Circuitos Digitais – Microcontroladores - DSPs – Invólucros
Completamos a parte do curso que trata dos componentes com os tipos mais avançados, com especial atenção aos circuitos lógicos e microcontroladores que hoje equipam uma enorme quantidade de equipamentos de uso comum. Os leitores interessados em aumentar seus conhecimentos devem ter especial atenção a estes componentes. Consultem nossos livros, artigos no site e cursos a distância.
Digital
Os circuitos integrados digitais formam uma outra família de grande importância para a eletrônica. A eletrônica digital parte da idéia de que podemos representar qualquer quantidade usando apenas os algarismos 0 e 1.
Usando apenas estes dígitos podemosn representar a squantidades conforme mostra a figura 1 utilizando para isso o sistema binário de numeração.
A vantagem do uso desta representação binária é que os circuitos eletrônicos podem manusear os sinais de uma forma mais simples: uma chave aberta ou transistor desligado representa o 0 e uma chave fechada ou transistor ligado representa o 1, conforme mostra a figura 2.
Um circuito que opera com apenas dois estados é menos sujeito a problemas de intereferências e muito mais preciso, como se pode ver no caso dos microprocesadores.
Associando os blocos que realizam operações simples podemos realizar operações muito complexas com os números binários como ocorre no caso dos computadores.
Um certo número de funções básicas existe na forma de circuitos integrados e com elas podemos desenvolver diversos projetos Assim, conforme mostra a figura 3, a partir destas funções podemos ter uma infinidade de circuitos denominados digitais.
No primeiro grupo destas funções encontramos as portas ou gates. As portas combinam dois ou mais níveis lógicos (0 ou 1) nas suas entradas para dar uma saída que corresponde a uma determina regra ou função. As regras seguem a matemática desenvolvida por Boole e que é a base da eletrônica digital. Os leitores que desejam ir além podem estudar eletrônica digital e daí entender desde os simples circuitos deste tipo até como funcionam os computadores.
Se bem que hoje em dias as funções lógicas estejam integrados nos chips de controladores, processadores e outros chips, existem ainda aparelhos onde elas podem ser encontradas de forma isolada em circuitos simples.
Existem algumas famílias de circuitos integrados que consistem em diversas funções que têm as mesmas características elétricas de modo que eles podem ser ligados uns aos outros diretamente para se obter o tratamento mais complexo de um sinal ou a realização de uma função digital mais complexa.
As principais famílias lógicas são dos circuitos integrados TTL e CMOS.
TTL
TTL significa Transistor Transistor Logic e é uma família que tem mais de 1000 circuitos integrados diferentes com, características em comum que permite sua alimentação. Todos eles devem ser alimentados com 5 V.
A família normal tem um número enorme de funções como portas, multiplexadores, contadores, memórias, etc. Sub famílias podem ser encontradas quando se deseja mais velocidade ou menor consumo.
Os dispositivos desta família são facilmente reconhecidos por terem o número 74 na sua especificação. Exemplo: 7400, 7490, 74121, etc. Para as subfamílias temos s\uma letra ou duas entre o 74 e o número que se segue. Exemplo: 74L00, 74H121, 74LS04, etc.
CMOS
Uma outra família muito importante de circuitos integrados digitais é a conhecida por CMOS. Os circuitos integrados desta família podem ser alimentados com tensões na faixa de 3 a 15 V e tem um consumo muito menor que os TTLs. No entanto, eles são mais lentos. Conhecemos os dispositivos desta família porque a maioria tem por designação um número que começa por 40. Por este motivo também designamos esta família por 40xx onde o xx representa o tipo especifico. Exemplo: 4011, 4017, 4001, etc
Da mesma forma que no caso dos circuitos TTL, nas saídas e entradas destes circuito sempre encontramos apenas dois níveis lógicos: 0 ou 1, conforme,mostra a figura 4.
Especificações:
A função dos circuitos integrados digitais TTL ou CMOS são dadas pelo seu tipo. Assim, os usuários destes circuitos integrados precisam ter manuais que indiquem estas funções e que tipo de comportamento eles devem ter. Isso normalmente é feito por meio de tabelas, denominadas "tabelas verdade"em que as saídas são indicadas em função das entradas.
Onde são encontrados
Equipamentos digitais em geral podem empregar tantos circuitos lógicos TTL co mo CMOS. Em muitos equipamentos modernos, em lugar de termos diversos chips destas famílias podemos ter um único que substitui todas as funções. No entanto, existem aplicações que realizam funções mais simples e que podem usar de 1 a 10 destes circuitos integrados tais como alares, sequenciais, controles remotos, sistemas de iluminação inteligentes, etc.
Com a expansão das aplicações que fazem uso de microcontroladords que operam com tensões muito baixas (da ordem de 0,8 a 1,2 V, famílias de integrados lógicos digitais TTL e CMOS para muito baixas tensões (LVTTL) também podem ser eencontradas em muitos equipamentos. O funcionamento é o mesmo. Muda apenas a tensão de alimentação que é muito mais baixa.
