Microeletrônica

A microeletrônica consiste em projetar e produzir circuitos utilizando componentes de tamanho microscópico. Usando materias e técnicas apropriadas, é possível contruir transistores, resistores, capacitores, diodos e indutores, cada um deles com tamanhos menores que 1 milésimo de milímetro. Os componentes tradicionais, comprados em forma avulsa no comércio e usados nos circuitos de som, rádio e TV, são chamados de componentes discretos. Um circuito integrado ou chip é um circuito complexo porém de tamanho reduzido. É equivalente ao circuito de uma placa com componentes discretos, mas pelo fato de utilizar componentes integrados microscópicos, seu tamanho total é da ordem de 1 centímetro quadrado, ou mesmo menor.Os componentes de um chip são como se fossem “pintados” na sua minúscula base, chamada substrato. O seu processo de fabricação é entretanto bem mais complexo que uma simples pintura. Trata-se de um processo um pouco químico, um pouco fotográfico, uma difusão de moléculas dentro da base de silício, formando camadas que compõem os circuitos. A maioria dos materiais são divididos em duas categorias: condutores e isolantes. O condutor é um material que tem facilidade em conduzir corrente elétrica. Todos os metais são condutores. Já os isolantes são materiais que dificultam a passagem da corrente elétrica. A borracha é um exemplo típico de isolante, assim como o vidro, madeira, plásticos em geral, etc. Existem entretanto alguns materiais que ora se comportam como condutores, ora como isolantes. São os chamados semicondutores, e os principais deles são o silício e o germânio. A maioria dos transistores e chips utilizam o silício em sua fabricação. O germânio é utilizado em alguns componentes especiais, como transistores para altas freqüências. Para que os semicondutores possam variar sua resistividade, é preciso que lhe sejam adicionados materiais especiais, chamados de dopagem. Existem dopagens tipos N e P (negativa e positiva), e a sua combinação é usada na formação dos transistores, diodos e demais circuitos no interior de um chip.Um chip é formado por sucessivas camadas de materiais diferentes. A base  na qual um chip é construído (substrato) é feita de silício puro, ou seja, sem dopagem. Sobre esta base são aplicadas dopagens sucessivas, formando trechos tipos N e P. Eventuais ligações são feitas com camadas de alumínio ou cobre. Em certos trechos também são usadas camadas de óxidos como isolantes.A figura 52 ilustra o funcionamento de um tipo especial de transistor usado  para formar os chips. Trata-se do transistor MOS. Recebe este nome porque é formado por camadas de metal, óxido e semicondutor (Metal Oxide Semiconductor). Este transitor possui três terminais, chamados de source, drain e gate. O terminal source é ligado à tensão positiva da fonte, através de um resistor. Ele é a saída do circuito, que pode representar bits 0 ou 1. O terminal drain é ligado ao terra, ou seja, o polo negativo da bateria. O terminal de entrada é o gate, e é usado para controlar a corrente que passa entre source e drain. Quando o gate é ligado a uma tensão baixa (bit 0), não passa corrente entre source e drain. Sendo assim, o source terá uma tensão elevada (bit 1), já que fica ligado ao polo positivo da bateria, através de um resistor. Quando o gate é ligado a uma tensão alta (bit 1), passará uma corrente entre source e drain. A resistência entre esses dois pontos será baixa, e a tensão medida no source será próxima de 0 volt. Teremos assim um bit 0 em sua saída. O circuito formado por este transistor e um resistor é o que chamamos de inversor, e é mostrado na figura 53. A operação lógica que realiza é a inversão de bits. Ao ser aplicado um bit 1 na sua entrada, produzirá um bit 0 na saída. Ao ser aplicado um bit 0 na entrada, produzirá um bit 1 na saída.Um fator bastante importante é a medida dos microscópicos transistores que formam os chips, como os mostrados na figura 52. Com o passar dos anos, dimensões cada vez menores têm sido utilizadas. A unidade usada para medir esses transistores é o mícron (símbolo ). Cada mícron é equivalente a um milésimo de milímetro. Os chips modernos apresentam transistores medindo uma fração do mícron. No ano 2001, os processadores modernos usavam tecnologia de 0,18 mícron, e já existiam modelos com a tecnologia de 0,13 mícron. Usar transitores menores significa:

 Menor voltagem

 Menor dissipação de calor

 Menor custo de produção

A tabela que se segue mostra a evolução das tecnologias de fabricação nos últimos anos:

Ano Tecnologia Voltagem

1989 1  5 V

1991 0,8  5 V

1993 0,5  3,3 V

1995 0,35  2,5 V

1997 0,25  1,8 V

1999 0,18  1,5 V

2001 0,13  1,3 V

Não apenas transistores podem ser construídos através de microeletrônica.  Pequenos trechos de semicondutores podem formar resistores. Placas paralelas de metal formam capacitores, e trilhas de metal dispostas em forma espiral formam bobinas. Chips usados em telecomunicações utilizam no seu interior, bobinas e capacitores, além dos transistores e resistores. Chips usados em eletrônica digital (processadores, memórias, chipsets, etc) em geral apresentam apenas transistores e alguns resistores. A figura 55 mostra o trecho ampliado de um chip usado em telecomunicações, onde podemos ver as espirais que formam as bobinas e as grandes áreas que formam os capacitores.Os chips são produzidos em grandes pastilhas circulares de 20 ou 30 cm de  diâmetro chamadas waffers. A indústria tem trabalhado durante os últimos anos com waffers de 20 cm, e apenas em 2001 começaram a ser adotados os waffers de 30 cm, com várias vantagens. Em cada waffer são construídas dezenas ou centenas de chips, como vemos na figura 56. Depois de prontos os chips são separados um dos outros através de corte. São testados e finalmente encapsulados.O processo de encapsulamento consiste em alojar a pastilha do chip em uma  carcaça externa, que pode ser de plástico ou cerâmica. Também é feita a ligação dos seus pontos de contato nos terminais externos (as “perninhas” do chip).

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CMOS

Os circuitos integrados digitais devem ter o menor número possível de resistores. Esses componentes, mesmo no interior dos chips, ocupam áreas muito maiores que os transistores. Além disso produzem maior dissipação de calor e retardos que tornam os chips mais lentos. Por isso os projetistas tentam na medida do possível usar os próprios transistores para substituir os resistores. Daí surgiram os circuitos CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Consiste em utilizar no circuito da figura 53, um segundo transistor no lugar do resistor. Este segundo transistor possui características inversas às do primeiro. São chamados transistores complementares. Um transistor é do tipo NMOS, e o outro é tipo PMOS. Quando um transistor  conduz, o outro não conduz, e vice-versa. O resultado é o mesmo obtido com o uso do resistor, porém ocupando muito menos espaço, consumindo menos energia e com mais velocidade. O arranjo completo é mostrado na figura 57.Este circuito é o inversor, o mais simples dos operadores lógicos. Ele gera um  bit 1 quando recebe um bit 0, e gera um bit 0 quando recebe um bit 1. Outras funções lógicas mais complexas são implementadas com arranjos parecidos. Observe que ambos os transitores possuem seus terminais gate interligados. Quando esta entrada recebe um bit 1, ou seja, um nível de tensão elevado, o transitor inferior conduzirá corrente, e o superior ficará cortado, ou seja, sem conduzir. Isto fará com que a saída fique com tensão baixa, ou seja, um bit 0. Quando a entrada receber um bit 0, o transistor inferior ficará cortado, sem conduzir, e o transistor superior irá conduzir, fazendo com que sua saída fique com uma tensão quase igual à da fonte de alimentação (bit 1). A figura 58 mostra como o par CMOS é construído em

um chip. A maioria dos chips modernos utilizam a tecnologia CMOS. Existem outras tecnologias que são utilizadas em aplicações nas quais o CMOS não pode ser aplicado. Por exemplo, os pares CMOS não são indicados quando é necessário fornecer correntes elevadas, como por exemplo, para alimentar os slots de um barramento. Nesses casos são usados circuitos lógicos TTL, que  consomem mais energia, mas também podem fornecer mais corrente. Muitos chips utilizam internamente células CMOS e externamente apresentam  entradas e saídas TTL.Muitas pessoas ouvem falar em CMOS pela primeira vez ao tomarem contato com o chamado CMOS Setup de placas de CPU. Acabam conhecendo o ”chip CMOS”, no qual existe uma pequena área de memória para armazenar configurações do BIOS da placa de CPU, além de um

relógio permanente. O “chip CMOS” é alimentado por uma bateria que o mantém em funcionamento mesmo quando o computador está desligado. Aqui está um fato curioso: praticamente todos os chips do computador utilizam a tecnologia CMOS. É errado pensar que apenas o popular “chip CMOS” que armazena os dados do Setup e tem o relógio permanente utiliza esta tecnologia.

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Circuitos Lógicos

Toda a eletrônica digital é desenvolvida a partir da criação de circuitos capazes de executar operações lógicas, também chamadas de operações booleanas. Os três principais operadores lógicos são:

E (AND)

Ou (OR)

Não (NOT)

A partir desses operadores, circuitos ainda mais complexos são construídos:

Somadores e Subtratores

Multiplicadores e divisores

Células de memória

Registradores, multiplexadores, decodificadores

etc...

