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Eletroeletronica

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  • 1. IBTA 3209 ADS / BD / RC / SI Arquitetura de Computadores Semestre I1. Eletroeletrônica1.1. IntroduçãoOs computadores e seus periféricos, bem como todos os equipamentos de informática, sãoaparelhos eletrônicos. Podemos dizer, mais precisamente, que os computadores são aparelhoseletrônicos digitais. Vamos então, neste momento, entender alguns conceitos de eletroeletrônica,que nos serão muito importantes para o entendimento da arquitetura e dos componentes de umcomputador.1.2. Fundamentos de EletricidadeDevemos lembrar que os fenômenos elétricos estão sempre ligados à movimentação de elétronsentre os átomos de um material. Os átomos, normalmente, são eletricamente neutros, ou seja,têm o mesmo número de partículas negativas (elétrons) e positivas (prótons). Porém, os elétronsficam na parte mais externa do átomo, e podem saltar de um átomo para outro. Quando umátomo ganha ou perde elétrons, ele adquire carga positiva (quando perde elétrons) ou carganegativa (quando ganha elétrons). Núcleo Elétrons PrótonsFigura 1. ÁtomoAnalisando então o estado dos átomos que formam um corpo, podemos dizer que o corpo estáeletricamente neutro, ou carregado negativamente, ou carregado positivamente. A intensidadecom que um corpo está carregado é chamada de potencial elétrico do corpo.Quando temos uma diferença de potencial elétrico entre dois pontos, existe uma tendência naturalde os elétrons moverem-se do ponto de potencial negativo (que tem mais elétrons) para o pontode potencial positivo (que tem menos elétrons), até que os dois pontos fiquem com o mesmopotencial.Assim, quanto maior a diferença de potencial entre dois pontos, maior será a tendência doselétrons movimentarem-se de um para o outro, buscando o equilíbrio. A diferença de potencialentre dois corpos é chamada de tensão elétrica.Porém, para os elétrons movimentarem-se entre os pontos, é preciso haver um caminho que osinterligue. E esse caminho deve ser constituído de um material que permita a circulação doselétrons. 1 Copyright Faculdade IBTA
  • 2. IBTA 3209 ADS / BD / RC / SI Arquitetura de Computadores Semestre IOu seja, o material entre esses pontos deve permitir a circulação de elétrons. Quanto maior adificuldade enfrentada pelos elétrons para fluírem por um material, maior é a resistência elétricado material. Podemos definir então materiais isolantes e condutores de eletricidade, ou seja,materiais que facilitam ou não facilitam o fluxo de elétrons.Materiais Isolantes: - Não facilitam o fluxo de elétrons.(resistência alta) - Exemplos: plástico, madeira, vidro, papel, ar.Materiais Condutores: - Facilitam o fluxo de elétrons.(resistência baixa) - Exemplos: cobre, ferro, prata, ouro.Existindo tensão elétrica entre dois pontos, e um caminho de baixa resistência unindo-os, haveráum fluxo de elétrons. A esse fluxo de elétrons dá-se o nome de corrente elétrica.Vimos, então, que os fenômenos elétricos podem ser descritos através de três grandezasfundamentais, que estão intimamente relacionadas. São elas:Tensão: é a medida da força que impulsiona os elétrons para que eles se movimentem. A tensãoentre dois pontos é a diferença de potencial elétrico entre eles (ddp), que fará com que haja ofluxo dos elétrons (corrente). O símbolo da grandeza Tensão Elétrica é a letra U. A unidade demedida da tensão é o Volt [V].Resistência: é a medida de quanto um material resiste ao fluxo de elétrons. Sendo assim,podemos dizer que: materiais condutores têm resistência baixa e materiais isolantes têmresistência alta. O símbolo da grandeza Resistência Elétrica é a letra R. A unidade de medida daresistência é o Ohm [�].Corrente: é a medida da intensidade do fluxo de elétrons. Podemos imaginar que a correnteelétrica é proporcional à quantidade de