Diodos Antônio Padilha L. Bo
DIODOS DE JUNÇÃO
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TEMAS
(1) Fundamentos de física de semicondutores
– Conceitos básicos
– Materiais semicondutores
(2) O diodo de junção PN
– Conceitos básicos e diodo ideal
– Modelos de diodos
(3) Outros tipos de diodos
– Diodos zener
– Fotodiodos, LEDs
(4) Circuitos com diodos
– Limitadores, retificadores, etc
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Fundamentos de física de semicondutores
● Conceitos básicos
– Estrutura atômica e ligações químicas
– Materiais condutores, isolantes e semicondutores
● Materiais semicondutores
– Condutividade em materiais semicondutores
– Dopagem
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ESTRUTURA ATÔMICA E LIGAÇÕES QUÍMICAS
• Estrutura atômica
– Nêutrons, prótons, elétrons
– Camada de valência
• Ligações químicas
– Ligação iônica
• Doação/recepção de elétrons
– Ligação covalente
• Compartilhamento de elétrons
– Ligação metálica
• Elétrons livres permeiam toda estrutura metálica
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MATERIAIS E CONDUTIVIDADE
• Condutores
– Não oferecem resistência a passagem de corrente elétrica
• Isolantes
– Bloqueiam a passagem de corrente elétrica
• Semicondutores?
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SEMICONDUTORES
• Condutividade em materiais semicondutores
– Estrutura cristalina caracterizada por ligações covalentes
• 4 elétrons na camada de valência
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SEMICONDUTORES
• Condutividade em materiais semicondutores
– Condutividade depende da temperatura
• Para baixas temperaturas, se comporta como um isolante
• Altas temperaturas provocam o surgimento de elétrons livres
– Corrente total dada por componente de difusão e deriva
Lacunas
– Semicondutor intrínseco
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DOPAGEM
• Inserção proposital de impurezas na estrutura de silício
– Por que?
• Obter maior controle da condutividade
– Em geral, em pequena proporção
– Semicondutor extrínseco
– Há dois tipos de dopagem
• Impurezas doadoras
– Átomos pentavalentes são adicionados
– Fósforo, arsênio, antimônio
– Aumenta a densidade de elétrons livres
– Semicondutor do tipo N (predominância de cargas negativas)
• Impurezas aceitadoras
– Átomos trivalentes são adicionados
– Boro, alumínio, gálio
– Aumenta a densidade de lacunas
– Semicondutor do tipo P (predominância de cargas positivas)
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DOPAGEM
Tipo PTipo PTipo N
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O diodo de junção PN
● Conceitos básicos
– O diodo ideal
– Polarização e comportamento da junção PN em diferentes condições
– Exemplos simples de circuitos
● Modelos de diodos
– O diodo real
– Modelo exponencial
– Modelos simplificados
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DIODO DE JUNÇÃO PN
• Características básicas
– O mais simples elemento não-linear
– Dois terminais
• O diodo ideal
Corte Condução
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DIODO DE JUNÇÃO PN
• Estrutura
– Junção de semicondutores com diferentes dopagens
• A estrutura é contínua entre as junção PN
– A junção PN é o componente básico de dispositivos eletrônicos, tais como diodos, transistores bipolares de junção (BJT), transistores de efeito de campo (FET)
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POLARIZAÇÃO DE DIODOS
• Região de polarização direta
• Região de polarização reversa e de ruptura
Região P Região N
Depleção
Região P Região N
Depleção2
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DIODO DE JUNÇÃO PN
• Comportamento na condição de circuito aberto
(1) Cargas majoritárias transitam pela junção
(2) Cargas próximas à junção são neutralizadas, criando uma região de depleção
(3) Um equilíbrio é estabelecido, uma vez que não há energia para que elétrons ultrapassem a região de depleção
Estrutura básicaComportamento na condição de
circuito aberto
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DIODO DE JUNÇÃO PN
• Comportamento na condição de polarização direta
– A região de depleção cria uma barreira de potencial para a condução elétrica
– Caso uma tensão de polarização seja aplicada ao diodo, com magnitude suficiente para vencer tal barreira, ocorrerá o colapso da região de depleção
Comportamento na condição de circuito aberto
Comportamento na condição de polarização direta
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DIODO DE JUNÇÃO PN
• Comportamento na condição de polarização reversa
– Porém, caso o diodo seja polarizado reversamente, ocorrerá o alargamento da região de depleção
– Tal alargamento provocará o bloqueio do fluxo de corrente pelo diodo
– Contudo, devido a cargas minoritárias nos semicondutores N e P, correntes de fuga estarão sempre presentes
Comportamento na condição de circuito aberto
Comportamento na condição de polarização reversa
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DIODO DE JUNÇÃO PN
• Limitação de corrente
– Circuito externo deve ser projetado de modo a limitar a corrente de condução direta do diodo e a tensão reversa do diodo em corte
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EXEMPLOS DE CIRCUITOS COM DIODOS
• Retificador simples
– Pode ser utilizado para transformar tensão CA em CC
– Ao considerar que o dispositivo é linear em duas regiões distintas de operação, podemos analisar o circuito nessas duas diferentes condições