A reunião desses circuitos complexos forma chips bastante sofisticados, como processadores, memórias, chips gráficos, chipsets, etc. Parece incrível que equipamentos tão sofisticados possam ser construídos a partir de circuitos básicos tão simples. Da mesma forma como livros inteiros podem ser feitos a partir de letras e símbolos, e como um planeta inteiro é construído a partir de prótons, elétrons, nêutrons e outras partículas sub-atômicas.Um operador lógico é algo que lembra um pouco um operador aritmético. Na aritmética temos operadores como Adição, Subtração, etc. Da mesma forma como na aritmética temos, por exemplo:

5 + 2 = 7

na lógica temos

1 AND 1 = 1

1 OR 0 = 1

NOT 1 = 0

Inicialmente, vejamos como funcionam os três operadores citados. Eles podem ser definidos através da sua tabela verdade. A seguir temos essas tabelas:

A NOT A A B A AND B A B A OR B

0 1 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 0 0 1 1

1 0 0 1 0 1

1 1 1 1 1 1

Como vemos na tabela, o operador NOT, também chamado de inversor, produz na sua saída o bit inverso daquele recebido na entrada. Ao receber um bit 0, produz um bit 1 em sua saída. Ao receber um bit 1, produz um bit 0. O operador AND possui duas entradas. Sua saída será 1 quando as duas entradas também forem 1, simultaneamente. Quando uma das suas entradas, ou ambas são 0, a saída do operador AND será 0. Já o operador OR produz uma saída 1 quando pelo menos uma das suas entradas tem o valor 1. Apenas quando ambas as entradas são 0, o operador OR dará saída 0. É relativamente fácil produzir circuitos que realizam essas funções, usando transistores, resitores e outros componentes.O circuito mostrado na figura 59 implementa o operador lógico NOT. É formado a partir de um transistor e dois resistores. Este método de construção de circuitos é chamado RTL (Resistor-Transistor Logic). Seu funcionamento é bastante simples. Quando X é um bit 1, a tensão correpondente é um valor alto (porém menor que Vcc, a tensão da fonte de alimentação). Este valor alto faz com que exista uma corrente na base do transistor, que irá conduzir uma corrente elevada entre seus outros terminais. Ao mesmo tempo aparecerá uma baixa tensão (da ordem de 0,3 volts, dependendo do transistor) no seu coletor, que é a saída Y. Temos então um bit 0 na saída. Da mesma forma, quando X é um bit 0, a tensão na entrada do transitor será baixa. O transitor ficará então “cortado”, e praticamente não passará corrente por ele. A tensão na saída Y dependerá apenas do resistor ligado ao ponto Vcc. Teremos assim uma tensão alta em Y, o que corresponde a um bit 1.A figura 60 mostra como é implementado o operador OR usando a lógica RTL. O primeiro transistor vai conduzir corrente quando pelo menos uma das duas entradas, A ou B, estiver com tensão alta (bit 1), ficando assim com um nível 0 no ponto X. Apenas quando ambas as entradas A e B estiverem em 0, o primeiro transistor ficará cortado e teremos um bit 1 no ponto X.Ora, este é exatamente o inverso da função OR. Temos portanto no ponto X um outro operador lógico chamado NOR (ou NOT OR), cuja tabela verdade é:

A B A NOR B

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

Para que o circuito final tenha uma saída OR, e não NOR, temos que usar mais um inversor, representado pelo segundo transistor e seus dois resistores. A figura 61 mostra o circuito que implementa um operador lógico AND, usando a técnica RTL. O primeiro estágio é formado por dois transistores, sendo que cada um deles tem ligada na sua base, uma das entradas (A ou B) do circuito. Para ter o valor 0 no ponto X é preciso que ambos os transistores estejam conduzindo, o que é conseguido apenas quando ambas as entradas A e B estão em 1. Se uma ou ambas as entradas estiver com o valor 0, o transistor correspondente estará cortado, e não passará corrente através de ambos. Isto fará com que o ponto X fique com o valor 1.Esta é exatamente o função inversa do AND, e é chamada NAND. Sua tabela verdade é:

A B A NAND B

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Para que tenhamos na saída do circuito uma função AND, é preciso inverter o sinal presente no ponto X, para isso utilizamos mais um inversor, representado pelo terceiro transistor e seus resistores. Circuitos lógicos como NOT, AND, OR, NAND, NOR e outros operadores, podem ser costruídos utilizando várias técnicas. Mostramos aqui o método RTL, porém existem outras formas de criar circuitos equivalentes, como:

DTL: Diode-Transistor Logic

ECL: Emitter Coupled Logic

TTL: Transistor-Transistor Logic

CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor Logic

As técnicas mais utilizadas são a TTL, para chips mais simples, e CMOS para chips mais complexos.

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Operadores Lógicos

Quando projetamos ou analisamos circuitos lógicos, não nos preocupamos com detalhes internos, como seus transistores, diodos e resistores. Levamos em conta apenas as entradas e saídas. Nos diagramas de circuitos digitais, desenhamos apenas os símbolos dos circuitos que implementam as funções lógicas. Chamamos esses circuitos de portas lógicas. A figbura 62 mostra os símbolos das principais portas lógicas.Nesta mesma figura apresentamos também as portas lógicas XOR (eXclusive OR – “ou exclusivo”) e XNOR (eXclusive NOR). A função XOR tem uma tabela verdade bastante parecida com a da função OR. Seu significado é o seguinte: o bit de saída será ligado se um dos bits de entrada estiver ligado, mas não ambos ao mesmo tempo. Portanto a única diferença entre as

funções OR e XOR é que:

1 OR 1 = 1

1 XOR 1 = 0

 

A B A XOR B A B A XNOR B

0 0 0 0 0 1

0 1 1 0 1 0

1 0 1 1 0 0

1 1 0 1 1 1

Motramos também acima a tabela verdade do operador XNOR, que é o inverso do operador XOR. Observe que a função XNOR funciona como um comparador. Seu resultado é 1 quando os dois bits de entrada são iguais, e 0 quando os dois bits de entrada são diferentes.

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Circuitos lógicos complexos

A construção de circuitos lógicos complexos é uma simples questão de agrupar essas portas básicas, produzindo funções mais elaboradas. A figura 63, por exemplo, mostra o circuito de um comparador binário. Este circuito faz a comparação de dois valores binários de 4 bits cada um. A saída do circuito será 1 quando os dois valores binários de 4 bits presentes nas entradas forem iguais. Digamos que esses valores sejam representados por A3A2A1A0 e B3B2B1B0. A saída Y do circuito será ativada em 1 quando tivermos iguais esses valores. Por exemplo A=0110 e B=0110. Este tipo de circuito é muito utilizado como decodificador de endereços nas placas de CPU e nas placas de expansão. Os valores do endereço A podem ser originados no barramento de endereços do processador, e os valores de B são originados em um grupo de microchaves ou jumpers, que dependendo da forma como são configurados, podem indicar bits 0 ou 1. O circuito comparador irá ativar sua saída em 1 quando o endereço recebido for igual ao endereço definido pelas microchaves ou jumpers. Obviamente para isto é necessário um comparador maior, operando com maior númeor de bits, mas seu princípio de funcionamento é o mesmo.Utilizando um número maior de portas lógicas, podemos formar circuitos mais complexos. A figura 64 mostra o circuito de um contador binário de 4 bits. Este circuito recebe um sinal de clock e gera nas suas 4 saídas, números binários na seqüência 0000, 0001, 0010, etc. Pode ser programado para contar no modo decimal, ou seja, passando de 9 (1001) para 0 (0000), ou então no formato hexadecimal, passando de F (1111) para 0 (0000). Gera ainda um bit de “vai 1” e pode ser agrupado com outros circuitos iguais, formando assim contadores com qualquer número de dígitos. Pode ainda ser programado para fazer contagem crescente ou decrescente.Um projetista de hardware pode obter circuitos digitais de várias formas. A mais simples é utilizando chips padrões de mercado, que normalmente apresentam encapsulamentos como os da figura 65. Os encapsulamentos mostrados na figura são o DIP (Dual In-Line Package) e SOIC (Small Outline Integrated Circuit). Existem circuitos com portas AND, OR, NOR, NAND, inversores, e funções mais complexas mas de uso comum, como decodificadores, comparadores, contadores, registradores, etc.Nos manuais dos chips que contém circuitos lógicos básicos, encontramos diagramas que indicam o que existe no seu interior, como nos exemplos da figura 66. Os chips deste exemplo têm o seguinte conteúdo:

4 portas NAND de 2 entradas

3 portas AND de 3 entradas

4 portas AND de 2 entradas

2 portas NAND de 4 entradas

4 portas XOR de 2 entradas

1 porta NAND de 8 entradas

4 portas NOR de 2 entradas

4 portas OR de 2 enrtadas

6 inversores (portas NOT)

 

Ao projetar um circuito digital, usamos iniciamente as portas necessárias para implemenetar a função desejada. Depois contamos quantas portas de cada tipo são necessárias. Finalmente escolhemos os chips apropriados que contenham as portas desejadas, e finalmente realizamos as ligações entre os pinos desses chips.A figura 67 mostra o diagrama interno do chip 74LS181. Este chip é uma unidade lógica e aritmética de 4 bits, capaz de realizar 16 operações lógicas e aritméticas, entre adição, subtração, AND, OR, etc. Vários chips desses podem ser ligados em cascata para formar unidades com maior número de bits. Este chip tem pouco mais de 60 portas lógicas. Em um microprocessador existem vários milhões de portas lógicas, executando entre outras, funções como as deste chip, porém com maior número de bits. Como este capítulo destina-se apenas a dar noções sobre eletrônica, não vamos analisar o funcionamento do circuito, mas acredite, ele realmente soma, subtrai e faz várias outras operações. Desta forma podemos entender como as portas lógicas podem ser interligadas para formar um computador.

