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Precauções de segurança elétrica e equipamentos básicos
 
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Precauções de segurança elétrica e equipamentos básicos

Overview

Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.

Máquinas elétricas e experimentos eletrônicos de energia envolvem correntes elétricas, tensões, energia e quantidades de energia que devem ser tratadas com extrema diligência e cuidado. Estes podem incluir tensão AC trifásica (208 V, 230 V ou 480 V), até 250 V DC tensões, e correntes que podem chegar a 10 A. A eletrocussão ocorre quando um caminho elétrico é estabelecido através do corpo com correntes muito baixas que podem danificar órgãos vitais, como o coração de uma pessoa, e podem causar morte imediata. Todos os experimentos devem ser realizados na presença de pessoal treinado para lidar com eletricidade nesses níveis de tensão e corrente. Em caso de emergência, evacuem o laboratório através de qualquer uma das saídas e disque 911.

Principles

A seção processual "Precauções de Segurança" abrange as principais diretrizes e precauções destinadas a alcançar um ambiente de laboratório e operação seguro para pessoas que realizam experimentos. Essas diretrizes não são de forma alguma inclusivas de todas as precauções necessárias, e as regras e regulamentos locais de segurança elétrica devem ser seguidos.

Experimentos envolvendo máquinas elétricas e eletrônicos de energia normalmente usam equipamentos comuns para fornecer energia e medir quantidades elétricas. No entanto, circuitos e aparelhos que estão sendo testados variam para diferentes experimentos. A seção processual "Equipamentos Básicos" fornece uma visão geral dos principais equipamentos utilizados para a maioria das máquinas elétricas e experimentos eletrônicos de energia. Equipamentos, circuitos e aparelhos específicos são introduzidos em cada experimento, conforme necessário.

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Procedure

Precauções de segurança

1. Energia elétrica e Configuração Experimental

  1. Evite fios, cabos e conexões soltos.
  2. Suponha que qualquer metal exposto esteja vivo com eletricidade, a menos que seja verificado de outra forma.
  3. Familiarize-se com todos os botões ON/OFF no equipamento, disjuntores e interruptores de desconexão de um banco.
  4. Só faça alterações na configuração experimental quando a potência do circuito estiver desligada e todas as fontes de energia lerem tensão zero e corrente zero, conforme aplicável.
  5. Use fios de comprimento adequado para suas aplicações apropriadas. Fios longos ou conexões podem causar desordem em um banco, e fios ou conexões muito curtas podem ser muito apertados e podem ser facilmente desconectados.
  6. Separe equipamentos de maior potência e conexões de equipamentos de menor potência, como microcontroladores, para evitar interferências e interconexões elétricas entre dispositivos eletrônicos sensíveis e dispositivos de maior potência.
  7. Certifique-se de que todas as fontes de alimentação DC, fontes CA e outras fontes de energia comecem a partir de uma saída de corrente zero e zero ou conforme indicado em um experimento. A partir de uma tensão não-zero é possível em determinadas aplicações onde uma fonte de tensão deve ter uma condição inicial específica.
  8. Desligue todos os equipamentos antes de sair do laboratório assim que um experimento terminar.
  9. Não permita que um único usuário realize um experimento sozinho. Certifique-se de que pelo menos dois usuários realizem um experimento ao operar mais de 50 V DC e AC trifásica.

2. Ambiente de Trabalho

  1. Familiarize-se com as saídas do laboratório.
  2. Evite um ambiente de trabalho desordenado.
  3. Tenha uma caneta, calculadora, caderno de laboratório e descrição do experimento preparada e pronta.
  4. Equipamento apropriadamente frio e morno (devido à dissipação de calor).

