E tudo os chips criaram na era digital. Mas há uma nova revolução à espreita

São cada vez mais pequenos e dão-nos cada vez mais em todo o tipo de objetos. Contamos a história dos chips (e dos transístores) com a ajuda de especialistas, mas analisamos também o futuro com uso de luz ou papel para transmissão de dados, além da prometedora computação quântica.

São o cérebro dos sistemas computadorizados que, hoje, damos por garantidos no nosso dia a dia. São cada vez mais pequenos, conectados e integrados em circuitos que são verdadeiros sistemas de planetas minúsculos no cosmos que é o mundo digital. Os chamados chips de computação podem parecer pequenos, mas escondem um sem número de transístores que tem crescido em número e decrescendo em tamanho, de forma vertiginosa, ao longo dos anos.

São eles que permitem dar funções específicas a uma infinidade de aparelhos eletrónicos. Se no passado, começando nos eletrodomésticos, a sua capacidade era muito limitada, agora temos supercomputadores, smartphones, tablets, aspiradores robô, colunas digitais inteligentes e sensores da chamada Internet das Coisas (que alimentam cidades e casas inteligentes e podem ir de caixotes de lixo até lugares de estacionamento que transmitem informação).

Estes pequenos transístores não são, no entanto, componentes isoladas ou individuais, fazem sim parte do chamado circuito integrado (também conhecido como microchip) ou dos processadores (que podem ser de diferentes tipos – úteis para tarefas muito diferentes), no qual os transístores trabalham de forma concertada para ajudar ao sistema computadorizado a completar os seus cálculos.

Como começou a era dos chips (e da computação)?

Em menos de 60 anos evoluiu-se mais na sofisticação da computação de máquinas do que em milénios e evolução humana. As várias guerras e a própria era espacial que, nos anos 1960 culminou com a chegada do primeiro ser humano à Lua – este ano cumpriu-se precisamente 50 anos que Neil Armstrong pisou o solo lunar – foram fulcrais para evolução da computação em geral e dos chips em particular. Foram precisas algumas décadas de experimentação para que materiais sólidos, os transístores, pudessem substituir a tecnologia anterior: tubos de vácuo que eram o meio utilizado para canalizar os eletrões.

O autor norte-americano James Jay Carafano explica no livro Wiki at War “que os novos transístores sólidos surgidos na década de 1960 eram mais pequenos, precisavam de menos potência e eram bem mais rápidos”. E tudo começou com a Força Aérea dos EUA, já que foram eram eles a promover o desenvolvimento dos transístores a pensar no espaço reduzido disponíveis nos seus aviões.

“Estes transístores são maravilhosos e permitem-nos miniaturizar a parte eletrónica que custa tanto de transportar num míssil”, recordava na altura F. M. Scherer, autor de um estudo sobre a aquisição de material para a Defesa. Foram feitos dezenas de projetos de investigação para criar circuitos integrados mais pequenos e que pudessem ser produzidos comercialmente, pagos pela Força Aérea. Mas houve um que se destacou, desenvolvido pela empresa Fairchild Camera and Instrument Corporation – conhecida por fornecer câmaras durante a II Guerra Mundial e Guerra Fria a pensar na espionagem.

A liderar os avanços tecnológicos na empresa logo a partir de 1958 estava uma equipa invejável de investigadores onde se destacavam o autor de relevante Lei de Moore, o químico Gordon Moore, bem como o físico Robert Noyce, considerado o criador do primeiro microchip e que é mesmo apelidado de “Presidente da câmara de Silicon Valley”. O nome dessa zona da Califórnia onde se desenvolveram algumas das empresas mais relevantes das últimas décadas é uma homenagem aos avanços tecnológicos permitidos pelo chip de silicone criado pela equipa da Fairchild.

O sucesso foi tal que a Fairchild passou mesmo a chamar-se Fairchild Semiconductor. A empresa tinha fortes ligações à Universidade de Stanford, na Califórnia e foi dali que a empresa lançou comercialmente, em 1961, o primeiro circuito integrado com chips de silicone muito graças aos esforços de Royce e companhia, que a Força Aérea usou inicialmente em computadores e em mísseis. Curiosamente, Royce e Moore saíram da Fairchild em 1968 para criar aquele que veio a tornar-se num gigante mundial de chips, a Intel.