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Como construir uma memória com portas lógicas

Para construir um computador, não basta utilizar operadores lógicos e aritméticos. É preciso também ter memória, uma característica fundamental dos circuitos digitais. Células de memória podem ser facilmente construídas a partir do diagrama básico mostrado na figura 68. Este circuito é chamado de FLIP FLOP. Suas duas entradas R e S devem permanecer com valores 1. Para armazenar um bit 1 na célula, basta aplicar momentaneamente um bit 0 na entrada S (Set). Para armazenar um bit 0 na célula, basta aplicar momentaneamente um bit 0 na entrada R (Reset). Vejamos como isto ocorre, detalhadamente.

a) Suponha que as entradas estejam em repouso, ou seja, R=1 e S=1.

b) Aplicamos momentaneamente um bit 0 em S. A porta NAND ligada em S, ao receber 0 nesta entrada, produzirá uma saída Y=1 (lembre-se da tabela verdade da função NAND: se pelo menos uma das entradas é 0, a saída é 1).

c) A porta 2 está então recebendo as entradas R=1 e Y=1 (note que a saída Y do circuito funciona como entrada da porta 2). Como 1 NAND 1 = 0, teremos uma saída X=0 na saída da porta 2. Este zero, ao entrar na porta 1, continuará produzindo saída Y=1, e agora isto independe do valor de S, já que 0 NAND 0 = 1 e 0 NAND 1 =1.

d) Agora a entrada S pode voltar ao seu valor de repouso 1, e a saída Y continuará sendo mantida em 1. Temos então um bit 1 armazenado. Da mesma forma, o circuito também pode armazenar um bit 0, bastando

manter S em 1, e momentaneamente levando a entrada R ao valor 0. O que ocorre é o seguinte:

a) Ao receber uma entrada 0 em R, a porta 2 produzirá uma saída X=1. A porta 1 está recebendo neste momento, X=1 e S=1. Portanto temos Y = 1 NAND 1, que vale 0.

b) O valor Y=0 chega à entrada da porta 2. Como 0 NAND (qualquer coisa) vale 1, teremos X=1, independentemente do valor de R, que agora pode voltar ao seu estado de respouso, ou seja, com valor 1.

c) A porta 1 está recebendo as entradas X=1 e S=1. Como 1 NAND 1 = 0, mais uma vez temos reforçado o bit 0 na saída Y.

d) As entradas R e S podem voltar aos seus valores de repouso (R=1 e S=1) e o circuito manterá armazenado um bit Y=0. É um circuito extremamente simples, mas é realmente uma surpresa a sua capacidade de “lembrar” um bit. Circuitos como este são agrupados até formar células de memória com muitos bits. Milhões dessas células são encontradas em um chip de memória, formando vários megabytes.

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Projetando Chips

O método mais simples para projetar circuitos lógicos é utilizar chips básicos como os mostrados na figura 66. Este é um método indicado para a construção de protótipos ou projetos de pequena complexidade. Para produção profissional entretanto, é preciso utilizar métodos mais eficientes. Circuitos lógicos de média complexidade tornam-se muito grandes quando utilizamos chips básicos. Uma solução para esses casos é utilizar microcontroladores. Esses chips são microprocessadores que possuem em seu interior, uma unidade de processamento, memória ROM, RAM e circuitos de apoio. Quando o circuito a ser projetado não precisa ser extremamente veloz (por exemplo, uma placa lógica para controlar uma máquina de refrigerantes, ou máquina de lavar, ou o painel de controle de um videocassete), a melhor solução não é construir um circuito, e sim um programa que receba as entradas e gere as saídas. Quando o circuito a ser criado precisa ser muito veloz, os microcontroladores tornam-se ineficientes. Uma solução bastante viável é utilizar chips programáveis. Esses chips possuem em seu interior, um grande número de portas lógicas. Através de um programa de CAD, criamos o circuito com o auxílio de um PC e simulamos o seu funcionamento. Terminado o projeto, o circuito é “gravado” no chip programável. Esta programação consiste em definir as conexões que são realizadas entre os módulos internos do chip programável. Tais chips programáveis são chamados de PLD (programmable logic devices) e EPLD (eraseable programmable logic devices). Os dois principais fabricantes desses produtos são a Altera (www.altera.com) e Xilinx (http://www.xilinx.com/). Utilizando PLDs e EPLDs, projetos complexos podem ser criados em pouco tempo, e ficam extremamente compactos. Até mesmo a produção em série pode ser feita, em pequena escala. Quando a escala de produção é maior e os custos finais do produto precisam ser reduzidos, a melhor coisa a fazer é projetar chips novos. O projeto de chips é feito através de programas especiais de CAD. Definimos os circuitos lógicos a serem utilizados e simulamos o funcionamento do circuito final, tudo através de um PC. Terminado o projeto, o programa de CAD irá gerar arquivos de impressão, que transferidos para um equipamento apropriado, irão resultar em fotolitos. Esses fotolitos são levadas a uma máquina de produção de chips, que podem então ser produzidos aos milhares, com baixo custo unitário de produção. Todo este equipamento é muito caro, e até mesmo a contratação de empresas especializadas tem custo elevado, e só compensa quando os chips são produzidos aos milhares.

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Conversores D/A e A/D

Nem só com circuitos digitais se faz um computador. Também são necessários os circuitos analógicos. Sua função básica é lidar com sinais analógicos. Os principais circuitos analógicos são os existentes na placa de som, no modem e o trecho da placa de vídeo que envia as informações de cor para o monitor. Circuitos analógicos são formados por transitores, resistores, capacitores, indutores, diodos, transformadores e outros

componentes “não digitais”. Para exemplificar esses circuitos, mostraremos aqui o funcionamento dos conversores D/A (Digital-Analógicos) e A/D (Analógicos-Digitais). Os conversosres D/A são encontrados na placa de som, fazendo a conversão de sons digitalizados para o formato analógico, podendo assim ser amplificados e enviados para os alto falantes. Esses circuitos também são utilizados na placa de vídeo. Os dados existentes na memória de vídeo são digitais, e passam por conversores D/A para que se transformem em sinais analógicos, transmitindo informações sobre a quantidade de vermelho, verde e azul em cada pixel da tela. A base do funcionamento dos conversores D/A e A/D é um circuito chamado amplificador operacional. Ligado convenientemente em capacitores, resistores e diodos, este circuito é capaz de realizar várias operações matemáticas sobre sinais analógicos. Pode até mesmo ser usado para sintetizar sons similares aos dos instrumentos musicais. Os amplificadores operacionais são fabricados com encapsulamentos similares aos dos chips e transistores.A figura 69 mostra uma das formas mais simples de uso de um amplificador operacional. Possui duas entradas analógicas e uma saída. A tensão de saída Vo é igual à tensão existente entre suas duas entradas, multiplicada por um fator de amplificação, que é bastante grande, em geral superior a 1000. No circuito da figura, uma das entradas está ligada no terra (0 volts), e a outra entrada tem o valor de tensão Vx. Chamamos o ganho do amplificador de A (lembre-se que o ganho do amplificador é muito grande). Então temos:

Vo = A.Vx

Vx = Vo/A

Como A é um valor muito grande, é correto dizer que Vx é um valor muito pequeno. Na prática é de apenas alguns milésimos de volts, e é correto, para efeito de cálculos aproximados, considerar Vx=0. Tomando Vx=0, as correntes i1 e i2 que chegam ao ponto X são:

i1 = Va/Ra

i2 = Vo/Ro

A corrente i que “entra” no amplificador é igual à soma de i1 e i2

i = i1 + i2

Uma outra característica dos amplificadores operacionais é que sua resistência de entrada é elevadíssima, da ordem de alguns milhões de ohms. Isto é o mesmo que dizer que sua corrente de entrada é muito pequena, praticamente zero. Portanto podemos considerar que i=0.

i = i1 + i2 = 0, ou seja

i2 = -i1

Substituindo i1 por Va/Ra e i2 por Vo/Ro, ficamos com:

Vo/Ro = - Va/Ra

Vo = - Va (Ro/Ra)

Concluímos então que a tensão de saída Vo é igual à tensão de entrada Va, multiplicada por um fator de amplificação Ro/Ra, com sinal negativo.

