Wie funktioniert eine Quarzuhr? » Funktion eines Quarzwerks Erklärt

  • Autor: Carl Geisler
  • Aktualisert:30. Juni 2020
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Wie funktioniert so eigentlich eine Quarzuhr?

Als Uhrenliebhaber habe ich  schon das ein oder andere Mal an einer Quarzuhr herumgeschraubt und auch mit den technischen und physikalischen Vorgängen im Inneren einer Quarzuhr habe ich mich vertraut gemacht.

In diesem Beitrag findest du eine (hoffentlich) einfach verständliche Erklärung dazu wie so eine Quarzuhr funktioniert.

quarzuhr
Die erste Serienreife Quarzarmbanduhr Quelle:Deutsches-uhrenmuseum

IN KÜRZE

Wie funktioniert eine Quarzuhr?

Quarzuhren nutzen einen Quarzkristall als Taktgeber. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung wird der Quarz dazu gebracht 32768 mal pro Sekunde zu schwingen.

Diese Schwingungen werden von einer T-Flipflop-Schaltung in die Frequenz einer Sekunde übersetzt und über einen Schrittmotor an das Räderwerk übertragen.

 

Viele Leute sind fasziniert von der feinen Technik mechanischer Uhren, während Quarzuhren als billige Massenware einen eher schlechten ruf haben.

Und das zu Unrecht!

Schaut man sich die geniale Technik, die in einer Quarzuhr steckt mal genauer an, stellt man fest, dass Quarzuhren mindestens genauso faszinierend sind wie mechanische Uhren.

Funktionsweise einer Quarzuhr

Was ist eine Quarzuhr?

Eine Quarzuhr ist eine Uhr die als Taktgeber einen Quarzkristall verwendet, der durch elektrische Spannung zum Schwingen gebracht wird.

Anders als bei mechanischen Uhren wird der Taktgeber also nicht durch mechanische Kraft, sondern durch elektrische Spannung betrieben. Deshalb werden Quarzuhren auch elektrische Uhren genannt.

Da ein Quarzkristall in einer sehr viel höheren Frequenz schwingt als es ein mechanischer Taktgeber jemals könnte, sind Quarzuhren um einiges Genauer als mechanische Uhren und haben eine minimale Gangabweichung von wenigen Sekunden im Monat.

Da Quarzuhren meistens elektronisch betrieben werden, haben sie oft eine digitale Anzeige und zeigen die Zeit auf Flüssigkristall- oder LED-Bildschirmen an.

Wie funktioniert eine Quarzuhr? » Funktion eines Quarzwerks Erklärt 91
Analoge Quarzuhr
wie funktioniert eine digitaluhr
Digitale Quarzuhr

Aufbau eines Quarzwerks

wie funktioniert ein quarzwerk

Das Herz einer Quarzuhr stellt der Quarzkristall (oder auch Schwingquarz genannt) dar. Der Schwingquarz hat die idealerweise Form eine Stimmgabel und ist meistens nur wenige Millimeter groß. Da es aber relativ aufwendig und teuer ist den Quarz in diese Stimmgabelform zu bringen verwenden die meisten günstigen Quarzuhren eine Stabform die auch Biegeschwinger genannt wird.

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Der Quarzkristall übernimmt in einer Quarzuhr die Rolle des Taktgebers. Durch eine leichte elektrische Spannung wird er in gleichmäßige Schwingungen versetzt.

Diese Schwingungen werden dann durch eine T-Flip-Flop-Schaltung in die Dauer einer Sekunde übersetzt und an den Schrittmotor weiter geleitet.

funtkion einer quarzuhr
Schrittmotor einer Quarzuhr Urheber: Medvedev

Der Schrittmotor stellt die Verbindung zwischen der Batterie und dem Räderwerk her und sorgt dafür das immer nur ein Teil der Energie an das Räderwerk weiter gegeben wird.

Jedes Mal, wenn der Schwingquarz 32 768 geschwungen ist gibt der Schrittmotor einen Impuls an das Räderwerk und die Zeiger werden um eine Sekunde vorgestellt.