O revolucionário chip semicondutor de silicone integrava, assim, o chamado circuito integrado, onde todos os componentes eram feitos de um semicondutor. “Trata-se de um material com propriedades condutivas entre um condutor e um isolante – materiais que podem direcionar os eletrões como acontecia no tubo de vácuo, mas muito mais pequenos”, escreve Carafano.

Isso permitia que um chip do tamanho de uma unha tivesse centenas, depois milhares, depois milhões de transístores individuais ao contrário de um tubo de vácuo do tamanho de um dedo, isto sem precisar de partes individuais ou de fios. Os semicondutores evoluíram da tecnologia militar para a civil e passaram rapidamente de soluções caras para tecnologia extremamente barata que hoje pode integrar qualquer tipo de sensores, seja em caixotes de lixo ou lugares de estacionamento numa cidade, por exemplo.

Alcides Fonseca, professor e investigador em computação paralela da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, lembra uma lei muito referida nos anos 1990 para explicar esta evolução dos chips. A Lei de Moore baseia-se numa investigação de 1965 de Gordon Moore – cofundador da Fairchild e da Intel (nascida em 1968) – que indicava que o número de componentes num circuito integrado poderia duplicar anualmente durante 10 anos e, depois disso, passaria a duplicar a cada dois anos.

O professor admite que essa evolução já é diferente do que diz a lei, já que “o ritmo de aumento de transístores num chip pode duplicar de dois em dois anos, mas o calor gerado por tantos transístores no mesmo sítio cria problemas – daí que se optar por mais núcleos num processador, já que embora não façam algo mais rápido, permitem fazer mais coisas em simultâneo”. Essa também é a convicção da investigadora do MIT Alex Wright-Gladstein, cujas descobertas relativamente a chips falamos de seguida.

Fonseca dá o exemplo do último iPhone 11 Pro e do seu processador A13, para explicar como este tipos de chips têm evoluído e que, embora um processador possa ter muitos núcleos (cores), eles têm naturezas distintas e fazem coisas diferentes. “O novo iPhone tem no A13 seis núcleos, em que dois são mais rápidos do que os outros quatro, que são mais eficientes em termos de consumo de energia – todas as combinações são possíveis em termos de quais é que estão ativos”.

O especialista adianta que quando o telefone executa coisas simples, usa os processadores mais lentos para poupar bateria, quanto se joga um jogo mais exigente “ativa todos porque precisa da potência máxima e“ainda vai buscar quatro núcleos da chamada placa gráfica, para gerar o que vemos no ecrã”.

Existem ainda oito núcleos neuronais no iPhone, que incluem técnicas de machine learning que já permitem melhorar a qualidade das fotos e vídeos em tempo real. “Daí que quando filmamos um vídeo com um telefone, hoje em dia, estamos a usar vários tipos processadores, só para filmar são os processadores normais que executam todo o tipo de tarefas, os processadores gráficos mostram-nos no ecrã o vídeo que estamos a fazer e os neuronais ajustam a luminosidade ou o foco através de machine learning”. Alcides Fonseca admite que hoje temos nos nossos bolsos o que seria considerado um supercomputador há uns anos.

Nunca houve a nível tecnológico na história da humanidade uma onda tão rápida de redução de custos, aumento de simplicidade e crescimento de fiabilidade e eficácia quanto a que os computadores (hoje um pouco por todo o lado, incluindo nos wearables como auscultadores de ouvido sem fios até aos smartwatches) navegaram.

A história dos chips de silicone são centrais ainda na criação da chamada Internet 2.0, evidencia ainda Carafano. Sem a criação do tal semicondutor integrado, a tecnologia computadorizada não teria feito a transição para ser uma ferramenta de ligação social entre humanos – onde a imediatez e facilidade de envio de texto, áudio e vídeo também trouxe desafios sociais e de privacidade inesperados. O chip tornou, desta forma, o computador acessível a uma grande parte da humanidade.

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O futuro da computação: chips com luz

Como já vimos, existem limites para a rapidez dos processadores atuais. “Se queremos ter mais potência é necessário ter um sem número de processadores ligados entre si, daí que os supercomputadores sejam 20 máquinas iguais às mais rápidas que temos aqui na Universidade de Lisboa que já têm dois processadores, cada com seis núcleos (teoricamente permite fazer 24 tarefas em simultâneo), todas ligadas por fibra ótica”, explica Alcides Fonseca.

