Wie funktioniert ein Quarzwerk?

Die meisten batteriebetriebenen Armbanduhren und Wanduhren arbeiten mit einem Quarzwerk. Statt einer aufgezogenen Feder gibt ein winziger Quarzkristall den Takt vor, die Batterie liefert die Energie.

Anders als mechanische Werke schwingt der Kristall mit fester Frequenz. Dadurch bleibt die Abweichung im Alltag unter einer halben Minute pro Monat.

Der Quarzkristall als Taktgeber

Das Herzstück eines Quarzwerks ist ein kleiner, stimmgabelförmiger Quarzkristall. Quarz ist ein Mineral mit einer besonderen Eigenschaft: Unter Spannung verformt er sich leicht, und bei Verformung erzeugt er elektrische Spannung. Fachleute nennen diesen Effekt Piezoeffekt.

In der Uhr legt eine elektronische Schaltung eine Wechselspannung an den Kristall an. Dadurch beginnt er, mit einer sehr konstanten Frequenz zu schwingen. Die Frequenz liegt bei fast allen Quarzuhren sehr hoch, sodass ein integrierter Schaltkreis die Schwingungen exakt auf einen Impuls pro Sekunde herunterteilt.

Der Kristall selbst bewegt keine Zeiger. Er liefert nur den Takt, ähnlich wie ein Metronom. Die eigentliche Arbeit übernimmt die Elektronik, die aus den Schwingungen einen Sekundenimpuls erzeugt.

Batterie und Schrittmotor

Die Energie für das gesamte System liefert eine Knopfzelle. Sie ersetzt das Federhaus, das in mechanischen Uhren die Energie speichert. Eine Quarzuhr-Batterie hält je nach Modell ein bis zwei Jahre, bevor sie getauscht werden muss.

Der Sekundenimpuls aus dem Schaltkreis steuert einen Schrittmotor. Das ist ein kleiner Elektromotor, der bei jedem Impuls eine exakt definierte Drehung ausführt, in der Regel einen halben oder vollen Schritt. Diese Drehung überträgt ein Räderwerk auf die Zeiger. Das Räderwerk gibt es also auch im Quarzwerk, es ist nur kleiner und leichter gebaut als in mechanischen Uhren, weil es keine große Federkraft übertragen muss.

Der Schrittmotor arbeitet sehr effizient. Er verbraucht nur dann Strom, wenn er tatsächlich einen Schritt ausführt, also einmal pro Sekunde. Dazwischen liegt das gesamte System nahezu stromlos. Das erklärt die lange Batterielaufzeit.

Warum Quarzuhren so genau sind

Die Genauigkeit einer Uhr hängt davon ab, wie konstant ihr Taktgeber schwingt. Eine mechanische Unruh schwingt mit einer deutlich niedrigeren Frequenz und wird durch Temperatur, Lagerreibung und die Position der Uhr beeinflusst. Der Quarzkristall schwingt mit einer sehr hohen Frequenz und ist von diesen Störungen weitgehend unabhängig. Seine Frequenz ändert sich nur minimal mit der Temperatur.

In der Praxis bedeutet das: Eine gute Quarzuhr weicht pro Monat nur wenige Sekunden ab, viele Modelle schaffen weniger. Eine mechanische Uhr weicht dagegen je nach Qualität zwischen einigen Sekunden pro Tag und einigen Sekunden pro Woche ab. Wenn Sie eine Uhr suchen, die über Monate hinweg die richtige Zeit anzeigt, ohne nachgestellt zu werden, bekommen Sie mit einem Quarzwerk die zuverlässigere Lösung.

Es gibt eine Einschränkung: Extreme Kälte oder Hitze können die Schwingfrequenz des Kristalls leicht verschieben. Bei normalen Raum- und Körpertemperaturen spielt das für den Alltag keine Rolle. Spezielle temperaturkompensierte Quarzwerke, wie sie in einigen High-End-Modellen verbaut sind, gleichen selbst diesen Effekt aus.

Unterschiede zu mechanischen Werken

Der grundlegende Aufbau ähnelt sich mehr, als viele vermuten. Beide Werksarten besitzen ein Räderwerk, das die Zeiger antreibt, und beide brauchen eine gleichmäßige Energiequelle. Die Unterschiede liegen in den Komponenten und ihren Eigenschaften.

Mechanische Werke speichern Energie in einer Spiralfeder, dem Federhaus. Sie geben diese Energie über ein Räderwerk an die Unruh ab, die als Schwungrad den Takt vorgibt. Die Ganggenauigkeit hängt von der Präzision dieser mechanischen Teile ab und davon, wie gleichmäßig die Feder ihre Kraft abgibt. Mit der Zeit nutzen sich die Lager ab, und die Uhr muss regelmäßig geölt und justiert werden.

Quarzwerke haben deutlich weniger bewegliche Teile. Neben dem Schrittmotor und dem Räderwerk gibt es keine feinmechanischen Komponenten, die verschleißen könnten. Der Takt kommt aus der Elektronik, nicht aus einer mechanischen Schwingung. Dadurch sind Quarzwerke wartungsärmer und in der Herstellung günstiger. Eine mechanische Uhr ist eher ein Präzisionsinstrument mit Handwerkskunst, eine Quarzuhr eine zuverlässige Gebrauchstechnik.

Wenn Sie sich für eine mechanische Uhr entscheiden, tun Sie das meist wegen der Handwerkskunst, der sichtbaren Mechanik oder des Wertes als Sammlerstück. Wenn Sie eine Uhr für den Alltag suchen, die einfach funktioniert und die Zeit zuverlässig anzeigt, sind Sie mit einem Quarzwerk besser beraten. Beide Techniken haben ihre Berechtigung, nur eben für unterschiedliche Ansprüche.