Notas de Aula Laboratório de Sistemas Digitais

Notas de Aula
Laboratório de Sistemas Digitais
Sumário
1.Introdução..........................................................................................................................................1
2.Tensão, Corrente, Resistência e LEDs...............................................................................................1
3.Protoboards........................................................................................................................................4
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1. Introdução
Esta apostila possui o conteúdo relacionado aos conceitos vistos em sala de aula.
Futuramente novos conceitos serão apresentados e adicionados em forma de novos capítulos.
No capítulo 2 são apresentados os conceitos vistos sobre tensão, corrente, resistência e
LEDs. Já no capítulo 3 são apresentados os conceitos sobre a utilização de um protoboard. Bons
estudos!
2. Tensão, Corrente, Resistência e LEDs
Tensão, corrente e resistência são conceitos básicos de elétrica. Através deles será possível
utilizar circuitos digitais em nossos experimentos. Para entender seu funcionamento, é necessário
entender alguns conceitos básicos explicados à seguir.
A Tensão de um circuito é formada pela diferença de potencial existente entre os polos
positivo e negativo de uma bateria qualquer. Essa diferença de potencial causa uma locomoção dos
elétrons localizados na bateria entre o circuito, produzindo uma Corrente de elétrons em
deslocamento de um polo a outro do circuito (Figura 1).
Figura 1: Circuito apresentando os polos positivo (A) e negativo (B) da bateria e o
deslocamento de seus elétrons.
O sentido convencional de uma corrente (Figura 1, lado esquerdo) é geralmente utilizado
para a apresentação costumeira de circuitos, porém o sentido correto de uma corrente é o
apresentado na Figura 1, do lado direito.
Para entender melhor, podemos realizar uma comparação desse circuito com um riacho:
supondo que o sentido convencional da corrente, Figura 1 à esquerda, imagine que a o polo positivo
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de uma bateria seja a fonte do riacho, onde a água represente a corrente, que passa por todo o
percurso do rio, que é seu circuito, até atingir uma drenagem, que representa o polo negativo de
uma bateria.
Agora que esses conceitos foram apresentados, pode-se entender a Lei de Ohm. George
Simon Ohm (1787 – 1854) foi um cientista alemão que determinou a relação entre Tensão, Corrente
e Resistência. Em sua conclusão, um resistor com uma resistência elétrica de 1 Ohm causará uma
queda de tensão de 1 Volt a cada 1 Ampère de corrente que passar por ele.
A Formula matemática que exprime esta simples equação:
E= IxR
onde:
–
E ou V=
Tensão em Volts (V);
–
I
=
Corrente em Amperes (A);
–
R
=
Resistência em Ohms ( Ω ).
Para melhor aplicar essa fórmula, pode-se utilizar a
figura de um triângulo, onde a fórmula pode ser obtida
tampando o valor desejado (explicado em aula).
Agora que conhece a lei de Ohm, pode-se passar para a sua utilização no circuito.
Todo elemento elétrico tem uma queda de tensão própria ao seu funcionamento normal, e para os
LEDs, essas quedas são as seguintes:
–
LED amarelo, laranja , vermelho = 2,2V e
–
LEDs branco, verde, azul , UV = 3,4V .
Todos esses LEDs apresentam valor de corrente de 20 mA (0,02A);
Para que esses elementos com tão baixa tensão possam ser alimentados com tensões maiores
sem queimar, deve-se adicionar resistores ligados em série. Os resistores funcionam como
limitadores de corrente e fazem com que a tensão caia para que o circuito fique adequado a todos
seus componentes.
Como exemplo, na Figura 2, tem-se:
–
Uma bateria de 12V;
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–
O LED azul, que absorve 3,4V;
–
A corrente do LED, de 20mA (0,02A);
–
Então, o resistor deverá resistir ao restante, ou seja aos 8,6V (12V – 3,4V);
Seguindo a lei de Ohm, calcula-se o valor do resistor usando a seguinte formula:
R=
E
I
Então:
R =
8,6 V
= 430Ω
0,02 A
Basta procurar um resistor com valor próximo a este e utilizá-lo no circuito.
Figura 2: Bateria, Resistência e LED
Para os resistores, realiza-se o cálculo da Figura 3, onde a tolerância indica que o resistor
pode ter seu valor em Ohms maior ou menor àquela porcentagem informada. Por exemplo, se a cor
da tolerância for ouro, significa que o resistor pode ter 5% de Ohms a mais ou 5% de Ohms a
menos que o valor informado por suas três primeiras linhas de cor.
