Horloge électrique

Une horloge électrique est une horloge alimentée par l'électricité , par opposition à une horloge mécanique qui est alimentée par un poids suspendu ou un ressort moteur . Le terme est souvent appliqué aux horloges mécaniques alimentées électriquement qui étaient utilisées avant l'introduction des horloges à quartz dans les années 1980. Les premières horloges électriques expérimentales ont été construites vers les années 1840, mais elles n'ont pas été largement fabriquées avant l' arrivée de l'électricité dans les années 1890. Dans les années 1930, l' horloge électrique synchrone a remplacé les horloges mécaniques comme type d'horloge le plus utilisé.

Les horloges électriques peuvent fonctionner selon plusieurs types de mécanismes différents :

Horloges électromécaniques

Ces horloges sont dotées d'un mouvement mécanique traditionnel , qui donne l'heure grâce à un pendule oscillant ou un balancier actionné par un train d'engrenages et un ressort moteur , mais qui utilise l'électricité pour remonter le ressort moteur grâce à un moteur électrique ou à un électroaimant . Ce mécanisme se retrouve principalement dans les horloges anciennes.

Horloges à remontoir électriques

Ces remontoirs étaient équipés d'un train d'engrenages actionné par un petit ressort ou levier lesté, appelé remontoir , qui était remonté plus fréquemment par un moteur électrique ou un électroaimant. Ce mécanisme était plus précis qu'un ressort moteur, car le remontage fréquent compensait les variations de la vitesse de l'horloge causées par la force variable du ressort lors de son déroulement. Il a été utilisé dans les horloges à pendule de précision et dans les horloges automobiles jusqu'aux années 1970.

Horloges électromagnétiques

Ces horloges sont actionnées par un pendule ou un balancier, mais les impulsions qui les maintiennent en marche ne sont pas fournies par un mouvement mécanique et une liaison d'échappement , mais par la force magnétique d'un électroaimant ( solénoïde ). C'est le mécanisme utilisé dans les premières horloges électriques, et on le retrouve dans les horloges à pendule électriques anciennes. On le retrouve également dans quelques horloges de cheminée et de bureau décoratives modernes.

Horloges synchrones

Ces horloges utilisent la fréquence de 50 ou 60 Hz du réseau électrique à courant alternatif comme source de synchronisation, en entraînant les engrenages de l'horloge avec un moteur synchrone . Elles comptent essentiellement les cycles de l'alimentation électrique. Bien que la fréquence réelle puisse varier en fonction de la charge sur le réseau, le nombre total de cycles par 24 heures est maintenu rigoureusement constant, de sorte que ces horloges peuvent garder l'heure avec précision pendant de longues périodes, sauf coupure de courant ; sur plusieurs mois, elles sont plus précises qu'une horloge à quartz classique. C'était le type d'horloge le plus courant dans les années 1930, mais il a maintenant été en grande partie remplacé par des horloges à quartz.

Horloges à diapason

Ces horloges mesurent le temps en comptant les oscillations d'un diapason calibré avec une fréquence spécifique. Elles n'étaient fabriquées qu'avec des piles. Des horloges alimentées par piles ont été fabriquées selon les schémas ci-dessus, à l'exception évidente d'un mouvement synchrone. Toutes les horloges alimentées par piles ont été largement remplacées par le mouvement à quartz moins coûteux.

Horloges à quartz

Il s'agit d'horloges électriques qui mesurent l'heure en comptant les oscillations d'un cristal de quartz vibrant . Elles utilisent un circuit moderne à courant continu basse tension, qui peut être alimenté par une batterie ou dérivé du réseau électrique. Il s'agit du type d'horloge le plus courant aujourd'hui. Les horloges et montres à quartz fournies par le fabricant indiquent généralement l'heure avec une erreur de quelques secondes par semaine, bien que parfois plus. Les mouvements à quartz bon marché sont souvent spécifiés pour indiquer l'heure dans les 30 secondes par mois (1 seconde par jour, 6 minutes par an). Une erreur plus faible peut être obtenue par un étalonnage individuel si un réglage est possible, sous réserve de la stabilité de l'oscillateur, en particulier en cas de changement de température. Une précision plus élevée est possible à un coût plus élevé.