elétrons que passam por um determinado ponto, numdeterminado intervalo de tempo. O símbolo da grandeza Corrente Elétrica é a letra I. A unidade demedida da corrente é o Ampère [A].Potência: é a medida de energia utilizada. Pode ser expressa de duas maneiras: como potênciadissipada, ou como energia consumida. A potência dissipada refere-se à potência quedeterminado circuito elétrico irá dissipar, de acordo com o valor de corrente, tensão e resistênciaelétrica. Seu símbolo é P e a unidade de medida é o Watt [W]. A energia consumida leva emconsideração a potência dissipada no decorrer do tempo. É geralmente medida em KWh (lê-seKiloWatts por Hora, que significa milhares de watts dissipados por hora).A relação entre todas essas grandezas pode ser dada pelas seguintes fórmulas, de acordo comas leis de Ohm: Onde: U = tensão elétrica, em volts.U=RxI R = resistência elétrica, em ohms. I = corrente elétrica, em ampère.P=UxI P = potência dissipada, em watts. E = energia consumida, em J (joule) ou KWh.E = P x �t �t = variação de tempo, em hora (ou segundos).2 Copyright Faculdade IBTA
  • 3. IBTA 3209 ADS / BD / RC / SI Arquitetura de Computadores Semestre I1.3. Circuitos ElétricosOs circuitos elétricos e eletrônicos são compostos por uma série de componentes que, graças àcirculação de corrente através deles, podem ter diversos comportamentos, exercendo diversasfunções. Um circuito elétrico, por definição, sempre terá três componentes básicos:Gerador (ou fonte) de Tensão: é o dispositivo que fornece a tensão que fará com que hajacirculação de corrente. Ele sempre tem dois pólos (positivo e negativo). A tensão produzida porum gerador é a ddp entre seus pólos. Ele trabalha convertendo outras formas de energia emenergia elétrica (ddp).Exemplos:• pilhas e baterias (energia química);• usinas hidrelétricas e alternador do carro (energia mecânica);• fotocélulas de calculadora à luz solar (energia luminosa).Conexões: é o caminho que deve haver para que os elétrons saiam de um pólo do gerador detensão, fluam pelos componentes do circuito e cheguem ao outro pólo. Deve ser um material deresistência muito baixa (o caminho ideal deveria ter resistência nula, mas isto é praticamenteimpossível).Exemplos:• cabos das linhas de alta tensão;• cabo de força de um microcomputador;• trilhas de cobre em uma placa de circuito impresso.Carga: é o componente ou conjunto de componentes que, quando alimentados por uma correnteelétrica, exercerão alguma função predeterminada.Exemplos:• lâmpada;• motor;• alto-falante; R I + U -Figura 2. Circuito Elétrico 3 Copyright Faculdade IBTA
  • 4. IBTA 3209 ADS / BD / RC / SI Arquitetura de Computadores Semestre I1.4. Eletricidade EstáticaEletricidade estática é o acúmulo de cargas positivas ou negativas em um corpo, sem que hajaum caminho por onde possam fluir elétrons para outros pontos. Diz-se que este corpo ficaeletrizado já que não há circulação de corrente elétrica. Esse fenômeno pode ser produzido detrês maneiras:Indução: quando um corpo já eletrizado ou carregado de eletricidade estática é colocado próximode outro, ainda eletricamente neutro. Dependendo da carga acumulada no primeiro objeto e dadistância entre eles, o segundo objeto adquire cargas elétricas;Contato: quando um corpo carregado de eletricidade estática é colocado em contato com outro,ainda descarregado. Cria-se um caminho para troca de cargas entre eles e, se a carga acumuladano primeiro objeto for suficientemente grande, ambos os objetos terminam por ficar carregados;Atrito: semelhante à eletrização por contato, mas provoca um efeito muito mais intenso, pois osdois corpos (o eletrizado e o não eletrizado) são colocados em contato e movimentados. Por isso,o corpo eletrizado passa suas cargas para o não eletrizado em quantidades e velocidades muitomaiores do que nos métodos anteriores.Quando temos entre dois corpos, eletricamente