<Direto ao Ponto 30> Componentes eletrônicos analógicos

#Informática Básica

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Olá, dev!

Este é mais um artigo da série DIRETO AO PONTO, que eu estou escrevendo para a DIO. Ele vai tratar de componentes analógicos usados em computadores e outros equipamentos digitais.

Sumário

1. Introdução

2. Os componentes analógicos básicos

3. Circuitos analógicos comuns usados nos computadores

4. Considerações finais

5. Referências

1 – Introdução

A série DIRETO AO PONTO enfoca artigos sobre conhecimentos básicos da programação e é voltada, principalmente, para os iniciantes.

Um computador é construído por:

· circuitos digitais básicos (portas lógicas OR, AND, NOT, XOR, NAND e NOR);

· outros circuitos combinacionais (multiplexadores, demultiplexadores, codificadores e decodificadores);

· circuitos sequenciais (flip-flops, registradores, memórias);

· componentes analógicos (resistores, capacitores, transistores e outros).

Neste artigo vamos tratar apenas dos componentes analógicos e dos circuitos em que eles são usados nos computadores. Os dois primeiros tópicos já foram temas de artigos anteriores. O terceiro ponto será tema do artigo seguinte.

2 – Os componentes analógicos básicos

Todo circuito eletrônico se baseia na movimentação da corrente elétrica, que passa por diversos componentes, para gerar ações de várias formas. Estas ações podem ser calor, som, luz, movimentos etc.

As grandezas básicas presentes em um circuito eletrônico são a tensão e a corrente.

Uma das diferenças entre um circuito elétrico e um eletrônico é o nível das tensões envolvidas, pois em um circuito eletrônico, as tensões comuns vão até 30 V em corrente contínua, ou 220 V de corrente alternada, da tomada, enquanto em um circuito elétrico elas podem chegar a milhares de Volts.

Já a diferença entre um circuito analógico e um circuito digital é a forma de representação dos sinais de tensão. O circuito analógico usa grandezas contínuas, podendo assumir uma quantidade de valores infinita; no digital, os sinais são representados por um número finito de valores. No caso de sistema digital binário, os valores são limitados às tensões 0 e 5 V (ou níveis lógicos 0 e 1).

Os níveis lógicos 0 e 1 podem representar apenas dois valores de tensão, em geral, 0 V para o valor lógico 0 (zero) e 5 V parta o valor lógico 1. Na verdade, existe uma tolerância para estes valores, permitindo tensões dentro de uma faixa pequena de valores, acima de 0 V, para o nível lógico 0 e abaixo de 5V, para nível lógico 1.

A tensão é medida em Volt (símbolo V), sendo seus valores mais comuns na eletrônica medidos em Volt e milivolt (mV), que representa 0,001 V (ou 10^-3 V).

Já a corrente é medida em Ampére (símbolo A), sendo seus valores mais comuns medidos em A e miliampére (mA) (0,001 A ou 10^-3 A).

Basicamente, um circuito eletrônico é composto de uma fonte de tensão (pilha, bateria. tomada etc.), que pode gerar uma corrente de elétrons, fios, por onde circulam as correntes, e componentes, que geram as funções necessárias à aplicação desejada. (ver figura a seguir)

A corrente é formada pela circulação dos elétrons do polo negativo (com excesso de elétrons) para o polo positivo (com falta de elétrons) da fonte de alimentação, mas, por questões históricas, as análises técnicas consideram que a corrente circula no sentido inverso, saindo do polo positivo em direção ao polo negativo.

Para que haja corrente em um circuito, ele precisa formar um percurso fechado, senão, fica aberto e não circula corrente, embora possa haver tensão nos seus terminais, neste caso.

Vários componentes ligados em série (enfileirados no fio), percorridos pela mesma corrente, dividem a tensão aplicada em seus terminais, sendo a soma das tensões individuais igual à tensão da fonte.

Já vários componentes ligados em paralelo (ligados aos mesmos terminais), submetidos à mesma tensão, dividem a corrente que chega em seus terminais, sendo a soma das correntes individuais igual à corrente entre os terminais.

Segundo TORRES [1], os principais componentes usados em circuitos eletrônicos de sistemas computacionais são os seguintes:

RESISTOR

É o componente mais comum na eletrônica. A sua função é oferecer resistência à passagem da corrente, em geral com o objetivo de deixá-la em um valor prático, impedindo que alcance um valor muito alto, ou em um valor específico de tensão, necessário para usar em alguma parte do circuito. O efeito secundário principal é o seu aquecimento.

