Compact disk: princípios de funcionamento

A tecnologia da gravação e leitura de sons, dados e imagens por meios óticos, presente nos CDs e mais recentemente nos DVDs, já foi definitivamente incorporada aos tempos atuais.
No áudio, os CDs substituíram completamente os discos de vinil.

Nos computadores, é difícil encontrar um que não tenha uma unidade. Os DVDs se expandem rapidamente e deverão se tornar os sucessores dos videocassetes.

Nesta página são colocados alguns princípios básicos de operação dos CDs, em especial daqueles usados nos computadores.

1-) A trilha ótica

Ao contrário do que ocorre nos discos rígidos de computadores, onde as trilhas de dados são concêntricas, nos CDs elas são dispostas em espiral, ou seja, são contínuas. A Figura 1.1 abaixo é apenas uma representação aproximada, considerando-as como retas.

Para armazenar seqüências de bits, as trilhas são formadas por cavidades (indicadas em cor escura na figura), que muitos chamam pelo nome original do inglês (pits).

As bordas transversais à trilha de cada pit representam o bit 1 e, nos demais locais, os bits são considerados 0. Assim, não podem ser gravadas seqüências de bits 1 consecutivos.

Desde que na prática os dados contém seqüências de bits 1, o software faz a conversão para um formato especial, mas isto não pertence ao escopo desta página.

Observar as dimensões microscópicas dos pits e espaço entre trilhas. Como estão na faixa do comprimento de onda da luz visível, a difração produz aquele interessante efeito visual quando se olha para a face gravada de um CD.

2-) A leitura do bit

A profundidade do pit é fixada em 1/4 do comprimento de onda da radiação incidente.

No momento em que o dispositivo leitor passa pela borda do pit, os raios incidentes estão divididos entre os que atingem a superfície do disco (A) e os que atingem o fundo do pit (B). Assim B percorre um caminho 1/4 de onda maior que A. Na reflexão (A' e B') os raios B' percorrem um caminho também 1/4 de onda maior.

Somando as defasagens (1/4+1/4), os raios B' estarão 1/2 de comprimento de onda atrasados em relação a A' e, portanto, a soma é nula e isso é detectado por um dispositivo fotoelétrico.

3-) O cabeçote leitor

Para ler dados gravados em dimensões próximas do comprimento de onda da luz, o dispositivo não pode ser apenas um simples leitor. São necessários meios para compensar variações dimensionais nos discos e mecanismos acionadores, sem os quais o sistema definitivamente não funcionaria.

A Figura 3.1 abaixo dá o esquema de um leitor típico de 3 feixes. Evidente que podem existir outros arranjos.

A radiação emitida pelo diodo laser passa por uma grelha difrativa que a divide em um feixe central mais dois laterais. Após o polarizador os feixes estarão polarizados em um único plano, por exemplo paralelo à tela. A lente colimadora torna os feixes paralelos, que são depois polarizados circularmente e focalizados no disco pelas lente objetivas.

Na reflexão, desde que estão na direção oposta, o polarizador circular polariza os raios em direção perpendicular aos raios emitidos. 

Nesta forma são refletidos pelo polarizador e dirigidos ao dispositivo leitor (detector fotoelétrico).

4-) Ajuste de foco

Sendo o detector fotoelétrico formado por quatro elementos independentes, o circuito corrige a distância do cabeçote leitor se a intensidade da radiação em cada quadrante não for a mesma.

5-) Mantendo a linha

E o circuito corrige a posição do cabeçote para restabelecer o equilíbrio.

6-) Controle de potência do diodo laser

Desde que nem todos os CDs têm o mesmo índice de reflexão e os diodos laser têm sua eficiência reduzida com o tempo, os aparelhos de CD dispõem de um circuito para ajustar a potência do laser, para evitar erros de leitura.

A Figura 6.1 ao lado mostra um esquema típico.

Há um diodo monitor que recebe o feixe refletido e um CI específico controla a corrente no diodo laser através do transistor e resistor R.

O trimpot na unidade leitora permite o ajuste da corrente nominal (em muitas casos, 50 mA com um CD de teste com um sinal de 1kHz).

Com um voltímetro em R, basta ajustar o trimpot para que a tensão seja correspondente a uma corrente de 50 mA (ou outra, se for o caso). Fácil de calcular pela lei de Ohm.

7-) Estrutura básica de um CD

Um CD comum tem diâmetro de 120 mm e espessura 1,2 mm. Conforme já dito, as trilhas são em formato de espiral e não concêntricas. A gravação se dá do centro para as bordas. Isso permite que algumas unidades possam ler CDs de diâmetro menor.

Na produção industrial, uma matriz com a gravação das trilhas molda um disco de policarbonato, deixando as impressões no mesmo. Ver Figura 7.1 ao lado.

Uma película de alumínio é depositada sobre as impressões para formar a camada refletiva, que possibilita a leitura. Sobre o alumínio são aplicadas uma camada de resina acrílica e a etiqueta do fabricante.

8-) CD gravável (CD-R)

Em relação às fitas magnéticas, os CDs apresentam a vantagem da elevada capacidade de armazenagem (até cerca de 74 minutos de músicas ou 650 MB de dados).
Ao contrário das fitas magnéticas, o conteúdo de um CD comum não pode ser alterado. Os CDs graváveis (CD-R) foram desenvolvidos para amenizar essa inconveniência.

A Figura 8.1 dá uma idéia do CD-R. A camada de material fotossensível é normalmente translúcida, formando um conjunto refletor. Na gravação, um laser de potência maior queima essa camada, deixando-a opaca onde aplicado.

Assim, é formado um padrão semelhante ao CD industrial do item anterior. E o CD-R pode ser lido pela maioria das unidades de CD, mesmo algumas mais antigas.

Lembrar que, na leitura, a potência do laser é menor e não afeta o material fotossensível.

9-) CD regravável (CD-RW)

O CD-R ainda apresenta uma desvantagem em relação às fitas magnéticas: uma vez gravado, o seu conteúdo não pode ser apagado ou modificado. O CD-RW foi a solução desenvolvida para contornar o problema.

É usado um composto que tem a propriedade de mudar o seu estado físico, de cristalino para amorfo e de amorfo para cristalino, em temperaturas diferentes.

Na gravação, é usado o laser de potência mais alta, de forma a fundir o material, deixando-o amorfo e, assim, não refletor de forma semelhante ao CD-R.

Para apagar os dados, a potência do laser é levada a um nível intermediário e o material se torna cristalino e novamente refletivo.

Na leitura, a potência do laser é mínima, não afetando os dados armazenados.

Por ser menos refletivo que o CD prensado de fábrica e o CD-R, o CD-RW exige um detector de maior sensibilidade e, por isso, não pode ser lido por muitos equipamentos mais antigos. Além disso, há necessidade de um formato especial de software para garantir maior proteção contra erros. Em geral, não é usado para gravar música. Usa-se mais para manter cópias de segurança (backup) de dados em computadores.