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Laboratório de Hardware

Introdução à Eletrônica

Prof. Sergio Ribeiro

Ciência da Computação

Laboratório de Circuitos Digitais

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.

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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.3

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 eletrônicosnormalmente não são usados paragerar calor, e sim para limitar acorrente elétrica.


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 umabateria de 12V em um resistorde 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 cargaspositivas (falta de elétrons).

Simbologia:

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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.

Capacitor

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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.

Diodo

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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 ⇒ 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.

LED

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Existem ainda os LEDs que emitem luz vermelha ou verde (bicolores), dependendo do sentido da corrente.

LED

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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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Existem vários tipos de transistores pra diversos fins. Quanto ao sentido da corrente, os transistores são

classificados como NPN ou PNP.

Transistor

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Existem fototransistores que amplificam o sinal geradopelo seu sensor ótico.

Os transistores realizam uma série de funções: chave eletrônica amplificador de tensão amplificador de corrente

Ex: o sinal elétrico gerado porum microfone é tão fraco quenão consegue excitar um alto-falante. Usa-se um transistorpara elevar a tensão do sinalsonoro, e também um transistor para atuar como amplificador de corrente.

Transistor

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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 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 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.

Protoboard (Matriz de Contatos)

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Protoboard (Matriz de Contatos) Os contatos metálicos estão em diferentes sentidos

na matriz.

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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.

Kit Educacional Exsto XD102

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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.


Hardware do Kit XD102

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O kit possui uma fonte de alimentação fornecendo quatrovalores de alimentação fixa (+5VDC, -12VDC, +12VDC e+15.5VDC) e uma alimentação variável (0 a 12VDC).


Módulo da Fonte

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Módulo dos Potenciômetros

Este módulo é constituído por quatro potenciômetros de 10kΩ independentes.

Há vários pinos deconexão permitindousar o potenciômetroem várias aplicaçõessimultâneas.

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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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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.


Módulo Gerador de Pulsos

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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 independentesque nos permitem colocardiretamente nas suas entradasuma palavra BCD.

Sua contagem está limitada dezero a nove. Qualquer valor BCDdiferente disso faz o display ficarapagado.

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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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