cristais lcd relogio digital

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1 Introdução Você provavelmente usa itens que contêm uma LCD (tela de cristal líquido) todo dia. Elas estão por toda parte: em laptops , relógios digitais e relógios de pulso , fornos de microondas , aparelhos de CD e muitos outros aparelhos eletrônicos. As LCDs são comuns porque oferecem algumas vantagens reais sobre outras tecnologias para telas. Elas são mais finas e mais leves e gastam muito menos energia que os tubos de raios catódicos (CRTs) Mas por que essas coisas são chamadas de cristal líquido? O nome "cristal líquido" soa como uma contradição. Pensamos em cristais como sendo um material duro como o quartz, geralmente duros como uma rocha, enquanto os líquidos são obviamente diferentes. Como um material pode combinar os dois? Neste artigo, você vai descobrir como os cristais líquidos realizam esse incrível truque e vai dar uma olhada na tecnologia por trás das LCDs. Também vai aprender como as estranhas características dos cristais líquidos têm sido usadas para criar um novo tipo de obturador e como as grades desses pequenos obturadores abrem e fecham para formar padrões que representam números, palavras ou imagens. Cristais líquidos Aprendemos na escola que há três estados comuns da matéria: sólido, líquido ou gasoso. Os sólidos agem dessa maneira porque suas moléculas sempre mantêm sua orientação e ficam na mesma posição em relação umas às outras. As moléculas nos líquidos são justamente o oposto: elas podem mudar sua orientação e se mover para qualquer lugar no líquido. Mas há algumas substâncias que podem existir em um estado peculiar que é líquido e sólido. Quando estão nesse estado peculiar, suas moléculas tendem a manter sua orientação, como as em estado sólido, mas também se movem para posições diferentes, como as em estado líquido. Isso significa que cristais líquidos não são nem sólidos nem líquidos. É por isso que esse nome aparentemente contraditório surgiu. Então, os cristais líquidos agem como sólidos, como líquidos ou outra coisa? Acontece que cristais líquidos estão mais próximos do estado líquido que do sólido. É necessário uma grande quantidade de calor para transformar uma substância de cristal sólido para líquido e é necessário apenas um pouco mais de calor para transformar esse mesmo cristal líquido em líquido real. Isso explica porque os cristais líquidos são muito sensíveis à temperatura e porque são usados para fazer termômetros e anéis de humor . Também explica porque uma tela de laptop pode agir de forma estranha no tempo frio ou durante um dia quente na praia.

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Page 1: Cristais Lcd Relogio Digital

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Introdução

Você provavelmente usa itens que contêm uma LCD (tela de cristal líquido) todo dia. Elas estão por toda parte: em laptops, relógios digitais e relógios de pulso, fornos de microondas, aparelhos de CD e muitos outros aparelhos eletrônicos. As LCDs são comuns porque oferecem algumas vantagens reais sobre outras tecnologias para telas. Elas são mais finas e mais leves e gastam muito menos energia que os tubos de raios catódicos (CRTs)

Mas por que essas coisas são chamadas de cristal líquido? O nome "cristal líquido" soa como uma contradição. Pensamos em cristais como sendo um material duro como o quartz, geralmente duros como uma rocha, enquanto os líquidos são obviamente diferentes. Como um material pode combinar os dois?

Neste artigo, você vai descobrir como os cristais líquidos realizam esse incrível truque e vai dar uma olhada na tecnologia por trás das LCDs. Também vai aprender como as estranhas características dos cristais líquidos têm sido usadas para criar um novo tipo de obturador e como as grades desses pequenos obturadores abrem e fecham para formar padrões que representam números, palavras ou imagens.

Cristais líquidos

Aprendemos na escola que há três estados comuns da matéria: sólido, líquido ou gasoso. Os sólidos agem dessa maneira porque suas moléculas sempre mantêm sua orientação e ficam na mesma posição em relação umas às outras. As moléculas nos líquidos são justamente o oposto: elas podem mudar sua orientação e se mover para qualquer lugar no líquido. Mas há algumas substâncias que podem existir em um estado peculiar que é líquido e sólido. Quando estão nesse estado peculiar, suas moléculas tendem a manter sua orientação, como as em estado sólido, mas também se movem para posições diferentes, como as em estado líquido. Isso significa que cristais líquidos não são nem sólidos nem líquidos. É por isso que esse nome aparentemente contraditório surgiu.

