Aula - 9 - Proteção eletrica de terminais telefonicos

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Proteção elétrica

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Transientes

Os transientes são sinais com picos irregulares de tensão

e com amplitudes e energias distintas, podendo ser

originados por:

• descargas atmosféricas,

• comutação de linhas elétricas sobretudos de alta tensão,

• descargas estáticas dos operadores,

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Prof. Pedro de Alcantara Neto - POLI 3

Transientes

T - terra,

P - protetor (ar, gás, carvão), a/b - terminais de linha.

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(5)

(6)

Elementos de Proteção

Diodos- Zener,

Diodos Supressores de transientes (TAZ)

(Transient- Absorber- Zener),

Varistores de oxido Metálico (SIOV),

Protetores a gás raro (SVP).

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Elementos de Proteção - Diodos-Zener

Os diodos-zener são previstos para conduzir a corrente

no sentido inverso.

O seu mecanismo de condução é o efeito-zener abaixo

de 6V; acima deste valor ocorre a ruptura segundo o

efeito-avalanche.

Os diodos-zener são projetados para a limitação e

estabilização de tensão, podendo conduzir, em períodos

curtos, correntes de até 200A, dependendo da sua

dissipação de potência.

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Elementos de Proteção - Diodos Supressores-TAZ

(Transistor-Absorber-Zener)

São diodos-zener modificados, desenvolvidos para

operar basicamente com transientes. Eles podem

conduzir correntes transientes de várias centenas de

amperes com dimensões bem menores do que do

diodos-zener.

Devido à sua tecnologia planar especial, seu tempo de

resposta é menor do que 10 picosegundos e constitui

hoje o elemento de resposta mais rápida que se

conhece.

Os diodos-zener e os diodos-TAZ são particularmente

indicados para a proteção de circuitos eletrônicos, pois

são os únicos elementos que proporcionam proteção

abaixo de 20V.

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Elementos de Proteção - Varistores de Óxidos

Metálicos SIOV

Os varistores SIOV são constituídos por dois diodos

ligados em antiparalelo e se comportam como resistências

variáveis dependentes da tensão aplicada.

A sua constituição cerâmica proporciona a manipulação

de correntes elevadas. Em condições normais de operação

a sua resistência é maior do que 1 Megaohm mas sob

tensões transientes menores do que 25ns este valor

torna-se menor do que 1 ohm.

A sua aplicação, praticamente universal, fica limitada em

redes de alta freqüência devido a sua elevada capacitância

que pode originar efeitos perturbadores.

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Elementos de Proteção -Protetor de gás raro

SVP (Surge Voltage Protector)

•O SVP utiliza o princípio da descarga de gás e substitui

o antigo protetor à carvão, com entreferro de ar.

•No SVP, quando for excedido o nível de proteção, uma

tensão estática de 230V, origina-se um arco, em termos

de nano-segundos, no interior do espaço hermeticamente

selado. A resistência do protetor cai de um valor superior

a 10 Giga-ohm para um valor inferior a 0,1 ohm, curto

circuitando a tensão transiente.

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Elementos de Proteção -Protetor de gás raro

SVP (Surge Voltage Protector)

• O protetor de gás raro SVP pode conduzir correntes, muito

elevadas, de até 60 KA, devido à característica V/l em

parte negativa do fenômeno de descarga gasosa.

• A tensão de arco muito baixa e independente do nível de

proteção mantém a dissipação de potência do SVP dentro

da faixa permissível, mesmo quando circulam correntes

elevadas.

• O protetor à gás raro SVP tem ampla aplicação na

proteção de equipamentos eletrônicos de

telecomunicações contra descargas atmosféricas.

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Elementos de Proteção

s d a

V

t

∆

−

=

ta - tempo de respostavd - tensão de resposta dinâmica (função de Av/At)

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Elementos de Proteção - proteção contra

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Elementos de Proteção -Diodo de Proteção

contra Sobretensões (TAZ)

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Elementos de Proteção - Tabelas de

características de diodos

VB - Tensão de Bloqueio. É a tensão na qual o diodo ainda bloqueia.

Para este parâmetro são estabelecidas correntes de p. ex. 1mA ou 10mA, de-pendendo do fabricante.

IBP - Corrente de Bloqueio Máxima. Corrente máxima suportada sem

danos pelo diodo. A duração desta corrente não deve ultrapassar 1 milisegundos.

