Eletrônicos

Componentes eletrônicos modernos de montagem superficial em uma placa de circuito impresso, com um grande circuito integrado na parte superior.

O campo da eletrônica é um ramo da física e da engenharia elétrica que lida com a emissão, comportamento e efeitos de elétrons usando dispositivos eletrônicos. A eletrônica usa dispositivos ativos para controlar o fluxo de elétrons por amplificação e retificação, o que a distingue da engenharia elétrica clássica, que usa apenas efeitos passivos como resistência, capacitância e indutância para controlar o fluxo de corrente elétrica.

A eletrônica influenciou enormemente o desenvolvimento da sociedade moderna. A força motriz central por trás de toda a indústria eletrônica é o setor da indústria de semicondutores, com vendas anuais de mais de US$ 481 bilhões em 2018. O maior setor industrial é o comércio eletrônico, que gerou mais de US$ 29 trilhões em 2017.

História e desenvolvimento

Um dos primeiros receptores de rádio Audion, construídos por De Forest em 1914.

A eletrônica influenciou enormemente o desenvolvimento da sociedade moderna. A identificação do elétron em 1897, junto com a subsequente invenção do tubo de vácuo que poderia amplificar e retificar pequenos sinais elétricos, inaugurou o campo da eletrônica e a era do elétron. As aplicações práticas começaram com a invenção do diodo por Ambrose Fleming e do triodo por Lee De Forest no início de 1900, o que possibilitou a detecção de pequenas tensões elétricas, como sinais de rádio de uma antena de rádio, com um dispositivo não mecânico.

Os tubos de vácuo (válvulas termiônicas) foram os primeiros componentes eletrônicos ativos que controlavam o fluxo de corrente influenciando o fluxo de elétrons individuais, foram responsáveis pela revolução eletrônica da primeira metade do século XX, permitiram a construção de equipamentos que usou amplificação e retificação de corrente para nos fornecer rádio, televisão, radar, telefonia de longa distância e muito mais. O crescimento inicial da eletrônica foi rápido e, na década de 1920, a transmissão e as comunicações de rádio comercial estavam se espalhando e os amplificadores eletrônicos estavam sendo usados em diversas aplicações, como telefonia de longa distância e a indústria de gravação de música.

O próximo grande passo tecnológico levou várias décadas para aparecer, quando o primeiro transistor de ponto de contato funcional foi inventado por John Bardeen e Walter Houser Brattain no Bell Labs em 1947. No entanto, os tubos de vácuo desempenharam um papel de liderança no campo de microondas e transmissão de alta potência, bem como receptores de televisão até meados da década de 1980. Desde então, os dispositivos de estado sólido assumiram completamente o controle. Os tubos de vácuo ainda são usados em algumas aplicações especializadas, como amplificadores de RF de alta potência, tubos de raios catódicos, equipamentos de áudio especializados, amplificadores de guitarra e alguns dispositivos de micro-ondas.

Em abril de 1955, a IBM 608 foi o primeiro produto IBM a usar circuitos de transistores sem tubos de vácuo e acredita-se que seja a primeira calculadora totalmente transistorizada a ser fabricada para o mercado comercial. O 608 continha mais de 3.000 transistores de germânio. Thomas J. Watson Jr. ordenou que todos os futuros produtos IBM usassem transistores em seu design. A partir dessa época, os transistores foram usados quase exclusivamente para lógica de computador e periféricos. No entanto, os primeiros transistores de junção eram dispositivos relativamente volumosos, difíceis de fabricar em produção em massa, o que os limitava a várias aplicações especializadas.

O MOSFET (transistor MOS) foi inventado por Mohamed Atalla e Dawon Kahng nos Laboratórios Bell em 1959. O MOSFET foi o primeiro transistor verdadeiramente compacto que pode ser miniaturizado e produzido em massa para uma ampla gama de usos. Suas vantagens incluem alta escalabilidade, acessibilidade, baixo consumo de energia e alta densidade. Ele revolucionou a indústria eletrônica, tornando-se o dispositivo eletrônico mais utilizado no mundo. O MOSFET é o elemento básico na maioria dos equipamentos eletrônicos modernos.