carregados, uma ddp muito alta, os elétronspodem vencer a resistência do ar, saltando de um ponto ao outro. Nesse tipo de circuito, adiferença de potencial eletrostático entre dois pontos faz o papel de gerador, e o ar faz o papel decaminho e/ou carga. Isso é chamado de descarga eletrostática (ESD).Um bom exemplo de descarga eletrostática é um relâmpago. Numa tempestade, as nuvens ficammuito carregadas e o solo tem potencial nulo. Quando a diferença de potencial entre uma nuveme solo atinge um determinado patamar, ocorre uma descarga eletrostática, ou seja, os elétronsfluem através do ar, neutralizando a ddp que existia.Outro tipo de descarga, de dimensões muito menores, é a que pode ocorrer quando uma pessoaestá carregada e toca um objeto metálico. Uma pessoa pode ficar carregada devido ao atrito comcertos materiais como carpete e roupas de lã. Esse fenômeno ocorre mais ainda em ambientes dear muito seco.Apesar de inofensivas para as pessoas, essas descargas podem facilmente danificarequipamentos eletrônicos. Portanto, devemos ter o cuidado de sempre evitar tocar as partesmetálicas das placas de circuito impresso. Uma medida muito importante é descarregarmos aeletricidade estática acumulada, antes de manusear equipamentos. Podemos fazer isso tocandouma peça metálica grande, como uma janela, grade ou ainda o gabinete metálico do computador,que tenha potencial nulo. Podemos ainda, utilizar uma pulseira antiestática. Essa pulseira possuium fio que deve ser ligado a um fio terra, eliminando assim qualquer carga elétrica do corpo.1.5. Corrente Alternada x Corrente ContínuaOs geradores de tensão dividem-se em dois grandes tipos: corrente contínua (CC), como aspilhas, por exemplo, e corrente alternada (CA), que é o caso de todos os geradores mecânicos.De acordo com o gerador utilizado, podemos ter um circuito CC ou CA.A diferença entre eles é que num circuito CC, a corrente flui sempre no mesmo sentido, havendode forma bem definida um pólo positivo e um pólo negativo. Num circuito AC, o sentido dacorrente alterna-se periodicamente, não havendo polaridade definida. Conforme a periodicidadedas variações de polaridade, teremos uma freqüência maior ou menor. A corrente alternadafornecida pelas companhias distribuidoras de energia elétrica tem uma forma de onda senoidal.4 Copyright Faculdade IBTA
  • 5. IBTA 3209 ADS / BD / RC / SI Arquitetura de Computadores Semestre I I I t t Corrente Contínua Corrente AlternadaFigura 3. Corrente Contínua (CC) e Corrente Alternada (CA)Freqüência é uma grandeza que só faz sentido em circuitos CA. Quanto maior a freqüência, maiscurto são os ciclos ou períodos formados de um semiciclo positivo e um semiciclo negativo. Afreqüência é medida em Hertz [Hz] o que indica a quantidade de ciclos por segundo.Um equipamento elétrico alimentado por pilhas ou bateria é um equipamento CC. Porém, aenergia fornecida pelas empresas distribuidoras é CA, portanto, os equipamentos que ligamos àtomada, podem ser de dois tipos: ou eles são CA, e usam diretamente a energia recebida (comoliquidificadores, condicionadores de ar, etc.) ou eles são CC e precisam de um conversor AC/DC(TVs e computadores, por exemplo).Os microcomputadores são equipamentos CC, portanto, eles precisam de um conversor. Écomum chamarmos de fonte o conversor CA/CC dos micros. Como veremos mais adiante, asfontes dos microcomputadores, normalmente convertem tensões de 110V a 220V CA em tensõesde 5V e 12V CC.1.6. Problemas de Alimentação CAComo vimos, a energia que recebemos das empresas distribuidoras no Brasil é CA, e tem tensãode 110V (127V em instalações trifásicas mais comuns em indústrias) ou 220V numa freqüência de60 Hz (60 ciclos por segundo). Para alimentar os microcomputadores, e equipamentos deinformática em geral, são necessárias fontes, que além de diminuírem o nível da tensão, sãoconversores CA/CC.Porém, podem