03-Retificadores_Nao_Controlados

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Eletrônica de Potência
Reti�cadores não-controlados
Prof.Alexandre Cândido Moreira
Universidade Federal de São João del Rei
Campus Alto Paraopeba
13 de Março de 2018
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 1 / 65
Eletrônica de Potência
Sumário
1 O Diodo de Potência
2 Introdução
3 Reti�cadores não-controlados
4 Reti�cador monofásico não-controlado
Meia-onda
Onda completa
5 PSIM
6 Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
Reti�cador trifásico não-controlado de doze pulsos
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 2 / 65
Eletrônica de Potência
Principais interruptores em Eletrônica de Potência ⇒ Análise das
características básicas de funcionamento, para os seguintes
interruptores:
Diodos de potência (Diodo);
Transistores Bipolares de Potência (BJT);
MOSFETs de Potência (MOSFET);
Transistores tipo IGBT (IGBT);
Transistores (Diodo PNPN, SCR, TRIAC, DIAC e GTO).
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 3 / 65
Eletrônica de Potência
O Diodo de Potência
Diodo de Potência
Simbologia:
Polarização direta (condução):
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 4 / 65
Eletrônica de Potência
O Diodo de Potência
Diodo de Potência
Polarização reversa (bloqueio):
Curva característica:
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 5 / 65
Eletrônica de Potência
Introdução
Fornecimento de energia elétrica⇒ rede de distribuição em corrente
alternada ⇒ facilidade de adaptação do nível de tensão por meio de
transformadores
Carga a ser alimentada exige tensão contínua
⇓
Conversão CA-CC (Reti�cadores)
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 6 / 65
Eletrônica de Potência
Introdução
Classi�cação:
Valor da tensão na saída
- Controlados;
- Não-controlados.
Número de fases da tensão de saída
- Monofásico;
- Trifásico;
- Hexafásico, etc.
Tipo de conexão dos elementos reti�cadores
- Meia ponte;
- Ponte completa.
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 7 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cadores não-controlados
Reti�cadores não-controlados
Circuitos que utilizam diodos como elementos reti�cadores;
As características da tensão na saída do reti�cador não podem
ser modi�cadas durante a operação.
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 8 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Reti�cador monofásico não-controlado
Os diodos de potência diferem dos diodos de sinal por terem
uma capacidade superior em termos de nível de tensão de blo-
queio (podendo atingir até alguns kV, num único dispositivo), e
poderem conduzir correntes de até alguns kA;
Nas aplicações em que a tensão alternada é a da rede, tais
diodos não precisam ter seu processo de desligamento muito
rápido, uma vez que a frequência da rede é baixa (50 ou 60
Hz).
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 9 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Meia-onda
Reti�cador monofásico não-controlado de meia-onda
Figura 1: Topologia de um reti�cador monofásico não-controlado,
meia-onda
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 10 / 65
Reti�cador monofásico não-controlado de meia-onda
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Meia-onda
