Como funcionam as portas eletrônicas

Construindo o regulador

Para construir o regulador, você precisará de três peças:

• um regulador de 5 volts 7805 em um encapsulamento TO-220
  
  
• dois capacitores eletrolíticos de qualquer valor entre 100 e 1.000 microfarads

Um capacitor eletrolítico

O 7805 recebe uma tensão entre 7 e 30 volts e a regula para exatamente 5 volts. O primeiro capacitor elimina qualquer ruído proveniente do transformador, de modo que o 7805 receba uma tensão de entrada regular, e o segundo capacitor atua como um equilibrador de carga para assegurar uma saída consistente do 7805.

O 7805 possui três pinos. Se você olhar pela frente (o lado com a gravação), os três pinos serão, da esquerda para a direita, a tensão de entrada (7 a 30 volts), o terra e a tensão de saída (5 volts).

Para conectar o regulador ao transformador, você pode usar esta configuração:

Os dois capacitores são representados por linhas paralelas. O sinal "+" indica que os capacitores eletrolíticos são polarizados: um capacitor eletrolítico apresenta um terminal positivo e um terminal negativo (um dos quais é identificado). Você precisa se assegurar quanto à polaridade correta quando instalar o capacitor.

Você pode construir este regulador em sua placa de montagem. Para isso, precisará entender como é feita a fiação interna da placa de montagem. A figura a seguir mostra essa fiação:

Nas bordas externas da placa de montagem há duas linhas de terminais que percorrem toda a extensão da placa. Todos esses terminais são conectados internamente. Você passará +5 volts através deles e aterrará os outros. No centro da placa existe um canal. Em qualquer lado do canal há conjuntos de cinco terminais interconectados. Você pode usar seu multímetro para ver as interconexões. Coloque o dial do multímetro em seu ajuste de ohms e, em seguida, introduza fios em diferentes pontos da placa de montagem (as pontas de prova do multímetro provavelmente serão muito largas para se encaixarem nos orifícios da placa de montagem).

No ajuste de ohms, o multímetro mede a resistência. A resistência será zero se houver uma conexão entre dois pontos (encoste uma ponta de prova na outra para ver isso) e será infinita se não houver conexão. Você descobrirá que os pontos na placa realmente estão interconectados conforme é mostrado no diagrama. Outra maneira de ver as conexões é puxar o adesivo na parte posterior da placa de montagem um pouco para trás e ver os conectores metálicos.

Agora conecte as peças para seu regulador:

1. conecte o fio-terra do transformador a uma das tiras externas longas da placa de montagem;
2. encaixe o 7805 em três das fileiras de cinco orifícios;
3. conecte o terra da barra de terminais ao pino central do 7805 com um fio: simplesmente corte um pedaço de fio, desencape ambas as extremidades e encaixe-as;
4. conecte o fio positivo do transformador ao pino esquerdo (entrada) do 7805;
5. conecte um capacitor a partir do pino esquerdo do 7805 ao terra, prestando atenção à polaridade;
6. conecte o pino de 5 volts do 7805 à longa barra de terminais externa na placa de montagem;
7. Conecte o segundo capacitor entre as barras de 5 volts e de aterramento.

Você criou seu regulador. Ele poderá se parecer com este quando estiver pronto:

Em ambas as figuras acima, as linhas provenientes do transformador entram pelo lado esquerdo. Você pode ver a linha do terra do transformador conectada diretamente à barra de aterramento que passa pelo comprimento da placa, na parte inferior. A barra superior fornece +5 volts e está conectada diretamente ao pino +5 do 7805. O capacitor esquerdo filtra a voltagem do transformador, enquanto o capacitor direito filtra os +5 volts produzidos pelo 7805. O LED se conecta entre as barras +5 e de aterramento, através do resistor, e permite que você veja quando a alimentação de energia é "ativada".