3. Requisitos pessoais e de vestuário

  1. Remova joias, relógios de metal ou outros acessórios metálicos durante a realização de qualquer experimento, pois estes podem ser perigosos nas proximidades de máquinas de rotação e conexões elétricas.
  2. Não use vestuário solto, shorts ou saias curtas, pois expõem a pele a conexões elétricas e máquinas de rotação.
  3. Não use colares pendurados, óculos, gravatas e outros acessórios, pois os usuários tendem a se aproximar de máquinas giratórias e conexões elétricas. Além disso, evite pendurar óculos ao redor do pescoço, que podem ser facilmente agarrados por máquinas giratórias.
  4. Amarre cabelo comprido na parte de trás da cabeça.
  5. Use óculos de segurança o tempo todo durante o experimento. Use outros equipamentos de proteção individual (EPI) conforme exigido pelas regras e regulamentos locais de segurança. Por exemplo, o EPI comum inclui casacos retardadores de fogo, luvas isolantes de alta tensão (usadas ao manusear fios ou cabos vivos) e tampões de ouvido (usados ao operar máquinas altas).

Equipamentos Básicos: Demonstração e Visão Geral dos Equipamentos Eletrônicos e de Medição

4. Gerador de função

  1. Ligue o gerador de função (Fig. 1). Os geradores de função fornecem sinais CA periódicos de diferentes formas. Essas formas são principalmente sinusoidal, triangular, dente-de-serra e quadrado.
  2. Configure o gerador de função para produzir uma saída sinusoidal de pico de 10 V a uma frequência de 400 Hz e zero dc offset.
  3. Conecte um conector BNC-a-jacaré com o BNC ligado à porta de saída do gerador de função.
  4. Ajuste a frequência e o pico, ou pico-a-pico, desses sinais, se desejar.
  5. Em sinais triangulares e dentes de serra, ajuste a inclinação e a forma. As formas de onda quadradas têm ciclo de dever ajustável, que é definido como a proporção do período durante o qual uma forma de onda quadrada é positiva ou "alta" versus negativa, zero ou "baixa".
  6. Observe que certos geradores de função fornecem ruídos não periódicos e sinais aleatórios, mas estes não são comumente usados em aplicações de eletrônicos e máquinas elétricas.

Figure 1
Figura 1: Close-up da tela do gerador de funções e do painel de controle. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

5. Fonte de alimentação DC

  1. Ligue a fonte de alimentação DC (Fig. 2). As fontes DC de baixa potência operam em dois modos principais - fontes de tensão ou fontes atuais.
  2. Observe a tensão e as leituras de corrente.
  3. Ajuste a tensão de saída de alimentação DC em 10 V ajustando o botão de tensão de saída. Operar como fonte de tensão é o mais comum, onde a oferta fornece DC de baixa tensão; tipicamente variando entre 0 e 36 V. Em uma operação de origem atual, esses suprimentos são "limitados atuais" quando sua corrente máxima é definida para o valor desejado, e sua tensão é automaticamente ajustada para fornecer a corrente máxima desejada. Os limites de corrente e tensão fornecem assim flexibilidade operacional, bem como margens de segurança ao operar uma fonte de alimentação DC.
  4. Pressione o botão "Corrente" para exibir o limite atual e ajuste o botão atual para ajustar o limite máximo de corrente. Estabeleça o limite atual do fornecimento.
  5. Observe que a maioria das fontes de alimentação DC de saída única têm três terminais rotulados como "+", "-" e terra. Em muitas aplicações, "-" e solo estão ligados para fornecer um ambiente de ruído mais estável e reduzido ao fornecer um circuito externo com potência. No entanto, certos casos exigem que "-" esteja flutuando do solo para isolar o circuito elétrico ou o aparelho em teste do solo de abastecimento.

Figure 2
Figura 2: Unidade de alimentação DC. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