Por exemplo, se fizermos Ro = 10k e Ra= 1k, teremos Vo = -10.Va.

Conseguiríamos assim um circuito cuja saída é sempre 10 vezes maior que a entrada, com sinal negativo. Este sinal negativo pode, caso seja necessário,ser eliminado por um segundo estágio com ganho igual a –1, conseguido fazendo Ro=Ra.O circuito da figura 70 é um pouco mais complexo. Ele tem duas entradas Va e Vb, com dois resistores correspondentes, Ra e Rb. Nesses resistores passam correntes ia = Va/Ra e ib = Vb/Rb. A corrente i1 neste caso vale ia+ib. A corrente i2 é Vo/Ro, como no exemplo anterior, e a corrente i de entrada no amplificador operacional vale aproximadamente zero.

Temos então:

0 = i = Vo/Ro + Va/Ra + Vb/Rb, ou seja:

Vo = - (Va.Ro/Ra + Vb.Ro/Rb) = -Ro(Va/Ra + Vb/Rb)Este resultado pode ser generalizado no circuito da figura 71, onde temos n entrada com tensões V1, V2,... Vn, e resistores R1, R2, ..., Rn:

Vo = - Ro(V1/R1 + V2/R2 + V3/R3 + .... + Vn/Rn)

Este circuito pode ser usado como um conversor analógico digital. Suponha que sua entrada seja formada por 4 bits. Digamos que os valores de tensão correspondentes aos bits 0 e 1 sejam 0 volts e 1 volt, respectivamente.

Tomemos para os resistores, os seguintes valores:

Ro = 8k

R1 = 8k

R2 = 4k

R3 = 2k

R4 = 1k

Ficamos então com:

Vo = -8000 (V1/8000 + V2/4000 + V3/2000 + V4/1000),

ou seja:

Vo = - (V1 + 2.V2 + 4.V3 + 8.V4)

Note que com este circuito, os valores de tensão (que correspondem aos bits do valor digital de entrada) aparecem com pesos 1, 2, 4 e 8, exatamente como no sistema binário. Se tivermos por exemplo as entradas V4V3V2V1 representando o valor binário 0110 (6 em decimal), ficamos com:

Vo = - (1.0 + 2.1 + 4.1 + 8.0) = - 6 volts

Portanto o valor digital 6 (0110) gerou na saída do circuito, o valor analógico de –6 volts. Da mesma forma o valor digital 5 (0101) resulta no valor analógico de –5 volts, o valor digital 11 (1011) resulta no valor analógico igual a –11 volts, e assim por diante. Nosso circuito é um conversor digitalanalógico de 4 bits. Conversores D/A com maior número de bits são construídos de forma semelhante, bastando usar um maior número de entradas, com resistores formando uma progressão geométrica de razão 2, ou seja, cada resistor é o dobro do anterior. Placas de som utilizam conversores D/A de 8 e 16 bits. Placas de vídeo usam conversores D/A de 8 bits, gerando assim 256 tonalidades para cada componente de cor.Um conversor D/A precisa funcionar de forma tão rápida quanto os sinais analógicos que precisa representar. Conversores D/A usados em placas de som operam com 8 ou 16 bits, e usam taxas de amostragem de até 44 kHz, ou seja, fazem 44.000 conversões por segundo. Conversores D/A usados em placas de vídeo operam com 8 bits e usam taxas de amostragem bem mais elevadas, chegando a ultrapassar a casa dos 100 MHz, ou seja, acima de 100 milhões de conversões por segundo. A conversão A/D (de analógico para digital) é bem mais complexa. Encontramos esses conversores em placas de som e placas digitalizadoras de vídeo.A figura 72 mostra o funcionamento de um conversor Analógico/Digital. É composto de um contador binário, um comparador analógico e um conversor D/A. O valor analógico Vi é alimentado na entrada do conversor. Um sinal digital START dá início à contagem realizada pelo contador  binário. O valor binário gerado por este contador é enviado a um conversor D/A. O valor analógico resultante desta contagem é comparado com o valor analógico Vi que está sendo convertido. No instante em que o comparador detecta que suas entradas são iguais, significa que o valor binário gerado pelo contador é a versão digital do valor analógico Vi. Este comparador envia um sinal de parada ao contador. O valor digitalizado pode então ser lido das saídas do contador digital.O processo de conversão A/D é bem mais lento que o de conversão D/A, e a sua rapidez depende de como é feita a contagem. Por exemplo, se usarmos um contador de 8 bits e for feita uma contagem seqüencial (0, 1, 2, 3, ...), a conversão poderá demorar até 256 ciclos. Com uma contagem seqüencial em um conversor de 16 bits, esta conversão poderá demorar até 65.536 ciclos. Para tornar a conversão mais rápida, os contadores utilizados não fazem contagem seqüencial, e sim, realizam o que chamamos de “busca binária”. Ao invés de contarem a partir do bit menos significativo, começam a contar a partir do bit mais significativo. Ao ligar o bit mais significativo, o valor analógico gerado será igual ao ponto médio da escala de contagem (por exemplo, 128, em um contador de 8 bits, que conta de 0 a 256). Se o valor assim gerado for muito grande, este bit será desligado. Se for menor que a tensão procurada, este bit será mantido ligado. A seguir é feito o mesmo teste com o segundo bit mais significativo (em um contador de 8 bits, ele tem peso 64), depois com o próximo (peso 32), e assim por diante, até chegar ao bit menos significativo. Desta forma um conversor A/D de 8 bits realiza a conversão em apenas 8 ciclos ao invés de 256. Um conversor A/D de 16 bits fará a conversão em 16 ciclos, ao invés de 65.536. A rapidez da conversão depende portanto da eficiência do método de contagem binária. Conversores A/D usados em placas de som operam com a mesma velocidade dos seus conversores D/A, ou seja, até 44 kHz (44.000 conversões por segundo). Os conversores usados em placas digitalizadoras de vídeo trabalham com 8 bits e freqüências da ordem de 10 MHz, ou seja, fazem cerca de 10 milhões de conversões por segundo.

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Fonte de alimentação linear

A fonte de alimentação é um dispositivo que tem a mesma função que uma bateria. A diferença é que a energia elétrica não fica armazenada em células de voltagem (como ocorre com pilhas e baterias), e sim, é extraída da rede elétrica. Muitos aparelhos são alimentados diretamente a partir da rede elétrica, como é o caso de lâmpadas e motores. A voltagem da rede elétrica não é adequada para aparelhos eletrônicos, portanto esses aparelhos possuem fontes de alimentação. São circuitos que convertem a tensão da rede elétrica (110 volts em corrente alternada) para tensões adequadas ao seu funcionamento (em geral inferiores a 20 volts, em corrente contínua).A figura 73 mostra a diferença entre uma fonte de tensão contínua e uma alternada. Na fonte de tensão contínua (CC), a corrente trafega sempre no mesmo sentido. O valor da tensão é constante, e se ligarmos um circuito de características constantes, como lâmpadas e resistores, a corrente também será constante. Como já mostramos, existem dois terminais, o positivo e o negativo. Na fonte de corrente alternada (CA), a corrente trafega, ora em um sentido, ora em outro sentido. A fonte CA empurra e puxa a corrente, indefinidamente. A rede elétrica usada no Brasil opera com 60 ciclos por segundo, ou seja, empurra a corrente, depois puxa a corrente, e repete este ciclo 60 vezes a cada segundo. Dizemos que a tensão da rede é 60 Hz. Em alguns países,sobretudo na Europa, a rede opera com 50 Hz. O gráfico da tensão alternada tem a forma de uma senóide porque a geração é feita por eixos rotativos, existentes nos geradores das usinas de energia. Uma vantagem da tensão alternada é que pode ser facilmente convertida em valores mais altos ou mais baixos, através de transformadores, coisa que não pode ser feita tão facilmente com a corrente contínua. Uma fonte de alimentação recebe corrente alternada a partir da rede elétrica, com freqüência de 60 Hz e voltagem que pode ser de 110 ou 220 volts. Inicialmente esta tensão é reduzida para um valor menor, através de um transformador. Temos então corrente alternada, mas com um valor menor. Aseguir é feita uma retificação, que consiste em fazer a corrente trafegar sempre no mesmo sentido. O próximo passo é a filtragem, e finalmente a regulação. A figura 74 mostra as etapas da geração de tensão contínua em uma fonte.As fontes que operam como motramos na figura 74 são as chamadas “fontes lineares”. Sua principal desvantagem é que requerem transformadores muito pesados para fazer a redução de voltagem, e capacitores muito grandes para fazer a filtragem. São adequadas quando a potência a ser fornecida (potência = tensão x corrente) é pequena. Os chamados “adaptadores AC”, usados

para alimentar caixas de som e dispositivos que não possuem fonte própria, consomem pouca potência. Eles são na verdade fontes lineares de alimentação, com operação similar ao mostrado na figura 74.