ocorrer diversos problemas na rede de energia, que podem danificar as fontes eos próprios equipamentos de informática ou impedir seu correto funcionamento. São eles:Falta de energia: a falta de força ainda é comum hoje em dia, mas sua ocorrência é cada vezmenor. Acontece devido a problemas graves nas redes de distribuição. Quando acaba a forçarepentinamente, podemos perder dados. Em empresas informatizadas, a falta de energia podecausar prejuízos inestimáveis.Queda momentânea: devido a problemas na rede de distribuição, podem ocorrer pequenasquedas de energia, que duram menos que um ciclo. Apesar de quase imperceptíveis para aspessoas, podem causar graves problemas em HDs, podendo haver perda de dados de arquivos.Subtenção: são quedas no nível de tensão da rede com duração superior a um ciclo. Algumasvezes a duração é tão longa que se torna perceptível para um observador humano (luzes queenfraquecem, ruído diferente num motor, etc.). A subtensão, muitas vezes, ocorre pelo maudimensionamento da fiação elétrica interna. Pode causar perda de dados na memória e distorçõesno monitor. 5 Copyright Faculdade IBTA
  • 6. IBTA 3209 ADS / BD / RC / SI Arquitetura de Computadores Semestre IPicos de Tensão: os picos de tensão são causados pela queda de raios nas proximidades daslinhas de transmissão ou pela ativação de certos aparelhos de grande potência localizados emindústrias próximas. Um pico de tensão pode atingir mais de 1000 Volts, queimando fontes,placas, HDs, e tudo mais que estiver conectado eletricamente.Sobretensão: a sobretensão, que ocorre por problemas da empresa distribuidora, é um aumentonos níveis da tensão na rede elétrica com duração superior a um ciclo. Muito perigosa, quasesempre provoca queima de equipamentos. Se muito longa, pode ser notada no aumento deluminosidade de lâmpadas.Ruídos e Oscilações: são variações na forma da onda fornecida. Acontecem devido à presençade certos dispositivos como motores, lâmpadas fluorescentes e aparelhos de ar-condicionadoque, ao serem ligados, causam interferências na rede de alimentação. Causam oscilações nastelas de monitores, e podem fazer o computador se perder e travar.Para proteger os equipamentos desses problemas, utilizamos alguns dispositivos de proteção.São eles:Filtro de Linha: é o dispositivo mais barato e mais comum. Eficiente no caso de picos de tensão,quedas momentâneas e ruídos. Porém, a proteção obtida com um filtro de linha, não é muitomelhor do que a garantida pela própria fonte dos microcomputadores atuais.Estabilizador: é também muito comum, e tem um custo um pouco maior que o filtro de linha. Umbom estabilizador pode evitar muitos aborrecimentos com problemas de energia. Ele tem umcircuito que compensa variações de energia da rede, fornecendo uma saída estável mesmo naocorrência de quedas momentâneas, picos de tensão, sobre e subtensão e ruídos. Os bonsestabilizadores, já têm internamente todos os componentes de um filtro de linha.Figura 4. Filtro de Linha Figura 5. EstabilizadorNo-breaks: são equipamentos mais caros, mas só eles é que resolvem o problema da queda deforça além dos já solucionados pelo uso de estabilizadores. Utilizam baterias que fornecemenergia quando a rede externa falha, e recarregam-se quando a rede externa está operando.Devemos lembrar que as baterias só trabalham com tensão CC. Portanto, é necessário umconversor CA/CC (circuito retificador) para carregar as baterias, e um conversor CC/CA(circuito inversor) para utilizar a energia das baterias a fim de alimentar equipamentos. Todono-break tem um circuito estabilizador na saída, dispensando o uso de outros dispositivos. Osno-breaks dividem-se em dois tipos:No-break off-line: é o tipo mais comum de no-break. Ele tem um circuito chaveador com sensorque detecta a falta de energia na rede, e aciona as baterias. Assim, as baterias só serãoutilizadas quando for realmente necessário.6 Copyright Faculdade IBTA
