Типы и устройства таймеров и часов

Введение

Тип часов

Таймер или обратный отсчет – это тип часов, который запускается с заданного промежутка времени и останавливается, достигнув 00:00. Простейший таймер – это песочные часы. Обычно таймер подает сигнал тревоги по окончании отсчета. Таймер может быть реализован на аппаратном или программном обеспечении. Секундомеры работают в обратном направлении, отсчитывая время вверх от 00:00, измеряя прошедшее время с определенного момента. Временные реле – это таймеры, управляющие электрическим выключателем.

Механические

Механические таймеры используют часовой механизм для измерения времени. Ручные таймеры обычно устанавливаются путем поворота диска на нужный интервал времени, при этом поворот диска накапливает энергию в главной пружине для работы механизма. Они функционируют аналогично механическим будильникам: энергия в главной пружине заставляет балансировочное колесо колебаться вперед и назад. Каждое колебание колеса высвобождает зубчатую передачу, позволяя ей продвинуться на небольшую фиксированную величину, из-за чего диск плавно движется назад, пока не достигнет нуля, когда рычаг ударяет в колокольчик. Механический кухонный таймер был изобретен в 1926 году. Самый простой и древний тип механического таймера – песочные часы, также известные как «часы песка», в которых определенное количество песка пересыпается через узкое отверстие из одной камеры в другую для измерения интервала времени.

Электромеханические

Краткопериодические биметаллические электромеханические таймеры используют термический механизм с металлическим элементом, состоящим из полос двух металлов с разными коэффициентами теплового расширения, соединенных вместе. Обычно используются сталь и бронза. Протекающий через этот элемент электрический ток вызывает его нагрев, в результате чего одна сторона расширяется меньше другой, и электрический контакт на конце элемента перемещается к или от контакта электрического выключателя. Наиболее распространенное применение этого типа – в устройствах, создающих эффект "мигания", например, в указателях поворота автомобилей и иногда в гирляндах. Это неэлектронный тип мультивибратора. Электромеханический кулачковый таймер использует небольшой синхронный двигатель переменного тока, вращающий кулачок, взаимодействующий с рядом контактов переключателя. Двигатель переменного тока вращается с точной скоростью благодаря переменному току, который тщательно регулируется энергоснабжающими компаниями. Шестерни приводят в движение вал с необходимой скоростью и поворачивают кулачок. В настоящее время наиболее распространенным применением этого таймера является использование в стиральных, сушильных и посудомоечных машинах. Этот тип таймера часто оснащен фрикционным муфтой между зубчатой передачей и кулачком, позволяющей поворачивать кулачок для сброса времени. Электромеханические таймеры сохраняют свою актуальность в этих областях, поскольку механические контакты переключателей могут быть дешевле полупроводниковых устройств, необходимых для управления мощными источниками света, двигателями и нагревателями. В прошлом эти электромеханические таймеры часто комбинировались с электрическими реле для создания электромеханических контроллеров. Электромеханические таймеры достигли высокого уровня развития в 1950-х и 1960-х годах благодаря их широкому использованию в аэрокосмической и оборонной промышленности. Программируемые электромеханические таймеры управляли последовательностью запуска ракет и баллистических ракет. С развитием и удешевлением цифровой электроники электронные таймеры стали более предпочтительными. Электронные таймеры по сути представляют собой кварцевые часы со специальной электроникой, способные достигать более высокой точности, чем механические таймеры. Они используют цифровую электронику, но могут иметь аналоговый или цифровой дисплей. Интегральные схемы сделали цифровую логику настолько дешевой, что электронный таймер теперь стоит дешевле многих механических и электромеханических таймеров. Отдельные таймеры реализуются как простая одночиповая компьютерная система, аналогичная часам и обычно использующая ту же массово производимую технологию. В настоящее время многие таймеры реализуются программным обеспечением. Современные контроллеры используют программируемый логический контроллер (ПЛК) вместо набора электромеханических компонентов. Логика обычно проектируется так, как если бы она была реализована на реле, с использованием специального компьютерного языка, называемого языком релейной логики (Ladder Logic). В ПЛК таймеры обычно моделируются программным обеспечением, встроенным в контроллер. Каждый таймер представляет собой запись в таблице, поддерживаемой программным обеспечением. Компьютерные системы обычно имеют как минимум один аппаратный таймер. Это, как правило, цифровые счетчики, которые либо увеличивают, либо уменьшают значение с фиксированной частотой, которая часто может быть настроена, и которые прерывают работу процессора при достижении нуля. Альтернативная конструкция использует счетчик с достаточным разрядом, чтобы он не достиг предела переполнения до конца срока службы системы. Более сложные таймеры могут иметь логику сравнения для сравнения значения таймера с определенным значением, заданным программным обеспечением, что запускает определенное действие при совпадении значения таймера с заданным значением. Это может быть использовано, например, для измерения событий или генерации импульсно-широтно модулированных сигналов для управления скоростью двигателей (с использованием цифрового электронного усилителя класса D). Одно из специализированных применений аппаратных таймеров в компьютерных системах – это сторожевые таймеры (Watchdog Timers), предназначенные для выполнения аппаратного сброса системы в случае сбоя программного обеспечения.

