Aprendendo Arduino — Parte 3A — semicondutores e… ei, fiz algo útil!

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Essa pedra acima se chama galena. É um mineral composto principalmente de sulfeto de chumbo. Também tem entre 1% e 2% de prata, traços de ferro, arsênico, cobre, bismuto e selênio. É uma das principais fontes de chumbo, mas tem outras propriedades bem interessantes, que fizeram dessa pedra a pedra fundamental da idade da pedra do rádio.

Galena é um semicondutor.

Escutando assim parece algo moderno. Chips são feitos de semicondutores, você imagina homens com roupas protetoras brancas em um laboratório imaculado segurando um disco prateado, mas semicondutores não são novidade. Eles foram descobertos em 1821, quando ninguém, literalmente ninguém sequer sabia o que era um elétron.

Um semicondutor é uma substância que nem é boa condutora de eletricidade, como ferro e cobre, nem é péssima condutora, como madeira, borracha ou a Venus Williams (too soon?).

Outra propriedade curiosa é que enquanto condutores aumentam a resistência à corrente elétrica quando aquecidos, semicondutores apresentam uma redução de resistência.

Essas características tem a ver com a estrutura atômica dos semicondutores. Há dois tipos: N e P. No N você tem muitos elétrons livres, no P você tem carência de elétrons.

Cientistas descobriram que se você pegar o sinal de uma antena de rádio e passar por um cristal de galena em algum momento encontrará uma concentração de elementos na proporção correta, e ele retificará o sinal alternado transformando-o em corrente contínua. O rádio de galena se resume a isso. Uma antena, que é um longo fio de cobre, uma pedra e um par de fones. Mais NADA e você está ouvindo música.

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Ninguém tinha idéia do mecanismo em ação ali, mas as descobertas continuavam. Em 1839 Becquerel descobriu que alguns semicondutores alteravam sua resistência quando expostos à luz. Esse efeito fotoelétrico só foi devidamente destrinchado décadas depois, foi preciso Albert Einstein e lhe rendeu um Nobel.

Os dois tipos de semicondutores podem ser criados usando como base elementos como silício, gálio, germânio e outros, e suas características, P e N, são conseguidas através de um processo chamado dopagem, onde você aplica um boa-noite Cinderela na substância, adiciona elementos como arsênico e faz o que quiser com ela.

No nível atômico eis o que acontece quando você une dois semicondutores de tipos diferentes:

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O tipo que tem elétrons livres preenche os buracos no outro tipo, mas isso faz com que ele fique então com déficit. A zona entre os dois semicondutores é uma hétero-junção, e como ocorreu essa transferência de elétrons e buracos de elétrons, gera-se uma diferença de potencial. Ela evita que mais elétrons fluam.

NOTA: a rigor não existe “buraco de elétron”, é uma figura imaginária que agiria como um transportador de carga positiva. Tecnicamente o buraco não se move, ele é a ausência sentida de um elétron.

Aí você aplica uma corrente elétrica nos dois semicondutores, ocorre isso:

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O fluxo de elétrons se sobrepõe à junção, e o semicondutor passa a conduzir eletricidade numa boa.

O pulo do gato é que se você inverter a polaridade a especiaria e a corrente não fluem. Acabamos de inventar o diodo, componente fundamental da eletrônica.

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Há junções mais complexas, como PNP e NPN, usadas em transístores, que são a base dos circuitos integrados. Chegar neles não foi fácil. Diodos semicondutores existem desde 1904, mas o transístor só foi patenteado em 1925. Mesmo assim, foi marmotagem. O inventor não tinha protótipo, modelo, nada. Simplesmente não havia tecnologia para purificar semicondutores o suficiente.

O primeiro transístor de verdade só veio a ser criado em 1947, por John Bardeen e Walter Brattain, dos Laboratórios Bell, da AT&T. Ganharam um Nobel por isso.

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Com a miniaturização é possível enfiar números incríveis de transistores em um único chip. O 6502, CPU do Apple 2, tinha incríveis 3.510 transístores.

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O chip principal do Projeto Scorpio, o novo console da Microsoft, tem sete BILHÕES de transístores.

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Para saber mais: um excelente material online é o Guia da Britney Spears para Física de Semicondutores.

Efeitos Colaterais

Um fenômeno que os cientistas descobriram quando estavam experimentando com semicondutores é que TUDO afetava o comportamento deles. Até a Luz.