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Figura 3: Cálculo do valor de um resistor
3. Protoboards
O Protoboard (Figura 4) é um equipamento que permite interconectar dispositivos
eletrônicos tais como resistores, diodos, transistores, circuitos integrados e outros. Sua principal
tarefa é permitir a montagem de circuitos eletrônicos sem a necessidade de soldar os componentes.
Figura 4: Protoboard
Conforme pode-se visualizar na Figura 5, as colunas maiores de um protoboard estão ligadas
horizontalmente, enquanto as menores estão ligadas verticalmente, como apresenta a Figura 5.
Como pode-se visualizar no destaque em vermelho da Figura 5, as colunas na vertical, possuem
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uma descontinuidade. Sendo necessário ligar um fio para que elas continuem o fluxo de energia. A
coluna horizontal superior fornece energia positiva ao circuito e a coluna horizontal inferior fornece
o negativo, terra.
Figura 5: Ligações de um protoboard
Para construir um circuito, deve adicionar um componente chamado de CI (Circuito
Integrado) (Figura 6). Os CIs utilizados no laboratório fazem parte da família SN74XX, que são
utilizados na área acadêmica. Sua formação interna é obtida através de seu datasheet, fornecido em
diversas páginas na Internet (Obs.: exemplo de pesquisas no Google: “datasheet sn7404”).
Figura 6: Circuito Integrado
Até o momento, o essencial a saber sobre os CIs são sua formação interna de portas, sendo
as portas mais importantes apresentadas nas Figuras 7, 8, 9 e 10. Referente às portas NOT (NÃO),
AND (E), OR (OU) e NAND (NÃO E).
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Figura 7: Circuito SN7404
Figura 8: Circuito SN7408
Figura 9: Circuito SN7432
Figura 10: Circuito SN7400
Sua posição deve ser com a parte chanfrada à esquerda. À partir disso, deve-se enumerar os
pinos no sentido anti-horário. Seus pinos são as entradas e as saídas das portas internas, além de
fornecerem meios de alimentar o circuito.
O pino 14 deve sempre receber uma tensão de 5V (VCC) e o pino 7 deve sempre receber a
ligação de 0V (Terra – GND). Após essa ligação, todas os pinos referentes às entradas das portas
recebem energia, ou seja, o valor lógico 1 (um). Para tornar o valor lógico igual a 0 (zero), deve-se
ligar o pino referente de entrada à 0V, o terra do protoboard.
Para construir um circuito em um
simulador (sem a necessidade de resistência),
que envolva, por exemplo, a porta AND e seu
resultado, deve-se fazer como apresentado na
Figura 11.
Através disso, sua tabela verdade pode
ser levantada. Onde o valor de energia significa
1 (um) e a falta de energia significa 0.
Figura 11: Exemplo da ligação da porta
AND em um circuito
No caso da porta AND apresentada, poderíamos seguir os seguintes passos para que a
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levantar sua tabela verdade:
i. inicialmente, deixar os dois switches desligados.
Assim, os valores das duas entradas seriam 1, pois ao ligar o CI na energia, todas
as entradas recebem o valor de entrada igual a 1, como não estamos aterrando suas
entradas, ambas permanecem com o valor inicial. Ao fazer isso, o LED receberia
energia e ficaria aceso, indicando que a saída também é 1;
ii. agora, poderíamos deixar o primeiro switch desligado e o segundo switch ligado.
Assim, o valor do segundo pino passaria a valer 0, pois o mesmo foi aterrado. Isso
faria com que o LED se apagasse, indicando o valor 0;
iii. depois disso, poderíamos deixar o primeiro switch ligado e o segundo switch
desligado.
Assim, o valor do primeiro pino passaria a valer 0 e o seguindo passaria a valer 1, o
que levaria à saída o valor 0, ou seja, o LED apagado;
iv. por final, poderíamos ligar os dois switchs.
Assim, os valores do primeiro e do segundo pino, ou seja, das entradas da porta,
seriam 0, pois foram aterrados, e o valor da saída seria igual a 0, ou seja, o LED
apagado.
Com isso, a seguinte tabela verdade poderia ser levantada:
Pino 1 Pino 2 Pino 3 (LED)
iv
0
0
0
iii
0
1
0
ii
1
0
0
i
1
1
1
Com isso, seria possível criar circuitos combinacionais simples em simuladores.
A alternância dos estados dos switches não faz diferença, porém deve-se tomar cuidado para
completar a tabela verdade da forma correta.
Obs.: ao trabalhar com circuitos reais, deve-se adicionar corretamente os resistores, além de
tomar cuidado com a tensão dos CIs, pois assim, nenhum componente do circuito será queimado.