1. Eletroeletrônica 1.1. Introdução Os computadores e seus periféricos, bem como todos os equipamentos de informática, são aparelhos eletrônicos. Podemos dizer, mais precisamente, que os computadores são aparelhos eletrônicos digitais. Vamos então, neste momento, entender alguns conceitos de eletroeletrônica, que nos serão muito importantes para o entendimento da arquitetura e dos componentes de um computador. 1.2. Fundamentos de Eletricidade Devemos lembrar que os fenômenos elétricos estão sempre ligados à movimentação de elétrons entre os átomos de um material. Os átomos, normalmente, são eletricamente neutros, ou seja, têm o mesmo número de partículas negativas (elétrons) e positivas (prótons). Porém, os elétrons ficam na parte mais externa do átomo, e podem saltar de um átomo para outro. Quando um átomo ganha ou perde elétrons, ele adquire carga positiva (quando perde elétrons) ou carga negativa (quando ganha elétrons). Elétrons Núcleo Prótons Figura 1. Átomo Analisando então o estado dos átomos que formam um corpo, podemos dizer que o corpo está eletricamente neutro, ou carregado negativamente, ou carregado positivamente. A intensidade com que um corpo está carregado é chamada de potencial elétrico do corpo. Quando temos uma diferença de potencial elétrico entre dois pontos, existe uma tendência natural de os elétrons moverem-se do ponto de potencial negativo (que tem mais elétrons) para o ponto de potencial positivo (que tem menos elétrons), até que os dois pontos fiquem com o mesmo potencial. Assim, quanto maior a diferença de potencial entre dois pontos, maior será a tendência dos elétrons movimentarem-se de um para o outro, buscando o equilíbrio. A diferença de potencial entre dois corpos é chamada de tensão elétrica. Porém, para os elétrons movimentarem-se entre os pontos, é preciso haver um caminho que os interligue. E esse caminho deve ser constituído de um material que permita a circulação dos elétrons. 1
Ou seja, o material entre esses pontos deve permitir a circulação de elétrons. Quanto maior a dificuldade enfrentada pelos elétrons para fluírem por um material, maior é a resistência elétrica do material. Podemos definir então materiais isolantes e condutores de eletricidade, ou seja, materiais que facilitam ou não facilitam o fluxo de elétrons. Materiais Isolantes: (resistência alta) Materiais Condutores: (resistência baixa) - Não facilitam o fluxo de elétrons. - Exemplos: plástico, madeira, vidro, papel, ar. - Facilitam o fluxo de elétrons. - Exemplos: cobre, ferro, prata, ouro. Existindo tensão elétrica entre dois pontos, e um caminho de baixa resistência unindo-os, haverá um fluxo de elétrons. A esse fluxo de elétrons dá-se o nome de corrente elétrica. Vimos, então, que os fenômenos elétricos podem ser descritos através de três grandezas fundamentais, que estão intimamente relacionadas. São elas: Tensão: é a medida da força que impulsiona os elétrons para que eles se movimentem. A tensão entre dois pontos é a diferença de potencial elétrico entre eles (ddp), que fará com que haja o fluxo dos elétrons (corrente). O símbolo da grandeza Tensão Elétrica é a letra U. A unidade de medida da tensão é o Volt [V]. Resistência: é a medida de quanto um material resiste ao fluxo de elétrons. Sendo assim, podemos dizer que: materiais condutores têm resistência baixa e materiais isolantes têm resistência alta. O símbolo da grandeza Resistência Elétrica é a letra R. A unidade de medida da resistência é o Ohm [ ]. Corrente: é a medida da intensidade do fluxo de elétrons. Podemos imaginar que a corrente elétrica é proporcional à quantidade de elétrons que passam por um determinado ponto, num determinado intervalo de tempo. O símbolo da grandeza Corrente Elétrica é a letra I. A unidade de medida da corrente é o Ampère [A]. Potência: é a medida de energia utilizada. Pode ser expressa de duas maneiras: como potência dissipada, ou como energia consumida. A potência dissipada refere-se à potência que determinado circuito elétrico irá dissipar, de acordo com o valor de corrente, tensão e resistência elétrica. Seu símbolo é P e a unidade de medida é o Watt [W]. A energia consumida leva em consideração a potência dissipada no decorrer do tempo. É geralmente medida em KWh (lê-se KiloWatts por Hora, que significa milhares de watts dissipados por hora). A relação entre todas essas grandezas pode ser dada pelas seguintes fórmulas, de acordo com as leis de Ohm: U = R x I P = U x I E = P x t Onde: U = tensão elétrica, em volts. R = resistência elétrica, em ohms. I = corrente elétrica, em ampère. P = potência dissipada, em watts. E = energia consumida, em J (joule) ou KWh. t = variação de tempo, em hora (ou segundos). 2