Der Aufbau eines Quarzwerks ist also eigentlich ziemlich simpel. Es gibt einen Schwingquarz der den Takt angibt. Eine Batterie oder eine andere Energie-Quelle bringt den Quarz zum Schwingen und versorgt das Räderwerk mit Energie.

Ein Schrittmotor übersetzt die Schwingungen des Quarzes in mechanische Bewegung und übertragt den Impuls an das Räderwerk, welches letztendlich die Zeiger bewegt.

Auch wenn der Aufbau einer Quarzuhr nicht sonderlich kompliziert stecken hinter der Funktionsweise einer Quarzuhr eine Menge technische und physikalische Vorgänge, die wir uns im Folgenden mal etwas genauer anschauen werden.

Physikalischer und technischer Hintergrund

Quarzuhren machen sich den Effekt der Piezoelektrizität zur nutze. Materialien mit piezoelektrischen Eigenschaften haben die Eigenheit das sie eine elektrische Spannung abgeben, wenn sie verformt werden.

Doch das ganze funktioniert auch anders herum. Legt man eine elektrische Spannung an piezoelektrische Materialien an beginnen sie sich zu verformen.

Und genau diese Eigenschaft sorgt dafür das eine Quarzuhr so gut funktioniert. Mithilfe einer Oszillator-Schaltung wird der Quarz immer wieder durch leichte Stromstöße zum Schwingen gebracht.

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Quarzoszillatorschaltung Urheber:Wdwd

Die Oszillator-Schaltung ist so eingestellt das der Quarz genau 32.768 mal in einer Sekunde schwingt.

Dank seinen piezoelektrischen Eigenschaften gibt der Quarz jedes Mal, wenn er schwingt einen schwachen elektrischen Impuls ab.

Dieser elektrische Impuls wird wiederum von einem anderen Schaltkreis aufgenommen und an eine  15-Teilige T-Flipflop-Schaltung weitergeleitet.

Die Flipflop-Schaltung hat die Aufgabe die Schwingungen des Quarzes in eine Frequenz von jeweils einer Sekunde zu übersetzen.

Dazu sind 15 T-Flipflop-Schaltungen hintereinander gesetzt. Warum genau 15?

Ganz einfach, jede einzelne Flipflop-Schaltung teilt die Schwingungen des Quarzes durch zwei. Da der Quarz 32.768 mal in der Sekunde schwingt, muss man die Schwingungen des Quarzes genau 15 mal durch zwei teilen, um auf eine Frequenz von genau einer Sekunde zu kommen.

Grob gesagt sieht das ganze also so aus

  1. Schaltung 1 32768 : 2= 16384
  2. Schaltung 2 16384 : 2= 8192
  3. Schalung 3 8192 : 2= 4096
  4. Schaltung 4096 : 2 = 2048
  5. Schaltung  2048 : 2= 1024
  6. Schaltung  1024 : 2= 512
  7. Schaltung  512 : 2 = 256
  8. Schaltung  256 : 2= 128
  9. Schaltung  128 : 2 = 64
  10. Schaltung  64 : 2 = 32
  11. Schaltung  32 : 2 = 16
  12. Schaltung  16 : 2 = 8
  13. Schaltung 8 : 2 = 4
  14. Schaltung 4 :2 = 2
  15. Schaltung 2 : 2 = 1

Nachdem der Schwingquarz 32768 mal geschwungen ist, gibt die letzte Flipflop Schaltung den Sekundenimpuls an den Schrittmotor weiter. Dieser bringt dann die Zeiger zum Drehen oder ändert die Anzeige auf dem Digitalbildschirm.

Falls du genau wissen möchtest wie so eine T-Flipflop-Schaltung funktioniert solltest du dir dieses kurze Video anschauen:

Energieversorgung einer Quarzuhr

Um zu funktionieren, muss eine Quarzuhr auf irgend eine Weise mit elektrischem Strom versorgt werden. Da der Betrieb einer Quarzuhr wirklich nur eine sehr geringe Spannung benötigt reicht in den meisten fällen eine kleine Batterie als Energie Quelle aus.

