• Drano Rauteon

Óptica: CD / DVD / BluRay - Parte 4

Atualizado: há 4 horas

Continuando a série sobre óptica, neste artigo vamos tratar do bloco óptico das unidades de leitura e gravação de CDs, DVDs e BluRays.

Imagem 1 - Unidade óptica da marca AOpen, com interface PATA


Uma unidade doméstica de leitura e gravação de discos, seja ela um aparelho de DVD, um rádio com CD player ou o drive de discos do seu notebook ou desktop possui a mesma estrutura, mudando apenas alguns detalhes, como por exemplo a fonte de alimentação e o método de inserção da mídia física no aparelho.

De qualquer maneira, um drive de discos não deixa de ser um sistema eletromecânico, pois contempla uma estrutura complexa de motores para fazer a leitura ou gravação dos dados, portanto, assim como um HD ou um drive de disquetes, você verá pelo menos um CI que opera como servo, isto é, como controlador do sistema mecânico.

Outra coisa que você verá num drive de discos ópticos é um sistema de bobinas que faz uma espécie de estabilização óptica via hardware, igual ocorre nas câmeras mais modernas, só que neste caso servindo para que haja o alinhamento da lente colimadora na trilha do disco (deslocamento da lente para os lados, chamado de trilhagem) e focalização da trilha (deslocamento da lente para cima e para baixo). Este mecanismo de bobinas também é controlado pelo CI servo.


Basicamente a leitura de um disco óptico se baseia num diodo LASER e num fotodiodo. A função do disco óptico, seja ele um CD, DVD ou BluRay é refletir ou não a luz do LASER, que será captada pelo fotodetector. Um diagrama básico é mostrado abaixo:

Imagem 2 - Um diodo LASER emite luz e um fotodiodo capta quando determinado ponto da trilha do disco proporcionar reflexão


Para saber mais sobre a estrutura de um disco óptico e como funciona seu sistema de trilhas com irregularidades físicas que refletem a luz ou não, acesse o Capítulo 3 desta série.


Obviamente que o esboço da Imagem 1 é super simples, tanto que utilizamos o símbolo de um LED comum e de um fotodiodo. Neste artigo vamos ver muito mais sobre o bloco óptico deste equipamento.

Na prática, existe um bloco com um 'labirinto' para a luz, bem como vários mecanismos de direcionamento da luz por dentro deste labirinto. Isto pois um leitor / gravador de CD e DVD possui 2 LASERs e 2 fotodetectores (obviamente há algumas exceções, você verá no decorrer do texto). Um destes fotodetectores é para a calibração dos LASERs e o outro é para a leitura dos dados, servindo tanto para o CD quanto para o DVD. Veja mais no diagrama abaixo:

Imagem 3 - Diagrama de um bloco óptico de Drive de CD/DVD


Na imagem 3 temos:

-> CD: LASER que faz a leitura / gravação de CDs;

-> FD1: Fotodetector de calibração dos dois LASERs;

-> FD2: Fotodetector de leitura dos dados do CD / DVD;


Observação: Na imagem 3 vemos a parte inferior do bloco óptico. A luz ainda muda de direção para atingir a última lente na parte superior, onde há a estabilização óptica. Esta parte será estudada mais pra frente neste artigo.


Agora, o diagrama de leitura de DVDs:

Imagem 4 - Diagrama de um bloco óptico de Drive de CD/DVD


Na imagem 4 temos:

-> DVD: LASER que faz a leitura / gravação de DVDs;

-> FD1: Fotodetector de calibração dos dois lasers;

-> FD2: Fotodetector de leitura dos dados do DVD / CD;


Perceba que na Imagem 3 e 4 a única mudança são os LASERs. Apenas um deles pode funcionar de cada vez, afinal CDs trabalham com um comprimento de onda (na faixa do Infravermelho) e DVDs trabalham com outro comprimento de onda (na faixa da cor vermelha). Mas e o BluRay?

Na unidade estudada, apenas a leitura / gravação de CD e DVD é possível, porém em unidades ópticas mais caras e sofisticadas há um terceiro LASER com comprimento de onda na faixa da luz azul responsável por fazer a leitura e gravação de BluRay.


Para fazer a divisão e direcionamento da luz pelo labirinto há um conjunto de prismas. Para saber mais sobre os prismas e prismas dicróicos, CLIQUE AQUI!