À medida que a complexidade dos circuitos aumentava, surgiam problemas. Um problema era o tamanho do circuito. Um circuito complexo como um computador dependia da velocidade. Se os componentes forem grandes, os fios que os interligam devem ser longos. Os sinais elétricos demoravam para passar pelo circuito, tornando o computador mais lento. A invenção do circuito integrado por Jack Kilby e Robert Noyce resolveu esse problema fazendo todos os componentes e o chip do mesmo bloco (monólito) de material semicondutor. Os circuitos podem ser feitos menores e o processo de fabricação pode ser automatizado. Isso levou à ideia de integrar todos os componentes em um wafer de silício de cristal único, o que levou à integração em pequena escala (SSI) no início dos anos 1960 e, em seguida, à integração em média escala (MSI) no final dos anos 1960, seguida por VLSI. Em 2008, processadores de bilhões de transistores tornaram-se disponíveis comercialmente.

Subcampos

Dispositivos e componentes

Vários componentes eletrônicos.

Um componente eletrônico é qualquer componente em um sistema eletrônico ativo ou passivo. Os componentes são conectados entre si, geralmente soldados a uma placa de circuito impresso (PCB), para criar um circuito eletrônico com uma função específica. Os componentes podem ser empacotados individualmente ou em grupos mais complexos como circuitos integrados. Componentes eletrônicos passivos são capacitores, indutores, resistores, enquanto componentes ativos são como dispositivos semicondutores; transistores e tiristores, que controlam o fluxo de corrente no nível do elétron.

Tipos de circuitos

As funções do circuito eletrônico podem ser divididas em dois grupos de funções: analógicas e digitais. Um determinado dispositivo pode consistir em circuitos que possuem um ou outro ou uma mistura dos dois tipos. Os circuitos analógicos estão se tornando menos comuns, pois muitas de suas funções estão sendo digitalizadas.

Circuitos analógicos

Hitachi J100 chassi de unidade de frequência ajustável

A maioria dos aparelhos eletrônicos analógicos, como receptores de rádio, são construídos a partir de combinações de alguns tipos de circuitos básicos. Circuitos analógicos usam uma faixa contínua de tensão ou corrente em oposição a níveis discretos como em circuitos digitais.

O número de diferentes circuitos analógicos desenvolvidos até agora é enorme, especialmente porque um 'circuito' pode ser definido como qualquer coisa, desde um único componente até sistemas contendo milhares de componentes.

Circuitos analógicos às vezes são chamados de circuitos lineares, embora muitos efeitos não lineares sejam usados em circuitos analógicos, como mixers, moduladores, etc. Bons exemplos de circuitos analógicos incluem válvulas a vácuo e amplificadores de transistores, amplificadores operacionais e osciladores.

Raramente encontramos circuitos modernos totalmente analógicos - hoje em dia, os circuitos analógicos podem usar técnicas digitais ou mesmo de microprocessador para melhorar o desempenho. Este tipo de circuito é geralmente chamado de "sinal misto" em vez de analógico ou digital.

Às vezes pode ser difícil diferenciar entre circuitos analógicos e digitais, pois eles possuem elementos de operação linear e não linear. Um exemplo é o comparador que leva em uma faixa contínua de tensão, mas apenas produz um dos dois níveis como em um circuito digital. Da mesma forma, um amplificador de transistor com overdrive pode assumir as características de um comutador controlado tendo essencialmente dois níveis de saída. Na verdade, muitos circuitos digitais são realmente implementados como variações de circuitos analógicos semelhantes a este exemplo - afinal, todos os aspectos do mundo físico real são essencialmente analógicos, então os efeitos digitais só são realizados restringindo o comportamento analógico.

