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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

ANDERSON CATAPAN

THOMAS GEORGE KLAESIUS

PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM FOCO CIRÚRGICO AUXILIAR

UTILIZANDO A TECNOLOGIA DE DIODOS EMISSORES DE LUZ

CURITIBA

2009

ii

ANDERSON CATAPAN

THOMAS GEORGE KLAESIUS

PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM FOCO CIRÚRGICO AUXILIAR

UTILIZANDO A TECNOLOGIA DE DIODOS EMISSORES DE LUZ

Trabalho apresentado como avaliação na disciplina de Projeto Final de graduação, no Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná. Orientador: Prof. Dr. Gideon Villar Leandro.

CURITIBA

2009

iii

AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar ao patrocínio da empresa KSS Comércio e Indústria

de Equipamentos Médicos, que custeou o desenvolvimento e deu acesso a

todas as ferramentas necessárias.

Ao orientador Gideon Villar Leandro, que apoiou e tornou o projeto ainda

mais interessante.

Aos amigos Daniel Lauer e Edie Roberto Taniguchi pela ajuda em todos

os momentos.

A todas as pessoas que, direta ou indiretamente, acreditaram e tornaram

o projeto possível.

iv

RESUMO

Neste trabalho é utilizada a tecnologia de diodos emissores de luz

(LEDs) para projetar um foco cirúrgico auxiliar. O caso estudado abordará o

equipamento mais simples, propondo a substituição de uma lâmpada halógena

por um módulo de LED. O público alvo são médicos, veterinários e demais

funções que requerem uma iluminação cirúrgica com qualidade, assim como

projetistas que atuam na área da iluminação. No desenvolvimento do projeto foi

necessário especificar os LEDs, os componentes óticos e térmicos (lentes e

dissipadores de calor) e elétricos (fonte de tensão, aquisição de dados por

microcontrolador), culminando na construção do protótipo. Com os resultados

dos ensaios, é possível enumerar as vantagens e desvantagens da iluminação

com LEDs frente a iluminação convencional, assim como tomar ciência das

dificuldades e obstáculos existentes para aplicação desta nova tecnologia.

Palavras-chave: LED; luminárias; foco cirúrgico; fonte de corrente para LEDs.

v

ABSTRACT

This technical report explains the project of a minor surgical lamp using

the light emitting diode (LED) technology. The case study will deal with the

simpler device, proposing the replacement of a halogen bulb for an LED

module. The target public are physicians, veterinarians, other functions that

require a high quality light, and designers working in the field of light design.

This report describes the process of development, starting with specifications of

LED, secondary optics, analyzing thermal and electrical management, and

concluding with prototyping. Finally, this project provides, in summary, the main

results of the tests, listing the advantages and disadvantages of the LEDs, as

well as difficulties and obstacles to implement this new technology.

Keywords: LED; luminaires; surgical light; constant current LED Driver.

vi

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 1

1.1 OBJETIVOS ............................................................................................................................ 2

1.1.1 Objetivo Geral............................................................................................................... 2

1.1.2 Objetivos Específicos ................................................................................................... 2

1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................................................... 3

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................................ 4

2.1 A LUZ .................................................................................................................................... 5

2.1.1 Fotometria .................................................................................................................... 5

2.1.2 Grandezas e Conceitos ................................................................................................ 6

2.2 LEDS DE ALTA POTÊNCIA .................................................................................................... 13

2.2.1 Tecnologias de Produção da Luz Branca .................................................................. 13

2.2.2 Benefícios Tecnológicos da Adoção dos LEDs ......................................................... 16

2.3 A ILUMINAÇÃO CIRÚRGICA .................................................................................................... 18

2.3.1 Histórico ...................................................................................................................... 18

2.3.2 Certificação de Equipamento Eletromédico ............................................................... 21

3. ETAPAS DE DESENVOLVIMENTO ................................................................................... 23

3.1 ESPECIFICANDO O LED ........................................................................................................ 24

3.2 DEFINIÇÕES ÓTICAS ............................................................................................................ 28

3.2.1 Lentes e Refletores .................................................................................................... 31

3.2.2 Desempenho da Segunda Ótica ................................................................................ 37

3.3 GERENCIAMENTO TÉRMICO .................................................................................................. 42

3.3.1 Ventilação Forçada .................................................................................................... 48

3.3.2 Cálculo da Resistência Térmica ................................................................................. 53

3.3.3 Formas de Medida ..................................................................................................... 59

3.4 FONTE DE ALIMENTAÇÃO ..................................................................................................... 60

3.4.1 O Microcontrolador PIC .............................................................................................. 64

3.4.2 Programando o PIC .................................................................................................... 65

3.4.3 Projetando a Fonte ..................................................................................................... 67

3.5 DESIGN ESTRUTURAL ........................................................................................................... 68

4. RESULTADOS E ANÁLISES ............................................................................................. 70

5. CONCLUSÕES ................................................................................................................... 73

5.1 DIFICULDADES E BARREIRAS A SEREM SUPERADAS ................................................................ 74

6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................................. 75

REFERÊNCIAS ........................................................................................................................... 79

ANEXOS ..................................................................................................................................... 84

vii

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA 1 - ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO ......................................................................................... 5

FIGURA 2 - INTENSIDADE LUMINOSA ...................................................................................................... 7

FIGURA 3 - PARÂMETROS PARA FOCOS CIRÚRGICOS ........................................................................ 8

FIGURA 4 - DESCRIÇÃO DO CAMPO ILUMINADO D50 E D10 ................................................................ 8

FIGURA 5 – COORDENADAS DE CROMATICIDADE X,Y ......................................................................... 9

FIGURA 6 - AMOSTRAS DE CORES PARA O IRC .................................................................................. 10

FIGURA 7 - TAXA DE FALHA DE ACORDO COM O TEMPO .................................................................. 11

FIGURA 8 - CURVA DE DEPRECIAÇÃO DO FLUXO LUMINOSO .......................................................... 12

FIGURA 9 - MORTALIDADE B10 E B50 PARA DIFERENTES VALORES DE CORRENTE ................... 12

FIGURA 10 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM LED ................................................................ 13

FIGURA 11 – TRÊS MÉTODOS DIFERENTES DE PRODUZIR LEDS BRANCOS .................................. 14

FIGURA 12 - LED OSRAM OSTAR ........................................................................................................... 15

FIGURA 13 - EQUIPAMENTO DOTADO DE LÂMPADAS INCANDESCENTES...................................... 19

FIGURA 14 - FOCOS CIRÚRGICOS MULTI-BULBOS. ............................................................................ 20

FIGURA 15 - (A) ESBOÇO DO FEIXE DE LUZ, E (B) FOCO CIRÚRGICO MONOFOCAL...................... 20

FIGURA 16 - FOCO CIRÚRGICO COM LEDS TRULIGHT 5000 .............................................................. 21

FIGURA 17 – REQUISITOS FUNDAMENTAIS EM UMA LUMINÁRIA A LED ......................................... 23

FIGURA 18 – LED DIAMOND DRAGON ................................................................................................... 25

FIGURA 19 – CONSTRUÇÃO INTERNA DO DIAMOND DRAGON ......................................................... 25

FIGURA 20 – LED LUXEON K2 COM TFFC ............................................................................................. 27

FIGURA 21 - CONSTRUÇÃO INTERNA DO LUXEON K2 ........................................................................ 27

FIGURA 22 - EFEITOS DA TEMPERATURA DE COR DURANTE CIRURGIA ........................................ 29

FIGURA 23 - CONTROLE DA LUZ VERMELHA EMITIDA ....................................................................... 29

FIGURA 24 - ESPECTRO VISÍVEL COMPARADO AO ESPECTRO EMITIDO PELO LED ..................... 30

FIGURA 25 - TEMPERATURAS DE COR PARA O LED OSRAM DIAMOND DRAGON ......................... 31

FIGURA 26 – GRÁFICO CARTESIANO/POLAR PLOTADO USANDO O LED DIAMOD DRAGON ....... 31

FIGURA 27 - LENTES E REFLETORES TESTADOS ............................................................................... 33

FIGURA 28 – DEFINIÇÃO DO ÂNGULO FWHM ....................................................................................... 33

FIGURA 29 – COMPARAÇÃO ENTRE DUAS LENTES DE MESMO FWHM ........................................... 34

FIGURA 30 – REPRESENTAÇÃO DE UMA LENTE IDEAL SEM PERDAS ............................................. 35

FIGURA 31 – REPRESENTAÇÃO DA REFLEXÃO INTERNA TOTAL .................................................... 35

FIGURA 32 - LENTES DURANTE ENSAIO ............................................................................................... 35

FIGURA 33 – SISTEMA PLACA, LED, SUPORTE E LENTE.................................................................... 36

FIGURA 34 – ÁREA ILUMINADA POR UMA LENTE MAL POSICIONADA............................................. 36

FIGURA 35 - OPÇÕES DE ARRANJO DO LED E DO REFLETOR .......................................................... 39

FIGURA 36 - IMPACTO DO DIÂMETRO DA LENTE ................................................................................ 40

FIGURA 37 - LED PHILIPS LUXEON REBEL ........................................................................................... 40

FIGURA 38 - GRÁFICO DA INTENSIDADE RELATIVA ........................................................................... 41

FIGURA 39 - DESAFIOS DO GERENCIAMENTO TÉRMICO EM LEDS .................................................. 42

FIGURA 40 - VIDA ÚTIL DE ACORDO COM A CORRENTE E TEMPERATURA .................................... 44

FIGURA 41 - MODELO DA PLACA DE METAL CORE ............................................................................ 44

viii

FIGURA 42 – DESENVOLVIMENTO DA PLACA DE METAL CORE ....................................................... 45

FIGURA 43 - ÁREA DE CONTATO MUITO AMPLIADA ENTRE LED E DISSIPADOR ........................... 46

FIGURA 44 - ADESIVOS TERMICAMENTE CONDUTIVOS ..................................................................... 47

FIGURA 45 - RELAÇÃO ENTRE RESISTÊNCIA TÉRMICA E VENTILAÇÃO FORÇADA ...................... 48

FIGURA 46 – SIMULAÇÃO MOSTRANDO O PONTO DE CONCENTRAÇÃO DE CALOR .................... 49

FIGURA 47 – VISÃO EXPLODIDA DE UMA VENTOINHA ....................................................................... 50

FIGURA 48 – ESTRUTURA BÁSICA DA VENTOINHA DE QUATRO FIOS ............................................ 50

FIGURA 49 – CIRCUITO TÍPICO DA APLICAÇÃO PWM ......................................................................... 51

FIGURA 50 – FOTOGRAFIA DA VENTOINHA ARTIC FAN 12 PWM ...................................................... 52

FIGURA 51 - EXEMPLO DO SISTEMA TÉRMICO .................................................................................... 53

FIGURA 52 - MODELO DA RESISTÊNCIA TÉRMICA PARA 1 LED ........................................................ 53

FIGURA 53 - MODELO DA RESISTÊNCIA TÉRMICA PARA N LEDS EM PARALELO .......................... 55

FIGURA 54 - PERFIL DO DISSIPADOR DE ALUMÍNIO SEM ANODIZAR............................................... 58

FIGURA 55 - DISSIPADOR DE ALUMÍNIO COM ANODIZAÇÃO PRETA ............................................... 58

FIGURA 56 - FORMA DE MONITORAR A TEMPERATURA DA PLACA ................................................ 59

FIGURA 57 – (A)VAR. DA CROMATICIDADE VS TJ ; (B)VAR. DA CROMATICIDADE VS IF................. 61

FIGURA 58 - TOPOLOGIAS DE FONTES DE ALIMENTAÇÃO ............................................................... 62

FIGURA 59 – FORMAS DE ONDA DO PWM ............................................................................................ 63

FIGURA 61 – TESTE DE TEMPERATURA ............................................................................................... 70

FIGURA 63 – FOCOS PARA ALTA CIRURGIA DISPONÍVEIS NO MERCADO....................................... 75

FIGURA 64 – FOCOS CIRÚRGICOS COM CONTROLE DE SOMBRA ................................................... 76

FIGURA 65 – AJUSTE DO CAMPO ILUMINADO ..................................................................................... 76

FIGURA 66 – CÂMERAS FILMADORAS EM FOCOS CIRÚRGICOS ...................................................... 77

FIGURA 67 – SISTEMA DE VÍDEO INTEGRADO ..................................................................................... 78

ix

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 – CORES BÁSICAS DE LEDS ................................................................................................ 14

TABELA 2 - COMPARAÇÃO ENTRE CCT, IRC E FLUXO LUMINOSO .................................................. 15

TABELA 3 – COMPARAÇÃO ENTRE AS TECNOLOGIAS MAIS UTILIZADAS ...................................... 16

TABELA 4 – ESPECIFICAÇÕES DO LED OSRAM .................................................................................. 26

TABELA 5 – ESPECIFICAÇÕES DO LED PHILIPS ................................................................................. 28

TABELA 6 – RESULTADOS DE ILUMINÂNCIA NAS LENTES E REFLETORES TESTADOS ............... 37

TABELA 7 – PROPORÇÃO DE ENERGIA CONVERTIDA PARA FONTES DE LUZ BRANCA .............. 43

TABELA 8 – CARACTERÍSTICAS DO DIELÉTRICO NAS PLACAS DE METAL CORE ........................ 45

TABELA 9 - PROPRIEDADES TÍPICAS DOS ADESIVOS TERMOCONDUTIVOS ................................. 47

TABELA 10 – ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DA VENTOINHA ............................................................. 52

TABELA 11 - CARACTERÍSTICAS DO ACABAMENTO SUPERFICIAL NO ALUMÍNIO ........................ 58

TABELA 12 – ALGUMAS CARACTERÍSTICAS DO PIC 16F818 ............................................................. 65

TABELA 13 - RESULTADO DO TESTE DE TEMPERATURA .................................................................. 70

TABELA 14 – CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DO FOCO CIRÚRGICO AUXILIAR A LED .................. 71

x

LISTA DE SIGLAS

A/D - Analog/Digital – Analógico/Digital

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas

ANSI - American National Standards Institute - Instituto Nacional Americano de Normas

CCS - Custom Computer Services - Serviços Personalizados de Computador

CCT - Correlated Color Temperature - Temperatura de Cor.

