Pela sua qualidade de impressão, velocidade e relação custo/benefício as impressoras LASER são indicadas para aplicações em que altos volumes de material é impresso são necessários. Isso é válido para escriórios, editoras, escolas, etc. Nesse artigo, primeiro de uma série, analisaremos o princípio de funcionamento desse tipo de impressora, fundamental para quem pretender fazer sua manutenção ou reparação.
As impressoras LASER, nos últimos anos tiveram seu preço consideravelmente reduzido, tornando esse periférico ideal para as aplicações em que se exige alto volume de impressão como escritórios, editoras, escolas, etc. Assim sendo, entender seu princípio de funcionamento é o ponto de artigo para que todo profissional da área de manutenção de equipamentos eletrônicos ligados à informática, possa partir para uma nova e rendosa atividade.
Na verdade, as impressoras que originalmente utilizam o LASER como sua base de funcionamento evoluíram e também passaram a utilizar como fonte de luz para gravação de imagens os LEDs. O princípio de funcionamento das duas é muito semelhante, de modo que nesse artigo, vamos tratar das duas, usando o termo geral para esse periférico de "impressora eletro-fotográfica" ou simplesmente EP, usando a abreviação do inglês "electrophotographic". Para entendermos melhor como essas impressoras funcionam devemos partir partirmos do próprio princípio de funcionamento do LASER, da natureza da luz chegando aos LEDs comuns. Vejamos então como isso ocorre.
A luz comum consiste em ondas eletromagnéticas de curtíssimo comprimento de onda, portanto de freqüências extremamente altas.
Na figura 1 mostramos o espectro eletromagnético na parte em que se enquadra a luz visível, e algumas formas de radiação próximas de mesma natureza, como o infravermelho e o ultravioleta.
Figura 1 - Espectro eletromagnético em torno da luz visível.
Conforme podemos ver, a freqüência e, portanto o comprimento de onda da luz estão diretamente associados a sua cor. O vermelho tem maior comprimento de onda e o violeta o menor comprimento de onda.
A luz branca consiste numa mistura de todas as cores. Em outras palavras, podemos comparar a luz de uma determinada cor a um transmissor que transmite uma freqüência única numa banda estreita enquanto que a luz branca é comparada a uma fonte de ruído que emite em todas as freqüências possíveis, conforme mostra a figura 2.
Figura 2 - Espectro da luz monocromática (vermelho) e da luz branca (ruído).
Mesmo as fontes de luz de uma cor única, denominadas monocromáticas, não são tão perfeitas. As ondas emitidas não estão em fase e isso faz com que um comportamento indesejável seja observado como sua rápida dispersão num feixe e também a polarização que não é definida. Uma forma de se obter luz com uma forma de radiação muito mais concentrada, com ondas em fase e devidamente polarizadas é através do que se denomina LASER.
LASER significa Light Amplification by Stimullated Emission of Radiation ou Amplificação de Luz Por Emissão Estimulada de Radiação. Para entender como isso funciona, vamos partir da estrutura de um LASER básico mostrada na figura 3.
Figura 3 - o LASER de rubi.
O bastão de rubi envolto por uma lâmpada de xenônio tem suas duas extremidades espelhadas. No entanto, o espelhamento de uma das faces é parcial, ou seja, feito "mais fino" de tal forma que ele pode deixar passar a luz a partir do momento em que ela alcance uma determinada intensidade. O rubi sintético consiste num cristal de silício de determinada estrutura. Quando um flash de luz é produzido pela lâmpada de xenônio, os átomos do material de que é feito o rubi absorvem a energia dessa luz, passando para níveis superiores de energia. Em outras palavras, eles mudam sua órbita, conforme mostra a figura 4.
Figura 4 - Mudando o nível de energia dos elétrons por execitação.
Com um flash suficientemente intenso conseguimos fazer com que a maioria dos átomos do rubi tenham sua energia elevadas. Em outras palavras passamos a ter o que se denomina "inversão de população". A população dos átomos com nível mais alto de energia passa a ser maior do que a população dos átomos com menor nível de energia. Tão logo o flash desapareça, os elétrons que estão nos níveis de energia mais alto começam a voltar aos seus níveis originais. Quando isso ocorre, eles devolvem a energia armazenada na forma de unidade de luz ou "quantum", de comprimento de onda bem definido. Esse comprimento de onda é determinado pelo tamanho do salto de energia eu eles dão nos átomos, conforme mostra a figura 5.
Figura 5 - Ao voltar ao nível normal de energia os elétrons emitem a energia absorvida.
