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Electrónica

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Arquivo:Two-stage amplifier with opamp.svg
Esquema de um circuito amplificador de duas etapas
Um exemplo de montagem superficial (SMD) de um circuito electrónicos.

A electrónica é o estudo e uso dos dispositivos eléctricos que funcionam controlando o flux de electrons e outras partículas carregades elèctricament em dispositivos como por exemplo semiconductors ou outros. O estudo puro destes dispositivos considera-se um ramo da física, enquanto que o desenho e a implementació de circuitos electrónicos para solucionar problemas práticos se denomina engenharia electrónica. Segundo os componentes electrónicos empregados, fala-se de electrónica analògica ou digital. A diferença entre ambos rau no modo de tratar os sinais, se de forma contínua (analògica) ou discreta (digital).

As principais utilizações dos circuitos electrónicos são, por uma banda, o controle, processo e distribuição da informação e, por outra banda, a distribuição e conversió de uma bastante electromagnètica. Estas duas utilizações implicam a criação ou detecció de campos electromagnètics e correntes eléctricas.

Mesa de conteúdos

História

Uma vàlvula dupla-tríode de fabricação russa
Alguns transistors bipolars.
Um transistor SMD
Um circuito integrado oscil·lador do 1978.
Amplificadors operacionals.

As primeiras realizações da electrónica fossem os circuitos receptores e emissors de rádio , Guglielmo Marconi foi sem dúvida um pioner, mas as suas primeiras rádios não se podem considerar mais que uma aplicação da electrotècnia a um problema novo. O verdadeiro salto qualitatiu chegou da mão do engenheiro britânico John Ambrose Flemming do University College de Londres que o 1904 inventou o primeiro dispositivo electrónico, o díode de vazio, a vàlvula de vazio ou vàlvula termoiònica. Pouco depois, o 1906, apareceu o primeiro componente electrónico de três elèctrodes, o tríode de vazio inventado por Lee De Forest, que permitia amplificar um sinal. O seu aparecimento fez possível um grande número de aplicações, entre de outras a telefonia ou os aparelhos de controle e medida, mais tarde, à década do 1920, vai possibilitar a emissão da voz por rádio e os inícios da televisão à do 1930.

Durante os anos 1930 vários pesquisadores vão-se fixar à commutació rápida como método para fazer cálculos complexos utilizando um sistema de numeració binari. As duas possível posições dos commutadors exprimiriam as duas únicas cifras possíveis: o zero e o ú (0 e 1). Os tubs de vazio eram mais rápidos que qualquer interruptor mecânico e cedo foram utilizados para as novas máquinas de calcular. O primeiro computador electrónico, conhecida com bel nome de ENIAC, foi construída pela Universidade de Pennsilvània para o Exército dos Estados Unidos de América e apresentada o 14 de fevereiro do 1946, constava de 17.468 vàlvules de vazio, ocupava 167m², pesava 27 toneladas e consumia a mesma electricidade que 10 lares.

Depois da Primeira Guerra Mundial a electrónica desenvolveu-se com rapidez, especialmente em campo da rádio, que aquele período chegou no ponto àlgid da sua aplicação; na teoria de circuitos conseguiu-se uma meta fundamental com a invenção do primeiro circuito de reacção o 1927, que se utilizou para conseguir resultados significativament superiores com poucos componentes, enquanto que os aparelhos de rádio se faziam a cada vez mais sofisticats passando dos singelo circuitos homodins do princípio, a patrões mais complexos heterodins e superheterodins, que garantiam uma mais grande separação entre as estações de rádio e menos ruído.

Um novo ponto de inflexió produziu-se depois da Segunda Guerra Mundial com a invenção do transistor, descoberto o 23 de dezembro do 1947 pelos estatunidencs John Bardeen, William Shockley e Walter Houser Brattain, pesquisadores da companhia telefónica American Telephone & Telegraph (ATT), que observaram que quando os contactos eléctricos s’aplicam a um cristal de germani, a potência de saída é mais grande que o d’entrado. O transistor era um componente activo que podia ter as mesmas funções das vàlvules termoiòniques a uma fracção do seu custo, do espaço ocupado e do comsum de energia: ademais, os transistors podiam ser integrados em dispositivos complexos, os circuitos integrados, que hoje dia podem conter muitos milhões de transistors (e outros componentes como resistências, condensadors, díodes, etc) e, portanto, podem exercer funções muito complexas com um custo e num espaço reduzidos. O transistor vai aplanant o caminho para o aparecimento da microelectrònica e os componentes electrónicos miniaturitzats.

