Quarzuhr

Eine Quarzuhr ist eine elektromechanische oder vollelektronische Uhr, deren Taktgeber (als Zeitnormal) ein als Uhrenquarz ausgebildeter Schwingquarz ist. Neben Quarzuhren mit Skalenanzeige oder Ziffernanzeige gibt es solche ohne Anzeige, welche üblicherweise in Computersystemen die Information über die Zeit als elektrisches Signal ausgeben und als Echtzeituhr bezeichnet werden. Das Uhrwerk einer elektronischen Quarzuhr bezeichnet man als Quarzwerk. Viele Uhrenhersteller verwenden nach englischem Sprachgebrauch die Schreibung „Quartz“.

mini|Früher Quarzwecker mit Skalenanzeige

Physikalisch-technischer Hintergrund mini|Nahaufnahme eines Uhrenquarzes in Stimmgabelform ohne Gehäuse

Quarz ist ein piezoelektrisches Material: Mechanische Verformungen erzeugen ein elektrisches Feld, und externe elektrische Felder bewirken mechanische Verformungen. Schwingquarze sind daher zu elektromechanischen Resonanzschwingungen fähige Bauelemente. Sie halten ihre Nennfrequenz innerhalb sehr geringer relativer Fehlergrenzen (typ.: 10−5 ≈ 1 s pro Tag) ein und eignen sich daher als genaue Taktgeber in Uhren. Die Resonanzfrequenz eines Kristallblocks von wenigen Millimetern Größe, der problemlos in ein übliches Uhrgehäuse passt, liegt bei diesem harten Material sehr hoch, nämlich im Megahertzbereich. Solch hohe Frequenzen sind aber unhandlich für Uhren.

Durch ihr Stimmgabel-Design wurden Uhrenquarze mit einer für Quarze ihrer Größe niedrigen Frequenz als Standardfrequenz von 32.768 Hz entwickelt, aus der sich durch Frequenzteilung durch 215 ein Sekundenpuls ableiten lässt. Zur Teilung dienen 15 hintereinandergeschaltete T-Flipflops, die die Frequenz jeweils halbieren. Die Quarzfrequenz ist ein Kompromiss, da die Stromaufnahme der Flipflops proportional der Frequenz ist, mit niedrigerer Frequenz also abnimmt, so dass die Batterie der Uhr lange Strom liefern kann. Weiterhin ist der Aufbau auf einen minimalen Temperaturkoeffizienten im Arbeitsbereich von 25…28 °C optimiert, indem die Frequenz in diesem Bereich gerade ein Maximum erreicht.

Der Sekundenpuls treibt entweder einen Lavet-Schrittmotor oder elektrischen Unruhschwinger in einem mechanischen Uhrwerk an oder gibt den Takt für eine elektronische Schaltung vor. Die Anzeige erfolgt mit mechanischen Zeigern, Flüssigkristallbildschirm (LCD) oder Leuchtdioden (LED).

Aufbau mini|Rückseite einer Armbanduhr.Unten: rechts Uhrenquarz, links daneben Knopfzelle (Batterie).Oben: rechts Oszillator und Taktteiler (unter schwarzer Versiegelung), links die Spule des Lavet-Schrittmotors mit rotem Lackdraht für den Antrieb der Zeiger mini|Quarzuhrwerk; erkennbar im Uhrzeigersinn: die Spule des Lavet-Schrittmotors und der Schwingquarz

Die Hauptkomponenten einer Quarzuhr sind ein Taktgeber auf Basis von Quarzschwingungen, eine Elektronik zur Verarbeitung der Takte und der Benutzereingaben, ein Anzeigeteil zur Darstellung von Zeitinformationen sowie gegebenenfalls Betriebszuständen der Uhr und eine Energieversorgung.

Als Energiequelle kommen anstelle eines durch Gewichte oder Feder angetriebenen mechanischen Pendels bzw. einer Unruh zum Einsatz: das Stromnetz (bei größeren Uhren) eine mobile Stromversorgung wie Akku oder Batterie (meist eine AA- oder Knopfzelle) ein hochkapazitiver Doppelschichtkondensator mit Aufladung durch einen Schwungmassengenerator (ähnlich dem Aufzugsmechanismus bei automatischen Uhren) oder ein Kondensator, der von einer meist auf oder unter dem Zifferblatt angebrachter Solarzelle geladen wird.

Quarzuhren können – genau wie mechanische Uhren – verschiedene Komplikationen aufweisen, sodass Armbanduhren beispielsweise zusätzliche Zeiger und Datumsanzeige haben, Chronographen, den ewigen Kalender, Mondphase, zwei Wecker, Abwärtstimer und eine zweite Zeitzone (24-Stunden-Anzeige) anzeigen können.