6. Osciloscópio

  1. Ligue o osciloscópio (Fig. 3). Osciloscópios, ou escopos, exibem formas de tensão e de corrente em uma tela, o que fornece uma ampla gama de medidas essenciais.
  2. Conecte uma sonda regular (Fig. 4) ao canal 1 e uma sonda diferencial ao canal 2. Os sondas de osciloscópio se conectam aos conectores BNC na interface do escopo e cada canal exibe uma única forma de onda. Cada escopo vem com uma variedade de canais. Os mais comuns são os escopos de dois e quatro canais, mas os escopos mais novos podem ter oito canais.
  3. Remova qualquer deslocamento no canal 2.
    1. As sondas de osciloscópio são usadas mais frequentemente com máquinas elétricas e experimentos eletrônicos de energia. Os principais tipos de sondas incluem a sonda aterrada convencional, a sonda de tensão diferencial (Fig. 5) e a sonda atual (Fig. 6).
    2. Use sondas aterradas convencionais ao medir a tensão em dois pontos em um circuito ou aparelho, onde um dos pontos está ligado ao solo terrestre. Normalmente, a parte aterrada do escopo é um clipe de jacaré, e o outro cabo de teste é um gancho que se liga facilmente a circuitos e componentes elétricos.
      1. Nunca use essas sondas com conexões não encalhadas, pois ocorrerá um curto-circuito no solo, causando risco ao usuário, faíscas e danos às sondas. Normalmente, essas sondas são classificadas para várias centenas de volts.
    3. Use sondas de tensão diferencial para fornecer isolamento entre o solo terrestre e ambos os pontos de teste, através dos quais a tensão está sendo medida. Estas sondas são essenciais quando nenhum dos pontos está aterrado (por exemplo, ao medir em duas das três fases em uma fonte de tensão trifásica). Tais sondas são mais caras e requerem ajuste de deslocamento manual ou automático antes de cada uso, como forma de calibração básica. Eles são menos robustos ao ruído devido à falta de aterramento nos cabos de teste da sonda. Suas classificações de tensão em laboratórios educacionais normalmente chegam a 1000 V.
  4. Para medir a corrente em um fio, coloque o fio na janela da sonda atual e certifique-se de que o fio esteja travado dentro do orifício da sonda. Ajuste o dimensionamento da sonda (por exemplo, 100 mV/A) no gabinete da sonda e observe a escala. As medidas atuais são exibidas como medidas de tensão.
    1. Um fio que transporta corrente AC ou DC passa pelo núcleo, gerando um campo magnético, que induz tensão no fio enrolado ao redor do núcleo. Isso dá uma medição de tensão proporcional à corrente no fio, e a corrente pode ser medida usando esta sonda. Estes são tipicamente ainda mais caros do que sondas de tensão diferencial e podem variar até 100 A em laboratórios educacionais. Muitos educadores e pesquisadores os substituem por resistores sensoriais que têm resistência muito baixa, mas precisa. Os resistores de detecção passam a corrente proporcional à tensão através de seus terminais, e pela lei de Ohm, medir a tensão, sabendo que a resistência precisa dá uma aproximação precisa da corrente.
  5. Conecte os terminais regulares da sonda ao lado do jacaré da saída do gerador de função.
  6. Ligue a saída do gerador de função.
  7. Ajuste a escala do eixo de tempo usando o botão "sec/div" no escopo para ampliar e sair da forma de onda do canal 1 exibida. Cada escopo pode ter uma abordagem diferente para ajustar o display, mas todos os escopos comuns têm duas principais divisões a definir. No eixo x (eixo de tempo), as divisões se assemelham a um determinado período de tempo e podem variar de μs por divisão a vários segundos por divisão.
  8. Ajuste o eixo y do canal 1 usando o botão do canal 1. Use o botão "volts/div" para ajustar quais divisões no eixo y mostram leituras volts. Cada forma de onda tem um botão de dimensionamento único do eixo Y.
  9. Pressione o botão de recurso "medir" no escopo para medir a frequência e o pico da forma de onda exibida no canal 1. Isso também pode ser usado para encontrar as medidas do quadrado médio, raiz média (RMS) e período de um sinal.
  10. Pressione "matemática" para usar funções matemáticas; como adição, subtração ou funções mais avançadas usando mais de uma forma de onda exibida no escopo. Por exemplo, é útil mostrar o produto de tensão instantânea e corrente para ver energia instantânea.
  11. Acione manualmente ajustando o botão "gatilho" ou pressionando automaticamente "Definir nível para 50%". Selecione o canal de escopo do qual todas as exibições de forma de onda são acionadas. Ao usar o nível de gatilho apropriado, o tremor nas formas de onda exibidas é eliminado; para que todas as formas de onda pareçam estacionárias e limpas.
  12. Pressione "cursor" para medir a distância entre dois pontos no eixo de tempo ou no eixo y.
  13. Pressione os botões "CH1", "CH2" ou outros canais e selecione o filtro digital apropriado para eliminar o ruído do display de forma de onda. As frequências de canto do filtro de baixa passagem são predefinidas e podem diferir em diferentes escopos.
  14. Ajuste a saída do gerador de função até que a amplitude e a frequência desejadas sejam alcançadas.
  15. Desligue o gerador de função e desconecte a sonda de escopo.
  16. Desligue o osciloscópio.

