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sábado, 29 de agosto de 2009

Circuitos Impressos e Integrados em Computadores

Para entendermos o que são precisaremos recuar até um tempo em que eles não existiam, a época das nossa velhas conhecidas válvulas. Mas não chegamos a mencionar os circuitos onde elas eram inseridas, os primeiros circuitos “eletrônicos” (sim, as válvulas deram origem à eletrônica). Como seriam estes circuitos?

Certamente bastante diferentes dos circuitos modernos. Veja, na Figura 1, o aspecto de um típico rádio de válvulas dos anos quarenta (do século passado, naturalmente; o diagrama do circuito pode ser encontrado na mesma página do Dave Schmarder). Trata-se de um rádio de três válvulas mostrado sem a caixa. Note na parte superior da figura como, vista de cima, a montagem parece “limpa” no chassis metálico. Agora repare na parte de baixo, uma vista inferior do mesmo chassis: a montagem torna-se um emaranhado de fios que mais parece um ninho de ratos. Se vocês prometerem guardar segredo para que eu não venha a parecer um dinossauro da informática eu confesso que cheguei a montar uma trapizonga dessas no final dos anos sessenta. Acreditem: soldar aquele monte de fios sem fazer com que nenhuma ponta desencapada tocasse no chassis ou em outro condutor era tarefa que exigia uma perícia considerável.


Figura 1: Chassis de rádio de três válvulas

O problema é que, na prática, trabalhar com válvulas impunha a obrigação de usar esse chassis metálico, um trambolho. As válvulas eram grandes, tinham que ser encaixadas em “soquetes”, dissipavam muita energia e exigiam condutores mais grossos devido à intensidade de corrente que transportavam. Por isso era imprescindível trabalhar em uma base sólida fornecida pelo chassis.

Circuitos Impressos

Com o advento dos transistores, mudou tudo. Eles faziam o mesmo papel das válvulas, porém consumiam muito menos potência, exigiam condutores elétricos muito mais finos e seu tamanho e peso eram quase desprezíveis se comparados aos das válvulas. Com eles surgiram os “circuitos impressos”.

Um circuito impresso tem esse nome porque, em vez de usar fios e cabos para conduzir a eletricidade, emprega condutores metálicos que parecem desenhados (ou “impressos”) em uma lâmina de material isolante, como teflon ou fibra de vidro.

Seu emprego – e o uso dos transistores, naturalmente – revolucionou o campo dos circuitos eletrônicos. Os projetos passaram a assumir o aspecto do mostrado na Figura 2 que, aliás, corresponde a um circuito interessante e funcional: um dispositivo de segurança para latas de biscoitos, que faz soar um alarme sempre que a lata é aberta. Ele é um exemplo de um dos muitos circuitos eletrônicos disponíveis no sítio educacional britânico "Doctronics Educational Publishing” e seu detalhamento, assim como as instruções para montagem, podem ser encontrados em "Biscuit tin alarm” (isto é sério, o sítio existe e o circuito foi projetado para fins educacionais; para quem se interessa por montagens eletrônicas vale uma visita não somente por este como também pelos demais circuitos simples lá contidos).


Figura 2: diagrama do circuito “Alarme de lata de biscoitos”

O circuito inteiro é montado em uma lâmina retangular de material isolante. Tipicamente, como no circuito da Figura 2, na face superior, mostrada no alto da figura, ficam os componentes. Na face inferior, mostrada na parte de baixo da figura, fica o circuito propriamente dito, formado pelas listras negras (de cobre, que funcionam como condutores). Os pontos mais largos no corpo das listras e nas suas extremidades correspondem aos locais onde serão soldados os terminais metálicos dos componentes (nesta figura, como é comum ao se detalhar circuitos impressos para montagem, o “desenho” do circuito aparece como se fosse visto de cima, através da placa isolante, para ajudar a compreensão da interligação dos componentes; para que o circuito possa ser efetivamente implementado na placa a figura deve ser invertida, como se vista no espelho).

