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DÍODOS
Índice
Introdução
Electrões Livres e Lacunas. Condução
Dopagem
Junção P-N
Polarização Directa
Polarização Inversa
Comportamento do Díodo
Característica
Folhas de Dados
Circuitos com Díodos
Recta de Carga
Aproximações à Característica
Circuitos de Rectificação. Dimensionamentos
1. Rectificação de Meia Onda
2. Rectificação de Onda Completa (Ponte de Graetz)
Filtragem da Onda de Saída
Tensão de Ripple
Outros Circuitos com Díodos
1. Limitadores
2. Fixadores
3. Multiplicadores
Díodos Especiais
1. LED – Light Emissor Diode
2. Fotodíodo
3. Díodo Zener
Folha de Características de Díodos Zener
ANEXO
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5
5
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9
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Díodos
Introdução
Os materiais mais utilizados na Indústria Electrónica podem ser classificados, para além de outras formas, de acordo com a facilidade com que conduzem a corrente eléctrica. Assim temos:
Materiais Bons Condutores – os metais que, por os seus átomos apresentarem na última camada um ou dois electrões que se libertam facilmente e se tornam susceptíveis de conduzir a corrente eléctrica, têm resistividades muito baixas, (da ordem dos 10-6 a 10-5 Ω.cm), pelo que são utilizados com esse objectivo específico;
Materiais Maus Condutores ou Isoladores – os que são utilizados como
isolantes, por terem resistividades muito altas, de 106 a 1020 Ω.cm, dado
que, por os seus átomos terem as últimas camadas atómicas preenchidas,
ou quase, têm muito poucos electrões livres;
Ligas Resistivas – são ligas metálicas, ainda consideradas condutoras
mas, com resistividades superiores aos primeiros e que são utilizados no
fabrico de resistências de fio metálico;
Materiais Semicondutores – são materiais com resistividades de valores
entre os Bons Condutores e os Maus Condutores.
Os semicondutores não são nem bons condutores nem bons isoladores e
isso levaria a pensar que são de pouco interesse do ponto de vista eléctrico.
Porém, a sua utilização é muito importante, no fabrico de componentes electrónicos, precisamente porque têm propriedades que nem os condutores nem
os isoladores possuem. Os elementos semicondutores mais importantes são: o
Silício e o Germânio.
Caracterizam-se por os seus átomos terem 4 electrões na última camada, (o que é uma situação intermédia entre os metais bons condutores e os isoladores). No caso dos
semicondutores, a ligação entre os
átomos é de tipo covalente, (recordese que existem basicamente dois tipos
de ligações, a electrovalente, em que
os átomos são atraídos entre si, por
forças electrostáticas e a covalente):
nesta, os átomos mantém-se ligados
por interpenetração das suas partes
periféricas, isto é, átomos vizinhos
Átomo de Silício
partilham, entre si, os referidos electrões, dando origem a ligações fortíssimas.
O silício tem, no seu átomo, 14 electrões: 2 + 8 + 4; o germânio tem 32: 2 +
8 + 18 + 4.
Dado que os fenómenos que nos interessam do ponto de vista da electrónica, se passam a nível da última camada electrónica, vamos passar a representar o átomo do semicondutor, de acordo com a seguinte figura, em que o
núcleo e as camadas de electrões, excepto a última são representados por
uma circunferência, com carga positiva, uma vez que lhes faltam os 4 electrões da última camada e esta última camada é representada mais em pormenor:
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Díodos
Átomos vizinhos unem-se, como vimos, partilhando entre si os 4 electrões
da última camada, cada um dos quais fica a pertencer indiscriminadamente a
dois átomos:
Ligação Covalente
Electrões Livres e Lacunas. Condução
Um pedaço de semicondutor, à temperatura ambiente, apresenta alguns
electrões livres que se libertaram das respectivas ligações entre os átomos, o
que explica a existência de alguma condutividade do material. Em cada uma
destas ligações, fica a falta um electrão, o que representa a existência de uma
carga positiva, a que se dá o nome de Lacuna, (ver figura anterior). Se a temperatura aumentar, mais electrões livres e lacunas aparecerão, pelo que o
aumento da temperatura faz baixar a resistividade do material: os semicondutores, ao contrário dos bons condutores e tal como o carvão, apresentam coeficientes de temperatura negativos.
A condução, através de um material semicondutor, submetido a uma tensão eléctrica, é feita por dois mecanismos: os electrões livres deslocam-se para
o lado a potencial positivo, enquanto que outros vão preencher as lacunas
mais próximas, deixando novas lacunas no seu lugar e aparentemente, haverá
um deslocamento de lacunas, por saltos, para o lado do potencial negativo.
Assim, existem dois tipos de portadores de carga: os electrões livres, como nos
metais, a fluírem para o terminal positivo, uma vez que são portadores negativos e as lacunas, deslocando-se para o lado do terminal negativo.
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Díodos
Dopagem
Se, ao semicondutor, no estado puro, (Semicondutor Intrínseco), se juntar
uma pequena percentagem de impurezas de um elemento com 5 electrões na
última camada, por exemplo, o fósforo ou o arsénio, os átomos deste vão integrar a estrutura mas, como têm 5 electrões de valência, apenas quatro entram
em ligações covalentes, ficando o quinto, em liberdade, o que vai aumentar o
número de electrões livres. pelo que a este tipo de impurezas se dá o nome de
Impureza Dadora e ao material, assim obtido, Semicondutor de Tipo N. Notese que um semicondutor de tipo N tem uma carga total neutra, (as cargas
positivas, todas somadas, continuam a equilibrar e a anular as cargas negativas), embora apresente mais electrões livres do que lacunas.
Se, pelo contrário, se juntar um elemento que tenha 3 electrões nas últimas camadas dos seus átomos, como o gálio ou o índio, vão ficar ligações
incompletas, isto é formadas por um electrão e uma lacuna. Impurezas deste
tipo chamam-se Impurezas Aceitadoras e dão origem a Semicondutores de
Tipo P, uma vez que apresentam mais lacunas positivas do que electrões
livres, embora, globalmente, continuem electricamente com carga neutra.