VBP - Tensão de Proteção. Tensão máxima suportada pelo diodo. Seu

valor varia de 1,2 a 1,5 vezes a tensão de ruptura VR.

PP - Potência de Perda. Potência máxima permitida no diodo durante

1ms (Pp = IBP x VBP). Os valores típicos são de 500W e de 1.500W, podendo alcançar 60.000W.

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Elementos de Proteção - Tabelas de

características de diodos

No caso em que o equipamento for alimentado com corrente alternada, deve ser estabelecido o valor de pico que pode ocorrer. Assim, considerando flutuações (s) de até +10% na alimentação, a tensão mínima de bloqueio do diodo, para p. ex. 30V CA nominais de alimentação, deve ser:

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Elementos de Proteção -valores típicos de três

diodos de proteção contra sobretensão (TAZ).

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Elementos de Proteção -valores típicos de três

diodos de proteção contra sobretensão (TAZ).

Assim por exemplo um diodo com uma tensão de ruptura VR

= 80V a 25°C apresenta um valor VR = 90.5V a 125°C. Para

variações normais de temperatura esta variação é

desprezível, porém um aumento de temperatura reduz a

corrente de bloqueio máxima IBP permitida durante 1ms.

Assim um aumento de temperatura de 100°C reduz esta

corrente para a metade.

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Elementos de Proteção - Circuito Equivalente

L - indutância dos fios de conexão (14nH/cm de fio),

C - capacitância da camada de bloqueio (100pF à 10nF), R - resistência ôhmica dos fios de conexão (0,1ohm),

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Exemplos de Proteção - Comutação de Circuitos

Indutivos

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Exemplos de Proteção - Comutação de Circuitos

Indutivos

Sejam: L = 3,5 H, R = 1,5 kohm C = 100 pF

A corrente circulante no relê é: I =V_Bat/R= 20/1,5 x 103 _{= 13 mA}

A energia na bobina é: W=L I2 _{/ 2 = (3,5x169x10}-6_{) / 2 = 296 . 10}-6 _w A corrente amortece segundo a expressão: i = l . e1/t

Onde: t = L/R

Por outro lado: R = Rr + r_d

R_r - resistência do relê

r₀- resistência do diodo

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Exemplos de Proteção - Comutação de Circuitos

Indutivos

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Exemplos de Proteção - Comutação de Circuitos

Indutivos

W_D = P_d. t = 1000 x 0,5 = 0,5 w . seg. Diodo: P_d = 1.000 w V = 480 v (máxima) T = 500 µ seg (atenuação)

Logo pode ser usado, sem problemas, um diodo de 1. 500 w (1 ms).

V = - L

t i ∆ ∆

C

L

i

v

Cv

Li

.

2

2 2

=

∴

=

_v

₂₅₀₀

_V

100

5 ,

3 .

3 ,

13 =

=

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Exemplos de Proteção - Descargas Atmosféricas

As trovoadas podem originar sobretensões de alguns milhares de volts nas linhas telefônicas e nas redes de suprimento, causadas por indução e também por quedas de tensão para o solo quando as descargas são muito próximas.

Estas descargas podem provocar correntes de até 50A devido a resistência entre fios e terra, sendo que o valor máximo ocorre após 10 micro segundos a 50 micro segundos e em seguida decai de forma contínua. Após 200 micro segundos à 700 micro segundos o valor máximo fica reduzido aproximadamente para a metade.

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Exemplos de Proteção - Descargas Atmosféricas

O diodo de proteção é solicitado durante todo o tempo de descarga e, pelo fato de que a tensão no diodo fica constante (aprox. 150V), a sobretensão restante fica aplicada na resistência dos fios de linha.

Para efeitos práticos a corrente do impulso é substituída por um pulso retangular com duração de 700 micro segundos e com a metade da sua amplitude máxima. Como as descargas atmosféricas se extinguem após um período máximo de 1ms, a energia desenvolvida é:

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Exemplos de Proteção - Descargas Atmosféricas

W = V

_B

. I . t = 150 . 50 . 700 = 5,25 w.s.

A energia desenvolvida é:

No caso de diodos de 1,5 kw o fabricante especifica os seguintes valores:

t = 700 micro segundos; P = 1kw

Isto mostra que o diodo de proteção fica sobrecarregado, necessitando portanto, na sua entrada de um protetor à gás com uma resistência limitadora como proteção.