CRI - Color Rendering Index - Índice de Reprodução de cor.

ESD - Eletrostatic Discharge - Descarga Eletrostática

ESR - Equivalent Series Resistance – Resistência Equivalente em Série

I/O - Input/Output – Entrada/Saída

ICSP - In-Circuit Serial Programming - Programação Serial no Circuito

IDE - Integrated Development Environment - Ambiente de Desenvolvimento Integrado

IEC - International Electrotechnical Commission - Comissão Eletrotécnica Internacional

IR - Infrared - Infravermelho

ISO - International Organization for Standardization - Organização Internacional de

Normalização

LED - Light Emitting Diode - Diodo Emissor de Luz

LFC - Light Field Centre - Ponto Central do Campo Iluminado

MTBF - Mean Time Between Failure - Tempo médio entre falhas

MTTF - Mean Time to Failure - Tempo Médio de Falha

PIC - Peripheral Interface Controller - Interface Periférica Controlada

PWM - Pulse Width Modulation - Modulação por Largura de Pulso

RBLE - Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaio

RISC - Reduced Instruction Set Computer - Conjunto de Instruções Reduzida

UV - Ultraviolet - Ultravioleta

1

1. INTRODUÇÃO

A luz artificial representa um elemento básico e crucial para toda a

espécie humana. É provável que o interesse pela luz tenha começado ao

acaso pela observação do fogo. Os primeiros aparatos queimavam a madeira e

utilizavam algum tipo de óleo como combustível. Mais adiante se descobriu

como utilizar o gás, desenvolvendo os primeiros lampiões. Somente no final do

século XIX, a chama foi substituída por corpos sólidos incandescentes, tendo

como exemplo mais marcante a lâmpada elétrica criada por Thomas Alva

Edison, que permitiu uma produção em larga escala da luz artificial.

Este caminho, entretanto, não pára aí. Devido a escassos recursos,

eficiência energética se tornou obrigação e não uma escolha. Desde a

invenção do transistor nos Laboratórios Bell a microeletrônica tem evoluído e

recebido grandes avanços. A inserção de novos materiais nos semicondutores

possibilitou a criação dos primeiros diodos emissores de luz, ou do inglês LEDs

(Light Emitting Diodes), comerciais em meados de 1960, eram dispositivos

baseados em gálio, arsênio e fósforo. Apesar da inovação, estes diodos

tiveram unicamente utilidade identificadora e sinalizadora em equipamentos

eletrônicos. As novas tecnologias de filmes finos aumentaram a eficiência

luminosa dos LEDs e permitiram sua utilização nas mais variadas aplicações.

Programas intensivos são criados para promover a utilização de

equipamentos energeticamente mais eficientes. Os governos pretendem

reduzir ao máximo os investimentos em eletricidade, que, além dos custos

financeiros, geram custos ambientais significativos. A estratégia para atingir

esses objetivos reside no desenvolvimento de novas fontes de luz,

equipamentos auxiliares, sensores e luminárias mais econômicas.

O projeto proposto encaixa-se bem neste ambiente de sustentabilidade,

uma vez que, a eficiência é o principal escopo. O equipamento desenvolvido

para iluminação cirúrgica aborda a concepção mais simples, conhecido como

Foco Cirúrgico Auxiliar. Pretende-se substituir uma lâmpada halógena por um

módulo com LEDs, apresentando todo o processo desde as especificações até

sua conclusão.

2

Apesar do convênio entre a equipe que desenvolveu o projeto e a

empresa patrocinadora KSS Com. e Ind. de Equipamentos Médicos Ltda, o

projeto foi desenvolvido com enfoque acadêmico, tendo como objetivos mais

importantes o conhecimento acumulado e a pesquisa desenvolvida em uma

área de grande crescimento tecnológico.

1.1 Objetivos

Este trabalho tem como objetivo comparar os desempenhos e limitações

das duas principais tecnologias, atualmente disponíveis para projeto e

construção de Focos Cirúrgicos Auxiliares. Em função do projeto proposto,

foram traçados os seguintes objetivos:

1.1.1 Objetivo Geral

Desenvolver e implementar um foco cirúrgico auxiliar com a nova

tecnologia de LEDs brancos, visando aperfeiçoar seu funcionamento em

comparação com sua similar halógena e adequando-o às necessidades da

comunidade médica.

1.1.2 Objetivos Específicos

Após estudo das características técnico-científicas relacionadas aos

LEDs e baseado nos focos cirúrgicos auxiliares comercializados por empresas

internacionais, é essencial que os requisitos abaixo sejam atendidos para que a

luminária final seja comercializável. As grandezas e conceitos serão abordados

detalhadamente no capítulo seguinte.

• Foco Auxiliar que forneça iluminância máxima maior ou igual a 30000 lx,

e que possua controle da intensidade luminosa (dimerização) por

potenciômetro ou botões.

• Temperatura de cor com visual mais branco que a lâmpada halógena,

com cerca de 4500K a 5000K.

3

• Fonte de alimentação elétrica com controle de corrente que seja

chaveada ou microcontrolada, adequada às normas pertinentes.

• A temperatura no interior da cúpula não pode ultrapassar 50ºC em

nenhuma situação.

• Utilização de LEDs de alta potência e eficiência.

• Maior eficiência energética possível, em outras palavras, maior

aproveitamento da energia elétrica que entra no sistema e sai

transformada em luz.

1.2 Estrutura do Trabalho

O capítulo 2 traz uma revisão de literatura sobre os pontos mais

relevantes para compreensão do tema proposto e da abordagem adotada no

trabalho. Primeiro trata-se sobre os conceitos e grandezas da luz. A segunda

parte apresenta o histórico e situação atual da iluminação cirúrgica.

Na sequência, o capítulo 3 contém uma descrição sucinta das atividades

desenvolvidas.

No capítulo 4 os principais resultados obtidos nos ensaios e testes são

analisados, descrevendo os modelos de análise e comparando-os com os

objetivos iniciais.

O capítulo 5 apresenta as conclusões gerais além das recomendações

para futuras pesquisas e as dificuldades encontradas.

Completando a estrutura do trabalho, é citada a bibliografia utilizada

como referência para sustentar a proposta do projeto.

4

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A busca por uma iluminação de qualidade sempre foi uma constante,

não só na medicina, mas também para iluminação geral. Há pouco tempo atrás

os conceitos sobre iluminação pouco importavam a população, e para resolver

qualquer problema uma lâmpada incandescente já era mais que o suficiente.

Diferente da luz solar (luz natural) que proporciona a noção de tempo, a

luz elétrica (luz artificial) nos torna independentes, isto é, oferece autonomia

para realizações de tarefas a qualquer momento. Considerar as características

das lâmpadas e luminárias é requisito para obter-se uma boa iluminação

artificial. Bem explorada, pode transformar os ambientes, criando um “clima”

diferenciado aos usuários (BRONDANI, 2006).

A iluminação tem um papel muito importante no cotidiano de qualquer

pessoa, pois aborda diferentes enfoques, como o econômico, ergonômico e

psicológico. Portanto, utilizar a luz eficientemente pode melhorar desde as

finanças até o estado de humor.

De acordo com SORCAR (1987) a forma com que os espaços são

iluminados pode desencadear algumas reações emocionais como ânimo,

aborrecimento, prazer, tranqüilidade e depressão.

A iluminação também pode ser usada como forma de aliviar

psicologicamente as sensações térmicas do ambiente durante dias muito

quentes ou muito frios (PECCIN, 2002). Segundo MILLET (1996), a luz do sol

no inverno pode ajudar a aliviar a sensação de frio, assim como a luz do dia

filtrada por elementos de sombra pode aliviar a sensação de calor extremo no

verão.

Para obter estes benefícios é preciso entender alguns conceitos e

grandezas da luminotécnica. A seguir serão abordados os pontos mais

relevantes para compreensão do projeto proposto, assim como, os parâmetros

mais utilizados para compra e venda de focos cirúrgicos.

5

2.1 A Luz

Luz é a parcela da radiação eletromagnética compreendida entre os

comprimentos de onda de 380 a 780 nm, sendo a faixa do espectro que é

capaz de produzir uma sensação visual em um observador normal. A

sensibilidade visual para a luz varia não só de acordo com o comprimento de

onda da radiação, mas também com a luminosidade.

O espectro eletromagnético visível esta limitado, em um dos extremos

pelas radiações infravermelhas (responsável pela sensação de calor) e no

outro, pelas radiações ultravioletas (responsável pelo efeito higiênico da

radiação), conforme pode ser visto pela Figura 1.

Figura 1 - Espectro Eletromagnético

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de OSRAM (2006)

2.1.1 Fotometria

No dicionário Aurélio fotometria significa a parte da física que estuda a

medição de fluxos luminosos e suas características energéticas.

Segundo BRONDANI (2006) a fotometria trabalha com o balanço de

energia nos processos de emissão, propagação e absorção de radiação. A

quantidade de radiação pode ser avaliada em unidades de energia ou no seu

efeito sobre o receptor: o olho humano, a película fotográfica, a pele humana,

etc. Dependendo do receptor, o resultado será avaliado nas unidades físicas

habituais ou em especiais, como unidades de luz (ou fotométricas), fotográficas

ou eritêmicas.

6

Ainda de acordo com BRONDANI (2006) novos conceitos têm aparecido

para explicar e gerar um embasamento teórico para a expressão “qualidade da

iluminação”, que tem sido entendida como todas aquelas propriedades que o

projetista não consegue caracterizar com números (quantificar).

2.1.2 Grandezas e Conceitos

As grandezas a seguir são fundamentais para o entendimento dos

conceitos da luminotécnica e da iluminação cirúrgica. As unidades e símbolos

descritos pertencem ao Sistema Internacional (SI). Para facilitar o

entendimento foram adicionados comentários e figuras.

- Fluxo Luminoso

Símbolo: φ

Unidade: lúmen [lm]

Fluxo Luminoso é a quantidade total de luz emitida a cada segundo por

uma fonte luminosa, dentro dos limites de comprimento de onda mencionados

(380 e 780 nm).

- Eficiência Energética

Símbolo: η

Unidade: lúmen/watt [lm/W]

É calculada pela divisão entre o fluxo luminoso emitido em lúmens e a

potência consumida pela lâmpada em watt. Lembrando que utilizar a potência

da fonte dá um valor aproximado, já que nem toda a potência é convertida em

luz. Para uma medida mais exata deve-se consultar o datasheet do fabricante.

Esta é a principal característica de comparação entre fontes luminosas.

Segundo PEREIRA (2003) o valor máximo teórico para a maior

sensibilidade do olho humano é de 683 lm/W dado por uma fonte hipotética de

555 nm.

Por curiosidade a empresa CREE, grande fabricante de opto eletrônicos,

anunciou no começo de novembro de 2009, a lâmpada LED A-19 que produz

969 lúmens com eficiência de 102 lm/W. Esta lâmpada de apenas 9,5 W pode

facilmente substituir um bulbo incandescente de 65 W.

