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O que são Portas lógicas em circuitos digitais?

Portas lógicas

As portas lógicas se tratam de dispositivos lógicos de comutação elementares da eletrônica digital, logo são fundamentalmente estudadas nos mais diversos ramos da engenharia, elétrica, eletrônica, mecatrônica, dentre outros…

São a base de funcionamento dos circuitos integrados dos conhecidos chips, processadores, controladores, etc. que compõem praticamente qualquer aparelho eletrônico hoje em dia, desde os de uso doméstico como os mais complexos que contam com tecnologia de vanguarda,usados em hospitais de ponta, industrias automatizadas, centros de pesquisa avançados e assim por diante, as portas lógicas estão presentes em grande maioria de dispositivos eletrônicos.

O estudo dos princípios de funcionamento das portas lógicas é de fácil entendimento, pois e baseia somente na realização de simples operações por meio de sinais lógicos binários de entrada (0 e 1) que resultarão em um único sinal de saída (0 ou 1) com o emprego da função lógica booliana.

Álgebra Booleana e sua importância nas portas lógicas

A álgebra booliana foi desenvolvida através de estudos de um matemático autodidata inglês, George Boole, que em 1847 demonstrou ser possível usar equações algébricas para representar a lógica.

Geoge Boole matemático inglês sistema binário
Geoge Boole matemático inglês

Seu emprego foi essencial para o surgimento dos computadores e outros dispositivos,e para a produção microchips que são dotados de uma infinidade de mini-interruptores combinados em portas lógicas que por sua vez usam uma linguagem binária para resolver um sem fim de operações.

A álgebra de Boole trabalha com três operadores principais AND, OR e NOT, funções únicas em operações para se fazer comparações e em quatro operações aritméticas básicas.

Décadas após a morte de Boole, Claude Shannon, então estudante universitário americano, estabeleceu a relação entre a Álgebra Booliana e os circuitos eletrônicos, representando as diferenças de potencial do circuito através dos estados lógicos sim e não, fator fundamental para aplicação prática das equações no desenvolvimento computacional.

Portas lógicas e suas funções

Os circuitos eletrônicos digitais são formados pela junção ou combinação de portas lógicas. Elas são como ingredientes em uma cozinha, ou seja, cada um tem sua função, mas combinando esses ingredientes é possível formular variados pratos.Da mesma forma acontece com as portas lógicas que conjuntamente podem criar variados tipos de circuitos digitais, como os sequenciais ou combinacionais, por exemplo.

As portas lógicas possuem uma ou mais entradas, mas somente uma saída (Existem portas com mais de uma saída, mas, por serem exceções,não trataremos delas neste artigo).

Elas trabalham com sinais elétricos (ou pulsos elétricos) onde um pulso (5v) é representado graficamente pelo número 1 e ausência de pulso (0v) é representada por zero. Isso mesmo, cada porta lógica possui uma ou mais variáveis de entrada e apenas uma variável de saída, ou seja, a variável de saída será 0 ou 1, de acordo com a combinação de variáveis 0 ou 1 de entrada:

Grupos de divisão das portas lógicas

Eles são dois veja:

Portas Lógicas Fundamentais:

São capazes de resolver as operações de soma, produto e negação. São as três portas mais importantes, pois a partir delas são criados sistemas mais complexos para realização de operações avançadas.

Porta AND (produto lógico)

Conforme se pode verificar na tabela verdade, nesta porta a variável de saída X será 1 apenas quando ambas as variáveis de entrada A e B apresentarem valor igual a 1, em todos os outros casos a variável de saída X será 0.

Porta And simbolo e tabela verdade
Porta lógica AND Simbolo e tabela verdade.

Aplicação prática: uma forma prática de representar essa porta lógica é com a figura abaixo, onde uma lâmpada ligada a uma rede elétrica e em série com duas chaves interruptoras, acenderá quando ambos as chaves forem colocadas na posição 1, nos demais casos a lâmpada não acenderá.

porta logica And aplicação pratica
Porta AND – Representação prática

OR (soma lógica)

Conforme consta na tabela verdade a variável de saída X será 1 sempre que houver uma ou mais variáveis de entrada de valor 1, quando não houver nenhuma variável de entrada (A ou B) de valor 1, ou seja, quando todos os valores de entrada forem 0 a variável de saída X também será 0

Porta lógica OR simbolo e tabela verdade
Porta lógica OR simbolo e tabela verdade

Aplicação prática: A figura abaixo nos mostra um exemplo claro dessa função, observe que as chaves interruptoras A e B estão em paralelo, isso significa que o funcionamento de uma independe da outra. Dessa forma quando qualquer um das duas ou ambas estiverem ligadas na posição 1 a lâmpada acenderá.