Horloges radio-pilotées

Il s'agit d'horloges à quartz qui sont périodiquement synchronisées avec l' échelle de temps de l'horloge atomique UTC via des signaux horaires radio diffusés par des stations dédiées dans le monde entier. Elles sont distinctes des radios-réveils .

En 1814, Sir Francis Ronalds de Londres inventa la première horloge électrique. Elle était alimentée par des piles sèches , une batterie haute tension avec une durée de vie extrêmement longue mais qui présentait l'inconvénient de propriétés électriques variables en fonction des conditions météorologiques. Il a testé divers moyens de régulation de l'électricité et ces modèles se sont révélés fiables dans toute une gamme de conditions météorologiques.

En 1815, Giuseppe Zamboni de Vérone inventa et présenta une autre horloge électrostatique fonctionnant avec des piles sèches et un globe oscillant. Son équipe produisit des horloges améliorées au fil des ans, qui furent plus tard qualifiées de « mouvement le plus élégant et en même temps le plus simple jamais produit par la colonne électrique ». L'horloge de Zamboni avait une aiguille verticale soutenue par un pivot et était si économe en énergie qu'elle pouvait fonctionner avec une seule pile pendant plus de 50 ans.

En 1840, Alexander Bain , horloger et fabricant d'instruments écossais, fut le premier à inventer et à breveter une horloge alimentée par le courant électrique. Son brevet d'horloge électrique original est daté du 10 octobre 1840. Le 11 janvier 1841, Alexander Bain et John Barwise, fabricant de chronomètres, déposèrent un autre brevet important décrivant une horloge dans laquelle un pendule électromagnétique et un courant électrique sont utilisés pour faire fonctionner l'horloge au lieu de ressorts ou de poids. Les brevets ultérieurs développèrent ses idées originales.

De nombreuses personnes ont eu l'intention d'inventer l'horloge électrique avec des conceptions électromécaniques et électromagnétiques vers 1840, comme Wheatstone, Steinheil, Hipp, Breguet et Garnier, tant en Europe qu'en Amérique.

Matthäus Hipp , horloger né en Allemagne , est reconnu pour avoir mis au point la production en série d'horloges électriques commercialisables en masse. Hipp ouvre un atelier à Reutlingen , où il développe une horloge électrique appelée Hipp-Toggle, présentée à Berlin lors d'une exposition en 1843. Le Hipp-Toggle est un dispositif fixé à un pendule ou à un balancier qui permet électromécaniquement une impulsion ou un entraînement occasionnel au pendule ou à la roue lorsque son amplitude d'oscillation descend en dessous d'un certain niveau, et est si efficace qu'il a ensuite été utilisé dans les horloges électriques pendant plus de cent ans. Hipp a également inventé un petit moteur et construit le chronoscope et le chronographe enregistreur pour la mesure du temps.

Les premières horloges électriques étaient dotées de pendules proéminents, car leur forme et leur conception étaient familières. Les horloges et montres plus petites dotées d'un balancier spiral sont fabriquées selon les mêmes principes que les horloges à pendule.

En 1918, Henry Ellis Warren a inventé la première horloge électrique synchrone à Ashland, dans le Massachusetts, qui mesurait l'heure à partir des oscillations du réseau électrique. En 1931, la Synclock était la première horloge électrique synchrone commerciale vendue au Royaume-Uni.