A emissão dessa energia faz com que o quantum emitido "bata" em outros átomos fazendo com que elétrons que estejam em níveis mais elevados de energia sejam também forçados a voltar ao nível de energia original. Isso significa que, ao emitir um quantum de energia, esse quantum estimula outro átomo que também emite um quanta e passamos a ter dois quanta (O plural de quantum é quanta) de energia emitidos. Os dois quanta de energia emitidos, estimulam outros átomos e com a emissão temos quatro quanta, conforme mostra a figura 6.
Figura 6 - Reação em cadeia que ocorre quando os elétrons são excitados e devolvem a energia absorvida.
O resultado disso é uma "reação em cadeia" em que num tempo muito curto, da ordem de bilionésimos de segundo, todos os átomos são estimulados de modo a emitir sua energia. A luz emitida nessas condições, formada pelos bilhões de fótons liberados por cada átomo, se reflete nos espelhos internos aumentando de intensidade a tal ponto que, num determinado instante, escapa pelo espelhamento parcial mais fino. O resultado é a produção de um feixe de luz extremamente concentrado com características especiais, conforme mostra a figura 7.
Figura 7 - Produzindo um feixe de radiação coerente concentrada.
O feixe estreito de luz produzida é monocromático, ou seja, ocupa uma faixa extremamente estreita de freqüências no espectro. Para o laser de rubi, a luz produzida é vermelha. A radiação é coerente no sentido de que as ondas correspondentes aos fótons estão em fase. A concentração da energia é tal que o feixe de radiação produzido é extremamente potente. Por exemplo, se a radiação de um pulso de 1 segundo for devolvida em 1 milionésimo de segundo temos uma potência multiplicada por 1 milhão. Um pulso de 1 W se converte em um pulso de 1 milhão de watts!
Por esse motivo a radiação do LASER é perigosa pois pode provocar a queima da retina (cegando) de uma pessoa que olhe diretamente para um feixe dessa radiação. Existem LASERs tão potentes que podem fazer furos em peças de metal, vaporizando o local pela concentração da radiação. Os furos das cabeças impressoras, conforme vimos, são feitos dessa forma. Para as impressoras LASER utilizam dispositivos semicondutores capazes de emitir essa radiação. São os LASERs de estado sólido, conforme o mostrado na figura 8.
Figura 8 - Um LASER semicondutor (estado sólido)
A tecnologia aproveitada é a mesma dos LEDs. LED significa Light Emitting Diodo ou Diodo Emissor de Luz. Quando uma junção de materiais semicondutores é percorrida por uma corrente ela emite radiação. Dependendo do material, essa radiação pode cair na faixa visível. Trata-se de uma luz monocromática, mas tem características comuns. No entanto, agregando uma cavidade que possa permitir a resson6ancia da radiação emitida com espelhamentos apropriados, o LED se transforma num LASER. A partir da radiação desses diodos semicondutores (LEDs e LASERs) podemos elaborar um tipo importante de impressora cujo princípio de funcionamento passamos a analisar em seguida.
Funcionamento
Conforme explicamos, existem duas tecnologias para a impressão usando luz. Dizemos que se tratam de impressoras por Eletro-Fotografia ou abreviadamente EP. A primeira é a que faz uso do próprio LASER como fonte de luz, usando apenas um componente emissor. A segunda aproveita o fato de que os cilindros opto - sensíveis usados no registro da imagem também podem ser impressionados pela luz de LEDs comuns.
Impressoras LASER
Os diodos LASER têm como principal característica a possibilidade de terem sua radiação modulada. A radiação contínua que emitem pode ter sua intensidade variada facilmente a partir de circuitos eletrônicos, sendo esse justamente o fato que os torna aplicáveis à tecnologia de impressão. De fato, outros tipos de laser como os que fazem uso de gás, não respondem à modulação com a mesma facilidade e além disso são volumosos exigindo circuitos complexos para excitação, pois operam com tensões elevadas. O outro elemento importante é justamente o cilindro da impressora que pode ser sensibilizado pela luz, o que nos leva à estrutura básica de uma impressora LASER mostrada na figura 9.
Figura 9 - Estrutura básica de uma impressora LASER.
Conforme podemos ver pela figura, a modulação do estreito feixe de laser é feita por um sistema eletro-óptico que contém lentes e espelhos num ajuste muito crítico. Qualquer desajuste desse sistema compromete o funcionamento da impressora. Além disso, como se trata de uma montagem extremamente critica onde a qualidade dos componentes ópticos e mecânicos usados deve ser a máxima possível, o custo dessa impressora é elevado. Por esse motivo, as impressoras que usam o LASER propriamente dito, tende a ser substituídas pelas impressas que usam a tecnologia LED que, conforme veremos, é muito menos crítica e mais barata.