Veja o diagrama abaixo:

Imagem 5 - Os prismas num bloco óptico


Na imagem 5 temos:

-> A luz gerada pelo LASER Infravermelho ou pelo LASER Vermelho passa por um Prisma Dicróico, o mesmo utilizado em projetores 3LCD, porém neste caso apenas duas entradas de luz são utilizadas;

-> No Prisma 2 percebemos um funcionamento bem mais complexo. A luz emitida por ambos os LASERs mudará de direção, indo sentido ao Prisma 3. No entanto, a luz refletida pela superfície do disco retornará pelo Prisma 3, passando reto pelo Prisma 2 e atingindo o FD1 (Fotodetector de calibração) e FD2 (fotodetector que faz a leitura dos dados);

-> O Prisma 3 faz a reflexão total da luz, mudando sua direção de propagação em 90°. Desta forma, a luz refletida pelo Prisma 2 (proveniente dos LASERs) vai mudar de direção ao incidir no Prisma 3 pra atingir a lente objetiva com estabilização óptica e, consequentemente, a superfície do disco. Já a luz refletida pelo disco passará pela lente objetiva, incidirá no Prisma 3, mudando de direção, para então atravessar o Prisma 2 e incidir no FD2.


Agora temos mais alguns detalhes sobre este labirinto de luz. Observe o diagrama abaixo:

Imagem 6 - As demais lentes do bloco óptico


Na imagem 6 temos:

-> Para cada LASER uma Grade de Difração (GD1 e GD2). Essa grade tem a função de dividir o único feixe de luz gerado em 3 feixes, que compõem uma tríade, para que sirva como auxílio no processo de leitura e correção de erros;

-> No Prisma 2 há um meio-espelho embutido, também referido como "Placa 1/4 de onda", que reflete parte da luz que incide sobre FD1 e FD2. Por este espelho apenas 1/4 da potência do feixe de luz atingirá os Fotodiodos, evitando o desgaste prematuro ou queima destes componentes;

-> LC é uma das lentes colimadoras. A outra lente colimadora é a objetiva que fica depois do Prisma 3, no sistema de estabilização óptica do outro lado do bloco. A luz que vai sentido disco e a luz refletida pelo disco passam por ambas as lentes.

-> A Lente do Fotodetector (LFD) serve para criar uma difração horizontal sobre o feixe de luz que ali incide, fazendo com que ele admita uma forma elíptica e, de acordo com este grau elíptico, teremos maior precisão na captura da informação digital, haja visto que esta forma elíptica do feixe será aplicada sobre o fotodetector.


CURIOSIDADE: De forma simples, uma lente colimadora é utilizada para direcionar e suavizar feixes de radiação, tendo como função no bloco óptico causar uma focalização melhor do feixe de luz de leitura sobre o disco. Estas lentes colimadoras possuem uma superfície curva. Para saber mais sobre lentes côncavas, planas e convexas, CLIQUE AQUI!


CURIOSIDADE: Para saber mais sobre a Grade de Difração e o fenômeno de Difração, CLIQUE AQUI e leia sobre os fenômenos Refração, Absorção e Reflexão de luz.


CURIOSIDADE: Na Imagem 3, 4, 5 e 6 a parte interna inferior do bloco óptico está completamente exposta, porém ela é toda coberta com defletores de Alumínio para impedir entrada de sujeira e manter o funcionamento do sistema íntegro, isto é, sem interferências. Veja a imagem abaixo:

Imagem 7 - Mesa com bloco óptico KEM-490AAA utilizado em alguns modelos de PlayStation 4. Perceba a parte inferior do bloco óptico coberta com uma chapa protetora

Agora que já foi explicado toda a parte interna e inferior do bloco óptico, vamos para a parte superior, com o sistema de estabilização óptica e a outra lente colimadora. Veja a imagem abaixo:

Imagem 8 - Parte superior do bloco óptico


Agora, os componentes que compõem esta parte do bloco:

Imagem 9 - Sistema eletromecânico axial duplo é destacado no quadro azul


Este sistema é constituído por:

-> Um conjunto de três bobinas controladas por 6 fios. O fio "FO+" e "FO-" controlam o foco da lente colimadora (objetiva), já os fios "TI+", "TI-", "TR+" e "TR-" fazem o controle de 'trilhagem'. Enquanto o foco faz a lente objetiva se mover para cima ou para baixo, se aproximando ou se distanciando da superfície do disco, a 'trilhagem' faz o posicionamento da lente sobre a trilha do disco, movimentando a lente para esquerda ou para a direita;