7

- Intensidade Luminosa

Símbolo: I

Unidade: candela [cd]

Se a fonte luminosa irradiasse a luz uniformemente em todas as

direções, o Fluxo Luminoso se distribuiria na forma de uma esfera. Tal fato,

porém, é quase impossível de acontecer, razão pela qual é necessário medir o

valor dos lúmens emitidos em cada direção. Torna-se necessário saber o que é

o ângulo sólido (ω), definido como o quociente entre a área superficial (A) de

uma esfera pelo quadrado de seu raio (r).

Portanto, intensidade luminosa é o fluxo luminoso irradiado na direção

de um determinado ângulo sólido unitário (Figura 2). Para fontes pontuais é

válida a equação:

I = φ / ω [cd]

Figura 2 - Intensidade luminosa

Fonte: PEREIRA (2003)

- Iluminância ou Iluminamento

Símbolo: E

Unidade: lux [lm/m²]

Relacionada ao conforto visual indica o fluxo luminoso de uma fonte de

luz que incide sobre uma superfície situada à uma certa distância dessa fonte.

Em focos cirúrgicos a Iluminância Ec é medida a 1 metro de distância do

equipamento no ponto central do campo iluminado (LFC), sem obstruções da

luz emitida (Figura 3). A norma específica para focos cirúrgicos exige um

iluminância entre 40.000 e 160.000 lx.

8

Figura 3 - Parâmetros para focos cirúrgicos

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Steris (2008)

- Campo Iluminado

Símbolo: d

Unidade: [mm]

É a medida do diâmetro da área iluminada pelo equipamento a 1m

(Figura 3). Existem dois valores para a medida do campo, no ponto em que a

intensidade da luz cai 50% de seu valor total é conhecido como d50, e o ponto

com intensidade de 10% é chamado de d10. A Figura 4 exemplifica melhor

este conceito.

Normalmente d50 é 180 mm e d10 é 360 mm. A norma específica para

focos cirúrgicos exige que a relação d50/d10 seja maior ou igual a 0,5.

Figura 4 - Descrição do campo iluminado d50 e d10

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Optoga AB (2009)

9

- Energia total irradiada

Símbolo: Ee

Unidade: [W/m²]

Este valor é muito importante para definir a quantidade de energia que é

irradiada ao campo iluminado, sendo possível determinar a elevação da

temperatura no ponto LFC com 100%Ec. Nas luminárias cirúrgicas Ee deve

estar abaixo de 1 kW/m². Outro parâmetro exigido pela norma específica é que

a relação entre a energia irradiada (Ee) sobre a iluminância (Ec) esteja abaixo

de 6 mW/m².lx. Estas medidas são feitas de acordo com a Figura 3.

- Temperatura de Cor

Símbolo: T

Unidade: kelvin [K]

A temperatura de Cor também é chamada como CCT (do inglês

Correlated Color Temperature). É uma medida que demonstra o aspecto de cor

de uma fonte de luz branca, indicando quando o branco esta mais

amarelo/dourado ou mais branco/azul. Muitas vezes as tonalidades de cor que

a luz apresenta ao ambiente, como quente ou fria, são confundidas com o calor

físico da lâmpada. Para exemplificar, toma-se a experiência realizada por

Planck. Ele notou que quando um corpo negro é aquecido a altas

temperaturas, a emissão de raios visíveis é muito maior, e à medida que

esquenta, fica vermelho, amarelo, branco e finalmente azul. Pode-se então,

estabelecer uma correlação entre a temperatura de uma fonte luminosa e sua

cor, utilizando as coordenadas de cromaticidade (Figura 5).

Figura 5 – Coordenadas de Cromaticidade x,y

Fonte: Adaptação de Commission Internationale d’Eclairage (1931)

10

- Índice de Reprodução de Cor

Símbolo: IRC

Unidade: R

IRC indica quão bem uma fonte de luz representa as cores, em uma

escala de 0 a 100, comparando-se à luz natural (do sol). Portanto, quanto

maior a diferença na aparência de cor do objeto iluminado em relação ao

padrão, menor é seu IRC. Com isso, explica-se o fato de lâmpadas de mesmo

CCT possuírem IRC diferentes. A forma de medida estabelecida pela CIE

possui oito amostras de cor (R1 a R8), dadas por uma fonte luminosa de

referência, que são comparadas a aparência da fonte em questão. A média

destas diferenças é conhecida como Ra. Alguns fabricantes utilizam o termo R9

relativo à reprodução do vermelho intenso, e até mesmo outros valores do R10

ao R15 (Figura 6). O Índice de Reprodução de Cor (Ra) para os focos

cirúrgicos deve estar entre 85 e 100.

Figura 6 - Amostras de cores para o IRC

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Optoga AB (2009)

- Taxa de Falha

Símbolo: λ(t)

Unidade: 1 falha por hora [1/h] ou 1 falha por 109 horas [FIT]

Um das grandes vantagens do LED é sua grande vida útil, contudo os

utilizadores querem cada vez mais saber quantas horas este componente irá

funcionar sem falhar. Esta questão esta diretamente ligada ao ambiente e as

condições de trabalho do LED. Os fabricantes, baseados em experiências e

estatísticas, confirmam que o LED não irá falhar durante a vida útil

mencionada, porém alguns requisitos devem ser atendidos, sobretudo na parte

térmica.

A confiabilidade esta sujeita a um processo estocástico, descrita pela

probabilidade de sobrevivência R(t), a qual esta dividida em três partes de

acordo com a Figura 7.

11

Figura 7 - Taxa de falha de acordo com o tempo

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de OSRAM Opto Semiconductors (2008)

A falha na parte 1 é geralmente causada por defeitos de concepção,

deficiências no material, flutuações da qualidade durante produção ou através

de falhas na aplicação (dimensionamento, manipulação, testes, operação, etc)

ou falhas não confirmadas. Na parte 2 as falhas aparecem de repente e ao

acaso. A parte 3 representa um rápido aumento na taxa de falhas devido ao

envelhecimento, desgaste, fadiga, etc.

- Fator de Depreciação ou Fator de Manutenção

Símbolo: L

Unidade: %

Durante operação o fluxo luminoso dos LEDs vai diminuindo

gradualmente. Esta queda ocorre até mesmo quando operado em boas

condições. A vida útil do LED é definida por um ponto em que a queda dos

lumens atinge um valor de critério. Como prática estes valores são de 50%

(L50) e 70% (L70), escolhidos de acordo com a aplicação. Portanto quando o

fabricante especifica um L70 de 20.000 h, quer dizer que após este tempo o

LED só terá 70% de seu fluxo luminoso original (Figura 8).

12

Figura 8 - Curva de depreciação do fluxo luminoso


- Mortalidade

Símbolo: B

Unidade: %

Este termo indica a porcentagem de componentes que falham. O valor

B50 descreve um ponto em que 50% dos dispositivos atingem um valor de

depreciação, ou seja, a mortalidade esta ligada com o fator de depreciação.

Este valor é geralmente especificado como vida mediana típica, t50 ou tml, para

os LEDs. Além da vida mediana, outro valor pode ser especificado quando 10%

dos componentes falharem (B10). Isto permite tirar uma conclusão sobre o

tempo de vida do LED.

A Figura 9 exemplifica a mortalidade para o LED Philips Luxeon K2, com

Temperatura de Junção (interna ao chip) de 125 °C e operado com diferentes

valores de corrente. Note que quando a corrente é de 1,5 A os valores de B10

e B50 são aproximadamente 11500 h e 13100 h, respectivamente.

Figura 9 - Mortalidade B10 e B50 para diferentes valores de corrente

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Philips Lumileds (2007)

13

2.2 LEDs de Alta Potência

Segundo SEDRA e SMITH (2000) o diodo emissor de luz é um

semicondutor dopado para criar uma junção pn, que emite luz pela passagem

de corrente elétrica. Quando a tensão aplicada ao LED excede a tensão de

ruptura, elétrons da região n (catodo) são atraídos pelas cargas positivas,

também chamadas de “lacunas”, da região p (ânodo). Essa ação preenche a

lacuna que havia no átomo ionizado, mas cria uma nova lacuna no outro

átomo. Esse processo, conhecido como recombinação, repete-se ocasionando

condução de corrente elétrica. Aumentando-se a corrente direta do diodo,

proporcionalmente aumenta-se o número de recombinações e a luz emitida. A

fabricação da junção pn deve ser feita usando semicondutores que possuem a

faixa proibida no modo de transição direta. A Figura 10 exemplifica esse

processo.

Figura 10 – Princípio de funcionamento de um LED

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Creative Commons

Attribution ShareAlike (2009)

2.2.1 Tecnologias de Produção da Luz Branca

Graças aos avanços na ciência dos materiais, hoje em dia existem

muitas cores de LEDs disponíveis no mercado, sendo que algumas delas

podem lhe cegar se olhar fixamente. A Tabela 1 apresenta as cores básicas e

algumas características para LEDs radiais.

14

Tabela 1 – Cores básicas de LEDs

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de LED Drivers, National Semiconductor (2009)

Cor Comprimento de onda [nm] Tensão Direta [Vf@20mA] Material do LED

Infravermelho 940 1,5 GaAlAs/GaAs

Vermelho 635 2,0 GaAsP/GaP

Verde 570 2,0 InGaAlP

Azul 430 3,8 SiC/GaN

Branco 8000K 3,6 SiC/GaN

A combinação de certos materiais permite a obtenção de cores

diferentes, assim como torna possível a obtenção da luz branca. De acordo

com artigos apresentados por diversos fabricantes, e documentos emitidos pelo

Departamento de Energia dos Estados Unidos, pode-se dizer que existem três

formas de produzir a desejável luz branca para iluminação. Elas são baseadas

em: (a) conversão por fósforo, (b) misturas de cores discretas e (c) método

híbrido. A Figura 11 mostra estes três métodos para a produção de luz branca.

Figura 11 – Três métodos diferentes de produzir LEDs brancos

(a) Conversão por Fósforo, (b) RGB e (c) Híbrido

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Navigant Consulting Europe Limited (2008)

No método de conversão do LED azul por fósforo, existe um chip que

emite luz azul ou UV, geralmente com comprimento de onda de 430 nm. Uma

parte desta luz é emitida diretamente e a outra parte é convertida pelo fósforo

para um comprimento de onda maior (verde, amarelo, vermelho) com uma

banda larga de emissão a qual se mistura com o azul e produz a luz branca. Os

LEDs produzidos por este método são conhecidos como pc-LEDs. O primeiro

fabricante que utilizou este método foi a Nichia em 1997, produzindo alto CCT.

15

Alguns fabricantes conseguiram adicionar uma segunda camada de fósforo,

que permite produzir LEDs com CCT menor (branco-morno) e com melhor CRI,

contudo ocorre uma perda na eficiência. A Tabela 2 compara LEDs Luxeon

Rebel da Philips com diferentes temperaturas de cor e com mesma potência

aplicada.

Tabela 2 - Comparação entre CCT, IRC e fluxo luminoso


CCT [K] IRC Fluxo Luminoso [lm] 3000 85 66 4000 80 85 5000 65 90 6500 65 90

A mistura de cores discretas possui fontes de cores diferentes, duas ou

mais, e usa um misturador ótico o qual une as cores criando o aspecto de luz

branca. Este processo, conhecido como síntese aditiva, possui seus próprios

desafios de fabricação para misturar as cores e criar um espectro de luz

totalmente branca. Analises têm mostrado que este método possui uma grande

qualidade, pois permite produzir LEDs com alta eficiência.

O terceiro método para geração da luz branca é uma abordagem híbrida

dos outros dois métodos, isto quer dizer que agrupa em um único

encapsulamento a camada de fósforo e cores discretas. Alguns fabricantes tem

produzido luz branca com baixo CCT combinando pc-LEDs com diversos LEDs

amarelos e vermelhos. Este processo permite mudar a temperatura de cor

entre dois ou mais valores. O LED OSTAR LE ACWWV H2A da OSRAM

(Figura 12) é um exemplo disso, possui quatro chips de cores diferentes

(âmbar, verde, 4200K e 5600K) que são ajustáveis de acordo com a corrente

aplicada aos seus terminais.

Figura 12 - LED OSRAM OSTAR

Fonte: OSRAM Opto Semiconductors (2008)

16

Atualmente os principais processos são conversão por Fósforo e mistura

de cores discretas, sendo que, ambos possuem vantagens e desvantagens que

estão relacionados na Tabela 3 a seguir.