Os circuitos impressos comerciais são fabricados em série. Mas nada impede que você “fabrique” o da figura. Basta comprar a base, uma placa retangular de material isolante com uma das faces revestida por uma fina lâmina de cobre, desenhar cuidadosamente sobre ela o circuito mostrado na parte de baixo da figura, recobri-lo com um material inerte (eu já fiz muitos deles usando esmalte de unhas), remover cuidadosamente o material em excesso de tal forma que o revestimento permaneça apenas sobre os locais desenhados em preto e deixar a placa “de molho” em uma solução de cloreto férrico. O cloreto férrico é um material corrosivo que reage com o revestimento de cobre, dissolvendo-o. Como o material inerte protege o cobre no local onde foi aplicado, o resultado será uma placa de material isolante revestida de cobre apenas onde está o “desenho” do circuito. Para quem a examina, depois de removido o material inerte (com acetona comum, por exemplo) parece que o circuito foi impresso em cobre sobre a placa. Agora é só usar uma furadeira manual para fazer os pequenos furos nos locais onde os terminais dos componentes serão soldados, encaixar os componentes do lado oposto da placa fazendo seus terminais atravessarem os furos, soldar cada um deles nos pontos devidos do revestimento de cobre e remover o excesso com um alicate de corte. A montagem está feita. As placas-mãe e as placas controladoras de nossos computadores são circuitos impressos. E veja, na Figura 3 o circuito da calculadora HP-35, particularmente ilustrativo por ter condutores e componentes em ambas as faces da placa. Repare que ele usa diversos tipos de componentes eletrônicos, de resistores a capacitores, passando por bobinas e transistores. E também circuitos integrados, ou CIs, nosso próximo tópico.



Figura 3: Circuito impresso com componentes

Circuitos Integrados

Lembre que cada circuito tem um objetivo. O do rádio da Figura 1, por exemplo, é interligar os componentes de um dispositivo que capta radiação eletromagnética e a transforma em som audível. O da calculadora da Figura 3 é receber dados através de um teclado, efetuar cálculos com eles e exibir os resultados em um mostrador. Os circuitos lógicos não são diferentes. Tanto assim que já discutimos os objetivos de alguns deles, como os circuitos somadores, multiplexadores, decodificadores e flip-flops.

Circuitos lógicos são montados combinando-se portas lógicas. E portas lógicas são obtidas mediante a combinação de transistores.

Já vimos que sempre é possível conceber um circuito eletrônico composto apenas por portas lógicas para implementar qualquer função lógica. Estes circuitos nada mais são que um conjunto de transistores convenientemente interligados. Nada impede que se monte um deles utilizando, por exemplo, uma placa de circuito impresso. O circuito funcionará perfeitamente desde que as conexões sejam feitas da forma adequada.

Mas com que se parece um transistor? Quais são suas dimensões?

Bem, há transistores de diversos tamanhos. Todos, porém, mesmo os maiores, aqueles capazes de manejar altas potências, podem ser considerados pequenos se comparados às suas irmãs mais velhas, as válvulas. Veja, na Figura 4, quatro transistores mostrados ao lado de uma escala graduada em centímetros.



Figura 4: Transistores

Os quatro transistores da figura diferem sobretudo no que toca ao “encapsulamento”, ou seu invólucro protetor. O da esquerda, o menor de todos, é um transistor de baixa potência que usa um encapsulamento plástico. Os dois do meio são transistores capazes de manejar uma potência média e por isso usam encapsulamento metálico. O maior é um transistor de alta potência que não somente usa encapsulamento metálico como é feito para ser aparafusado firmemente a uma placa também metálica cuja função é dissipar o calor gerado durante sua operação. Mas ainda assim seu tamanho pode ser considerado pequeno, com um núcleo cilíndrico cujo diâmetro mal chega a dois centímetros, enquanto o menor não passa de uns poucos milímetros.

O mais surpreendente, porém, é que quase todo o tamanho do transistor deve-se a seu encapsulamento. Porque os elementos ativos, ou seja, os pequenos pedaços de silício “dopados” com impurezas, são muitíssimo menores. Nos transistores mostrados na figura eles podem medir frações de milímetro.