Daí que a investigação para outras formas de fazer computação continue a ser importante. Além da mediática computação quântica (ver caixa), um das soluções mais prometedoras foi cocriada pela norte-americana Alex Wright-Gladstein, cujo trabalho no MIT de Boston levou à criação da startup Ayar Labs.

Já apelidada por publicações especializadas como “o futuro da computação”, esta é uma solução com chips que usam luz para transmitir os dados, embora se trate na mesma de uma computação eletrónica. “Estamos a desenvolver chips optoeletrónicos que permitem reduzir a energia gasta na computação e aumentar a velocidade que já não era possível alcançar com os transístores de cobre. É um design único com componentes que transmitem os dados usando ondas de luz, mas onde mantemos o uso dos chips de silicone”, explica a CEO da empresa que já começou a aplicar os avanços feitos em centros de dados de gigantes como Facebook e Amazon (ainda em fase de testes).

Wright-Gladstein admite que é possível reduzir os gastos energéticos até 95% nas comunicações entre chips e aumentar a rapidez até 10 vezes do que os chips de cobre graças à investigação já com 10 anos. Embora não possa revelar pormenores dos testes feitos, nos centros de dados dos gigantes tech têm conseguido reduzir o consumo energético entre 30 a 50%. “Neste momento há um bloqueio nos centros de dados grandes em relação à rapidez de transmissão de dados que esperamos melhorar significativamente”.

A doutorada do MIT que criou a empresa com outros dois colegas da universidade admite que o objetivo é levar estes chips para os supercomputadores, mas também carros autónomos, aparelhos médicos ou de realidade aumentada onde além de melhorar a potência de computação: “podemos tornar estas tecnologias mais baratas e acessíveis”. “Estamos entusiasmados com o que esta tecnologia poderá desbloquear no futuro”, admite.

Chips em papel made in Portugal

Há soluções bem criativas no mundo dos chips, para outros tipos de uso e, uma delas, está a ser desenvolvida em Portugal e permite criar um papel eletrónico (Paper-E) que chegou já a finalista do Prémio Inventor Europeu do Ano, em 2016. Elvira Fortunato lidera a equipa da Universidade Nova de Lisboa (UNL) que criou estes transístores com papel, uma descoberta que irá permitir a criação de sistemas eletrónicos descartáveis a baixo custo que vai ajudar a explorar de forma mais fácil a chamada Internet das Coisas.

A solução usa celulose em vez de materiais à base de silício e, embora não seja uma opção tão boa a nível de rapidez e desempenho de computação, “permite o fabrico de electrónica em substratos flexíveis que se podem conformar a uma determinada forma sem que as propriedades de funcionamento sejam alteradas e explorar novas aplicações tais como mostradores de baixo custo, etiquetas inteligentes para utilização em embalagens ou sistemas de segurança, chips de identificação ou aplicações médicas das quais se destacam os testes rápidos de diagnóstico para glucose, ácido úrico e colesterol, entre outros”.

O segredo acaba por estar nas tintas que são impressas no papel. “Em vez de usarmos as tintas apenas para dar cor, usamo-las também com outras funções, tais como propriedades condutoras ou semicondutores, utilizando sempre materiais e tecnologias sustentáveis”, explica a investigadora premiada que também é vice-reitora da UNL e acredita que este trabalho vai chegar ao comum dos mortais num futuro se calhar mais próximo que o que se imagina. Tal está a ser concretizado com o recém criado laboratório colaborativo AlmaScience, associação coordenada pela Imprensa Nacional Casa da Moeda e que integra os seguintes associados: Navigator, Clara Saúde, Raíz, Fraunhofer e FCT NOVA, esperando que num futuro próximo outros associados se juntem a esta iniciativa como foi o caso da Câmara Municipal de Almada.

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E tudo a computação quântica quer levar

Há muito que se fala na promessa revolucionária da computação quântica, que poderá mudar a forma como as máquinas funcionam e processam informação, desbloqueando mais valias inimagináveis para a ciência, saúde, logística e economia. Alcides Fonseca admite a dificuldade maior neste momento “é manter a qualidade das leituras porque os qubits mudam o jogo como o conhecemos”. E o que são os qubits? Ao contrário dos bits num computador digital, que registam 1 ou 0, os bits quânticos – conhecidos como qubits – podem ser ambos ao mesmo tempo.