Em qualquer dos casos, isto é, quando o semicondutor contém impurezas,
chama-se Semicondutor Extrínseco e apresenta resistividades centenas de
vezes mais altas do que as dos semicondutores intrínsecos, dado o aumento
de portadores de carga.
Em resumo do que se disse, a introdução de certas impurezas, dopagem,
dá origem a semicondutores extrínsecos que podem ser de dois tipos:
Tipo N: Nestes, a estrutura é constituída por iões fixos positivos, constituídos pelos átomos da impureza dadora que perderam um electrão e por
portadores de carga de dois tipos, electrões livres e lacunas, sendo os
primeiros, maioritários.
Tipo P: Provenientes da junção de impurezas aceitadoras, são constituídos por iões fixos, negativos e cargas móveis dos dois tipos, em que as
maioritárias, são as lacunas.
Junção P-N
Juntando uma pastilha de semicondutor de tipo N, a outra de semicondutor do tipo P, ficamos com uma pastilha a que se costumam dar os nomes de
Díodo ou Junção P-N.
Na zona de fronteira, os electrões livres, em grande número no lado N, têm
tendência a passar para o lado P, deixando lacunas novas, no lado de onde
saíram e preenchendo outras, no lado P, o que corresponde a que, também, a
partir deste lado, algumas lacunas vão atravessar a fronteira, de acordo com
um fenómeno de homogeneização, em que os portadores maioritários, de cada
lado tendem a passar para o lado onde são minoritários.
Este fenómeno faz com que a camada de tipo N fique com uma carga global
positiva e a de tipo P fique com uma carga negativa. Estas cargas eléctricas de
sinais contrários concentram-se na zona da junção, dando origem a um campo eléctrico que, a partir de certo valor, impede que o deslocamento de carga
continue: os electrões livres, vindos do lado N, ao aproximar-se da junção,
passam a encontrar uma carga negativa que os repele, enquanto que as lacunas encontram, por sua vez, uma carga positiva, à entrada do lado N, que
produz o mesmo efeito.
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Díodos
Como consequência deste facto, a zona da junção
funciona, a partir de certo valor, como uma barreira
de potencial que impede a continuação do deslocamento de cargas.
Díodo
Esta barreira de potencial traz, ao díodo um comportamento específico: se
lhe aplicarmos uma diferença de potencial entre os dois lados, ligando-o a
uma fonte de energia exterior, assistimos a dois fenómenos diferentes, consoante a ligação que fizermos:
Polarização Directa
Nesta situação, ligamos o terminal positivo da fonte ao lado P: a tensão
aplicada diminui e, se for suficiente, anula a barreira de potencial, na zona da
junção; os electrões livres do lado N são atraídos para o pólo positivo e, não
tendo nada a opor-se, atravessam a junção, enquanto que as lacunas do lado
P são atraídas para o pólo negativo, atravessando, também elas, a junção. A
fonte injecta novos electrões no lado N e estes vão-se combinar com as lacunas que atravessaram a junção. Temos, assim, passagem de corrente eléctrica, através do corpo do díodo.
Polarização Inversa
Se ligarmos o terminal positivo da fonte ao lado N e o terminal negativo, ao
lado P, a barreira de potencial da junção aumenta: alguns electrões do lado N
são atraídos para o pólo positivo da fonte e o pólo negativo desta injecta electrões que anulam lacunas do lado P, ficando o lado N com mais cargas positivas do que tinha e o lado P com mais cargas negativas e, portanto, o campo
eléctrico que existia, mais forte. Assim, não há possibilidades de as cargas
eléctricas maioritárias atravessarem a junção e não há corrente eléctrica,
através do díodo, a não ser uma pequeníssima corrente de fuga, correspondente à formação de mais alguns pares electrão livre - lacuna, devida ao
aumento de temperatura no díodo.
Comportamento do Díodo
Assim, um díodo conduz, (deixa-se percorrer por
corrente), do lado P para o lado N, isto é, a corrente
em sentido convencional passa do lado P para o lado
N, (o que corresponde, como já vimos, a dois fluxos
de sentidos contrários, de electrões e de lacunas) e
não conduz, no sentido inverso. Dado que para conduzir, é preciso ligar o lado P ao pólo positivo e o lado
N, ao negativo da fonte, chama-se Ânodo ao primeiro
e Cátodo ao segundo. O símbolo do díodo, utilizado
em esquemas eléctricos ilustra esta diferença de
comportamento:
Símbolo do Díodo
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Díodos
Quanto ao material semicondutor de que são formados, existem dois tipos
de díodos que para além de outras diferenças, apresentam a seguinte:
- Os de sílicio que necessitam de uma diferença de potencial da ordem
dos 0,7 V, no sentido directo, isto é, do ânodo para o cátodo, para conduzirem;
- Os de germânio em que a tensão mínima de condução é de, cerca de,
0,2 V, no sentido directo.
Existem, como veremos, díodos fabricados à base de outros materiais, mas
destinam-se a fins específicos. Os díodos de que temos vindo a tratar são destes dois tipos.
Característica
Dá-se o nome de Característica de Condução de um componente, ao gráfico da
variação da corrente que o percorre, em função da tensão que lhe é aplicada aos terminais.
No caso do díodo, a característica de condução tem a seguinte forma que vamos analisar:
Característica do Díodo
A curva distribui-se pelos I e III Quadrantes do plano.
No primeiro quadrante do gráfico, em que a tensão e a corrente, do ânodo
para o cátodo, são positivas, verifica-se que, a partir de certa altura, (zona do
joelho, que corresponde a tensões próximas dos 0,7 V, para os díodos de silício e 0,2 V para os de germânio), a intensidade da corrente aumenta muito,
com a tensão.
A ligeira inclinação da curva, acima do joelho corresponde à resistência
interna que o díodo apresenta; esta inclinação, abaixo do joelho é muito maior
e corresponde a uma resistência muito maior. Assim, a resistência do díodo
depende, entre outros factores do valor da tensão aplicada, podendo ser calculada por:
RV =
Em que I1, U1 correspondem a um ponto da caracU 2 − U1
terística
e I2, U2, a outro ponto acima.