1.3. Circuitos Elétricos Os circuitos elétricos e eletrônicos são compostos por uma série de componentes que, graças à circulação de corrente através deles, podem ter diversos comportamentos, exercendo diversas funções. Um circuito elétrico, por definição, sempre terá três componentes básicos: Gerador (ou fonte) de Tensão: é o dispositivo que fornece a tensão que fará com que haja circulação de corrente. Ele sempre tem dois pólos (positivo e negativo). A tensão produzida por um gerador é a ddp entre seus pólos. Ele trabalha convertendo outras formas de energia em energia elétrica (ddp). Exemplos: pilhas e baterias (energia química); usinas hidrelétricas e alternador do carro (energia mecânica); fotocélulas de calculadora à luz solar (energia luminosa). Conexões: é o caminho que deve haver para que os elétrons saiam de um pólo do gerador de tensão, fluam pelos componentes do circuito e cheguem ao outro pólo. Deve ser um material de resistência muito baixa (o caminho ideal deveria ter resistência nula, mas isto é praticamente impossível). Exemplos: cabos das linhas de alta tensão; cabo de força de um microcomputador; trilhas de cobre em uma placa de circuito impresso. Carga: é o componente ou conjunto de componentes que, quando alimentados por uma corrente elétrica, exercerão alguma função predeterminada. Exemplos: lâmpada; motor; alto-falante; U + - I R Figura 2. Circuito Elétrico 3
1.4. Eletricidade Estática Eletricidade estática é o acúmulo de cargas positivas ou negativas em um corpo, sem que haja um caminho por onde possam fluir elétrons para outros pontos. Diz-se que este corpo fica eletrizado já que não há circulação de corrente elétrica. Esse fenômeno pode ser produzido de três maneiras: Indução: quando um corpo já eletrizado ou carregado de eletricidade estática é colocado próximo de outro, ainda eletricamente neutro. Dependendo da carga acumulada no primeiro objeto e da distância entre eles, o segundo objeto adquire cargas elétricas; Contato: quando um corpo carregado de eletricidade estática é colocado em contato com outro, ainda descarregado. Cria-se um caminho para troca de cargas entre eles e, se a carga acumulada no primeiro objeto for suficientemente grande, ambos os objetos terminam por ficar carregados; Atrito: semelhante à eletrização por contato, mas provoca um efeito muito mais intenso, pois os dois corpos (o eletrizado e o não eletrizado) são colocados em contato e movimentados. Por isso, o corpo eletrizado passa suas cargas para o não eletrizado em quantidades e velocidades muito maiores do que nos métodos anteriores. Quando temos entre dois corpos, eletricamente carregados, uma ddp muito alta, os elétrons podem vencer a resistência do ar, saltando de um ponto ao outro. Nesse tipo de circuito, a diferença de potencial eletrostático entre dois pontos faz o papel de gerador, e o ar faz o papel de caminho e/ou carga. Isso é chamado de descarga eletrostática (ESD). Um bom exemplo de descarga eletrostática é um relâmpago. Numa tempestade, as nuvens ficam muito carregadas e o solo tem potencial nulo. Quando a diferença de potencial entre uma nuvem e solo atinge um determinado patamar, ocorre uma descarga eletrostática, ou seja, os elétrons fluem através do ar, neutralizando a ddp que existia. Outro tipo de descarga, de dimensões muito menores, é a que pode ocorrer quando uma pessoa está carregada e toca um objeto metálico. Uma pessoa pode ficar carregada devido ao atrito com certos materiais como carpete e roupas de lã. Esse fenômeno ocorre mais ainda em ambientes de ar muito seco. Apesar de inofensivas para as pessoas, essas descargas podem facilmente danificar equipamentos eletrônicos. Portanto, devemos ter o cuidado de sempre evitar tocar as partes metálicas das placas de circuito impresso. Uma medida muito importante é descarregarmos a eletricidade estática acumulada, antes de manusear equipamentos. Podemos fazer isso tocando uma peça metálica grande, como uma janela, grade ou ainda o gabinete metálico do computador, que tenha potencial nulo. Podemos ainda, utilizar uma pulseira antiestática. Essa pulseira possui um fio que deve ser ligado a um fio terra, eliminando assim qualquer carga elétrica do corpo. 