Tocador de Compact Disc: Reprodução Digital de Áudio Precisa e Sem Desgaste

Histórico

Um compact disc, também popularmente conhecido simplesmente como CD, é um meio de armazenamento óptico com dados digitais gravados em sua superfície. Um tocador de compact disc é um dispositivo que lê os dados gravados por meio de um feixe óptico e reproduz accuradamente a informação original (música, imagens ou dados). Como o tocador lê a informação por meios ópticos, não há desgaste físico no disco. A tecnologia básica usada em todos os tocadores de compact disc é essencialmente a mesma, seja o tocador projetado para áudio, vídeo ou aplicações de computador. Este artigo focará em tocadores projetados para aplicações de áudio (especificamente, áudio doméstico).

A história do sistema de compact disc pode ser rastreada até o início dos anos 1970, quando avanço rápido em eletrônica digital, óptica laser e tecnologias de integração em larga escala (LSI) ocorreu. Muitas empresas começaram a explorar a possibilidade de armazenar sinais de áudio em forma óptica usando meios digitais em vez de analógicos. Um método prático de modular os sinais de áudio foi encontrado usando teorias publicadas em 1948 por um cientista chamado Claude E. Shannon. Este método, conhecido como Modulação por Código de Pulso (PCM), amostra sinais de áudio durante um curto intervalo de tempo e então converte as amostras em valores numéricos para armazenamento em formato digital.

O armazenamento de áudio em formato digital (conhecido como codificação de áudio) requer grandes quantidades de dados. Por exemplo, armazenar um segundo de informação de áudio requer um milhão de bits de dados. Discos ópticos capazes de armazenar bilhões de bits de dados em área muito pequena foram considerados ideais para tais aplicações. Um disco óptico pode armazenar até um milhão de bits de dados em área tão pequena quanto a cabeça de um alfinete. Uma vez que as tecnologias para gravar e armazenar áudio digital foram encontradas, fabricantes começaram a buscar maneiras de ler e processar dados armazenados em área tão pequena. Experimentos com dispositivos laser (um laser emite um feixe muito estreito de luz capaz de focalizar em área muito pequena) provaram ser bastante bem-sucedidos. O desenvolvimento de técnicas LSI significou que a enorme quantidade de dados armazenados no disco poderia ser processada rápido o suficiente para fornecer música contínua. O palco estava agora preparado para o desenvolvimento de um sistema completo de compact disc.

Embora muitas empresas tenham participado de pesquisa e experimentação inicial com as várias tecnologias envolvidas em um sistema de compact disc, duas empresas — Sony do Japão e Philips dos Países Baixos — são creditadas por mesclar com sucesso estas tecnologias em um sistema completo. As duas empresas colaboraram para desenvolver padrões específicos para o sistema de compact disc, e um consórcio de 35 fabricantes concordou em adotar estes padrões em 1981. Os primeiros tocadores de compact disc foram introduzidos nos mercados europeu e japonês no final de 1982 e nos Estados Unidos no início de 1983.

Matérias-Primas

Um tocador de compact disc é um equipamento eletrônico muito sofisticado. O exterior simples contém mecanismos internos complexos para ler e processar sinais de áudio em música muito clara e nítida. Os vários componentes incluem um gabinete de carcaça, um conjunto de captação óptica, e placas de circuito impresso (PCBs), que contêm microchips que direcionam os processos eletrônicos do sistema.

O gabinete que abriga o labirinto de componentes é geralmente feito de alumínio leve reforçado. O laser é um pequeno tubo de vidro preenchido com gás e uma pequena fonte de alimentação para gerar um feixe laser, enquanto o fotodiodo — uma peça semicondutora que converte a luz refletida do compact disc em sinal elétrico — é geralmente feito de silício ou germânio. As lentes e espelhos no conjunto óptico são feitos de vidro ou plástico altamente polido. Este conjunto é alojado em seu próprio invólucro plástico. A maioria dos componentes eletrônicos — resistores, transistores e capacitores — estão contidos em microchips acoplados a PCBs. O material base destes componentes é geralmente silício. O hardware que conecta os vários subconjuntos consiste em uma variedade de porcas, parafusos, arruelas, polias, motores, engrenagens, correias e cabos de metal e plástico.

Design

Um compact disc é um disco de plástico policarbonato de 12,065 cm de diâmetro contendo aproximadamente 74 minutos de informação de áudio. Nem toda informação no disco é música; parte é usada para detecção de erro, sincronização e propósitos de exibição. Informação em um CD é codificada em uma trilha espiral na forma de recuos chamados terras e furos que representam altos e baixos binários. São estes recuos que o laser do tocador de CD "lê".