I 2 − I1
O produto da intensidade da corrente pela tensão, directas, corresponde a
uma potência de perdas por efeito de Joule que corresponde a energia que é
libertada sob a forma de calor, o que vai aquecer o díodo e, em particular, a
junção. Para evitar que a temperatura atinja valores perigosos, devemos ter o
particular cuidado de não ultrapassar os valores máximos da corrente directa
e da potência dissipada, fornecidos pelos fabricantes e, os díodos em que a
corrente é elevada, devem ter dissipadores térmicos, em geral de alumínio.
No terceiro quadrante, (em que as escalas dos eixos são muito maiores,
para permitir visualizar a variação da corrente), a corrente e a tensão, do ânodo para o cátodo, são negativas, isto é, são corrente e tensão inversas. Nestas
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Díodos
condições, só começa a haver corrente significativa, para valores elevados da
tensão, o que corresponde à destruição do díodo. A corrente, para tensões
inversas, abaixo do ponto de destruição, (zona do joelho, neste quadrante), é
da ordem dos µA e é uma corrente de fugas que já foi referida como correspondente à formação de novos pares de electrão livre – lacuna, devido a
aumento de temperatura.
É evidente que, para evitar a destruição do díodo, em situações de polarização inversa, se deve evitar ultrapassar a tensão indicada pelo fabricante como
tensão de ruptura.
Folhas de Dados
As folhas de dados fornecidas pelos fabricantes são conhecidas pela designação de Datasheets.
Ao dimensionarmos circuitos com díodos, temos de ter o cuidado de não
ultrapassar os valores de algumas grandezas que constam dessas folhas, que
são máximos. Para isso, é importante conhecer o significado dessas grandezas.
Na página seguinte, é apresentado o exemplo de uma destas folhas cujos
dados mais importantes iremos analisar.
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Díodos
Exemplo de Datasheet
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Díodos
As principais grandezas, a que devemos dar atenção, são as seguintes:
VRRM e VR – Tensões Inversas de Pico Repetitivo e Contínua, respectivamente: são valores que levam à destruição do díodo, pelo que, ao dimensionar circuitos, deve utilizar-se um factor de segurança de 2, o que significa que o valor máximo da tensão inversa a aplicar ao díodo é UR / 2.
IF – Corrente Contínua Directa: é a corrente máxima que pode passar no
díodo sem provocar aquecimento exagerado. Aconselha-se a utilizar um factor
de segurança de 5, já que quanto mais elevada for a corrente maior o aquecimento.
Ptot – Potência Dissipada: é o valor máximo de PD = UD.ID. Quanto maior for
um dos factores, menor terá de ser o outro, para que PD < Ptot.
VF – Tensão Directa: depende da corrente.
Por exemplo, no caso do 1N4448, o fabricante garante que para I = 5 mA, a
tensão pode variar entre 0,62 e 0,72 V; mas se I = 100 mA, a tensão pode ir
até 1 V.
IR – Corrente Inversa: é a corrente que aparece no III quadrante da característica.
Circuitos com Díodos
Vamos analisar o seguinte circuito, em que o díodo é de silício
Existem duas hipóteses:
Se U < 0,7 V, o díodo está ao corte, não há corrente na resistência e, nesse
caso, UD = U.
Se U ≥ 0,7 V, o díodo está à condução e nesse caso,
U − UD
ID =
R
Mas, quanto é UD? Sabemos que é cerca de 0,7 V mas não sabemos exactamente.
Vamos ver como se resolve este problema.
Recta de Carga
A equação de ID é a equação de uma recta, chamada recta de carga, que
podemos determinar, a partir de 2 pontos:
Se fizermos UD = 0, vem ID = U / R e temos as coordenadas do primeiro
ponto A = (0, U/R); se fizermos UD = U, fica ID = 0. Estas são as coordenadas
do ponto B = (U, 0);.
Por exemplo, se U = 3 V e R = 300 Ω, as coordenadas são (3; 0), para o primeiro ponto e (0; 0,01), para o segundo.
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Díodos
Se desenharmos esta recta sobre a característica do díodo, a intersecção
desta com a recta é o ponto Q, cujas coordenadas, (UD, ID) dão os valores que
pretendemos determinar:
É costume representar por Q, o ponto de funcionamento.
Para uma análise simples do gráfico, assim, obtido, notem-se os seguintes
pontos:
Uma resistência maior daria origem a que a ordenada do ponto A
diminuísse, o que "baixaria" o ponto Q: a corrente e a tensão no díodo
baixavam; por outro lado, uma maior tensão da fonte, implicaria que a
ordenada de A e a abcissa de B aumentassem, dando origem a uma recta
paralela e fazendo com que o ponto Q se deslocasse para cima, o que
corresponderia a um aumento da corrente e a uma queda de tensão, no
díodo, também um pouco maior.
A análise da figura permite ainda verificar que, se o valor da resistência fosse muito baixa, a ordenada do ponto A aumentaria muito, o que
faria subir muito o ponto Q e a corrente, através do díodo seria muito
elevada, podendo apresentar valores perigosos, em termos de aquecimento exagerado. Daí que, em geral, associada a um díodo, apareça
sempre uma resistência em série.
Aproximações à Característica
Como a característica do díodo é uma curva, torna difícil a determinação de
UD e ID. Mas podemos fazer aproximações que facilitem o trabalho.
Uma primeira aproximação consiste em considerar o díodo como um interruptor automático que abre, quando não está polarizado directamente e fecha,
no caso contrário:
É o Díodo Ideal que conduz se UD ≥ 0 e bloqueia, se
UD < 0. O esquema equivalente e a característica estão
representados, ao lado.
Esta aproximação pode ser feita se U >> 0,7 V: se, por
exemplo, na figura anterior, U = 50 V, a tensão na resistência seria cerca de 49,3 V. Mas considerar 50 V é
cometer um erro relativamente pequeno, aceitável na
maior parte dos casos.
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Díodos
Uma segunda aproximação consiste em considerar
que, desde que o díodo esteja à condução, a sua queda
de tensão é constante e igual a 0,7 V. Nesse caso, o
esquema equivalente apresenta uma fonte de 0,7 V, em
série com o interruptor. É a aproximação que se faz, na
maior parte dos casos.