1.5. Corrente Alternada x Corrente Contínua Os geradores de tensão dividem-se em dois grandes tipos: corrente contínua (CC), como as pilhas, por exemplo, e corrente alternada (CA), que é o caso de todos os geradores mecânicos. De acordo com o gerador utilizado, podemos ter um circuito CC ou CA. A diferença entre eles é que num circuito CC, a corrente flui sempre no mesmo sentido, havendo de forma bem definida um pólo positivo e um pólo negativo. Num circuito AC, o sentido da corrente alterna-se periodicamente, não havendo polaridade definida. Conforme a periodicidade das variações de polaridade, teremos uma freqüência maior ou menor. A corrente alternada fornecida pelas companhias distribuidoras de energia elétrica tem uma forma de onda senoidal. 4
I I t t Corrente Contínua Corrente Alternada Figura 3. Corrente Contínua (CC) e Corrente Alternada (CA) Freqüência é uma grandeza que só faz sentido em circuitos CA. Quanto maior a freqüência, mais curto são os ciclos ou períodos formados de um semiciclo positivo e um semiciclo negativo. A freqüência é medida em Hertz [Hz] o que indica a quantidade de ciclos por segundo. Um equipamento elétrico alimentado por pilhas ou bateria é um equipamento CC. Porém, a energia fornecida pelas empresas distribuidoras é CA, portanto, os equipamentos que ligamos à tomada, podem ser de dois tipos: ou eles são CA, e usam diretamente a energia recebida (como liquidificadores, condicionadores de ar, etc.) ou eles são CC e precisam de um conversor AC/DC (TVs e computadores, por exemplo). Os microcomputadores são equipamentos CC, portanto, eles precisam de um conversor. É comum chamarmos de fonte o conversor CA/CC dos micros. Como veremos mais adiante, as fontes dos microcomputadores, normalmente convertem tensões de 110V a 220V CA em tensões de 5V e 12V CC. 1.6. Problemas de Alimentação CA Como vimos, a energia que recebemos das empresas distribuidoras no Brasil é CA, e tem tensão de 110V (127V em instalações trifásicas mais comuns em indústrias) ou 220V numa freqüência de 60 Hz (60 ciclos por segundo). Para alimentar os microcomputadores, e equipamentos de informática em geral, são necessárias fontes, que além de diminuírem o nível da tensão, são conversores CA/CC. Porém, podem ocorrer diversos problemas na rede de energia, que podem danificar as fontes e os próprios equipamentos de informática ou impedir seu correto funcionamento. São eles: Falta de energia: a falta de força ainda é comum hoje em dia, mas sua ocorrência é cada vez menor. Acontece devido a problemas graves nas redes de distribuição. Quando acaba a força repentinamente, podemos perder dados. Em empresas informatizadas, a falta de energia pode causar prejuízos inestimáveis. Queda momentânea: devido a problemas na rede de distribuição, podem ocorrer pequenas quedas de energia, que duram menos que um ciclo. Apesar de quase imperceptíveis para as pessoas, podem causar graves problemas em HDs, podendo haver perda de dados de arquivos. Subtenção: são quedas no nível de tensão da rede com duração superior a um ciclo. Algumas vezes a duração é tão longa que se torna perceptível para um observador humano (luzes que enfraquecem, ruído diferente num motor, etc.). A subtensão, muitas vezes, ocorre pelo mau dimensionamento da fiação elétrica interna. Pode causar perda de dados na memória e distorções no monitor. 5
Picos de Tensão: os picos de tensão são causados pela queda de raios nas proximidades das linhas de transmissão ou pela ativação de certos aparelhos de grande potência localizados em indústrias próximas. Um pico de tensão pode atingir mais de 1000 Volts, queimando fontes, placas, HDs, e tudo mais que estiver conectado eletricamente. Sobretensão: a sobretensão, que ocorre por problemas da empresa distribuidora, é um aumento nos níveis da tensão na rede elétrica com duração superior a um ciclo. Muito perigosa, quase sempre provoca queima de equipamentos. Se muito longa, pode ser notada no aumento de luminosidade de lâmpadas. Ruídos e Oscilações: são variações na forma da onda fornecida. Acontecem devido à presença de certos dispositivos como motores, lâmpadas fluorescentes e aparelhos de ar-condicionado que, ao serem ligados, causam interferências na rede de alimentação. Causam oscilações nas telas de monitores, e podem fazer o computador 'se perder' e travar. Para proteger os equipamentos desses problemas, utilizamos alguns dispositivos