Reloj eléctrico

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Un reloj eléctrico es un reloj que funciona con electricidad , a diferencia de un reloj mecánico que funciona con un peso colgante o un resorte real . El término se aplica a menudo a los relojes mecánicos alimentados eléctricamente que se usaban antes de que se introdujeran los relojes de cuarzo en la década de 1980. Los primeros relojes eléctricos experimentales se construyeron alrededor de la década de 1840, pero no se fabricaron ampliamente hasta que la energía eléctrica de la red estuvo disponible en la década de 1890. En la década de 1930, el reloj eléctrico sincrónico reemplazó a los relojes mecánicos como el tipo de reloj más utilizado.

Los relojes eléctricos pueden funcionar mediante varios tipos de mecanismos diferentes:

• Los relojes electromecánicos tienen un movimiento mecánico tradicional , que marca el tiempo con un péndulo oscilante o volante accionado a través de un tren de engranajes por un resorte real , pero utiliza electricidad para dar cuerda al resorte real con un motor eléctrico o electroimán . Este mecanismo se encuentra principalmente en relojes antiguos.
• Los relojes eléctricos con remontoire tienen trenes de engranajes que giran mediante un pequeño resorte o palanca con peso, llamado remontoire , al que se le daba cuerda con mayor frecuencia mediante un motor eléctrico o un electroimán. Este mecanismo era más preciso que un resorte real, porque el enrollado frecuente compensaba las variaciones en la velocidad del reloj causadas por la fuerza variable del resorte a medida que se desenrollaba. Se utilizó en relojes de péndulo de precisión y en relojes de automóviles hasta la década de 1970.
• Los relojes electromagnéticos marcan el tiempo con un péndulo o volante, pero los pulsos que lo mantienen en marcha no los proporciona un mecanismo de movimiento mecánico y escape , sino la fuerza magnética de un electroimán ( solenoide ). Este fue el mecanismo utilizado en los primeros relojes eléctricos y se encuentra en los antiguos relojes eléctricos de péndulo. También se encuentra en algunos relojes decorativos de sobremesa y repisa modernos.
• Los relojes síncronos se basan en la frecuencia de 50 o 60 Hz de la red eléctrica de CA como fuente de sincronización, impulsando los engranajes del reloj con un motor síncrono . Básicamente, cuentan los ciclos de la fuente de alimentación. Si bien la frecuencia real puede variar con la carga de la red, el número total de ciclos por 24 horas se mantiene rigurosamente constante, de modo que estos relojes pueden mantener la hora con precisión durante largos períodos, salvo cortes de energía ; durante meses son más precisos que un reloj de cuarzo típico. Este fue el tipo de reloj más común desde la década de 1930, pero ahora ha sido reemplazado en su mayoría por relojes de cuarzo.
• Los relojes de diapasón marcan el tiempo contando las oscilaciones de un diapasón calibrado con una frecuencia específica. Estos solo se fabricaron en versión alimentada por batería. Los relojes alimentados por batería se han fabricado utilizando los esquemas anteriores con la obvia excepción de un movimiento sincrónico. Todos los relojes alimentados por batería han sido reemplazados en gran medida por el movimiento de cuarzo, de menor costo.
• Los relojes de cuarzo son relojes eléctricos que cuentan la hora contando las oscilaciones de un cristal de cuarzo vibrante . Utilizan circuitos modernos de bajo voltaje alimentados por CC, que pueden ser alimentados por una batería o derivados de la red eléctrica. Son el tipo de reloj más común en la actualidad. Los relojes de cuarzo y los relojes de pulsera suministrados por el fabricante suelen mantener la hora con un error de unos pocos segundos por semana, aunque a veces más. ^[1] Los movimientos de cuarzo económicos suelen especificarse para mantener la hora con una precisión de 30 segundos por mes (1 segundo por día, 6 minutos por año). ^[2] Se puede lograr un error menor mediante una calibración individual si el ajuste es posible, sujeto a la estabilidad del oscilador, particularmente con el cambio de temperatura. Es posible una mayor precisión a un mayor costo.
• Los relojes radiocontrolados son relojes de cuarzo que se sincronizan periódicamente con laescala de tiempo del reloj atómico UTC a través de señales horarias de radio transmitidas por estaciones dedicadas en todo el mundo. Son distintos de los radiodespertadores .