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Exemplos de Proteção - Descargas Atmosféricas

Partindo do fato de que tais sobretensões já estão amortecidas após 200 micro segundos à 300 micro segundos, o diodo de 1,5 kw pode ser utilizado (sem protetor a gás ou resistência limitadora) em linhas telefônicas com diodo de proteção contra descargas atmosféricas no caso de terminais telefônicos que operam com tensões de suprimento até 40 V e desde que estes terminais não fiquem em pontos críticos como lombadas de morros, torres de rádio ou TV ou no extremo de linhas aéreas longas. Os transientes que chegam aos equipamentos terminais também podem ser perigosos nos casos de mau aterramento de cabos e pára-raios.

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Exemplos de Proteção - Linhas de Alta Tensão

L_L - indutância da linha, R_L - resistência de linha,

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Exemplos de Proteção - Linhas de Alta Tensão

• Ação de uma descarga em uma linha de alta tensão.

• As tensões perturbadoras neste caso ficam em torno de 300 V à 800 V e sua duração é de cerca de 0,1 s a 0,2 s e mais raramente, de 0,5 s.

• Para circuitos eletrônicos este tempo é relativamente longo, o que requer cuidados na escolha dos diodos de proteção contra sobretensões.

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Exemplos de Proteção - Linhas de Alta Tensão

Como exemplo seja admitida uma tensão induzida de 500V no fio telefônico de uma linha de 3 km e calibre 0,4 mm, causada por um curto-circuito à terra.

Deseja-se saber o valor da corrente circulante, sua duração e as perspectivas de proteção de um TAZ de 1,5 kw. Admite-se ainda uma resistência de terra de 1 ohm na central e de 30 ohms no lado do assinante. A indutância da linha telefônica pode ser desprezada para uma freqüência de 60Hz e também é desprezível a diferença de fase entre corrente e tensão.

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Exemplos de Proteção - Linhas de Alta Tensão

A resistência da linha é

Ω

=

429 )

4 ,

0 .(

14 .

3

4 .

10 .

3 .

018 ,

0

4 ,

1 .

2 3 2

d

S

l

R

_L

ρ

Para um intervalo de tempo de 0,5 s obtem-se, a carga máxima de impulso para um diodo de 1,5 kw em um encapsulamento metálico ou seja P = 50 w. A energia W para o diodo será:

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Exemplos de Proteção - Linhas de Alta Tensão

A

i

l

0 ,

78

414 ,

1

1 ,

1

2 =

=

A

R

V

i

l

1 ,

1

460 500 =

=

Para uma tensão de ruptura V_R = 100 V a sobrecarga é;

W

₁₀₀

= V

_l

. i . t

A energia média é:

w

₁₀₀

= V

_Bat

. I . t = 150 . 0,78 . 0,5 = 58,5 w.s.

O que indica que o diodo está sobrecarregado e deve ser redimensionado. Entretanto no caso de linhas longas, resistências de terra maiores, tensões induzidas menores ou um tempo de ação mais curto é possível utilizar um diodo de proteção deste tipo, sem a necessidade de uma resistência limitadora adicional.

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Exemplos de Proteção - Descargas Eletrostáticas

Estas descargas são originadas por campos eletrostáticas que se estabelecem no corpo humano por atrito com corpos isolantes em ambiente seco.

Os campos eletrostáticos apresentam potenciais elevados, acima de 20kV e na descarga podem ocorrer correntes de até 40 A que amortecem rapidamente em algumas dezenas de nano segundos.

Caso o objeto tocado pelo operador for uma instalação eletrônica de processamento de dados ou de comutação (teclador telefônico), podem ocorrer efeitos de comutação, originando erros no sistema ou na sinalização.

Em casos extremos os potenciais elevados podem danificar circuitos integrados.

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Exemplos de Proteção - Descargas Eletrostáticas

No caso da presença de radiofreqüências, os caminhos são percorridos na periferia (efeito pelicular), o que aumenta muito a impedância.

Isto pode originar, em circuitos integrados, diferenças de potencial capazes de originar comutações e operações indevidas nestes circuitos e, na presença de semicondutores, pode ocorrer demodulação dos sinais de RF, com efeitos de desconforto para o usuário (recepção de sinais de AF no receptor telefônico).