A unidade de medida é o Ohm, representado pela letra grega Ômega, maiúscula (W). Os valores mais comuns são o Ohm, kW (quilo-ohm), valendo 1000 ohms e mega-ohm (MW), que vale 1000000 (10⁶ W).

CAPACITOR

É um componente que armazena carga, como se fosse uma bateria. Ele é composto por duas placas metálicas paralelas. Quando estas placas são alimentadas por uma fonte de alimentação, elas se carregam com uma carga de mesmo valor, com sinais opostos. Quando a fonte é retirada, as cargas permanecem e o capacitor fica armazenando esta carga.

Em circuitos de corrente contínua, um capacitor funciona como um circuito aberto, não deixando a corrente passar. Já em circuitos de corrente alternada, um capacitor deixa passar corrente.

As aplicações mais comuns do capacitor são os filtros, circuitos osciladores e de sintonia, principalmente quando usam uma combinação com resistores e/ou indutores (circuitos RC e RLC).

A unidade de medida de capacitância é o Farad, representado por F. Os valores mais comuns são mF (microfarad), valendo 0,000001 Farad (10^-6 F) e pF (picofarad), valendo 10^-9 F).

INDUTOR

Ele também é chamado de bobina e consiste em um fio enrolado em um núcleo, que pode ser o próprio ar ou um núcleo eletromagnético, como o ferro, ferrite, etc.

Ao ser percorrido por uma corrente, ela induz (gera) um campo magnético na direção do núcleo.

Basicamente, um indutor funciona como um capacitor, armazenando carga. Seu comportamento é inverso ao do capacitor, pois em circuitos de corrente contínua, um indutor funciona como um circuito aberto, não deixando a corrente passar. Já em circuitos de corrente alternada, um indutor deixa passar corrente.

As aplicações mais comuns do indutor são os filtros e armazenamento de energia, principalmente, em fontes de alimentação chaveadas. Eles são muito usados em transformadores de tensão.

A unidade de medida é o Henry, representado por H.

Os valores mais comuns são mH (milihenry), valendo 0,001 Henry (10^-3 H) e mH (microhenry), valendo 0,001 Henry (10^-6 H).

DIODO

Um diodo é um componente que permite a passagem da corrente apenas em um sentido, bloqueando-a no sentido oposto, dependendo da polaridade da tensão aplicada nele.

Portanto, ele é um componente polarizado. Assim, ele pode ser visto como condutor ou como isolante, por isso, é chamado de semicondutor.

Existem vários tipos de diodo, o mais comum sendo chamado de diodo de junção, ou diodo de sinal. Outros tipos comuns são o conhecido LED, ou diodo emissor de luz, os displays de 7 segmentos, diodo Zener, diodo Schottky, o varicap etc.

As aplicações mais comuns para os diodos são:

· Circuito retificador, que converte corrente alternada em corrente contínua;

· Geração de queda de tensão forçada (de 0,7 V);

· Proteção contra descarga de bobinas.

TRANSISTOR

O transistor foi o componente que substituiu as antigas válvulas nos circuitos eletrônicos. Ele transformou radicalmente os grandes equipamentos antigos que usavam válvulas, como TVs, rádios e computadores, em outros muito menores, com melhor desempenho, mais confiáveis, com consumo muito menor e mais baratos.

Como o diodo, o transistor também é um semicondutor. Ele é construído por 3 pedaços de material semicondutor, do tipo P (com falta de elétrons) ou N (com excesso de elétrons). Sendo assim, podemos ter 2 tipos de construções básicas, um PNP e outro NPN.

Ao invés de 2 terminais, como o diodo, o transistor conta com 3: emissor, base e coletor. As configurações podem ser 3: emissor comum, base comum e coletor comum. É preciso polarizar os terminais do transistor com determinadas tensões para que ele funcione a contento, ligando resistores adequados aos seus terminais.

As aplicações mais comuns são:

· amplificador (de corrente ou de tensão);

· chave;

· regulador de tensão.

No caso de amplificador, para uma onda injetada na entrada do circuito, a saída será uma onda semelhante, com amplitude maior, muito usado em amplificadores de sinais de áudio.