Uma terceira aproximação, mais precisa, é considerar, além da fonte, a resistência do díodo, responsável pela ligeira inclinação da característica:
A resistência RD pode ser calculada por:
Em que U1, I1 são as coordenadas de um ponto da caU 2 − U1
RD =
racterística
e U2, I2, as coordenadas de outro ponto, aciI 2 − I1
ma.
Por exemplo, a folha de dados do 1N4448 indica que para ID = 100 mA, a
tensão UD é de 1 V. Como o díodo é de silício, sabemos que começa a conduzir
a 0,7 V e que com esta tensão, ID ≈ 0.
Então, podemos aplicar na fórmula os seguintes valores: U2 = 1 V, I2 = 100
mA, U1 = 0,7 V e I1 = 0 e chegamos a RD ≈ 3 Ω.
Vamos aplicar estas aproximações ao circuito anterior.
Na Primeira Aproximação, os esquemas equivalentes são:
Como a tensão é de 3 V, o interruptor está fechado e vem:
ID = 3/300 = 10 mA e UD = 0 V
Segunda Aproximação
ID =
3 − 0,7
= 7,67mA e UD = 0,7 V
300
Terceira Aproximação
ID =
3 − 0,7
= 7,59mA e UD = 0,7 + 3 × 0,00759 = 0,72 V
3 + 300
As duas últimas aproximações dão praticamente o mesmo resultado, pelo
que a segunda, que é mais simples, é a mais utilizada.
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Díodos
Circuitos de Rectificação. Dimensionamentos
1. Rectificação de Meia Onda
Uma aplicação importante dos díodos, relacionada directamente com o facto de conduzirem, apenas num sentido, é na rectificação da corrente alternada. Vejamos o seguinte circuito, semelhante ao anterior, excepto em que a
tensão aplicada é alternada sinusoidal:
Numa primeira análise, vemos que: nas alternâncias positivas da tensão, o
díodo fica polarizado directamente, a corrente passa e a tensão na resistência,
se considerarmos o díodo como ideal, isto é sem queda de tensão e sem resistência interna, apresenta, em cada instante, valores iguais aos da fonte; nas
alternâncias negativas, o díodo fica polarizado inversamente e corta a corrente, pelo que a tensão na resistência se anula. Assim, teremos na fonte e na
resistência, tensões com as seguintes formas:
A corrente na carga nunca muda de sentido, pelo que se pode considerar
contínua, embora não constante. Durante os intervalos de tempo, em que a
tensão na fonte apresenta valores negativos, não existe corrente, (nem tensão), na carga e, por isso, este circuito chama-se de Rectificação de Meia
Onda.
O valor da tensão na carga é o valor médio dos valores instantâneos de uo e
pode ser calculado pela fórmula seguinte, em que Ui é o valor eficaz da tensão
na fonte:
Uo =
2. Ui
π
≈ 0,45. Ui
Um problema que se costuma pôr, nos circuitos de rectificação, é o de
saber qual é a tensão a aplicar na entrada, que é, geralmente, a tensão no
secundário de um transformador, para se obter uma dada tensão contínua,
na carga. A equação acima, para além de permitir determinar o valor da tensão na carga, sabendo a tensão à entrada, pode ser alterada para determinar
a tensão eficaz no secundário do transformador.
Durante os intervalos de tempo em que o díodo está ao corte, toda a tensão
da fonte fica aplicada sobre ele, uma vez que não havendo corrente, não há
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Díodos
queda de tensão na carga. A tensão inversa, isto é, a tensão positiva, aplicada
no díodo, do cátodo para o ânodo, é designada por UR. O valor máximo desta
tensão é:
2. U i
O díodo deve ser dimensionado para suportar tensões inversas, sem atingir
a ruptura. As folhas de dados, fornecidas pelos fabricantes, dão-nos o valor de
VRRM, (valor de pico repetitivo da tensão inversa), para os diferentes díodos.
Um outro cuidado a ter, na escolha do díodo é determinar o valor médio da
corrente que o percorre e que pode ser calculado, dividindo a tensão média,
na resistência de carga, Uo, pelo valor desta. Para cada díodo, o limite deste
valor é designado, nas folhas de dados, por IF, (valor médio da corrente directa). Utilizam-se factores de segurança de 2 e 5, respectivamente, para a tensão
inversa e para a corrente directa.
Em resumo, o díodo deve ser escolhido de modo a que:
V R > 2. 2. U i
2. Ui
R
em que Ui é o valor eficaz da tensão de entrada.
IF > 5.
2. Rectificação de Onda Completa (Ponte de Graetz)
Um circuito muito vulgarizado para fazer a rectificação completa é o de
Ponte de Graetz.
Nesta, temos quatro díodos que conduzem ou cortam a corrente, em grupos
de dois, de cada vez, de modo a que a tensão aplicada na resistência de carga
vai corresponder às duas alternâncias:
Observe-se que o período da onda de saída é metade do da entrada, ou
seja, a onda rectificada tem o dobro da frequência da tensão aplicada.
O esquema da ponte de Graetz é o que se pode ver na seguinte figura:
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Díodos
Nas alternâncias positivas, os díodos D1 e D3 ficam polarizados directamente e conduzem, enquanto que os outros dois estão ao corte. A corrente, na resistência, passa da esquerda para a direita.
Nas alternâncias negativas, são os díodos D1 e D3 que ficam ao corte e os
díodos D2 e D4 que conduzem a corrente que passa na resistência, no mesmo
sentido.
Note-se que a cada um dos terminais da entrada, estão ligados o ânodo e o
cátodo de dois díodos, enquanto que ao terminal positivo da resistência, por
onde entra a corrente, estão ligados os cátodos de dois díodos; ao terminal
negativo da resistência, estão ligados os ânodos dos díodos. Esta é uma boa
maneira de não nos esquecermos das ligações deste circuito.
Aqui, a tensão média na carga é o dobro da anterior:
Uo =
2. 2. Ui
π
U
I= o
R
A tensão máxima que cada díodo tem de suportar continua a ser igual ao
valor máximo da tensão da fonte, pelo que o díodos devem ser escolhidos de
modo que:
V R > 2. 2. U i
Filtragem da Onda de Saída
Dado que, ao fazer a rectificação, de meia onda ou de onda completa, se
pretende obter corrente contínua, interessa alisar o mais possível, a onda de
saída. Esse efeito é, em geral, conseguido pela ligação de um condensador, em
paralelo com a resistência da carga, como é mostrado na figura seguinte, em
que o rectângulo com o díodo simboliza um circuito de rectificação qualquer.