O 1955, J. H. Felker foi criar o primeiro computador totalmente transistoritzat aos Laboratórios Belo para a Bastante Aérea dos Estados Unidos de América, o TRADIC (TRAnsistor DIgital Computer ou TRansistorized A irborne DIgital Computer), com uns 800 transistors de material semiconductor.

A integração a grande escada iniciou-se entre o 1958 e o 1959 com a invenção dos primeiros circuitos integrados, criados de maneira independente por Jack Kilby a Texas Instrumentos[1] utilizando silici e por Robert Noyce a Fairchild Semiconductor[2] utilizando germani. No ano 2000 Kilby receberia o Prêmio Nobel de Física pela sua contribuição à invenção do circuito integrado.

O 1971 foi outro ano chave à história da electrónica porque definiu-se e realizar o primeiro microprocessador, o Intel 4004, a primeira CPU completa num único chip. Criado a Intel por uma equipa liderada por Federico Faggin a partir de uma arquitectura desenhada por Marcian Hoff. O 4004 contendia 2.300 transistors e podia processar umas 92.000 instruções por segundo. A partir daquela data a evolução dos microprocessadors foi extremamente rápida seguindo a Lei de Moore, que indicava que a capacidade de integração dos microprocessadors, o número equivalente de transistors, duplicar-se-ia a cada 18 meses. No final da década do 1990 começaram a aparecer factores limitadors como a capacidade de dissipació do calor produzido ou o rompimento do paral·lelisme entre a capacidade de integração e a capacidade de processo. Alguns dos desenhos mais notáveis foram: o 8008 de Intel, o Z80 de Zilog , o 68000 de Motorola , ou o 8086 de Intel que deu origem à arquitectura x86.

Ramos da electrónica

A electrónica pode-se subdividir num conjunto de ramos em função do tipo de sinal que estuda, o tipo de aplicação ou inclusive em função da posição jeràrquica do objecto de estudo dentro o sistema global.

Segundo o tipo de sinais que trata

A electrónica tem por objecto o tratamento dos sinais electrics através dos componentes adequats, às vezes com a participação de algum tipo de programa informático. Um sinal é uma manifestação de uma magnitude física que traz informação que pode ser tratada. Habitualmente trata-se de um voltatge ou de uma corrente eléctrica mas também pode ser um campo eléctrico ou magnético.

Tradicionalmente os sinais costumam-se a classificar em três grupos:

Também é habitual considerar que os sinais têm dois componentes

sinal = sinal útil + ruído

o sinal útil é a parte do sinal que contém a informação que se utiliza, o ruído é qualquer perturbació que modifica a parte útil. Esta separação se arbitrària em tanto que depende da utilização que se quer fazer do sinal.

Sinal analògic. Electrónica analògica

A electrónica analògica ocupa-se do tratamento contínuo dos sinais analògics, aqueles que apresentam uma variação contínua ao longo do tempo, em contraposição aos sinais digitais que só apresentam uma série finita de estados discretos. Os sinais analògics podem tomar qualquer valor dentro de um espaço contínuo (ou contínuo por intervalos). A maioria dos sistemas físicos são analògics, as magnitudes físicas variam de maneira contínua, a temperatura seria um exemplo.

O campo da electrónica analògica divide-se tradicionalmente em várias sub-ramos, entre de outros, as que se ocupam de:

Sinal digital. Electrónica digital

Imagem de uma versão moderna do microprocessador Intel 4004.
Um microcontrolador

Por oposição à electrónica analògica, a electrónica digital ocupa-se dos sinais que apresentam um espaço de valores discretos e em número finit. No caso mais simples um sinal digital só pode tomar dois valores possíveis, 1 e 0.