Ganggenauigkeit mini|hochkant|Quarzuhr mit „Twin-Quartz“-Temperaturkompensation, 1979

Quarzuhren mit einem Uhrenquarz mit der üblichen Schwingfrequenz von 32.768 (215) Hz können normalerweise einen Uhrgang (fortschreitende Abweichung) von ±60 Sekunden im Jahr (Gangabweichung: ±2 ppmHelmut Kahlert, Richard Mühe, Gisbert L. Brunner, Christian-Pfeiffer-Belli: Armbanduhren: 100 Jahre Entwicklungsgeschichte. 1996, S. 505.) bis ±30 Sekunden im Monat (Gangabweichung: ±10 ppm) haben. Da sich diese Abweichungen mit der Zeit akkumulieren, muss auch eine Quarzuhr gelegentlich nach der Zeit einer genaueren Uhr nachgestellt werden.

Gangabweichungen einer Quarzuhr können durch den Einsatz hochgenauer Quarze und -uhren minimiert werden, mit folgenden Methoden, wobei absteigend eine immer höhere Ganggenauigkeit erzielt wird: Voralterung des Quarzes Betrieb des Schwingquarzes in einem Quarzofen bei einer konstant hohen Temperatur (). Die Quarzöfen sind miniaturisiert mit Volumina von unter 0,1 cm³ bis wenigen cm³. Einsatz von Chip-Scale-Atomic-Clocks, welche auf die Größe von elektronischen Bauelementen verkleinerte Atomuhren darstellen.

Weitere Maßnahmen: Veraltet: Feinjustage des Schwingquarzes mittels Ziehkondensatoren. Üblicherweise sind die Ziehkondensatoren zwecks Abgleich als Trimmkondensatoren ausgeführt.Wolfgang Reinhold: Elektronische Schaltungstechnik: Grundlagen der Analogelektronik. 2. Auflage. Karl Hanser, 2017, S. 296Bernd Neubig, Wolfgang Briese: Das große Quarzkochbuch. Auszugsweise in qsl.net (PDF; 241 kB) S. 4; abgerufen am 17. April 2018 Feinjustage mittels digitaler Kalibrierung (): Die Quarze schwingen etwas zu schnell und es wird in einem Permanentspeicher hinterlegt, wie viele Schwingungen z. B. am Ende einer Minute zu ignorieren sind. Feinjustierung mittels digitaler Veränderung der elektronischen Frequenzteilung über Knopfdruck des Benutzers wie in einer Digitaluhr von Mondaine. Eine datenbasierte Anbindung zum genauen Zeitabgleich an genauere Uhren, wie sie beispielsweise durch Funkuhren, GNSS-Empfänger oder Mobilfunknetze zur Verfügung stehen. Die datenbasierte Anbindung zur Uhreinsynchronisation kann über verschiedene Schnittstellen wie Funkübertragung oder mittels Datennetzen unter Verwendung entsprechender Protokolle wie dem Precision Time Protocol (PTP) in meist lokalen Netzwerken oder dem Network Time Protocol (NTP) mit Zeitservern im Internet erfolgen.

Geschichte Technische Voraussetzungen Die Quarzuhr wurde im Zusammenhang mit der seit dem Ersten Weltkrieg einsetzenden Hochfrequenzforschung entwickelt. In den 1920er Jahren entstanden Geräte zur Erzeugung und Kontrolle der Sendefrequenzen für Radiostationen. Diese quarzstabilisierten Normalfrequenzgeneratoren wurden auch für den Bau der ersten Quarzuhren verwendet.

Voraussetzungen für die Entwicklung von Quarzuhren waren: die Entdeckung der Piezoelektrizität durch Jacques und Pierre Curie 1880 Elektronische Schaltungen zur Anregung des Quarzes und Stabilisierung eines Schwingkreises, entwickelt von Walter Guyton Cady 1920 und 1921, sowie die Vereinfachung der Schaltung durch George W. Pierce und R. L. Miller 1922. Die Pierce-Miller-Schaltung ist der bis heute am weitesten verbreitete Typus eines piezoelektrischen Oszillators.Michael A. Lombardi: The Evolution of Time Measurement. Part 2: Quartz Clocks. In: IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, Jg. 14, 2011, S. 41–48, hier S. 42. Ausgabeeinheiten für den Sekundentakt. Dazu mussten Frequenzteiler bzw. schnelldrehende Synchronmotoren entwickelt werden.