Porta lógica OR Representação prática
Porta lógica OR Representação prática

NOT (negação)

É a mais simples das portas lógicas, também conhecida como porta inversora, ela possui apenas uma variável de entrada que provocará um valor de saída X inverso, ou seja, quando a variável de entrada A for 0 a variável de saída X será 1 e quando a variável de entrada for 1 a de saída X será 0.

Porta lógica NOT Simbolo e tabela verdade
Porta lógica NOT Simbolo e tabela verdade

Aplicação prática: Conforme mostra o esquema abaixo temos um circuito bem simples, com apenas uma chave interruptora ligada em série a uma lâmpada. Quando a chave for colocada na posição 0 a lâmpada acenderá, quando for colocada na posição 1 não acenderá).

Porta lógica NOT Representação prática
Porta lógica NOT Representação prática

Portas Lógicas Derivadas:

Capazes de resolver as operações inversas as das portas fundamentais, são compostas de duas portas lógicas e devido à grande importância que possuem são representadas graficamente por um símbolo próprio.

NOR (representa uma porta lógica OR seguida de uma NOT)

Na tabela verdade se pode notar que quando todas as variáveis de entrada (A e B) forem igual a 0, a variável de saída X será 1, ou seja, se qualquer uma ou ambas variáveis de entrada apresentarem valor 1 a variável de saída X sempre será 0.

Porta lógica NOR Simbolo e tabela verdade
Porta lógica NOR Simbolo e tabela verdade

Aplicação prática: Veja que o circuito abaixo mostra com clareza a aplicação dessa função. A lâmpada só acenderá quando as duas chaves,A e B,forem ligadas na posição 0. Ao ligar ambas na posição 1 ou em posições distintas a lâmpada não acenderá.

Porta lógica NOR Representação prática
Porta lógica NOR Representação prática

NAND (representa uma porta lógica AND seguida de uma porta NOT)

Como se verifica na tabela abaixo nos casos onde houver uma variável ou mais variáveis de entrada teremos uma variável de saída X = 1, já no caso onde ambas variáveis de entrada forem 1 a variável de saída será 0.

Porta lógica NAND Simbolo e tabela verdade
Porta lógica NAND Simbolo e tabela verdade

Aplicação prática: Vamos usar as chaves mais uma vez para entender essa função. Nos casos onde ambas as chaves ou qualquer uma delas forem ligadas na posição 0 a lâmpada acenderá. Com ambas as chaves na posição 1 a lâmpada não acenderá.

Porta lógica NAND Representação pratica
Porta lógica NAND Representação pratica

XOR (representa uma porta lógica OR exclusiva ou circuito de anti-coincidência)

Essa porta lógica terá valores de saída X = 1 quando os valores de entrada A e B apresentarem valores diferentes, nos casos em que ambos os valores de entrada forem iguais, o valor da variável de saída X será 0.

Porta lógica XOR Simbolo e tabela verdade
Porta lógica XOR Simbolo e tabela verdade

Aplicação prática: observe através do exemplo dado notamos que quando ambas as chaves forem colocadas em posições distintas a lâmpada acenderá, já no caso em que forem ligadas em posições iguais a lâmpada não acenderá.

Porta lógica XOR Representação pratica
Porta lógica XOR Representação pratica

XNOR (representa uma porta lógica NOR exclusiva ou circuito de coincidência)

Observando a tabela verdade notamos que essa porta lógica se comporta de forma inversa à anterior, ou seja, quando ambos os valores das variáveis de entrada A e B são iguais a variável de saída X será 1; já nos casos em que esses mesmos valores forem diferentes, um do outro, a variável de saída X será 0.

Porta lógica XNOR Simbolo e tabela verdade
Porta lógica XNOR Simbolo e tabela verdade

Aplicação prática: Funciona de forma inversa a anterior, como mostra a figura abaixo, onde a lâmpada só acenderá com ambas as chaves ligadas em posições coincidentes, casos sejam colocadas em posições contrárias a lâmpada não acenderá.

Porta lógica XNOR Representação pratica
Porta lógica XNOR Representação pratica

Conclusão

Bem vocês viram que são várias as portas lógicas disponíveis, e eu te digo que vale muito a pena estudar cada uma delas pois, elas são a base para sua evolução como profissional.

Hoje em dia tudo isso está inserido dentro de processadores e microcontroladores, não há necessidade de montar circuitos digitais utilizando somente as portas lógicas.

Porem o conceito não mudou e as funções estão inseridas nas linguagens de programação. Principalmente os técnicos e engenheiros de automação devem estar muito bem familiarizados com portas lógicas.

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Bem eu vou ficando por aqui espero que tenham gostado de artigo. Não esqueça de compartilhar com quem você acha que será útil.

Até a próxima!

 

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