Aula Introdutória - Ciência da Computação FACAPE

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.
Laboratório de Circuitos Digitais
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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)
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Resistor
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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
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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.
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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:
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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.
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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.
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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.
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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 LEDs que emitem luz vermelha, verde, amarela
e azul.
Existem LEDs que emitem luz infravermelha usados em
sistemas de alarme.
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LED
Existem ainda os LEDs que emitem luz vermelha ou verde
(bicolores), dependendo do sentido da corrente.
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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 Lab nos 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
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Transistor
Existem vários tipos de transistores pra diversos fins.
Quanto ao sentido da corrente, os transistores são
classificados como NPN ou PNP.
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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.
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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 datasheet do componente
eletrônico que se usar no circuito.
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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
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Baixo ativo
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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
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Resistores de Pull Up e Pull Down
Técnica largamente utilizada em circuitos eletrônicos
digitais com microcontroladores para 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 pull up ou pull down em
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
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Protoboard (Matriz de Contatos)
Protoboard é 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.
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Protoboard (Matriz de Contatos)
Os contatos metálicos estão em diferentes sentidos
na matriz.
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Kit Educacional Exsto XD102
Os kits da Exsto são produtos de alta qualidade e
tecnologia de ponta.
O kit educacional XD102 será de grande auxílio no
aprendizado e desenvolvimento de sistemas digitais.
A Exsto Tecnologia 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.
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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.
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Módulo da Fonte
O kit possui uma fonte de alimentação fornecendo quatro
valores de alimentação fixa (+5VDC, -12VDC, +12VDC e
+15.5VDC) e uma alimentação variável (0 a 12VDC).
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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.
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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
+5VDC em suas saídas.
Para cada chave há um LED indicador de seu status.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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