Ciência da Computação Laboratório de Hardware Introdução à Eletrônica Prof. Sergio Ribeiro Introdução à Eletrônica Um bom curso de hardware começa com eletricidade básica, a mesma que é estudada no ensino médio. São aprendidas noções sobre tensão, corrente, baterias, resistores, diodos, capacitores e transistores. Posteriormente, estudamos circuitos integrados (chips), entrando assim no campo da eletrônica digital. Aprenderemos a construir circuitos digitais simples, como displays, somadores, multiplexadores, decodificadores, etc. Veremos agora alguns conceitos e componentes eletrônicos básicos e suas propriedades elétricas. 2 1
Grandezas Elétricas A grandeza fundamental em circuitos elétricos é a carga elétrica. As cargas elétricas são bipolares. Existem cargas negativas (elétrons) e cargas positivas (prótons). A separação de cargas dá origem a uma tensão elétrica. O movimento de cargas origina a corrente elétrica. Tensão elétrica é definida como sendo a diferença de potencial entre dois pólos distintos. Todo circuito elétrico necessita de uma fonte de tensão para fornecer energia ao circuito. No S.I. (Sistema Internacional), a tensão elétrica, cujo símbolo é a letra U ou V, é medida em volts. 3 Grandezas Elétricas A tensão elétrica pode ser classificada como: Tensão alternada é aquela que varia no tempo, descrita como uma função senoidal que oscila em uma determinada frequência. Tensão contínua seu valor não varia no tempo (é constante), e, portanto, não há frequência. 4 2
Grandezas Elétricas Corrente elétrica é definida como sendo o fluxo ordenado de elétrons por um meio condutor. Esse fluxo pode ser chamado de fluxo convencional ou fluxo eletrônico. No S.I., a corrente elétrica, cujo símbolo é I, é medida em ampères (A). 5 Bateria e Fonte de Alimentação Nenhum circuito elétrico ou eletrônico pode funcionar sem um gerador de corrente elétrica. Os geradores nada mais são que baterias, pilhas ou fontes de alimentação. Os geradores possuem dois terminais, sendo um positivo e um negativo. O terminal positivo é aquele por onde sai a corrente, e o negativo é aquele por onde entra a corrente. 6 3
Bateria e Fonte de Alimentação Abaixo temos o diagrama de um circuito de uma lanterna, no qual temos uma lâmpada alimentada por uma bateria. Toda bateria tem uma voltagem especificada. pilhas 1,5 volts baterias 9 volts Atualmente, encontramos diversos tipos de baterias, inclusive as recarregáveis presentes em celulares. 7 Bateria e Fonte de Alimentação Em operação normal, uma bateria deve ter seus terminais ligados a circuitos. A corrente elétrica faz com que esses circuitos funcionem. Um circuito pode ser desligado por meio de chaves, desconectando a bateria do circuito (circuito aberto). Uma situação anormal é o chamado curto-circuito, onde um fio liga diretamente os dois terminais da bateria. Isto faz a corrente atingir um valor altíssimo, gerando muito aquecimento. 8 4
Resistor Este é o mais básico componente eletrônico. Muitos o chamam erradamente de resistência. Seu nome certo é resistor, resistência é sua característica elétrica. É errado usar o termo resistência do chuveiro elétrico. O dispositivo é um resistor formado por fios metálicos com resistência baixa, atravessados por corrente elevada produzindo grande dissipação de calor. Resistores em circuitos eletrônicos normalmente não são usados para gerar calor, e sim para limitar a corrente elétrica. 9 Resistor Todo resistor tem um valor que é a chamada resistência. A unidade para medir a resistência é o Ohm, cujo símbolo é Ω. Existe uma relação direta entre a tensão aplicada sobre um resistor, a corrente que o atravessa e o valor de sua resistência. Esta relação é a chamada lei de Ohm. i = V / R V = R. i Por exemplo, se ligarmos uma bateria de 12V em um resistor de 6Ω, temos: i = 12V / 6Ω= 2A (dois Ampère) 10 5
Resistor 11 Resistor Temos também os chamados resistores variáveis. Um exemplo são os potenciômetros ou os trim-pots. Potenciômetros são resistores capazes de variar suas resistências dentro de uma faixa de valores determinada através do deslocamento manual de uma haste. simbologia 12 6
