkaç veya hareket eden bir denge çarkı yerine küçük bir kuvars kristali tarafından çalıştırılır. Yer çekiminin işleyişte hiç bir rolü bulunmamaktadır, bu yüzden herhangi bir kuvars saati, saati Everest Dağı'na tırmanırken de, denizdeyken de aynı gösterecektir.

Explainthatstuff

"Kuvars" (İng: "quartz") kulağa egzotik geliyor (içindeki "q" ve "z" harfleri sayesinde, Scrabble oynamak için harika bir kelime) ama aslında kuvars, dünya üzerindeki en yaygın minerallerden biridir. Silisyum dioksit adı verilen kimyasal bir bileşikten yapılır ve silikon, aynı zamanda bilgisayar çiplerinin yapıldığı malzemedir. Silisyum dioksiti kum ve çoğu kaya türünde bulmanız mümkündür!

Belki de kuvarsın en ilginç yanı, piezoelektrik olmasıdır. Bu şu anlama geliyor: Bir kuvars kristalini sıkıştırdığınızda, küçük bir voltaj üretecektir. Bunun tam tersi de geçerlidir: Bir parça kuvarsa voltaj uyguladığınızda, belirli bir frekansta titreşir (saniye başı belirli kez titreşir).

Kuvars, duvar veya kol saatinin içerisinde, pil bir elektronik devre aracılığıyla kuvars kristaline elektrik yollar. Kuvars kristali saniyede tam 32.768 kez olmak üzere, belirli bir frekansta salınır (ileri geri titreşir). Devre, titreşim sayısını sayar ve bunları saniyede 1 düzenli elektrik sinyali üretmek için kullanır. Bu sinyaller, ya bir LCD ekranına güç sağlayarak zamanı sayılarla gösterir ya da aslında minik bir step motor olan küçük bir elektrik motorunu çalıştırarak saatin saniye ibresini, yelkovanını ve akrebini döndüren dişli çarkları döndürür.

Kuvars Saatin İçi

Teoride, kuvars saati şu şekilde çalışmakta:

1. Pil, mikroçip devreye akım sağlar.
2. Mikroçip devre, düzenli olarak kesilmiş ve bir diyapazon şekli verilmiş kuvars kristalinin saniyede 32.768 kez salınmasını (titreşmesini) sağlar.
3. Mikroçip devresi, kristalin salınımlarını algılayıp bu salınımları saniyede bir düzenli elektrik sinyaline dönüştürür.
4. Elektrik sinyalleri de küçük elektrikli step motoru çalıştırır. Bu da, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür.
5. Elektrikli step motor, dişlileri döndürür.
6. Dişliler, zaman ölçümü için ibreleri kadranın etrafında döndürür.

Explainthatstuff

Pratikte Kuvars Saatin Çalışma Prensibi

Gerçekte ise kuvars saatinin içi aşağıdaki gibi gözükmektedir. Eğer saatinizin tekrardan çalışmasını istiyorsanız, ne olursa olsun, saatinizi aman parçalara ayırayım demeyin. Tüm bu parçaları bir tek saatin arkasını sökerek görmeniz imkansızdır. Burada gördüğünüz bu saat bir paket mısır gevreğinin yanında ücretsiz olarak gelmişti (şaka yapmıyoruz!) ve daha ben açmadan kendi kırılmıştı. Ama kurcaladıkça, daha da kırıldı...

Explainthatstuff

Burada gördükleriniz şunlar:

1. Pil
2. Elektrikli step motor
3. Mikroçip
4. Devre, mikroçipi diğer parçalara bağlar
5. Kuvars kristali osilatörü
6. Saat ayarı için kurma kolu
7. Dişliler, akrebi, yelkovanı ve saniye ibresini farklı hızlarda döndürür
8. Merkezde bulunan küçük bir mil ise ibreleri sabit tutar

Kuvars Saatler Neden Hep İleri Gider veya Geri Kalır?

Kuvarsın kendisi madem bu kadar muhteşem, kuvars saatinin niçin zamanı daima doğru ölçmediğini merak ediyor olabilirsiniz. Neden halen ara sıra bir ileri bir geri oluyor? Cevap şu ki, kuvars farklı sıcaklık ve basınçlarda nispeten farklı bir frekansta titreşir, bu nedenle zaman ölçme gücü, etrafımızdaki ısınan, soğuyan, sürekli olarak değişen ortam tarafından küçük bir miktar etkilenir.

Teorik olarak, saati hep aşağı yukarı sabit sıcaklıkta olan bileğinizde takılı tutarsanız, zamanı takıp çıkardığınızdan daha iyi ölçecektir; çünkü saati takıp çıkarmak her seferinde oldukça ani bir sıcaklık değişimine neden olacaktır.