Besonders bei Armbanduhren werden in den meisten Fällen kleine Knopfbatterien verwendet, die man dann alle paar Jahre einmal austauschen muss.

Stationäre Quarzuhren wie man sie z.B. in Computern oder anderen technischen Geräten findet, sind oft auch direkt mit dem Stromnetz verbunden. Dadurch entfällt dann auch der Batterie-Wechsel.

Wer auch bei seiner Quarz-Armbanduhr gerne auf den lästigen Batterie-Wechsel verzichten möchte hat die Möglichkeit eine sogenannte Solaruhr zu wählen.

Wie der Name schon vermuten lässt sind solche Solaruhren mit einer oder mehreren Solarzellen ausgestattet. Mithilfe von Sonnenenergie laden diese Solarzellen einen kleinen Akku in der Quarzuhr auf welcher dann wiederum das Uhrwerk mit Strom versorgt.

Eine weitere Möglichkeit seine Quarzuhr mit Energie zu versorgen ist die sogenannte Kinetic Technik. Dabei wird die Uhr ähnlich wie bei Automatikuhren mithilfe eines Aufzugsrotors betrieben.

 

Thermokompensation - So macht man Quarzuhren noch genauer

Quarzuhren sind zwar in Sachen Ganggenauigkeit eine riesige Verbesserung im Vergleich zu mechanischen Uhren. Trotzdem bleiben normale Quarzuhren noch weit hinter ihrem Potenzial zurück.

Einige Uhrenhersteller versuchen seit Jahren die Genauigkeit von Quarzuhren durch kleine technische Verbesserungen auf ein neues Level zu heben.

Eine wichtige Errungenschaft auf dem Gebiet der hochpräzisen Quarzuhren ist die sogenannte Thermokompensation.

Ein großes Problem von Quarzuhren ist, dass ihre Genauigkeit stark von der Temperatur des Quarzes abhängig ist. 

Nur bei einer normalen Zimmertemperatur von 20-28 Grad schwingt der Quarz zuverlässig mit einer Frequenz von 32.768 Schwingungen pro Sekunde. Ist die Temperatur zu hoch oder zu niedrig verändert sich die Frequenz, mit welcher der Quarz schwingt.

Je nachdem ob die Frequenz höher oder tiefer als 32.768 ist, wird eine Sekunde von der Uhr kürzer oder länger gemessen als sie eigentlich ist.

Folgende Grafik zeigt noch einmal wie stark sich die Temperatur auf die Ganggenauigkeit einer Quarzuhr auswirken kann.

wie funktioniert eine quarzuhr
Einfluss der Temperatur auf eine normale Quarzuhr

Die Thermokompensation versucht durch verschiedene Techniken und Methoden diese Schwankungen so gering wie möglich zu halten.

Die wohl einfachste Möglichkeit der Thermokompensation ist es den Quarz durch eine kleine Heizung immer auf einer konstanten Temperatur zu halten.

Leider ist diese Technik in Armbanduhren nicht wirklich umsetzbar da ein Heizelement viel Platz im Gehäuse der Uhr einnehmen würde und vor allem eine Menge Energie verbrauchen würde.

Eine weniger effektive aber sehr viel besser umsetzbare Methode ist es dem Quarz eine besondere Form zu geben. Je nachdem wie der Quarz geschnitten ist, ist er mehr oder weniger anfällig für Temperatur Schwankungen.

Über die Jahre haben die Hersteller hochpräziser Quarzuhren spezielle Formen entdeckt, die dazu führen, dass ihre Quarzkristalle nicht mehr so stark von der Temperatur beeinflusst werden.

Eine weitere Methode der Thermokompensation ist es die Frequenz, in welcher der Quarz schwingt, an die Temperatur anzupassen.