Teste
A melhor maneira de se testar circuitos digitais é com instrumentos apropriados, no caso os analisadores lógicos e outros. O meio mais simples, entretanto é medindo tensões nos terminais, se bem que para termos uma conclusão correta sobre o estado devemos saber exatamente que tipo de nível lógico esperar em cada caso.
Consumo, IoT e Embutidos (Embedded)
Hoje em dia praticamente qualquer função necessária à implementação de um aparelho eletrônico pode ser obtida num circuito integrado. Para reduzir custos, os fabricantes podem criar suas aplicações, colocando todos os componentes necesários num circuito integrado próprios e usá-lo no seu aparelho.
Isso significa que seus produtos usam chips específicos que só servem para aquela aplicação. Como o custo de um chip deste tipo cai pel quantidade em que são fabricado, as placas que os usam de muitos equipamentos se tornam descartáveis. Assim, em muitos casos os equipamentos são do tipo completamente descartável, ou se apresentam problemas as placas é que devem ser trocadas e não os componentes.
Um outro tipo de tecnologia é aquele que em os dispositivos eletrônicos são chips que controlam as diversas partes de uma máquina, por exemplo os motores, solenoides e bombas de uma máquina de lavar roupas, ou ainda os sensores de um carro. Estes dispositivos podem ser considerado parte integral dos aparelhos que controlam, ou seja, de acordo com o IEEE (Institito de Engenharia Elétrica e Eletrônica dos Estados Unidos) são definidos como "embutidos" (embedded é o termo inglês para isso).
Estes componentes são basicamente microcontroladores, microprocessadores ou DSPs montados em caixas pretas e ligados as diversas partes do sistema que controlam a partir de cabos. A utilização desta tecnologia está levando a uma nova família de aplicativos de uso doméstico que passam a fazer parte das instalações elétricas domiciliares e comerciais que são os dispositivos ligados à internet.
Isso leva à IoT (Internet of Things) ou internet das coisas, em que dispositivos eletrônicos os mais diversos têm conexão com a internet podendo ser ativados ou controlados a distância (pelo celular, por exemplo) ou ainda “conversar uns com os outros”.
Tipos
Não existe um símbolo especial para representar estes componentes, ma sna figura 5 temos os aspectos de alguns deles.
Na maioria dos casos eles fazem parte de um sistema que deve ser trocado na íntegra quando apresenta problemas e por isso são montados com componentes de difícil manuseio, normalmente SMD.
Especificações
Em alguns casos o fabricante indica o CI por um código de fábrica, mas em outros casos a identificação só pode ser feita pelo próprio fabricante através de sua posição no sistema.
Onde são encontrados.
As funções embutidas são encontradas em carros, brinquedos, games e na maioria dos equipamentos eletr-eletrônicos de consumo tais como máquinas de lavar roupa, de lavar pratos, fornos de micro-ondas, ec. Em alguns casos os chips não possuem invólucros comuns sendo simplesmente soldados nas placas e cobertos com uma resina protetora.
Relógios e cronômetros também podem usar este tipo de circuito integrado que são chamados "módulos".
Como testar
Não existe modo simples de testar estes circuito tanto pela dificuldade de acesso nas placas como de acesso aos seus terminais e de informações sobre que tensões devem ser encontradas.
Microprocessadores e Microcontroladores
Os microprocessadores e microcontroladores representam um outro grande grupo de componentes da família dos circuitos integrados. Num único chip podem ser encontrados milhões de componentes já interligados para realizar operações complexas tanto analógicas como digitais.
Na maioria dos casos eles são usados para realizar funções de controle ou automação em máquinas, equipamentos de uso comercial ou doméstico e em muitos outros casos. Um microcontrolador possui diversos blocos como a unidade de entrada e saída (I/O), unidade de processamento, memórias, temporizadores, conversores A/D, etc. Na figura 6 mostramos a estrutura típica de um microcontrolador.
Os microprocessadores também são usados para realizar operações matemáticas e lógicas complexas sendo por isso usados em computadores e outros equipamentos. Os microprocessadores operam apenas com dados digitais e retornam o resultados de suas operações na forma digital. Na figura 7 temos um diagrama de blocos simplificado de um microprocessador.
Os microprocessadores tem portas I/O (entrada e saída) onde a informação pode ser colocada ou retirada, uma CPU (Unidade Central de Processamento) onde os cálculos lógicos e matemáticos são feitos, uma memória e outros circuitos de apoio.
Na figura 8 temos os aspectos dos chips de alguns microprocessadores conhecidos.
Microcontroladores são encontrados em máquinas industriais, carros e outros equipamentos onde eles fazem o controle de funções. Eles tanto podem aparecer na forma de componentes em invólucros comuns como outros tipos miniaturizados.