Encaixe o transformador e meça a tensão de entrada e saída do 7805. Você deverá ver exatamente 5 volts saindo do 7805, independente da tensão fornecida pelo seu transformador. Caso isso não ocorra, desconecte imediatamente o transformador e faça o seguinte:

• remova os capacitores. Encaixe o transformador de volta por um momento e veja se ocorreu alguma mudança;
• assegure-se de que o fio terra e o fio positivo provenientes do transformador não estejam invertidos (se estiverem, é provável que o 7805 esteja muito quente e, possivelmente, queimado);
• assegure-se de que o transformador esteja produzindo qualquer tensão, desconectando-o e verificando-o com seu voltímetro. Veja a página anterior para aprender como fazer isso.

Assim que constatar 5 volts saindo do regulador, você poderá fazer novos testes e comprovar que ele está ativado conectando um LED a ele. Você precisa conectar um LED e um resistor em série: isso é fácil de fazer em sua placa de montagem. Você precisa usar o resistor, caso contrário o LED irá queimar imediatamente. Um bom valor para o resistor é 330 ohms, apesar de que qualquer valor entre 200 e 500 ohms funciona perfeitamente. Os LEDs, sendo diodos, possuem uma polaridade. Então, se ele não acender, tente inverter as pontas e ver se isso ajuda.

Pode parecer que deu muito trabalho apenas para fazer a fiação da fonte de alimentação e colocá-la em funcionamento. Mas você já aprendeu algumas coisas nesse processo. Agora podemos experimentar as portas booleanas.

Brincando com portas booleanas

Se você usasse a tabela na página anterior para fazer o pedido de suas peças, teria seis chips diferentes contendo seis tipos de portas:

• 7400 - NAND (quatro portas por chip)
• 7402 - NOR (quatro portas por chip)
• 7404 - NOT (seis portas por chip)
• 7408 - AND (quatro portas por chip)
• 7432 - OR (quatro portas por chip)
• 7486 - XOR (quatro portas por chip)

No interior dos chips, as coisas são assim:

Vamos começar com um chip AND 7408. Se você olhar para o chip, haverá normalmente um ponto no pino 1, ou uma marca na extremidade deste pino. Também pode haver alguma outra marcação para indicar o pino 1. Pressione o chip na placa de montagem de modo que ele se encaixe no canal central. Você pode ver nos diagramas que, em todos os chips, o pino 7 deve se conectar ao terra e o pino 14 deve se conectar a +5 volts. Assim, conecte estes dois pinos de maneira apropriada. Se você os conectar invertidos, queimará o chip: tome muito cuidado para não invertê-lo. Caso queime um chip acidentalmente, jogue-o fora para não confundi-lo com suas peças boas. Agora conecte um LED e o resistor entre o pino 3 do chip e o terra. O LED deve acender. Caso contrário, inverta o LED para que ele acenda. Seu CI deve se parecer com este:

Nesta figura, o chip está recebendo +5 volts no pino 14 (fio vermelho) e o terra no pino 7 (fio preto). O resistor deixa o pino 3 e se conecta ao LED, o qual também está conectado ao terra. Conecte os fios de +5 e terra às entradas A e B da porta para exercitá-la.

Eis o que está acontecendo: em TTL, +5 representa um binário "1" e o terra representa um binário "0". Se um pino de entrada de uma porta não está conectado a nada, ele "flutua alto", o que significa que a porta assume haver um "1" no pino. Assim, a porta AND deve estar vendo "1s" nas entradas A e B, o que significa que a saída no pino 3 está fornecendo 5 volts. Então o LED se acende. Se você aterrar o pino 1 ou 2 no chip, o LED se apagará. Esse é o comportamento padrão para uma porta AND, conforme descrito em Como funciona a lógica booleana.

Experimente as outras portas conectando-as em sua placa de montagem e veja que todas se comportam de acordo com as tabelas lógicas apresentadas no artigo sobre a lógica booleana. Então, tente fazer a fiação de algo mais complicado. Por exemplo, faça a fiação para a porta XOR ou bit Q do adicionador completo, e veja que o comportamento é o esperado.