Então, os cristais líquidos agem como sólidos, como líquidos ou outra coisa? Acontece que cristais líquidos estão mais próximos do estado líquido que do sólido. É necessário uma grande quantidade de calor para transformar uma substância de cristal sólido para líquido e é necessário apenas um pouco mais de calor para transformar esse mesmo cristal líquido em líquido real. Isso explica porque os cristais líquidos são muito sensíveis à temperatura e porque são usados para fazer termômetros e anéis de humor. Também explica porque uma tela de laptop pode agir de forma estranha no tempo frio ou durante um dia quente na praia.

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Cristais líquidos em fase nemática

Da mesma maneira que há muitas variedades de sólidos e líquidos, há também uma variedade de substâncias de cristal líquido. Dependendo da temperatura e da natureza particular da substância, os cristais líquidos podem estar em uma das várias fases distintas (veja abaixo). Neste artigo, vamos discutir sobre os cristais líquidos na fase nemática, os cristais líquidos que tornam as LCDs possíveis.

Uma característica dos cristais líquidos é que são afetados por correntes elétricas. Um tipo particular de cristal líquido nemático, chamado nemático torcido (TN), é naturalmente torcido. A aplicação de uma corrente elétrica nesses cristais líquidos os destorcem em vários graus, dependendo de sua voltagem. As LCDs usam esses cristais líquidos porque eles reagem de maneira previsível à corrente elétrica controlando a passagem de luz.

Tipos de cristal líquido A maioria das moléculas de cristal líquido tem a forma de haste e é amplamente classificada como termotrópica ou liotrópica.

Imagem cedida Dr. Oleg Lavrentovich, Liquid Crystal Institute

Cristais líquidos termotrópicos reagem às mudanças de temperatura ou, em alguns casos, de

pressão. A reação dos cristais líquidos liotrópicos, que são usados na fabricação de sabões e

detergentes, depende do tipo de solvente com que estão misturados. Cristais líquidos

termotrópicos são isotrópicos ou nemáticos. A diferença principal é que as moléculas nas

substâncias de cristal líquido isotrópico têm um arranjo aleatório, enquanto nos nemáticos há

uma ordem ou padrão definido.

A orientação das moléculas na fase nemática está baseada no orientador. O orientador pode

ser qualquer coisa, desde um campo magnético até uma superfície com ranhuras

microscópicas. Na fase nemática, os cristais líquidos podem ser classificados pela maneira

com que as moléculas se orientam em relação umas às outras. A disposição mais comum é a

esmética, que cria camadas de moléculas. Há muitas variações da fase esmética, como o C

esmático, no qual as moléculas em cada camada inclinam-se em um ângulo a partir da camada

anterior. Uma outra fase comum é colestérica, também conhecida como nemática quiral.

Nessa fase, as moléculas se torcem ligeiramente a partir de uma camada até a próxima,

resultando em uma espiral.

Os cristais líquidos ferroelétricos (FLCs) usam substâncias de cristal líquido que têm

moléculas quirais em uma disposição de tipo C esmético porque a natureza espiral dessas

moléculas permite um tempo de resposta à mudança em microsegundos, o que torna as FLCs

particularmente adequadas às telas avançadas. Os cristais líquidos ferroelétricos

estabilizados por superfície (SSFLCs) exercem uma pressão controlada por meio do uso de

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uma placa de vidro, suprimindo a espiral das moléculas e tornando a mudança ainda mais

rápida.

Criando uma LCD

Há muito mais coisas envolvidas no processo de construção de uma LCD do que simplesmente criar uma lâmina de cristal líquido. A combinação de 4 fatores torna as LCDs possíveis:

• a luz pode ser polarizada • os cristais líquidos conseguem transmitir e mudar a luz polarizada; • a estrutura dos cristais líquidos pode ser mudada pela corrente elétrica; • existem substâncias transparentes que podem conduzir eletricidade.

Uma LCD é um aparelho que usa esses 4 fatores de maneira surpreendente!