No início de cada alternância, a tensão começa a subir, à saída do rectificador e, até ao momento em que atinge o valor máximo, vai carregar o condensador. Depois de atingido o máximo, a tensão começa a descer e o condensador, carregado, vai manter a tensão do lado do(s) cátodo(s), o que mantém o(s)
díodo(s) ao corte, durante mais alguns instantes. Entretanto, o condensador
começa a descarregar-se sobre a resistência, com uma dada constante de
tempo, até que a tensão do ânodo volta a ser superior à do cátodo e o díodo
volta a conduzir.
A descarga do condensador é feita segundo uma curva como a da figura:
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Díodos
Se a constante de tempo, que é dada por:
em que C é o valor da capacidade do condensador
τ = R.C
for suficientemente maior do que o período, a tensão aplicada à resistência da
carga não chega nunca a ter valores instantâneos próximos de zero.
Numa rectificação de onda completa, a tensão que aparece na resistência é
representada, a cheio, na seguinte figura, em que a ponteado, se representa a
tensão, sem filtragem.
Como se pode ver, a tensão é mais estável e o seu valor médio aumenta,
uma vez que os mínimos sobem. Para se obter um maior alisamento, pode utilizar-se um condensador com maior Capacidade, o que, aumentando a constante de tempo, faz com que a descarga demore mais tempo. Mas, como a
constante de tempo também é proporcional à resistência de carga, se esta é
pequena, será necessário um condensador muito grande.
Tensão de Ripple
Numa rectificação, com filtro, dá-se o nome de tensão de Ripple, (URip), à diferença entre os valores máximo e mínimo da tensão na carga. É evidente que
o seu valor deve ser o menor possível, o que é sinal de que a tensão de saída
apresenta o mínimo de variação.
Vejamos as seguintes figuras, referentes à tensão de saída de uma rectificação de meia onda, depois de filtrada:
Se τ >> T, a tensão aplicada pode ser aproximada a uma linha recta.
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Díodos
Com esta aproximação, podemos dizer que o tempo que demoraria a descarregar-se completamente, τ, está para a tensão UMax, assim como o tempo de
descarga, (t2-t1 ≈ T), está para a descarga efectuada (UMax-Umin = URip):
τ
UMax
=
T
URip
pelo que a tensão de ripple é dada por:
URip ≈
T
τ
. UMax =
T
τ
. 2.U =
2.U
f .R.C
Como se vê, URip é tanto menor quanto maior for a constante de tempo, isto
é, o produto RC, o que se compreende, uma vez que quanto mais tempo o
condensador levar a descarregar, mais alta é a tensão mínima e, portanto
menor é a diferença para a máxima.
No caso de uma rectificação de onda completa, o numerador da fracção é
T/2, o que faz diminuir para metade, a tensão de ripple, para os mesmos valores de R e de C.
Para obter uma dada tensão de ripple, devemos dimensionar o condensador, a partir da equação anterior:
2.U
C=
f .R. URip
A tensão média na carga, pode ser calculada por:
Uo = UMax −
URip
2
Exemplo de Cálculo
Como exemplo e para verificar, a melhoria, podemos calcular a tensão média de uma rectificação de onda completa, com e sem filtragem:
Supondo uma tensão de entrada no rectificador de 12 V, 50 Hz e uma
resistência de carga de 3000 Ω, de acordo com o esquema,
temos, para valor médio da tensão de saída, sem rectificação:
Uo ≈ 0,9 × 12 = 10,8 V
Neste caso, a tensão de ripple será igual à tensão máxima, uma vez que não
é filtrada.
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Díodos
A frequência da onda rectificada é o dobro da tensão aplicada, portanto 100
Hz. O condensador para o filtro, de modo a que a tensão de ripple não exceda,
por exemplo, 0,5 V, será:
2 × 12
C>
= 113,1µF
100 × 3000 × 0,5
Podemos utilizar, por exemplo, um condensador de 150 µF.
A tensão de ripple é, de acordo com a condição imposta, inferior a 0,5 V,
pelo que o valor da tensão média, na carga será:
Uo > 2 × 12 −
0,5
= 16,7V
2
Outros Circuitos com Díodos
Para além da rectificação, existem muitas outras aplicações para os díodos.
Vamos ver algumas, analisando outros tipos de circuitos que incluem díodos.
1. Limitadores
Um tipo de circuitos que envolve Díodos é os chamados Limitadores. Eles
cortam pedaços de alternâncias, limitando os valores máximos das ondas, nas
resistências de carga. Vejamos um primeiro exemplo:
Supõe-se que o valor máximo da tensão alternada, à entrada do circuito é
maior do que a tensão de referência, fornecida pela fonte CC e que a resistência R2 é muito maior do que R1, de modo que a corrente que vai para a carga
seja desprezável, face à que sai da fonte CA.
A equação da primeira malha do circuito é:
Ui = R1.I + UD + URef
De onde se pode tirar a expressão de UD:
UD = Ui – R1.I – URef
Por outro lado, a tensão na carga é dada por:
Uo = UD + URef = Ui – R1.I
Como sabemos, para o díodo começar a conduzir, é necessário que tenha
uma tensão directa próxima dos 0,7 V. Por isso, enquanto a tensão alternada,
Pág. 17
Díodos
depois de passar por zero, começa a subir e, antes de atingir o valor de referência, o díodo fica polarizado inversamente: não havendo queda de tensão
em R1, toda a tensão alternada aparece em R2.
Depois de a tensão alternada atingir um valor maior ou igual a 0,7 + URef, o
díodo começa a conduzir e a tensão na carga é de URef + 0,7 V. Neste caso, o
resto da tensão alternada fica na resistência R1.