Ou seja, têm um processamento completamente diferente dos computadores atuais, onde juntam outro fenómeno quântico conhecido como entrelaçamento, através do qual os qubits podem influenciar outros aos quais nem sequer estão conectados. Essa possibilidade abre caminho a que os sistemas consigam lidar com problemas muito mais complexos.

Recentemente a Google anunciou que o processador quântico da empresa pode executar “em três minutos e 20 segundos, um cálculo que o computador clássico mais avançado de hoje, conhecido como Summit, levaria aproximadamente 10 mil anos” – uma demonstração da supremacia quântica, de acordo com os investigadores.

Yasser Omar, um investigador português do Instituto de Telecomunicações e do Instituto Superior Técnico, membro do grupo internacional Physics of Information and Quantum Technologies, explica-nos que embora a promessa revolucionária seja real, “a área ainda está na sua infância e pode demorar alguns anos a ter efeitos práticos na sociedade, dependendo de como a tecnologia evolui”.

A Intel, já este dezembro, anunciou um chip chamado Horse Ridge feito para computadores quânticos que promete dar soluções para simplificar estes aparelhos complexos. Em vez de um sem número de fios, a ideia é concentrar tudo num chip do tamanho de um pires de chá que pode ficar dentro da zona refrigerada onde os qubits podem ser transmitidos de forma mais fiável. A solução promete ajudar a tornar estes computadores uma realidade para usos mais práticos e convencionais do que tem sido possível até agora.

Computação biológica e companhia

Neste mundo da investigação sobre a computação do futuro há ainda mais algumas soluções que podem ter aplicações práticas interessantes – várias foram faladas numa conferência em julho, no Porto, intitulada Future of Computing e que incluiu vários especialistas. A computação biológica, por exemplo, pretende incluir mecanismos biológicos – vírus ou bactérias – que poderão ter programação que poderá desde mudar o ADN humano ou animal, mas também incluir instrumentos biológicos programados para levar determinadas coisas a certas partes do corpo.

Há ainda investigações em torno de redes neuronais feitas em vidro, onde se projetam imagens num vidro especial que funciona como rede neuronal (sem computador nem placa gráfica) e do lado de lá do vidro sai a resposta. Também há soluções que tentam usar luz para substituir o silicone no processamento dentro dos chips (um pouco diferente da solução da Ayar Labs que referimos).

Entendendo um Diagrama Esquemático

Tutoriais Entendendo um Diagrama Esquemático

Para conhecer essa técnica de leitura de diagramas, vamos primeiro aprender sobre os símbolos dos componentes. E depois aprender como interpretar os diagramas com vários componentes interligados. No Brasil usamos a simbologia da norma ABNT, que é baseada na simbologia europeia.

Blocos de construção

Vamos começar examinando todos os símbolos que você pode encontrar em um esquema típico. Embora não abordemos todos os símbolos possíveis aqui, conhecer os símbolos abaixo o tornará conhecedor o suficiente para um esquema médio. E para qualquer coisa que você não saiba, lembre-se de consultar a folha de dados (datasheet) de um componente para descobrir como ele funciona e como é o símbolo dele.

Resistores

Os resistores são um dos componentes mais comuns que você encontrará em um circuito eletrônico. Como todo mundo já estudou nas aulas de Física, os resistores são componentes que limitam a passagem de corrente. O símbolo do resistor tem uma aparência diferente com base nos padrões internacionais ou nos EUA. Para os EUA, você encontrará uma linha em zigue-zague conectada com dois terminais. O símbolo internacional é apenas um retângulo simples com os mesmos conectores de terminal. Nos diagramas, os resistores são identificados com a letra R e a unidade de valores é representada em Ohms (Ω). Se quiser aprender mais sobre resistores, sugiro esse excelente tutorial sobre – Resistores .

O símbolo do resistor nas versões americana e Internacional.

Você também deve ficar atento a resistores e potenciômetros variáveis. Você pode identificá-los rapidamente, procurando uma seta diagonal colocada na linha em zigue-zague para um resistor variável e uma seta horizontal apontando em direção à linha em zigue-zague para um potenciômetro. São identificados com a letra P.

Resistor Variável e Potenciômetro.