Para funcionar como chave, o transistor trabalha em 2 zonas de corte e saturação, podendo controlar circuitos de corrente contínua. Assim, ele também pode fornecer tensões ou correntes maiores do que o normal, por exemplo, para acionar um circuito com 12V, acima dos 5V comuns em circuitos digitais.

Como regulador de tensão, ele pode ser usado em conjunto com um diodo Zener, amplificando a corrente máxima que o diodo pode fornecer, muito usado em fontes de alimentação, por exemplo.

Existem outros tipos de transistores, mais especializados, com algumas diferenças básicas deste modelo simples, para aplicações específicas. São eles: transistor Darlington, de efeito de campo (FET), MOSFET, fototransistor e transistor unijunção.

CIRCUITO INTEGRADO (“CHIP”)

Um circuito integrado (CI) também é um semicondutor, pois ele é fabricado internamente com transistores.

Além dos CIs digitais (como contadores, flip-flops, registradores, memórias), existem os analógicos (ou lineares), que serão tratados aqui. Os mais comuns são os amplificadores, osciladores e os reguladores de tensão.

Dentre os CIs amplificadores, os mais comuns e mais usados são os amplificadores operacionais. Basicamente, eles são usados para a amplificação de tensão, com um ganho muito alto.

Este componente tem 2 entradas para o sinal, uma delas inversora (que inverte a fase do sinal de entrada) e 2 entradas para alimentação de tensão contínua. As tensões de alimentação limitam a saída do circuito, tanto no valor superior quanto no inferior.

As aplicações mais comuns deste CI são de amplificador não inversor, amplificador inversor, seguidor de sinal e somador, sendo o mais conhecido o CI 741.

Outro tipo de CI muito usado é o temporizador (ou multivibrador), que gera um sinal com duração determinada, podendo ser uma onda quadrada de frequência fixa (multivibrador astável) ou apenas um pulso isolado (multivibrador monoestável).

O CI temporizador mais famoso é o 555.

Um CI regulador de tensão transforma, em corrente contínua, uma tensão em outra mais baixa.

Os mais comuns são os 7805 (que regula a tensão em +5V), 7812 (regula em +12V), 7905 (regula em -5V), 7912 (regula em -12V).

CHAVE

Uma chave comum é usada para fechar um circuito ou abri-lo. Existem vários tipos, os mais simples são: interruptor simples (1 polo, 1 posição), “push button” (chave tipo botão), chave de 1 polo e 2 posições, chave rotatória, reelé etc.

LED

Um LED (“Light Emitting Diode”) é um diodo que acende uma luz, que pode ser colorida.

Finalizando a parte de componentes, segue uma figura com um resumo dos símbolos usados para representar os componentes mais comuns usados em circuitos eletrônicos, que apareceram nos circuitos mostrados neste artigo.

3 – Circuitos analógicos básicos usados nos computadores

Segundo TORRES [1], os circuitos analógicos mais comuns usados na eletrônica (também nos computadores) são os seguintes:

· Fonte de alimentação;

· Multiplicadores de tensão;

· Filtros;

· Conversores A/D e D/A;

FONTE DE ALIMENTAÇÃO

Uma fonte de alimentação é um circuito que recebe de entrada a tensão alternada da rede (110V ou 220V) e a converte para tensão contínua, na tensão que o equipamento a ser ligado precisa, em geral, 5V ou 12V.

A fonte chaveada (com chaveamento em alta frequência) está presente em praticamente todos os computadores atuais. Ela tem uma construção complexa, usando muitos componentes, é bem leve e tem uma eficiência muito alta. A eficiência mede o quanto da potência de entrada é realmente aproveitada na saída, com a diferença entre elas chamadas de perdas.

Basicamente, o funcionamento deste tipo de fonte se dá pela transformação da onda senoidal da entrada para uma onda quadrada, depois transformada em onda contínua, passa por redução da tensão de entrada, finalmente pela eliminação de ruídos e oscilações, por filtros adequados.

Para isso, são usados transistores, capacitores e bobinas, além de outros componentes básicos, como resistores. A figura a seguir mostra PARTE do circuito de uma fonte chaveada.

MULTIPLICADORES DE TENSÃO

São circuitos muito utilizados na eletrônica, inclusive nos circuitos internos de uma fonte chaveada. Eles servem para multiplicar uma tensão de entrada por 2, 3, 4, etc. Na saída, ele ainda entrega o sinal retificado e filtrado, entregando uma tensão contínua, mas não regulada (sem oscilações).