Se desprezarmos os 0,7 V, face às tensões de referência e alternada, as curvas das tensões de entrada e de saída são:
Existem muitas outras configurações para este tipo de circuitos, consoante
o que se pretende cortar das ondas de entrada. Como exemplos, propõe-se a
análise dos seguintes:
2. Fixadores
São circuitos em que, ao díodo é associado um elemento que pode armazenar energia, como o condensador. Nesse caso, a saída depende, em cada instante da entrada e do seu próprio valor anterior. Chamam-se fixadores porque
a tensão de saída é fixada num dado valor, a partir do qual não lhe é permitido subir, ou descer, conforme os casos.
Vejamos o seguinte exemplo, em que R.C >> T:
A equação da malha é: ui = -uc + uo, ou seja: uc = uo – ui. Durante a primeira alternância positiva, a corrente passa pelo condensador e pela resistência; durante a primeira alternância negativa, a corrente passa pelo condensador e pelo díodo e o condensador carrega no sentido indicado, até ao valor
máximo de ui: o díodo está à condução com uma tensão de 0,7 V.
Pág. 18
Díodos
Depois, quando a tensão ui começa a subir, como a tensão do condensador
é maior, o díodo vai ficar polarizado inversamente e o condensador não tem
tempo de descarregar sobre R. A tensão uo = uc + ui, acaba por ter o aspecto
indicado.
3. Multiplicadores
Multiplicador é um circuito que, a partir de uma tensão alternada, fornece
à saída uma tensão contínua que é um múltiplo do valor máximo da entrada.
Um exemplo de circuito multiplicador é o seguinte:
Neste caso, a tensão do primeiro díodo, semelhante à do primeiro circuito
fixador analisado, vai ser aplicada à segunda malha, rectificadora com filtragem. Só que agora, o condensador desta vai-se carregar até uma tensão que é
o dobro da tensão máxima da fonte de entrada. A tensão de saída deste circuito é uma tensão contínua, igual ao dobro da do condensador da primeira
malha:
Uo = 2.UiMax
Para obter tensões tripla, quádrupla, etc., basta ir acrescentando malhas
iguais à segunda.
Um outro circuito que multiplica o valor máximo da entrada por dois é o
seguinte, em que o díodo D1 conduz, durante as alternâncias positivas, permitindo a carga do condensador C1. O outro díodo conduz nas negativas, enquanto C2 se carrega. As tensões dos condensadores somam-se, para dar a
tensão de saída:
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Díodos
Díodos Especiais
Para além dos díodos que temos vinda a referir, existem outros com finalidades específicas. Vamos ver dois deles que têm uma aplicação generalizada:
os LEDs e os Zeners.
1. LED – Light Emissor Diode
O LED é um díodo que tem a particularidade de, transformar a energia necessária para conduzir, em luz, em vez de calor, como os outros díodos. O
LED foi construído, exactamente, para isso e, enquanto que os outros díodos
são de silício ou de germânio, os LEDs utilizam materiais como o gálio, o
arsénio e o fósforo, apresentando um invólucro, em plástico, que pode ter
diversas cores, sendo as mais comuns em verde, amarelo ou vermelho.
A tensão de condução deste tipo de díodos, está entre 1,5 e 2,5 V, (dependendo da cor), em vez dos 0,7 V dos díodos normais de silício. O brilho da luz
emitida depende da intensidade da corrente que pode ir de 10 a 50 mA. Estes
valores dependem do díodo e devem ser escolhidos com base em dados dos
fabricantes. No caso de não se ter acesso a esses dados, pode-se apontar para
2 V e 15 mA.
Dado que o brilho depende muito da intensidade da corrente, os circuitos
que alimentam os LEDs devem ser dimensionados de modo a garantir uma
corrente praticamente constante. Vejamos o caso do seguinte circuito para
alimentar um LED:
Para este circuito, podemos determinar o valor da Resistência, em função
da tensão de alimentação e da tensão que queremos, no LED, por:
R =
U − Uo
I
Podemos colocar uma fonte de, por exemplo 3 V e, supondo que a tensão
do LED é de 2 V, para obter uma intensidade de 15 mA, a resistência será de
200 Ω.
Agora, se colocarmos um LED que tenha a tensão de condução mais baixa,
1,5 V, a corrente será de 17,5 mA; se a tensão do LED for de 2,5 V, teremos
uma corrente de 12,5 mA. A diferença é de 5 mA, o que significa que o brilho
varia muito, em função do LED montado.
Vejamos os mesmos cálculos para uma tensão de alimentação de 20 V. A
resistência será de 1,2 kΩ e nas duas situações limite, teremos correntes de
15,8 e 14,6 mA, o que corresponde a uma diferença de 1,2 mA, insuficiente
para se notar diferença de brilho.
Conclusão: A tensão da fonte e a resistência devem ser o maior possível, já que isso minimiza possíveis variações da tensão de condução do
díodo a alimentar.
Pág. 20
Díodos
Para além de inúmeros aparelhos que utilizam LEDs, como sinalizadores
luminosos, uma aplicação muito comum, sobretudo em electrónica digital, é o
display de 7 segmentos, que é constituído por LEDs rectangulares, (sete, referenciados pelas letras de a a g, e um oitavo que representa o ponto decimal,
p), cada um dos quais pode acender independentemente, dos outros. Existem
displays em que todos os LEDs estão ligados pelos cátodos e outros que têm
ligados em comum, os ânodos. Estes dispositivos podem representar todos os
16 algarismos do sistema hexadecimal.
A seguinte figura representa um display de 7 segmentos, com os cátodos,
K, em comum: para acender, cada um dos segmentos precisa de ser alimentado com cerca de 1,8 V e absorve uma corrente de 15 a 20 mA.
Como se pode ver, para representar, por exemplo, o número 2, alimentam-se os LEDs: a, b, d, e e g.
A tensão, que no caso da seguinte
figura, é de 5 V, deve ser aplicada
através de resistências de 220 Ω, de
modo a limitar a intensidade da corrente.
Se o display for de ânodos comuns, o respectivo pino é ligado à alimentação
e as resistências são ligadas entre os cátodos correspondentes e a terra.
2. Fotodíodo
Outro díodo relacionado com efeitos luminosos é o fotodíodo.