Ora, se um circuito lógico nada mais é que a combinação de portas lógicas, cada uma delas constituída por um conjunto de transistores e se os elementos ativos dos transistores são tão minúsculos, não custou muito para que a indústria da eletrônica percebesse que seria mais fácil, mais conveniente, mais barato e, sobretudo, mais funcional fabricar os circuitos de tal forma que seus elementos fossem conectados diretamente no interior de um único encapsulamento. E assim foi feito.

Um circuito cujos componentes estão contidos (ou se integram) no mesmo encapsulamento recebe o nome de “circuito integrado”, ou CI.

Um circuito integrado é, portanto, um dispositivo formado pela combinação de portas lógicas (compostas por transistores) que implementam uma determinada função com o objetivo de cumprir uma tarefa específica. Há CIs capazes de executar todas as funções lógicas descritas nas colunas anteriores e muitas outras (circuitos contadores, somadores, multiplicadores, comparadores, etc.). Cada CI é capaz de executar a função para a qual foi concebido e apenas ela.



Figura 5: diagrama esquemático de um CI

Veja, na Figura 5 (obtida no sítio britânico Tiscali) um esquema de um CI típico de encapsulamento plástico, tipo DIP (Dual Inline Package) de 18 terminais. Veja suas dimensões. São tão pequenos que também são conhecidos pelo nome de “chips” (em inglês, o nome que se dá a um pequeno pedaço ou “lasca” de madeira). Note que, apesar de suas pequenas dimensões, seu núcleo de silício, mostrado em azul no interior do encapsulamento é ainda menor. As dimensões do encapsulamento servem basicamente para garantir o espaçamento padrão entre os terminais (um décimo de polegada, pouco mais de dois e meio milímetros) necessário para que eles possam ser encaixados em um soquete ou diretamente nos furos de um circuito impresso e soldados aos condutores, como os mostrados na Figura 3.

Os CIs, como vimos, cumprem uma função determinada. Para que possam fazê-lo devem ser capazes de receber dados (entrada) e enviá-los de volta ao mundo exterior (saída). Sua comunicação com este mundo exterior é garantida pelos terminais metálicos que se conectam a condutores elétricos que compõem circuitos mais complexos em geral implementados em placas de circuito impresso (veja novamente a Figura 3).

Tanto os dados de entrada como os de saída são codificados sob a forma de valores numéricos expressos no sistema binário (grandezas digitalizadas) de tal maneira que a presença de uma tensão positiva em um terminal é interpretada como “1” e a ausência (tensão nula) como “0”. Os dados de entrada são introduzidos em um CI por meio de pulsos de tensões elétricas que chegam aos terminais de entrada através dos condutores a que estão ligados. Da mesma forma, os dados de saída são fornecidos por meio de pulsos de tensões elétricas aplicados aos terminais de saída e transportados para os demais componentes através do barramento.


Figura 6: Circuito Integrado

Há circuitos integrados de diversos tamanhos, tipos e funções, desde o mostrado na Figura 6 (uma imagem real de um CI similar ao do diagrama esquemático da Figura 5) que contém algumas dezenas de milhares de transistores até circuitos integrados extraordinariamente mais complexos e “inteligentes” (ou seja, capazes de cumprir múltiplas funções de acordo com comandos ou “instruções” a eles fornecidos).

Circuitos integrados como estes últimos podem ter uma quantidade imensa de transistores contidas em um encapsulamento relativamente pequeno.


Figura 7: Itanium 2 da Intel

Veja, na Figura 7, um desses “chips”. Trata-se do Itanium-2 de núcleo duplo, um CI cuja maior dimensão não excede a dez centímetros e que, não obstante, contém o quase inacreditável número de 1,7 bilhão de transistores.

Este tipo de CI é conhecido por microprocessador, unidade central de processamento ou UCP, o “coração” de nossos computadores.

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TV: o sistema analógico e o sistema digital

A grande diferença entre o sistema de televisão analógico e o digital está no aproveitamento da banda de freqüência de transmissão.

A transmissão da TV aberta atual utiliza canais analógicos com largura de banda de 6MHz. Os canais digitais vão continuar a usar a mesma banda de freqüência, mas a maior possibilidade de compressão pelo sinal digital, através de codificação, faz com que o sinal ocupe menos espaço e mais dados poderão ser transmitidos.