Alguém teve a idéia de aproveitar esse efeitos específico, e as primeiras fotocélulas foram criadas. Em 1880 Graham Bell usou uma para transmitir som em um raio de luz. Você sabe, aquela descoberta sensacional que volta e meia uma startup descolada redescobre e acha que vai revolucionar o Wi-Fi.

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Essa peça aí de cima é um LDR, resistor dependente de luz. A trilha é feita de germânio ou silício, e a resistência entre os dois contatos varia de acordo com a luz incidida. É por causa dela que sua mão não é esmagada quando você faz aquela brincadeira besta de interromper a porta fechando do elevador.

Dopping do Bem

Por causa de interferências assim que os semicondutores são lacrados em resina, cerâmica ou outros compostos. Só que cientistas estão sempre pensando lateralmente, e começaram a ver que alguns dos efeitos colaterais indesejáveis, assim como a Amy Schumer 03:00 num final de festa, não é tão indesejável assim.

Em especial, a tendência de alguns compostos semicondutores sofrerem interferência de gases. As moléculas se prendiam por atração eletrostática à superfície dos semicondutores, trocavam elétrons e iam embora. Isso afetava a resistência da junção.

Melhor ainda: junções específicas dopadas com elementos específicos reagiam a gases específicos.

Em 1968 foi comercializado o primeiro sensor semicondutor para detectar gases, no caso hidrocarbonetos. As vantagens eram imensas. Consumiam menos energia, eram bem menores que os detectores tradicionais e a vida útil era muito maior, tipo dez anos.

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Com a evolução nas técnicas de fabricação mais sensores foram criados, mais baratos e mais diversos. Empresas como a ITS fabricam sensores para mais de 150 tipos de gases, de amônia a 6 tipos de freon, e não, eu não sabia que existia mais de um.

Hoje o preço dos sensores caiu no chão. Este aqui por exemplo custa um gin-tônica:

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É o Sensor de Gás MQ-2, um módulo com sensibilidade para metano, butano, GLP, hidrogênio e outros gases combustíveis. Ele também é afetado por álcool, mas em menor quantidade (datasheet).

O uso é simplíssimo. São quatro pinos:

  • Vcc, 5 V alimentação;
  • GND — negativo;
  • DO — saida digital;
  • AO — saída analógica.

A saída digital permanece LOW e muda para HIGH quanto a concentração de gás atinge um determinado valor, regulado por um trimpot na traseira da placa.

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O sinal analógico varia entre 0 e 5 volts, o que quando introduzido (epa!) em uma das portas analógicas do Arduíno é convertido em um valor digital entre 0 e 1.024.

Óbvio que um sensor de R$ 15,00 não vai ter os mesmos recursos de equipamentos de milhares de dólares, e ele não consegue identificar individualmente os gases. Por outro lado, se você está criando um alarme para vazamentos em seus tanques de propano, dificilmente terá um vazamento de hidrogênio, e se você pretende monitorar seu dirigível, as chances de ter um vazamento de butano interferindo com as leituras de hidrogênio são mínimas.

O que dá para fazer com um bicho desses? Muita coisa. Inclusive substituir aquele neandertal método de detectar vazamentos no bujão de gás usando espuma de sabão. Quanto custa? Quase nada, se você tem um Arduíno, que também custa quase nada.

Na segunda parte deste artigo vou mostrar dois tipos de detector que fiz em pouquíssimo tempo, com um mínimo de componentes. De brinde sem-querer ainda consegui uns sons de ficção científica muito maneiros:


Carlos Cardoso — Exemplo de sensor MQ-2

DISCLAIMER: parte dos componentes deste projeto foram fornecidos pelos Baú da Eletrônica, como o Sensor de Gás MQ-2. Outros eu comprei, como o Kit Arduíno Start.


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Autor: Carlos Cardoso

Entusiasta de tecnologia, tiete de Sagan e Clarke, micreiro, hobbysta de eletrônica pré-pic, analista de sistemas e contínuo high-tech. Cardoso escreve sobre informática desde antes da Internet, tendo publicado mais de 10 livros cobrindo de PDAs e Flash até Linux. Divide seu tempo entre escrever para o MeioBIt e promover seus últimos best-sellers O Buraco da Beatriz e Calcinhas no Espaço.

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  • E então o Cardoso inventou um Peid-O-Meter

    • ideias

    • QUERO! Integrado no Twitter para gerar um twit a cada emissão.

      • Cesar Osvaldo Müller

        Se tiver bluetooth eu compro, por que tudo com bluetooth fica melhor….