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Fonte de alimentação chaveada

Tanto os transformadores quanto os capacitores usados nas fontes de alimentação poderiam ser bem menores se a freqüência da rede elétrica fosse mais elevada, ao invés de operar com apenas 60 Hz. Por isso foram criadas as fontes chaveadas, utilizadas nos PCs e em todos os equipamentos eletrônicos modernos. Elas não necessitam de tranformadores e capacitores grandes, e por isso podem fornecer muita potência, porém mantendo peso e tamanho reduzidos.Não existe dificuldade técnica na retificação de tensões elevadas. Quanto à filtragem, podem ser usados capacitores de menor valor, pois a corrente é mais baixa, apesar da tensão ser elevada. O resultado é uma tensão contínua de valor elevado. Esta tensão passa por um transistor de chaveamento que a transforma em uma onda quadrada de alta freqüência, entre 100 e 200 kHz. Este transistor opera como uma chave elétrica que abre e fecha o circuito para a passagem de corrente, em alta velocidade. Esta onda quadrada passa por um transformador e tem sua tensão reduzida, porém com valor de corrente maior. Este transformador pode ser pequeno, já que opera com freqüência muito mais elevada, e quanto maior é a freqüência, maior é a facilidade que um transformador tem para fazer o seu trabalho. Temos então uma corrente alternada, mas com amplitude menor e freqüência maior. Esta corrente é retificada e filtrada, desta vez usando capacitores de menor tamanho, já que a filtragem também é facilitada pela freqüência elevada. Finalmente temos a etapa de regulação, na qual imperfeições são eliminadas, resultando em um valor constante na saída. Uma fonte de alimentação usada em um PC possui várias seções para a geração dos diversos valores de voltagem.

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Fabricação de Placas

Vamos completar nossas noções sobre eletrônica mostrando como funciona uma linha de montagem para a fabricação de placas. Essas informações puderam chegar a você graças à cortesia da Asus do Brasil e da Itautec. Naverdade a linha de montagem de placas da Asus é de propriedade da Itautec. As placas lá produzidas são utilizadas nos PCs da Itautec e o excedente é usado para abastecer o mercado de varejo. Outros fabricantes de placas de CPU também possuem fábricas no Brasil, como FIC e Gigabyte. Outros fabricantes estão representados na Zona Franca de Manaus. Todo o piso da fábrica é pintado com tinta dissipativa anti-estática, e os funcionários utilizam “calcanheiras”. São presas aos pés e dissipam rapidamente para a terra quaisquer cargas eletrostáticas. Os fabricantes sabem que a eletricidade estática danifica os componentes eletrônicos. Pena que os lojistas, usuários e boa parte dos técnicos não tomam o mesmo cuidado. Para entrar na linha de montagem é preciso pisar em uma espécie de “balança” para medir se a dissipação da calcanheira anti-estática está funcionando bem.A Asus envia diretamente de Taiwan os kits de componentes para a montagem de placas, a começar com as placas de circuito propriamente ditas, ainda sem os componentes. Neste ponto as placas possuem apenas as trilhas de circuito impresso, os furos metalizados e a serigrafia. Placas de expansão (vídeo, por exemplo), são fornecidas em grupos de 4. As máquinas montam simultaneamente 4 placas de cada vez, e ao final do processo de montagem, as 4 placas são separadas.A primeira etapa da montagem é a aplicação da pasta de solda. É uma espécie de “cola” impregnada por minúsculas esferas de solda em estado sólido. A aplicação é feita pela primeira máquina da linha. A pasta é aplicada em todos os pontos de soldagem. Esses pontos de soldagem já são previamente estanhados nas placas de circuito impresso. A máquina que aplica pasta de solda move a placa e localiza 4 pontos de referência, fazendo assim um alinhamento. Uma vez com a placa devidamente alinhada, a pasta de solda é aplicada nos pontos de soldagem. É um processo similar ao de uma impressora a jato de tinta, exceto que ao invés de tinta temos a pasta de solda.É preciso checar a espessura da camada de pasta de solda, que deve estar dentro de parâmetros máximo e mínimo apropriados. Pode ser preciso descartar algumas placas até que esta máquina esteja regulada.Ao sair da primeira máquina que faz a aplicação da pasta de solda, as placas passam por duas outras máquinas muito interessantes. Elas fazem a colocação automática dos componentes eletrônicos SMD (montados na superfície). A pasta de solda fica entre a placa e o componente. Mais adiante, um forno derreterá a solda e fixará os componentes SMD.As máquinas da linha de montagem são conectadas entre si, formando uma seqüência. Ao sair de cada máquina, a placa é transportada através de uma esteira para a máquina seguinte. Na figura 81 vemos ao fundo a máquina que aplica pasta de solda, seguida pela primeira máquina de inserção de componentes SMD.É muito interessante ver os componentes sendo colocados na placa. A máquina de inserção usada na linha de montagem da Asus faz a colocação de 40.000 componentes por hora, cerca de 11 por segundo. No seu interior existe um enorme tambor rotativo com várias cabeças. Cada cabeça é alimentada com um tipo de componente. Por trás deste tambor existem vários carretéis com os componentes a serem inseridos. Cada placa que entra na máquina é movimentada rapidamente sob o tambor, e suas cabeças colocam precisamente cada componente em seu lugar. Uma placa leva cerca de 3 minutos para receber os componentes. A primeira máquina de inserção coloca capacitores, resistores, diodos e transistores. FiguraTerminado o trabalho da primeira máquina de inserção, as placas entram na segunda máquina, onde vão ser colocados os chips SMD (chipset, super I/O, chips MSI e SSI).Na segunda máquina existem braços mecânicos que rapidamente e precisamente colocam os chips nos seus lugares. Depois de receber todos os componentes SMD, as placas passam por um forno que aumenta lentamente sua temperatura até 70 graus, e depois as resfriam gradualmente até a temperatura ambiente, para evitar trincamentos e problemas de soldagem. Nesta etapa as minúsculas partículas de solda encontradas na pasta de solda são derretidas e fazem a fixação elétrica dos componentes SMD.Na próxima etapa as placas são testadas para verificar se todas as ligações eletrônicas estão corretas. É verificado se existem circuitos em aberto ou curto-circuitos. Isto é feito em poucos segundos através de um equipamento de medição. Ele utiliza uma espécie de “cama de pregos”, com centenas de agulhas que fazem contato com todos os pontos a serem medidos, e em poucos segundos verifica se está tudo corretamente ligado. Este equipamento possui módulos removíveis, um para cada modelo de placa.

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A fase de inserção manual de componentes

Neste momento as placas estão com todos os componentes SMD em seus lugares. A seguir são colocados os componentes que não são SMD, como os slots, conectores e soquetes. Esses componentes são encaixados nos furos da placa de circuito. Sua inserção é feita manualmente em uma linha de várias montadoras (agora são pessoas, não máquinas), cada uma responsável pela colocação de um grupo de componentes.As placas são movimentadas por uma esteira ao longo de uma seqüência de montadoras.Depois de passar por todas as montadoras, as placas já estarão com os slots, soquete do processador, soquetes das memórias, bobinas, capacitores, reguladores de voltagem e soquetes para jumpers.Terminada a colocação de todos os componentes, as placas entram em um outro forno onde recebem um “banho de solda” na sua parte inferior, fixando os componentes nos furos de soldagem. Note que este forno é bastante diferente do primeiro. Na fixação dos componentes SMD, apenas é aplicado calor, que faz a pasta de solda derreter, fixando os componentes. Neste segundo forno não existe pasta de solda, e sim uma “piscina” de solda em estado líquido. As placas são movidas pela superfície desta solda, e ao saírem do outro lado, a solda é solidificada, fixando todos os componentes desta etapa.Ao sair do banho de solda, as placas estão totalmente montadas, mas ainda não liberadas para uso. Passam por outro equipamento testador (cama de pregos) para a verificação dos contatos relativos aos componentes recém soldados. É feita a colocação do BIOS para que sejam finalmente levadas ao último teste. Há alguns anos atrás, o BIOS era armazenado em ROM, produzidas aos milhares e já com o programa gravado. Atualmente é usada a Flash ROM, que deve ser gravada na fábrica.Passando pela “cama de pregos”, o BIOS é instalado. As placas vão à última bancada, onde é feito o último teste. As placas são ligadas em um teclado, monitor, disco rígido e demais componentes que formam um PC. É feito um rápido boot e é executado um programa de diagnóstico para verificar seu funcionamento.