Enquanto no analógico cada imagem que compõe o vídeo (frame) é composta por 307 mil pixels, no HDTV são dois milhões de pixels. Para permitir que a transmissão em HDTV (High Definition Television – Padrão de sistema de televisão de alta definição. Proporciona avanços significativos na qualidade da imagem. – grande resolução horizontal e vertical.) seja possível, na TV aberta, as informações são codificadas em MPEG (Motion Pictures Expert Group). O SBTVD é híbrido. Tem como base o sistema japonês, mas adotou a técnica de compressão AVC/H.264, um formato que permite maior compressão que o MPEG. O que permite a diminuição do volume de dados sem perda de qualidade, com eliminação de informações redundantes.

Assim, há um melhor aproveitamento da faixa de freqüência. Com isso, as emissoras poderão transmitir programação simultânea em qualidade padrão SDTV (Standard Definition Television – Nome dado em contraposição aos sistemas HDTV de alta definição. São sistemas de vídeo e transmissão tradicionais.) de áudio e vídeo ou optar pela alta definição, HDTV, com transmissão de apenas um canal. Mesmo em qualidade de SDTV, a TV Digital será superior à analógica, por acabar com os fantasmas e chuviscos nas imagens, e por transmitir áudio com qualidade de CD. No futuro o número de canais pode ser ampliado.

Mas essa não será a única vantagem da TV Digital: a portabilidade e a mobilidade são duas possibilidades de transmissão, permitindo que o sinal seja recebido em ônibus, carros, e demais veículos de transporte, além de aparelhos de celular. Nestes será possível assistir à mesma programação exibida nos aparelhos convencionais.

A convergência entre TV/INTERNET/TELEFONE permitirá a integração de vários serviços em um único aparelho. Pelo monitor de TV Digital, além de se assistir à programação, o espectador poderá acessar conteúdo sobre a programação, e até sobre objetos em cena, que poderão ser comprados através da própria TV, como acontece com a Internet hoje.

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sexta-feira, 28 de agosto de 2009

Controle Remoto de 8 Canais via PC

O circuito mostrado serve para o controle de cargas à distância, robôs, etc.

Escrito por: Daniel Nery Bonadio

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O circuito mostrado serve para o controle de cargas à distância, robôs, etc. O princípio de funcionamento desse aparelho está na retirada do sinal de controle da porta paralela, acionando um CI gerador de tons DTMF (Dual-Tone Multiple-Frequency) e, em seguida, aplicar o tom em um transmissor de ondas curtas de 1 W, o que garante um alcance de alguns quilômetros. Eventualmente, pode-se encontrar esse circuito integrado em telefones que tenham a função fone, assim como o cristal de 3,58 MHz.
O receptor é formado por duas partes: um receptor comercial que tenha a faixa de ondas curtas e um reconhecedor de tom DTMF ligado a um decodificador 4028 em que se retira o sinal em duas saídas. O fato de utilizar-se tons DTMF nessa aplicação torna o circuito mais confiável do que equivalentes que usem um PLL como LM567. O sinal para acionamento é obtido da própria saída de fone de ouvido do receptor. Não é necessário conhecimento de programação para se operar o circuito pelo computador, uma vez que existem programas prontos para o comando da porta paralela, como é o caso do Relais Timer que pode ser baixado de www.hardwarese crets.com/article/233/5. Com ele pode-se acionar individualmente cada uma das 8 saídas da porta paralela.

Ajustes
:

Ligue o transmissor à porta paralela do notebook e execute o programa de modo a acionar um canal do transmissor. Coloque um fone de ouvido na saída de fone do receptor comercial até sintonizar um tom sonoro no fone. Um medidor de intensidade de campo pode ser usado para se obter o melhor sinal. Ao se conectar o circuito reconhecedor ao rádio, a entrada acionada do transmissor levará ao nível alto a saída correspondente do receptor. Se for utilizado um transistor de menor potência no transmissor, como um 2N2218, teremos menor alcance, mas o consumo também será menor.

As bobinas têm suas características dadas junto ao diagrama para uma operação em 7 MHz. As saídas do CI 4028 podem ser usadas para acionar relés, Power MOSFETs, flip-flops e outras cargas. A fonte deve ter excelente filtragem e para o transmissor deve fornecer pelo menos 1,5 A. Pode-se usar o transmissor sem o computador, conectando-se chaves de acionamento comuns em lugar do DB25.