        • Boa! Daí ele gera um PeidoCast e vai direto pra galeria do iTunes ou Play Music!

          • Cesar Osvaldo Müller

            Exato!

      • Nilton Pedrett Neto

        Se tiver leds, vira gamer!

        • Dou uma e se for bom dou mais

          Imagina a versão multiplayer cooperativo.

  • J’onn J’onzz

    Muito legal o artigo, bem escrito cheio de curiosidades legais.

    Lembrei de minha excelente professora de eletrônica (PhD e uma das pessoas mais inteligentes que conheci) explicando sobre semicondutores. Desenha os elétron com giz azul e as lacunas com giz rosa e para ninguém confundir falava “elétrons são meninos e lacunas são meninas”.

    Lembrei também de outro professor (esse não tão bom assim), explicando calmamente que a dopagem dos semicondutores é feita basicamente colidindo ions no material puro. E para ilustrar ele do nada começou a bater freneticamente com o giz no quadro, desenhando os pontinhos que representavam os contaminantes.

    Sobre a história do transistor, li sobre ela num livro sobre o Bell Labs. Para quem gosta de tecnologia e inovação, vale muito a pena ler a história desse laboratório. “Praticamente tudo” foi inventado lá. Idea Factory o nome do livro.

  • ochateador

    “O uso é simplíssimo. São quadro pinos:”

    Cardoso, não seriam “quatro pinos” ?

  • Alvaro
    • cloverfield

      Ficou bem legal.
      Parabéns.

      • Alvaro

        Valeu!

    • CARAMBA que legal! Adorei o display âmbar!

      • Alvaro

        Eu gostei tb tanto que comprei 2!!! Heheheh comprei tb o interface i2c, assim usa só 2 fios para comunicação

    • Mario Neis

      muito legal cara!
      Continue assim, você vai ser o pai que vai ser lembrado não só pela tua filha mas também pelos amigos dela.

      ps.: Todo mundo lembra do pai de algum amigo que era gente boa e tinhas uns trecos/jogos maneiros pra brincar quando a gente era moleque, e a galera toda sempre ia pra aquela casa se reunir.

      • Alvaro

        Esse é o objetivo hehehehe

    • Salles Magalhaes

      Muito legal… como esse jogo funciona?

      • Alvaro

        E o velho jogo da cirugia, a peças dentro dos buracos e vc precisa pegar elas com uma pinça… só que ao encostar na borda vc dispara um buzzer que indica que vc perdeu… se tirar a peça sem encostar vc vai somando pontos que são atribuídos de acordo com a dificuldade do buraco

    • 640k is enough

      Parabéns!! Esse jogo é demais.

      Sua filha vai vai ficar habilidosa ou traumatizada com o buzzer. 😀

      • Alvaro

        Heheheh

      • Alvaro

        Nessa versão o que da agonia e o barulho que aumenta de tom com a passagem do timer

    • Muito bacana! Compartilha o projeto no GitHub!

  • cesar m

    Uns 3 anos atrás um amigo meu que tem um ME de venda de carvão pra churrasco me disse que tava com a ideia de mandar fazer uns 3 trailer daqueles puxado no carro, do tipo baú fechado para vender carvão, segundo ele assim ele colocaria em vários pontos da cidade em postos de gasolina com um funcionário dele cuidando, aí eu dei a ideia de se ele investisse um pouco dava pra criar os trailers automáticos fazendo um sistema de dispensar o carvão por uma gaveta liberada automaticamente com a inserção de dinheiro em um noteiro, tudo controlado através de um arduino. Ele acabou que não fez foi nada, mas, fica a dica, dá pra fazer muita coisa lucrativa com arduino na área de automação.

  • ___ ____

    Comprei um Arduíno e estava pensando exatamente em fazer isso, pois sinto muito cheiro de gás na minha cozinha. Só fiquei em dúvida entre esse mq2 e o mq4, alguem sabe qual o melhor pra gás encanado?

  • Salles Magalhaes

    Inspirado nos últimos posts também comprei um kit Arduino. Uma das primeiras coisas que fiz para testar foi um sensor de estacionamento com um sensor ultra-sônico e um buzzer ( para indicar a distância).

    Outra coisa legal que comprei foi uma matriz de LEDs (8×32 LEDs). Fica muito legal exibir coisas nela (inclusive a usei para exibir a distância no sensor de estacionamento).

    PS: adorei os sons de ficção científica gerados por esse seu sensor

  • Alexandre Machado

    A moeda não deveria ser de Libra, ao invés de Real?