/////////// FIM /////////////////

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Saudades dos alunos de Blumenau

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Só Rindo mesmo

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Tomada para o Computador

Computadores podem funcionar com tomadas residenciais. Entretanto podem funcionar melhor ainda e ficarem protegidos de possíveis problemas elétricos se for utilizada uma instalação apropriada para computadores. A instalação é baseada no uso da "tomada de 3 pinos" (figura 1), também conhecida como "tomada 2P+T". Possui três terminais: FASE, NEUTRO e TERRA. Deve ser lembrado que o computador foi projetado para operar com a tomada 2P+T, e não com a comum. A maioria das empresas fabricantes de equipamentos para computação proíbe a instalação de seus produtos até que a tomada 2P+T esteja disponível no local. Muitas outras anulam a garantia do equipamento em caso de uso da instalação elétrica incorreta. Esta tomada pode ser adquirida em lojas especializadas em material para instalações elétricas (ref. PIAL 54.313). Caso não exista uma tomada deste tipo instalada no local onde ficará o computador, deve ser providenciada sua instalação conforme descrevo nesse capítulo. Muitas vezes o usuário, na ansiedade de ver o computador funcionando, não toma o cuidado devido com a instalação elétrica e usa adaptadores ou retira o pino de terra da tomada do computador e utiliza uma tomada comum (própria para eletrodomésticos) como indicado na figura 2. Figura Apesar de funcionarem, as instalações da figura 2 podem causar a médio ou longo prazo vários problemas ao computador:

a) O computador pode "dar choque" no usuário.

b) Pode ocorrer um curto circuito quando o computador for conectado a outro equipamento como um monitor, uma impressora ou à linha telefônica através de modem.

c) Em caso de defeito na fonte de alimentação, as placas podem ficar definitivamente danificadas apesar da existência do fusível.

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Aterramento

Os equipamentos recebem a energia elétrica através dos fios fase e neutro. O terceiro fio, o terra, é apenas ligado à carcaça externa do equipamento. No fio terra não existe a alta corrente que passa pelos dois outros fios. O objetivo do terra é manter a carcaça externa do equipamento ligada a um potencial ZERO, o mesmo do solo, evitando que o usuário tome choques e fazendo com que cargas estáticas não se acumulem no equipamento, sendo rapidamente dissipadas para o solo. A figura 3 mostra as ligações do computador na rede elétrica. A nergia chega da concessionária em três fases e um neutro. Entre o neutro e cada uma das fases existe uma tensão de 127 volts (que chamamos informalmente de “110”, mas na verdade são 127 volts). As três fases são senóides com diferença de fase de 120, o que resulta em exatamente 220 volts entre duas fases diferentes. Desta forma é possível obter tanto 110 volts (que na verdade são 127 volts) como 220 volts. Para obter 220 volts, basta usar duas fases diferentes. Em instalações de 127 volts, usamos dois fios: um fase e o fio neutro. O neutro normalmente é aterrado no poste. Este aterramento consiste em uma longa barra de cobre fincada no solo. Isto garante que o potencial do fio neutro é praticamente o mesmo da terra. Além desta ligação, o fio neutro costuma também ser aterrado na caixa de disjuntores. Partindo deste quadro de disjuntores, temos além dos fases e do neutro, um fio de terra. Este fio é ligado ao neutro no próprio quadro de disjuntores. Os três fios caminham juntos até a tomada do computador. Nas redes elétricas de 220 volts, as conexões são um pouco diferentes. Os três fios que chegam à tomada são o terra e dois fases. Nesse caso não é usado o neutro, toda a corrente passa entre as duas fases. O fase e o neutro (ou os dois fases, no caso de instalações de 220 volts) chegam à fonte de alimentação. O terra é ligado na carcaça do equipamento, e também no terminal negativo da fonte de alimentação. Em uma situação ideal, tanto o terra quanto o neutro que chegam ao equipamento têm uma tensão de 0 volts, e o fase apresenta uma tensão de 127 volts. Na prática isso infelizmente não ocorre. O primeiro problema é que devido ao uso de fiação inadequada (fios muito finos) e emendas nos fios, surge uma pequena queda de tensão ao longo dos fios. Na figura 4, estamos exemplificando uma situação crítica, na qual tanto o neutro como o fase sofrem uma queda de 10 volts. Sendo assim a tensão que chega ao neutro do computador seria de 10 volts, e a tensão no fase seria de 117 volts. A tensão aplicada ao computador seria portanto de 117-10 = 107 volts. Este valor é 15% inferior ao normal, que seriam 127 volts. Em geral a fonte de alimentação consegue operar com esta baixa tensão, mas a mínima queda na tensão da rede será suficiente para fazer o computador travar. Este problema pode ser resolvido com o uso de uma fiação melhor, ou então usando um estabilizador de voltagem. O outro problema mostrado na figura 4 é a falta de aterramento. O computador funcionará, mas a sua carcaça perderá a referência de tensão. Uma mínima fuga de corrente em um transformador da fonte ou do monitor será suficiente para induzir uma tensão elevada na carcaça, dando choque no usuário.
Existem 3 formas de resolver o problema, como vemos na figura 5. Além de instalar uma tomada de 3 pinos para o computador, devemos providenciar a ligação de um fio de terra:

a) Ligar o fio de terra desde esta tomada até o quadro de disjuntores.
b) Ligar o fio de terra em um cano de ferro ou vergalhão, na parede ou no chão, próximo ao computador.
c) Ligar o terra no neutro.

A melhor solução é ligar o fio de terra até o quadro de disjuntores, já que o mesmo é provavelmente aterrado. Mesmo que não seja aterrado, a ligação do fio neutro entre o quadro de disjuntores e o poste é feita por um fio de bitola larga, produzindo queda de tensão muito pequena, portanto o neutro neste ponto tem praticamente o mesmo potencial da terra. Um bom eletricista poderá fazer esta instalação, passando este novo fio pela tubulação, desde a tomada do computador até o quadro geral. Quando existem vários computadores em uma ou mais salas, é preciso que este fio de terra passe por todas as tomadas onde serão ligados computadores e equipamentos de informática. Outra solução aceitável é quebrar o chão ou a parede e procurar um vergalhão ou cano de ferro. Canos de cobre da tubulação de água também podem ser usados. É preciso então soldar neste cano ou vergalhão, um fio que será usado como terra. Este fio de terra pode ser estendido pelas demais tomadas onde serão ligados computadores e equipamentos de informática. Será então preciso contar com os serviços de um eletricista/pedreiro/soldador. E um pintor para arrumar tudo no final. A terceira solução também é aceitável, mas tem algumas desvantagens. Muitos eletricistas mais rigorosos a condenam. Consiste em interligar na própria tomada, os fios terra e neutro. Vimos que o neutro tem o mesmo potencial que a terra, pelo menos no poste e no quadro de disjuntores. Devido a quedas de tensão ao longo da fiação, o potencial elétrico do neutro pode ser elevado, fazendo com que este ponto seja um terra ruim. Ainda assim é aceitável para instalações onde existe um único computador e que não esteja ligado em rede a outros computadores. Portanto este método tem a desvantagem de manter a carcaça do computador em um potencial baixo porém elevado para um terra. Com 10 volts não chegamos a sentir choque, e com tensões acima deste valor o próprio computador terá dificuldades de funcionar, mesmo sem o aterramento. Um outra desvantagem deste método é que se algum eletricista distraído fizer alterações na instalação elétrica e inverter os fios fase e neutro, a carcaça do computador ficará ligada ao fase, resultando em um grande choque no usuário. Apesar de menos recomendável, ligar o terra no neutro é o método menos trabalhoso, e seu uso é válido desde que:

1) A queda de tensão no neutro não seja superior a 5 volts. Isso normalmente ocorre, e pode ser confirmado com um multímetro. Para fazer a medida, ligue todos os equipamentos elétricos do local onde está o computador, acenda todas as luzes e o ar condicionado. Use um fio longo para medir a tensão AC entre o neutro da tomada e o neutro no quadro de disjuntores. Verifique se esta tensão é inferior a 5 volts.

2) Também é necessário que este método não seja aplicado para computadores que estejam ligados em rede. É preciso utilizar uma única tomada para ligar o computador e todos os seus periféricos.

3) Lembre-se que não pode ser feita inversão entre os fios fase e neutro, portanto tome cuidado com o trabalho de pedreiros e eletricistas distraídos. Vamos então mostrar como é feita a ligação C, ou seja, ligando o neutro com o terra. Se você quiser fazer melhor, pode ligar o terra no quadro de disjuntores (método A) ou em um vergalhão ou cano de metal (método B).

Seja qual for o caso, você precisará do seguinte material:

- Alicate de corte e alicate de bico
- Fita isolante
- Fio bitola 16
- Chave de fenda
- Testador NEON

O testador NEON é necessário para identificar qual é o fio fase da tomada. O testador tem dois terminais. Um você deve segurar com a mão, e com a outra mão tocar no chão ou na parede.

O outro terminal deve ser ligado ao fio da tomada. Se a lâmpada NEON acender, então o fio é o FASE. A figura 6 mostra dois tipos de testadores NEON. Um deles tem a lâmpada no centro e dois fios que correspondem aos terminais. O outro é uma chave de fenda com uma lâmpada neon no interior. Segure no terminal 2 e toque o terminal 1 no fio a ser testado.

Siga o seguinte roteiro:

1) Desligue a chave geral que alimenta a tomada de dois pinos.

2) Desmonte a tomada de dois pinos e separe seus dois fios. Os dois fios devem ter suas extremidades desencapadas como mostra a figura 7 Cuidado para não encostar um fio no outro, o que causaria um curto circuito.

3) Ligue chave geral.

4) Com um testador neon identifique qual dos fios é o FASE e qual é o NEUTRO. Coloque uma indicação nos fios, por exemplo, uma etiqueta.

