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Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de Potência • Conversores Estáticos: – CA-CC, CC-CA, CC-CC e CA-CA; • Interação entre o controle e os atuadores; • Elementos mais utilizados: – Capacitores, Indutores, Resistores e Chaves Estáticas • Principal foco: – Rendimento;
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de Circuitos e Dispositivos Eletrônicos de PotênciaPotênciaPotênciaPotência
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 1
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA EletrônicaEletrônicae ô cae ô ca
• Processamento de Informação– Transistor (1947) e CI (1958)( ) ( )
• Processamento da EnergiaR tifi d d ú i (1956)– Retificador a arco de mercúrio (1956)
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potênciae ô ca de o ê c ae ô ca de o ê c a
• Eletrônica de potência é a tecnologia associada ao eficiente processamento e pcontrole da energia por meios estáticos, onde uma entrada qualquer é convertidaonde uma entrada qualquer é convertida na forma de saída desejada.
( f )• Vai de mW (telefone celular) a centenas de MW (sistemas de energia).( g )
• Área multidisciplinar.
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potênciae ô ca de o ê c ae ô ca de o ê c a
ÁÁreas de conhecimento associadas:• Conversão de energiag• Circuitos elétricos• Eletrônica• Eletrônica• Controle• Instrumentação• Sistemas de energiag• Máquinas elétricas• Compatibilidade eletromagnética
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• Compatibilidade eletromagnética
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potênciae ô ca de o ê c ae ô ca de o ê c a
Métodos de processamento da energia:• Linear → conversão através de transistores
operando como resistores variáveis → elevadas perdas → eletrônica analógica p gconvencional (ex.: amplificador de som)
• Comutada → conversão através deComutada → conversão através de interruptores → operação em etapas (ex : sistema de partida suave de motores)(ex.: sistema de partida suave de motores)
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Eletrônica de PotênciaEletrônica de Potênciae ô ca de o ê c ae ô ca de o ê c a
• Conversores Estáticos:– CA-CC, CC-CA, CC-CC e CA-CA;, , ;
• Interação entre o controle e os atuadores;• Elementos mais utilizados:
– Capacitores, Indutores, p , ,Resistores e Chaves Estáticas
• Principal foco:R di t
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– Rendimento;
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Chaves Estáticas Chaves Estáticas C a es s á casC a es s á cas
• Diodos:– Condução e bloqueio controlado pelo ç q p
circuito de potência;• Tiristores:• Tiristores:
– conduzem via controle, bloqueio pela i t ã d tinterrupção da corrente;
• Chaves Controladas:– conduzem e bloqueiam via controle.
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Chaves Estáticas Chaves Estáticas DiodoDiodoodoodo
Real Ideal Potencial Circ. Equiv.de disparo Linear aprox.
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Chaves Estáticas Chaves Estáticas TiristoresTiristoress o ess o es
• TRIAC;• SCR (Retificador controlado de silício);SCR (Retificador controlado de silício);• GTO (Bloqueio pelo gatilho);• DIAC;
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Chaves Estáticas Chaves Estáticas C a es s á casC a es s á cas
• IGBT (Transistor bipolar com gatilho isolado););
• MOSFET (Transistor de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor);de Metal-Óxido-Semicondutor);
• MCT (Tiristor Controlado a MOS);
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Chaves Estáticas Chaves Estáticas
Valores NominaisValores Nominais
ComponenteTensão(V)
Corrente(A)
Frequência(Hz)
Potência(kVA)
TIRISTOR 10.000 5.000 2 10.000
TRANSISTOR 1.000 300 20 200
MOSFET 1.000 100 50 50
IGBT 3.000 1.000 20 3.000
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CaracterísticasCaracterísticasdas principais chavesdas principais chavesdas principais chavesdas principais chaves
(VA
)
(VA
)
Pot
ênci
a
Pot
ênci
a
PP
Tensão (V) Frequência (Hz)
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Tensão (V) Frequência (Hz)
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Chaves EstáticasChaves EstáticasAplicações Aplicações p caçõesp cações
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticosConversores estáticosCo e so es estát cosCo e so es estát cos
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticosConversores estáticosCo e so es estát cosCo e so es estát cos
Classificação quanto ao fluxo de energia:• Unidirecional em tensão e corrente (1 quad)( q )• Bidirecional em tensão e unidirecional em
corrente (2 quad)corrente (2 quad)• Bidirecional em corrente e unidirecional em
tensão (2 quad)tensão (2 quad)• Bidirecional em tensão e corrente (4 quad)