A electrónica digital utiliza-se especialmente em sistemas que contêm microprocessadors ou microcontroladors. Um exemplo seria um computador, um aparelho composto em grande parte por circuitos de electrónica digital.

Hoje dia há uma tendência a que o tratamento dos sinais digitais substitua o tratamento analògic. No campo das aplicações domésticas há exemplos notáveis, é o caso do àudio e o vídeo (reproductor MP3, videocàmera, Televisão digital terrestre) onde a electrónica analògica foi substituïda (o caso da fotografa digital é diferente porque tem substituït um procedimento químico de aquisição da imagem). Tanmateix faz falta não esquecer que os valores discretos não existem no mundo físico real, os fenomens analògics se podem apresentar aos circuitos analògics, especialmente no caso das altas frequências. Ademais algumas funções como a medida ou a amplificació são intrínsecament analògiques e nunca poderão acontecer discretas. Os sensors são maioritariamente analògics.

Dado que os sinais digitais são também discretos no tempo se pode utilizar um oscil·lador de quars (um relógio) por tal de sincronitzar as diferentes partes de um circuito. A frequência de relógio, exprimida em hertz (Hz), de um circuito é uma expressão do número de mudanças de estado que são possível na cada segundo. Falariam de electrónica síncrona. Mas também é possível trabalhar de maneira asíncrona (de maneira independente a um relógio) se se organiza o funcionamento das diferentes partes do circuito de modo que se sincronitzin por meio do intercâmbio de sinais de controle. Neste caso falariam de electrónica asíncrona.

Electrónica mista

Também se pode falar de electrónica mista quando se trata de sistemas aos que coexisteixen sinais analògics e digitais. Os módulos específicos deste ramo da electrónica são os convertidors: o convertidor analògic-digital (CAD) e o convertidor digital-analògic (CDA). Estes dois circuitos permitem a transformação de um sinal analògic num sinal digital e ao inverso, isto permite, por exemplo, que se possam utilizar módulos totalmente analògics como o sensors com circuitos digitais.

Por exemplo, um termòmetre com um indicador digital toma a temperatura (que é uma magnitude analògica), mede o seu valor, a codifica numa sequência digital e depois a mostra em tela. As duas primeiras operações (captura e medida) são realizadas pelos módulos de electrónica analògica, a terceira (codificació digital) requer uma conversió analògic-digital e a última (apresentação em tela) é um processo totalmente digital.

Sinais de potência. Electrónica de potência

A electrónica de potência é o conjunto de técnicas que se interessen em energia contida aos sinais eléctricos, a diferença de outras disciplinas da electrónica que se interessen sobretudo na informação contida nos sinais. O objectivo é o controle ou a transformação da energia eléctrica. A gama de potência abarcada varia desde alguns microwatts até muitos megawatts.

A electrónica de potência baseia-se em dispositivos que permitem mudar a forma da energia eléctrica (os convertidors, como por exemplo os rectificadors) e em dispositivos transductors como a turbina ou os motores eléctricos. A electrónica de potência tem como campos de aplicação a electrotècnia doméstica e industrial, onde substitui antigas soluções electromecàniques

Segundo a posição jeràrquica do objecto de estudo

Alguns ramos da electrónica definem-se, de maneira independente da aplicação, em função da posição que ocupa o objecto de estudo dentro a hierarquia de um sistema electrónico.

Física dos componentes

No nível inferior se situam os componentes electrónicos. O ramo que se interessa pelo estudo e a concepção dos componentes electrónicos elementares se denomina física dos componentes ou tecnologia dos componentes e tem um componente de ciência básica e outro de tecnológico, de aqui as duas possíveis denominacions. utilizam-se conhecimentos das ciências fundamentais como a física do estado sólido ou a química, que têm pouco a ver com a electrónica em tanto que o talento do tratamento dos sinais. É um campo que faz de ponte entre a física fundamental e uma ciência aplicada como é a electrónica. Os componentes básicos da electrónica são, hoje dia, os transistor, a resistência, o condensador, o díode, etc.

