Wie funktioniert eine Quarzuhr?

Wie funktioniert eine Quarzuhr?
Foto: titov dmitriy/Shutterstock.com

Moderne Uhren funktionieren mit einem Taktgeber, dessen Taktfrequenz in mehreren Schritten in die Bewegung des Uhrzeigers bzw. die Veränderung der digitalen Anzeige übersetzt wird. Bei mechanischen Uhren sorgt die Unruh, angetrieben durch eine Feder, für die Taktfrequenz. Bei Quarzuhren nutzt man als Taktgeber die piezoelektrischen Schwingungen des Quarzkristalls. Diese Frequenz ist sehr viel höher als die einer Unruh, weshalb Quarzuhren über längere Zeit genauer gehen.

Quarzkristall als Taktgeber

Quarzuhren nutzen das Prinzip der Piezoelektrizität, das bei Metallen und Kristallen auftreten kann. Der Piezoeffekt besteht – stark vereinfacht gesagt – darin, dass durch eine gerichtete geometrische Verformung des Kristalls eine elektrische Spannung entsteht. Der Effekt ist umkehrbar, d.h., durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Kristall wird dieser verformt. Der Piezoeffekt ist also eine Umwandlung von einer Energie (Kraft/ Verformung) in eine andere (elektrische Spannung). Wird die Umwandlung immer wieder umgekehrt, entsteht ein Schwingungsmuster.

Quarzkristalle lassen sich durch Anlegen einer leichten Spannung in so eine Schwingung versetzen. Es gibt verschiedene Formen, in die der Quarz gebracht wird. Ideale Frequenzgeber sind Stimmgabelformen, die jedoch aufwendig und teuer hergestellt werden müssen. In den meisten Quarzuhren sind daher stabförmige Quarzkristalle (Biegeschwinger) eingebaut.

Die Frequenz des Quarzkristalls beträgt 32.768 Hz und wird durch Teiler-Komponenten (Flipflops) in den tatsächlichen Sekundentakt übersetzt. Damit erfüllt der Quarzkristall als Taktgeber eine vergleichbare Funktion für die Zeitmessung wie die Unruh in einer mechanischen Uhr.

Möglichkeiten der Energieversorgung

Der elektrische Strom für die piezoelektrische Nutzung des Quarzkristalls in Quarzuhren kann aus verschiedenen Energiequellen stammen. Größere Quarzuhren, z.B. Wecker, lassen sich an das Stromnetz anschließen oder werden mit Batterien betrieben. Viele Quarz-Armbanduhren nutzen eine Knopfzelle, die nach einiger Zeit erneuert werden muss.

Alternativ kann man Quarzuhren ähnlich wie Automatikuhren betreiben: Als Energiequelle wird die Bewegungsenergie genutzt, die beim Tragen der Uhr am Handgelenk entsteht. Die Bewegung treibt einen Schwungmassegenerator an, der wiederum einen Doppelschicht-Kondensator auflädt. Dieser liefert dann Strom für den Kristall.

Quarzuhren gibt es auch als Solaruhren. Auf oder unter dem Zifferblatt der Armbanduhr ist eine Solarzelle angebracht, die einen Kondensator auflädt. Damit spart man sich den wiederkehrenden Batteriewechsel.