de proteção. São eles: Filtro de Linha: é o dispositivo mais barato e mais comum. Eficiente no caso de picos de tensão, quedas momentâneas e ruídos. Porém, a proteção obtida com um filtro de linha, não é muito melhor do que a garantida pela própria fonte dos microcomputadores atuais. Estabilizador: é também muito comum, e tem um custo um pouco maior que o filtro de linha. Um bom estabilizador pode evitar muitos aborrecimentos com problemas de energia. Ele tem um circuito que compensa variações de energia da rede, fornecendo uma saída estável mesmo na ocorrência de quedas momentâneas, picos de tensão, sobre e subtensão e ruídos. Os bons estabilizadores, já têm internamente todos os componentes de um filtro de linha. Figura 4. Filtro de Linha Figura 5. Estabilizador No-breaks: são equipamentos mais caros, mas só eles é que resolvem o problema da queda de força além dos já solucionados pelo uso de estabilizadores. Utilizam baterias que fornecem energia quando a rede externa falha, e recarregam-se quando a rede externa está operando. Devemos lembrar que as baterias só trabalham com tensão CC. Portanto, é necessário um conversor CA/CC (circuito retificador) para carregar as baterias, e um conversor CC/CA (circuito inversor) para utilizar a energia das baterias a fim de alimentar equipamentos. Todo no-break tem um circuito estabilizador na saída, dispensando o uso de outros dispositivos. Os no-breaks dividem-se em dois tipos: No-break off-line: é o tipo mais comum de no-break. Ele tem um circuito chaveador com sensor que detecta a falta de energia na rede, e aciona as baterias. Assim, as baterias só serão utilizadas quando for realmente necessário. 6
Rede Externa Circuito de Chaveamento Retificador Inversor Alimentação dos Equipamentos Baterias Figura 6. Diagrama de um no-break off-line. No-break on-line: é o dispositivo de proteção mais caro e o mais eficiente. A rede externa fica ligada às baterias, e as baterias alimentam os equipamentos internos o tempo todo. Com esse tipo de no-break, o tipo de energia CA fornecido é muito bom, pois depende exclusivamente do circuito inversor do no-break. Rede Externa Retificador Bateria Inversor Alimentação dos Equipamentos Figura 7. Diagrama de um no-break on-line. 1.7. Multímetro O multímetro é um aparelho que executa medições de diversas grandezas elétricas. Ele incorpora em si três medidores e, através de uma chave seletora, podemos escolher como o multímetro vai trabalhar. Assim o multímetro pode ser: voltímetro: instrumento utilizado para medir tensão elétrica (CC e CA); amperímetro: instrumento utilizado para medir corrente elétrica (CC e CA); ohmímetro: instrumento utilizado para medir resistência elétrica. 7
Figura 8. Multímetro Para medir tensão elétrica devemos colocar o multímetro para trabalhar como um voltímetro. Devemos ajustar a escala do multímetro de acordo com o valor de tensão que se deseja medir. Para isso, utilizamos a chave seletora. Quando vamos medir a tensão elétrica de um componente, na verdade, estamos medindo a diferença de potencial que existe entre os seus terminais. Portanto, para medir a tensão elétrica (ou diferença de potencial) de um determinado componente, devemos colocar cada ponta em um dos seus terminais. Por medida de segurança, devemos selecionar sempre a escala mais alta e ir diminuindo a escala, através da chave seletora, até que um valor de tensão seja facilmente lido. + - 1.5 v R A V Figura 9. Medição de Tensão Para medir corrente elétrica devemos colocar o multímetro para trabalhar como um amperímetro. Devemos ajustar a escala do multímetro de acordo com o valor de corrente que se deseja medir. Imagine um higrômetro - aparelho com que se mede a quantidade de água consumida nas residências. Para medir o consumo de água, toda a água da residência deve passar pelo higrômetro. Se houver uma tubulação por onde a água possa passar sem passar pelo higrômetro, a leitura do consumo de água não estará correta. 8