Valor médio da tensão na carga
V◦(med) =
1
T
∫ T
0
v◦(θ)dθ
V◦(med) =
1
2π
∫ 2π
0
v◦(θ)dθ
V◦(med) =
1
2π
∫ π
0
Vm sin(θ)dθ
Integrando:
V◦(med) =
Vm
2π
[−cos(θ)]π0
V◦(med) =
Vm
2π
[−cos(π) + cos(0)]
V◦(med) =
Vm
π
(1)
I◦(med) =
V◦(med)
R
(2)
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 12 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Meia-onda
Considerando R = 10Ω e Vm = 127
√
2, temos
V◦(med) =
127
√
2
π
V◦(med) = 57, 17V
I◦(med) =
57, 17
10Ω
I◦(med) = 5, 72A
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 13 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Meia-onda
Valor e�caz da tensão na carga
V◦(rms) =
[
1
T
∫ T
0
(Vm sin(θ))
2dθ
] 1
2
V◦(rms) =
[
1
2π
∫ 2π
0
V 2m sin
2(θ)dθ
] 1
2
V◦(rms) =
[
V 2m
2π
∫ π
0
sin2(θ)dθ
] 1
2
Porém:
sin2(θ) =
1− cos(2θ)
2
V◦(rms) =
[
V 2m
2π
∫ π
0
1− cos(2θ)
2
dθ
] 1
2
V◦(rms) =
[
V 2m
4π
∫ π
0
(1− cos(2θ))dθ
] 1
2
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 14 / 65
V◦(rms) =
[
V 2m
4π
(
θ −
sin(2θ)
2
)π
0
] 1
2
V◦(rms) =
[
V 2m
4π
(
π −
sin(2π)
2
− 0+
sin(0)
2
)] 1
2
V◦(rms) =
[
V 2m
4π
π
] 1
2
V◦(rms) =
[
V 2m
4
] 1
2
V◦(rms) =
Vm
2
(3)
I◦(rms) =
V◦(rms)
R
(4)
Para o caso anterior, temos
V◦(rms) =
127
√
2
2
= 89, 80V
I◦(rms) =
89, 80
10
= 8, 98A
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Meia-onda
Parâmetros de Desempenho
Potência CC de saída
PCC = VCC · ICC (5)
onde:
- VCC é o valor médio da tensão de saída (carga);
- ICC é o valor médio da corrente de saída (carga);
Potência CA de saída
PCA = Vrms · Irms (6)
onde:
- Vrms é o valor e�caz da tensão de saída;
- Irms é o valor e�caz da corrente de saída;
E�ciência (ou razão de reti�cação) de um reti�cador, que é uma �gura de
meríto e nos permite comparar a e�cácia, é de�nida como
η =
PCC
PCA
(7)
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 16 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Meia-onda
Parâmetros de Desempenho
Valor e�caz (rms) da componente CA da tensão de saída é dado por
VCA =
√
V 2rms − V 2CC (8)
Fator de forma, que é uma medida da forma da tensão de saída, é dado
por
FF =
Vrms
VCC
(9)
Fator de ondulação ou fator de ripple, que é uma medida do conteúdo de
ondulação, é de�nido como
FR =
VCA
VCC
(10)
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 17 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Meia-onda
Parâmetros de Desempenho
Fator de utilização do transformador é de�nido como
FUT =
PCC
Vs Is
(11)
Fator de crista, serve para especi�car as capacidades de corrente dos
dispositivos e componentes, dado por
FC =
Is(pico)
Is
(12)
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 18 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Meia-onda
Exemplo
Para o caso anterior, temos
1 Potência CC
PCC = 57, 17 · 5, 72 = 327, 01W
2 Potência CA
PCA = 89, 80 · 8, 98 = 806, 40W
3 E�ciência
η =
327, 01
806, 40
= 0, 405 · 100% = 40, 5%
4 Valor e�caz
VCA =
√
89, 802 − 57, 172 = 69, 25V
5 Fator de forma
FF =
89, 80
57, 17
= 1, 57 · 100% = 157%
6 Fator de ripple
FR =
69, 25
57, 17
= 1, 21 · 100% = 121%
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 19 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Onda completa
Reti�cador monofásico não-controlado de onda completa
Carga resistiva
Figura 2: Topologia de um reti�cador monofásico não-controlado de
onda completa.