Conceitualmente, o design de um tocador de CD assemelha-se ao de um toca-discos (vitrola). Como um disco, o compact disc é rotacionado em um prato giratório, e o áudio é lido por um dispositivo de captação. No entanto, diferentemente de um toca-discos, o motor não rota o prato a velocidade constante mas o ajusta de acordo com a distância da captação do centro do prato. Além disso, o dispositivo de captação em um tocador de CD não é uma agulha mecânica (uma agulha) mas um feixe de laser óptico que não entra em contato físico com o compact disc. Este laser focaliza seu feixe na trilha do disco que contém as terras e furos, e o detector do tocador de CD (o fotodiodo) detecta a diferença entre a luz refletida das terras e a refletida pelos furos. O fotodiodo transforma esta luz refletida em sinal elétrico. Repassado à placa de circuito eletrônico, este sinal é então convertido de volta em som.

Existem basicamente três subconjuntos em um tocador de compact disc: o conjunto do mecanismo de acionamento do disco; o conjunto de captação óptica; e o conjunto da placa de circuito eletrônico, que coordena os outros sistemas dentro do tocador e que inclui o mecanismo servo e circuitos de decodificação de dados. Enviando sinais ao mecanismo servo, a placa de circuito ajusta a velocidade do motor, focalização e rastreamento da captação óptica; gerencia o fluxo de dados para a circuitaria de decodificação; e fornece informação de exibição em resposta aos vários botões no painel de controle.

O mecanismo de acionamento do disco consiste em um fuso que segura o CD e um motor que o rotaciona. O motor, chamado motor do fuso, é montado sob a bandeja de carregamento de disco plástico ou prato giratório. Um motor separado montado no chassi (a base ou estrutura do tocador de CD) move a bandeja de carregamento para dentro e fora do tocador; isto é feito por meio de uma engrenagem presa ao motor e que também opera uma engrenagem maior para levantar e baixar um grampo para segurar o disco no lugar.

O conjunto de captação óptica consiste em um laser, um fotodiodo, e várias lentes e espelhos. O subconjunto inteiro desliza para frente e para trás em trilhos e é controlado pelo mecanismo servo que recebe sinais de direção da placa de circuito. O conjunto de captação óptica é geralmente localizado sob o grampo que posiciona o disco, enquanto o motor que move o conjunto é montado no chassi próximo aos trilhos. O mecanismo funciona direcionando um feixe de laser através de lentes e espelhos na face inferior do compact disc. As lentes e espelhos mantêm o feixe propriamente focalizado. Se o feixe atinge um furo no disco, nenhuma luz é refletida e o fotodiodo permanece desengatado. Se o feixe atinge uma terra, luz é refletida de volta através das lentes e espelhos no fotodiodo, que então gera um sinal elétrico. Este sinal é transferido para o conjunto da placa de circuito eletrônico, onde é convertido pelo sistema de decodificação de dados em sinais de áudio para reprodução.

O conjunto da placa de circuito eletrônico consiste em placas de circuito impresso que contêm a circuitaria para o mecanismo servo, que opera o sistema de captação óptica, decodificação de dados e sistema de controle. Existem muitos chips de circuitos integrados, microprocessadores e componentes de larga escala integrada no conjunto da placa.

Um conjunto chave em um tocador de compact disc é o conjunto de captação óptica. Ele está situado em trilhos para que possa mover-se para frente e para trás sob o compact disc. Funciona direcionando um feixe de laser no CD; se o laser atinge uma terra, a luz refletida então viaja para o fotodiodo, que gera um sinal elétrico. Por sua vez, o sinal move-se para a placa de circuito do tocador de CD, que converte o sinal em música.

O Processo de
Fabricação

No ambiente de fabricação atual não existe um único método de fabricação e montagem. Produtos são cada vez mais feitos como subconjuntos e reunidos como subconjuntos maiores ou como produto final. Robótica e linhas controladas por computador permitem que virtualmente qualquer peça seja instalada em qualquer estado do subconjunto em qualquer ponto do processo. A sequência pode ser alterada em minutos para permitir modificações ou pontos de verificação de controle de qualidade. O processo de fabricação detalhado aqui, portanto, segue abordagem similar ao processo de fabricação real usado na indústria. O processo é primeiro descrito em termos dos vários subconjuntos e então a descrição detalha como os vários subconjuntos são reunidos para fazer o produto final.

Subconjunto de captação óptica

• 1 Comprados de contratados externos, o laser e o fotodiodo são instalados sob o grampo do disco. As várias lentes e espelhos no conjunto devem ser propriamente espaçados e alinhados para que possam focalizar e direcionar luz conforme necessário. O conjunto inteiro é então alojado em uma caixa plástica. A caixa é feita por um dos processos usuais de conformação plástica como extrusão ou moldagem por injeção, enquanto as lentes e espelhos (geralmente silício) são cortados no formato adequado e então finamente polidos com abrasivos. O fotodiodo semicondutor é feito preparando e polindo uma substância como silício ou germânio e então adicionando impurezas para criar camadas. Contatos elétricos são então adicionados. Após os componentes ópticos estarem em posição, as engrenagens e correia que ajudarão a posicionar a captação óptica são colocadas no lugar.