Comentário:

Este circuito é bastante interessante pela gama de aplicações práticas que pode ter, desde automação até robótica. A facilidade e acesso aos sinais do PC pela porta paralela é a principal vantagem que esse projeto encontra, possibilitando também aplicações didáticas, uma vez que a programação fica em aberto.


* Originalmente publicado na revista Eletrônica Total - Fora de Série - Ano 19 - N° 132 - 2008.

sábado, 22 de agosto de 2009

POTENTE TRANSMISSOR DE FM COM CIRCUITO INTEGRADO

Bom, seja bem-vindo ao Circuitos Analógicos. Aqui você deve encontrar muitos circuitos de constante necessidade. Para começar, apresento um interessante transmissor para a faixa de VHF, incluindo FM, que alimentado com uma tensão de 9 V, proporciona um alcance excelente para aplicações em campo aberto. O circuito também pode ser alimentado com 6 V (4 pilhas pequenas), tendo um alcance um pouco menor.

CARACTERÍSTICAS:
· Tensão de alimentação: 6 ou 9 V (opcional 12 V)
· Potência: 200 mW (tip)
· Faixa de freqüências: 88 a 108 MHz (ou VHF)
· Alcance: 500 m até mais de 1 km (conforme alimentação e antena)
· Corrente exigida: 50 mA a 100 mA (tip)

O que diferencia este circuito de outros projetos é o uso de um circuito integrado de alto ganho na modulação, capaz de proporcionar uma enorme sensibilidade na captação de sons ambientes. Esta característica torna o circuito muito interessante para muitas aplicações e ainda tem a vantagem do ganho poder ser programado pelo valor de um único componente.

Na transmissão usamos um transistor bastante potente que admite também alimentação com 12 V caso em que o alcance poderá ser ainda maior. Por outro lado, todos os componentes são de pequenas dimensões permitindo a instalação do aparelho numa pequena caixa plástica. Desta forma, pode ser transportado e usado em qualquer lugar, observe a figura 1.
Como Funciona

O circuito oscilador de alta freqüência que gera o sinal de rádio tem uma configuração convencional, bastante usada em outros projetos, com base num transistor de RF de média potência. Podemos usar o 2N2218, 2N2219 ou equivalentes como o BD135 que são os mais comuns no nosso mercado. Estes transistores possuem correntes máximas de coletor na faixa de 600 mA a 1 A o que é bem mais do que os 100 mA admitidos pelos transistores empregados normalmente neste tipo de projeto como os BF494 e BF495.

No circuito oscilador, L1 e CV determinam a freqüência de operação do transmissor. Em CV ajustamos o circuito para que esta freqüência caia num ponto livre da faixa de FM.

A realimentação que mantém as oscilações é feita por meio de C5. Este capacitor deve ser cerâmico de boa qualidade, dada a elevada freqüência de operação do circuito.

A polarização de base para o transistor vem dos resistores R6 e R7, enquanto a corrente de coletor e emissor e portanto a potência dissipada pelo transistor são determinadas por R8. Aumentando R8, diminuímos o consumo do transmissor, mas ao mesmo tempo diminuímos sua potência.

A modulação vem da etapa com um circuito integrado passando pelo capacitor C3.

O circuito integrado é um amplificador operacional bastante conhecido e cujo ganho de tensão pode chegar a 100.000 vezes.

Trata-se do 741, que pode ser encontrado com siglas antes do número como LM, uA que identificam o fabricante.

A entrada não inversora deste amplificador operacíonal é polarizada por uma rede formada por R3 e R4, de modo a manter neste elemento metade da tensão de alimentação.

Se quisermos maior ganho para o circuito e portanto, mais sensibilidade para os sons captados, num trabalho que necessite de mais sensibilidade por exemplo, podemos aumentar R5 para até 1 MW. Por outro lado, para o caso de sons fortes, quando falamos de perto e o excesso de ganho causa sobremodulação e com isto distorção, devemos reduzir este componente para valores como 22 kW ou 47 kW.