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Exemplos de Proteção - Descargas Eletrostáticas

A auto capacitância das placas e componentes de um circuito eletrônico também pode ser carregada por um campo eletrostático e a corrente circulante no circuito envolvido pode ser suficiente para comutar circuitos eletrônicos sensíveis.

Como exemplo pode ser admitido um operador carregado por atrito

com materiais têxteis sintéticos, com 7.500 V, tendo uma capacitância

de 150 pF e uma resistência de 150 ohms.

Ao manusear um painel de equipamento telefônico, ocorreu uma descarga eletrostática, cujo valor máximo é atingido após 10 ns e cujo amortecimento, para a metade do valor de pico, ocorre após 200ns.

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Exemplos de Proteção - Descargas Eletrostáticas

Deseja-se saber qual é a sobrecarga do diodo de proteção?

Qual a corrente de impulso esperada e qual a duração da sobrecarga?

A energia armazenada pela capacitância C do corpo humano é:

W = 1/2 C V

2

_{= 1/2 . (150 . 10}

-12

_{) . (7,5 . 10}

3

_{) = 0,004 w.s.}

Para o cálculo da energia de descarga admite-se que o amortecimento (exponencial) é linear ao longo dos 200 ns, sendo a curva transformada em um retângulo segundo a figura anterior.

C _humano = 150 pf R = 150 ohms V = 7,5 . 103 _volt

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Exemplos de Proteção - Descargas Eletrostáticas

Da característica de diodos de 1,5 kw obtêm-se, para 200 ns, uma potência de 30 kw.

Logo:

W = P . t = 30 . 10

3

. 200 .10

-9

= 0,006 w.s.

Portanto este diodo (TAZ) pode ser usado tranqüilamente contra sobretensões eletrostáticas, havendo ainda uma proteção adicional proporcionada pelos fios de acesso.

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Exemplos de Proteção - Descargas Eletrostáticas

No presente caso circula, durante um curto intervalo de tempo, uma corrente de 50 A para o circuito eletrônico.

A figura seguinte mostra, em linhas cheias, a característica de uma descarga eletrostática de 5 kV através de um gabinete bem aterrado e, em linhas tracejadas, a mesma característica no caso de um gabinete mal aterrado. O circuito em cima à direita da figura mostra o circuito elétrico equivalente do corpo humano.

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Exemplos de Proteção - Descargas Eletrostáticas

Observa-se na figura que no caso do gabinete aterrado a corrente de pico é de quase 40 A e o amortecimento é rápido, com tempo de descida de 10 ns enquanto no gabinete mal aterrado a corrente máxima é de apenas 18 A; mas o amortecimento é lento e o tempo de descida atinge 30 ns, suficiente para comutar e operar grande número de circuitos integrados modernos pois com este tempo geralmente uma corrente igual a apenas 0,1% da corrente máxima circulante já pode originar problemas.

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Proteção Primária e Secundária

Os diodos de proteção contra sobretensão encontrados com mais freqüência, apresentam, em geral, uma capacidade máxima de dissipação de 1.500 watt, mas apenas no máximo durante um milisegundo. De forma contínua a potência de dissipação é de apenas 1 watt. Estes valores não devem ser ultrapassados sob pena de danificar o TAZ.

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Proteção Primária e Secundária

proteção com auxílio de uma resistência limitadora,

divisão da corrente através de vários diodos,

ligação de um elemento de proteção (secundária) na entrada.

Para proteger os diodos contra tensões excessivas existem três possibilidades:

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Uma resistência limitadora de corrente, ligada em série com o diodo, limita a corrente através deste porém aumenta simultaneamente a tensão na entrada do equipamento no caso de uma sobretensão.

Para diminuir a sobrecarga, pode ser realizada uma divisão de corrente através da ligação de vários diodos em paralelo.

Nas telecomunicações é comum o uso de um protetor secundário na entrada dos diodos de proteção como p. ex. protetores a gás ou varistores.

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SVP - protetor à gás,

lp - corrente de impulso através do diodo,

Vp - tensão de impulso originada por queda de tensão em R ou L e tensão de ruptura do diodo.