Figure 3
Figura 3: Unidade de osciloscópio. Close-up mostra tela e painel de controle. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: Uma sonda convencional aterrada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Sonda de tensão diferencial. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: Visão lateral da sonda atual.  Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

7. Multimetro

  1. Ligue o multimetro (Fig. 7) e certifique-se de que suas terminações estão na posição de conexão de medição de tensão. Os multimetros, sejam portáteis ou de bancada, medem o valor médio de uma tensão dc ou corrente, ou o valor RMS de uma tensão ou corrente CA. Revise cuidadosamente as conexões para medir tensão ou corrente antes de alimentar um circuito, pois essas conexões são uma fonte comum de erro ao realizar um experimento.
  2. Ligue a saída de alimentação DC sem fios de banana colocados em suas portas de saída.
  3. Use o multímetro para medir nas duas portas de saída (+ vermelho e preto). Para melhorar a resolução da medição, ajuste manualmente a faixa de sinal até 10 V ou 1000 V.
    1. O multimetro deve ler 10 V.
    2. Observe que os multimetros incluem outras características de medição, como a resistência entre dois pontos e a direção do fluxo de corrente (símbolo do diodo), que é útil na depuração de diodos e transistores.
  4. Use medidores de energia digitais para medir a potência média. Os medidores de energia digitais são semelhantes aos multimetros, mas usam medidas simultâneas de tensão e corrente para medir a potência média. Medidores avançados podem medir fator de potência, potência reativa e potência aparente.
  5. Conecte dois cabos de tensão (em paralelo com) os dois pontos onde a tensão deve ser medida.
  6. Conecte dois leads atuais em série com o fio ou componente.
  7. A potência exibida é a média do produto instantâneo de tensão e corrente.

Figure 7
Figura 7: Métrica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

8. Fonte de alimentação

  1. Além da fonte DC de baixa potência utilizada neste procedimento, existem outros tipos de fontes de alimentação, incluindo uma tomada trifásica (Fig. 8), um autotransformer variável trifásica (Fig. 9) e uma fonte DC de alimentação mais alta.
  2. A tomada trifásica fornece tensões trifásicas, tipicamente em 208 V, 230 V ou 408 V na maioria dos laboratórios de engenharia elétrica. Estas tensões são iguais em frequência e amplitude, e estão a 120° de fase de saída umas das outras. O manuseio de tomadas trifásicas requer treinamento especial e precauções de segurança.
    1. Nos EUA, 208 V, 230 V e 480 V são níveis comuns de tensão trifásica em um ambiente de laboratório educacional que lida com eletrônicos de energia e máquinas elétricas.
  3. O auto-transformador de variável trifásica (VARIAC) é um transformador isolado que fornece uma variável fonte de AC trifásica da tomada trifásica.
  4. Ajuste o botão no VARIAC onde a saída VARIAC pode variar entre 0% e 100% da tensão de entrada fornecida.
  5. Uma fonte DC de alimentação mais alta fornece maior tensão DC. A maioria das fontes DC de baixa potência pode fornecer até 36 V e menos de 10 A. Fontes DC de alta potência podem fornecer centenas de volts e amplificadores.
    1. Em um ambiente de laboratório educacional, uma fonte DC de alta potência fornece tensão DC tipicamente até 400 V. Eles são comuns em aplicações eletrônicas de energia porque emulam grandes baterias em veículos elétricos e híbridos, tensão doméstica retificada e outros cenários. Eles também são comuns em aplicações de máquinas elétricas DC e máquinas CA baseadas em inversores.