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EXEMPLOS DE CIRCUITOS COM DIODOS
• Retificador simples para carregar uma bateria
– 2θ = 120° é o ângulo de condução, ou um terço de um ciclo
– A tensão reversa máxima sobre o diodo ocorre quando vS está em seu pico negativo e é igual a 24 +12 = 36V
– O valor de pico da corrente no diodo é dado por
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EXEMPLOS DE CIRCUITOS COM DIODOS
• Portas lógicas
– Considere um sistema de lógica positiva no qual uma tensão próxima de 0 V corresponde a um valor lógico 0 (ou baixo) e uma tensão próxima de +5 V corresponde a um valor lógico 1 (ou alto)
Porta ANDPorta OR
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EXEMPLOS DE CIRCUITOS COM DIODOS
• Analisando circuitos simples com diodos
– Algumas vezes não sabemos de antemão se os diodos estão em condução
– Nesse caso, iniciamos com uma suposição e verificamos sua validade
– Para o circuito em questão, supomos ambos os diodos estejam em condução, implicando em VB = 0 e V = 0. Assim,
– Pode-se então calcular a corrente I
– Assim, como I = 1 mA, ou seja, I > 0, D1 está
de fato em condução
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EXEMPLOS DE CIRCUITOS COM DIODOS
• Analisando circuitos simples com diodos
– Em outros casos, porém, tal suposição inicial pode ser falsa
– No circuito abaixo, por exemplo, caso se considere que ambos os diodos estejam em condução, teremos
– Tal suposição resulta em I = –1 mA, que é
incompatível com um diodo em condução
– Dessa forma, deve-se admitir que D1 está em corte
e D2 em condução, ou seja
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DIODO REAL
• Estrutura de um diodo de junção
• Característica i-v de um diodo de junção de silício
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DIODO REAL
– A região de polarização direta, determinada por v > 0
– A região de polarização reversa, determinada por v < 0
– A região de ruptura, determinada por v < –VZK
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REGIÃO DE POLARIZAÇÃO DIRETA
• Modelo matemático
– IS , corrente de saturação ou escala, é uma constante
• Depende da temperatura e da área de seção do diodo
• Magnitude na ordem de 10-15 A para diodos projetados para pequenos sinais
– VT , tensão térmica, também varia com a temperatura
• Consideraremos VT = 25 mV na temperatura ambiente
– A constante n tem um valor entre 1 e 2, dependendo do material e da estrutura física do diodo
• Queda de tensão no diodo
– Caso v = 0,5 V, a corrente é mínima
– Para condução plena, ocorre uma queda de tensão de 0,6 ~ 0,8 V entre os terminais do diodo
– Muitas vezes, simplificamos tal efeito, considerando uma queda de 0,7 V
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REGIÃO DE POLARIZAÇÃO DIRETA
• Relação exponencial entre corrente e tensão
– Considerando I >> IS , podemos assumir a seguinte relação
– Em termos de tensão
– Assim podemos obter relações diretas para variações de tensão e corrente
– Tais relações nos indicam que para uma variação de uma década na corrente do diodo, a queda de tensão varia de 2,3nVT, que é aproximadamente 60 mV para n = 1 e 120 mV para n = 2
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MODELO EXPONENCIAL
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MODELO EXPONENCIAL
• Características
– Precisão, pois baseado nos conceitos físicos que descrevem o comportamento do dispositivo
– Complexidade, muitas vezes dificultando a análise de circuitos com diodos
• Exemplo
– O circuito representado na figura pode ser descrito por duas pelas seguintes equações
– Como o problema é não-linear, a solução do problema não é evidente
• Para casos simples (como esse), pode-se encontrar uma solução gráfica
• Em geral, são utilizados métodos numéricos
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MODELO EXPONENCIAL
• Análise gráfica
– Ao se traçar as duas funções que descrevem o circuito, pode-se encontrar seu ponto de operação
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MODELO EXPONENCIAL
• Método numérico
– Exemplo de um método iterativo simples para problemas de pouca complexidade (como esse)
(1) Determine valores iniciais adequados
(2) While (NOT condição de parada)
(3) Calcule a corrente ID
(4) Calcule a tensão VD
– No caso atual, caso a queda de tensão seja de 0,1 V para cada década de variação na corrente, teríamos
V2 = 0,763 V
Iteração 1
Iteração 2
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MODELO PARA PEQUENOS SINAIS
• Linearização em torno do ponto de operação
– A derivada do modelo do diodo em torno do ponto de operação nos fornece uma relação linear entre VD e ID
– Assim, o diodo pode ser representado por
– Caso o circuito mantenha-se em torno
do ponto de operação
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MODELO SIMPLIFICADOS
• Linear por partes
– A função exponencial é aproximada por duas retas
– Equivalente a uma queda de tensão constante e uma resistência interna
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MODELO SIMPLIFICADOS
• Queda de tensão constante
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Outros tipos de diodos
● Diodo zener
– Associação de diodos
– Características básicas
– Regulação de tensão
● Fotodiodos e LEDs
– Conceitos básicos
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ASSOCIAÇÃO DE DIODOS
• Em série
– Diodo ideal
• Existe diferença entre um circuito com um diodo ou vários em série?