5) Desligue novamente a chave geral

6) Faça a ligação dos fios na tomada de 3 pinos, como mostra a figura 7.

7) Ligue um pedaço de fio entre o TERRA e o NEUTRO.

8) Use fita isolante para envolver as conexões, evitando assim possíveis curtos-circuitos.

9) A tomada deve ser aparafusada em sua caixa na parede e sua tampa (conhecida como "espelho") deve ser colocada. O computador pode ser ligado diretamente a esta tomada na parede. Se for usado um estabilizador de voltagem, este deve ser ligado à tomada da parede e o computador fica ligado no mesmo, como indica a figura 8.

O ideal é que a ligação entre o terra e o neutro seja feita em uma única tomada, e que todos os equipamentos sejam ligados nesta tomada, através de estabilizador ou extensão de tomadas. Se for preciso fazer esta instalação em duas ou mais tomadas de uma mesma sala, faça a ligação entre terra e neutro apenas na tomada que estiver mais próxima do quadro de disjuntores. Nas demais tomadas, não ligue o terra no neutro. Ao invés disso, puxe o fio “terra” da primeira tomada até as demais tomadas.

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Análise do Aterramento

Vejamos agora os efeitos do consumo de corrente sobre as tensões da rede, tensão do neutro e aterramento. A figura 9 mostra duas situações. Em (A), os computadores e equipamentos estão todos desligados, e em (B) estão todos ligados. Usamos exemplos reais da instalação de um pequeno CPD em uma sala, com 5 computadores, 5 monitores duas impressoras a jato de tinta e uma impressora a laser. O ponto indicado como (1) é o quadro de disjuntores. Neste ponto existe um aterramento, porém a tensão entre o fase e o neutro não é exatamente 127 volts. O valor medido foi 122,4 volts, causado por queda de tensão na fiação que vai do poste até o quadro de disjuntores. O ponto (2) é a primeira tomada da sala onde estão os computadores. Levamos em conta a tomada que tem um caminho mais curto em metragem de fios até o quadro de disjuntores. O ponto 3 é a tomada onde está efetivamente ligado o computador. Em um caso particular esta tomada pode ser a mesma do ponto (2), mas estamos levando em conta o caso geral, no qual podemos ligar os equipamentos em uma tomada mais distante, ou depois de extensões. Na situação A os equipamentos estão desligados. Sendo assim não existe corrente elétrica entre os pontos 2 e 3. As mesmas tensões medidas em (2) são também medidas em (3). Note ainda que a tensão entre fase e neutro no ponto (2) é de 121,2 volts, e não 122,4 volts. Esta diferença de 1,2 volts existe devido à queda de tensão na fiação entre os pontos 1 e 2. Este queda existe porque ao longo deste trecho existem outros dispositivos consumindo corrente, como lâmpadas, geladeira, cafeteira ou qualquer outro tipo de carga. Esta queda de tensão é distribuída em duas partes iguais, uma no fio fase e outra no neutro (isto ocorre desde que ambos os fios usem a mesma bitola, o que é normal). Sendo assim existe uma queda de tensão de 0,6 volts no neutro e no fase. Se tivéssemos um terra perfeito no ponto (3), obtido por exemplo por uma ligação com um vergalhão ou cano de ferro, mediríamos uma tensão de 0,6 volts no neutro. O neutro teoricamente deveria ter uma tensão de 0 volts, mas devido à queda de tensão ao longo da fiação, acaba apresentando alguma voltagem, apesar de pequena. Na situação (B), todos os equipamentos foram ligados, resultando em uma carga total de cerca de 2000 watts. A corrente na fiação é agora maior, e existe maior queda de tensão. O trecho 2-3 no nosso exemplo é formado por 20 metros de fio bitola 16, ao longo dos quais existem as tomadas ligadas aos equipamentos. As medidas de tensão foram feitas no computador ligado à última tomada, no qual a queda de tensão é maior. Note que devido à maior corrente, a tensão entre o fase e neutro na primeira tomada caiu para 118,2 volts, e na última tomada, para 116,8 volts. Essas reduções ocorrem devido às quedas de tensão ao longo da fiação, que agora são de 2,1 volts no trecho
1-2 e 0,7 volts no trecho 2-3. Observe que a queda em 2-3 foi bem menor que em 1-2, devido ao uso do fio 16, bem adequado para a carga utilizada. A fiação antiga, no trecho 1-2 é a responsável pela maior queda. Observe agora a tensão no neutro do último computador. É igual à soma das quedas de tensão ao longo do fio neutro nos trechos 1-2 e 2-3, ou seja, 2,8 volts. Com mais 2,8 volts de queda ao longo do fase, são ao todo 5,6 volts de queda. A tensão entre fase e neutro que sobra para o último computdor é de apenas 116,8 volts, mas ainda é suficiente para manter o computdor funcionando. Esta análise de um caso real exemplifica dois fatos importantes em uma
instalação elétrica:

1) As quedas de tensão ao longo da fiação resultam em uma tensão menor entre fase e neutro no aparelho ligado à rede.

2) O potencial do fio neutro, que teoricamente é zero, apresenta na prática um valor maior, devido às quedas de tensão ao longo da fiação.

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Medindo a Tensão do Neutro

A tensão no neutro é normalmente inferior a 5 volts, exceto em instalações elétricas muito ruins. Podemos medir esta tensão de duas formas:
Medição direta – encontre um ponto de fererência que possa ser usado como terra. Pode ser a carcaça metálica interna da tomada (em construções antigas era usadam usados eletrodutos e caixas de metal, atualmente são de plástico), ou um cano de cobre da tubulação de água, ou um vergalhão. Se não for possível encontrar tal ponto de referência, será preciso ligar um fio no neutro do quadro de disjuntores e levar a outra extremidade até a tomada na qual o neutro vai ser medido. Seja qual for a referência, use agora um multímetro em escala AC para medir a são entre este terra e o neutro. Esta medição deve ser feita com todos os equipamentos ligados, pois é nessa situação quando ocorre maior variação de tensão no neutro. Medição indireta – Este método pode apresentar um pequeno erro, mas é de utilização bem mais simples. Meça a tensão entre fase e neutro no quadro de disjuntores. Também com todos os equipamentos ligados, meça a tensão entre o fase e o neutro na última tomada da cadeia. Subraia esses valores e divida o resultado por 2. Na figura 9, as tensões medidas foram de 122,4 volts no quadro de disjuntores e 116,8V na última tomada. A diferença é 5,6 volts, que divididos por 2 resultam nos 2,8 volts, exatamente o potencial do neutro obtido por medição direta.

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O uso do neutro como terra (um perigo)

A utilização do fio neutro como terra é condenada pelos eletricistas mais rigorosos. Apesar disso ela cumpre o papel básico do aterramento: mantém a carcaça em um pontencial baixo, de apenas alguns poucos volts. É correto porém que este tipo de ligação tem problemas que a deixam longe do ideal:

a) A tensão do neutro pode ser elevada, caso exista queda de tensão muito grande ao longo da fiação. No nosso exemplo medimos 2,8 volts, mas em instalações ruins, esta tensão pode ser maior.

b) Quando existem interferências na rede elétrica, que são sobrepostas ao fase e ao neutro, essas interferências são automaticamente transmitidas para o terra, portanto termos um terra “contaminado” por interferênicas.

c) Se um eletricista distraído inverter as posições do fase e do neutro, teremos o fase ligado ao terra.

d) Este tipo de conexão não é recomendável quando precisamos conectar equipamentos em rede, em salas diferentes, pois a diferença entre as tensões dos neutros resultará em diferença entre os terras.

e) A eficiência dos filtros de linha será reduzida. Você poderá utilizar a ligação do neutro ao terra, desde que esteja a par desses problemas. Se for o caso, meça a tensão do neutro e não o use como terra se sua tensão for superior a 5 volts. Em caso de travamentos, podem estar sendo causados por interferências na rede e transmitidas ao terra. Preste atenção ao trabalho de eltricistas, verifique se os fios não são invertidos. Use somente quando todos os equipamentos estiverem ligados na mesma fiação. Se você tiver condições, dê preferência ao uso dos outros dois métodos de aterramento descritos aqui: usar um vergalhão / cano de metal ou puxar um fio de terra desde o quadro de disjuntores até os equipamentos.