Como funcionam as portas eletrônicas

Montando seu equipamento

Para brincar com as portas TTL, você deve ter vários equipamentos. Eis uma lista do que você precisará comprar:

• uma placa de montagem
• um multímetro
• uma sonda lógica (opcional)
• uma fonte de alimentação regulada de 5 volts
• uma coleção de chips TTL para experimentar
• diversos LEDs (diodos emissores de luz) para ver as saídas das portas
• diversos resistores para os LEDs
• um pouco de fio (bitola 20 a 28) para conectar as coisas

Vamos ver alguns detalhes sobre esses componentes para familiarizá-lo com eles:

• Conforme descrito na página anterior, uma placa de montagem é um dispositivo que facilita a confecção de seus circuitos.
• Um multímetro permite que você meça a voltagem e a corrente com facilidade. Nós o usaremos para garantir que nossa fonte de alimentação esteja produzindo a voltagem correta.
• A sonda lógica é opcional. Ela facilita testar o estado (1 ou 0) de um fio, mas você pode fazer a mesma coisa com um LED.
• Das peças descritas acima, todas são fáceis de obter, exceto a fonte de alimentação de 5 volts. Parece que ninguém vende uma fonte de alimentação regulada de 5 volts simples e barata. Portanto, você tem duas escolhas. Pode comprar uma fonte de alimentação mais potente da Jameco (por exemplo, para um vídeo game) e usar a fonte de 5 volts para isso, ou pode usar um pequeno transformador retificador power-cube e então construir o regulador você mesmo. Falaremos das duas opções a seguir.
  

  Um resistor e um LED

• Um LED (diodo emissor de luz) é uma mini lâmpada. Você usa LEDs para ver a saída de uma porta.
• Usaremos os resistores para proteger os LEDs. Se você deixar de usar os resistores, os LEDs queimarão imediatamente.

Não se encontra este equipamento em qualquer loja. Entretanto, não é difícil obter essas peças. Você tem algumas escolhas ao tentar comprar os componentes listados acima.

1. Radio Shack.
2. Uma loja local de componentes eletrônicos - a maioria das cidades possui suas lojas de componentes eletrônicos e muitas delas têm produtos eletrônicos excedentes.
3. Uma loja de encomendas pelo correio.

A fonte de alimentação

Definitivamente, você precisará de uma fonte de alimentação regulada de 5 volts para trabalhar com chips TTL. Como mencionado anteriormente, nenhuma loja parece oferecer uma fonte de alimentação regulada de 5 volts padrão e de baixo custo. Essa é uma fonte de alimentação de 5 volts de um antigo vídeo game da Atari. Algumas lojas têm disponíveis mais de 20 fontes de alimentação diferentes, produzindo todos os tipos de tensão e correntes. Você precisa de 5 volts com pelo menos 0,3 ampères (300 miliamperes). Você não precisa de 2 ampères, portanto, não compre uma fonte de alimentação mais potente do que precisa. O que você pode fazer é adquirir a fonte de alimentação, cortar o conector e obter acesso aos 5 volts e fios de aterramento. Isso funcionará muito bem e, provavelmente, será o caminho mais fácil. Você pode usar seu voltímetro (veja abaixo) para se assegurar de que a fonte de alimentação produz a tensão de que precisa.
Sua alternativa é construir uma fonte de 5 volts a partir de um pequeno transformador retificador power-cube. O que você precisa é de um transformador que produza 7 a 12 volts CC com 100 miliampères ou mais. Observe que:

• o transformador PRECISA produzir tensão CC
• ele PRECISA produzir de 7 a 12 volts
• ele PRECISA produzir 100 miliampères (0,1 ampère) ou mais

Você pode ter um desses guardado em casa que poderá usar: leia a gravação na tampa e se assegure de que ele atenda aos três requisitos.
Há disponível no mercado um modelo de 7,5 volts e 300 miliampères. Desencaixe o conector do transformador e separe os dois fios. Desencape cerca de um centímetro da isolação de ambos os fios. Agora encaixe o transformador (depois de encaixado, NUNCA deixe que os dois fios do transformador encostem um no outro). Use seu voltímetro (veja abaixo) para medir a voltagem. Você deve se assegurar de que o transformador esteja produzindo aproximadamente a tensão mencionada (ela poderá ser alta, mas não haverá problema). Seu transformador retificador atua como uma bateria para você, de modo que você pode determinar qual é o fio negativo e qual é o positivo. Encaixe as pontas de prova preta e vermelha do voltímetro nos fios do transformador retificador, aleatoriamente, e veja se a tensão medida é positiva ou negativa. Se for negativa, inverta as pontas de prova. Agora você sabe que o fio ao qual a ponta de prova preta está conectada é o fio negativo (terra), enquanto o outro é positivo.