Capacitores

Capacitores são pequenos componentes que podem armazenar uma carga elétrica. Você encontrará dois tipos de capacitores, polarizados e não polarizados, cada um dos quais com dois terminais conectados. Nunca inverta a polaridade de um capacitor polarizado, pois poderá danificá-lo. São identificados com a letra C e a unidade de medida de capacitância é o Farad (as mais comuns são micro farad –uF , nano farad – nF e o pico farad – pF) . Esse ó link do Tutorial sobre Capacitores .

Capacitor comum e Capacitor polarizado.

Indutores

Esses componentes são responsáveis ​​por armazenar energia na forma de um campo magnético, tudo graças a um simples fio enrolado! Os indutores são muito fáceis de identificar em um esquema, com as linhas do enrolamento mostradas nos padrões dos EUA. Os indutores internacionais são um pouco mais genéricos e você deve identificar com uma caixa retangular sólida. São identificados com a letra L (o símbolo de indutância é L) e a unidade de medida é o Henry (H).

Os indutores no padrão americano são mais fáceis de identificar com suas bobinas.

Chaves ou Comutadores

Esses pequenos interruptores são responsáveis ​​por ligar ou desligar um circuito. Quando aberta, nenhuma eletricidade flui, mas quando fechada o circuito começa a funcionar. Existem algumas formas diferentes de chaves, mas o mais simples é a chave unipolar com acionamento único, que possui dois terminais e uma linha meio conectada. Essa linha semi-conectada representa se a chave está no estado aberto ou fechado. Normalmente são identificadas com as letras SW (switch) ou CH. Esse é o link da teoria básica sobre chaves e comutadores.

Chave Unipolar/acionamento único e Chave Unipolar/ acionamento duplo

Fontes de energia

Se você estiver trabalhando com eletrônica digital, provavelmente estará lidando apenas com tensão CC (corrente contínua). Mas também é bom saber como é a tensão CA (corrente alternada), se você se deparar com isso de forma esquemática. Fique atento à polaridade da fonte CC. A unidade de medida é o Volts (V), podendo ser Vcc ou Vca.

Símbolos padrões de fontes de tensão CC e CA.

Se o seu dispositivo for alimentado por uma bateria, seu símbolo será totalmente diferente. O símbolo da bateria contém várias linhas, sendo a parte superior como terminal positivo e a linha inferior (e mais curta) como terminal negativo. E se a sua bateria tiver mais de uma célula, o símbolo terá várias linhas.

O símbolo comum de baterias com uma célula e com duas células.

Em esquemas mais complexos, você provavelmente verá símbolos para indicar as tensões dos nós. Esses nós são usados ​​para conectar dispositivos a um único terminal e serão designados como 5V, 3,3V, VCC (que é a tensão de alimentação positiva de um pino de energia) e Terra (GND que é a tensão negativa ou de referência). Você observará na imagem abaixo que todas as tensões positivas dos nós são mostradas com uma seta para cima ou triângulo, e toda tensão de terra é uma seta, um conjunto de linhas ou um triângulo apontando para baixo.

Todas as variações que você precisa conhecer para suas tensões positivas e de terra.

Diodos

Os diodos têm muitas funções, sendo a principal de permitir a passagem de corrente em um único sentido. Os LEDs são também muito comuns. Há também o fotodiodo, que pode gerar energia a partir da luz, agindo como uma mini-célula solar. Você encontrará o símbolo de diodo padrão procurando um triângulo apoiado em uma linha vertical com dois terminais de conexão em cada extremidade. São identificados com a letra D. Esse é o link do tutorial sobre Diodos .

O símbolo do diodo padrão. A base do triângulo (à esquerda) é o Anodo e o outro lado é o Catodo.

Esse outros dois tipos de Diodos são o Schottky e Zener. Normalmente são usados em fontes de alimentação como chaveadores rápidos e reguladores de tensão.

Símbolos do Diodo Schottky e do Diodo Zener

As setas apontando para fora transformam um diodo em um LED e as setas apontando para o diodo indicam um Fotodiodo. Dessa forma fica claro que o LED emite luz e o Fotodiodo recebe luz.

Símbolos do LED e do Fotodiodo

Transistores

Você provavelmente já ouviu falar sobre transistores grandes e pequenos. Eles são responsáveis ​​por alimentar toda a complexidade moderna do seu computador. Dentro de um circuito integrado pode conter centenas de transistores e dentro de um Processador de última geração, existem milhões deles!