Une horloge qui utilise l'électricité sous une forme ou une autre pour alimenter un mécanisme d'horloge conventionnel est une horloge électromécanique. Toute horloge à ressort ou à poids qui utilise l'électricité (CA ou CC) pour remonter le ressort ou augmenter le poids d'une horloge mécanique est alors une horloge électromécanique. Dans les horloges électromécaniques, l'électricité ne sert pas à la mesure du temps. La fonction de mesure du temps est régulée par le pendule. Vers la fin du XIXe siècle, la disponibilité de la pile sèche a rendu pratique l'utilisation de l'énergie électrique dans les horloges. L'utilisation de l'électricité a ensuite conduit à de nombreuses variantes de conceptions d'horloges et de moteurs. Les horloges électromécaniques étaient fabriquées comme des pièces d'horlogerie individuelles, mais le plus souvent utilisées comme parties intégrantes d'installations de synchronisation horaire. L'expérience en télégraphie a conduit à connecter des horloges distantes (horloges esclaves) via des fils à une horloge de contrôle (horloge maîtresse). L'objectif était de créer un système d'horloge où chaque horloge affichait exactement la même heure. Le maître et les esclaves sont des horloges électromécaniques. L' horloge maîtresse possède un mécanisme d'horloge à remontage automatique conventionnel qui est remonté électriquement. Le mécanisme d'horloge asservie n'est pas un mécanisme d'horloge conventionnel car il se compose uniquement d'une roue à rochet et d'un train horaire. Les horloges asservies s'appuient sur les impulsions électriques de l'horloge maîtresse pour déplacer mécaniquement les aiguilles de l'horloge d'une unité de temps. Les systèmes de temps synchronisés sont constitués d'une horloge maîtresse et d'un nombre quelconque d'horloges asservies. Les horloges asservies sont reliées par des fils à l'horloge maîtresse. Ces systèmes se trouvent dans des endroits où plusieurs horloges seraient utilisées, comme les établissements d'enseignement, les entreprises, les usines, les réseaux de transport, les banques, les bureaux et les installations gouvernementales. Un exemple notable de ce type de système est l' horloge Shortt-Synchronome , qui est un exemple de remontoir à gravité électromécanique . Ces systèmes d'horloge à remontage automatique étaient généralement à courant continu basse tension. Ils ont été installés dans les années 1950 et à cette époque, les systèmes avec des horloges à moteur synchrone devenaient le système d'horloge de choix.

La configuration de ce dispositif est relativement simple et fiable. Le courant électrique alimente soit un pendule , soit un oscillateur électromécanique .

Le composant oscillateur électromécanique est doté d'un aimant fixé qui traverse deux inducteurs . Lorsque l'aimant traverse le premier inducteur ou capteur, l' amplificateur simple fait passer le courant à travers le deuxième inducteur, et le deuxième inducteur fonctionne comme un électroaimant , fournissant une impulsion d'énergie à l'oscillateur en mouvement. Cet oscillateur est responsable de la précision de l'horloge. La partie électronique ne générerait pas d'impulsions électriques si l'oscillateur était absent ou ne bougeait pas. La fréquence de résonance de l'oscillateur mécanique doit être de plusieurs fois par seconde.

Une horloge électrique synchrone ne contient pas d'oscillateur de chronométrage tel qu'un pendule ou un balancier, mais compte plutôt les oscillations du courant alternatif provenant de sa prise murale pour garder l'heure. Elle se compose d'un petit moteur synchrone à courant alternatif , qui fait tourner les aiguilles de l'horloge grâce à un train d'engrenages réducteur . Le moteur contient des électroaimants qui créent un champ magnétique rotatif qui fait tourner un rotor en fer . La vitesse de rotation de l'arbre du moteur est synchronisée avec la fréquence du réseau ; 60 cycles par seconde (Hz) en Amérique du Nord et dans certaines parties de l'Amérique du Sud, 50 cycles par seconde dans la plupart des autres pays. Le train d'engrenages met à l'échelle cette rotation de sorte que l'aiguille des minutes tourne une fois par heure. Ainsi, l'horloge synchrone peut être considérée moins comme un chronomètre que comme un compteur mécanique, dont les aiguilles affichent un décompte continu du nombre de cycles de courant alternatif.

L'un des engrenages qui fait tourner les aiguilles de l'horloge possède un arbre avec un raccord à friction coulissant, de sorte que les aiguilles de l'horloge peuvent être tournées manuellement par un bouton situé à l'arrière ou en bas, pour régler l'horloge.

Les horloges à moteur synchrone sont robustes car elles ne possèdent pas de pendule ou de balancier fragile. Cependant, une coupure de courant temporaire arrêtera l'horloge, qui affichera une heure erronée une fois l'alimentation rétablie. Certaines horloges synchrones (par exemple Telechron ) disposent d'un indicateur qui indique si elles se sont arrêtées et redémarrées.