Ancak kuvars kristali kusursuz sabit bir frekansta titreşmesi mümkün hale getirilse bile, devreye monte edilişi, dişlideki ufak hatalar, sürtünme vb., zaman ölçümünde dakika hatalarına neden olabilmektedir. Tüm bu etmenler, tipik kuvars duvar ve kol saatlerinde günde bir saniyeye kadar bir hataya yol açması için yeterlidir; fakat unutulmamalıdır ki bir günde kaybedilen bir saniyenin ertesi gün kazanılan bir saniye ile telafi edilebilmektedir, bu nedenle genel doğruluk ayda birkaç saniye kadar iyi olabilir.

Kuvars Kristalinin Kendisi Nasıl Çalışır?

Yukarıdaki açıklamayı yeterli bulmuş olabilirsiniz - ki eğer öyleyse, okumayı burada sonlandırabilirsiniz. Yazının devamında, biraz daha detay isteyenler için kuvars kristal osilatörünün aslında nasıl çalıştığına dair daha ayrıntılı bir tartışma yer almaktadır. Eğer bir Elektronik Mühendisliği diplomanız yok ise, sizleri uyarmalıyız ki kuvars kristali devreleri çok hızlı bir şekilde çok karmaşıklaşmaktadır. Sizlere olayın nasıl gerçekleştiğinden çok kısa, basitleştirilmiş bir şekilde bahsedeceğiz ve daha fazla bilgi için bazı önerilerde bulunacağız, böylece eğer ilginizi çekmekteyse daha etraflıca araştırabilirsiniz.

Kuvars hakkında hatırlanması gereken en önemli nokta, kuvarsın piezoelektrik olmasıdır; yani kuvarsa elektrik verdiğinizde titreşir veya titrettiğinizde elektrik yayar. Kuvars kristali osilatörü her iki şekilde de piezoelektrik etkiyi kullanır - hem de aynı anda!

Yukarıda çizmiş olduğumuz diyagram, kuvars kristali, mikroçip devresinden ayrıymış gibi gösteriyor; fakat aslında kristal, iki elektrot ile devreye bağlıdır ve bu devrenin önemli bir parçasıdır. Elektrotları saatin iç kısımlarına ait detaylı görselde ve osilatörün bizzat kendisine ait görselde açıkça görebilirsiniz: Görseldeki silindir şeklinde metal kutudan dışarı doğru çıkan iki küçük gümüş renkli ayak. Aslına bakılırsa, kuvars kristali osilatörü, tıpkı bir direnç ya da kondansatör gibi, mikroçip devresine bağlı bir başka parçadır.

"Devre" diyoruz ama osilatörü, her ikisi de aynı mikroçip üzerinde bulunan iki ayrı devrenin parçası olarak hesaba katmak en basiti. "Girdi" adını verdiğimiz ilk devre, elektrik akımı ile kuvars kristalini uyarır. Gerçekleştirilen elektrik yüklemesi, adına bazen elektriğin titreşim ürettiği "ters piezoelektrik etki" de denilen olay sayesinde kuvarsın titreşmesini sağlar (ya da, eğer isterseniz, dalgalanmasını veya rezonans üretmesini de diyebilirsiniz). Osilatör, kuvars saniyede tam 32768 kez titreşecek şekilde ayarlanır.

Peki şimdi normal piezoelektrik etkiyi bir hatırlayın: Bir kuvars parçası titreştiğinde, kuvars parçası voltaj üretiyor. Mikroçip üzerinde bulunan ikinci devre ise saniyede 32.768 kez dalgalanan bu "çıkış gerilimini" algılayıp, frekansını dişlilere güç vermekte olan motoru çalıştıran saniyelik sinyaller üretmek için bölüyor. Dijital ekranlı bir saatte, dişliler yerine, aşağıdaki çizimde gösterildiği gibi bir çip saat, dakika ve saniye kısımlarını devindirmek için osilatör frekansını tekrar tekrar böler.

Explainthatstuff

İlk başlardaki kuvars osilatörü çeşidinde, kuvars kristali üzerine monte edilmiş iki elektrot seti bulunuyordu. İlk set girdi devresine bağlanmış, titreşmesini sağlamak için kristale elektrik yüklemesi yapılmıştı. Kristal titreştiğinde de, piezoelektrik bir gerilim üretmişti. Bu da, aynı kristalin farklı bir kısmına yapıştırılmış ikinci elektrot seti tarafından tespit edilmiş, çıkış devresine yüklenmişti.

Kuvars teknolojisi küçük kol saatlerinde kullanılmak üzere minyatürleştirildiğinde, daha küçük osilatörlere ihtiyaç duyulduğu ve iki çift elektrot için yer olmadığı anlaşılmıştı. Bu nedenle modern osilatörler, kristali enerji ile uyarmak ve titreşimlerini tespit etmek için tek bir çift elektrot kullanmaktadırlar.