Os transistores existem em duas formas básicas, como transistores de junção bipolar (BJTs) ou transistores de efeito de campo de óxido de metal (MOSFETs).

Existem dois tipos de BJTs, ambos com três terminais para coletor (C), emissor (E) e base (B). Você notará na imagem abaixo que os pinos do emissor e do coletor estão sempre alinhados um com o outro, com uma seta no lado do emissor. A direção desta seta determina se o BJT é um transistor NPN (Negativo, Positivo, Negativo) ou PNP (Positivo, Negativo, Positivo). Vale à pena visitar o tutorial sobre Transistores . Eles são normalmente identificados pela letra Q ou Tr.

Símbolos dos Transistores BJT – PNP e NPN

Os transistores MOSFET também têm três terminais, mas são chamados fonte (S -source), dreno (D- drain) e porta (G-gate). Você encontrará duas versões diferentes, um canal N e um canal P. A seta encontrada no meio de cada símbolo abaixo determina que tipo de transistor MOSFET é. Uma seta apontando para dentro é um MOSFET do canal N e a indicação para fora é um MOSFET do canal P.

Símbolos dos MOSFETs – canal N

Símbolos dos MOSFETs – canal P

Portas lógicas

As portas lógicas alimentam nosso mundo digital e binário de uns e zeros. As portas lógicas padrões são as do tipo AND (porta E), OR (porta OU) e XOR (porta OU exclusivo), cada uma com seu símbolo exclusivo. Saiba que as portas lógicas podem ter um número variável de entradas. Se quiser saber mais, clique em Portas Lógicas .

Portas Lógicas

Se na saída das portas digitais existir uma bolinha, isto quer dizer que esse pino tem a saída invertida. Por exemplo se na saída de uma porta OR fosse zero, numa porta NOR a saída seria um. Uma letra N na frente do tipo da porta, significa que a porta é NOT (invertida). Por exemplo as portas NOT, NAND, NOR e XNOR.

Portas Lógicas Invertidas

Circuitos integrados

Circuitos integrados (CI) ou Chips permitiram a redução em diminuta escala, do tamanho dos circuitos eletrônicos. Normalmente são identificados com a letra U ou as letras IC (integrated circuit). São aqueles pequenos componentes retangulares de cor preta com uma grande quantidade de pinos (perninhas). Podem ter uma disposição dos pinos no formato bilateral em linha (DIP) ou quatro lados com pinos em todos os lados ou ainda ter pinos (até centenas) por debaixo do circuito.

Cada pino tem um nome que informará qual a função que ele serve, juntamente com um número para identificar a localização do mesmo. Cada circuito integrado tem uma função e código próprios. Procurando a folha de dados (datasheets) através desse código de identificação, poderá obter todas as informações sobre ele! Leitura recomendada sobre Circuitos Integrados .

Circuitos Integrados – Microcontroladores

Existem no mercado, uma quantidade enorme de Circuitos Integrados. Alguns possuem símbolos exclusivos como o amplificador operacional e o regulador de tensão. Você geralmente verá Amplificadores Operacionais analógicos dispostos como abaixo, com 5 terminais no total: uma entrada não inversora (+), entrada inversora (-), uma saída e dois pinos de energia. Um circuito integrado poderá ter um ou mais amplificadores operacionais no mesmo chip. Leitura recomendada : Introdução sobre Amplificadores Operacionais

CIs – Amplificadores Operacionais

Reguladores de tensão simples são geralmente componentes com três terminais – pino de tensão de entrada, pino de tensão de saída e pino terra (ou ajuste). Eles normalmente têm a forma de um retângulo com pinos à esquerda (entrada), direita (saída) e inferior (terra / ajuste).

CIs – Reguladores de Tensão

Cristais e Ressonadores

O Cristal (que é fabricado de quartzo) é o componente usado no oscilador de relógio (clock) do Microcontrolador. Todas operações de processamento são temporizadas pelos pulsos desse oscilador. Portanto é um componente muito importante. A precisão da frequência do cristal determinará o tempo correto das operações. Um outro tipo de oscilador é o Ressonador com três terminais, pois possuem internamente dois capacitores integrados ao componente. Normalmente são identificados no diagrama, com a letra Y. A frequência do oscilador é medida em Hertz (H), por exemplo mega Hertz (MHz) ou kilo Hertz (KHz).