Certaines horloges électriques sont équipées d'un simple moteur synchrone à deux pôles qui tourne à un tour par cycle d'alimentation, soit 3600 tr/min à 60 Hz et 3000 tr/min à 50 Hz. Cependant, la plupart des horloges électriques ont des rotors avec plus de pôles magnétiques (dents), tournant par conséquent à un sous-multiple plus petit de la fréquence de ligne. Cela permet de construire le train d'engrenages qui fait tourner les aiguilles avec moins d'engrenages, ce qui permet d'économiser de l'argent.

La précision des horloges synchrones dépend de la proximité des services publics d'électricité avec la fréquence de leur courant par rapport à la valeur nominale de 50 ou 60 hertz. Bien que les variations de charge des services publics entraînent des fluctuations de fréquence qui peuvent entraîner des erreurs de quelques secondes au cours d'une journée, les services publics ajustent périodiquement la fréquence de leur courant en utilisant l'heure de l'horloge atomique UTC afin que le nombre total de cycles dans une journée donne une fréquence moyenne qui soit exactement la valeur nominale, de sorte que les horloges synchrones n'accumulent pas d'erreur. Par exemple, les services publics européens contrôlent la fréquence de leur réseau une fois par jour pour que le nombre total de cycles sur 24 heures soit correct. Les services publics américains corrigent leur fréquence une fois que l'erreur cumulée a atteint 3 à 10 secondes. Cette correction est connue sous le nom de correction d'erreur temporelle (TEC).

En 2011, la North American Electric Reliability Corporation (NERC), une organisation industrielle fondée sur le consensus, a demandé à la Federal Energy Regulatory Commission (FERC) d'éliminer le TEC. Bien que cela aurait libéré les compagnies d'électricité de la menace d'amendes et aurait également permis une augmentation extrêmement modeste de la stabilité de fréquence, il a également été noté que les horloges synchrones, qui comprennent les horloges murales, les réveils et autres horloges calculant l'heure sur la base de leur puissance électrique, accumuleraient plusieurs minutes d'erreur entre les réinitialisations semestrielles pour l'heure d'été . Cette conséquence a été rapportée dans les médias américains et l'initiative a été abandonnée. Cependant, fin 2016, une proposition similaire a de nouveau été déposée par la NERC auprès de la FERC, qui a été approuvée deux mois plus tard. Cela dépend de la suppression de la norme WEQ-006, et la NERC a également demandé au North American Energy Standard Board (NAESB), une organisation non gouvernementale à vocation commerciale, de supprimer cette norme. Si la FERC adopte la pétition du NAESB, les TEC ne seront plus utilisés aux États-Unis et au Canada, et les horloges chronométrées par eux erreront probablement de manière incontrôlée jusqu'à ce qu'elles soient réinitialisées manuellement, mais en 2021, la norme WEQ-006 était toujours en vigueur. Il a été noté dans un document technique rédigé par des employés du National Institute of Standards and Technology et de l' US Naval Observatory que, si les TEC n'avaient pas été insérés en 2016, les horloges chronométrées électriquement auraient perdu plus de sept minutes sur une grande partie des États-Unis et du Canada, comme le montre la figure 8 de leur document.

Les premières horloges synchrones des années 1930 n'étaient pas à démarrage automatique et devaient être démarrées en tournant un bouton de démarrage à l'arrière. Un défaut dans la conception de ces horloges à démarrage rotatif était que le moteur pouvait être démarré dans les deux sens, donc si le bouton de démarrage était tourné dans le mauvais sens, l'horloge fonctionnait à l'envers, les aiguilles tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Les horloges à démarrage manuel ultérieures étaient équipées de cliquets ou d'autres liaisons qui empêchaient le démarrage à l'envers. L'invention du moteur à pôles ombrés a permis de fabriquer des horloges à démarrage automatique, mais comme l'horloge redémarrait ensuite après une panne de courant, elle donnait une heure incorrecte au lieu d'être arrêtée au moment de la coupure de courant.