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Filtros de Linha

Encontramos com facilidade no comércio, extensões de tomadas para PCs conhecidas popularmente como “fitros de linha”. Ao comprar um desses dispositivos, o usuário normalmente pensa que seu PC estará protegido contra problemas nas rede elétrica. Está enganado. A proteção oferecida por esses aparelhos é pouca ou nenhuma. O objetivo de um filtro de linha é proteger os equipamentos de certos problemas nas rede elétrica. Os surtos de tensão são os mais perigosos, e podem causar danos ao computador e seus periféricos. São elevações bruscas de tensão, com curtíssima duração. Esses surtos podem ser eliminados por um componente chamado Meta-Oxide-Varistor (MOV). Trata-se de um dispositivo semicondutor que contém um grande número de junções PN, cada uma delas sendo capaz de absorver uma tensão de 0,7 volts. Quando são ligadas em série, essas junções tomam para si o excesso de voltagem que deveria ser entregue à carga, protegendo-a. Esses componentes são encontrados em vários dispositivos, como filtros, estabilizadores e fontes de alimentação. Existem ainda inerferências de alta freqüência induzidas na rede elétrica que podem causar mal funcionamento nos computadores. Essas interferências têm tensões moderadas, portanto não podem ser eliminadas pelos varistores. É necessário utilizar filtros, formados por capacitores e bobinas. Existem filtros de linha que possuem apenas varistores, não sendo portanto capazes de filtrar interferências. Existem modelos que possuem apenas capacitores e bobinas, sendo portanto capazes de eliminar as interferências mas inúteis contra surtos de tensão. Existem modelos que possuem ambos os tipos de proteção. Um exemplo de filtro que tem ambos os tipos de proteção são os da série Multifiltro, fabricados pela TS Shara. Existem ainda modelos que possuem proteção para a linha telefônica, contendo dois conectores RJ-11, sendo um para ligar na linha telefônica e outro para ligar no modem ou aparelho de fax. Este recurso é altamente recomendável. Devido à ineficiência de muitos filtros existentes no Brasil, sobretudo os mais baratos, devemos considerá-los como simples extensões de tomadas. Para ter melhores níveis de proteção devemos utilizar estabilizadores de voltagem, e preferencialmente, no-breaks.

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Estabilizador de Voltagem

Para maior proteção do computador contra interferências elétricas, surtos de tensão na rede, transientes e ruídos elétricos diversos é aconselhável o uso do estabilizador de voltagem. O estabilizador consiste em um transformador controlado eletronicamente, acoplado a um filtro de linha. Mantém a tensão estável e livre da maior parte dos problemas de ordem elétrica que possam ocorrer. Normalmente utiliza-se um estabilizador de 1000 V.A. (1 kVA). Esse estabilizador tem potência suficiente para alimentar o computador, impressora (matricial ou a jato de tinta) e monitor VGA.

As vantagens do uso de estabilizador são as seguintes:

 Proteção contra sobretensão na rede.
 Mantém o funcionamento normal mesmo com tensão instável.
 Proteção contra interferências que normalmente travariam computador
 Evita problemas no disco rígido causados pela rede elétrica.

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Cálculo da potência do estabilizador

Nas lojas de material para informática serão encontrados estabilizadores com várias potências: 500, 800, 1000 1500 e 2000 V.A. (Volt-Ampère). É preciso saber qual o mínimo valor a ser usado em uma instalação, já que depende dos equipamentos que serão ligados. Muita confusão existe, pois normalmente os estabilizadores e no-breaks têm suas potências indicadas em V.A. e não em watts. Essas grandezas são relacionadas pela seguinte fórmula:

O fator de potênica é um número menor que a unidade, e pode assumir valores diversos, dependendo do equipamento. Entretanto, podemos usar com grande margem de segurança o valor 0,7. O rendimento é um valor normalmente próximo de 0,9 e serve para fazer a conversão entre potência útil (interna) e potência consumida, que é o que realmente interessa para o estabilizador. Deve ser usado apenas para calcular a potência consumida pelo computador, e não pelos periféricos. Isto se deve ao fato da fonte de alimentação ter sempre especificada sua potência útil, e não o seu consumo. Por exemplo, uma fonte de 200 watts para fornecer a sua potência máxima precisa consumir cerca de 220 watts, supondo um rendimento típico de 90%. Já uma impressora ou um monitor têm especificados em seus manuais a potência consumida, por isso o rendimento não entra no cálculo. Vejamos alguns exemplos de potência em watts de vários equipamentos e a quanto correspondem as potências em V.A., em valores aproximados:

Equipamento Potência em watts Potência em V.A.

Computador 250 W 400 VA

Monitor 100 W 140 VA

Impressora Matricial 50 W 70 VA

Impressora a jato de tinta 30 W 42 VA

Impressora LASER 600 W 840 VA

Os valores apresentados na tabela são casos típicos. Para saber o valor da potência em watts de seus equipamentos, devem ser consultados os seus manuais. Caso você não possua os manuais, pode usar como aproximação os valores citados aqui, pois estamos usando uma boa margem de segurança. Por exemplo, supondo um computador equipado com um monitor e uma impressora a jato de tinta, temos então uma potência total de:

COMPUTADOR: 400 VA
MONITOR: 140 VA
IMPRESSORA: 42 VA

------------------

TOTAL: 582 VA

O valor total não deve ultrapassar a 90% da potência do estabilizador. Por exemplo, em um estabilizador de 800 VA podemos ligar equipamentos que não ultrapassem 720 VA (800 x 0,9). Observe que existe uma grande margem de segurança neste cálculo. O computador normalmente não exigirá 400 VA, pois a fonte de alimentação estará sempre fornecendo um valor inferior à sua potência máxima. A seguir apresentamos uma tabela que indica a potência consumida por cada dispositivo de um PC. Todos os dispositivos descritos recebem energia da fonte de alimentação. Você poderá desta forma calcular com boa aproximação a potência que sua fonte fornece. Em todos os valores abaixo, estamos adicionando uma boa margem de segurança.

Placa de CPU 20 watts
Processador 20 a 50 watts
Placa de expansão, exceto vídeo 3D 5 watts
Placa de vídeo 3D 10 – 50 watts
Drive de disquetes 5 watts
Disco rígido IDE 5 a 15 watts
Drive de CD-ROM 10 a 20 watts
Teclado 3 watts
Mouse 2 watts

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Funcionamento de um Estabilizador

A figura 13 mostra o diagrama simplificado de um estabilizador de voltagem. A entrada passa por um circuito de filtragem e supressão de surtos, portanto cumpre o papel de um bom filtro de linha, além de estabilizar a voltagem. A estabilização é conseguida graças ao transformador. Este componente gera uma tensão na sua saída, proporcional à tensão de entrada e à relação entre o número de espiras dos enrolamentos primário e secundário. Por exemplo, em um transformador de 110 para 220 volts, o secundário deve ter um número de espiras duas vezes maior (na verdade o número de espiras é 73% maior, se lembrarmos que a tensão de “110” é na verdade, 127 volts. Circuitos de controle monitoram continuamente as tensões de entrada e de saída do estabilizador. Quando ambas as tensões estão dentro de uma faixa aceitável, o transformador opera com a relação de espiras 1:1 entre o primário e o secundário. Dois relés R1 e R2 controlam o número de espiras do primário. Para obter a relação 1:1, o relé R2 fica aberto (desligado) e o relé R1 fica fechado (ligado), interligando os pontos A e B. Quando a tensão da rede aumenta, é preciso aumentar o número de espiras do primário, fazendo com que o ganho do transformador seja menor que 1. Isso é conseguido com a abertura do relé R1. Quando a tensão da rede cai, é preciso que o transformador tenha um ganho maior que 1, ou seja, que o número de espiras do primário seja menor que do secundário. Isso é conseguido com o fechamento (ligamento) do relé R2, conectando os pontos B e C. Estabilizadores mais elaborados possuem quatro relés, sendo dois para aumentar e dois para reduzir a relação de espiras. Todo estabilizador permite que a tensão de saída varie dentro de uma certa faixa de tolerância. Quando a tensão sai desta faixa, os relés são acionados para corrigir o problema. A função básica é fazer com que a variação da tensão na saída seja pequena, mesmo quando a variação na tensão de entrada é grande. A maioria dos aparelhos eletrônicos permite uma variação de 10% na tensão de entrada. Um bom estabilizador garante uma flutuação em torno de 5%, mesmo que a tensão da rede tenha uma variação alta, como 15%. Em outras palavaras, a rede poderia variar 15%. O computador tolera no máximo 10%, mas com o estabilizador, esta variação é reduzida para apenas 5%, fazendo com que o computador funcione normalmente.

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No-break

O no-break é um estabilizador acoplado a uma bateria. Dependendo do tipo
de no-break, a bateria pode funcionar continuamente ou pode entrar em ação apenas quando existe uma interrupção no fornecimento de energia elétrica. Essa bateria fornece tensão que é amplificada e transformada em 110 ou 220 volts para que o computador possa continuar funcionando, pelo menos o tempo necessário para salvar o trabalho que estava sendo feito. Existem diversos tipos de no-breaks que podem fornecer energia por um período de 2 a 120 minutos, dependendo da capacidade de carga da bateria interna. Existem modelos que fornecem energia por um período de algumas horas, mas seu custo é bem maior. O termo “no-break” é pouco usado no exterior. Nos Estados Unidos é usado o termo UPS (Uninterruptible Power Supply). O no-break é uma grande segurança para o computador, e uma garantia de que o trabalho não será perdido por interrupção na energia elétrica. O grande problema é que seu custo é relativamente alto, correspondendo a cerca de 30% do preço de um computador. Muitas vezes, por restrições de custo, prefere-se correr o risco calculado de perder algum arquivo, recuperando parte do trabalho perdido através de backups. O usuário deve levar em conta se vale a pena pagar o preço de um no-break ou correr o risco de perder um dia ou algumas horas de trabalho.

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