Símbolos do Cristal e do Ressonador com dois capacitores

Conectores

Seja para fornecer energia ou enviar informações, os conectores são necessários na maioria dos circuitos. Esses símbolos variam de acordo com a aparência do conector. Normalmente são identificados pelas letras JP (ou somente J) ou também por CN. Veja alguns tipos:

Alguns símbolos de conectores

Motores, transformadores, alto-falantes e relés

Esses componentes estão em um outro grupo, já que eles (principalmente) fazem uso de bobinas de alguma forma. Os Transformadores geralmente possuem duas bobinas, próximas umas nas outras, com algumas linhas separando-as. Podem ser identificados com a letra T ou TR.

Alguns tipos de transformadores

Os Relés geralmente usam uma bobina com um interruptor para ligar ou desligar um circuito. São identificados com as letras RL ou K.

Símbolo do Relé eletromagnético

Os símbolos dos Alto-falantes e Campainhas são fáceis de identificar, já que são parecidos com os dispositivos na forma real. Podem ser identificados com LS, AF e BZ.

Buzina piezoelétrica e Alto-falante

Existem vários tipos de Motores, mas o símbolo mais comum é o que possui somente dois fios. Pode ser um motor CC ou CA. Esse tutorial sobre Motores elétricos é muito interessante, clique no link para aprender mais.

Motor CC

Fusíveis e Termistores

Fusíveis e Termistores são componentes geralmente usados ​​para limitar grandes picos de corrente, protegendo os circuitos de sobrecargas e evitando a queima de outros componentes. O símbolo do Fusível é bem similar à estrutura física do mesmo. Um filamento sensível à corrente fica entre os dois terminais, revestido por um tubinho de vidro. São identificados no diagrama, com a letra F. E um valor em Amperes determina o valor máximo de passagem de corrente, sem que o fusível seja queimado.

Um Termistor, ou resistor com coeficiente de temperatura positivo (PTC) ou negativo (NTC) é um termistor que variará a resistência com base em sua temperatura. No PTC, o aumento de temperatura decorrente da passagem de uma corrente excessiva, causará o aumento da resistência, dessa forma limitando a corrente. E no caso do NTC é o inverso, a sua resistência elétrica diminui com o aumento da temperatura.

Símbolos do Fusível e do PTC

História da Eletrônica: Transistores

O transistor é um dispositivo semicondutor com três terminais para a conexão

elétrica. A origem do nome é do inglês transfer resistor (resistor de transferência)

que possui inúmeras aplicações dependendo de algumas características.

Um dispositivo semicondutor é um componente eletrônico, geralmente

composto por Silício ou Germânio, que tem como principal característica a

condutividade elétrica intermediária entre materiais condutores (Cobre, Prata etc.) e

materiais isolantes (Vidro, plástico etc.), além de ser sensível a condições ambientais como

temperatura e estado elétrico (por exemplo, a polarização).

Imagem de um transistor.

Esse tipo de tecnologia já era conhecido desde o início do século XX com a invenção do triodo termiônico com um tubo a vácuo. Porém, o triodo tem limitações por ser frágil (devido ao corpo ser feito de vidro) e possuía um consumo elevado de energia. Com isso, foram criadas alternativas como os relés e as válvulas que melhoravam o desempenho em relação às componentes anteriores, mas ainda com várias limitações.

O divisor de águas foi no pós Segunda Guerra Mundial quando a necessidade maior era no setor de comunicação e informática. Nessa época, começaram a fazer experimentos resultando na amplificação na potência de sinais, posteriormente sendo desenvolvido o que conhecemos como transistor e se popularizando nos anos 60.

Tipos de Transistores

Existem vários tipos de transistores, principalmente aqueles que estão associados a circuitos integrados e chips. No entanto, também existem aqueles de uso prático e os principais são:

BJT (Transistor de junção bipolar)

Existem dois tipos de transistores BJT, o PNP e o NPN. A região P (Positivo) o silício é dopado por um elemento com 3 elétrons na camada de valência (geralmente, o Boro) e na região N (Negativo), é dopado por um elemento com 5 elétrons na camada de valência (geralmente, o fósforo). Ele possui três terminais: Coletor (C), Emissor (E) e Base (B).