Engenharia electrónica

O campo principal de estudo da ciência electrónica são os circuitos electrónicos. Um circuito electrónico é um sistema formado por um conjunto de componentes electrónicos associats por interconnexions. A palavra circuito é devido ao fato que o tratamento se faz graças à corrente eléctrica que circula entre os componentes interconnectats. O ramo que estuda as propriedades dos circuitos electrónicos recebe o nome de teoria de circuitos, a que se dedica ao estudo da metodologia por tal de fazer um tratamento específico em base a um circuito se denomina desenho de circuitos. Os sistemas electrónicos modernos comportam a utilização de centenas de milhões de componentes elementares. Por esta razão a engenharia de circuitos só ocupa-se da realização de aplicações ou módulos relativamente simples, com umas poucas dezenas de componentes.

Segundo a medida dos circuitos utilizados

Arquivo:RX 1914 tranchée .JPG
Soldado a uma trinxera durante a Primeira Guerra Mundial utilizando uma rádio de galena .

Também se pode fazer uma classificação em função da medida dos circuitos produzidos.

Electrónica de vàlvules

Uma rádio a vàlvules do 1941.

trata-se da electrónica que utiliza vàlvules como componentes activos elementares (díodes, tríodes, tètrodes, pèntodes, ...). Hoje dia praticamente já não existe, se trata de um tipo de electrónica em vias de desaparecimento, só subsisteix em forma de tubs catòdics para receptores de televisão (em claro retrocés) e de alguns componentes das emissores de rádio de grande potência. A única que ainda tem uma verdadeira actividade é a tecnologia de vàlvules termoiòniques utilizada em àudio nos amplificadors de guitarra eléctrica.

O desenho das vàlvules fá-las muito tolerants às sobrecàrregues e é esta particularitat a que faz que ainda hoje dia possa ter um certo papel em aplicações extremas como as emissores de rádio de potência e os tubs de emissão de raigs X. Outra aplicação vigente é a dos dinodes que se utilizam para a detecció de fotons em alguns aparelhos médicos.

Electrónica discreta

Faz referência aos componentes elementares individuais ou discretos assemblats habitualmente sobre placas electrónicas ou circuitos impressos. Hoje dia este tipo de concepção electrónica só costuma-se a utilizar em montagens experimentals ou no marco da electrónica de aficionat, o resto foi substituïda pela microelectrònica. Apesar que sobre os circuitos impressos actuais as principais funções são realizadas pelos circuitos integrados continuam-se utilizando componentes discretos, essencialment resistências e condensadors.

Microelectrònica

Um receptor de rádio FM miniaturitzat de um reproductor MP3 com rádio incorporada.

A microelectrònica nasceu como resultado do processo de miniaturització dos componentes electrónicos elementares. Este processo de redução da medida começou a em os anos cinquenta com o aparecimento dos semiconductors e chegou a uma fase extrema aos nossos dias. A medida dos componentes não pára de minguar, chegando a medidas da ordem de algumas dezenas de nanòmetres . Este progresso foi possível graças aos progressos conseguidos no tratamento dos materiais semiconductors, especialmente o silici, que permitiram de criar varis milhões de componentes elementares numa superfície de poucos mil·límetres quadrats.

A microelectrònica ocupa-se dos sistemas electrónicos que utilizam componentes de medidas micromètriques e nanomètriques. A expressão electrónica integrada seria um sinònim e refere-se a um conjunto de componentes integrados a um sozinho circuito integrado ou chip de semiconductor.

Nanoelectrònica e electrónica molecular

Quando se fala da electrónica moderna o prefix “micro” começa a ser obsolet, em tanto que começaram a aparecer componentes com umas medidas que se têm de medir em nanòmetres, comparables às das moléculas. Portanto fala-se de nanoelectrònica, da nanotecnologia e da electrónica molecular. Ainda mais, os últimos progressos técnicos permitem divisar a concepção de componentes baseados às propriedades dos electrons e o seu espín: o espintrònica.