Num díodo normal, o aumento de temperatura faz com que alguns electrões se libertem das respectivas ligações, dando origem a lacunas, o que tem
como efeito, o aumento da corrente inversa que é uma corrente de fugas, com
base nos portadores minoritários, (lacunas, no lado N e electrões livres, no
lado P).
Nos fotodíodos, é a recepção de luz que fornece energia para a formação de
pares electrão – lacuna. Assim, nestes díodos, a luz que recebem do exterior,
permite controlar a intensidade da corrente inversa: o fotodíodo é capaz de
detectar variações da intensidade luminosa.
Pág. 21
Díodos
fotodíodo
Um componente electrónico que aplica o fotodíodo é o opto–acoplador. Nele
existem um LED e um fotodíodo. Um opto-acoplador tem 4 terminais, dois dos
quais, (as entradas), são ligados à alimentação e os outros dois à carga.
Quando o LED está apagado, o fotodíodo corta a corrente a uma resistência de
carga; alimentando o LED, este acende e coloca o outro à condução:
Opto-Acoplador
A principal vantagem é isolar, do ponto de vista eléctrico, um circuito do
outro, visto que o único contacto entre eles é a luz emitida pelo LED. Apesar
de não haver ligação eléctrica, o interruptor permite comandar a corrente na
resistência de carga.
3. Díodo Zener
O díodo Zener é um tipo de díodo de silício, construído especialmente para
trabalhar em polarização inversa. Por isso, a tensão inversa de ruptura não o
destrói, se não se ultrapassarem determinados valores de corrente.
Existem díodos Zener para vários valores desta tensão, assim como para
várias potências de dissipação, sendo as mais comuns: 0,25, 0,5 e 1 W. A
tabela da página seguinte refere-se a díodos Zener com a potência de dissipação de 1 W.
A sua característica directa dos díodos Zener é semelhante à dos díodos
normais, pelo que, quando directamente polarizado, apresenta o mesmo funcionamento.
No terceiro quadrante da característica, a curva, depois do joelho é quase
uma recta vertical, o que permite dizer que para uma certa gama permitida de
correntes inversas, a tensão de saída é praticamente constante, pelo que os
díodos Zener são utilizados em circuitos estabilizadores de tensão. A figura
seguinte mostra o símbolo e a característica de um Zener:
Pág. 22
Díodos
Folha de Características de Díodos Zener
A referida gama de correntes vai desde um valor mínimo, que garante a tensão de Zener, (valor necessário para se ultrapassar a zona do joelho), até um
valor máximo (IZM), a partir do qual, a potência dissipada se torna perigosa
para o díodo.
O seguinte circuito em que se pretende que a tensão de saída, (Uo) seja
constante, independentemente das variações de Ro ou da tensão de entrada, é
um exemplo de utilização do díodo Zener. Vamos analisá-lo para compreender
melhor o funcionamento deste tipo de díodos.
Pág. 23
Díodos
Se Ui ou a resistência de carga, Ro variarem, a tensão Uo, também terá tendência para variar, devido à queda de tensão em R. Mas o díodo Zener garante
que a tensão na carga permanece constante, desde que IZ seja maior do que o
valor mínimo.
Consideremos as seguintes equações do circuito:
Ui = R.Ii + UZ
Ii = IZ + Io
Uo
Io =
Ro
Vejamos o que acontece se Ui variar: se aumentar, como UZ é constante,
assiste-se a uma maior queda de tensão em R, por aumento de Ii e, dado que
Io é constante, conclui-se que IZ aumenta. Se diminuir, a corrente no Zener
diminui: Ui ↑ ⇒ IZ ↑
Por outro lado, suponhamos que o díodo não está no circuito e que Ro aumenta. A corrente, (neste caso só há uma), diminui e a queda de tensão em R
será menor, pelo que a tensão Uo aumenta. No caso de Ro diminuir, passa-se o
contrário e a tensão de saída diminui.
A presença do Zener altera tudo isto: ao garantir UZ constante, a corrente Ii
também permanece constante e um aumento de Ro que faz diminuir Io, implica que IZ vai aumentar (Ii = IZ + Io); se Ro diminuir, a corrente que nela passa
aumenta e IZ diminui: Ro ↑ ⇒ IZ ↑
Para que tudo isto se verifique é necessário garantir as seguintes condições:
1ª Ui tem de ser sempre maior do que a tensão aplicada ao Zener;
2ª A corrente IZ deve ser sempre menor do que a corrente máxima indicada pelo fabricante, IZ, de modo a não destruir o díodo, por excesso de
temperatura.
Vamos ver exemplos dos três casos possíveis:
a) Tensão de entrada variável e resistência de carga fixa
Vejamos como dimensionar a resistência R, para um caso concreto: Vamos
supor que se pretende obter a tensão Uo = 12 V, para uma resistência de carga de 1 kΩ, o que dá uma corrente Io = 12 mA, uma vez que a tensão na resistência de carga, como está em paralelo com o díodo, é igual à deste, e que a
tensão de entrada varia entre 20 e 25 V.
Temos de utilizar um díodo com UZ = 12 V. Na folha de dados, vemos que:
IZT = 21 mA e IZM = 76 mA.
Das equações acima, podemos tirar as seguintes:
Pág. 24
Díodos
IZ =
Ui − Uz
− Io
R
R=
e
Ui − Uz
IZ + Io
Já vimos que IZ tem uma variação no mesmo sentido que Ui. Assim, se Ui
aumentar, temos de garantir que, para o valor máximo de Ui, IZ < 0,5×IZM,
(considerando um factor de segurança de 0,5 para o valor máximo de IZ), o
que nos dá o limite mínimo de R:
− Uz
− Uz
UiMax − Uz
U
U
− Io < 0,5 × IZM ⇔ iMax
< 0,5 × IZM + Io ⇔ R > iMax
R
R
0,5 × IZM + Io
R>
25 − 12
= 0,26kΩ
38 + 12
Pelo contrário, o limite mínimo de IZ (vamos considerar metade da IZT, indicada pelo fabricante) deve ser definido para a tensão mínima da entrada. Isso
permite-nos determinar o valor máximo de R:
R<
20 − 12
UiMin − Uz
=
= 0,356kΩ
0,5 × IZT + Io 10,5 + 12
Logo, a resistência terá de ser escolhida entre 260 Ω e 356 Ω. Podemos utilizar uma com valor normalizado de 330 Ω.