-> As três bobinas estão montadas numa carcaça polimérica onde se encontra instalada em seu centro a lente objetiva. Esta carcaça está alocada entre dois imãs que interagem com o campo eletromagnético das bobinas. Estes dois imãs são fixos numa base metálica montada sobre a estrutura principal do bloco óptico. Nesta estrutura principal está montado todo o sistema detalhado nas Imagens 3, 4, 5 e 6;

-> Sobre os imãs são montados defletores de Alumínio afim de proteger o sistema;

-> Para que ocorra a liberdade de movimento da carcaça com bobinas e lente para a esquerda e direita e para cima e para baixo, há apenas 6 fios metálicos flexíveis que suspendem a estrutura, sendo que esses fios também são a ponte de ligação entre as bobinas e o cabo flat. Veja a imagem abaixo para entender melhor:

Imagem 10 - Conjunto eletromecânico axial duplo desmontado. Esta carcaça com as bobinas e a lente colimadora se movimenta entre os dois imãs


Na Imagem 10, perceba que há três finos fios flexíveis de cada lado e que sustentam toda a carcaça plástica com a lente e as bobinas. Esses fios também alimentam as bobinas.

Veja melhor apenas a carcaça com as bobinas e a lente:

Imagem 11 - A lente e as bobinas


Agora, a base metálica onde se encontram os dois imãs instalados:

Imagem 12 - Os imãs do conjunto eletromecânico axial duplo


CURIOSIDADE: Ao que deu pra ver, grande parte dos componentes do bloco óptico são fixados com gotas de poliepóxido, como é o caso da lâmina transparente montada na estrutura principal e entre os dois imãs, na Imagem 12. Inclusive a própria base metálica com os imãs foi fixada na estrutura principal do bloco óptico com a famosa resina epóxi.


Veja a imagem abaixo, agora sem os imãs:

Imagem 13 - Lâmina transparente que vai por baixo da lente objetiva. Abaixo desta lâmina, na parte inferior do bloco, há o Prisma 3, descrito lá no início do texto, que faz a luz mudar de direção em 90°

Como visto na Imagem 8 e 9, o bloco óptico também possui uma placa lógica. Nesta placa estão conectados:

-> O LASER Infravermelho (CD);

-> O LASER Vermelho (DVD);

-> O LASER Azul (BluRay), isto quando o aparelho suporta tal mídia;

-> Um fotodetector de correção, para a calibração de cada um dos LASER's;

-> Um fotodetector de leitura de dados;

-> Um trimpot de calibração do LASER Infravermelho;

-> Um trimpot de calibração do LASER Vermelho;

-> Um trimpot de calibração do LASER Azul (se suportar BluRay);

-> Um conector para cabo Flat que faz a ponte de comunicação entre a placa lógica do bloco óptico e a placa principal do equipamento (ver Imagem 8);

-> Algum pequeno microcontrolador para fazer 'gerenciamento' local dos componentes principais.


Obviamente nesta placa lógica também há diodos, resistores, indutores e capacitores em formato SMD. Caso você que está lendo este texto tenha algum esquema elétrico de um aparelho de DVD, Drive de CD ou Drive de BluRay, entre em contato com o blog pelo hardwarecentrallr@gmail.com.


CURIOSIDADE: Trimpots são potenciômetros em miniatura. Para saber mais sobre estes componentes, CLIQUE AQUI!

O bloco óptico movimenta-se para abranger todo o raio utilizável do disco. Para entender melhor, veja a imagem abaixo:

Imagem 14 - Um disco óptico


Para que haja este deslocamento do bloco óptico, há um trilho deslizante onde o bloco é montado, bem como um sistema mecânico que o movimenta de acordo com os comandos da placa lógica principal. Veja a imagem abaixo:

Imagem 15 - O bloco óptico é montado dobre um trilho deslizante


Para movimentar o bloco óptico ao longo do trilho, dois sistemas são utilizados:

-> Motor-de-passo: Um motor-de-passo com um eixo helicoidal é montado em paralelo aos trilhos. O bloco óptico possui uma estrutura lateral, geralmente feita de material plástico, que é encaixado em um ponto deste eixo helicoidal. Veja a imagem deste sistema abaixo:

Imagem 16 - Bloco óptico movimentado por motor-de-passo


CURIOSIDADE: No meio técnico, o motor-de-passo que movimenta o bloco óptico e chamado de "Motor Sled".