Short period bimetallic electromechanical timers use a thermal mechanism, with a metal finger made of strips of two metals with different rates of thermal expansion sandwiched together, steel and bronze are common. An electric current flowing through this finger causes heating of the metals, one side expands less than the other, and an electrical contact on the end of the finger moves away from or towards an electrical switch contact. The most common use of this type is in the "flasher" units that flash turn signals in automobiles, and sometimes in Christmas lights. This is a non electronic type of multivibrator. An electromechanical cam timer uses a small synchronous AC motor turning a cam against a comb of switch contacts. The AC motor is turned at an accurate rate by the alternating current, which power companies carefully regulate. Gears drive a shaft at the desired rate, and turn the cam. The most common application of this timer now is in washers, driers and dishwashers. This type of timer often has a friction clutch between the gear train and the cam, so that the cam can be turned to reset the time. Electromechanical timers survive in these applications because mechanical switch contacts may still be less expensive than the semiconductor devices needed to control powerful lights, motors and heaters. In the past, these electromechanical timers were often combined with electrical relays to create electro mechanical controllers. Electromechanical timers reached a high state of development in the 1950s and 1960s because of their extensive use in aerospace and weapons systems. Programmable electromechanical timers controlled launch sequence events in early rockets and ballistic missiles. As digital electronics has progressed and dropped in price, electronic timers have become more advantageous. Electronic timers are essentially quartz clocks with special electronics, which can achieve higher precision than mechanical timers. They have digital electronics, but may have an analog or digital display. Integrated circuits have made digital logic so inexpensive that an electronic timer is now less expensive than many mechanical and electromechanical timers. Individual timers are implemented as a simple single chip computer system, similar to a watch and usually utilizing the same, mass produced technology. Nowadays, many timers are implemented in software. Modern controllers use a programmable logic controller (PLC) instead of a box full of electromechanical parts. The logic is usually designed as if it were relays, utilizing a special computer language called ladder logic. In PLCs, timers are usually simulated by the software built into the controller. Each timer is just an entry in a table maintained by the software. Computer systems typically have at least one hardware timer. These are typically digital counters that either increment or decrement at a fixed frequency, which is often configurable, and which interrupt the processor when reaching zero. An alternative design uses a counter with a sufficiently large word size that it will not reach its overflow limit before the end of life of the system. More sophisticated timers may have comparison logic to compare the timer value against a specific value set by software, which triggers some action when the timer value matches the preset value. This might be used, for example, to measure events or generate pulse width modulated waveforms to control the speed of motors (using a class D digital electronic amplifier). One specialist use of hardware timers in computer systems is as watchdog timers, which are designed to perform a hardware reset of the system if the software fails.

Программное обеспечение

Эти типы таймеров не являются устройствами или частями устройств, они существуют исключительно в виде программного обеспечения. Они зависят от точности генератора тактовой частоты, как правило встроенного в аппаратное устройство, на котором работает программное обеспечение.

Приложения

Из-за растущей популярности мобильных телефонов было разработано множество приложений, имитирующих старый механический таймер, но при этом обладающих широким набором сложных функций. Эти приложения также удобнее в использовании, поскольку они доступны мгновенно, без необходимости приобретать или носить с собой отдельные устройства. Таймеры могут быть реализованы в виде программных приложений для телефонов, смарт-часов или планшетов. Некоторые из этих приложений – таймеры обратного отсчета, секундомеры и другие. Эти приложения можно использовать для отслеживания рабочего или тренировочного времени, мотивации детей к выполнению заданий, замены песочных часов в настольных играх, таких как Boggle, или для традиционного отсчета времени при приготовлении пищи. Приложения могут превосходить песочные часы или механические таймеры. Песочные часы недостаточно точны и наглядны, и они могут застревать. Механические таймеры лишены возможностей настройки, которые предлагают приложения, например, регулировки громкости звукового сигнала в соответствии с индивидуальными потребностями. Большинство приложений также предлагают выбор звуковых сигналов тревоги. Некоторые приложения-таймеры могут помочь детям понять концепцию времени, вовремя завершать задачи и повысить мотивацию. Эти приложения особенно полезны детям с особенностями развития, такими как СДВГ, синдром Дауна и другие, но они могут быть полезны и всем остальным.