– Diodo real
• Mas o que acontece caso consideremos, por exemplo, um modelo de queda de tensão constante?
• Em paralelo
– O que acontece neste caso?
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DIODO ZENER
• Características básicas
– Conhecido também como diodo de ruptura, é um dispositivo projetado para operar na região de ruptura
– Ruptura causada pelos efeitos zener (ou breakdown, V menos elevadas) e avalanche (V mais elevadas)
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DIODO ZENER
• Exemplo
– Considere que o diodo em questão possui as seguintes características: VZ = 6,8 V com Iz = 5 mA, rZ = 20 Ω e IZK = 0,2 mA
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DIODO ZENER
• Exemplo
– Primeiramente, considerando o modelo simplificado de um diodo zener, obtém-se VZO = 6,7 V
– Caso não haja carga alguma conectada e a tensão de alimentação for 10 V, teremos
– Ainda sem carga conectada, variações de 1V na tensão de alimentação produzirão a seguinte variação na tensão de saída
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DIODO ZENER
• Exemplo
– Conectando-se uma carga 2 kΩ, a corrente na carga será de aproximadamente 6,8 V/2 kΩ = 3,4 mA. Portanto, a variação na corrente zener será de ΔIZ = –3,4 mA, e a correspondente variação na tensão zener (tensão de saída) será então de
– Porém, caso seja conectada uma carga de 0,5 kΩ, esta irá drenar uma corrente de carga de 6,8/0,5 = 13,6 mA. Isso não é possível, visto que a corrente I que circula por R é de apenas 6,4 mA (para V+ = 10 V). Portanto, o zener deve estar em corte. Se esse for realmente o caso, então VO é determinado pelo divisor de tensão formado por RL e R, ou seja
Confirmando que o diodo está em corte nessa condição
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DIODO ZENER
• Aplicações
– Regulação de tensão
• Deve rejeitar variações na tensão de alimentação e na impedância da carga
• Atualmente, devido a limitações em termos de potência fornecida e consumo, circuitos integrados mais sofisticados são usados para regulação de tensão
– Ex: LM78xx
– Limitadores de tensão
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FOTODIODOS e LEDs
• Eletroluminescência
– Princípio de funcionamento
• Tipos
– Fotodiodos
• Detector de luz
• Opera com polarização reversa
– LEDs
• Emissor de luz
• Maior tensão de offset,
menor tensão ruptura
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FOTODIODOS e LEDs
• Aplicações
– Fotodiodos
• Células fotovoltaicas
• Leitores óticos, detectores fumaça
– LEDs
• Luzes indicativas, segment display
• Lanternas, semáforos
– Tecnologias relacionadas
• LCD, Plasma, CCD, CMOS, ..
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Circuitos com diodos
● Exemplos de aplicações
– Limitadores
– Grampeadores
– etc
• Retificadores de tensão
– Retificador de meia onda
– Retificador de onda completa
– Filtros para fontes de alimentação
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CIRCUITOS ADICIONAIS COM DIODOS
• Circuitos limitadores
– Aplicação em circuitos de proteção
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CIRCUITOS ADICIONAIS COM DIODOS
• Circuitos limitadores
– Limitadores positivos
– Limitadores negativos
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CIRCUITOS ADICIONAIS COM DIODOS
• Circuitos limitadores
– Limitadores polarizados
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CIRCUITOS ADICIONAIS COM DIODOS
• Circuitos limitadores
– Combinando dois limitadores polarizados
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CIRCUITOS ADICIONAIS COM DIODOS
• Circuitos limitadores
– Limitadores com diodos Zener
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CIRCUITOS ADICIONAIS COM DIODOS
• Circuitos grampeadores
– Restauradores de tensão CC
– Grampeador negativo
– Como funciona esse circuito?
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CIRCUITOS ADICIONAIS COM DIODOS
• Circuitos grampeadores
– Restauradores de tensão CC
– Grampeador negativo
– Como funciona esse circuito?