CURIOSIDADE: O Drive de Disquetes também utiliza um motor-de-passo pra movimentar as cabeças de leitura e gravação. Para saber mais sobre o o Disquete, CLIQUE AQUI!


-> Motor de tensão contínua: Um motor que trabalha geralmente com 5,9V e possui uma 'caixa de redução' composta por várias engrenagens, fazendo a movimentação do bloco óptico. Veja a imagem deste sistema abaixo:

Imagem 17 - Bloco óptico movimentado por um motor de 5,9 Volts com 'caixa de redução'. A Imagem capturada é de um aparelho de DVD da marca Mondial


CURIOSIDADE: Antigamente até os discos rígidos possuíam um motor-de-passo com eixo helicoidal para deslocar a cabeça de leitura e gravação sobre a superfície do disco, porém conforme a capacidade dos discos foi aumentando, a precisão de posicionamento da cabeça foi diminuindo, o que levou a engenharia criar o Voice Coil. Os leitores e gravadores de disquetes sempre utilizaram motor-de-passo pois não eram densos em termos de capacidade, tendo uma boa precisão.

Já nas mídias ópticas, é notório que o sistema com eixo helicoidal dividiu espaço com a 'caixa de redução' acionada por motor DC. Nos Drives de CD e DVD para PC é comum o uso de motor-de-passo, já em aparelhos de DVD os motores DC estão mais presentes. Outros aparelhos, como por exemplo o PlayStation 4, ainda é comum o uso de motor-de-passo, como é o caso dos blocos ópticos KEM-860PAA e KEM-850PHA.

Para girar o disco é necessário um motor de baixo torque e de pequeno tamanho. Em Drives de CD e DVD, bem como em aparelhos de DVD é comum o uso de motores DC Brushless ou motores de tensão contínua de 5,9 Volts. Isso também é padrão em Drives de BluRay.


Quando em funcionamento, um CD começa a girar em uma velocidade de 539 RPM, caindo posteriormente para 197 RPM quando vai se aproximando das bordas do disco. Esta variação de giro se torna necessária para que sua velocidade linear fique constante, mais precisamente no valor de no 1,3 m/s.

Sendo a velocidade do disco não constante, se torna necessário uma sincronização de dois valores: dos pulsos gravados no disco óptico e do servo controle. A resultante da comparação entre estes dois valores será uma tensão contínua que controlará com exatidão a rotação do motor. Isto é assunto para o artigo sobre o funcionamento do circuito eletrônico do Drive de CD e DVD.


CURIOSIDADE: No meio técnico, o motor que faz o disco óptico girar é chamado de "Motor Spindle", porém ele não é um motor de indução trifásica, mas sim um simples motor de corrente contínua ou então um motor DC Brushless.


CURIOSIDADE: Independente de qual o tipo de motor utilizado, na ponta do eixo há uma polia chamada de "flapper", isto é, um disco de plástico ou metal com um imã em seu centro. Este componente acoplado ao motor tem o papel de suspender e dar estabilidade ao disco que será lido / gravado. Veja a imagem abaixo:

Imagem 18 - O Flapper também pode ter uma camada emborrachada em sua parte superior, afim de acomodar melhor o disco óptico


CURIOSIDADE: Na grande maioria dos aparelhos, como por exemplo os Drives de CD e DVD para PC ou os Rádios com Toca-CD, é possível notar um "Contra-Flapper" que ajuda a manter o disco centrado e estabilizado. Veja abaixo a imagem da peça instalada na própria capa superior do Drive:

Imagem 19 - O "Contra-Flapper" não é fixado na tampa superior, mas sim apenas encaixado nela para que fique com giro livre e tenha uma certa folga para cima e para baixo, bem como para os lados


o "Contra-Flapper" é de plástico, porém há um pequeno anel metálico embutido que é atraído para o flapper imantado fixado no eixo do motor. Desta forma, o disco fica preso e não corre o risco de ser ejetado ou perder a estabilidade em altas rotações, muito menos de sair de posição com vibrações.