  • 7. IBTA 3209 ADS / BD / RC / SI Arquitetura de Computadores Semestre I Rede Circuito de Externa Chaveamento Alimentação dos Equipamentos Retificador Inversor BateriasFigura 6. Diagrama de um no-break off-line.No-break on-line: é o dispositivo de proteção mais caro e o mais eficiente. A rede externa ficaligada às baterias, e as baterias alimentam os equipamentos internos o tempo todo. Com essetipo de no-break, o tipo de energia CA fornecido é muito bom, pois depende exclusivamente docircuito inversor do no-break. Rede Alimentação dos Externa Equipamentos Retificador Bateria InversorFigura 7. Diagrama de um no-break on-line.1.7. MultímetroO multímetro é um aparelho que executa medições de diversas grandezas elétricas. Ele incorporaem si três medidores e, através de uma chave seletora, podemos escolher como o multímetro vaitrabalhar. Assim o multímetro pode ser:• voltímetro: instrumento utilizado para medir tensão elétrica (CC e CA);• amperímetro: instrumento utilizado para medir corrente elétrica (CC e CA);• ohmímetro: instrumento utilizado para medir resistência elétrica. 7 Copyright Faculdade IBTA
  • 8. IBTA 3209 ADS / BD / RC / SI Arquitetura de Computadores Semestre IFigura 8. MultímetroPara medir tensão elétrica devemos colocar o multímetro para trabalhar como um voltímetro.Devemos ajustar a escala do multímetro de acordo com o valor de tensão que se deseja medir.Para isso, utilizamos a chave seletora.Quando vamos medir a tensão elétrica de um componente, na verdade, estamos medindo adiferença de potencial que existe entre os seus terminais. Portanto, para medir a tensão elétrica(ou diferença de potencial) de um determinado componente, devemos colocar cada ponta em umdos seus terminais.Por medida de segurança, devemos selecionar sempre a escala mais alta e ir diminuindo aescala, através da chave seletora, até que um valor de tensão seja facilmente lido. 1.5 v R + A V -Figura 9. Medição de TensãoPara medir corrente elétrica devemos colocar o multímetro para trabalhar como um amperímetro.Devemos ajustar a escala do multímetro de acordo com o valor de corrente que se deseja medir.Imagine um higrômetro - aparelho com que se mede a quantidade de água consumida nasresidências. Para medir o consumo de água, toda a água da residência deve passar pelohigrômetro. Se houver uma tubulação por onde a água possa passar sem passar pelo higrômetro,a leitura do consumo de água não estará correta.8 Copyright Faculdade IBTA
  • 9. IBTA 3209 ADS / BD / RC / SI Arquitetura de Computadores Semestre IQuando utilizamos um amperímetro, fazemos a mesma coisa. Ou seja, fazemos a correnteelétrica passar pelo amperímetro. Para medir a corrente elétrica de um componente devemosdesconectar um dos seus terminais e utilizar o amperímetro para fazer essa ligação.Por medida de segurança, também aqui devemos selecionar sempre a escala mais alta e irdiminuindo a escala, através da chave seletora, até que um valor de corrente elétrica sejafacilmente lido. 0.5 A R A + V -Figura 10. Medição de CorrentePara medir a resistência de um componente devemos ajustar o multímetro para medir resistência(ohmímetro - �). Para medir a resistência de um componente, ele não deve estar ligado emnenhum circuito, porque os outros componentes do circuito irão alterar o valor da medição.Portanto, o componente deve ser retirado do circuito para fazer a medição da sua resistência. 0.8 � R A VFigura 11. Medição de Resistência1.8. AterramentoO que é o Aterramento?Quando pensamos em aterramento, logo pensamos na palavra terra e é exatamente esta idéia. Ofio terra de segurança (como também é chamado) visa a proteger os usuários de equipamentoseletroeletrônicos contra descargas e choques elétricos, que em muitos casos pode ser fatal.A idéia da terra vem de que o aterramento é criado enterrando-se uma haste metálica (de cobre)no solo, para que a corrente elétrica seja desviada, não causando riscos aos usuários. Essacorrente é desviada para a terra (e não para o corpo humano), pois a terra tem uma massa muito 9 Copyright Faculdade IBTA