Tabela 3 – Comparação entre as tecnologias mais utilizadas

Fonte: Adaptação do Departamento de Energia dos Estados Unidos (2008)

Tecnologia Vantagens Desvantagens

Conversão por Fósforo

• Tecnologia mais avançada • Processo de fabricação em

grandes quantidades • Fluxo luminoso e eficiência são

relativamente altos • Baixo custo

• Alto CCT • Branco quente pode ser

menos disponível e mais caro • Pode apresentar uma

variação de cor

RGB

• Flexibilidade de cor, em displays multicor e diferentes tonalidades de branco

• Maior eficiência

• LEDs individuais apresentam características diferentes

• Adição do custo necessário para controle da aparência de cor

• Geralmente possuem baixo CRI

2.2.2 Benefícios Tecnológicos da Adoção dos LEDs

A tecnologia de LED oferece muitas vantagens sobre as lâmpadas

incandescentes, halógenas, fluorescentes e a descarga. Abaixo estão listados

alguns benefícios, de acordo com documento emitido pelo Departamento de

Energia dos Estados Unidos (Navigant Consulting Inc, 2008).

• Maior vida útil: consumidores esperam que as lâmpadas custem

menos e durem mais, sobretudo em locais em que a substituição de lâmpadas

se torna perigosa e pouco rentável. Esta diminuição nos custos de manutenção

e a durabilidade dos LEDs têm sido decisivos em muitas aplicações. O tempo

de operação de um LED varia de 30.000 a 50.000 horas, sendo até 25 vezes

maior que em lâmpadas halógenas.

• Redução da Energia Consumida: os módulos a LED possuem

maior eficiência, entre outras palavras, baixa relação $/lúmen. A tecnologia de

iluminação por semicondutores esta em pleno desenvolvimento, habilitando

cada vez maiores economias.

17

• Redução do Calor Irradiado: os LEDs convertem uma grande

proporção de eletricidade em luz visível comparado às outras fontes de luz.

Encostar em um LED não queimará sua mão, pois não há emissão de

infravermelho (IR) e nem de ultravioleta (UV). Desta forma não há necessidade

de utilização de filtros absorventes de calor, como em lâmpadas halógenas.

Contudo eles produzem calor, o qual deve ser conduzido para um sorvedouro

de calor.

• Ajuste da Temperatura de Cor: muitos focos cirúrgicos com LEDs

possuem controle da temperatura de cor (CCT). Esta variação de cor depende

da aplicação, e geralmente esta entre 3500K e 5500K. Por exemplo, a

iluminação de diferentes tecidos musculares requer diferentes temperaturas de

cor para melhor visualização.

• Ajuste da iluminância: este ajuste, que é necessário em muitos

casos, é conhecido como dimerização. É possível controlar a luminosidade de

forma muito eficiente fazendo-o ligar e desligar, em freqüência imperceptível ao

olho humano, sem afetar sua vida útil. Este tipo de controle que reduz a

energia consumida pela luminária é conhecido como PWM (Pulse Width

Modulation).

• Aumento na Qualidade da Luz: a luz emitida por um LED pode ser

direcionada para a área desejável com uma grande uniformidade, não

ofuscando a visão das pessoas próxima e criando um campo bem definido. A

qualidade é diretamente relacionada ao alto CRI das luminárias a LED em

várias temperaturas de cor.

Mas essas vantagens são só o começo. Se o principal foco desta nova

tecnologia é providenciar mais segurança, conforto e qualidade ao paciente,

uma destas vantagens se torna essencial, menor calor aplicado ao campo de

operação. Isso acontece pela mínima emissão de calor e raios infravermelhos,

pois a luz é emitida apenas no comprimento de onda desejado, proporcionando

mais conforto à equipe de cirurgiões e ao paciente durante longas operações.

Muitos benefícios desta nova tecnologia atestam sua utilização em

aplicações diversas. No campo da medicina sua introdução é constante, como

fica evidenciado durante congressos e feiras, tanto internacionais como

nacionais. Tudo indica que os LEDs não irão substituir as lâmpadas halógenas

18

imediatamente, contudo acontecerá no futuro se os LEDs forem totalmente

aceitos pela comunidade médica.

2.3 A Iluminação Cirúrgica

Geralmente as salas cirúrgicas dispõem de um foco cirúrgico central fixo

ao teto, e quando se deseja uma maior intensidade luminosa são utilizados

focos auxiliares. Estes são acoplados a hastes (rígidas ou flexíveis), sobre uma

base (com ou sem rodízios) ou fixados à parede. Proporcionando então a

intensidade luminosa necessária com qualidade para um

diagnósticos/procedimento mais eficaz. Este foco móvel possui enorme

versatilidade em hospitais com grande número de salas de operação, em

clínicas veterinárias, de cirurgia plástica, etc.

Existe uma grande procura dos cirurgiões pelos focos cirúrgicos

auxiliares com LEDs, isso pode ser evidenciado em visita a feiras relacionadas

ao assunto e em contato com fabricantes do equipamento. A um custo razoável

os profissionais podem adquirir produtos eficientes e ecologicamente corretos.

No mercado nacional estão aparecendo os primeiros contatos com a tecnologia

enquanto que nos países desenvolvidos não há desconfiança ou

desentendimento quando a palavra é LED.

Segundo pesquisa feita pela MILLENIUM RESEARCH GROUP (2009),

os LEDs representaram cerca de 60% das vendas de focos cirúrgicos na

Europa em 2009, e acredita-se que assumirá todo o mercado em 2014. De

acordo com Tiffanie Demone, analista da MRG, a principal causa deve-se ao

grande investimento dos governos europeus sobre a iluminação a LED.

Contudo a luz de qualidade demorou a aparecer, deixando a medicina

no “escuro” durante muito tempo, como será abordado adiante.

2.3.1 Histórico

O desenvolvimento da tecnologia para iluminação cirúrgica ocorreu em

meados do ano 1850. Neste tempo, não muito remoto, realizar cirurgias em

determinados horários era quase impossível. As janelas então, eram elementos

essenciais para o desempenho das atividades, determinando a localização dos

espaços (PECCIN, 2002). Nos hospitais, as salas de cirurgia, por exemplo,

19

ficavam no último andar do edifício e eram equipadas com clarabóias para o

aproveitamento da iluminação natural (BUTLER, 1952). Devido à má

iluminação o cirurgião não tinha precisão, e o paciente muitas vezes dependia

da sorte. Além de contar com uma boa previsão do tempo, os equipamentos

médicos muitas vezes bloqueavam a área iluminada.

Operar utilizando velas e espelhos era uma grande dificuldade, que só

foi amenizada por volta de 1880 com o desenvolvimento dos primeiros

equipamentos (Figura 13). O tipo de luz que os cirurgiões sempre quiseram era

clara, brilhante, fria e natural, todavia os projetistas só estavam preocupados

em obter a iluminação necessária aos planos de trabalho (iluminação planar).

Estas luminárias se baseavam em conceitos inadequados, e em conseqüência

a luz emitida continuava difusa, com má qualidade e com grande emissão de

calor.

Figura 13 - Equipamento dotado de lâmpadas incandescentes

Fonte: Provena Saint Joseph Medical Center (2009)

A segunda geração de equipamentos, o chamado sistema multi-bulbos,

era constituído de lâmpadas halógenas acopladas a uma grande cúpula.

Entretanto estes focos cirúrgicos funcionavam como fonte de calor, já que a luz

era emitida pelo aquecimento do filamento de tungstênio. Na Figura 14, nota-se

que as articulações eram dotadas de contrapesos que auxiliavam o

posicionamento, porém dificultavam a movimentação da equipe de cirurgiões.

20

Estes focos cirúrgicos utilizavam de 1 a 9 bulbos halógenos de 55W, com

intensidade luminosa variando entre 100.000 e 170.000 lux.

Figura 14 - Focos cirúrgicos multi-bulbos.

Fonte: Trumpf Medizin Systeme (2005)

A partir daí surgiram inovações nas articulações e nos meios de filtrar o

calor emitido pelo foco. O desenvolvimento do foco cirúrgico de refletor único

mono focal aumentou a eficiência do sistema, pois passou a utilizar um bulbo

halógeno, com potência geralmente de 150W e iluminância entre 100.000 e

160.000 lux. A Figura 15(a) mostra os raios de luz, e a Figura 15(b) um foco

cirúrgico comercial.

Figura 15 - (a) Esboço do feixe de luz, e (b) Foco cirúrgico monofocal

Fonte: (a) Stryker (2007) e (b) Berchtold (2009)

21

Logo após surgiram os equipamentos atuais, os quais utilizam a mais

nova tecnologia de semicondutores e tema principal deste projeto, o LED. De

acordo com Camila Silva Batista, gerente de marketing da empresa KSS

Equipamentos Médicos, a grande eficiência aliada ao alto tempo de vida útil,

faz com que estes focos ganhem cada vez mais espaço no mercado hospitalar.

O foco TruLight 5000 (Figura 16) da empresa alemã Trumpf, pioneira na

tecnologia, lançou em 2009 um foco cirúrgico com 65 W e iluminância de

150.000 lux.

As especificações de outros produtos que utilizam LEDs podem ser

consultadas no Anexo A.

Figura 16 - Foco Cirúrgico com LEDs TruLight 5000

Fonte: Trumpf Medizin Systeme (2009)

Julie MacShane, em artigo para a revista LEDsMagazine, comenta que o

ciclo de projeto é de dois anos, incluindo a concepção, especificação e

instalação. Devido à constante evolução da tecnologia, o produto pode não

estar mais disponível depois deste tempo.

2.3.2 Certificação de Equipamento Eletromédico

A Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA) é o órgão

responsável pela regulamentação dos produtos médicos no Brasil. De modo a

promover maior segurança nos equipamentos a ANVISA só aceita um

processo de petição, após análise laboratorial. A pesquisa de laboratórios de

22

ensaio acreditados pode ser feita através da página web do Inmetro, no

catálogo da Rede Brasileira de Laboratórios de Ensaio (RBLE).

Os ensaios irão verificar se o equipamento atende a norma geral da

Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR IEC 60601-1

(Equipamento Eletromédico – Parte 1 – Prescrições Gerais de Segurança), que

é cópia fiel da norma IEC 601-1: 1988. Para certos tipos de equipamento, estas

prescrições são suplementadas ou modificadas por prescrições específicas de

uma Norma Particular. Por exemplo, existe a norma IEC 60601-2-41: 2000

(Medical Electrical Equipment – Part 2-41 – Particular Requirements for the

Safety of Surgical Luminaires and Luminaires for Diagnosis), particular para

focos cirúrgicos, todavia ainda não é aplicada em território brasileiro.

A norma geral define o equipamento eletromédico como todo

equipamento elétrico dotado de não mais que um recurso de conexão a uma

determinada rede de alimentação elétrica e destinado a diagnóstico, tratamento

ou monitoração do paciente, sob supervisão médica, que estabelece contato

físico ou elétrico com o paciente. A luminária a LED proposta deverá atender

uma série de requisitos da norma geral, contudo o relatório não descreve

detalhadamente estes processos, pois o foco principal é a iluminação com a

nova tecnologia de semicondutores.

23

3. ETAPAS DE DESENVOLVIMENTO

O sucesso na criação de uma luminária a LED depende de três grandes

peças, as quais devem ser cuidadosamente especificadas. Estas peças são o

gerenciamento do calor, eficiência ótica e o controle elétrico. Assim sendo são três

principais obstáculos a serem superados para se aproveitar as vantagens desta

tecnologia, contudo existem outros, ilustrados pela Figura 17.

Figura 17 – Requisitos fundamentais em uma luminária a LED

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Strategies Unlimited (2009)

De acordo com Vrinda Bhandarkar, analista sênior da empresa Strategies

Unlimited, a luminária a LED é muito mais que apenas LEDs, e projetar um produto

eficiente envolve uma série de importantes decisões. Tudo começa trançando os

objetivos do produto de acordo com sua aplicação. É essencial neste contexto

analisar as normas pertinentes ao produto, para saber o que pode ou não ser feito.

Antes da especificação das partes seguintes, é importante ter uma idéia da

estética da luminária. A área de trabalho será decisiva no dimensionamento da ótica

e dissipador utilizados, pois se leva em conta que diversos itens não serão

customizáveis.

Após montagem do módulo é necessário analisar o fluxo de ar, de maneira

que a temperatura esteja em valores adequados. Nesta etapa é comum a realização

de simulações em softwares específicos. O fabricante OSRAM indica o software

24

FloTHERM da Mentor Graphics, que inclui todos os efeitos de condução, convecção

e irradiação.

Estruturalmente as simulações podem ser feitas utilizando softwares de

design 3D, como o Inventor da Autodesk e o SolidWorks. É muito mais rentável

aproveitar de uma prototipagem digital para projetar e construir produtos melhores

em menos tempo. Permite visualizar diferentes protótipos ao mesmo, diminuindo o

custo até sua validação.