Figure 8
Figura 8: Tomada trifásica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 9
Figura 9: Visão superior de um transformador variável trifásico (VARIAC). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A eletricidade que alimenta máquinas, ferramentas e outros aparelhos experimentais deve ser tratada com cuidado e atenção. O contato corporal com alta tensão e corrente pode causar espasmos musculares, queimaduras, parada cardíaca e até mesmo morte. Mesmo pequenas quantidades de corrente passadas pelo corpo podem causar eletrocussão. 10 miliamperes podem induzir contrações musculares, perda de controle muscular e a incapacidade de deixar ir. 10 microamps pelo coração podem causar fibrilação ventricular. Experimentos de laboratório normalmente usam equipamentos que cumprem as Normas Internacionais de Segurança. O selo UL do Laboratório de Subscritores, por exemplo, certifica que o equipamento atende a essas normas, o que impede certos tipos de exposição perigosa. No entanto, entradas e saídas elétricas, ou equipamentos personalizados ainda representam um perigo. Este vídeo apresentará precauções de segurança elétrica e introduzirá equipamentos elétricos comuns usados em muitos tipos de experimentos laboratoriais.

Ao usar equipamentos elétricos, use calças compridas, sapatos fechados e equipamentos de proteção individual apropriados. Evite roupas soltas e remova quaisquer acessórios pendurados ou metálicos que possam entrar em contato acidentalmente com eletricidade. Nos Estados Unidos, a energia CA em fase única de uma tomada de parede é de 120 Volts. As tomadas para energia CA trifásica podem fornecer até 480 volts e mais de 10 amperes. Portanto, as fontes de energia devem ser tratadas com respeito. Um ambiente de laboratório limpo é importante para mitigar riscos. Evite fios, cabos e conexões soltos ou desgastados. Saiba como desligar todos os equipamentos, fontes de alimentação e disjuntores. Certifique-se de que pelo menos duas pessoas trabalhem em um experimento que tenha poder dc acessível superior a 50 volts. Use as mesmas precauções com a potência de rede CA de fase única ou trifásica. Suponha que qualquer metal exposto carregue eletricidade viva, a menos que seja verificado. Antes de alterar uma configuração, desligue ou desligue as fontes de alimentação usadas no experimento. O aterramento adequado do equipamento garante que o chassi esteja em potencial terrestre, o que evita choques elétricos. Conecte sempre o equipamento em tomadas CA com o cabo de alimentação destinado a ele. Um equipamento mais quente do que o esperado é um perigo e um sintoma de um problema que deve ser resolvido. Finalmente, desligue todos os equipamentos depois que um experimento estiver concluído, e desligue o equipamento não-uso antes de sair do laboratório. Agora que foram apresentadas precauções básicas de segurança, a operação de alguns equipamentos elétricos comuns será demonstrada em laboratório.

Um gerador de função produz sinais para outros equipamentos que precisem de uma excitação ou uma tensão de acionamento. As saídas periódicas mais comuns são sinusoidal, triangular, dente-de-serra e ondas quadradas, que podem ser ajustadas em amplitude, frequência e compensação dc. A saída do gerador de funções está conectada ao circuito ou ao equipamento usando cabos. Normalmente, um conector BNC é usado em uma extremidade, e clipes de jacaré na outra extremidade para fácil conexão com um circuito. Uma fonte de alimentação DC fornece tensão ou uma corrente para operar outros equipamentos elétricos. A saída ajustável de um típico fornecimento de laboratório de baixa tensão varia entre 0 e 36 volts. A maioria das fontes de alimentação DC de saída única tem três terminais: mais, menos e terra. O terminal plus está conectado à entrada de tensão mais alta do equipamento a jusante. O terminal negativo está conectado à entrada de tensão inferior. A saída é a tensão ou corrente entre os terminais mais e menos, que são eletricamente isolados do solo. O terminal terrestre é uma referência fixa de terra-terra que é zero volts.

Outras fontes de energia comuns incluem energia CA de fase única a partir de uma tomada de parede padrão, ou energia CA trifásica. A potência em fase única tem uma linha direta e uma linha neutra para transportar corrente e entrega 120 volts. A potência trifásica fornece tensões mais altas através de três linhas quentes, com tensão CA em cada linha igual em frequência e magnitude, e 120 graus fora de fase uma da outra. O resultado pode fornecer 208, 230 e 480 volts, com potência correspondentemente maior. O manuseio da energia trifásica requer treinamento especial e precauções de segurança.

