שיפורים בשעון הזמן – ג'.

בפעם הקודמת נוכחנו כי שינויים במעגל העירור של השעון יכולים להעביר אותו ממצב של פיגור עמוק (בזמן) למצב של מהירות יתר.

האם מישהו מהקוראים זוכר את סיפורו של שלום עליכם "הזקן"?  אותו סיפור אשר התחיל (בתרגומו הבלתי-נשכח של י.ד. ברקוביץ') במשפט “השעון הזקן אשר בביתנו השמיע שלוש-עשרה פעם בום"?

באותו סיפור, מנסה אביו של המספר לתקן את שעון המטוטלת הישן שבבית על ידי תלית חפצים כבדים על המשקולת: הוא תולה עליה את המגהץ, המחבת וכו' ובסופו של דבר נופל השעון מהקיר ומתרסק בדיוק כשפותחים את הדלת לאליהו הנביא בעת הסדר של פסח.

למעשה, מה שניסה אביו של שלום עליכם לעשות ל"זקן" שקול בדיוק למה שעשו השינויים במעגל לשעון הרובר. והנה ההסבר.

שעון אידאלי מכונה בפיסיקה "מתנד הרמוני" והוא אלמנט בו מחליפה אנרגיה צורות באופן מחזורי, בקצב קבוע, וללא הפסדים. למשל, אנרגיה קינטית מתחלפת באנרגיה פוטנציאלית (מטוטלת) או אנרגיה מגנטית מתחלפת באנרגיה חשמלית (מעגל תהודה). תאור רחב יותר של מתנד הרמוני ניתן למצוא בויקיפדיה .

במתנדים הרמוניים אידאליים התדר נקבע אך ורק על ידי קבועי המתנד. למשל במטוטלת, על ידי היחס בין אורך החוט ומשקל המשקולת. במעגל תהודה – על ידי היחס בין השראות הסליל במעגל וקיבול הקבל. אבל במתנד לא-אידאלי, מתנד בו קיימים הפסדים (למשל חיכוך בשעון), התדר תלוי לא רק ביחסים הללו, אלא גם בהפסדים, שמקטינים את התדר. ניתן לפצות על הפסדים אלו בדרכים שונות. לדוגמה, בנדנדה (שהיא סוג של מטוטלת) נחוצה דחיפה קטנה אחרי כל תנודה כדי לפצות על ההפסדים – שהם חיכוך והתנגדות האוויר. כמות הפיצוי, אם כן, תשפיע על תדר המתנד.

אם נחזור לשעוננו, הרי הטבלה המסתובבת והקפיץ שבתוכו הם המתנד, וקטבי הסולנואיד הם שמספקים את "הדחיפה הקטנה" שלאחר כל תנודה.

plate2

A spring B and flywheel A consist the time standard of the clock. They belong to the harmonic oscilator family 

A – טבלה, B- קפיץ. קוטבי הסולנואיד מושכים אליהם מחזורית את גזרות הברזל שעל הטבלה.

plate3

Another view

ככל שהדחיפה תהיה חזקה יותר, כך יתקדם השעון יותר מהר. מכיון שהמתח שמופעל על הסולנואיד בכל דחיפה הוא קבוע, ומשכו קצר מאד לעומת זמן המחזור, אפשר לשער כי משך מתח זה, או בקיצור רוחב הפולס הוא שיקבע את קצב התקדמות השעון.

כדי לבדוק הנחה זו תכננתי ובניתי מעגלון המאפשר שינוי משך הזמן בו מקבל הסולנואיד מתח בכל מחצית מחזור.

maagal

This circuit enables adjusting the dewl time of the clock, to test its influance on accuracy

עלות הרכיבים האלקטרוניים היא שקלים בודדים וקל לרכשם ברשת.

השימוש ב MOSFET מאפשר להסתפק בזרם מיתוג נמוך ביותר (עשיריות מיליאמפר ואפילו פחות) כך שיש סיכוי טוב שגם במצבו הנואש הנכחי יצליח המתג המובנה בשעון לעשות זאת, בהתמדה, ולאורך שנים.

המעגל פועל כך: כל זמן שהמגע פתוח, הmosfet הראשון, T1, נמצא ברוויה, מה שגורם ל mosfet השני, T2, להיות בקטעון. ברגע שהמגע שעל הלוחית נסגר (הלוחית באמצע בין שני הקטבים) נכנס T1 לקטעון ו T2 עובר להולכה מלאה, וזרם מתחיל לזרום דרך דרך הסולנואיד. כשהמגע נפתח, או מרטט, עדיין ממשיך T1 להיות בקטעון, עד שהקבל C נטען למתח של כ-2 וולט, אז חוזר T1 לרוויה והזרם דרך הסולנואיד נפסק. תמונת האוסילוסקופ הבאה ממחישה זאת:

80k3mb

Waveroms of the above circuit

המתחים הנמדדים הם V1 ו V2 במעגל שלמעלה. כשהמגע נסגר יורדים שני המתחים לאפס, וזרם מתחיל לזרום דרך הסולנואיד. אחרי שש מילישניות נפתח המגע, והמתח V2 על הקבל C מתחיל לעלות. רק כשהוא מגיע ל-2 וולט, אחרי כ 12 מילישניות, נעלם המתח מעל הסולנואיד. אנו רואים כי המעגל הרחיב את פולס המתח על הסולנואיד מ 6 מילישניות ל12, ואגב כך מנע גם מכל ריטוט שמשכו קצר מכך להשפיע. חיסול הריטוטים מודגם היטב בתמונה הבאה:

shaon1

The effect of bouncing had been eliminated

רוחב פולס המתח המופעל על הסולנואיד בכל מחזור תלוי אם-כן במכפלה RC. בחרתי בערכים הבאים

B = 61 ms, C= 92 ms, D=6 ms, E= 5 ms, F= 4 ms

בכל ערך כזה הפעלתי את השעון בין מספר שעות (כשחוסר הדיוק שלו בלט מאד) ועד עשרות שעות כשהשגיאה היתה קטנה, ושרטטתי את הזמן שמורה השעון (בדקות) כפונקציה של הזמן האמיתי. הרי התוצאות:

all

Accuracy as function of the pulse width. Best results with 5 ms

כאשר הזמן המדוייק הוא חוצה הזוית (45 מעלות) המתלכד כאן עם E (משולשים כחולים).

הגרף הבא מראה את השגיאה המצטברת כפונקציה של הזמן:

error

Error as function of time

אנחנו רואים כי ניתן, באמצעות מעגל פשוט זה לשלוט על קצב פעולת השעון ולהביא את הדיוק שלו לערכים סבירים.

NEXT

PREV