CURIOSIDADE: O Flapper dos drives de CD e DVD de notebooks não precisam ser imantados, muito menos possuírem um Contra-Flapper. Isto ocorre em virtude da polia Flapper possuir pequenas travas que prendem o disco. Você pode ver o padrão de Flapper empregado nos compactos drives de notebooks na imagem abaixo:

Imagem 20 - Perceba três pequenas travas com molas helicoidais na polia Flapper


Na imagem 18, temos um motor DC Brushless de um Drive de CD e DVD modelo SH-W162 da Toshiba-Samsung. Na imagem abaixo, vemos um DVD Player da fabricante Mondial utilizando um motor DC de 5,9 Volts para girar o disco óptico:

Imagem 21 - Aparelho de DVD com motor DC 5,9V que aciona o disco óptico

Abaixo vemos a estrutura completa detalhada neste artigo:

Imagem 22 - Bloco óptico com trilhos, motor e caixa de redução, bem como o motor Spindle. Todo o sistema é montado num quadro metálico que pode ser chamado de "mesa". Aparelho de DVD Philco DVP3000


Abaixo, outra imagem do sistema completo estudado até aqui:

Imagem 23 - Componente de um aparelho da JVC, modelo UX-JP5B. Observe a "Mesa" sustentando motor Spindle, caixa de redução com motor, trilho e bloco óptico


Perceba nas Imagens 22 e 23 que os cantos da "mesa" possuem aberturas. Nestas aberturas vão encaixados coxins de borracha, que isolam o sistema de vibrações externas e internas. Vibrações só prejudicariam a leitura do disco óptico. Em CD players automotivos é comum que a leitura do disco seja comprometida quando o veículo circula sobre um pavimento irregular.

Veja a imagem destes absorvedores de vibrações abaixo:

Imagem 24 - Coxins que impedem a vibração da "mesa" onde está instalado o bloco óptico


A quantidade de coxins pode variar. Em drives compactos, utilizados em notebooks, o uso de apenas três coxins é mais comum. Veja a imagem abaixo:

Imagem 25 - Perceba os três coxins circulados em amarelo

A arquitetura padrão de um bloco óptico é esta, porém podem haver mudanças em torno deste modelo.

-> Muitos dos Drives de PC e notebook são apenas leitores de CD e DVD, não suportando gravações;

-> É raro, mas existem alguns blocos ópticos que não possuem os trimpots de calibração;

-> Em algumas "mesas" só se faz presente um trilho, e não dois como é o mais usual. Na Imagem 23 vemos um sistema que funciona com apenas um trilho;

-> Outros blocos ópticos possuem um conjunto eletromecânico axial duplo com duas lentes objetivas, sendo uma pra CD e DVD e outra para BluRay;

Veja a imagem abaixo:

Imagem 26 - Bloco óptico KEM 850PHA com duas lentes objetivas


-> O enrolamento, posicionamento e quantidade de bobinas no conjunto eletromecânico axial duplo também pode variar de projeto pra projeto, mas não fugindo da arquitetura padrão mostrada aqui;

-> O design do labirinto e quantidade de prismas também pode variar de projeto pra projeto, sendo que em alguns blocos ópticos pode não se fazer necessário o uso de um prisma dicróico também;

-> Existem projetos compactos que também não necessitam da utilização de dois LASERs individuais. Do mesmo jeito que existem LEDs RGB também existem LASERs que trabalham com dois comprimentos de onda. Veja a imagem abaixo:

Imagem 26 - Projetos compactos que utilizam apenas um LASER que emite luz Infravermelho e Vermelho de acordo com o disco inserido


CURIOSIDADE: No caso de equipamentos que suportam tanto o CD e DVD quanto BluRay, é comum o uso de apenas dois LASERs: um LASER Vermelho / Infra e um LASER Azul.


-> Outros projetos podem contar com apenas um Fotodetector, reduzindo ainda mais o tamanho do bloco óptico. Veja a imagem abaixo:

Imagem 27 - Projetos compactos que comtemplam apenas um Fotodetector


-> Continuando o assunto sobre drives compactos, aqueles utilizados em notebooks possuem tanto a mesa quanto a placa principal fixada na parte de baixo da bandeja. Veja a imagem abaixo:

Imagem 28 - Drives de notebooks possuem todo o sistema montado na bandeja


Imagem 29 - Drive de notebook visto de cima. A bandeja possui todo o sistema


Se quiser contribuir com mais informações, mande um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com. Precisamos de esquemas elétricos de aparelhos de DVD e Driver de CD, DVD e BluRay.

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FONTES e CRÉDITOS:


Texto: Leonardo Ritter

Imagens e diagramas: Leonardo Ritter; Google Imagens.

Fontes: Clube do Hardware; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!), Mundo Educação; Brasil Escola; Estudo feito a partir do desmonte de aparelhos de CD e DVD sucateados.


Ultima atualização: 20 de Junho de 2021.

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