Um tipo de microcontrolador muito usado atualmente é o Arduino que já vem numa placa que permite o desenvolvimento fácil de projetos e que é usada emaplicações comerciais. Temos também os microcontroladores em chips que podem ser encontrados em equipamentos comerciais de uso doméstico como os Atmega (Atmel), PIC (Microchip), MSP (Texas), etc
Para usar um microcontrolador num projeto é prece de programação e uma placa de desenvolvimento. Prepara-se no programa o que o microcontrolador deve fazer e depois transfere-se isso para sua memória através da placa de desenvolvimento.
Especificações
Os microcontroladores e microprocessadores são identificados por um número de fábrica. Através deste número, um livro de dados (databooks) fornece todas as características de programação e uso.
DSP
Digital Signal Processors ou Processadores Digitais de Sinais (DSP) podem ser encontrados em diversos tipos de equipamento de controle de máquinas industriais, eletr-eletrônicos e mesmo embutidos em carros, aviões, barcos e nas instakações elétricos. Estes equipamentos são normalmente usados pelas industrias que desenvolvem suas aplicações em função de suas caracter[isticas e os programam usando sistemas de desenvolvimento que usam programas e placas como no caso dos microcontroladores.
O que é um DSP?
Os circuitos analógicos tradicionais operam com sinais como sons, imagens, variações de tensão de um sensor, empregando componentes como transistores, filtros, etc. O circuito analógico se aproveita das propriedades elétricas dos componentes para introduzir alterações no sinal. Por exemplo, um filtro deixa passar sinais de apenas determinadas frequências, um ampificador altera a amplitude de um sinal.
Dependendo do se deseja fazer com um sinal, a implementação de um circuito usando componentes comuns pode ser simples, mas não é muito precisa. No entanto, se considerarmos quenqualquer tipo de sinal analógico pode ser representado por um número ou uma sequ6encia de números (convertido para a forma digital) por que não realizar a função desejda com o o sinal na forma de números? Em lugar de se usar uma rede que deixa apenas determinar passar uma freqüência, convertemos o sinal numa série de números em um computador e aplicamos um algorítmo (série de operações lógicas e matematicas) que reconheça as frequências e amplitudes e os valores indesejáveis são cortados, ficando depois os valores que são convertidos novamente para a forma analógica.
SMDs
SMD é o acrônimo para Surface Mouting Device ou Componente para Montagem em Superfície. Muitos dos dispositivos que vimos até agora neste livro pode ter versões ultraminiaturizadas em que o invólucro é praticamente reduzido a zero de modo que eles ocupem menos espaço e mais ainda, possam ser montados automaticamente com máquinas de alta precisão.
Observe que o elemento ativo de um transistor ou de um SCR é apenas uma pequena pastilha de silício que ocupa uma reduzida proporção de todo o invólucro do componente.
O corpo ou invólucro da maioria dos componentes representam até mais de 95% de todo o espaço e peso do próprio componente. A idéia básica dos SMDs é reduzir o tamanho do componente a um minimo de tal modo a tornar os equipamentos menores e mais leve. Na figura 9 temos as versões SMD de alguns componentes comuns.
A tecnologia usada para a montagem destes componentes é chamada SMT (Surface Mounting Technology ou Tecnologia de Montagem em Superfície) assim tanto encontramos as abreviações SMT como SMD para indicar o tipo de tecnologia ou componente encontrado num equipamento.
Para o eletricista que vai trabalhar com eletrônica é importante entender que as funções e os circuitos são os mesmos quando comparados aos que usam componentes comuns. O maior problema é trabalhar com componentes tão pequenos quando reparos e substituições são necessários.
Existem kits especiais para trabalhos de reparação com componentes SMD que contam com pinças e outras ferramentas delicadas que permitem remover e instalar componentes ultra-pequenos. Da mesma forma, existe empresas que fornecem componentes básicos tais como transistores, capacitores e resistores em invólucros SMT para o reparo de equipamentos. Uma solução que se admite nos casos em que existe espaço é trocar um SMD queimado por um equivalente comum de mesma especificação.
Índice:
Introdução
Parte 1 - As diferenças entre eletricidade e eletrônica
Parte 2 - Circuitos e componentes
Parte 3 - Diagramas, Símbolos e Componentes
Parte 4 - Componentes Passivos – Os Resistores
Parte 5 - Componentes Passivos – Capacitores e Indutores
Parte 6 - Componentes Passivos – Outros componentes indutivos
Parte 7 - Semicondutores – Materiais- Diodos e LEDs
Parte 8 - Transistores Bipolares e assemelhados
Parte 9 - Outros tipos de transistores
Parte 10 - Outros componentes semicondutores – IGBTs e Tiristores
Parte 11 - Outros componentes da família dos tiristores – Displays e válvulas
Parte 12 - Os circuitos integrados
Parte 13 - Circuitos Digitais – Microcontroladores - DSPs – Invólucros
Parte 14 - Diagnóstico e reparação
Parte 15 - Circuitos Práticos - Como funcionam
Parte 16 - Outros dispositivos eletrônicos