  • Apocalyptica

    Em teoria é bonito esses monitores de gás a R$ 15,00 mas as empresas ainda vão pagar 2.000 só na calibração de um aparelho de 10.000. Um falso negativo e uma merda muito grande pode acontecer

    • Lucas Timm

      This is why we can’t get nice things.

  • Excelente explicação do funcionamento de semicondutores, parabéns Cardoso!

  • Apocalyptica

    Alguém, por caridade, escola a piada da Venus Williams?!

  • David Kwast

    Cardoso. Tenta negociar um cupom de desconto no Bau da Eletronica. Tem muita coisa legal lá.

    • Deixa sair mais uns artigos e consolidar a amizade.

      • Vila Jr

        Hahahahah…o café saiu pelo nariz aqui

      • David Kwast

        OK, acabei de gastar 500 conto lá. Mas tem muita coisa que vou comprar futuramente.

  • André K

    Britney Spears semicondutor Guide… E o da Luciana Vendramini?
    Post muito bom!

  • “um módulo com sensibilidade para metano, butano, GLP, hidrogênio e outros gases combustíveis”

    Também é um detector de peido. Melhor que a mão amarela.

  • Xultz

    “Uma antena, que é um longo fio de cobre, uma pedra e um par de fones. Mais NADA e você está ouvindo música.”
    Na verdade precisa de mais um capacitorzinho, ligado no catodo do diodo prá retificar o som. Capacitores são mais velhos que a humanidade (uma nuvem que descarrega num raio, é um capacitor que acumulou carga demais e rompeu o dielétrico), duas chapinhas e uma folha de papel são suficientes prá esse rádio aí.

    • Oberaldo Gilmentoo

      E o fone tem de ser de cristal, coisa que não se acha mais hoje em dia.

  • Fernando Vieira

    O Freon eu tive uma aula inteira sobre eles só porque perguntei a mesma coisa ao professor. O primeiro inventado foi o R12 que fez toda a farra com os aerossóis e foi a primeira molécula totalmente artificial criada. Aí veio toda uma gama de outros, R11, R22 etc que variavam na quantidade de cloro e carbono. Com o alarme do buraco na camada de ozônio surgiu o R134a que não tem cloro e não danifica a camada de ozônio. Mas contribui pra caramba para o aquecimento global quando solto na atmosfera. Mas fazer o quê, eu quero minha cerveja gelada e não quero esperar o geleiro passar.

    • Esse lance sobre danificar a camada de ozônio foi uma grande sacada pra forçar a indústria a comprar o HCFC porque este último é muito mais caro. Viva o capitalismo e manipulação da massa…

      • Fernando Vieira

        Já ouvi muita gente dizendo isso, inclusive gente renomada na área. Mas tenho lá minhas dúvidas, porque a concentração de cloro na atmosfera aumentou e esse cloro tinha que vir de algum lugar.

        • O negócio é que o HCFC é 90% menos agressivo que o CFC, porém ainda é prejudicial ao meio ambiente. Há mais ou menos 1 ano atrás eu li uma matéria em que estavam sugerindo largar o HCFC e partir pra um novo composto (não lembro o nome), sendo que este é mais caro ainda que o HCFC e iriam começar a mal-dizer o HCFC para o público em geral (velha tática de convencer o consumidor a acreditar em algo e fazê-lo a trocar por produtos que são eco-friendly e que usam o novo composto).

  • Jefferson Daniel

    Lembro quando fiz um HDMI switcher com controle remoto com um arduino, um receptor IR e um trocador HDMI da santa ifigenia. Me senti o Elon Musk, só que pobre e burro.

  • PugOfWar

    esse transistor de John Bardeen e Walter Brattain eu lembro de ter visto a muito tempo num documentário, eles literalmente lixavam o semicondutor por dias e ficavam testando até funcionar

  • Oberaldo Gilmentoo

    Esse LDR da foto é de sulfeto de cádmio. Foto-resistor não tem junção PN. Foto-transistores é que são feitos de silício.

  • Quero o código dos sons de ficção científica 😀

  • Mario Neis

    tem esse kit aqui também que tem um valor camarada

    https://www.tecnotronics.com.br/kit-iniciante-p-arduino-r3-smd-c-150.html

  • Alvaro
  • Badbass55

    Boa, um pouco de história sempre acrescenta…
    “e não, eu não sabia que existia mais de um” [ahahahh sempre aprendendo não é mesmo]

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