En 1814, Sir Francis Ronalds de Londres inventó el primer reloj eléctrico. ^[3] Se alimentaba con pilas secas , una batería de alto voltaje con una vida útil extremadamente larga pero con la desventaja de que sus propiedades eléctricas variaban con el clima. ^[4] Probó varios medios de regular la electricidad y estos modelos demostraron ser confiables en una variedad de condiciones meteorológicas. ^[5]

En 1815, Giuseppe Zamboni de Verona inventó y mostró otro reloj electrostático que funcionaba con pilas secas y un globo oscilante. Su equipo produjo relojes mejorados durante muchos años, que luego fueron calificados como "el movimiento más elegante y al mismo tiempo más simple producido hasta ahora por la columna eléctrica". ^[6] El reloj de Zamboni tenía una aguja vertical sostenida por un pivote y era tan eficiente energéticamente que podía funcionar con una pila durante más de 50 años.

En 1840, Alexander Bain , un fabricante de relojes e instrumentos escocés, fue el primero en inventar y patentar un reloj alimentado por corriente eléctrica. Su patente original de reloj eléctrico está fechada el 10 de octubre de 1840. El 11 de enero de 1841, Alexander Bain, junto con John Barwise, un fabricante de cronómetros, obtuvo otra patente importante que describe un reloj en el que se utiliza un péndulo electromagnético y una corriente eléctrica para mantener el reloj en funcionamiento en lugar de resortes o pesas. Las patentes posteriores ampliaron sus ideas originales.

Numerosas personas se propusieron inventar el reloj eléctrico con diseños electromecánicos y electromagnéticos alrededor del año 1840, como Wheatstone, Steinheil, Hipp, Breguet y Garnier, tanto en Europa como en América.

A Matthäus Hipp , relojero nacido en Alemania , se le atribuye el establecimiento de la producción en serie y el comercio masivo de relojes eléctricos. Hipp abrió un taller en Reutlingen , donde desarrolló un reloj eléctrico llamado Hipp-Toggle, presentado en Berlín en una exposición en 1843. El Hipp-Toggle es un dispositivo conectado a un péndulo o volante que permite electromecánicamente un impulso o accionamiento ocasional al péndulo o volante cuando su amplitud de oscilación cae por debajo de un cierto nivel, y es tan eficiente que posteriormente se utilizó en relojes eléctricos durante más de cien años. Hipp también inventó un pequeño motor y construyó el cronoscopio y el cronógrafo registrador para la medición del tiempo.

Los primeros relojes eléctricos tenían péndulos prominentes porque se trataba de una forma y un diseño conocidos. Los relojes más pequeños y los relojes con volante en espiral se fabrican siguiendo los mismos principios que los relojes de péndulo.

En 1918, Henry Ellis Warren inventó el primer reloj eléctrico sincrónico en Ashland, Massachusetts, que registraba el tiempo a partir de las oscilaciones de la red eléctrica. ^{[7] [8]} En 1931, el Synclock fue el primer reloj eléctrico sincrónico comercial vendido en el Reino Unido. ^[8]