Durch ein kleines Thermometer misst die Uhr die Temperatur des Quarzes und steuert gegen den Effekt der Temperatur an. Steigt die Frequenz des Quarzes durch Temperatur, wird es weniger oft zum Schwingen gebracht. Sinkt die Frequenz, bedingt durch die Temperatur, wird der Quarz öfter zum Schwingen gebracht.

Da dieser Vorgang ziemlich fehleranfällig ist, wird es bei modernen Quarzuhren digital ausgeführt. Anstatt die Frequenz des Quarzes tatsächlich zu erhöhen werden die Schwingungen digital angepasst.

Das sieht dann ungefähr so aus:

  1. Die Temperatur des Quarzes ist 16 Grad
  2. Bei 16 Grad weicht die Frequenz des Quarzes um X Schwingungen von der normalen Frequenz ab
  3. Der Schrittmotor stellt den Sekunden Zeiger erst bei 32.768 -/+ X  ´Schwingungen weiter

 

Vor- und Nachteile einer Quarzuhr

Vorteile von Quarzuhren

Sehr genau

Quarzuhren sind um einiges genauer als mechanische Uhren. Während mechanische Uhren im besten Fall zehn Halbschwingungen pro Sekunde erreichen schwingt der Quarzkristall in einer Quarzuhr ganz 32.768 mal in der Sekunde. Diesen Unterschied merkt man natürlich auch in der Ganggenauigkeit. Mechanische Uhren haben in der regel eine Abweichung von 20 bis 30 Sekunden pro Tag, zertifizierte Chronometer schaffen es sogar nur 4-6 Sekunden abzuweichen. Quarzuhren schaffen egal in welcher Preisklasse eine Abweichung von unter einer Sekunde am Tag und 10-30 Sekunden im Monat.

Günstig in der Herstellung

Im Gegensatz zu mechanischen Uhrwerken sind Quarzwerke sehr einfach aufgebaut und lassen sich dadurch problemlos in großen Massen fertigen. Sowohl die Herstellungs- als auch die Anschaffungskosten einer Quarzuhr sind also wesentlich geringer als bei einer mechanischen Uhr.

Weniger Wartungskosten

Da Quarzuhren viel weniger bewegliche Teile besitzen als mechanische Uhren, müssen sie auch weniger gewartet werden. Die Teile verschleißen außerdem auch weniger, wodurch die Uhr eine längere Lebenserwartung hat als eine mechanische Uhr.

Günstige Komplikationen

Da Quarzuhren kein kompliziertes Uhrwerk besitzen kann man sie sehr kosten günstig mit verschiedenen Komplikationen ausstatten. Dinge wie eine Chronographen-Funktion oder ein ewiger Kalender würden bei einer mechanischen Uhr ein kleines Vermögen kosten. Bei Quarzuhren bekommt man sie hingegen schon für kleines Geld. Das elektrische Uhrwerk einer Quarzuhr ermöglicht sogar viele Funktionen die bei einer mechanischen Uhr gar nicht möglich währen. So kann man sich mit Quarzuhren Wecker oder Erinnerungen stellen oder eine zweite Zeitzone anzeigen.

Robust

Da Quarzuhren kein filigranes Uhrwerk besitzen sind sie auch um einiges robuster als mechanische Uhren. Dadurch eignen sich Quarzuhren besonders gut als Begleiter für Sport- und Outdooraktivitäten.

Nachteile von Quarzuhren

Batterie-Wechel

Während mechanische Uhren komplett unabhängig funktionieren sind Quarzuhren auf ihre Batterie angewiesen. Diese muss alle paar Jahre gewechselt werden. So einen Batterie-Wechsel kann man entweder dem Uhrmacher seines Vertrauens überlassen, oder man erledigt das ganz mit dem nötigen Werkzeug von zu Hause. In jedem Fall ist das Wechseln der Batterie mit Kosten und Mühen verbunden, die man mit einer mechanischen Uhr nicht hat.

Umweltschädlich

Der Batterie-Wechsel ist nicht nur lästig, sondern belastet auch unsere Umwelt. Quarzuhren produzieren eine große leeren Batterien, die irgendwie entsorgt werden müssen.