A última fase será destinada aos diversos testes no produto, a fim de verificar

sua real eficiência ótica, levando em conta a fonte de alimentação e o

gerenciamento térmico.

3.1 Especificando o LED

A primeira etapa terá uma grande influência sobre as demais. Isto porque o

desenvolvimento das etapas seguintes dependerá do tipo do LED a ser utilizado.

Entender e comparar o desempenho dos LEDs parece ser simples. Basta

conseguir o datasheet, comparar os números da luz emitida, eficiência e degradação

da intensidade luminosa, e tomar uma decisão. Infelizmente, qualquer aquisição e

decisão de design baseado unicamente em números, especificações das primeiras

páginas, sem nenhuma análise da performance dos LEDs na aplicação desejada

sob as condições de operação, pode levar a resultados insatisfatórios, caros

retrabalhos e riscos comerciais significativos. Por esta razão dois modelos de LEDs

serão testados, para posterior avaliação e decisão.

Realmente, a expectativa acerca do potencial dos LEDs de alta potência

revolucionou a indústria de iluminação e tem sido encarado com ceticismo por

alguns projetistas e arquitetos. Isto se deve ao fracasso dos primeiros projetos

luminotécnicos desenvolvidos com semicondutores. Em muitos casos, existem

suposições de que o desempenho do LED em uma luminária será a mesma da

especificada no datasheet. De fato, isto nunca será o caso e as especificações

descritas pelo fabricante não serão as mesmas daquelas encontradas durante

aplicação em um ambiente completamente diferente. Não há alternativa para o

fabricante de equipamentos para iluminação além de uma análise rigorosa dos

dados relevantes do datasheet. Esta análise não revelará o real desempenho e a

25

vida útil dos LEDs sob as condições em que o equipamento será submetido durante

seu funcionamento. Por esta razão vários testes deverão ser realizados.

Para se diferenciar dos produtos existentes no mercado os LEDs serão de 5 a

8 W, dos fabricantes OSRAM e PHILIPS, como segue nos parágrafos seguintes.

Portanto os módulos serão montados com poucos LEDs de alta eficiência, para que

o custo de produção se torne mais barato assim como o de futuras manutenções.

Em pesquisa com distribuidores do fabricante OSRAM, decidiu-se testar os

LEDs da família DRAGON. Especificamente o LED Diamond Dragon com

encapsulamento SMD preto, que permite um maior contraste (Figura 18). Este foi

lançado no começo de 2008.

Figura 18 – LED Diamond Dragon


O semicondutor consiste de um chip de 2 mm² com a tecnologia de filmes

finos ThinGaN da OSRAM semicondutores. A Figura 19 mostra as partes do LED.

Observar a presença do diodo protetor contra descargas eletrostáticas ou picos de

tensão acima de 2 kV. Em alguns modelos é impossível incorporar este diodo ESD

devido a restrições no espaço.

Figura 19 – Construção Interna do Diamond Dragon


26

Alguns fabricantes não utilizam diodos ESD em seus LEDs, sendo que a

proteção pode ser feita colocando um diodo Zener em paralelo à carreira de LEDs,

lembrando que este mecanismo deve atuar antes que o pulso cause algum defeito

aos LEDs. Normalmente o período do pulso é menor que 100 ns.

A Tabela 4 representa as principais especificações do LED Diamond Dragon

LCW W5AP. As definições óticas e térmicas não foram totalmente descritas, pois

serão mais bem analisadas nas seções seguintes. Note que por padronização de

fabricantes as unidades para medir temperatura de cor e quantidade de calor são

diferentes.

Tabela 4 – Especificações do LED OSRAM


Parâmetro Símbolo Valor Unidade

Fluxo Luminoso ΦV 150 - 180 lm

Eficiência Óptica ηOPT 41 lm / W

Temperatura de Cor T 2500 - 4800 K

Corrente IF 0,2 – 2,0 A

Tensão VF 2,9 – 4,3 V

Temperatura de Junção TJ 160 °C

Resistência Térmica Rθ 2,5 °C / W

Fator de Depreciação IF = 1,4 A e TJ = 150 °C L70 50.000 h

Outro LED pesquisado foi da marca Philips, Após sugestão do fornecedor

internacional foi adquirido o LED K2 com TFFC, pertencente a família Luxeon. Este

componente apresenta maior eficiência ótica comparado ao Diamond Dragon

(Figura 18). Este LED K2 com TFFC é um aprimoramento do primeiro K2, e teve seu

lançamento no final de 2007.

Utiliza a tecnologia de filmes finos Thin Film Flip Chip TFFC

Philips, e é constituído de Nitreto de Gálio

encapsulamento é semelhante ao Diamond, observado na

especificações técnicas na Tabela 5.

Fonte: Os Autores (2009),

Quando todas as condições de operação são levadas em conta, por exemplo,

uma fonte de corrente para estas aplicações que necessitam alto brilho, a real

temperatura que o equipamento irá operar, e adequação a todos os r

referentes à depreciação dos lumens, a luz realmente emitida e a comparação entre

diferentes marcas de LED, mostram que o datasheet é muito diferente da realidade.

Somente através de uma boa análise do desempenho do LED sob as condições de

trabalho, pode levar a uma boa decisão de escolha. Iluminação por estado

uma recente e crescente indústria, as inovações são constantemente introduzidas

para melhorar o desempenho e ter produ

LEDs podem ser considera

as diretrizes RoHS, não cont

Figura 20 – LED Luxeon K2 com TFFC

Fonte: Philips Lumileds (2009)

a tecnologia de filmes finos Thin Film Flip Chip TFFC,

Nitreto de Gálio-Índio (InGaN) em uma área de 1 mm². O

encapsulamento é semelhante ao Diamond, observado na Figura 21, assim como as

especificações técnicas na Tabela 5.

Figura 21 - Construção Interna do Luxeon K2

Os Autores (2009), Adaptação de Philips Lumileds (2009)



temperatura que o equipamento irá operar, e adequação a todos os r




ho, pode levar a uma boa decisão de escolha. Iluminação por estado


para melhorar o desempenho e ter produtos cada vez mais competitivos.

LEDs podem ser considerados ecologicamente corretos, pois estão de acordo com

ão contendo chumbo ou outras substâncias perigosas.

27

registrada pela

Índio (InGaN) em uma área de 1 mm². O

, assim como as

(2009)



temperatura que o equipamento irá operar, e adequação a todos os requisitos




ho, pode levar a uma boa decisão de escolha. Iluminação por estado-sólido é


tos cada vez mais competitivos. Estes

pois estão de acordo com

chumbo ou outras substâncias perigosas.

28

Tabela 5 – Especificações do LED Philips


Parâmetro Símbolo Valor Unidade

Fluxo Luminoso ΦV 275 lm

Eficiência Óptica ηOPT 60 lm / W

Temperatura de Cor T 3500 - 4500 K

Corrente IF 0,35 - 1,5 A

Tensão VF 3,03 - 4,71 V

Temperatura de Junção TJ 150 °C

Resistência Térmica Rθ 5,5 °C / W

Fator de Depreciação IF = 1,5 A e TJ = 150 °C L70 10.000 h

Portanto são múltiplos e complexos fatores que determinam a escolha do LED

entre marcas diferentes. O projetista deve saber como melhor encontrar e usar as

informações, para obter o seu maior desempenho. Por esta razão a decisão de qual

LED será utilizado virá na etapa seguinte, após avaliação do melhor desempenho

dentro dos objetivos do projeto. Será avaliada também a segunda ótica necessária

para atender os requisitos de projeto.

3.2 Definições Óticas

Os LEDs são conhecidos por sua grande eficiência luminosa, medida como

lumen (lm) por watt (W). De acordo com Quata Ocano, da empresa californiana

LedEngin, a avaliação do desempenho não deve levar em conta unicamente este

parâmetro. Em aplicações que exigem concentração de luz, os projetistas precisam

desenvolver módulos que maximizem a luz entregue ao campo operatório, além do

valor lm/W. Os dois parâmetros mais importantes a considerar quando se trabalha

com luz direcional são: primeiramente, a quantidade de luz que chega a área

selecionada e, em segundo lugar, a qualidade desta luz. Como mencionado no

capítulo 2, a qualidade esta diretamente ligada ao índice de reprodução de cor e a

temperatura de cor.

29

Atualmente o CCT empregado em focos cirúrgicos com LED esta na faixa de

3500K (branco quente) até 5000K (branco frio). Utilizando LEDs como o da Figura

12, ou fixando LEDs de diferentes temperaturas de cor, alguns fabricantes

conseguem disponibilizar a troca imediata do CCT. Observe na Figura 22 o efeito

sobre a área iluminada, essencial para diferenciação em áreas com diferentes

tecidos e com pouco ou muito fluxo sanguíneo. A luz com alto CCT pode melhorar a

concentração, por exemplo, reduzindo a fadiga durante operações noturnas.

Figura 22 - Efeitos da temperatura de cor durante cirurgia

Fonte: Trumpf Medizini Systeme (2006)

A Figura 23 exemplifica como a temperatura de cor atua na porcentagem de

visualização da luz vermelha. Em 3500K a reprodução do vermelho é bem

acentuada, diminuindo à medida que a temperatura de cor aumenta.

Figura 23 - Controle da luz vermelha emitida

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Brandon Medical (2007)

A sensibilidade média do olho humano é compatível com o espectro emitido

pelo LED. A Figura mostra a curva ótica padrão do olho humano proposta pela CIE

em comparação com o espectro emitido pelo LED Diamond Dragon. Nota-se que o

30

olho humano não responde igualmente a todos os comprimentos de onda da faixa

visível do espectro luminoso.

A forma com que os pc-LEDs são criados, luz azul adicionada a luz amarela,

demonstra que o olho humano detecta esta mistura como branco. Por este motivo o

espectro emitido não pode ser descrito como uma onda única, sendo que existem

dois picos, como demonstra a Figura 24. O comprimento de onda do espectro

emitido pelo LED (entre 400 nm e 800 nm) demonstra que não há emissão de UV e

IF.

Figura 24 - Espectro visível comparado ao espectro emitido pelo LED


O modelo específico Diamond Dragon possui temperatura de cor máxima de

4800K, e encontra-se no grupo 4J conforme o gráfico da Figura 25. Uma visão geral

de temperaturas de cor para os LEDs da OSRAM é dada no Anexo B.

31

Figura 25 - Temperaturas de cor para o LED OSRAM Diamond Dragon


3.2.1 Lentes e Refletores

As fontes de luz comumente utilizadas emitem luz em todas as direções, já o

LED possui a vantagem de ser direcionável. Utilizando uma lente de silicone fixada

ao encapsulamento, pode-se definir o ângulo de emissão. Para o LED Diamond

Dragon este ângulo é de 140°, na Figura 26 há uma comparação com a intensidade

relativa. Contudo o valor ainda é alto, e não permite definir uma área iluminada. O

modelo de emissão pode ser considerado como Lambertiano, pois dispersa a luz

igualmente em todas as direções.

Figura 26 – Gráfico cartesiano/polar plotado usando o LED Diamod Dragon


32

Quando determinada aplicação requer um ângulo ainda menor, a solução é

acoplar uma lente ou refletor ao LED, reduzindo o ângulo de visão para um valor

adequado. Estes são conhecidos como segunda ótica, e possuem perdas por

reflexão e refração muito baixas, formando um campo iluminado mais definido.

Como é impossível criar um campo totalmente homogêneo, é de grande importância

definir uma margem de erro para a área iluminada já nas primeiras etapas do

projeto.

Existem muitos fabricantes de lentes e refletores mundo afora. Cada um deles

fabrica e projeta a lente para um LED específico em grandes quantidades, já que o

desenvolvimento próprio é muito caro e pouco vantajoso. Por esta razão uma lente

pode ser usada unicamente com um tipo de LED, semelhante a um sistema chave-

fechadura. A escolha da lente ou refletor estará direcionada para a eficiência,

repetibilidade, consistência com as informações do datasheet e problemas de

instalação. Em primeiro momento, esta tarefa parece muito simples, contudo,

quando é posto em prática, muitos problemas podem aparecer.

Os materiais mais comuns em lentes são o PMMA (polimetil-metacrilato),

PMMI (polipirometilimida), PC (policarbonato) ou silicones especiais, sendo que o

refletor recebe um espelhamento em alumínio. Estes materiais já foram

extremamente analisados e testados para garantir uma longa vida útil, de maneira

que sua eficiência não se comprometa num período de dez até mais de vinte anos

de uso contínuo. O material de que é feito a segunda ótica é um requisito muito

importante para a especificação da mesma. Muitas escolhas levam em conta apenas

duas informações, primeiramente os dados teóricos e logo após o custo da peça.