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CIRCUITOS ADICIONAIS COM DIODOS
• Circuitos grampeadores
– Grampeador positivo polarizado
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CIRCUITOS ADICIONAIS COM DIODOS
• Circuitos adicionais
– O que faz o circuito abaixo?
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É um dobrador de tensão.
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CIRCUITOS RETIFICADORES
• Passos
(1) O transformador proporciona uma tensão adequada e isola o circuito
(2) Converte a senoide em uma onda pulsante
(3) Tais pulsos ou variações são filtradas pelo circuito subsequente
(4) Por fim, para reduzir os efeitos devido a variações na fonte de alimentação e na carga, utiliza-se um regulador de tensão
Diagrama de blocos básico de uma fonte de alimentação CC.
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CIRCUITOS RETIFICADORES
• Retificador de meia onda
– É o circuito retificador mais simples (ilustrado na figura (a))
– Apenas metade dos semiciclos da senoide é aproveitada
– Para o caso ideal, vRMS = 0,5 VS
– Caso consideremos um modelo de queda de tensão constante do diodo teremos o resultado mostrado em (d)
– Para se obter uma fonte de tensão negativa, basta inverter o diodo
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CIRCUITOS RETIFICADORES
• Retificador de meia onda
– Caso consideremos o modelo linear por partes, teremos
– Daí, como em muitas aplicações rD « R, a tensão durante o semiciclo positivo pode aproximada por
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CIRCUITOS RETIFICADORES
• Especificações para diodos em circuitos retificadores
– Dois aspectos básicos devem ser considerados
(1) A capacidade de condução de corrente exigida não pode ultrapassar a corrente máxima suportada pelo diodo
(2) A tensão de pico inversa (PIV), que representa o valor máximo de tensão que o diodo deve suportar
– Devido à região de ruptura
– Em relação ao retificador de meia-onda
(1) A corrente máxima será dada pela resistência R
(2) É fácil ver que
– Para o diodo 1N4007, a corrente máxima suportada é 1A, enquanto a tensão de ruptura encontra-se em torno de 1000V
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CIRCUITOS RETIFICADORES
• Retificadores de onda completa
– Ambos semiciclos são utilizados
– Para proporcionar uma saída unipolar, o semiciclo negativo da onda senoidal é invertido
– Circuito utilizando transformador com derivação central
• Há uma defasagem de 180º entre as saídas do transformador
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CIRCUITOS RETIFICADORES
• Retificadores de onda completa
– Um retificador de duas polaridades
usando o mesmo circuito
– Retificador em ponte
• Não exige transformador com tomada central
• Contudo, requer 4 diodos
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CIRCUITOS RETIFICADORES
• Retificadores de onda completa
– Semiciclo positivo
– Semiciclo negativo
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CIRCUITOS RETIFICADORES
• Retificadores de onda completa
– E no caso de um transformador trifásico?
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CIRCUITOS RETIFICADORES
• Filtros para fontes de alimentação
– Analisaremos o que pode ser feito considerando um retificador de meia onda
– Considerando primeiramente um circuito aberto, em que o diodo é ideal
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CIRCUITOS RETIFICADORES
• Filtros para fontes de alimentação
– Agora vamos considerar que uma carga foi acoplada ao circuito
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CIRCUITOS RETIFICADORES
• Filtros para fontes de alimentação
– Durante a condução do diodo
– Durante o corte do diodo
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EXEMPLO DE EXERCÍCIO
• Projeto de uma fonte de tensão CC
– Especificações
• Retificação em ponte de diodos
• Tensão de saída vO = 12 V
• Flutuação máxima do circuito retificador, vRipple = 1 V
• Carga RL = 120 Ohm
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EXEMPLO DE EXERCÍCIO
• Projeto de uma fonte de tensão CC
(1) Tensão vRMS do transformador
• A tensão do transformador será a calculada a partir da tensão vO, e somada às quedas nos dois diodos
• Assim, a especificação do transformador será vRMS = (vO - 2 vD0) / sqrt(2)
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EXEMPLO DE EXERCÍCIO
• Projeto de uma fonte de tensão CC
(2) Especificação do capacitor
• Quando o diodo não está conduzindo, a descarga do capacitor se dá pela seguinte equação
• Entretanto, pode-se simplificar tal cálculo. Partindo de..
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EXEMPLO DE EXERCÍCIO
• Projeto de uma fonte de tensão CC
(3) Fusíveis
• Em um transformador há mínima dissipação de potência. Assim, temos as seguintes relações
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EXEMPLO DE EXERCÍCIO
• Projeto de uma fonte de tensão CC
(3) Regulação CC
• Uma alternativa para a regulação é baseada em diodos Zener
• A ideia é usar um circuito como ilustrado abaixo
• em que V+ representa a tensão proveniente do circuito retificador e a resistência associada deve ser escolhida de modo a garantir que a tensão V
O seja maior que V
Z0, a tensão de regulação
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