O transdutor é um microfone de eletreto que além de ser muito sensível, também é pequeno, podendo contribuir para as reduzidas dimensões finais do transmissor.

O sinal é irradiado por uma antena telescópica conectada a uma tomada da bobina osciladora de modo a haver melhor casamento de impedâncias e com isso maior rendimento e estabilidade.

A posição certa para a ligação deste antena deve ser obtida experimentalmente, mas estará entre a segunda e terceira espira da bobina osciladora.

MONTAGEM

Na figura 2, mostramos o diagrama completo deste transmissor.

Na figura 3, temos a disposição dos componentes numa placa de circuito impresso.



O circuito integrado, para maior segurança, deve ser instalado em um soquete DIL de 8 pinos e sua posição deve ser observada.

A bobina L1 consiste em 4 espiras de fio 22 comum ou esmaltado sem fôrma, com 1 cm de diâmetro. A tomada será feita entre a terceira e quarta espira. O trimmer pode ter capacitância máxima entre 20 e 50 pF e tanto podem ser usados os tipos plásticos como de base de porcelana.

Se o leitor encontrar muito dificuldade em obter o trimmer, pode enrolar a bobina numa fôrma de FI de rádio com núcleo ajustado, usando as mesmas 4 espiras, mas de fio mais fino (fio 26 ou 28) e em lugar do trimmer usar um capacitor fixo de cerâmica de 4,7 ou 3,9 pF. O ajuste de freqüência passará a ser feito no núcleo da bobina. A posição da tomada para a ligação da antena se mantém.

Os resistores podem ser de 1/8 W ou mais, com 5% ou mais de tolerância. Todos os capacitores, menos C1 e C2 são cerâmicos. Os capacitores C1 e C2 são eletrolíticos para 12 ou 16 V de tensão de trabalho.

O microfone de eletreto é de dois terminais e sua polaridade precisa ser observada, pois se for invertido ele não funciona.

Se usarmos na alimentação tensões de 9 ou 12 V, o transistor precisará de um radiador de calor de encaixe, que tanto pode ser adquirido ou feito com uma tira ou chapinha de metal e fixado da forma sugerida na figura 4.


Para o caso da alimentação ser feita por pilhas, utilize um suporte apropriado. O suporte pode ser de 4 ou 8 pilhas. Não recomendamos o uso de bateria de 9 V, pois a corrente exigida pelo aparelho é elevada e sua durabilidade seria muito pequena.

PROVA E USO

Para provar o aparelho, sintonize um receptor de FM em freqüência livre a uns 3 ou 4 metros de distância do transmissor. Em seguida, ligue sua alimentação o ajuste CV (ou o núcleo da bobina) para obter o sinal mais forte.

Veja que podemos obter mais de um sinal, alguns espúrios podem ser captados, daí termos de tentar descobrir o mais forte, afastando o receptor.

Um apito intenso pode ocorrer ao captarmos o s sinais mais fortes, é a microfonia ou realimentação acústica que é eliminada simplesmente reduzindo o volume do receptor.

LISTA DE MATERIAL

Semicondutores:

CI1 -- 741 - circuito int. - amplificador operacional
Q1 -- 2N2218 ou 2N2219 - transistor de RF

Resistores: (1/8 W, 5%)
R1 -- 4,7 kW,
R2, R3, R4, R8 -- 47 kW
R5 -- 22O kW
R6 -- 8,2 kW
R7 -- 6,8 kW

Capacitores:
C1 -- 4,7 mF x 12 V - eletrolítico
C2 -- 10 mF x 12 V - eletrolítico
C3 -- 47 nF - cerâmico
C4 -- 10 nF - cerâmico
C5 -- 4,7 pF ou 5,6 pF - cerâmico
C6 -- 10 pF - cerâmico
C7 -- 100 nF - cerâmico

Diversos:
MIC -- microfone de eletreto de dois terminais
S1- - Interruptor simples
L1 -- Bobina - ver texto
CV -- 20 a 50 pF - trimmer - ver texto
B1 -- 6 a 12 V - alimentação - ver texto
Placa de circuito impresso, suporte de pilhas, antena telescópica, caixa plástica para montagem, fios, solda, etc

Informática

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Telefonia

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