Die Pionierphase bis zum Zweiten Weltkrieg mini|Nationaler Frequenzstandard der USA 1929, bestehend aus vier beheizten Quarzoszillatoren bei den Bell Laboratories

Am 13. Oktober 1927 stellten Joseph W. Horton und Warren Alvin Marrison von den New Yorker Bell Laboratories auf der Konferenz der International Union of Scientific Radio Telegraphy die erste Quarzuhr vor.Joseph W. Horton, Warren A. Marrison: Precision Determination of Frequency. In: Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Band 16, 1928, S. 137–154. Ein Schwingquarz mit einer Resonanzfrequenz von 50 kHz regelte einen elektronischen Schwingkreis, dessen Wechselstrom einen kleinen Synchronmotor mit Zeigerwerk antrieb.

Eine Gruppe von vier weiterentwickelten Quarzoszillatoren aus den Bell Laboratories diente 1929 als nationaler Frequenzstandard der Vereinigten Staaten, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Um äußere Temperaturschwankungen und damit thermisch bedingte Schwankungen der Genauigkeit des Oszillators zu minimieren, wurden die vier Quarzoszillatoren in beheizten Schränken auf einer konstanten Temperatur gehalten. Beheizte Quarzoszillatoren werden als Quarzofen () bezeichnet, und dank eines ausgeklügelten Vergleichsverfahrens der Oszillatoren untereinander konnte das National Bureau of Standards die Normfrequenz mit einer Genauigkeit von 1·10−7 angeben.Michael A. Lombardi: NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second. In: Measure, Bd. 2, Nr. 4, 2007, S. 74–89, hier S. 76.

1928 bot General Radio aus Cambridge (MA) einen serienmäßigen Frequenzstandard an, der schon fabrikseitig mit einer Synchronuhr ausgestattet war.ietlabs.com (PDF; 4,5 MB) S. 13. Nur in Ausnahmefällen wurde dieses elektronische Gerät als Uhr eingesetzt, meist als Messmittel für wissenschaftliche Versuche.Johannes Graf: Quarzuhren bestehen nicht aus Quarz. Serienmäßige Quarzuhren der Zwischenkriegszeit. In: Deutsche Gesellschaft für Chronometrie, Jahresschrift, Band 54, 2015, S. 67–90. Das Zifferblatt diente nur selten als hochpräzise Zeitanzeige, sondern in der Regel als Schnittstelle zur Kalibrierung der Normfrequenz über einen Vergleich mit dem amtlichen Zeitsignal.

In den folgenden zwei Jahrzehnten wurde die Quarzuhr als Laborgerät weiterentwickelt. Wichtige Meilensteine bei der Definition nationaler Standards für Zeit und Frequenz wurden in Deutschland und England gesetzt. Aber auch andere Länder wie Italien, Japan oder die Niederlande taten seit den 1920er Jahren bei der Weiterentwicklung der Quarzuhrtechnik hervor.Shaul Katzir: Pursuing frequency standards and control. The invention of quartz clock technologies. In: Annals of Science, 2015; doi:10.1080/00033790.2015.1008044.

Ab 1932 bauten Adolf Scheibe und Udo Adelsberger an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin eine Reihe von Quarzuhren unterschiedlicher Konstruktion.Horst Hassler: (PDF; 426 kB) 1935 konnten sie durch Verwendung eines Oszillators mit etwa 60 kHz (nach Frequenzteilung Antrieb des Synchronmotors mit 333 Hz), dessen Temperatur bis auf 0,001 °C konstant gehalten wurde, den mittleren täglichen Gangfehler auf ±0,002 Sekunden verbessern. Im gleichen Jahr gelang Scheibe und Adelsberger mit einer dieser Uhren der Nachweis, dass die Erdrotation neben jahreszeitlichen auch kurzzeitigen Schwankungen ausgesetzt ist. Erstmals war eine von Menschen gebaute Uhr genauer als die bisherige Referenz der Zeitmessung, die Erddrehung.

Auch die ab 1938 von Louis Essen am National Physical Laboratory konstruierten Quarzuhren mit ringförmigem Quarz setzten Maßstäbe. Anfang der 1940er Jahre hatte Großbritannien das größte Netz von Quarzuhren weltweit.Eduard C. Saluz: Quarzuhren und Präzisionszeitmessung in England und Frankreich von 1930 bis 1950. In: Johannes Graf (Hrsg.): Die Quarzrevolution. 75 Jahre Quarzuhr in Deutschland. Furtwangen 2008, S. 40–51, zu England bes. S. 42–46.