Um multímetro mede voltagem, corrente e resistência. Ele possui duas "pontas de prova" (fios), uma preta e outra vermelha. O que queremos fazer com o medidor agora é aprender a medir voltagem. Para isso, encontre uma bateria AA, C ou D (que não esteja descarregada). Ela será usada como fonte de voltagem. Cada aparelho é diferente, mas, em geral, aqui estão as etapas para a preparação da medição da voltagem da bateria: Pegue a ponta de prova preta e introduza-a no orifício marcado (depende do medidor) como "Common", "Comum", "Com", "Ground", "Gnd", "Terra" ou "-" (menos). Pegue sua ponta de prova vermelha e introduza-a no orifício marcado (depende do medidor) como "Volts", "V", "Pos", "Positivo" ou "+" (mais). Alguns medidores possuem múltiplos orifícios para a ponta de prova vermelha. Assegure-se de usar a correta para a medição de volts. Gire a chave seletora para a seção "DC Volts" ou "Volts CC". Geralmente, há múltiplas faixas de voltagem disponíveis nessa seção. No meu medidor, as faixas são de 2,5, 50, 250 e 1.000 volts (medidores modernos com auto-ajuste podem ajustar a faixa automaticamente para você). Seu medidor terá faixas similares. A bateria terá uma voltagem de 1,25 volt, portanto, encontre a voltagem superior mais próxima a 1,25 volt. Neste caso, será a de 2,5 volts. Encoste a ponta de prova preta no terminal negativo da bateria e a ponta de prova vermelha no terminal positivo. Você deverá ler algo próximo a 1,25 volt no medidor. É importante que você prenda a ponta de prova preta ao negativo e a ponta de prova vermelha ao positivo e adquira o hábito de fazer isso. Agora você pode usar o medidor para testar sua fonte de alimentação. Mude a faixa de voltagem, se necessário, e então conecte a ponta de prova preta ao terra e a ponta de prova vermelha ao que você supõe que seja o fio positivo de 5 volts. O medidor deverá ler 5 volts. Usando um multímetro

Como funcionam as portas eletrônicas

Introdução

Se você leu o artigo sobre a lógica booleana, então sabe que os dispositivos digitais dependem de portas booleanas. Você também leu no artigo que uma maneira de implementar portas envolve o uso de relés. No entanto, nenhum computador moderno usa relés, eles usam "chips".

Que tal fazer experiências com portas booleanas e chips? E se você quisesse construir seus próprios dispositivos digitais? Isso não é tão difícil. Neste artigo, você verá como é possível experimentar todas as portas analisadas no artigo de lógica booleana. Vamos falar sobre onde obter componentes, como você pode fazer sua conexão e como ver o que eles estão fazendo. No processo, você abrirá as portas para todo um novo universo de tecnologia.

Preparando o cenário

No artigo Como funciona a lógica booleana, vimos as sete portas fundamentais. Essas portas são os blocos de montar de todos os dispositivos digitais. Também vimos como combinar essas portas em funções de nível cada vez mais elevado, como adicionadores completos. Se você quiser fazer experiências com essas portas, a maneira mais fácil é adquirir algo chamado chips TTL e fazer rapidamente a fiação de circuitos em um dispositivo chamado placa de montagem sem solda. Vamos falar um pouco sobre a tecnologia e o processo, para que você possa conhecer o assunto.

