¿Por qué un reloj digital permanece constantemente preciso a pesar de la reducción de voltaje de su batería?

Answer 1

La mayoría de los relojes digitales, cualquier cosa con un enchufe, en realidad no usan cristales, sino energía de pared. En la mayoría de los países, obtienen su base de tiempo de la línea de alimentación de 50Hz / 60Hz, que está regulada por Your Power Company en función de un reloj atómico local o algún otro árbitro de tiempo bastante razonable. Esto se llama corrección de errores de tiempo, o TEC. Por supuesto, qué tan bien se hace esto depende completamente de dónde vivas.

En Europa continental, la desviación a largo plazo entre la frecuencia de la línea de alimentación y el reloj atómico de referencia utilizado es cero. La hora se verifica todos los días en Suiza (en cualquier otro lugar) a las 08:00, y la frecuencia de la línea se ajusta hasta ± 0.01Hz cada día para que los relojes vuelvan a ser ideales.

En los EE. UU., TEC ha sido obligatorio desde 2009, pero lo habían hecho más empresas de servicios públicos desde 1926. Fue en 1926 que Laurens Hammond desarrolló su motor eléctrico síncrono de línea, que era la base para el cronometraje del reloj de Hammond y también, La generación de tonos en el órgano Hammond. Hammond entregó cientos de sus relojes a compañías eléctricas en todo Estados Unidos. Hoy, dependiendo de dónde viva en los EE. UU., La potencia de la línea siempre está regulada dentro de 2 a 10 segundos del tiempo oficial de NIST US. La Universidad de Tennessee monitorea la frecuencia de alimentación de línea en todo el país y proporciona su monitor en tiempo real aquí: FNET Server Web Display.

Para los relojes y otros relojes que funcionan con baterías, comienza con algo como esto, una pequeña batería de óxido de plata de 1.55V. Los usan y solían usar baterías de mercurio porque mantienen un voltaje muy estable en la mayor parte de su rango operativo. Eso solía ser importante en el diseño de los primeros relojes y relojes electrónicos.

No es, en estos días, con el típico reloj de cristal de 32.768kHz. El circuito del oscilador generalmente funciona a alrededor de 0.8V o menos de una fuente de voltaje regulada a quizás 1/10 milivatios de potencia. La batería se disparará por completo antes de que la precisión del reloj se convierta en un problema basado en el voltaje. Los cristales de reloj baratos tienen una precisión sin calibrar de aproximadamente 20 ppm; ese es el peor caso de aproximadamente 50 segundos por mes, o diez minutos por año … Creo que el que maneja el reloj en mi Toyota Prius podría ser más como 30ppm. Y ciertamente, se pueden usar cristales de mayor calidad. He usado relojes de 1.5 ppm en diseños de hardware, no para la base de tiempo del reloj, pero esas cosas no son infrecuentes.

Answer 2

Una característica de los sistemas digitales es que funcionan según lo previsto o fallan por completo. Realmente no hay un término medio. Mientras la fuente de alimentación sea suficiente para mantener los componentes en funcionamiento, continuarán realizando sus operaciones completas. Como han descrito otras respuestas, la frecuencia de oscilación de la señal de cronometraje no varía siempre que se le suministre un voltaje mínimo, y es lo mismo para los componentes digitales que cuentan las oscilaciones y muestran los resultados.

Los dispositivos digitales están diseñados para continuar funcionando con una fuente de alimentación que se encuentra dentro de un rango por encima y por debajo del voltaje objetivo porque las fuentes de alimentación no son perfectas y pueden fluctuar con el tiempo. Los dispositivos que funcionan con baterías están diseñados para continuar funcionando por debajo del voltaje máximo suministrado por baterías nuevas precisamente porque el voltaje de la batería disminuirá a medida que se agote su energía almacenada.

Sin esta capacidad, los dispositivos no podrían extraer gran parte de la energía almacenada en la batería. Serían mucho más caros de operar y funcionarían por un período de tiempo mucho más corto por batería. Muchas baterías mantienen un voltaje bastante plano hasta que se agotan hasta el punto en que ocurre una caída brusca. Este es a menudo el punto donde un dispositivo digital alimentado por batería dejará de funcionar.

Para ver un ejemplo de cómo un sistema digital puede “fallar”, considere el video digital. Los televisores analógicos que reciben una señal de video analógica débil continúan produciendo video en movimiento que contiene artefactos (estáticos) que degradan la calidad del video. La naturaleza de la señal de video digital en los sistemas modernos es tal que la señal es lo suficientemente fuerte como para que los unos y los ceros puedan decodificarse o no. La señal digital está presente o ausente.

Cuando se interrumpe el flujo de datos, la última trama de video decodificada con éxito continúa mostrándose en forma estática hasta que una parte del flujo de datos entrante pueda decodificarse nuevamente. Debido a que el video está comprimido, gran parte de esa señal describe solo cambios incrementales en partes del marco de la imagen. Una señal de video intermitente producirá actualizaciones con manchas y bloques y una señal restaurada será similar hasta que se reciba una actualización de fotograma completo. El televisor en sí continúa funcionando porque tiene una potencia estable en todo momento y está haciendo todo lo posible para mostrar los datos que puede decodificar.

Volviendo al reloj digital, su señal de entrada no se ve afectada hasta que el voltaje de la batería cae por debajo del umbral donde deja de funcionar por completo. Es a toda velocidad o se detiene, pero no se ralentiza. Los relojes energizados con batería de respaldo a menudo apagan las partes del reloj que consumen mucha energía (como la pantalla) para maximizar el período de tiempo en que pueden mantener el funcionamiento de la parte de cronometraje del dispositivo mientras no hay energía.

Answer 3

El componente principal (cristal de un cuarto de galón) que controla el tiempo se eligió para hacer esto porque su frecuencia es relativamente independiente de las influencias externas como la temperatura, los golpes, la orientación y el voltaje de la fuente de alimentación. Puede haber algunos cambios a partir de estos, pero son muy pequeños.