Microsistemes

Com o progresso das micro e nanotecnologies observa-se uma fusão de sistemas pertencentes a diferentes domínios da técnica (mecânicos, térmicos, òptics, etc) ao redor dos circuitos e sistemas electrónicos. Estas fusões são denominadas às vezes sistemas de tratamento de sinais multidomini ou sistemas multidomini. Detrás deste progresso dos microsistemes há os procedimentos de mecanitzat do silici que evoluíram a tal ponto que é possível de realizar estruturas tridimensionals sobre cristais de silici com os circuitos electrónicos. Esta proximidade oferece uma interpenetració dos tratamentos tradicionais que se desenvolviam em domínios diferentes e uma coexistència dos sinais de diferente natura física (térmica, mecânica, òptica) ao mesmo sistema. Desde a década do 1990 os microsistemes electromecànics ou microsistemes electromecànics (MEMS nas suas siglas inglesas, por Microelectromechanical systems) começaram a ser produzidos e utilizados em grandes quantidades

Baseie teòrica

Métodos matemáticos

Há um certo número de ferramentas para a modelització das propriedades electrónicas dos circuitos. podem-se citar os princípios fundamentais da electricidade e da electromagnetisme (como por exemplo a lei de Ohm, a lei de Gauss, a lei de Faraday), os modelos de funcionamento dos materiais semiconductors (junció PN, efeito de campo, efeito allau) ou ferramentas matemáticas e estatísticas (número complexo, transformada de Fourier, transformada de wavelets).

Os estudos dos sinais de alta frequência têm a sua base teòrica nos métodos associats à análise da propagació das ondas (equacions de Maxwell). A utilização de sinais rápidos dentro de um circuito electrónico requer de uma análise prévia e a utilização de programari de simulació específico. O estudo dos componentes electrónicos a nível atómico precisa dos resultados e o métodos da mecânica quàntica.

A simulació dos circuitos electrónicos, às vezes de alta complexitat e custo, está muito estendida e a um nível muito adiantado. Alguns programaris podem integrar um grande número de paràmetres, como a temperatura ou os campos electromagnètics.

Ruído

Um transistor com o seu dissipador

Como qualquer outro sistema, um circuito electrónico é em contacto com o seu meio imediato e tanto pode gerar alterações sobre este meio como ser afectado pelas pertorbacions presentes ao seu meio. Estas pertorbacions recebem o nome de ruído e são associades a qualquer circuito electrónico. O ruído define-se[3] como as pertorbacions não desejadas que se superposen sobre o sinal útil e que tendem a escurecer a informação contida ao sinal. Portanto, em tanto que afectam negativamente à função dos circuitos, é necessário minimizar estas pertorbacions. O ruído não é o mesmo que a distorsió dos sinais que pode causar um circuito, o ruído pode ser gerado electromagnètica ou tèrmicament, e, neste caso, pode ser diminuído baixando a temperatura de funcionamento do circuito. Em mudança há casos como o ruído de granalla (Shot noise) que não pode ser eliminado de jeito nenhum dado que é devido às limitações das propriedades físicas.

Tanmateix a mesma evolução da electrónica gera elementos que afectam negativamente à luta contra o ruído, a miniaturització e a integração dos componentes e dos sistemas comportam um aumento da sensibilidade ante as pertorbacions, do mesmo modo que o aumento das frequências de funcionamento. De outra banda a generalització dos sistemas radioelèctrics também fez aumentar globalment a presença do campos de pertorbacions.

Dissipació térmica

Um ventilador por uma CPU montado sobre um dissipador.
Desenho de um circuito impresso.

A necessidade de manter a temperatura dos componentes dentro dos valores compatibles com o seu funcionamento faz necessário tratar o problema do calor gerado pelos circuitos electrónicos, porque se não se faz afectar-se-ia o rendimento e a fiabilitat em longo prazo ou em alguns casos mais extremos chegar-se-ia a uma avaria imediata. As técnicas de dissipació do calor incluem tanto elementos passius como os dissipadors ou activos como os ventiladors, apesar que há outras técnicas que também se utilizam como o refredament por água ou por azeite que se utiliza em alguns computadores. Todas estas técnicas se baseiam em formas de transferência do calor como a convecció, a condução ou a radiació térmica.

Influência dos raigs còsmics

A medida dos actuais componentes elementares utilizados pela electrónica faz que também sejam sensíveis às partículas da radiació còsmica. Isto faz necessário o estudo desta sensibilidade para encontrar os métodos a aplicar por tal de garantir o funcionamento correcto dos sistemas, especialmente nos casos das funções críticas.