Os tipos mais comuns são os dobradores e triplicadores de tensão. Multiplicadores com fatores maiores que estes podem ser obtidos com uma ligação de circuitos multiplicadores mais simples em sequência.

FILTROS

Este tipo de circuito é muito importante para a eletrônica, sendo usado em vários tipos de aplicações, inclusive numa fonte de chaveada. Eles podem ser filtros passivos, como aqueles usados em caixas se som, implementados por bobinas e capacitores, ou ativos, que recebem alimentação elétrica, implementados por amplificadores operacionais.

Os filtros são usados basicamente para deixar passar sinais de determinadas frequências, enquanto bloqueiam as demais.

Os tipos mais comuns são:

· Filtro Passa Baixa – deixa passar apenas as frequências abaixo de uma determinada frequência, bloqueando as demais;

· Filtro Passa Alta – deixa passar apenas as frequências acima de uma determinada frequência;

· Filtro Passa Faixa – deixa passar apenas as frequências acima de uma determinada frequência e abaixo de outra frequência especificada;

· Filtro Rejeita Faixa – deixa passar apenas as frequências abaixo de uma determinada frequência e acima de outra especificada, bloqueando os sinais entre estas duas frequências;

Um filtro pode ser passivo ou ativo. Um filtro passivo não usa componentes com alimentação elétrica para realizar a filtragem e geralmente são implementados com capacitores e indutores (ver figura).

Já os filtros ativos possuem componentes com alimentação elétrica, como amplificadores operacionais. Eles são mais precisos e são mais fáceis de calcular e de reconfigurar (ver figura).

CONVERSORES A/D E D/A

Segundo DIAGO [2], a eletrônica trabalha com sinais analógicos, de fontes como a tensão da rede (tomada), sensores de IOT, periféricos (como mouse, teclado, modens e monitores antigos), e digitais de fontes como monitores modernos, entradas USB, HDMI, etc

Muitas vezes, é preciso converter um sinal de um tipo para o outro. Estas conversões são realizadas por circuitos de conversores A/D (Analógico para Digital) e D/A (Digital para Analógico).

Ao receber sinais analógicos, um circuito digital precisa converter o sinal para a forma digital. Isso é feito usando amostragem da amplitude do sinal para representá-lo por alguns níveis finitos discretos, por exemplo, 8 níveis. Assim, um sinal de 7 V poderia ser representado pelos níveis 0, 1, ... 6 e 7.

Isso é feito por um conversor A/D (Analógico para Digital). Ele recebe um sinal analógico e o converte para digital, em binário no caso dos computadores.

A técnica mais comum para realizar essa conversão é usar CIs comparadores de tensão, com resistores e saída por flip-flops (componente digital sequencial), sendo o número de comparadores igual ao número de bits desejado (ver figura abaixo).

Para cada bit adicional da saída digital, será acrescentado um novo comparador de tensão e um flip-flop.

A conversão inversa, de um sinal digital para um analógico, é feita por um conversor D/A (Digital para Analógico).

Em geral, a técnica mais comum para realizar essa conversão usa resistores de peso binário (1, 2, 3 e 4), aqui usados com chaves, com saída amplificada por um amplificador operacional (ver figura abaixo).

Em lugar das chaves físicas (usadas aqui como didática), como mostrado na figura, são usados circuitos integrados contadores (de 0-10) para a conversão.

A conexão de mouse e teclado por conector USB é um exemplo de conversão A/D, pois eles entregam sinais analógicos e o sinal USB é digital. Da mesma forma se faz com os sensores de temperatura, por exemplo.

4 – Considerações finais

Este é mais um artigo da série DIRETO AO PONTO, que eu estou escrevendo para a DIO.

Desta vez, foram apresentados os principais componentes eletrônicos analógicos e os circuitos mais comuns usados em computadores digitais.

Os componentes mais comuns são os resistores, capacitores, indutores, diodos, transistores, chaves e LEDs.

Os circuitos mais comuns são asa fontes de alimentação, os filtros, os multiplicadores de tensão e os conversores A/D e D/A.

No próximo artigo, serão tratados os circuitos digitais sequenciais, importantíssimos para as memórias dos computadores e processamento da CPU.

5 – Referências

[1] Gabriel TORRES. Eletrônica, 2ª Edição, Clube do Hardware, 2019.

[2] Ronaldo DIAGO, Valder Moreira AMARAL., Eletrônica – Eletrônica Digital, Centro Paula Souza, 2011.

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