Esse tipo de transistor possui duas aplicações:

Chaveamento: O transistor funciona como um circuito aberto e curto circuito. Para a condição de circuito aberto, o transistor entra na região de corte, região em que não é permitida a passagem de corrente que entra no coletor e sai no emissor. Somente quando tem passagem de corrente na base, aparece uma tensão alta entre ela e o emissor, quebrando a barreira de potencial criada entre eles, que entra num estado de saturação (a saturação ocorre quando o coletor recebe uma corrente alta), atuando como um curto circuito.

Isso se aplica ao tipo NPN, se for do tipo PNP, a saturação ocorre quando não há a corrente na base e o corte quando tem a corrente.

Na UFRJ Nautilus, teremos dois exemplos do uso do chaveamento, uma delas é no acionamento de uma válvula pneumática no acionamento do torpedo e a outra é no acionamento de um eletroímã que aciona o sistema soltador de bolinhas. Em ambos os casos, a base recebe um sinal digital proveniente de um chip ATMega.

Amplificador: Entre a região de corte e saturação, existe a região de amplificação, também conhecida como modo ativo que tem como principal característica o ganho de corrente, que possui a relação corrente da base / corrente do coletor. Para conseguir essa aplicação, é necessária a adição de resistores no circuito para que a tensão entre o coletor e o emissor seja menor que a de saturação.

UJT (Transistor de unijunção)

Os terminais são Emissor, Base 1 e Base 2. A placa de silício é dopada com impureza do tipo N (explicada anteriormente). Além disso, existe uma junção PN formada na fronteira entre o terminal Emissor e placa de Silício.

Assim como no BJT, ele tem algumas aplicações:

Circuitos osciladores: Uma tensão é aplicada no circuito, o capacitor, ligado ao emissor, é carregado. Quando ele atinge o valor de disparo do emissor, o capacitor descarrega no transistor, saindo pela Base 1. Depois todo o ciclo é repetido.

Gerador de sinal Dente de serra: é um circuito derivado do oscilador, estando mais ligado a relação corrente de alimentação e a capacitância do capacitor. Nesse caso, a corrente, necessariamente, precisa ser constante, para o capacitor ser carregado de forma linear e com descarregamento mais rápido tendendo a ser instantâneo. O circuito é basicamente com a mesma montagem.

FET (Transistor de Efeito de Campo)

Funciona através de um campo elétrico na junção. Tem como principal característica uma elevada impedância podendo, em alguns casos, substituir um transformador de corrente. Esse tipo possui 3 terminais: Porta (G), Fonte (S) e Dreno (D).

São dois tipos:

MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect (transistor de efeito de campo de óxido de metal semicondutor). Ele é composto de um canal de material semicondutor (silício ou germânio) com dopagem do tipo P ou N e os terminais de silício policristalino.

JFET: Junção FET usa materiais portadores de carga perpendicularmente e em contato direto com seu canal para que se possa controlar a passagem de corrente elétrica, podendo ser dopada com o tipo P ou tipo N.

O FET possui as mesmas aplicações que o BJT, porém, em relação à amplificação, o FET amplifica o sinal de tensão e não de corrente, devido ao seu funcionamento ser através de campo elétrico. É mais comum o uso do MOSFET por possuir um ganho maior.

Os transistores do tipo FET também têm a versatilidade em ser polarizados de várias formas diferentes dependendo da aplicação.

Transistor Darlington

Combinação entre dois ou mais transistores bipolares em um chip. Foi o início da criação do que viria a ser os circuitos integrados. É útil em relação ao espaço ocupado pelos transistores e também é possível conseguir um maior ganho de corrente. É muito útil para circuitos onde se deseja um controle de corrente alta com baixa frequência.

A partir dessa composição, foram surgindo os primeiros CIs (Circuitos integrados) com inúmeras aplicações como chip de computadores, microcontroladores, entre outros.

Curiosidades:

Dois mil transistores de 45 nanômetros cabem na espessura de um fio de cabelo.

Um transistor de 45 nanômetros pode mudar de estado (ligado e desligado) cerca de 300 bilhões de vezes por segundo.

Os chips dos processadores mais modernos podem contar até 30 bilhões de transistores.

Escrito por Lucas Alexandre.