Un reloj que utiliza electricidad de alguna forma para alimentar un mecanismo de reloj convencional es un reloj electromecánico. Cualquier reloj accionado por resorte o peso que utilice electricidad (ya sea CA o CC) para rebobinar el resorte o elevar el peso de un reloj mecánico es un reloj electromecánico. En los relojes electromecánicos, la electricidad no cumple ninguna función de cronometraje. La función de cronometraje está regulada por el péndulo. Cerca del final del siglo XIX, la disponibilidad de la batería seca hizo que fuera práctico usar energía eléctrica en los relojes. El uso de la electricidad luego llevó a muchas variaciones de diseños de relojes y motores. Los relojes electromecánicos se hicieron como relojes individuales, pero más comúnmente se usaban como partes integrales de instalaciones de tiempo sincronizado. La experiencia en telegrafía llevó a conectar relojes remotos (relojes esclavos) a través de cables a un reloj controlador (reloj maestro). El objetivo era crear un sistema de reloj donde cada reloj mostrara exactamente la misma hora. El maestro y los esclavos son relojes electromecánicos. El reloj maestro tiene un mecanismo de reloj de cuerda automática convencional que se rebobina eléctricamente. El mecanismo del reloj esclavo no es un mecanismo de reloj convencional, ya que consta únicamente de una rueda de trinquete y un tren de tiempo. Los relojes esclavos dependen de impulsos eléctricos del reloj maestro para mover mecánicamente las manecillas del reloj una unidad de tiempo. Los sistemas de tiempo sincronizado se componen de un reloj maestro y cualquier número de relojes esclavos. Los relojes esclavos están conectados por cables al reloj maestro. Estos sistemas se encuentran en lugares donde se utilizarían varios relojes, como instituciones de aprendizaje, empresas, fábricas, redes de transporte, bancos, oficinas e instalaciones gubernamentales. Un ejemplo notable de este tipo de sistema es el reloj Shortt-Synchronome , que es un ejemplo de un remontoire de gravedad electromecánico . Estos sistemas de reloj de cuerda automática solían ser de CC de bajo voltaje. Se instalaron durante la década de 1950 y, para entonces, los sistemas con relojes de motor sincrónico se estaban convirtiendo en el sistema de reloj de elección.

La configuración de este dispositivo es relativamente sencilla y fiable. La corriente eléctrica alimenta un péndulo o un oscilador electromecánico .

El componente oscilador electromecánico tiene un imán adjunto que pasa por dos inductores . Cuando el imán pasa por el primer inductor o sensor, el amplificador simple hace que la corriente pase por el segundo inductor, y el segundo inductor funciona como un electroimán , proporcionando un pulso de energía al oscilador en movimiento. Este oscilador es responsable de la precisión del reloj. La parte electrónica no generaría pulsos eléctricos si el oscilador estuviera ausente o no se moviera. La frecuencia de resonancia del oscilador mecánico debería ser varias veces por segundo.

Un reloj eléctrico sincrónico no contiene un oscilador que marque el tiempo, como un péndulo o un volante, sino que cuenta las oscilaciones de la corriente alterna de la red eléctrica desde su enchufe de pared para mantener el tiempo. Consiste en un pequeño motor sincrónico de CA , que hace girar las manecillas del reloj a través de un tren de engranajes reductores . ^[9] El motor contiene electroimanes que crean un campo magnético giratorio que hace girar un rotor de hierro . La velocidad de rotación del eje del motor está sincronizada con la frecuencia de la red eléctrica ; 60 ciclos por segundo (Hz) en América del Norte y partes de América del Sur, 50 ciclos por segundo en la mayoría de los demás países. El tren de engranajes escala esta rotación de modo que el minutero gira una vez por hora. Por lo tanto, el reloj sincrónico puede considerarse no tanto un cronometrador como un contador mecánico, cuyas manecillas muestran un recuento continuo del número de ciclos de corriente alterna. ^[9]

Uno de los engranajes que giran las manecillas del reloj tiene un eje con un accesorio de fricción deslizante, de modo que las manecillas del reloj se pueden girar manualmente mediante una perilla en la parte posterior o en la parte inferior, para ajustar el reloj.

Los relojes con motor síncrono son resistentes porque no tienen un péndulo delicado ni un volante. Sin embargo, un corte de energía temporal detendrá el reloj, que mostrará la hora incorrecta cuando se restablezca la energía. Algunos relojes síncronos (por ejemplo, Telechron ) tienen un indicador que muestra si se detuvo y se reinició.