Além do LASER, o elemento básico dessa impressora é um cilindro foto-sensível que utiliza um material que apresenta a característica de ser sensível à luz. Nessa impressora, o feixe de LASER modulado varre o cilindro linha por linha em alta velocidade registrando assim os pontos de imagem que devem ser impressos. A cada passagem temos uma quantidade de pontos registrados que depende da taxa de modulação, conforme mostra a figura 10.
Figura 10 - A impressora a LED.
Onde a luz bate o cilindro muda suas características físicas de tal forma que seu comportamento diante de uma carga eletrostática pode ser controlado, conforme detalharemos mais adiante. Assim, quando esse cilindro passa por uma fonte de alta tensão juntamente com o papel, o toner é atraído para o papel somente nas áreas em que houve o registro de um ponto de imagem. Para fixar o toner existe então um sistema em que o papel passa entre dois cilindros sendo um deles aquecido a uma alta temperatura por um elemento resistivo. O calor funde o toner junto ao papel, produzindo uma impressão firme que seca em poucos segundos. Um circuito apropriado controla a geração da alta tensão para a atração das partículas do toner e ao mesmo tempo a temperatura do cilindro que fixa esse toner de modo definitivo ao papel.
Não é preciso dizer que o fato de que termos calor e eletricidade estática envolvidos no processo torna esse tipo de impressora bastante sensível às condições ambientes de operação. De fato, o calor ambiente e a própria umidade relativa do ar (que pode também afetar o papel), influem bastante no desempenho desse tipo de impressora. Por esse motivo, os fabricantes fixam em seus manuais as condições limites dos ambientes em que essas impressoras devem operar. Da mesma forma, a presença de alta tensão atrai com facilidade não apenas as partículas do toner mas também sujeira em suspensão (poluição), o que exige cuidados especiais com a limpeza e manutenção da impressora.
Impressora a LED
Para a utilização de LEDs em lugar do LASER, a idéia básica é então montar junto ao cilindro uma barra de LEDs microscópicos determinando uma linha de impressão. Cada LED mede tipicamente 50 x 65 microns sendo separados por uma distância de apenas 80 microns tipicamente. Isso significa que em cada polegada temos 300 deles. Uma barra desse tipo proporcionará então uma definição ou qualidade de impressão de 300 dpi (pontos por polegada - dots per inch). São LEDs extremamente pequenos como exige a alta definição de uma boa impressão. Um conjunto de lentes ajuda a manter os pontos focalizados pelos LEDs os menores possíveis de modo a se garantir o máximo de definição do documento que vai ser impresso. Na operação cada linha de pontos que deve ser impresso na folha é levado a um circuito de memória de acionamento dos LEDs conforme mostra a figura 11.
Figura 11 - Circuito de excitação dos LEDs de uma impressora.
Uma vez que os dados sejam transferidos, eles devem provocar o disparo dos LEDs para que pulsos de luz sejam produzidos no cilindro foto-sensível. O disparo desses LEDs é feito por segmentos de modo a reduzir o consumo do circuito. Numa impressora típica a linha toda é dividida em quatro segmentos. O disparo é feito por um sinal denominado "strobe" que funciona como um seqüenciamento do disparo dos LEDs.
Cada LED grava então pontos latentes no cilindro foto-sensível, indicando assim as posições dos pontos de imagem correspondentes que devem ser impressos.A cada passagem da varredura de LEDs, provocando uma impressão no tambor fotossensível, ele avança 1/300 de polegada, dando assim a definição vertical de 300 dpi (pontos por polegada). Dessa forma é feita a varredura da página inteira a ser impressa que passa a ter sua imagem registrada no tambor foto-sensível.
Veja que a principal vantagem nesse processo de registro da imagem no tambor é que não partes móveis para transferir a imagem para o tambor, como ocorre no caso de outros tipos de impressoras. Isso significa uma possibilidade de se ter uma velocidade de impressão muito maior. Além disso, com menor partes móveis a impressora é mais robustas e menos sujeita à falhas de natureza mecânica. Uma impressora desse tipo é muito mais rápida que os outros tipos de impressoras o que é uma vantagem importante a ser considerada em determinados tipos de aplicações. A partir do momento em que os pontos de imagem são gravados no cilindro, a passagem para o papel numa impressora que usa LEDs é feita da mesma forma que numa impressora LASER.