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 20 / 65
Reti�cador monofásico não-controlado de onda completa
Figura 3: Forma de onda de um reti�cador monofásico não-controlado,
onda completa
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Onda completa
Valor médio da tensão na carga
V◦(med) =
1
T
∫ T
0
Vm sin(θ)dθ
V◦(med) =
2 · Vm
2π
∫ π
0
sin(θ)dθ
Integrando:
V◦(med) =
2 · Vm
π
(13)
I◦(med) =
V◦(med)
R
(14)
Para o caso anterior, temos
V◦(med) =
2 · 127
√
2
π
= 114, 34V
I◦(med) =
114, 34
10
= 11, 43A
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 22 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Onda completa
Valor e�caz da tensão na carga
V◦(rms) =
[
1
T
∫ T
0
(Vm sin(θ))
2dθ
] 1
2
V◦(rms) =
[
2 · 1
2π
∫ π
0
V 2m sin
2(θ)dθ
] 1
2
V◦(rms) =
[
V 2m
π
∫ π
0
sin2(θ)dθ
] 1
2
Porém:
sin2(θ) =
1− cos(2θ)
2
V◦(rms) =
[
V 2m
π
·
1
2
∫ π
0
(1− cos(2θ))dθ
] 1
2
V◦(rms) =
[
V 2m
2π
∫ π
0
(
θ −
sin(2θ)
2
)π
0
] 1
2
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 23 / 65
V◦(rms) =
[
V 2m
2π
(
π −
sin(2π)
2
− 0+
sin(0)
2
)] 1
2
V◦(rms) =
[
V 2m
2π
π
] 1
2
V◦(rms) =
√
V 2m
2
V◦(rms) =
Vm√
2
(15)
I◦(rms) =
V◦(rms)
R
(16)
Para o caso anterior, temos
V◦(rms) =
127
√
2
√
2
= 127V
I◦(rms) =
127
10
= 12, 70A
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásiconão-controlado
Onda completa
Exemplo - Parâmetros de Desempenho
Para o caso anterior, temos
1 Potência CC
PCC = 114, 34 · 11, 43 = 1306, 91W
2 Potência CA
PCA = 127 · 12, 7 = 1612, 90W
3 E�ciência
η =
1306, 91
1612, 90
= 0, 81 · 100% = 81%
4 Valor e�caz
VCA =
√
1272 − 114, 342 = 55, 27V
5 Fator de forma
FF =
127
114, 34
= 1, 11 · 100% = 111%
6 Fator de ripple
FR =
55, 27
114, 34
= 0, 48 · 100% = 48%
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 25 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Onda completa
Pontes reti�cadoras
Figura 4: Tipos de Pontes Reti�cadoras.
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 26 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Onda completa
Reti�cador monofásico não-controlado de onda completa
Carga capacitiva
Figura 5: Carga capacitiva. Figura 6: Formas de onda para reti�cador com
carga capacitiva.
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 27 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador monofásico não-controlado
Onda completa
Reti�cador monofásico não-controlado de onda completa
Carga indutiva
Figura 7: Carga indutiva. Figura 8: Formas de onda para reti�cador com
carga indutiva.
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 28 / 65
Exercício 01
Na �gura abaixo, é apresentado o circuito de um reti�cador, onde os diodos D1 e
D2 são considerados ideais e a tensão na entrada é dada por vS(t) = 180 · sin(120πt).
Dessa forma, determine o valor e�caz da tensão de saída, em volts , sobre o
resistor de carga RL.
Eletrônica de Potência
PSIM
Fast Fourier Transform - PSIM
Figura 9: Forma de onda distorcida.
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 30 / 65
Fast Fourier Transform - PSIM
Figura 10: Domínio do tempo.
Figura 11: Domínio da frequência.
Eletrônica de Potência
PSIM
THD
O desvio total de uma onda distorcida em relação à sua compo-
nente fundamental pode ser estimado com a ajuda do indicador
Distorção Harmônica Total (THD), um dos índices mais comu-
mente usado para indicar o conteúdo harmônico em um sinal
(IEE Std 519,1992).
É a medida do grau de distorção de uma onda em relação uma
senoide pura, sendo seu valor nulo quando o sinal não apresenta
componentes harmônicas.
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 32 / 65
Eletrônica de Potência
PSIM
THD
THD =
√
∞∑
h 6=1
V 2h
V1
(17)
- Vh : Componente harmônica de ordem h;
- V1 : Componente fundamental do sinal.
Os valores de Vh e V1 podem ser em pico ou rms.
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 33 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico a diodo com ponto médio
Figura 12: Reti�cador trifásico a diodo com ponto médio.
Associação de 3 reti�cadores monofásicos de meia onda. Utilizando
o neutro do sistema de alimentação � 4 �os.