Algunos relojes eléctricos tienen un motor síncrono de dos polos simple que funciona a una revolución por ciclo de potencia, es decir, 3600  RPM a 60 Hz y 3000 RPM a 50 Hz. ^[10] Sin embargo, la mayoría de los relojes eléctricos tienen rotores con más polos magnéticos (dientes), por lo que giran a un submúltiplo menor de la frecuencia de línea. Esto permite que el tren de engranajes que hace girar las manecillas se construya con menos engranajes, lo que ahorra dinero. ^[11]

La precisión de los relojes sincrónicos depende de lo cerca que las compañías eléctricas mantengan la frecuencia de su corriente del valor nominal de 50 o 60 hercios. Aunque las variaciones de carga de la compañía eléctrica causan fluctuaciones de frecuencia que pueden resultar en errores de unos pocos segundos durante el transcurso de un día, las compañías eléctricas ajustan periódicamente la frecuencia de su corriente utilizando la hora del reloj atómico UTC para que el número total de ciclos en un día dé una frecuencia promedio que sea exactamente el valor nominal, por lo que los relojes sincrónicos no acumulan errores. ^[12] Por ejemplo, las compañías eléctricas europeas controlan la frecuencia de su red una vez al día para que el número total de ciclos en 24 horas sea correcto. ^{[13] [ verificación fallida ]} Las compañías eléctricas estadounidenses corrigen su frecuencia una vez que el error acumulado ha alcanzado los 3-10 segundos. Esta corrección se conoce como Corrección de Error de Tiempo (TEC).

En 2011, la North American Electric Reliability Corporation (NERC), ^[14] una organización industrial basada en el consenso, solicitó a la Comisión Federal Reguladora de Energía (FERC) ^[15] que eliminara el TEC. Si bien esto habría liberado a las compañías eléctricas de la amenaza de multas y también habría proporcionado un aumento extremadamente modesto en la estabilidad de frecuencia, también se observó que los relojes sincrónicos, que incluyen relojes de pared, despertadores y otros relojes que calculan la hora en función de su energía eléctrica, acumularían varios minutos de error entre los reinicios semestrales para el horario de verano . ^[16] Esta consecuencia fue reportada en los medios de comunicación estadounidenses, ^[17] y la iniciativa fue abandonada. Sin embargo, a fines de 2016 la NERC presentó nuevamente una propuesta similar a la FERC, que fue aprobada dos meses después. ^[12] Depende de la eliminación de la norma WEQ-006, y la NERC también solicitó a la Junta de Normas Energéticas de América del Norte (NAESB), ^[18] una organización no gubernamental orientada a los negocios, que elimine esa norma. Si la FERC adopta la petición de la NAESB, los TEC ya no se utilizarán en los Estados Unidos y Canadá, y los relojes cronometrados por ellos probablemente se descontrolarán hasta que se restablezcan manualmente, sin embargo, a partir de 2021, WEQ-006 todavía estaba vigente. ^[19] En un documento técnico, los empleados del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y el Observatorio Naval de los EE. UU. señalaron que, si no se hubieran insertado los TEC en 2016, se habrían perdido más de siete minutos por parte de los relojes cronometrados eléctricamente en gran parte de los Estados Unidos y Canadá, como se muestra en la Figura 8 de su documento. ^[12]

Los primeros relojes sincrónicos de la década de 1930 no se ponía en marcha automáticamente y había que hacerlo girando una perilla de arranque situada en la parte posterior. ^[9] Un defecto en el diseño de estos relojes con arranque por giro era que el motor podía ponerse en marcha en cualquier dirección, por lo que si la perilla de arranque se giraba en sentido contrario, el reloj funcionaba al revés y las manecillas giraban en sentido contrario a las agujas del reloj. Los relojes de arranque manual posteriores tenían trinquetes u otros mecanismos que impedían el arranque al revés. La invención del motor de polos sombreados permitió fabricar relojes con arranque automático, pero como el reloj se reiniciaba después de un corte de energía, daba una hora incorrecta en lugar de detenerse en el momento de la interrupción de la energía.

• Reloj maestro
• Reloj sincrónico Shortt
• Reloj automático

• Viradez, Michel. Historia de los relojes eléctricos
• Katz, Eugenio. Biografía de Alexander Bain
• Electromotriz perpetuo de Giuseppe Zamboni
• Chirkin, K. Relojes electromecánicos. Radio, 7 (1968): pág. 43.