Para criar uma LCD são necessários 2 pedaços de vidro polarizado. Um polímero especial que cria ranhuras microscópicas na superfície é friccionado no lado do vidro que não tem o filme polarizador. As ranhuras devem estar na mesma direção do filme polarizador. Adiciona-se então uma camada de cristais líquidos nemáticos a um dos filtros. As ranhuras farão a primeira camada de moléculas se alinhar com a orientação do filme. Então, acrescenta-se o segundo pedaço de vidro com o filme polarizador formando um ângulo reto em relação ao primeiro pedaço. Cada camada sucessiva de moléculas TN (nemáticas torcidas) vai gradualmente se torcer até que a camada mais superior esteja em um ângulo de 90° com a parte inferior, coincidindo com os filtros de vidro polarizado.

Quando a luz atinge o primeiro filtro, ele é polarizado. Então, as moléculas em cada camada guiam a luz que recebem até a próxima camada. À medida em que a luz passa através das camadas de cristal líquido, as moléculas também mudam o plano de vibração da luz para coincidir com o seu próprio ângulo. Quando a luz alcança o lado mais distante da substância de cristal líquido, ela vibra no mesmo ângulo que a camada final de moléculas. Se a camada final coincidir com o segundo filtro de vidro polarizado, então a luz atravessará. Se aplicarmos uma carga elétrica às moléculas de cristal líquido, elas vão se distorcer. Quando se esticam, mudam o ângulo da luz que passa através delas de maneira que ela não coincida mais com o ângulo do filtro polarizador de cima. Conseqüentemente, nenhuma luz consegue passar através dessa área da LCD, o que a torna mais escura que as áreas circundantes.

Construindo sua própria LCD

Construir uma LCD simples é mais fácil que você pensa. Você começa com um sanduíche de vidro e cristais líquidos descritos acima e adiciona dois eletrodos transparentes. Por exemplo, imagine que queira criar a LCD mais simples possível somente com um eletrodo retangular. As camadas se pareceriam com isto:

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A LCD necessária para fazer esse serviço é muito básica. Ela tem um espelho (A) atrás, que a torna refletiva. Então, adicionamos um pedaço de vidro (B) com um filme polarizador no lado de baixo e uma superfície de eletrodo comum (C) feita de óxido de estanho-índio por cima. Uma superfície de eletrodo comum cobre a área inteira da LCD. Em cima disto está a camada da substância de cristal líquido (D). Depois vem outro pedaço de vidro (E) com um eletrodo na forma de retângulo na base e, por cima, um outro filme polarizador (F), formando um ângulo reto em relação ao primeiro.

O eletrodo está conectado a uma fonte de energia como uma bateria. Quando não há corrente, a luz que entra através da fonte da LCD vai simplesmente bater no espelho e ricochetear de volta para fora. Mas quando a bateria fornece corrente aos eletrodos, os cristais líquidos entre o eletrodo plano comum e o eletrodo com forma retangular se destorcem e impedem a luz de passar nessa região. Isso faz a LCD mostrar o retângulo como uma área negra.

Iluminação por trás versus refletiva

Note que nossa LCD simples necessitou de uma fonte de luz externa. Materiais de cristal líquido não emitem luz própria. As LCDs pequenas e baratas são freqüentemente refletivas, o que significa que para mostrar algo elas devem refletir luz a partir de fontes luminosas externas. Dê uma olhada em um relógio de pulso de LCD: os números aparecem onde pequenos eletrodos carregam o cristal líquido e fazem as camadas distorcerem-se para que a luz não seja transmitida através do filme polarizado.

A maioria das telas de computador é acesa com tubos fluorescentes embutidos sobre, na lateral e, às vezes, atrás da LCD. Um painel de difusão branco atrás da LCD redireciona e distribui a luz de maneira homogênea para assegurar uma exibição uniforme. No seu caminho através dos filtros, as camadas de cristal líquido e eletrodo, muito dessa luz é perdida (freqüentemente mais que a metade).

Em nosso exemplo, tínhamos uma superfície de eletrodo comum e uma barra de eletrodo simples que controlavam quais cristais líquidos respondiam a uma carga elétrica. Se você pegar a camada que contém o eletrodo simples e acrescentar mais alguns, pode começar a construir telas mais sofisticadas.