Em seguida, um autotransformer variável, também conhecido como Variac, é usado para intensificar ou descer a tensão CA. Isso é útil em aplicações que requerem tensões não padronizais ou onde a tensão deve ser variada. Um botão varia a tensão de saída entre zero e 100% do seu valor máximo. Observe que o Variac não fornece isolamento elétrico, portanto evite tocar na saída em qualquer configuração.

Um osciloscópio exibe as tensões de sinais que variam o tempo, e é usado para estudar o comportamento dos circuitos. Osciloscópios podem ter vários canais, cada um exibindo uma única forma de onda. Os dois principais tipos de sondas utilizadas com este instrumento são a sonda aterrada convencional e a sonda diferencial.

Aqui, uma sonda aterrada regular está conectada ao canal um. A sonda aterrada é geralmente classificada para tolerar várias centenas de volts e mede a tensão entre a ponta da sonda e seu chumbo terrestre. O chumbo terrestre está ligado ao solo terrestre no chassi do osciloscópio. É importante conectar a pista apenas a um ponto do circuito que também está aterrado. Tocar uma pista de terra para qualquer outro ponto causará um curto-circuito no chão. Agora conecte o canal um do osciloscópio à saída do gerador de função e ligue-o. Ajuste a escala de tempo do osciloscópio com o botão de segundos por divisão e ajuste a escala de tensão com os volts por botão de divisão. O nível do gatilho é a tensão que um sinal atravessa para causar sincronização do osciloscópio. O acionamento adequado minimiza o ruído no visor. Ajuste o botão do gatilho para definir o nível do gatilho manualmente ou pressione o nível definido para 50% para defini-lo automaticamente.

Finalmente, o multimetro é um versátil instrumento portátil, ou de bancada, para medir tensão, corrente, resistência e outras quantidades elétricas. Para medir a tensão, insira a sonda vermelha no v Ohms rotulado de contato e a sonda preta no com etiquetado de contato para comum. Ligue a fonte de alimentação DC e coloque-a na saída de 20 volts. Meça através dos dois terminais de saída tocando a sonda vermelha no terminal plus e na sonda preta para o terminal negativo. O multimetro lê 20 volts.

Muitos experimentos requerem a medição de quantidades elétricas e usam instrumentos básicos para fornecer esses dados. O estudo de pontes líquidas dielétricas polares requer um campo elétrico de alta intensidade entre dois béquers de fluido. Os béquers estão inicialmente em contato, e então são lentamente separados para formar a ponte. Nesta aplicação, uma fonte de alimentação DC de alta tensão gera 1.500 volts, o que requer um grande cuidado para um manuseio seguro. Para desenvolver maneiras de controlar a migração de células-tronco neurais para tratamentos terapêuticos, os pesquisadores estudaram seu movimento sob a influência de um campo elétrico. Uma câmara experimental usou uma fonte de alimentação DC para gerar o campo elétrico controlado necessário. Um amímetro mediu a corrente e um multimímetro mediu a tensão através da câmara de teste, que foi usada para calcular a força do campo elétrico.

Você acabou de assistir a introdução da JoVE à segurança elétrica e equipamentos eletrônicos básicos. Agora você deve entender como trabalhar com segurança com eletricidade e como usar alguns equipamentos básicos de teste elétrico. Obrigado por assistir!

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Applications and Summary

A segurança é a prática mais importante em um laboratório de engenharia elétrica. Equipamentos de medição elétrica e energia são comuns em muitas indústrias pesadas (processamento de metais, celulose e papel, etc.), automotivo, marítimo, aeroespacial, militar, entre outros. Várias marcas e modelos de diferentes equipamentos e ferramentas descritos no vídeo podem ter diferentes rótulos, botões e botões, mas os conceitos gerais ainda se aplicam.

Em um ambiente de laboratório educacional, os detalhes de segurança e equipamentos descritos acima são comumente usados em experimentos relacionados a AC/DC, DC/AC, dc/DC e conversão de energia AC/AC, transformadores, motores elétricos e geradores e motores elétricos básicos.

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Transcript

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