Como será descrito somente uma análise prática irá revelar seu real desempenho.

Já o baixo custo pode estar relacionado a materiais de má qualidade, como o PS

(poliestireno) e SAN (estireno acrilonitrila), um pobre processo de tratamento e um

rápido modelamento da peça. Freqüentemente este baixo custo tende a se tornar

alto com o passar do tempo, quando as lentes ficam amareladas, esbranquiçada ou

o refletor fica opaco, mudando a aparência da luz emitida drasticamente.

Ao fim deste capítulo será definida a melhor ótica para a luminária, após

testes em diferentes lentes e refletores com ângulos de visão estreitos (ver Figura

27), aplicando ao LED a mesma corrente. As marcas testadas serão Ledil, Carclo

Optics, IMS, Khatod e Polymer Optics.

33

Figura 27 - Lentes e Refletores testados

Fonte: Os Autores (2009)

O parâmetro que define a mais adequada lente ou refletor para cada caso é

conhecido como Largura a Meia Altura, mais conhecida como FWHM (do inglês Full

Width at Half Maximum). Um processo semelhante ao mencionado no capítulo 2,

para especificar o diâmetro do campo iluminado nos focos cirúrgicos. Segundo o

documento Federal Standart 1037C publicado pelo Institute for Telecommunication

Science, esta largura é dada pela diferença entre dois valores extremos de uma

variável independente no qual a variável dependente atinge metade de seu valor

máximo, em outras palavras, é a separação angular entre as direções, na qual a

intensidade cai pela metade de seu valor total. Melhor observado na Figura 28. Este

parâmetro será muito importante para o cálculo do campo iluminado e para escolha

das lentes e refletores.

Figura 28 – Definição do ângulo FWHM

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Arne Nordmann (2007)

34

Quando a distribuição da luz possui um ângulo muito estreito, muitas

empresas utilizam outro parâmetro para especificar a segunda ótica. De acordo com

Guido Campadelli, da empresa Fraen, este parâmetro é representado por FW10%M,

e representa o ponto em que a iluminância chega a 10% de seu valor total. Segundo

Tomi Kuntze, da empresa Ledil, uma boa especificação considera estes dois

valores, pois somente o FWHM pode ser ambíguo e levar a má interpretação por

parte do projetista. Para exemplificar, é proposto uma comparação de duas lentes

imaginárias, A e B, representadas pela Figura 29. A lente A (azul) possui um ângulo

FW10%M muito largo e FWHM de ±5°, por conseguinte a lente B (vermelho) possui

um ângulo FW10%M muito estreito e FWHM de ±5°. Portanto estas duas lentes

possuem o mesmo ângulo FWHM. Sobrepondo estas duas curvas absolutas, nota-

se que a lente B tem uma iluminância 5 vezes maior que a da lente A, mas continua

com o mesmo valor FWHM. Por esta razão, especificar uma lente ou refletor

somente pelo ângulo FWHM, não leva em conta a real distribuição da luz na área

especificada. Mais parâmetros devem ser observados, sendo que, o valor de 10%

da intensidade fornece juntamente com o FWHM uma boa estimativa de como a luz

será emitida.

Figura 29 – Comparação entre duas lentes de mesmo FWHM

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Ledil Oy (2009)

Um complexo estudo deve ser feito para desenvolver uma lente ou refletor

para um LED, de maneira que os raios emitidos sejam concentrados dentro do

ângulo FWHM. Uma lente ideal emite toda a luz sem perdas por reflexão ou

refração, conforme Figura 30.

35

Figura 30 – Representação de uma lente ideal sem perdas

Fonte: Carclo Optics (2009) e Ledil Oy (2008)

Todo este processo obedece ao princípio de Reflexão Interna Total, no qual

toda a luz emitida é refletida na lente e direcionada para fora dela, neste momento

não há refrações. Este fenômeno só ocorre se o índice de refração da lente for maior

que o índice do ar, de acordo com a Figura 31.

Figura 31 – Representação da Reflexão Interna Total


Por esta razão uma boa eficiência da lente é essencial. A Figura 32

representa fotografias de uma lente durante ensaio, note que na foto da direita o

suporte da lente foi retirado somente para uma melhor visualização.

Figura 32 - Lentes durante ensaio


36

Uma montagem errada do sistema, Figura 33, pode comprometer o

desempenho da luz emitida e distorcer o campo iluminado.

Figura 33 – Sistema placa, LED, suporte e lente


A causa deste erro normalmente se deve a movimentação da lente, que pode

ser no máximo cerca de 0,2 mm, acarretando a iluminação irregular do campo

(Figura 34). Este é um grande desafio para produção em série, porque além das

irregularidades nas produções de LED, lente e placa, é preciso prever os métodos

de montagem do sistema de forma segura e confiável. Na aplicação de focos

cirúrgicos auxiliares móveis este problema é muito maior. Os equipamentos

precisam ser robustos, pois operaram em locais de estresse diário.

Figura 34 – Área iluminada por uma lente mal posicionada

Fonte: Intra Lighting d.o.o (2009)

37

3.2.2 Desempenho da Segunda Ótica

O real desempenho foi verificado tomando os devidos cuidados de fixação e

aplicando a mesma corrente de 1,5 A aos LEDs. Os equipamentos necessários para

realização do teste foram:

• Fonte de corrente contínua constante ICEL-PS5000; e,

• Luxímetro ICEL-LD550 (posicionado a 1 metro).

A definição do LED que será utilizado, assim como da lente ou refletor, foi

feita de acordo com a Tabela 6, que apresenta os resultados obtidos após testes.

Apesar do custo e métodos de fixação não estarem presentes, também foram

levados em consideração.

Tabela 6 – Resultados de iluminância nas lentes e refletores testados


Fabricante Modelo Diâmetro [mm] Fotografia FWHM Diamond

[lx @ 1 m] Luxeon K2 [lx @ 1 m]

Ledil Lente

LD1-RS 21,6

±4° 3240 1350

Ledil Lente LD1-D 21,6

±7° 2620 1800

Ledil Refletor

Boom-S C10588 20,0

±9° 970 2040

IMS Refletor

SO20XA 20,5

±5° 2630 6730

IMS Refletor SO27XA

27,5

±4° 4250 10270

38

Khatod Refletor

KCLP20CR 20,0

±3° 950 4550

Khatod Lente

KEPL19906 22,0

±5° 1170 4700

Khatod Lente

PL27106 26,8

±5° 2420 5010

Khatod Lente

PL527106 26,8

±5° 1390 1560

Khatod Lente

KEPL3506 35,0

±5° 2410 2910

Khatod Lente

PL526806 26,8

±5° 1440 1570

Khatod Lente

PL115406 19,7

±5° 1050 3740

Khatod Lente

PL26806 26,8

±5° 2260 4980

Khatod Lente

PL02706 24,8

±5° 1570 3600

Khatod Lente

PL119906 35,0

±5° 3520 7270

39

Khatod Lente

PL25606 35,0

±5° 2700 7380

Khatod Lente

PL26606 26,8

±5° 2250 8190

Carclo Lente 10003 20,0

±3,9° 950 2410

Carclo Lente 10193 20,0

±4,1° 2280 5330

Polymer Optics

Lente 120 10,0

±6° 1240 1060

Os resultados demonstram que o LED Luxeon K2 tem uma eficiência maior

comparado ao LED Diamond Dragon, até mesmo quando utilizado com lentes

especificas para o LED OSRAM. Pela análise dos dados obtidos e pelo visual da luz

emitida, comprova-se que o refletor IMS SO27XA possui a melhor concentração da

luz a 1m, quando utilizado com o LED K2 fornece cerca de 10270 lx, que é 115

vezes maior que a medida do LED sem lentes ou refletores. A boa concentração da

luz foi alcançada após modificações na estrutura do refletor, o que tornou o uso

inviável devido a dificuldades na fixação. A luz emitida diretamente aos olhos do

usuário é outro impedimento, uma vez que é possível enxergar o chip do LED

diretamente. Esta é a forma direta de emissão, que ainda pode ser semi-direta e

indireta, como exemplificada pela Figura 35.

Figura 35 - Opções de arranjo do LED e do refletor

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Andreas Bielawny (2009)

40

Para comprovar o pensamento de que lentes maiores têm melhor eficiência,

foram analisadas lentes e refletores com diâmetros variando de 10 até 35 mm. A

maioria das aplicações são resolvidas com lentes de 21 mm, mas quando se deseja

uma grande concentração da luz, tipicamente com FWHM de 3 a 4 graus, uma lente

de 26 ou 30 mm apresenta melhores resultados (Figura 36). Mas entende-se que

lentes maiores geralmente são mais caras e em muitas aplicações são restritas

pelas dimensões da luminária.

Figura 36 - Impacto do diâmetro da lente

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Ledil Oy (2009)

A boa eficiência na concentração pode ser verificada pelo resultado das

lentes Khatod PL26606, PL119906 e PL25606, que possuem diâmetros de 26,8 mm,

35 mm e 35 mm respectivamente. O refletor IMS SO27XA também possui um

tamanho maior com diâmetro de 27,5mm.

Desta forma a segunda opção seria utilizar a lente PL26606 juntamente com o

LED K2, contudo o fabricante Philips irá retirar o LED Luxeon K2 de linha no ano de

2010 e irá concentrar toda a produção para o LED Luxeon Rebel de 1W (Figura 37).

Figura 37 - LED Philips Luxeon Rebel

Fonte: Philips Lumileds (2009)

41

Em conseqüência destes fatos o projeto teve sequência montando um

sistema com o LED Diamond Dragon da OSRAM e a lente Ledil LD1-RS, feita de

PMMA. O FWHM e o valor de 10% podem ser visualizados no gráfico da intensidade

relativa da Figura 38.

Figura 38 - Gráfico da Intensidade Relativa

Fonte: Ledil Oy (2009)

Do ponto de vista ótico uma lente sempre será a melhor opção, pois o feixe

de luz pode ser muito bem controlado. A eficiência de uma lente é muito alta, no

caso da LD1-RS maior que 90%, para a maioria das aplicações. Nos refletores é

possível uma reflexão de 90%, porém o controle da luz emitida é menos eficiente.

Quando a fonte de luz é muito grande ou se deseja uma grande concentração da luz

é preferível utilizar refletores, já que produzir grandes lentes não se torna viável.

Diante dos resultados obtidos nesta etapa verifica-se que existem muitos

problemas durante analise de lentes e refletores para LEDs de alta potência. O

grande problema é com certeza a escolha da lente. Fica evidenciado que diferentes

fabricantes têm lentes com diferentes qualidades para diferentes LEDs e diferentes

ângulos de emissão. Um mesmo fabricante pode ter uma lente boa e outra ruim.

Portanto é difícil dizer um fabricante que possua as melhores lentes, sendo que é

preciso testar cada uma delas para encontrar a mais adequada. Ter objetivos bem

definidos, como intensidade da luz e campo iluminado são primordiais para definição

da melhor ótica a ser usada.

42

3.3 Gerenciamento Térmico

Todas as fontes de luz convertem energia elétrica em luz e calor em várias

proporções. Lâmpadas incandescentes emitem principalmente IR, com uma

pequena quantia de luz visível. Fontes como lâmpadas fluorescentes e vapor

metálico convertem uma proporção maior de energia em luz, mas também emitem

IR, UV, e conseqüentemente calor. Os LEDs geram pequena ou nenhuma quantia

de IR e UV, mas convertem somente 15% a 25% da energia em luz visível, o

restante deve ser conduzido para um dissipador de calor. Uma comparação com a

lâmpada incandescente é feita na Figura 39.

Figura 39 - Desafios do gerenciamento térmico em LEDs


A Tabela 7 abaixo mostra as diferentes proporções em que a energia total é

transformada, para vários tipos de fontes de luz branca.

A temperatura tem um impacto direto na performance elétrica e ótica dos

LEDs, assim como em todos os produtos que utilizam semicondutores. Esta é a

razão de pensar primeiramente na parte Térmica e depois na Eletrônica, pois é a

grande chave para uma luminária de sucesso. Um bom gerenciamento de calor

começa pela escolha do dissipador, que muitas vezes inclui o gabinete como fator

dissipativo.

43

Tabela 7 – Proporção de energia convertida para fontes de luz branca

† IESNA Handbook ‡ Osram Sylvania Depende da eficiência do LED. Dados de Março de 2006.