Métodos de desenho

A electrónica moderna baseia-se exclusivamente numas poucas ferramentas e programaris de desenho assistido por computador. Estas ferramentas permitem todos os processos do desenho de circuitos, desde a realização dos esquemas, ou o desenha dos circuitos impressos até a modelització. O desenho de circuitos integrados complexos inclui etapas intermèdies como a síntese lógica ou a análise dos atrasos. Alguns sistemas de desenho são NEM Multisim, ORCAD ou Eagle PCB entre de outros. Os componentes electrónicos programables como os microprocessadors, FPGAs ou os processadors digitais do sinal competem com vantagem o desenho com ferramentas informáticas ao contribuir flexibilidade e um custo muito baixo.

Métodos de fabricação

Uma FPGA de Altera.

A fabricação dos circuitos electrónicos vai-se diversificar muito a partir dos anos oitenta. Apesar que a fabricação de prototips ainda se pode fazer de maneira artesanal, a produção em série se faz em fábricas a cada golpe mais complexas e costoses mas que permitem a obtenção de uma tecnologia que a cada golpe oferece melhor rendimento e a uma preços razoáveis. Enquanto a indústria da microelectrònica requer de investimentos a cada golpe mais importantes por tal de seguir a evolução da tecnologia, as indústrias de tecnologia regular sobre circuitos impressos procuram de melhorar o seu rendimento e abaratir o custo por meio da utilização de robôs pela fabricação, assemblat ou teste, a gestão da produção assistida por computador ou a deslocalització da produção.

Ao longo dos anos utilizaram-se diferentes métodos para conectar os componentes ao circuitos electrónicos. Desde as primeiras construções baseadas em conexões ponto a ponto com os componentes emplaçats sobre placas de madeira, cordwood ou wire wrap até os modernos circuitos impressos (também conhecidos como PCB, do inglês Printed circuito board) feitos de materiais como o FR4 ou o SRBP (Synthetic Rezem Bonded Papel) ainda mais barato, também conhecido como Paxoline ou Paxolin e caracterizado pela sua cor amarela-marronós.

Aos últimos anos também começaram a ser tidos em consideração os aspectos relacionados com a saúde e o medi ambiente derivados da fabricação de equipas electrónicas. Em especial para os produtos destinados à União Européia a causa le a aplicação das directoras sobre “restrição à utilização de substâncias perigosas”[4][5] (que por exemplo comportou a proibição da utilização de plom às soldadures) e sobre “residus de aparelhos eléctrico e electrónicos”.[6]

Um oscil·loscopi

Métodos de teste

O teste de um circuito electrónico é uma etapa importante dado que com freqüência trata-se de garantir a fiabilitat e o bom funcionamento de sistemas de grande complexitat, pelo que pode ser necessário de trazer a termo um grande número de simulacions. podem-se diferenciar as provas unitàries para pôr a ponto os prototips e as provas em série, mais ou menos automatitzades, destinadas a identificar os defeitos de fabricação e/ou assemblat. Há um grande número de ferramentas destinadas a facilitar esta etapa: aparelhos de medida (polímetre, oscil·loscopi, analitzador de frequências), standards para a medida automatitzada (Joint Teste Action Group, General Purpose Interface Bus ou IEEE-488) ou sistemas automatitzats (camas de punxes, analitzadors com sondas móveis).

Equipamento de medida electrónica

Componentes passius

Componentes activos

Sensors e actuadors electromecànics

Referências

  1. ↑ The Chip that Jack Built, (c. 2008), (HTML), Texas Instrumentos.
  2. ↑ http://www.ieeeghn.org/wiki/index.php/Robert_Noyce Robert Noyce, (n.d.), (online), IEEE Global History Network.
  3. ↑ IEEE Dictionary of Electrical and Electronics Terms ISBN 978-0-471-42806-0
  4. ↑ Directora Européia sobre a restrição à utilização de substâncias perigosas
  5. ↑ [http://www.rohs.eu/english/index.html Working with EEE producers tom ensure RoHS compliance through the European Union
  6. ↑ Directora Européia sobreels residus de aparelhos eléctrico e electrónicos

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