Subconjunto de acionamento do disco

• 2 Em seguida, o motor que moverá a captação óptica é conectado às engrenagens e correia e colocado no chassi. A bandeja de carregamento é agora centralizada, e o motor do fuso que rotacionará o disco é instalado. Após o grampo ao qual a captação óptica foi anexada ser posicionado adjacente à bandeja de carregamento, a bandeja, grampo e motor da captação são instalados na gaveta de carregamento, que é colocada no gabinete do tocador de CD.

Subconjunto da placa de circuito eletrônico

• 3 Último a ser montado são os componentes eletrônicos. Projetados por engenheiros usando pacotes de design assistido por computador (CAD), as placas de circuito consistem em base revestida de cobre que tem um padrão transferido para ela (mascaramento) através de serigrafia ou método similar. Após ser revestida com material fotossensível, as áreas padronizadas são corroídas quimicamente para criar uma placa multicamadas — as camadas compreendem os vários transistores e capacitores que compõem os circuitos. Os minúsculos microchips (geralmente feitos de silício) que são montados na placa são feitos da mesma forma, exceto em escala muito menor. Dependendo do fabricante, o tocador de CD pode ter uma grande placa de circuito ou várias placas menores. Após serem anexadas ao painel ou painéis, os circuitos são conectados ao painel de controle frontal do tocador de CD, ao conjunto de interruptores e finalmente à fonte de alimentação.

Montagem final

• 4 Uma vez que os vários subconjuntos estão prontos, eles são conectados e interligados para completar a montagem final. A maior parte do trabalho realizado neste estágio é feita por trabalhadores humanos. O tocador de CD é agora testado e enviado para embalagem.

Controle de Qualidade

Como observado anteriormente, um tocador de compact disc é um dispositivo muito sofisticado, e rigorosas medidas de controle de qualidade são adotadas do estágio inicial ao final da fabricação para garantir o funcionamento adequado do tocador de acordo com padrões da indústria.

Como tantos dos componentes em um tocador de compact disc são feitos por fornecedores especializados, o fabricante do tocador deve depender destes fornecedores para produzir peças de qualidade. Alguns dos elementos mais cruciais são aqueles no conjunto de captação óptica. As lentes e espelhos usados na captação a laser, por exemplo, são feitos de vidro de alta qualidade, e contato humano deve ser evitado durante o processo de fabricação para manter suas superfícies limpas e livres de manchas. Similarmente, os componentes de circuito eletrônico devem ser feitos em ambiente de "sala limpa" (contendo filtros de ar especiais bem como requisitos de vestuário), porque mesmo uma única partícula de poeira pode causar mau funcionamento na circuitaria. As placas de circuito e chips são testados em muitos níveis por máquinas de diagnóstico para identificar falhas nos circuitos.

Quanto ao controle de qualidade pelo fabricante do tocador, o conjunto de acionamento do disco é inspecionado para alinhamento adequado do motor, fuso, bandeja de carregamento e várias engrenagens. Além disso, a captação óptica é verificada para alinhamento adequado das lentes e do feixe laser. Uma vez que os subconjuntos são unidos no gabinete, todas as conexões de fiação são inspecionadas para contato elétrico adequado e interface correta com os outros componentes. Inspeções visuais para verificar correias, polias e engrenagens são parte integral do processo de controle de qualidade. A inspeção final consiste em tocar um disco de teste que gera sinais e padrões especiais, permitindo trabalhadores rastrear falhas no sistema. Além disso, os vários interruptores e botões do painel frontal são verificados para garantir que executam as funções indicadas e exibem a informação apropriada no painel.

O Futuro

A tecnologia do sistema CD veio um longo caminho nos últimos anos, e novas aplicações para sistemas de compact disc estão sendo descobertas a cada dia. O mercado já viu a introdução de CD-ROMs, CD-Videos e CD-Interactive. O produto mais recente a atrair atenção do consumidor é o Photo-CD da Kodak, que pode exibir fotografias em telas de televisão e computador. Estas imagens podem ser editadas ou cortadas pelo usuário, assim como imagens de clip art.

Sistemas de CD de áudio verão a introdução de muitos novos recursos nos próximos anos. Tocadores com funções avançadas de controle remoto estão agora em estágio de desenvolvimento. A carcaça para um tocador de CD inclui uma tampa superior ou "capô" e um painel de controle frontal. O compact disc repousa em uma bandeja de carregamento que desliza para dentro e fora do tocador. Estas funções permitirão ao usuário exibir informação na própria unidade de controle remoto, como títulos de músicas, nomes de artistas e a letra real das músicas. Compact discs capazes de tanto gravação quanto reprodução, como uma fita cassete, também estão em desenvolvimento. As vastas capacidades de armazenamento do CD também se prestam a muitas aplicações multimídia de base ampla, e é bem possível que compact discs se tornem o meio comum de troca de dados para todas as aplicações de áudio, vídeo e computador.