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação do Departamento de Energia dos Estados Unidos (2007)

Incandescente† (60W)

Fluorescente† (Típico linear CW)

Vapor Metálico‡

LED

Luz Visível 8% 21% 27% 15-25%

IR 73% 37% 17% ~ 0%

UV 0% 0% 19% 0%

Energia Total Irradiada 81% 58% 63% 15-25%

Calor (Condução + Convecção)

19% 42% 37% 75-85%

Total 100% 100% 100% 100%

Os módulos geralmente possuem muitos LEDs, os quais resultam em

grandes níveis de potência a ser dissipada. Eles são muito sensíveis a temperatura,

operá-los com calor em excesso traz conseqüências a curto e a longo prazo. Em

curto prazo ocorre mudança na temperatura de cor e redução da luz emitida, já em

longo prazo os efeitos são irreversíveis, como aceleração da depreciação de lumens

e redução da vida útil.

O grande desafio em um gerenciamento de temperatura em lâmpadas de

LED é manter uma temperatura específica. A vida útil do LED esta diretamente

ligada a Temperatura de Junção (Tj do inglês Junction Temperature). Esta

temperatura refere-se à junção pn do semicondutor. Esta não pode ser medida, pois

é interna ao encapsulamento, mas pode ser calculada teoricamente pela resistência

térmica dos materiais, como será feito mais adiante. O gráfico da Figura 40 mostra a

vida útil para quatro valores de corrente, com referência a temperatura de junção,

para o LED Diamond Dragon da OSRAM.

44

Figura 40 - Vida útil de acordo com a corrente e temperatura


Por exemplo, para que o LED Diamond Dragon operado com 2A tenha uma

vida útil de 60kh, é necessário que a temperatura no ponto de solda não ultrapasse

100°C e com isso a máxima temperatura de junção será de 120°C.

A temperatura que pode ser medida e é considerada como referência, é a

temperatura da Placa (TB do inglês Board Temperature). Esta Placa é conhecida

como MCPCB (do inglês Metal Core Printed Circuit Board) que é provavelmente a

maneira mais conveniente de design quando se leva em conta as questões térmicas.

Estas são placas de circuito impresso construídas com um núcleo metálico e

isolantes elétricos em ambas as faces deste núcleo. O núcleo pode ser de aço,

alumínio, cobre ou um laminado de metal (normalmente cobre/Invar/cobre ou

alumínio/tungstênio/cobre) como demonstra a Figura 41.

Figura 41 - Modelo da placa de metal core


Como o LED Diamond Dragon não possuía placas no mercado, um layout

específico teve de ser desenvolvido (ver Figura 42). Esta placa de Metal Core tem

45

um custo muito elevado para pequenas quantidades, uma vez que comprar 10 ou

100 placas terá aproximadamente o mesmo custo.

Figura 42 – Desenvolvimento da Placa de Metal Core


Esta tem uma grande importância no sistema, pois além de facilitar a

montagem do LED, isola o mesmo do dissipador evitando correntes de fuga. A

Tabela 8 representa as principais características do dielétrico nesta placa.

Tabela 8 – Características do dielétrico nas placas de Metal Core

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Micropress S. A. (2009)

Uma boa transferência de calor depende de uma boa interface de contato

entre o dispositivo gerador de calor e o meio de transferência de calor. Acontece que

Propriedades Unidade Valor

Elétricas

Constante Dielétrica @ 1 MHz --- 4,5

Fator de Dissipação @ 1 MHz --- 0,019

Resistividade superficial MΩ 108

Rigidez Elétrica V/mil 1000

Ruptura Dielétrica kV >35

Térmicas

Calor Especifico Kj/Kg °C 1,25

Condutividade térmica W/m °C 0,60

Temperatura de operação continua °C 130

46

mesmo as superfícies aparentemente lisas e bem acabadas apresentam, em nível

microscópico, minúsculas “montanhas” e “vales”. Ao serem encostadas as

superfícies, o contato físico ocorre apenas entre os pontos mais elevados, ficando o

espaço restante preenchido com uma finíssima camada de ar (ver parte ampliada da

Figura 43). Como o ar tem uma baixíssima condutividade térmica (cerca de 6000

vezes menor que a do alumínio) mesmo esta camada finíssima de ar provoca um

aumento considerável na resistência térmica invólucro/dissipador.

Figura 43 - Área de contato muito ampliada entre LED e dissipador

Fonte: Incropera e DeWitt (1996)

Os materiais normalmente empregados para solucionar estes casos são os

silicones e derivados de acrílico. Todos têm uma tensão superficial baixa, que

permite cobrir a maioria das superfícies, eliminando os espaços de ar e diminuindo

assim a resistência térmica de contato entre o substrato e o material. A

condutibilidade destes adesivos, mesmo sendo muito maior que a do ar, ainda é

inferior à do alumínio. Por isto, a pasta deve ser usada em quantidade mínima,

apenas suficiente para preencher os espaços vazios. Um dos adesivos contém

micro esferas de vidro de 7 mil para controle da espessura de adesão.

Como os LEDS normalmente têm seu terminal anodo conectado

eletricamente ao encapsulamento, será necessário um material isolante entre o

mesmo. Por esta razão os adesivos termicamente condutivos deverão atuar

simultaneamente como condutores de calor e isolantes dielétricos. Além disso, os

47

adesivos atuam como barreiras contra contaminantes ambientais, aliviam efeitos de

estresse por choque mecânico e são absorventes de vibrações em uma ampla faixa

de temperatura e umidade. Os adesivos termicamente condutivos curam por calor

ou umidade, e tomam a forma de elastômeros duráveis com estresse relativamente

baixo. Os produtos que serão analisados, das marcas Dow Corning e Loctite (Figura

44) têm suas especificações na Tabela 9.

Figura 44 - Adesivos termicamente condutivos


Tabela 9 - Propriedades típicas dos adesivos termocondutivos

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Dow Corning (2008) e Loctite (2008)

Marca Produto Condutividade

Térmica [W/m.K]

Rigidez Dielétrica

[kV/mm]

Processo de

Cura

Loctite 384 0,757 26,7 Ativador 7387

24h @ 22°C

Dow Corning SE4422 0,9 14,3 Umidade

72h @ 25°C

Dow Corning 3-1818 1,72 16,0 Calor

60min @ 100°C

A próxima etapa do sistema será a escolha de um dissipador comercial de

baixo custo. Após cálculos e experiências que serão apresentados a seguir,

verificou-se a necessidade de ventilação forçada para diminuir a área do dissipador.

48

3.3.1 Ventilação Forçada

Conforme descrito os LEDs de alta potência transformam cerca de 75 a 85%

da energia em calor. Uma boa análise térmica deve ser feita para se garantir a vida

útil do LED, e sua baixa degradação luminosa (cerca de 30% após 50.000h). Pelas

questões já mencionadas, o recurso da ventilação forçada será extremamente

necessário, através de ventoinha ou do termo em inglês Fan.

Como os cálculos resultaram num dissipador de dimensões exageradas para

o projeto, a solução é recorrer à ventilação forçada. A movimentação do ar por meio

de um ventilador pode multiplicar a eficiência de um dissipador por um fator de 4 ou

5, permitindo reduzir consideravelmente o seu tamanho como ilustra o gráfico da

Figura 45.

Figura 45 - Relação entre resistência térmica e ventilação forçada

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Saber Eletrônica (2009)

No entanto, não será qualquer ventoinha posicionada junto ao dissipador que

acabará com o problema. Mais do que isso, não é qualquer tipo de ventoinha que

poderá ser utilizada nesta aplicação, visto que a ventoinha é um componente

mecânico sujeito a falhas. O mau funcionamento pode comprometer todo o sistema.

Além desta há outras desvantagens, a segunda delas é que a ventoinha serve como

uma fonte de ruído elétrico e mecânico, que pode afetar o funcionamento de

componentes próximos. Em terceiro lugar deve-se considerar a energia consumida

pela ventoinha.

O LED de alta potência funciona como uma fonte de calor, o qual se

concentra em uma área muito pequena. O desafio é transferir o calor rapidamente

49

para o ambiente, para que a temperatura desse componente não ultrapasse os

limites permitidos, conforme ilustra a Figura 46.

Figura 46 – Simulação mostrando o ponto de concentração de calor

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Seoul Semiconductor CO. LTD. (2005)

Não basta, portanto, somente fixar ao componente um bom dissipador de

calor, pois o próprio fluxo de calor nesse elemento pode não ser rápido o suficiente

para que seja possível se livrar dele de forma eficiente. Apesar de todas as

desvantagens, o módulo de LEDs necessitará fazer uso de uma ventoinha para

ajudar a remover esse calor de forma eficaz. Os dissipadores comuns sem

ventilação possuem correntes de convecção muito mais lentas comparado a um

fluxo forçado.

A ventoinha opera da mesma forma que um motor elétrico de corrente

contínua. Os componentes básicos são estator, rotor, sensor da posição do rotor e

uma placa de circuito impresso com os componentes de controle (Figura 47). O

estator é posicionado dentro da carcaça, para maior resistência da mesma e melhor

dissipação de calor. A montagem do rotor consiste em um fio fino enrolado em pólos

magnéticos permanentes fixados em uma carcaça, a qual possui as pás da

ventoinha. O rotor é fixado por um eixo que roda livremente sobre um rolamento

instalado na carcaça do estator. O sensor de posição do rotor é tipicamente um

componente de Efeito Hall, que atua diretamente sobre os pólos magnéticos do

estator. O chip que controla a comutação usa o sinal da posição do rotor para o

chaveamento de cada fase do estator, então um campo eletromagnético rotacional é

estabelecido em torno do estator. O rotor é colocado em movimento pelo

50

acoplamento magnético entre este campo eletromagnético rotacional e seus próprios

pólos magnéticos.

Figura 47 – Visão explodida de uma ventoinha

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Microchip Technology Inc. (2003)

Além de aumentar a eficiência, a ventoinha pode ser controlada por

sensores, que reduzem a velocidade quando o calor gerado é menor, ou vice-

versa. Isto proporciona uma maior vida útil, economia de energia e menor ruído

acústico.

Na prática, existem três tipos diferentes de ventoinhas, com 2, 3 e 4 fios, e

em função disso, deve ser planejado o sistema de controle. Uma ventoinha de dois

fios ou dois terminais tem um fio de alimentação e um terminal de terra. A ventoinha

de três fios possui um terminal adicional tacométrico. Já a ventoinha de quatro

terminais, além dos terminais de alimentação (positivo e terra), dispõe de uma

saída tacométrica e um terminal PWM, conforme mostra a Figura 48.

Figura 48 – Estrutura básica da ventoinha de quatro fios

Fonte: Saber Eletrônica (2006)

51

O terminal PWM é especialmente importante para o controle de velocidade

usando essa técnica de modulação de largura de pulso. Apesar de somente o motor

de 4 fios ter uma entrada PWM, todos os tipos podem ser controlados com a

utilização dessa tecnologia, integrando um circuito como o da Figura 49 a seguir,

onde a baixa resistência Rds(on) do MOSFET de potência reduz praticamente a zero

as perdas por calor nesse componente.

Figura 49 – Circuito típico da aplicação PWM

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Microchip Technology Inc. (2003)

Os motores nesses circuitos são controlados em velocidades maiores que 20

kHz de modo que o sinal de comutação caia acima da faixa audível. Um ponto

importante desses motores é que eles possuem o MOSFET de potência embutido, o

que elimina a exigência de componentes externos. A operação em alta freqüência

também torna desnecessário de um alongamento de pulsos para se obter a leitura

do pulso tacométrico de forma precisa.

Para o controle ideal com maior rendimento, o uso de PWM de alta freqüência

é o mais recomendado. Além de menor ruído, maior eficiência e precisão, o sistema

é mais fácil de implementar graças à existência de componentes próprios. Desta

forma a pesquisa concentrou-se em ventoinhas de 4 fios com a máxima vida útil

possível. O mais interessante deles pertence à marca Artic Cooling, o modelo PWM

possui um sistema patenteado com baixo ruído e alta eficiência. Inicialmente será

utilizado o Fan Arctic Cooling 12 PWM (Figura 50), com especificações descritas na

Tabela 10. O fabricante fornece uma garantia de 6 anos, contudo descreve uma

medida estimada da confiabilidade do equipamento (MTTF) em torno de 400.000

horas a 40°C.