Quando utilizamos um amperímetro, fazemos a mesma coisa. Ou seja, fazemos a corrente elétrica passar pelo amperímetro. Para medir a corrente elétrica de um componente devemos desconectar um dos seus terminais e utilizar o amperímetro para fazer essa ligação. Por medida de segurança, também aqui devemos selecionar sempre a escala mais alta e ir diminuindo a escala, através da chave seletora, até que um valor de corrente elétrica seja facilmente lido. + - 0.5 A A R V Figura 10. Medição de Corrente Para medir a resistência de um componente devemos ajustar o multímetro para medir resistência (ohmímetro - ). Para medir a resistência de um componente, ele não deve estar ligado em nenhum circuito, porque os outros componentes do circuito irão alterar o valor da medição. Portanto, o componente deve ser retirado do circuito para fazer a medição da sua resistência. A 0.8 R V Figura 11. Medição de Resistência 1.8. Aterramento O que é o Aterramento? Quando pensamos em aterramento, logo pensamos na palavra terra e é exatamente esta idéia. O fio terra de segurança (como também é chamado) visa a proteger os usuários de equipamentos eletroeletrônicos contra descargas e choques elétricos, que em muitos casos pode ser fatal. A idéia da terra vem de que o aterramento é criado enterrando-se uma haste metálica (de cobre) no solo, para que a corrente elétrica seja desviada, não causando riscos aos usuários. Essa corrente é desviada para a terra (e não para o corpo humano), pois a terra tem uma massa muito 9
maior. Com uma massa maior, a quantidade de cargas que a Terra possui é muito menor, tendo assim a "preferência" dos elétrons (cargas) para que tenhamos um equilíbrio de cargas entre os dois corpos (Terra e homem). É interessante que todas as tomadas elétricas tenham o seu fio terra, mas isso nem sempre acontece. Nestes casos o aparelho elétrico deve prever uma entrada para esse terra de segurança normalmente colocada no chassi do equipamento. Caso a tomada seja preparada com o fio terra (tomada de 3 pinos) não é necessária a utilização desse aterramento externo. Em informática, todos as tomadas em que os PCs são ligados tem 3 pinos onde 1 deles é o terra. Veja figura abaixo. Conexão de fio negativo ou neutro Conexão de fio positivo N T F Conexão de fio terra de segurança Figura 12. Tomada de três pinos A função do Aterramento Como dito anteriormente, a principal função do fio terra é evitar danos aos usuários de equipamentos elétricos. Ele faz isso fornecendo um caminho de baixa resistência para os elétrons fluírem. Como os elétrons sempre seguirão o caminho "mais fácil" (baixa resistência) eles preferem seguir pelo terra ao invés de pelo corpo humano, evitando assim riscos aos usuários. Parece algo simples se olharmos superficialmente, como num exemplo de nossas casas. Mas à medida que o local cresce, como em um prédio ou indústria, o problema de um bom aterramento também cresce. Para isso existem diversas normas que determinam e regulamentam como deve ser feito o aterramento em cada tipo de instalação, especificando até o comprimento e espessura do fio. Algumas normas são: ANSI/TIA/EIA 607, NBR 5410, NBR 5419, entre outras. Resistência do Terra A resistência do Terra mede a capacidade que o terra tem de conduzir elétrons, ou seja, a "facilidade" do caminho para que os elétrons fluam para a terra. Quanto menor for essa resistência, melhor é o ponto de terra, e mais rápida será a ação dos elementos de proteção como disjuntores, fusíveis, etc. Embora muitos fornecedores exijam 1 ohm como valor máximo de resistência de terra, este não é um valor padronizado na norma NBR 5410, enquanto a norma americana (TIA/EIA 607) exige um máximo de 25 ohms. Além disto, o aterramento também serve para a proteção contra descargas atmosféricas (NBR 5419) e é recomendado pela norma um terra de no máximo 10 ohms. Normalmente este é o valor seguido em todas as instalações. 10
Exercícios Responda de acordo com o texto: 01. Defina e diferencie materiais isolantes e condutores, dando exemplos. 02. Considere o circuito: 6V + 15 Figura 13. a. Qual a corrente que está circulando? b. Se o valor da tensão fosse dobrado e o valor da resistência fosse reduzido a um terço, qual passaria ser o valor da corrente? c. Considerando a resistência de 15W, que valor de tensão faria com que a corrente fosse de 3A? 03. O que é eletricidade estática? Como ela surge? 04. Que cuidados devemos tomar para evitar as descargas eletrostáticas, ao manusear dispositivos eletrônicos? Por quê? 05. Diferencie circuitos CC e CA. 06. Quais os tipos de problemas de alimentação CA? Descreva cada um deles. 07. Descreva os principais equipamentos de proteção CA, associando-os aos problemas que cada um poderia evitar. 08. Explique, utilizando desenhos se achar conveniente, o procedimento para usarmos um multímetro, em medições de: Resistência; Tensão CC; Tensão CA; Corrente CC; Corrente CA. 11