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Conversores estáticos Conversores estáticos comutados pela linhacomutados pela linhaco utados pe a aco utados pe a a
• Dispositivos de processamento de energia
Diodo Indutor (reator) Capacitormetalizado (CA)( )
C it
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Tiristor Transformador Capacitoreletrolítico (CC)
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Conversores estáticos Conversores estáticos comutados pela linhacomutados pela linhaco utados pe a aco utados pe a a
• Dispositivos de proteção e dissipação
Dissipador de calor Ventilador Resistor
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Resistor NTC Fusível parasemicondutor
SnubberVaristor
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Conversores estáticos Conversores estáticos comutados pela linhacomutados pela linhaco utados pe a aco utados pe a a
• Dispositivos de instrumentação
Sensor de correnteshunt
Sensor det ã t fshunt tensão trafo
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Sensor decorrente hall Sensor de
tensão hallSensor detemperatura
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Conversores estáticos Conversores estáticos comutados pela linhacomutados pela linhaco utados pe a aco utados pe a a
• Dispositivos de comando e controle
Transformadorde pulso
Placa de aquisição econtrole
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Driver isoladoFonte CC
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Conversores estáticosConversores estáticosAplicaçõesAplicaçõesp caçõesp cações
A)
duçã
o (A
e de
Con
dC
orre
nte
C
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Tensão de Bloqueio (V)
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Conversores estáticos Conversores estáticos AplicaçõesAplicaçõesp caçõesp cações
1. Conversores comutados pela linha– Alta potênciaAlta potência – Ambiente Industrial– Alta Confiabilidade– Freqüência de comutação baixa e– Freqüência de comutação baixa e– Elementos reativos grandes
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RLcarga RL
• Principais tipos:– Monofásico de meia onda– Monofásico de onda
completa com ponto médiocompleta com ponto médio– Retificador monofásico de
onda completa em ponteonda completa em ponte– Retificador trifásico com
t édiponto médio– Retificador trifásico de onda Emprega-se
apenas diodos
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completaapenas diodos
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Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RLcarga RL
• Aplicações
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Alternador Mineração - Bauxita
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Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RCcarga RC
• Principais tipos:– Monofásico de onda
completa– Monofásico como dobradorMonofásico como dobrador
de tensãoTrifásico– Trifásico
Emprega-seapenas diodos
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apenas diodos
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Retificadores nãoRetificadores não--controlados controlados –– carga RCcarga RC
• Aplicações
Estágio de entrada de fontes Fontes p/ equipamentos
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para computador eletrônicos
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Conversores diretos CC linearesConversores diretos CC lineares
• Principais tipos:– Regulador de tensão a diodo g
zener– Regulador de tensão aRegulador de tensão a
transistorRegulador de tensão a CI– Regulador de tensão a CI
CircuitosSem Comutação
Fontes p/ equipamentoseletrônicos
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Sem Comutação eletrônicos
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLcarga RL
• Principais tipos:– Monofásico de meia onda– Monofásico de onda
completacompleta– Retificador trifásico com
ponto médioponto médio– Retificador trifásico de onda
l tcompletaEmpregam diodos e
tiristores
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tiristores
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLcarga RL
• Aplicações
Solda e corte
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Fornos a arco CC
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLcarga RL
• Aplicações
Galvanização eletrolítica
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 29Eletrolisação
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLcarga RL
• Aplicações
HVDC (Transmissão de energia
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( gem corrente contínua)
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLEcarga RLE
• Aplicações
Excitatriz estática (geração do Motor CC → giro unidirecional
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(g çcampo) para motor CC e geradorsíncrono
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Conversores DuaisConversores Duais
• Principais tipos:– Monofásico com