Resistor Temos também um tipo específico de resistor variável, chamado LDR (Light Dependent Resistor). São resistores que tem sua resistência elétrica alterada conforme a intensidade da incidência da luz no qual está submetido. Na medida em que mais luz incide no LDR, sua resistência diminui. E quanto menos luz incide no LDR, maior é sua resistência. 13 Capacitor O capacitor é um componente eletrônico capaz de armazenar e fornecer cargas elétricas. Ele é formado por duas placas paralelas, separadas por um material isolante chamado dielétrico. Quando ligado a uma tensão fixa, o capacitor é percorrido por uma pequena corrente até que suas placas paralelas fiquem carregadas. Uma fica com cargas negativas (elétrons) e outra com cargas positivas (falta de elétrons). Simbologia: 14 7
Capacitor O valor de um capacitor é chamado capacitância. A grandeza usada para medi-la é o Faraday (F). O Faraday é uma medida muito grande para capacitores. Um capacitor de 1F seria imenso. Normalmente, os capacitores possuem milésimos ou milionésimos do Faraday. É mais comum usar o microfaraday(µf) para medir capacitores. Os capacitores têm várias aplicações nos circuitos. Uma das principais é a filtragem, barrando as frequências baixas e deixando passar as frequências altas. 15 Diodo O diodo é um componente classificado como semicondutor, permitindo que a corrente elétrica o atravesse em apenas um sentido. O diodo possui dois terminais: o ânodo (+) e o cátodo (-). A corrente elétrica trafega livremente no sentido do ânodo para o cátodo, mas não pode trafegar no sentido inverso. 16 8
Diodo Quando polarizados diretamente, os diodos permitem a circulação de corrente elétrica por ele. E quando polarizado inversamente, a corrente não consegue atravessar o diodo. 17 LED LED Light Emitting Diode(Diodo Emissor de Luz). LED é um tipo especial de diodo que tem a capacidade de emitir luz ao ser atravessado por uma corrente elétrica. Como todo diodo, o LED permite a passagem de corrente (acende) no sentido direto (ânodo para o cátodo). No sentido inverso, a corrente não flui e a luz não é emitida. Existem LEDsque emitem luz vermelha, verde, amarela e azul. Existem LEDsque emitem luz infravermelha usados em sistemas de alarme. 18 9
LED Existem ainda os LEDsque emitem luz vermelha ou verde (bicolores), dependendo do sentido da corrente. 19 Transistor Este é sem dúvida o mais importante componente eletrônico já criado. Ele deu origem aos chips que temos hoje nos computadores. Um processador possui centenas de milhões de microscópicos transistores. Inventado no Bell Labnos anos 40, o transistor é um substituto das válvulas eletrônicas com as vantagens: tamanho minúsculo baixo consumo de energia pouco aquecimento mais eficiente maior confiabilidade 20 10
Transistor Existem vários tipos de transistores pra diversos fins. Quanto ao sentido da corrente, os transistores são classificados como NPN ou PNP. 21 Transistor Existem fototransistores que amplificam o sinal gerado pelo seu sensor ótico. Os transistores realizam uma série de funções: chave eletrônica amplificador de tensão amplificador de corrente Ex: o sinal elétrico gerado por um microfone é tão fraco que não consegue excitar um altofalante. Usa-se um transistor para elevar a tensão do sinal sonoro, e também um transistor para atuar como amplificador de corrente. 22 11
Datasheet Datasheet significa folha de dados. É o termo técnico usado para identificar um documento relativo a um determinado produto. Contém especificações técnicas como: pinagem, encapsulamento, temperatura de funcionamento, tensões máximas, tensões mínimas, correntes máximas, correntes mínimas, instruções de funcionamento, características físicas, esquemático de exemplo, etc. Exemplos: CD4067 (multiplex), HCT4094 (shift register), PIC18F4550 (microcontrolador). Deve-se sempre consultar o datasheetdo componente eletrônico que se usar no circuito. 23 Alto Ativo e Baixo Ativo Há duas maneiras diferentes de se ativar um dispositivo: Alto ativo o dispositivo é acionado ao receber nível alto. Baixo ativo o dispositivo é acionado ao receber nível baixo. Alto ativo Baixo ativo 24 12
Alto Ativo e Baixo Ativo A maioria dos dispositivos no kit de Circuitos, como botões e leds, são alto ativo. E no kit de Arquitetura são baixo ativos. Deve-se consultar o manual do kit para verificação. Alto ativo Baixo ativo 25 Resistores de PullUpe PullDown Técnica largamente utilizada em circuitos eletrônicos digitais com microcontroladorespara evitar a flutuação e garantir o estado de uma porta configurada como entrada digital em nível lógico 0 ou em nível lógico 1. Caso não se use o resistor de pullupou pulldownem pinos de entrada digital, o mesmo pode variar (flutuar) em nível alto ou baixo quando a chave estiver em aberto. resistor de pull up resistor de pull down 26 13