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Sistemas de LCD

As LCDs baseadas em superfície comum são boas para telas simples que precisam exibir as mesmas informações repetidamente. Relógios de pulso e fornos de microondas se enquadram nessa categoria. Embora a forma hexagonal da barra ilustrada anteriormente seja a mais comum para a disposição dos eletrodos em tais aparelhos, quase toda forma é possível. Dê uma olhada em alguns jogos portáteis: cartas de baralho, alienígenas, peixe e máquinas caça-níqueis são apenas algumas das formas de eletrodo que você vai ver.

Há dois tipos principais de LCDs usados em computadores: matriz passiva e matriz ativa. Na próxima seção, você aprenderá sobre cada um desses tipos.

História da LCD Hoje as LCDs estão em todos os lugares, mas elas não apareceram da noite para o dia. Levou

muito tempo desde a descoberta dos cristais líquidos até a abundância de aplicações da LCD

da qual desfrutamos hoje. Os cristais líquidos foram descobertos em 1888, pelo botânico

austríaco Friedrich Reinitzer. Reinitzer observou que quando derretia uma substância curiosa

parecida com o colesterol (benzoato de colesteril), ela primeiro se tornava um líquido

enevoado e então clareava conforme a temperatura subia. Sob resfriamento, o líquido tornava-

se azul antes de finalmente cristalizar. Oitenta anos se passaram antes que a RCA fizesse a

primeira LCD, em 1968. Desde então, os fabricantes de LCD têm regularmente desenvolvido

variações e melhorias da tecnologia, levando a LCD a níveis incríveis de complexidade

tecnológica. E há indicações de que continuaremos a curtir as novas evoluções da LCD no

futuro.

Matriz passiva

As LCDs de matriz passiva usam uma grade simples para fornecer a carga para um pixel específico na tela. Criar a grade é um processo complexo. Começa com duas camadas de vidro chamadas substratos. A um dos substratos acrescente colunas e ao outro, linhas, de um material condutor transparente. Este material geralmente é óxido de estanho-índio. As linhas ou colunas são conectadas a circuitos integrados que controlam quando uma carga é enviada para uma coluna ou linha específica. O material de cristal líquido é encaixado entre os dois substratos de vidro e um filme polarizador é adicionado ao lado exterior de cada substrato. Para ativar um pixel, o circuito integrado envia uma carga para a coluna correta de um dos substratos e um fio-terra ativado na linha correta do outro substrato. A linha e a coluna se cruzam no pixel designado e isso libera a voltagem para distorcer os cristais líquidos naquele pixel. A simplicidade do sistema de matriz passiva é interessante, mas tem desvantagens significativas, notavelmente o tempo de resposta lento e o controle de voltagem impreciso. O tempo de resposta refere-se à habilidade da LCD de renovar a imagem mostrada. A maneira mais fácil de observar o tempo de resposta lento em uma matriz passiva de LCD é mover o cursor rapidamente de um lado para o outro da tela. Você vai notar uma série de "fantasmas" seguindo o cursor. O controle impreciso da voltagem impede a habilidade da matriz passiva de influenciar somente um pixel (em inglês) de cada vez. Quando a voltagem é aplicada para destorcer um pixel, os pixels ao redor dele também se destorcem parcialmente, o que faz com que as imagens pareçam distorcidas e com falta de contraste.

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Matriz ativa

As LCDs de matriz ativa dependem de transistores de filme finos (TFT). Basicamente, os TFTs são pequenos transistores e capacitores de mudança. Eles são dispostos em uma matriz sobre um substrato de vidro. Para dirigir-se a um pixel particular, a linha apropriada é ativada e então uma carga é enviada para a coluna correta. Já que todas as outras linhas com que a coluna se cruza estão desativadas, somente o capacitor no pixel designado recebe uma carga. O capacitor é capaz de reter a carga até o novo ciclo de atualização. E se controlarmos com cuidado a quantidade de voltagem fornecida a um cristal, podemos fazê-lo destorcer o suficiente para permitir que alguma luz passe.

Fazendo isso em pequenos e exatos acréscimos, as LCDs conseguem criar uma escala cinza. A maioria das telas de hoje oferece 256 níveis de brilho por pixel.

Cor

Uma LCD que consegue mostrar cores deve ter 3 subpixels com filtros de cor vermelho, verde e azul para criar cada pixel de cor.