Se você analisar a história da tecnologia de computadores, descobrirá que todos eles são projetados ao redor de portas booleanas. Entretanto, as tecnologias usadas para implementar essas portas mudaram drasticamente ao longo dos anos. As primeiras portas eletrônicas foram criadas usando relés. Essas portas eram lentas e volumosas. Em pouco tempo, as válvulas a vácuo substituíram os relés. As válvulas eram muito mais rápidas, mas também eram volumosas e, além disso, eram perseguidas pelo problema da queima (parecido com o das lâmpadas). Assim que os transistores foram aperfeiçoados (eles foram inventados em 1947), os computadores começaram a usar portas feitas de transistores discretos. Os transistores possuíam muitas vantagens: alta confiabilidade, baixo consumo de energia e tamanho pequeno comparado às válvulas ou relés. Esses transistores eram componentes discretos, o que significa que cada transistor era um dispositivo independente. Cada um era montado em uma pequena cápsula metálica com, aproximadamente, o tamanho de uma ervilha com três fios presos a ela. Poderiam ser necessários três ou quatro transistores, diversos resistores e diodos para criar uma porta.

No início dos anos 60 foram inventados os circuitos integrados (CIs). Transistores, resistores e diodos podiam ser fabricados juntos com "chips" (pastilhas) de silício. Essa descoberta deu origem aos CIs SSI (de small scale integration, integração em pequena escala). Um CI SSI consiste de uma pastilha de 3 milímetros quadrados de silício onde talvez 20 transistores e vários outros componentes foram gravados. Um chip comum poderia conter de quatro a seis portas individuais. Esses chips encolheram o tamanho dos computadores por um fator aproximado de 100 e tornou sua fabricação muito mais fácil.

À medida que as técnicas de fabricação das pastilhas melhorava, mais e mais transistores podiam ser gravados em um único chip. Isso levou aos chips MSI (de integração de média escala) que contêm componentes simples, como adicionadores, feitos de múltiplas portas. Então a LSI (integração em larga escala) permitiu que os projetistas encaixassem todos os componentes de um microprocessador simples em um único chip. O processador 8080, lançado pela Intel em 1974, foi o primeiro microprocessador montado em um único chip bem sucedido comercialmente. Ele era um chip LSI que continha 4.800 transistores. Desde então, a tecnologia VLSI tem aumentado constantemente o número de transistores. O primeiro processador Pentium foi lançado em 1993 com 3,2 milhões de transistores. Chips atuais como o Intel Core2 Duo tem quase 300 milhões de transistores.

Para fazer experimentos com as portas, vamos voltar um pouco no tempo e usar CIs SSI. Esses chips ainda são amplamente disponíveis, extremamente confiáveis e baratos. Os CIs específicos que usaremos são de uma família chamada TTL (de Transistor Transistor Logic, lógica de transistor a transistor, que recebeu este nome devido à fiação específica das portas no CI). Os chips que usaremos são da série TTL mais comum, chamada série 7400 . Há talvez cerca de 100 diferentes chips SSI e MSI na série, que abrangem desde portas AND simples até completas ULAs (unidades lógicas aritméticas).

Os chips da série 7400 são alojados em DIPs (de dual inline packages, cápsulas duplas em linha). Como ilustrado à direita, um DIP é uma pequena cápsula plástica com 14, 16, 20 ou 24 pequenas pontas metálicas protuberantes para possibilitar as conexões até portas em seu interior. A maneira mais fácil de construir algo a partir dessas portas é colocar os chips em uma placa de montagem sem solda. A placa de montagem permite que você faça a fiação dos componentes simplesmente encaixando pedaços de fios nos orifícios de conexão existentes na placa.

Uma placa de montagem sem solda

Todas as portas eletrônicas necessitam de uma fonte de energia elétrica. As portas TTL usam 5 volts para sua operação. Os chips são bastante exigentes quanto a essa voltagem, então, é recomendável usar uma fonte de alimentação de 5 volts regulada e sem ruídos sempre que trabalhar com chips TTL. Outros modelos de chips, como a série 4000 de chips CMOS, são bem menos específicos quanto às voltagens utilizadas. Os chips CMOS possuem a vantagem adicional de usar muito menos energia. No entanto, eles são muito sensíveis à eletricidade estática e isso os torna menos confiáveis, a menos que você possua um ambiente de trabalho livre de estática. Assim, ficaremos com o TTL para esta aplicação.