Mesmo com a tensão de entrada mais baixa, a tensão aplicada ao Zener é
maior que UZ:
1
Ro
⋅ Ui =
× 20 = 15V
UTh =
R + Ro
0,330 + 1
b) Tensão de entrada fixa e resistência de carga variável
Pensando em termos da variação de Ro, (que supomos poder variar entre 1
e 2 kΩ), fixemos a tensão de entrada em 20 V.
Já vimos que, com o valor máximo de Ro (2kΩ) teremos o valor mínimo de Io
e o valor máximo de IZ, que deve ser menor que 0,5×IZM. Assim,
12
= 6mA
RoMax 2
20 − 12
Ui − Uz
R>
=
= 0,182kΩ
0,5 × IZM + IoMin
38 + 6
IoMin = Uo
=
Com o valor mínimo de Ro, temos que garantir que IZ > 0,5×IZT:
IoMax = Uo = 12 =12mA
R oMin 1
20 − 12
Ui − Uz
R<
=
= 0,355kΩ
0,5 × IZT + IoMax 10,5 + 12
Pág. 25
Díodos
Entre estes valores (182 Ω e 355 Ω), temos como resistências normalizadas,
220 e 330 Ω.
Poderíamos escolher qualquer uma, por exemplo, a de 220 Ω.
c) Tensão de entrada e resistência de carga variáveis
Vamos ver as diferentes hipóteses:
- Se Ro for baixo, Io é elevada e IZ será baixa. Como Ii = IZ + Io, para garantir que IZ não se desça abaixo de metade de IZT, teremos de ter: Ii > IZt + IoMax.
Mas, para isso:
R<
Ui − Uz
0,5 × IZT + IoMax
Por outro lado, o maior valor de R será, como vimos em a), com UiMin, por
isso, a equação anterior fica:
R<
UiMin − Uz
0,5 × IZT + IoMax
- O caso contrário (Ro elevado) implica Io alto e IZ baixo e, neste caso, temos de garantir que Ii < 0,5×IZM + IoMin, mesmo para UiMax e, para isso:
R>
UiMax − Uz
0,5 × IZM + IoMin
Já estamos a ver que os dois casos limites são:
- Tensão de entrada baixa e Resistência de carga baixa, dando origem a
Io elevado: nesse caso, a corrente Ii é baixa, porque Ui – UZ também o é e
corre-se o risco de ter IZ < IZT;
- Tensão de entrada alta e grande Resistência de carga, o que pode levar
a IZ > IZM.
Vamos então ver agora a solução global, para um circuito em que, por hipótese temos uma fonte, cuja tensão varia entre 15 e 20 V e uma resistência de
carga que pode variar entre 4 e 5 kΩ e onde se pretende uma tensão de 10 V,
com um Zener em que: Uz = 10 V IZM = 91 mA e IZT = 25 mA.
Com UiMin e RoMin, temos:
10
= 2,5mA
IoMax =
4
Aplicando a fórmula, para este caso,
R<
15 − 10
UiMin − Uz
=
= 0,333kΩ
0,5 × IZT + IoMax 12,5 + 2,5
E para a segunda hipótese, em que IoMin = 10 / 5 = 2 mA:
Pág. 26
Díodos
R>
20 − 10
UiMax − Uz
=
= 0,210k Ω
0,5 × IZM + IoMin 45,5 + 2
Valores normalizados possíveis para a resistência: 220 e 330 Ω. Pode-se
escolher 330 Ω.
Vamos verificar os valores de Ii e de IZ, para os diferentes casos:
UiMin:
Ii =
Ui − UZ 15 − 10
=
= 15,2mA
R
0,33
Se, com esta tensão de entrada,
tivermos o valor máximo de Resistência de carga (Ro = 5 kΩ, com Io = 2
mA), IZ = Ii – Io = 15,2 – 2 = 13,2 mA
Para RoMin (Ro=4 kΩ e Io= 2,5 mA),
IZ = Ii – Io = 15,2 – 2,5 = 12,7 mA
UiMax:
Ii =
Ui − Uz 20 − 10
=
= 30,3mA
R
0,33
Para RoMax,
IZ = Ii – Io = 30,3 – 2 = 28,3 mA
Para RoMin,
IZ = Ii – Io = 30,3 – 2,5 = 27,8 mA
Vemos que, de facto, os valores limites de IZ aparecem com:
UiMin e RoMin e que, neste caso,
IZ = 12,7 mA > 0,5×IZT = 12,5 mA e com
UiMax e RoMax:
IZ = 28,3 mA < 0,5×IZM = 45,5 mA.
Pág. 27
Díodos
ANEXO
Resistências de Electrónica
1. Código de Cores
Cor
Prateado
Dourado
Preto
Castanho
Vermelho
Laranja
Amarelo
Verde
Azul
Violeta
Cinzento
Branco
Se a resistência não apresentar a 4ª cor, tem uma
Multip. Toler.
10%
0,01
5%
0,1
0
1
1
10
2
100
3
103
104
4
105
5
106
6
107
7
108
8
109
9
tolerância de 20%
Alg. Signif.
Exemplo
A resistência ao lado tem o valor nominal de:
RN = 47×102 Ω = 4,7 kΩ
Apresentando a tolerância de 10%, o seu valor real pode
ir de 4700-470 a 4700+470, ou seja, de 4230 Ω a 5170Ω
2. Valores Normalizados
Existem várias séries de valores normalizados, cada uma correspondendo a
uma dada tolerância. As mais importantes são as séries E12 e E24, a que correspondem as tolerâncias de 10 e 5% – A série E12 tem 12 números e a série
E24, 24, a partir dos quais, se obtém os valores normalizados multiplicandoos por potências de 10.
10
18
33
56
E12
12
22
39
68
E24
15
27
47
82
10
18
33
56
11
20
36
62
12
22
39
68
13
24
43
75
15
27
47
82
16
30
51
91
Na série E12, além da resistência de 33 Ω, existem resistências com 330 Ω, 3,3 kΩ,
33 kΩ, 330 kΩ, etc.
Pág. 28