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 34 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico a diodo com ponto médio
Etapas de funcionamento:
-Etapa 1:
π
6
≤ ωt ≤ 5π
6
30◦ ≤ θ ≤ 150◦
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 35 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico a diodo com ponto médio
-Etapa 2:
5π
6
≤ ωt ≤ 3π
2
150◦ ≤ θ ≤ 270◦
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 36 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico a diodo com ponto médio
-Etapa 3:
3π
2
≤ ωt ≤ 2π + π
6
270◦ ≤ θ ≤ 390◦
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 37 / 65
Reti�cador trifásico a diodo com ponto médio
Formas de onda
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico a diodo com ponto médio
Tensão média
V◦(med) =
3
2π
∫ 5π
6
π
6
Vm sin θdθ
V◦(med) = Vm
3
π
√
3
2
V◦(med) = 0, 827Vm (18)
Tensão e�caz
V◦(rms) =
√√√√ 3
2π
∫ 5π
6
π
6
(Vm sin θ)2dθ
V◦(rms) = Vm
√
3
2π
(
π
3
+
√
3
4
)
V◦(rms) = 0, 84Vm (19)
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 39 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Parâmetros de Desempenho
1 Valor e�caz (rms)
VCA =
√
V 2rms − V 2CC
VCA =
√
(0, 84Vm)2 − (0, 827Vm)2 = 0, 147Vm
2 Fator de forma
FF =
Vrms
VCC
=
0, 84Vm
0, 827Vm
FF = 1, 016
3 Fator de ondulação ou fator de ripple
FR =
VCA
VCC
FR =
0, 147Vm
0, 827Vm
= 0, 177
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 40 / 65
Exercício 02
Para o circuito da �gura abaixo, determine a potência dissipada no resistor.
Informações:
A tensão de fase da fase A possui valor máximo de 100V e ângulo 0o ;
O circuito é simétrico, equilibrado e possui f = 60Hz ;
P = (VRMS )
2
R
, potência dissipada na carga.
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
É um dos conversores AC-DC mais utilizados em aplicações de alta
potência;
A carga é alimentada pela tensão fase-fase reti�cada em onda completa;
Dois diodos em série estão sempre conduzindo;
Cada diodo conduz por 1/3 do ciclo (120◦).
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 42 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 43 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
Princípio de operação
- VCB é o sinal dominante (de maior valor instantâneo).
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 44 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
- VAB é o sinal dominante (de maior valor instantâneo).
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 45 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 46 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 47 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 48 / 65
Tensão média
V◦(med) = 6
1
T
∫ 2π/3
π/3
√
3Vm sin(θ)dθ
V◦(med) = 6
1
2π
√
3Vm
∫ 2π/3
π/3
sin(θ)dθ
V◦(med) =
3
√
3
π
Vm [− cos(θ)]2π/3π/3
V◦(med) =
3
√
3
π
[
− cos
(
2π
3
)
+ cos
(π
3
)]
· Vm
V◦(med) =
3
√
3
π
Vm
[
−
(
−1
2
)
+
1
2
]
V◦(med) =
3
√
3
π
Vm (20)
Para o caso anterior, temos
V◦(med) =
3
√
3(127
√
2)
π
= 297, 06V
I◦(med) =
297, 06
10
= 29, 71A
Valor E�caz de Tensão na Carga
V◦(rms) =
[
1
T
∫ T
0
v◦(θ)
2dθ
]
V◦(rms) =
[
6
1
2π
∫ 2π/3
π/3
(
√
3Vm sin(θ))
2dθ
] 1
2
Temos:
V◦(rms) =
[
9
2π
V 2m
(
π
3
+
2
√
3
4
)] 1
2
V◦(rms) = Vm
[
3
2
+
9
√
3
4π
] 1
2
V◦(rms) = 1, 6554 · Vm (21)
Para o caso anterior, temos
V◦(rms) = 1, 6554 · (127
√
2) = 297, 31V
I◦(rms) =
297, 31
10
= 29, 73A
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
Parâmetros de Desempenho
Potência CCde saída
PCC = VCC · ICC (22)
Potência CA de saída
PCA = Vrms · Irms (23)
E�ciência (ou razão de reti�cação)
η =
PCC
PCA
(24)
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 51 / 65