Circuitos digitais

Circuitos digitais são circuitos elétricos baseados em vários níveis de tensão discretos. Os circuitos digitais são a representação física mais comum da álgebra booleana e são a base de todos os computadores digitais. Para a maioria dos engenheiros, os termos "circuito digital", "sistema digital" e "lógica" são intercambiáveis no contexto de circuitos digitais. A maioria dos circuitos digitais usa um sistema binário com dois níveis de tensão rotulados como "0" e "1". Freqüentemente, a lógica "0" será uma tensão mais baixa e referida como "Baixa" enquanto lógica "1" é referido como "Alto". No entanto, alguns sistemas usam a definição inversa ("0" é "Alto") ou são baseados em corrente. Frequentemente, o projetista lógico pode inverter essas definições de um circuito para o próximo, conforme achar adequado para facilitar seu projeto. A definição dos níveis como "0" ou "1" é arbitrário.

A lógica ternária (com três estados) foi estudada e alguns protótipos de computadores foram feitos. Os sistemas binários produzidos em massa causaram menor significância para o uso da lógica ternária. Computadores, relógios eletrônicos e controladores lógicos programáveis (usados para controlar processos industriais) são construídos com circuitos digitais. Os processadores de sinais digitais, que medem, filtram ou comprimem sinais analógicos contínuos do mundo real, são outro exemplo. Transistores como o MOSFET são usados para controlar estados binários.

• Portais de lógica
• Adicionar
• Chinelos
• Contadores
• Registos
• Múltiplos
• gatilhos Schmitt

Dispositivos altamente integrados:

• chip de memória
• Microprocessadores
• Microcontroladores
• Circuito integrado específico da aplicação (ASIC)
• Processador de sinal digital (DSP)
• array de portões programável em campo (FPGA)
• array analógico programável em campo (FPAA)
• Sistema em chip (SOC)

Design

O design de sistemas eletrônicos lida com questões de design multidisciplinar de dispositivos e sistemas eletrônicos complexos, como telefones celulares e computadores. O assunto abrange um amplo espectro, desde o projeto e desenvolvimento de um sistema eletrônico (desenvolvimento de novos produtos) até a garantia de seu funcionamento adequado, vida útil e descarte. O projeto de sistemas eletrônicos é, portanto, o processo de definição e desenvolvimento de dispositivos eletrônicos complexos para satisfazer requisitos específicos do usuário.

Devido à natureza complexa da teoria eletrônica, a experimentação em laboratório é uma parte importante do desenvolvimento de dispositivos eletrônicos. Esses experimentos são usados para testar ou verificar o projeto do engenheiro e detectar erros. Historicamente, os laboratórios de eletrônica consistem em dispositivos e equipamentos eletrônicos localizados em um espaço físico, embora nos anos mais recentes a tendência tenha sido em direção a softwares de simulação de laboratório de eletrônica, como CircuitLogix, Multisim e PSpice.

Design assistido por computador

Os engenheiros eletrônicos de hoje têm a capacidade de projetar circuitos usando blocos de construção pré-fabricados, como fontes de alimentação, semicondutores (ou seja, dispositivos semicondutores, como transistores) e circuitos integrados. Os programas de software de automação de design eletrônico incluem programas de captura esquemática e programas de design de placas de circuito impresso. Nomes populares no mundo do software EDA são NI Multisim, Cadence (ORCAD), EAGLE PCB e Schematic, Mentor (PADS PCB e LOGIC Schematic), Altium (Protel), LabCentre Electronics (Proteus), gEDA, KiCad e muitos outros.

Qualidades negativas

Gestão térmica

O calor gerado pelos circuitos eletrônicos deve ser dissipado para evitar falhas imediatas e melhorar a confiabilidade a longo prazo. A dissipação de calor é alcançada principalmente por condução/convecção passiva. Os meios para obter maior dissipação incluem dissipadores de calor e ventiladores para resfriamento de ar e outras formas de resfriamento de computador, como resfriamento de água. Essas técnicas usam convecção, condução e radiação de energia térmica.