ponto médio– Monofásico em ponteMonofásico em ponte– Trifásico com 3 pulsos
T ifá i 6 l– Trifásico com 6 pulsos
Empregam apenas tiristores
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tiristores
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Retificadores controlados Retificadores controlados –– carga RLcarga RL
• Aplicações
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Motor CC → giro bidirecionalIndústria de laminação, papel, cimento, mineração
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
GradadoresGradadores
• Principais tipos:– Gradadores monofásicos– Gradadores trifásicos
Controle por ciclos inteiros– Controle por ciclos inteiros
Empregam apenas tiristores
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tiristores
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Gradadores Gradadores –– carga Rcarga R
• Aplicações
Controle de temperatura F i d t i i
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pDucha eletrônica Fornos industriais
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Gradadores Gradadores –– cargas genéricascargas genéricas
• Aplicações
Estabilizadores eletrônicos de
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tensão Chaves de transferência estática
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Gradadores Gradadores –– carga Lcarga L
• Aplicações
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Compensadores estáticos de potência reativa(FACTS – transmissão de energia)
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Gradadores Gradadores –– carga RLEcarga RLE
• Aplicações
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Sistema de partida suave para motores(soft-starters)
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
CicloconversoresCicloconversores
• Principais tipos:– Trifásicos 3 pulsos com p
ponto médio– Trifásico 6 pulsos em ponteTrifásico 6 pulsos, em ponte,
para cargas isoladasTrifásicos 6 pulsos em– Trifásicos 6 pulsos, em ponte, para cargas não isoladasisoladas
Empregam apenas tiristores
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tiristores
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
CicloconversoresCicloconversores
• Aplicações
Controle de motores CA de propulsão de alta potência(trens, navios, guindastes)
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
InversoresInversores
• Principais tipos:– Monofásicos– Trifásicos 3 braços
Trifásicos 4 braços– Trifásicos 4 braços
Empregam diodos e tiristores
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tiristores
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
InversoresInversores
• Aplicações
Forno de indução
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Conversores estáticos Conversores estáticos
2. Conversores completamente controláveis– Aplicações → potências pequenas a médiasp ç p p q– São muito empregados em sistemas comerciais
e resitênciase resitências– Possuem elevada densidade de potência
E f üê i d t ã l d– Empregam freqüências de comutação elevadas e elementos reativos pequenos
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
comutados em alta freqüênciacomutados em alta freqüência
• Principais tipos:– CC-CC (pulsador)(p )– CA-CC (retificador)
CC CA (inversor)– CC-CA (inversor)– CA-CA (gradador/
i l )cicloconversor)
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Conversor CCConversor CC--CC CC –– alta freqüênciaalta freqüência
• Aplicações
Fontes de computadores Fontes CC-CC para
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(VRM) equipamentos eletrônicos
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Retificadores Retificadores –– altaalta--freqüênciafreqüência
• Aplicações
Retificadores para aplicações Carregadores compactos para
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em telecomunicações equipamentos eletrônicos
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Inversores Inversores –– altaalta--freqüênciafreqüência
• Aplicações
Amplificadores de som Estágio de saída de inversores
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de freqüência
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
Conversores CAConversores CA--CACA–– altaalta--freqüênciafreqüência
• Aplicações
Acionamento de motores
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores estáticos Conversores estáticos
indiretos (em cascata)indiretos (em cascata)
• Podem utilizar dconversor de
baixa freqüência (BF) em conjunto com outro de altacom outro de alta freqüência (AF)
11/08/2009 17:36 Prof. Douglas Bressan Riffel 49
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indiretos (em cascata)indiretos (em cascata)
• Aplicações
Fonte para telecomRetificador (AF)
CC-CC (AF)
No-breaksRetificador (BF/AF)
Inversor (AF)
Inversor de freq.Retificador (BF)
I (AF)
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CC CC ( ) Inversor (AF) Inversor (AF)