Google+

Istotnym parametrem tzw. "zegarów astronomicznych", stosowanych w sterowaniu oświetleniem ulicznym, stacji kolejowych lub podobnych obszarów, jest dokładność ich układów zegarkowych. Praktycznie układy wszystkich producentów pracują w oparciu o generator zbudowany na rezonatorze kwarcowym. Ewentualna regulacja częstotliwości realizowana jest poprzez zmianę wartości podłączonego szeregowo lub równolegle kondensatora (trymera) o niewielkiej pojemności.

Rys. 1 Charakterystyka stabilności temperaturowejRys. 1 Charakterystyka stabilności temperaturowej

Jaką rzeczywistą dokładność można uzyskać przy takim rozwiązaniu?

Dla większości dostępnych na rynku kwarców zegarkowych, standardowa dokładność częstotliwości, dla temperatury +25°C wynosi ±20 ppm. Dostępne są także kwarce o dokładności ±10 ppm i wykonania specjalne o jeszcze lepszych parametrach. Ale jak dalej się okaże, nie ten parametr jest najistotniejszy. Praktycznie najważniejszym parametrem decydującym o dokładności, jest charakterystyka stabilności temperaturowej.

Przykładowa charakterystyka przedstawiona została na rys. 1

Gdy się jej dokładnie przyjrzymy, to możemy stwierdzić, że jeżeli generator naszego zegara astronomicznego wyposażony jest w możliwość regulacji, a producent dysponuje odpowiednio dokładną aparaturą pomiarową, to praktycznie może łatwo zniwelować niedokładność częstotliwości kwarcu i dla przedziału temperatur otoczenia +20 - +30°C uzyskać dokładność prawie 100%.

Dzięki temu w parametrach technicznych zegarów, z pełną odpowiedzialnością producent może zapisać, że dokładność w np. temperaturze +25°C wynosi 1 s na dobę, a nawet i 0,3 s. Niestety, to osiągnięcie na niewiele się zdaje. Znakomita większość zainstalowanych sterowników astronomicznych tylko znikomą część czasu pracy spędza w tak komfortowych warunkach.

Sterowniki zainstalowane w szafkach zewnętrznych, pracują (w warunkach krajowych) w zakresie temperatur od -30 do nawet +80°C. Temperatura +80°C została zmierzona wewnątrz metalowej szafki, latem, w pełnym słońcu.

Jeżeli teraz spojrzymy ponownie na rys. 1 i odszukamy wartości dla tych skrajnych temperatur, to okaże się, że pojawia się odchyłka częstotliwości przekraczająca nawet 100 ppm, a to odpowiada odchyłce czasu wynoszącej ponad 10 s/dobę.

Na szczęście w cyklu dobowym ekstremalne temperatury trwają stosunkowo krótko. Także cykl roczny poprawia nam tą sytuację. Podsumowując - uzyskanie w cyklu rocznym średniej odchyłki na poziomie 2 s/dobę należy uznać za sukces.

Ale ten sukces nie przekłada się na zadowolenie użytkownika, gdyż 2 s/dobę to już 12 min/rok.

Dobrze jest, gdy wszystkie zegary na danym obszarze mają odchyłkę o jednakowym znaku. Znacznie gorzej jest, gdy sąsiednimi obszarami sterują zegary, które mają odchyłki o przeciwnych znakach i pracują w różnych warunkach temperaturowych.

Rys. 2Rys. 2

Dobrze jest, gdy wszystkie zegary na danym obszarze mają odchyłkę o jednakowym znaku. Znacznie gorzej jest, gdy sąsiednimi obszarami sterują zegary, które mają odchyłki o przeciwnych znakach i pracują w różnych warunkach temperaturowych. Czy dla standardowego układu możliwe jest rozwiązanie tego problemu?

Teoretycznie tak. Można to uzyskać stosując stabilizację temperatury kwarcu, np. na poziomie ok. 60 ÷ 70°C i odpowiednio zestrajając generator, aby uzyskać odpowiednią dokładność. Jest to jednak rozwiązanie bardzo kłopotliwe w realizacji, powiększające koszty urządzenia i jego gabaryty, a dodatkowo przyspieszające procesy starzeniowe.

Radykalnym rozwiązaniem tego problemy jest zastosowanie synchronizacji z wzorcem czasu. Obecnie istnieje powszechny dostęp do dwóch takich wzorców. Jednym jest radiowy sygnał DCF, a drugim wzorzec czasu w systemie nawigacji GPS. Na rynku są dostępne oba rozwiązania.

Takie rozwiązanie zapewnia 100% dokładność, ale ma też dwie „wady”:

  • sterowniki wyposażone w odbiorniki jednego lub drugiego sygnału są droższe od standardowych,
  • drugi problem związany jest z koniecznością takiego usytuowania sterownika lub dodatkowej anteny, aby zapewnić właściwy odbiór sygnału synchronizującego. Wymaga to większej staranności przy montażu.

Czy jest możliwe jeszcze inne rozwiązanie problemu dokładności zegarów astronomicznych?

Firma AUTOMATEX Poznań uruchomiła produkcję nowej wersji programowalnych sterowników oświetlenia, w oparciu o nową generację układów RTC (real time clock) z zintegrowaną auto korekcją temperaturową. Wbudowany w układ czujnik temperatury „dostraja” układ generatora w taki sposób, że końcowa dokładność w zakresie temperatur 0 ÷ 40°C wynosi ±2 ppm, a w zakresie -40 ÷ 85°C wynosi tylko ±3,5 ppm (patrz rys. 2).

Ponieważ na etapie strojenia jest jeszcze możliwość korekcji częstotliwości, to efektem końcowym są sterowniki pracujące z dokładnością lepszą niż 1 s na miesiąc.

Dodatkową zaletą tego układu zegarkowego jest bardzo niski pobór prądu z baterii.

Leszek Boinski
ZAiE AUTOMATEX Sp. z o.o. - Poznań