Ruído

O ruído eletrônico é definido como perturbações indesejadas sobrepostas a um sinal útil que tendem a obscurecer seu conteúdo de informação. Ruído não é o mesmo que distorção de sinal causada por um circuito. O ruído está associado a todos os circuitos eletrônicos. O ruído pode ser gerado eletromagneticamente ou termicamente, o que pode ser diminuído diminuindo a temperatura de operação do circuito. Outros tipos de ruído, como ruído de tiro, não podem ser removidos, pois são causados por limitações nas propriedades físicas.

Métodos de embalagem

Muitos métodos diferentes de conectar componentes foram usados ao longo dos anos. Por exemplo, os primeiros eletrônicos costumavam usar fiação ponto a ponto com componentes conectados a placas de ensaio de madeira para construir circuitos. Construção Cordwood e envoltório de arame foram outros métodos utilizados. A maioria dos eletrônicos modernos agora usa placas de circuito impresso feitas de materiais como FR4, ou o mais barato (e menos resistente) Synthetic Resin Bonded Paper (SRBP, também conhecido como Paxoline/Paxolin (marcas) e FR2) - caracterizado por sua cor marrom. As preocupações com a saúde e o meio ambiente associadas à montagem eletrônica ganharam maior atenção nos últimos anos, especialmente para produtos destinados aos mercados europeus.

Dispositivos montados na placa de circuito de um computador doméstico de meados da década de 1980. Os dispositivos de chumbo axial estão à esquerda superior, enquanto os capacitores de chumbo radial azul estão à direita superior

Os componentes elétricos geralmente são montados das seguintes maneiras:

• Através do buraco (às vezes referido como 'Pin-Through-Hole')
• Montagem de superfície
• Montagem de chassis
• Montagem em rack
• Soquete LGA/BGA/PGA

Indústria

A indústria eletrônica é composta por vários setores. A força motriz central por trás de toda a indústria eletrônica é o setor da indústria de semicondutores, que tem vendas anuais de mais de US$ 481 bilhões em 2018. O maior setor da indústria é o e- comércio, que gerou mais de US$ 29 trilhões em 2017. O dispositivo eletrônico mais amplamente fabricado é o transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido de metal (MOSFET), com uma estimativa 13 sextilhões de MOSFETs fabricados entre 1960 e 2018. Na década de 1960, os fabricantes americanos não conseguiam competir com empresas japonesas, como Sony e Hitachi, que podiam produzir produtos de alta qualidade a preços mais baixos preços. Na década de 1980, no entanto, os fabricantes dos EUA se tornaram os líderes mundiais no desenvolvimento e montagem de semicondutores.

No entanto, durante a década de 1990 e subsequentemente, a indústria mudou de forma esmagadora para o leste da Ásia (um processo iniciado com o movimento inicial de produção em massa de microchips na década de 1970), à medida que a mão de obra abundante e barata e a crescente sofisticação tecnológica tornaram-se amplamente disponível lá.

Ao longo de três décadas, os Estados Unidos' a participação global na capacidade de fabricação de semicondutores caiu de 37% em 1990 para 12% em 2022. O proeminente fabricante de semicondutores da América, Intel Corporation, ficou muito atrás de seu subcontratado Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) em tecnologia de fabricação.

Naquela época, Taiwan havia se tornado a principal fonte mundial de semicondutores avançados, seguida pela Coreia do Sul, Estados Unidos, Japão, Cingapura e China.

Importantes instalações da indústria de semicondutores (que muitas vezes são subsidiárias de um produtor líder com sede em outro lugar) também existem na Europa (principalmente na Holanda), sudeste da Ásia, América do Sul e Israel.