Protoboard(Matriz de Contatos) Protoboardé uma placa com furos e conexões condutoras para montagem de circuitos elétricos experimentais. Vantagem facilidade de inserção de componentes, uma vez que não necessita de soldagem. As placas variam de 800 furos até 6.000 furos, tendo conexões horizontais e verticais. 27 Protoboard(Matriz de Contatos) Os contatos metálicos estão em diferentes sentidos na matriz. 28 14
Kit Educacional Exsto XD102 Os kits da Exstosão produtos de alta qualidade e tecnologia de ponta. O kit educacional XD102 será de grande auxílio no aprendizado e desenvolvimento de sistemas digitais. A ExstoTecnologia é uma empresa situada em Santa Rita do Sapucaí em Minas Gerais, cidade conhecida como o Vale da Eletrônica. Deve-se consultar o material da Exsto, constituída de: Apostila: apresenta o conteúdo teórico de circuitos digitais. Caderno de experiências: traz a orientação para as experiências. Manual de operação: reúne as informações necessárias para instalação e configuração do kit. 29 Hardware do Kit XD102 O kit é dividido em vários módulos, visando facilitar o aprendizado através da visualização imediata dos blocos eletrônicos. A seguir temos a descrição de cada um deles em detalhes. 30 15
Módulo da Fonte O kit possui uma fonte de alimentação fornecendo quatro valores de alimentação fixa (+5V DC, -12V DC, +12V DC e +15.5V DC )eumaalimentaçãovariável(0a12v DC ). 31 Módulo dos Potenciômetros Este módulo é constituído por quatro potenciômetros de 10kΩ independentes. Há vários pinos de conexão permitindo usar o potenciômetro em várias aplicações simultâneas. 32 16
Módulo de Chaves Este módulo é uma das partes mais interativas do kit. Permite que o usuário possa gerar sinais de ativação e desativação de forma manual. Há dez alavancas retentivas, onde cada uma delas ativa +5V DC em suas saídas. Para cada chave há um LED indicador de seu status. 33 Módulo Gerador de Pulsos Este módulo fornece ao usuário do kit vários tipos de pulsos quadrados. Este módulo pode gerar cinco pulsos independentes: dois pulsos alto ativos enviam nível alto ao pressionar a chave. dois pulsos baixo ativos enviam nível baixo ao pressionar. um pulso de reset muda de nível alto para baixo. 34 17
Módulo de Relés Este módulo possui dois relés independentes. Um relé possui dois elementos de chaveamento: NF (Normalmente Fechado) quando o relé não possui alimentação, a chave coloca em curto os pontos C e NF. Consequentemente, a chave estará em aberto nos pontos C e NA. NA (Normalmente Aberto) funcionamento inverso. 35 Módulo Gerador de Frequências É um dos módulos mais interessantes do kit por gerar sinais quadrados com nove possibilidades de frequência. As frequências disponíveis são: 0.1Hz, 0.5Hz, 1Hz, 10Hz, 100Hz, 1kHz, 10kHz, 100kHz e 1Mhz. Estas frequências são geradas por um microcontrolador. 36 18
Módulo de Display Este módulo possui quatro displays de sete segmentos ligados diretamente a um decodificador BCD-sete segmentos. São quatro displays independentes que nos permitem colocar diretamente nas suas entradas uma palavra BCD. Sua contagem está limitada de zero a nove. Qualquer valor BCD diferente disso faz o display ficar apagado. 37 Módulo de LEDs Este módulo sinaliza ao usuário quando houver um nível de tensão em cada pino correspondente. Há dezesseis LEDs disponíveis de forma independente. 38 19
Normas de Uso do Laboratório A missão do laboratório é oferecer aos alunos da disciplina uma infraestrutura de suporte à execução das tarefas práticas exigidas pelo professor. Não atentar contra o patrimônio do laboratório, respeitando equipamentos e materiais disponíveis. Não é permitido fumar, comer ou beber dentro do laboratório. Cada discente ficará responsável pela conservação das respectivas bancadas (mesa, equipamentos, bancos, etc). Quaisquer defeitos encontrados, devem ser comunicados ao docente responsável imediatamente. 39 Normas de Uso do Laboratório Os cabos, fios e componentes eletrônicos deverão ser retornados ao armário sob supervisão do professor. Na conclusão da aula, o discente deverá ajustar os equipamentos, componentes, mesa e bancos conforme encontrados no início da aula. Os equipamentos existentes no Laboratório devem ser manuseados com muito cuidado, obedecendo rigorosamente às técnicas de utilização e orientação fornecidas pelo professor. É função de todos preservar e zelar pelas boas condições do laboratório. 40 20