Por meio do controle cuidadoso e da variação da voltagem aplicada, a intensidade de cada subpixel pode variar em 256 tonalidades. A combinação dos subpixels produz uma paleta possível de 16,8 milhões de cores (256 tonalidades de vermelho x 256 tonalidades de verde x 256 tonalidades de azul). Estas telas coloridas necessitam de um enorme número de transistores. Por exemplo, um laptop típico suporta resoluções de até 1,024x768. Se multiplicarmos 1.024 colunas por 768 linhas por 3 subpixels, obtemos 2.359.296 transistores gravados sobre o vidro. Se houver um problema com algum destes transistores, ele cria um "pixel ruim" na tela. A maioria das telas de matriz ativa tem alguns pixels ruins espalhados pela tela

Avanços da LCD

A tecnologia da LCD evolui constantemente. Hoje, as LCDs empregam diversas variações da tecnologia de cristal líquido, incluindo nemáticos super torcidos (STN),

nemáticos torcidos de camada dupla (DSTN), cristal líquido ferroelétrico (FLC) e cristal líquido ferroelétrico estabilizado por superfície (SSFLC).

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O tamanho da tela é limitado pelos problemas de controle de qualidade enfrentados pelos

fabricantes. De maneira simples, para aumentar o tamanho da tela, os fabricantes devem

adicionar mais pixels e transistores. À medida que aumentam o número de pixels e

transistores, também aumentam a chance de incluir um transistor ruim em uma tela. Os

fabricantes das LCDs grandes rejeitam freqüentemente cerca de 40% dos painéis que saem da

linha de montagem. O nível de rejeição afeta diretamente o preço da LCD uma vez que as

vendas de LCDs boas devem cobrir o custo de fabricação das telas boas e ruins. Somente

avanços na fabricação podem levar a telas acessíveis em tamanhos maiores.

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Introdução

É provável que haja um relógio digital ao lado da sua cama. Você já olhou para ele de manhã e imaginou como ele funciona?

Neste artigo, você aprenderá exatamente como ele funciona e aprenderá a construir o seu próprio relógio.

Para entender como funciona um relógio digital, você tem que conhecer seu interior e saber o que está acontecendo. Então vamos começar!

Fundamentos

Se você leu Como funcionam os relógios de pêndulo, sabe que todos os relógios, independentemente da tecnologia usada, necessitam de alguns componentes:

• uma fonte de energia para fazer o relógio funcionar - os pesos ou as molas desempenham esta função;

• uma base de tempo precisa que age como a pulsação do relógio - o pêndulo e o escapo fazem isso;

• uma maneira de reduzir a velocidade da base de tempo para extrair seus diferentes componentes (horas, minutos e segundos) - as engrenagens desempenham o papel;

• uma maneira de mostrar as horas - os ponteiros e o mostrador do relógio.

Um relógio digital não é diferente. Ele simplesmente lida com estas funções eletronicamente em vez de mecanicamente, por meio de um suprimento de energia elétrica (uma bateria ou energia elétrica doméstica). Existe uma base de tempo

eletrônica que "marca o tempo" a uma taxa precisa e conhecida; um "mecanismo de engrenagens" eletrônico de algum tipo -geralmente um relógio digital manipula esta engrenagem com um componente chamado "contador"; e um display, geralmente composto de LEDs (diodos emissores de luz) ou uma LCD (tela de cristal líquido).

Visão geral

Aqui temos uma visão geral dos componentes de um relógio digital.

No centro do relógio existe uma peça que gera um sinal preciso de 60 Hertz (Hz, oscilações por segundo). Existem duas maneiras de se gerar este sinal:

1. o sinal pode ser extraído das oscilações de 60 Hz de uma linha de transmissão de energia doméstica. Muitos relógios funcionam com esta fonte de energia porque é barato e fácil. O sinal de 60 Hz na linha de transmissão de força doméstica é razoavelmente preciso para esta finalidade;

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2. o sinal pode ser gerado usando um oscilador de cristal. Obviamente, qualquer relógio que funciona com baterias irá usar esta técnica (que envolve o uso de mais peças, mas geralmente ela é muito mais precisa).