  • 10. IBTA 3209 ADS / BD / RC / SI Arquitetura de Computadores Semestre Imaior. Com uma massa maior, a quantidade de cargas que a Terra possui é muito menor, tendoassim a "preferência" dos elétrons (cargas) para que tenhamos um equilíbrio de cargas entre osdois corpos (Terra e homem).É interessante que todas as tomadas elétricas tenham o seu fio terra, mas isso nem sempreacontece. Nestes casos o aparelho elétrico deve prever uma entrada para esse terra desegurança normalmente colocada no chassi do equipamento. Caso a tomada seja preparada como fio terra (tomada de 3 pinos) não é necessária a utilização desse aterramento externo. Eminformática, todos as tomadas em que os PCs são ligados tem 3 pinos onde 1 deles é o terra.Veja figura abaixo. Conexão de fio positivo Conexão de fio negativo ou neutro N F Conexão de fio terra de segurança TFigura 12. Tomada de três pinosA função do AterramentoComo dito anteriormente, a principal função do fio terra é evitar danos aos usuários deequipamentos elétricos. Ele faz isso fornecendo um caminho de baixa resistência para os elétronsfluírem. Como os elétrons sempre seguirão o caminho "mais fácil" (baixa resistência) elespreferem seguir pelo terra ao invés de pelo corpo humano, evitando assim riscos aos usuários.Parece algo simples se olharmos superficialmente, como num exemplo de nossas casas. Mas àmedida que o local cresce, como em um prédio ou indústria, o problema de um bom aterramentotambém cresce. Para isso existem diversas normas que determinam e regulamentam como deveser feito o aterramento em cada tipo de instalação, especificando até o comprimento e espessurado fio. Algumas normas são: ANSI/TIA/EIA 607, NBR 5410, NBR 5419, entre outras.Resistência do TerraA resistência do Terra mede a capacidade que o terra tem de conduzir elétrons, ou seja, a"facilidade" do caminho para que os elétrons fluam para a terra. Quanto menor for essaresistência, melhor é o ponto de terra, e mais rápida será a ação dos elementos de proteção comodisjuntores, fusíveis, etc.Embora muitos fornecedores exijam 1 ohm como valor máximo de resistência de terra, este não éum valor padronizado na norma NBR 5410, enquanto a norma americana (TIA/EIA 607) exige ummáximo de 25 ohms.Além disto, o aterramento também serve para a proteção contra descargas atmosféricas (NBR5419) e é recomendado pela norma um terra de no máximo 10 ohms. Normalmente este é o valorseguido em todas as instalações.10 Copyright Faculdade IBTA
  • 11. IBTA 3209 ADS / BD / RC / SI Arquitetura de Computadores Semestre I Exercícios Responda de acordo com o texto:01. Defina e diferencie materiais isolantes e condutores, dando exemplos.02. Considere o circuito: + 6V 15� Figura 13. a. Qual a corrente que está circulando? b. Se o valor da tensão fosse dobrado e o valor da resistência fosse reduzido a um terço, qual passaria ser o valor da corrente? c. Considerando a resistência de 15W, que valor de tensão faria com que a corrente fosse de 3A?03. O que é eletricidade estática? Como ela surge?04. Que cuidados devemos tomar para evitar as descargas eletrostáticas, ao manusear dispositivos eletrônicos? Por quê?05. Diferencie circuitos CC e CA.06. Quais os tipos de problemas de alimentação CA? Descreva cada um deles.07. Descreva os principais equipamentos de proteção CA, associando-os aos problemas que cada um poderia evitar.08. Explique, utilizando desenhos se achar conveniente, o procedimento para usarmos um multímetro, em medições de: • Resistência; • Tensão CC; • Tensão CA; • Corrente CC; • Corrente CA. 11 Copyright Faculdade IBTA

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