Keine Wertanlage

Während mechanische Uhren ihren Wert auch nach dem Kauf relativ konstant halten oder in einigen Fällen sogar im Wert steigen, fällt der Wert einer Quarzuhr nach dem Kauf meist rapide.

Besondere Arten von Quarzuhren

Solaruhren

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Bering Solaruhr

Solaruhren sind eine besondere Form der Quarzuhren, die sich mithilfe einiger im Zifferblatt verbauter Solarzellen mit Energie versorgen.

Solange eine Solaruhr der Sonne ausgesetzt ist produzieren die kleinen Solarzellen Strom, der dann in einem Akku oder Kondensator der Uhr gespeichert wird. Auf diese Weise können Solaruhren auch problemlos einige Wochen oder Monate ohne Sonne auskommen.

Die Zeit, die eine Solaruhr mit voll aufgeladenem Akku ohne Sonne auskommt, wird als Dunkelgangreserve bezeichnet. Je nach Modell kann die Dunkelgangreserve von einigen Tagen bis hin zu einigen Jahren reichen.

Die Qualität von Solaruhren macht sich also vor allem an der Qualität des Akkus fest. Günstige Akkus verlieren schnell ihre Kapazität und sind schon nach 6-7 Jahren nicht mehr zu gebrauchen. Wer etwas mehr Geld in einen qualitativen Akku investiert kann hingegen mehrere Jahrzehnte mit einem Akku auskommen.

Kinetic Uhren

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Seiko Kinetic Uhrwerk

Kinetic Uhren sind eine weitere besondere Form der Quarzuhr. Sie nutzen anstelle der Batterie einen Aufzugsrotor der ähnlich wie bei einer automatischen Uhr die Bewegungen der Uhr als Energie-Quelle nutzt.

Trägt man die Uhr am Arm, dreht sich der frei gelagerte Aufzugsrotor bei jeder Bewegung um sich selbst. Durch diese Drehung wird ein kleiner Generator im Inneren der Uhr angetrieben, der wiederum einen elektrischen Speicher mit Strom versorgt.

Eine Kinetic Uhr wandelt also die kinetische Energie, die beim Tragen der Uhr entsteht in elektrischen Strom um, der dann wiederum das  Quarzwerk der Uhr antreibt.

Eine besondere Form der Kinetic Technik ist die sogenannte Autoquartz-Technik.

Bei Uhren mit einem Autoquartz-Werk wird die Energie des Aufzugsrotors nicht direkt an den Generator übertragen. Stattdessen wird eine kleine Feder aufgezogen. Sobald die Feder voll aufgezogen ist, gibt sie ihre Energie an den Generator ab, der dann wiederum den Akku auflädt.

Der Vorteil der Autoquartz-Technik liegt darin, dass Generator und Akku geschont werden. Anstatt nach jeder kurzen Bewegung kurz anzuspringen, läuft der Generator nun weniger häufig und dafür konstanter.

Funkuhren

Eine weitere Sonderform von Quarzuhren sind die Funkuhren. Funkuhren haben den großen Vorteil das sie nicht nachgestellt werden müssen und immer auf die Sekunde genau gehen.

Um das zu erreichen sind sie mit einer kleinen Funkantenne ausgestattet, welche in regelmäßigen Abständen ein Signal eines Zeitzeichensenders empfängt. Sollte die Zeit der Uhr von der empfangenen Zeit abweichen stellt sich die Uhr automatisch vor oder nach.

Die Zeitzeichen für eine Funkuhr werden von einer zentralen Sendestelle übermittelt, welche die genaue Zeit einer Atomuhr entnimmt.

Um das Zeitsignal zu empfangen ist im Gehäuse einer Funkuhr eine kleine Ferritstabantenne verbaut, die ebenfalls über die Batterie der Uhr mit Energie versorgt wird.

Um Energie zu sparen, empfangen Armbanduhren das Zeitsignal meistens nur ein mal pro Tag. Stationäre Funkuhren die an das Stromnetz angeschlossen sind gleichen sich teilweise jede Stunde oder Minute ab.