O sinal de 60 Hz é dividido por um contador. Quando você for construir o seu próprio relógio, uma peça TTL comumente usada é um contador de dezenas 7490. Esta peça pode ser configurada para dividir qualquer número entre 2 e 10 e gera um número

binário como resultado. Então você pega a sua base de tempo de 60 Hz, divide por 10, divide isto por 6 e terá um sinal de 1 Hz (1 oscilação por segundo). Este sinal é perfeito para acionar o "ponteiro de segundos" do display. Até agora, o relógio se parece com

isto em um diagrama de bloco:

Para realmente ver os segundos, a saída dos contadores precisa acionar um display. Os dois

contadores produzem números binários. O contador divisor por 10 está produzindo uma

seqüência de 0-1-2-3-4-5-6-7-8-9 nas saídas, enquanto o contador divisor por 6 está

produzindo uma seqüência de 0-1-2-3-4-5 nas saídas. Queremos mostrar estes números

binários em algo chamado de display de 7 segmentos. Um display de sete segmentos tem 7

barras e ligando barras diferentes você pode mostrar números diferentes:

Para converter um número binário entre 0 e 9 em um sinal apropriado para acionar um display

de sete segmentos, você usa um (corretamente chamado) "conversor de números binários

para display de 7 segmentos". Este chip recebe o número binário que chega e liga as barras

apropriadas nos LEDs do display de 7 segmentos para mostrar este número. Se nós estivermos

mostrando os segundos, então a parte dos segundos do nosso relógio terá esta aparência:

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A saída deste estágio oscila em um ciclo por minuto. Você pode imaginar que a parte dos minutos do relógio tem exatamente a mesma aparência. Por fim, a parte das horas parece quase igual, exceto que o contador divisor por 6 é substituído por um contador divisor por 2.

Existem dois detalhes que você tem que entender se estiver construindo um relógio:

• o relógio projetado aqui não entende que às 12:59:59 ele tem que voltar para 1:00. Este é um pequeno problema que causa confusão, mas existem duas maneiras de resolver isto. Uma técnica envolve criar um pouco de lógica que possa detectar o número 13 e recolocar a parte das horas para 1 (não zero). Uma outra técnica envolve usar um somador. Para o nosso objetivo, é mais fácil lidar com o horário militar (24 horas), porque o horário militar inclui a hora zero;

• precisamos de uma maneira para ajustar o relógio. Geralmente este problema é solucionado enviando freqüências mais altas do que as normais para a parte dos minutos. A maioria dos relógios tem os botões de ajuste "rápido" e "lento". Quando você pressiona o botão "rápido", o sinal de 60 Hz é conduzido diretamente para o contador de minutos. Quando você pressiona o botão "lento", um sinal de 1 Hz é conduzido para a parte de minutos. Existem outras técnicas possíveis, mas esta é a mais comum.

Agora veremos o que é necessário para construir um relógio de verdade.

Construindo seu próprio relógio digital

A melhor maneira de entender os diferentes componentes de um relógio digital e como eles funcionam juntos é seguir as instruções e construir o seu próprio relógio. Aqui construiremos somente a parte dos segundos, mas você pode facilmente ir em frente e

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construir um relógio completo com horas, minutos e segundos. Para entender estes passos, você precisa ter lido Como funciona a lógica booleana e Como funcionam os portões eletrônicos. Em particular, o artigo sobre portões eletrônicos explica sobre os chips TTL, matriz de contatos e fontes de energia. Se você já lidou com portões como os descritos naquele artigo, então a explicação fará muito mais sentido.

A primeira coisa que precisamos é uma fonte de energia. Nós construímos uma no artigo sobre portões eletrônicos. Naquele artigo, usamos um transformador de parede padrão que produzia corrente contínua e o regulamos para 5 volts usando um regulador de voltagem 7805. Para o nosso relógio, faremos um pouco diferente porque vamos extrair a nossa base de tempo de 60 Hz da linha de energia doméstica. Isto significa que nós queremos um fonte de energia CA ao invés de um transformador CC, e vamos usar uma peça chamada de retificador em ponte para converter a energia CA para CC. Portanto, precisamos das seguintes peças para a nossa fonte de energia:

Nome da peça Número da peça Jameco Transformador de CA de 12 volts

115602 Retificador em ponte

103018 Regulador de 5 volts - 7805 com encapsulamento TO-220

51262 Dois capacitores eletrolíticos de 470-microfarad

93817 Diodo zener de 5,1 volts

36097 Resistor de 1K ohm

29663

Alguns comentários sobre as peças usadas:

• a diferença entre o transformador CA que estamos usando aqui e o transformador CC que usamos no artigo sobre os portões é que o transformador de CA preserva a onda senoidal de 60-HZ encontrada na corrente de 120 volts doméstica. Se você quiser usar o seu voltímetro para medir a voltagem do transformador de CA, esteja certo de usar uma variação de voltagem de CA ao invés de uma variação de CC;

• usamos o retificador em ponte para converter a CA para CC. Um dos terminais no retificador está marcado com um "+", a partir do que você pode achar as entradas "-" e CA. Não existe polaridade em um transformador de CA, então não importa em qual condutor do transformador você conecta o condutor de CA do retificador;

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• o regulador 7805 e os capacitores são conectados exatamente como descrito no artigo sobre portões eletrônicos;

• o resistor e o diodo zener extraem um sinal de 60 Hz da onda senoidal do transformador. O diodo é uma válvula unidirecional para os elétrons, mas ela também passa elétrons na outra direção se eles estiverem acima de uma certa voltagem. O diodo zener, portanto, transforma uma onda senoidal de 10 volts em uma onda distorcida que oscila entre 0 e 5 volts. Isto é perfeito para medir o tempo nos contadores TTL. O resistor de 1k ohm assegura que a corrente para o diodo zener seja limitada e não queime. O diodo tem uma faixa pintada em uma das pontas e esta faixa indica a ponta que vai ser conectada ao resistor.

Diagrama do circuito

Aqui está um diagrama de circuito para o fornecimento de energia e base de tempo:

Como vimos no artigo sobre portões eletrônicos, o fornecimento de energia é a parte mais difícil.

Para criar o resto do relógio você vai precisar:

• no mínimo quatro chips 7490 ou 74LS90; • no mínimo dois conversores de binário para 7 segmentos 7447 ou 74LS47; • no mínimo 20 resistores para os LEDs nos displays de sete segmentos (os

resistores de 330 ohms funcionam bem); • alguns LEDs comuns; • no mínimo dois displays LED de 7 segmentos de ânodo comum (AC) - a peça

número 17208 da Jameco é o display mais usado; • matriz de contatos, fio, etc (veja esta página para uma lista completa);

O número de chips, resistores e LEDs que você precisa depende de quantos dígitos você está interessado em implementar. Aqui discutiremos somente os segundos, então os

números "mínimos" estão corretos.

Contador 7490

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Vamos observar brevemente o contador 7490 para ver como ele funciona. Aqui está o diagrama:

O 7490 é um contador decimal, o que significa que ele é capaz de contar de 0 a 9 ciclicamente e que este é o seu modo de execução natural. Isto é, QA, QB, QC e QD são 4 bits em um número binário e estes pinos executam ciclos de 0 a 9, desta maneira:

QD QC QB QA

0 0 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 0 1

0 1 1 0

0 1 1 1

1 0 0 0

1 0 0 1

Você também pode ajustar o chip para contar até outros números máximos e então retornar a zero. Você ajusta mudando o fio das linhas R01, R02, R91 e R92. Se ambos R01 e R02 são 1 (5 volts) e o R91 ou o R92 são 0 (terra), então o chip irá reiniciar o QA, QB, QC e QD do 0. Se ambos R91 e R92 são 1 (5 volts), então a contagem no QA, QB, QC e QD vai até 1001 (5). Portanto:

• para criar um contador divisor por 10, você primeiro conecta o pino 5 em +5 volts e o pino 10 ao solo para fornecer energia ao chip. Depois você conecta o pino 12 ao pino 1 e aterra os pinos 2, 3, 6, e 7. Você gera a entrada do sinal do relógio (da base de tempo ou de um contador prévio) no pino 14. O resultado aparece no QA, QB, QC e QD. Use o resultado no pino 11 para se conectar ao próximo estágio;

• para criar um contador divisor por 6, você primeiro conecta o pino 5 em +5 volts e o pino 10 ao solo para fornecer energia para o chip. Depois você conecta o pino 12 ao pino 1 e aterra os pinos 6 e 7. Conecta o pino 2 ao pino 9 e o pino 3 ao pino 8. Você gera a entrada do sinal do relógio (da base de tempo ou de um contador prévio) no pino 14. O resultado aparece no QA, QB e QC. Use o pino 8 para se conectar ao próximo estágio.