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de seis pulsos
Parâmetros de Desempenho
Valor e�caz (rms)
VCA =
√
V 2rms − V 2CC (25)
Fator de forma
FF =
Vrms
VCC
(26)
Fator de ondulação ou fator de ripple
FR =
VCA
VCC
(27)
13 de Março de 2018 Eletrônica de Potência 52 / 65
Parâmetros de Desempenho
Para o caso anterior, temos:
1 Potência CCde saída
PCC = 297, 06 · 29, 71 = 8825, 65W
2 Potência CA de saída
PCA = 297, 31 · 29, 73 = 8839, 03W
3 E�ciência (ou razão de reti�cação)η =
8825, 65
8839, 03
= 0, 9984 · 100% = 99, 74%
4 Valor e�caz (rms)
VCA =
√
297, 312 − 297, 062 = 12, 19V
5 Fator de forma
FF =
297, 31
297, 06
= 1, 001 · 100% = 100, 1%
6 Fator de ondulação ou fator de ripple
FR =
12, 19
297, 06
= 4, 10× 10−2 · 100% = 4, 1%
Eletrônica de Potência
Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de doze pulsos
Reti�cador trifásico não-controlado de doze pulsos
Em determinadas situações pode ser conveniente fazer-se uma
associação de circuitos reti�cadores;
Situações em que são feitas associações de reti�cadores:
Associação série → normalmente empregada em situações em
que se deseja uma tensão CC de saída elevada, que não poderia
ser obtida com um reti�cador único;
Associação em paralelo → é feita quando a carga exige uma
corrente que não poderia ser fornecida por um único reti�cador;
Em ambos os casos, quando se deseja reduzir o conteúdo har-
mônico da corrente drenada da rede.
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Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de doze pulsos
Reti�cador trifásico não-controlado de doze pulsos
No exemplo, no qual se têm um reti�cador de 12 pulsos, cada
um dos reti�cadores é alimentado por tensões de mesmo valor
e�caz, mas com defasagem de 30◦ entre os sistemas trifásicos.
No circuito série, a tensão CC total apresenta uma ondulação
em 720 Hz (daí o nome 12 pulsos) e uma variação pico a pico
de apenas 3% do valor CC. Aqui, uma eventual �ltragem seria
facilitada pela frequência elevada e pela pequena amplitude das
variações.
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Reti�cador trifásico não-controlado de doze pulsos
Figura 13: Associação em paralelo de reti�cadores, circuito de �12 pulsos�
Reti�cador trifásico não-controlado de doze pulsos
Figura 14: Associação em série de reti�cadores, circuito de �12 pulsos�
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Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de doze pulsos
Reti�cador trifásico não-controlado de doze pulsos
Figura 15: Associação em série de reti�cadores, circuito de �12 pulsos�.
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Figura 16: Formas de onda de associação em série de reti�cadores,
circuito de �12 pulsos�.
Aplicações
Figura 17: Aplicação em Forno de Indução.
Aplicações
Um caso típico de aplicação da associação em série de reti�cadores é na trans-
missão de energia em corrente contínua, em alta tensão (HVDC), como é o caso
da linha CC que conecta Foz do Iguaçu (PR) a Ibiúna (SP), trazendo a energia
do lado paraguaio da CH de Itaipu (originalmente em 50 Hz).
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Reti�cador trifásico não-controlado
Reti�cador trifásico não-controlado de doze pulsos
Comparação de Reti�cadores com Diodos
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Dimensionamento do Reti�cador
Figura 18: Dados do diodo SKN 20.
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Fusíveis
Figura 19: Tipos de fusíveis.
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Fusíveis Ultrarrápidos SILIZED
Figura 20: Datasheet do fusível SILIZED.
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