Da die Gangabweichung von Quarzuhren aber ohnehin bei unter einer Sekunde pro Tag liegt, reicht auch das tägliche Abgleichen, um die Uhr auf die Sekunde genau laufen zu lassen.

 

Häufige Fragen zum Thema Quarzuhren

Wie lange hält ein Quarzwerk?

Quarzuhren haben generell eine sehr lange Haltbarkeit, da sie nur wenig bewegliche Teile verbaut haben. Je nach Modell und Qualität des Quarzwerks kann man davon ausgehen, dass eine Quarzuhr 10-20 Jahre läuft, ohne das Revision nötig ist.

Da Quarzuhren auch ziemlich robust sind und Stöße problemlos überstehen, können sie auch bei täglicher Benutzung problemlos einige Jahrzehnte laufen.

Einzig die Batterie muss alle paar Jahre ausgetauscht werden.

Wie lange hält die Batterie einer Quarzuhr?

Wie lange die Batterie hält, hängt natürlich vom Energie Verbrauch der Uhr und der Größe und Qualität der verbauten Batterie ab.

Die Standard-Laufzeit von Quarzuhren  liegt bei 1-2 Jahren. Bei teuren Modellen kann die Laufzeit noch um einiges länger sein und erreicht teilweise bis zu 10 Jahren.

Sind Quarzuhren gesundheitsschädlich?

In Kreisen der Naturheilkunde werden Quarzuhren oft als gesundheitsschädlich bezeichnet. Grund dafür ist das sie eine leichte elektromagnetische Strahlung aussenden.

Laut der Naturheilkunde soll diese Strahlung besonders schädlich sein, wenn man sie über längere Zeit nah am Körper hält, wie es ja beim Tragen einer Quarzuhr der Fall ist.

Es ist aber bis heute nicht bewiesen das elektromagnetische Strahlung tatsächlich einen negativen Effekt auf unsere Gesundheit hat.

Kann man Quarzuhren reparieren?

Quarzuhren müssen wirklich nur selten repariert werden. Sollten die dann doch mal eine Reparatur benötigen, sind die kosten meistens geringer als bei mechanischen Uhren. Da Quarzuhren oft in Serie gefertigt werden, sind Ersatzteile schon für wenig Geld zu bekommen. Oft ist es sogar sinnvoll das gesamte Quarzwerk auszutauschen.

Was ist die genaueste Quarzuhr der Welt?

Auch wenn Quarzuhren an sich schon sehr genau gehen haben es sich einige Uhrenhersteller zur Aufgabe gemacht, die Genauigkeit von Quarzuhren auf ein neues Level zu heben.

Aktuell führend auf dem Gebiet der Präzisions-Quarzuhren ist das japanische Unternehmen Citizen mit ihrem Caliber A010 konnten sie den Rekord für das präziseste Quarzwerk brechen.

Die dem Caliber A010 ausgestattete Citizen Chronomaster kommt auf eine Abweichung von +- 1 Sekunden pro Jahr. Damit ist mehr als 150 mal so genau wie eine herkömmliche Quarzuhr.

Erreicht wird diese Genauigkeit unter anderem durch die Technik der Thermokompensation.

Wie funktioniert eine Quarzuhr? » Funktion eines Quarzwerks Erklärt 96
Autor: Carl Geisler
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Ich hoffe, meine Erklärungen waren verständlich und ich konnte dir mit diesem Beitrag weiterhelfen.

Was ist den deine Meinung, findest du die Technik im Inneren einer Quarzuhr genauso faszinierend wie ich oder bevorzugst du doch eher mechanische Uhren?

Schreibe es doch gerne in die Kommentare.  

Falls du noch irgendwelche Fragen zu dem Thema hast, kannst du sie auch gerne in den Kommentaren stellen.

Ansonsten kannst du dir auch gerne einmal meinen Vergleich der aktuell besten Quarzuhren ansehen. Vielleicht ist ja was für dich dabei.

 

Die besten Quarzuhren 2020

Zu den besten Quarzuhren!

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