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• Criando o marcador dos segundos • Sabendo disto, você pode facilmente criar o marcador dos segundos de um

relógio digital. Ele tem esta aparência:

• Neste diagrama, os dois contadores 7490 de cima dividem o sinal de 60 Hz da fonte de energia por 60. O terceiro contador 7490 pega o sinal de 1-hertz como entrada e o divide por 10. As quatro saídas controlam os LEDs normais neste diagrama. O quarto contador 7490 divide a saída do terceiro por 6 e as três saídas controlam os LEDS normais também. O que você tem neste ponto é um "ponteiro de segundos" para o seu relógio com a saída do ponteiro de segundos aparecendo em binário. Se você quiser criar um relógio que tenha um display binário, então está pronto. Aqui está a amostra de uma matriz de contatos que contém um contador divisor por 10, um contador divisor por 6 e um conjunto de LEDs para mostrar a saída dos contadores em binário:

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Os fios que entram pelo lado esquerdo são os da energia, do terra, e do

relógio para a matriz de contatos. O contador da esquerda é um

contador 7490 ajustado para dividir por 10 e o da direita é um outro

contador 7490 ajustado para dividir por 6.

• Se você arrumar tudo bem apertado e fizer um trabalho correto com os fios, pode encaixar até quatro contadores em uma única matriz de contatos.

Mostrando as horas como numerais

Para mostrar as horas como numerais, você precisa de codificadores 7447. Eis o diagrama de um decodificador 7447, como também a classificação dos segmentos para um LED de 7 segmentos:

Você conecta um codificador 7447 a um contador 7490 desta maneira:

• forneça +5 volts ao pino 16 e aterre no pino 8 para fornecer energia ao chip 7447;

• conecte QA, QB, QC e QD de um contador 7490 aos pinos 7, 1, 2 e 6 do decodificador 7447, respectivamente;

• conecte resistores de 330-ohm aos pinos 13, 12, 11, 10, 9, 15 e 14 do decodificador 7447 e conecte estes resistores aos segmentos a, b, c, d, e, f, e g do LED de 7 segmentos;

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• conecte o ânodo comum do LED de 7 segmentos a +5 volts.

Você deverá ter o diagrama para o display de LED específico que vai usar, para saber como conectar as saídas do decodificador 7447 aos LEDs no dispositivo de sete segmentos. Note também que o decodificador 7448 é equivalente ao decodificador 7447, exceto que ele guia os displays de cátodo comum. Aterre o cátodo comum do LED neste caso.

Você pode notar que se estendermos o circuito, podemos facilmente criar um relógio completo. Para criar o "ponteiro dos minutos" do relógio, tudo que você precisa fazer é duplicar a parte do "ponteiro dos segundos". Para criar o "ponteiro das horas", você deve ser criativo. Provavelmente a solução mais fácil é criar um relógio que mostra a hora militar. Então você usará uma porta lógica (ou as entradas R do contador 7490) para reconhecer o número binário 24 e usar a saída do reconhecedor para resetar o contador de horas para zero.

A parte final que você precisa criar é um mecanismo de ajuste. É fácil ajustar o relógio em uma matriz de contatos: energize os fios de entrada para guiar sinais de freqüência mais altos na parte do ponteiro de minutos.

Se por acaso você desmontar o seu relógio digital, vai notar que não existem 15 TTL ICs dentro dele. Na realidade, é capaz de você não encontrar nenhum chip. Na maioria dos relógios modernos, todas as funções do relógio (incluindo o alarme e outros recursos) estão todos integrados em um chip de baixa potência (em um relógio de pulso, o chip e o display juntos consomem cerca de um milionésimo de watt). Este chip provavelmente está inserido na placa de circuito. É possível que você veja uma capa de plástico protegendo o chip. Este pequeno chip contém todos os componentes que discutimos aqui anteriormente.

Agora você sabe por completo como funcionam os relógios digitais. Da próxima vez que você olhar para o relógio ao lado da sua cama ou para o seu relógio digital de pulso, você vai vê-lo de uma forma diferente e saberá o que está acontecendo dentro dele.