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O protetor a gás não dispara no caso de impulsos de curta duração, na sua tensão nominal de p. ex. 230 V mas, no caso de impulsos rápidos, somente dispara entre 600 V e 1.000 V isto porque decorre, no início, um pequeno intervalo de tempo antes de se estabelecer um caminho de ionização do gás.

Sem a presença de um elemento intermediário esta tensão não seria alcançada pelo fato de que o diodo TAZ ficaria limitado na sua tensão de ruptura já após alguns pico segundos e o protetor à gás não teria oportunidade de disparo.

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Por meio do elemento intermediário porém a corrente lp origina uma queda de tensão Vp de algumas centenas de volts, que ficam disponíveis como tensão de disparo no protetor a gás SVP.

Uma vez disparado, o protetor à gás pode conduzir, sem perigo, correntes de impulsos até 10 kA. Logo tais circuitos combinados também são eficientes em instalações eletrônicas ligadas a linhas telefônicas aéreas.

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Para a resistência limitadora os valores usuais são de cerca de 10 ohms à 30 ohms e para a indutância, valores de 10 microhenrys à 600 microhenrys. É importante que a

resistência não atenue significativamente os sinais úteis e que

também a indutância não origine um efeito indesejável de filtro passa-baixa ou tendência de oscilação na unidade seguinte.

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Proteção Primária e Secundária

Seleção do Diodo de Proteção: A escolha correta do diodo de proteção é importante devido ao perigo de sobrecarga e destruição imediata. Logo é recomendável:

o estabelecimento da tensão de pico existente no local da instalação do

equipamento, consideradas todas as formas de operação,

seleção de um diodo de proteção que bloqueia com segurança neste

valor. Acrescentar ainda 10% da variação da rede de suprimento como segurança,

estabelecer o formato de onda da sobretensão, sua amplificação e

(56)

Proteção Primária e Secundária

estimar a corrente de pico de impulso no circuito, substituindo o diodo TAZ

por um curto-circuito. O valor desta corrente do manual de dados do diodo deve ser maior do que o valor estimado,

comprovar se a potência de pico de impulso do diodo de proteção é

suficiente. Para isso a área sob a curva deve ser transformada em um retângulo. A maior energia esperada é dada pelo produto da tensão limite máxima pela corrente de pico de impulso e pela duração do impulso,

caso os valores sejam insuficientes, deve ser suprido adicionalmente um

protetor secundário (protetor à gás ou varistor),

observar que as tensões limite situam-se, para correntes altas,

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Proteção Primária e Secundária

nos circuitos de alta freqüência há necessidade de utilizar um circuito

série com diodos de baixa capacitância,

na possibilidade de ocorrer inversão de polaridade, são necessários dois

diodos ligados em antiparalelo,

no caso de circuitos telefônicos instalados em áreas protegidas (áreas

urbanas) é suficiente o uso de um diodo de proteção de 1,5 kw com tensão de ruptura máxima igual a 40 V, para a proteção contra descargas atmosféricas, sem a necessidade de proteção secundária adicional,

para sobretensões de curta duração o diodo de proteção TAZ, é

suficiente. Para sobretensões de maior duração deve ser previsto um protetor secundário adicional.

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Proteção Primária e Secundária

nos circuitos de alta freqüência há necessidade de utilizar um circuito série

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Proteção Primária e Secundária

No caso em que o protetor primário (diodo TAZ) for combinado com um protetor secundário (à gás ou varistor), a sobrecarga - corrente de pico do diodo TAZ depende:

• da tensão CC nominal de solicitação V_g do protetor à gás, • da tensão de ruptura do diodo TAZ,

• da impedância longitudinal de desacoplamento entre o protetor à gás - SPV e o diodo - TAZ,

• dos picos de tensões instantâneos antes do disparo do protetor à gás SVP, que por sua vez dependem dos impulsos de sobretensão.

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Proteção Primária e Secundária

Circuito típico de proteção de um transdutor telefônico, com um circuito ponte de dois diodos-TAZ e dois diodos convencionais (D1, D2) integrados ao circuito de amplificador do transdutor telefônico, de baixa capacitância.

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Proteção Primária e Secundária

Circuito telefônico eletrônico completo, incluindo um circuito de tarifação, provido de proteção completa contra sobretensões. Na entrada está ligado um protetor a gás para tensão de 230V, aplicado entre os fios a e b da linha.

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