52

Figura 50 – Fotografia da ventoinha Artic Fan 12 PWM

Fonte: Artic-Cooling

Tabela 10 – Especificações técnicas da ventoinha

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Artic Cooling (2009)

Dimensões 120 C x 120 L x 38,5 H mm

Velocidade do Fan 400 – 1500 RPM

Vazão de Ar 56,3 CFM ; 94,7 m³/h

Ruído 10,0 – 23,5 dBa

Tensão 12 V

Corrente 0,13 A

Massa 140 g

Rolamento Fluído Dinâmico

Garantia 6 anos

MTBF 400.000 h @ 40°C

Em muitas aplicações os projetistas utilizam ventoinhas em redundância, no

caso de uma falhar ocorre à troca imediata. Em luminárias que utilizam LEDs esta

não é a melhor opção, pois é mais viável utilizar dispositivos com vida útil similar aos

LEDs. Esta foi a principal razão da escolha do microventilador Artic Cooling, pois

possui as características necessárias ao projeto aliado ao baixo custo.

53

3.3.2 Cálculo da Resistência Térmica

Antes do teste prático em laboratório, é necessário avaliar o gerenciamento

térmico teoricamente, calculando a temperatura de junção. Um método de fácil

resolução é o da resistência térmica, sugerido pelos fabricantes e calculado sem

utilização de softwares. O sistema térmico para um LED pode ser observado nas

Figuras 51 e 52.

Figura 51 - Exemplo do sistema térmico

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Avago Technologies (2009)

Figura 52 - Modelo da resistência térmica para 1 LED

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Cree, Inc. (2006)

Resistência Térmica (Rθ) é definida como o aumento de temperatura entre

dois pontos ao longo do caminho térmico, quando 1 watt de calor é dissipado. Em

geral, a fórmula para a resistência térmica entre um ponto J até um ponto A é:

RθJ-A = (TJ-TA) / PD [°C/W] [1]

Onde:

TJ = temperatura de junção < 160°C

TA = temperatura do ambiente = 35°C

PD= potência total dissipada

54

No caso de um sistema de LED individual basta somar as resistências

térmicas do circuito para encontrar o valor total, de forma similar ao cálculo da

resistência equivalente de resistores em série.

RθJ-A = RθJ-S + RθS-B + RθB-H + RθH-A [2]

Assume-se que o calor dissipado será equivalente a potência total aplicada ao

LED. Na realidade, o calor dissipado agrega cerca de 80% da potência total

aplicada, e o restante é convertido em luz. Assim sendo:

PLED = IF . VF = 1,4 . 3,5 = 4,9 [W] [3]

Onde:

IF = corrente direta [A]

VF = tensão direta [V]

Para calcular a potência gerada pelos demais LEDs, basta simplesmente

multiplicar o resultado de PLED pelo número de LEDs, como abaixo:

PD = N . PLED = 12 . 4,9 = 58,8 [W] [4]

Onde:

N = número de LEDs

Portanto para um módulo de vários LEDs a potência total é a soma da

potência individual. Quando os LEDs são montados em um mesmo dissipador, a

resistência térmica total é afetada pelo calor adicional gerado pelas unidades

adjacentes. A resistência térmica total pode ser simplificada usando o modelo da

resistência térmica em paralelo como ilustrado pela Figura 53.

55

Figura 53 - Modelo da resistência térmica para N LEDs em paralelo

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Avago Technologies (2009)

Desta maneira a equação [2], da resistência térmica total, fica como:

RθJ-A = RθJ-Htotal + RθH-A [5]

Onde:

RθJ-Htotal = [(1/ RθJ-H1) + (1/ RθJ-H2) + (1/ RθJ-H3) +....+ (1/ RθJ-HN)] -¹ [6]

Todas as resistências podem ser assumidas como equivalentes, desta

maneira a expressão [6] é simplificada para:

RθJ-Htotal = RθJ-Hsoma / N [7]

Onde a soma da resistência térmica da junção até o dissipador é:

RθJ-Hsoma = RθJ-S + RθS-B + RθB-H [8]

O valor de RθJ-S é específico para cada tipo de LED, e para o Diamond Dragon

é igual a 2,5 [°C/W].

A resistência térmica existente entre o LED e o MCPCB pode ser calculada

como:

56

RθS-B = Espessura (µm) / Condutividade térmica (W/mK) x Área (mm²)

Portanto utilizando o adesivo térmico Dow Corning 3-1818 com espessura de

100 µm em uma superfície circular de 5mm de diâmetro tem-se:

RθS-B = 100 / 1,72 . (5/2)² . π = 2,95 [°C/W]

Para calcular a resistência térmica entre o MCPCB até o dissipador, basta

somar a resistência térmica da placa com o adesivo térmico (SE4422) utilizado para

contato com o dissipador, então:

RθB-H = RθMCPCB + RθMCPCB-H

RθB-H = 2,0 + 100 / 0,9 . (22/2)² . π = 2,29 [°C/W]

Realizando a substituição na expressão [8]:

RθJ-Hsoma = 2,5 + 2,95 + 2,29 = 7,74 [°C/W]

Desta forma a expressão [7] resulta em:

RθJ-Htotal = 7,74 / 12 = 0,64 [°C/W]

Da equação [5] encontra-se o valor da resistência térmica total:

RθJ-A = 0,64 + RθH-A

Substituindo os valores na expressão [1] e resolvendo a equação para uma

temperatura de junção de 120°C (60kh L70/B50 de acordo com a Figura 40)

encontra-se a resistência térmica do dissipador:

RθJ-A = (TJ-TA) / PD

0,64 + RθH-A = (120 – 35) / 58,8

RθH-A = 0,81 [°C/W]

Ou seja, o sistema formado pelo dissipador e microventilador, deve ter

resistência térmica inferior a 0,81 °C/W. Em outras palavras, se a temperatura no

dissipador for de 82,4°C a temperatura de junção será 120°C.

Para dimensionamento da área do dissipador utiliza-se a equação da taxa de

transferência de energia da superfície do corpo para o ar:

57

QC = h . A . (T1- T2) [9]

Onde:

QC quantidade de calor [W]

h = coeficiente de transferência de calor [W/m².K]

A = área de contato com o ar [m²]

T1,T2 = temperaturas do ar e do corpo em estudo respectivamente [°C]

O coeficiente de transferência é obtido de forma empírica e incorpora

características da geometria da região, das propriedades do fluído e do padrão do

fluxo de movimento do fluído. A ventoinha foi introduzida, pois aumenta o valor de

“h”. Para o sistema do projeto adotou-se o valor de h como 30 [W/m².K], e uma

temperatura do dissipador de 50°C. Portanto pela equação [9] a área fica:

58,8 = 30 . A . (50-35)

A = 0,13 [m²]

O dissipador de calor é a parte do sistema térmico que distribui o calor para o

ambiente com maior eficiência. Contudo, a área superficial é a essência da

transferência e geralmente é uma limitação do sistema inteiro. Embora o dissipador

seja o principal componente, ele também é o que apresenta maior potencial de

otimização. Os engenheiros procuram sempre por materiais novos e com tecnologia

avançada, a fim de aumentar a transferência e diferenciar o projeto.

O dissipador adquirido é feito em alumínio extrudado com as dimensões de

largura 145 mm, comprimento 145 mm e altura de 38,1 mm e área de 0,16 m². A

massa deste dissipador é de 890g. O qual foi adquirido para construção dos

primeiros protótipos. Para melhor convergência da luz a 1m, o dissipador foi usinado

para que sua superfície ficasse com um ângulo de 4° diminuindo sua massa para

697g (Figura 54).

58

Figura 54 - Perfil do dissipador de alumínio sem anodizar


A única variável que pode ser alterada para o aumento da eficiência é a

emissividade, a qual é função apenas do tipo de acabamento da superfície que

irradia o calor. Da Tabela 11, nota-se que a anodização do alumínio altera a

emissividade de 0,04 para cerca de 0,86, o que melhora a Taxa de Calor radiado em

cerca de 20 vezes.

Tabela 11 - Características do acabamento superficial no alumínio

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Saber Eletrônica (2009)

Acabamento Absortividade Emissividade αααα/εεεε

Anodização Preto 0,86 0,86 1,00

Anodização Natural 0,35 0,84 0,42

Sem Anodizar 0,26 0,04 6,50

Esse processo de anodização foi realizado após a usinagem da peça, ficando

com o aspecto da Figura 55, que já possui os LEDs fixados ao dissipador.

Figura 55 - Dissipador de alumínio com anodização preta


59

3.3.3 Formas de Medida

Para que uma medida confiável da temperatura seja realizada, as

informações a seguir são de suma importância:

• O número de amostras testadas;

• A descrição do dissipador de calor usado durante ensaio, assim como

da ventoinha quando aplicado;

• A temperatura ambiente;

• A resistência térmica total do sistema (LED, adesivo térmico, placa de

metal core e dissipador de calor); e,

• A tensão e corrente aplicados ao dispositivo durante o teste.

A medida deve ser feita o mais próximo possível da temperatura de junção. A

melhor eficiência seria conectar o termopar diretamente ao slug do LED, mas como

não há acesso, o termopar deve ser fixado ao lado do mesmo (Figura 56).

Figura 56 - Forma de monitorar a temperatura da placa


A montagem de semicondutores em dissipadores térmicos exige uma série de

cuidados, cuja inobservância pode levar ao superaquecimento e eventual falha do

semicondutor, mesmo com um dissipador corretamente dimensionado. Para garantir

uma maior confiabilidade do produto, ensaios devem ser realizados para confirmar

se os parâmetros adotados são os mais adequados, os quais serão realizados no

capítulo 4.

60

3.4 Fonte de Alimentação

Hoje em dia, os LEDs estão sendo cada vez mais utilizados para reposição de

lâmpadas comuns. Por exemplo, os LEDs são freqüentemente usados nos

automóveis, semáforos, decoração de interiores, letreiros, lanternas, etc. Isto é

conseqüência das muitas vantagens sobre as lâmpadas tradicionais. Em muitas

aplicações, os LEDs precisam ser alimentados com um circuito inteligente de

controle. De acordo com a aplicação e os objetivos, este controle muitas vezes

necessita executar várias funções e tarefas.

Flutuações na rede de energia elétrica podem levar a significantes variações

da corrente direta, este problema precisa ser resolvido porque o LED é

extremamente dependente da temperatura.

O LED é um semicondutor que requer uma determinada tensão para que seja

drenada uma corrente direta. Esta tensão é normalmente chamada por tensão direta

(VF), a qual varia de 3 a 4 V para os LEDs brancos. Este valor varia de acordo com o

processo de fabricação e mudanças na temperatura, portanto não é apropriado

alimentar um LED com tensão constante.

Se a tensão aplicada exceder o valor VF, a corrente do LED irá crescer

rapidamente. Cada LED tem um valor máximo de corrente, e drenar uma corrente

acima deste valor pode causar estragos e diminuir a vida útil do componente. Por

estas razões um circuito de corrente contínua deve ser usado para controlar a fonte

de alimentação.

Pela Figura 57 observam-se os efeitos sobre as coordenadas de

cromaticidade quando: (a) há variação da temperatura de junção, e (b) quando há

mudança na corrente direta. Apesar de a variação ser representada por um valor

muito pequeno, uma alteração ∆Cx de 0,02 pode mudar a temperatura de cor de

4500K para 4000K. Com certeza este problema deve ser cuidadosamente tratado,

pois qualquer alteração da luz emitida acaba com a qualidade do equipamento.

Durante o primeiro contato com os LEDs este problema ficou evidente. A

fonte inicialmente utilizada do tipo chaveada com tensão constante permitia que a

corrente aumenta-se com o passar do tempo. A alteração na temperatura de junção

é a principal causa destas alterações, já que a temperatura do sistema ficará estável

somente um tempo após a chave ser ligada.

61

Figura 57 – (a)Var. da Cromaticidade vs TJ ; (b)Var. da Cromaticidade vs IF

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de OSRAM Opto Semiconductor (2008)

Portanto é essencial alimentar os LEDs com corrente constante, a fim de

alcançar a cor e iluminância desejados. Existem algumas topologias que são

utilizadas para alimentar os LEDs.

Em aplicações de sinalização a fonte de tensão com resistor em série é a

mais comum, pois trabalham com baixa corrente e variações na cor e iluminância

são ignoradas (Figura 58a).

Os reguladores lineares podem ser utilizados para espaços relativamente

maiores, visto que necessitam de um transformador para ajustar a tensão. Os

principais benefícios são decorrentes das facilidades de montagem, aquisição,

testes e alta confiabilidade (Figura 58b).

Para a necessidade de pequenas elevações de corrente, o modelo de

capacitor chaveado pode ser usado (Figura 58c), porém é pouco implementado.

A topologia de fonte chaveada controlada é a mais utilizada nos projetos de

fontes para LED (Figura 58d). Esta apresenta uma boa eficiência, pequena

dimensão (componentes SMD), grande flexibilidade e facilidade para implementação

de dimers. As desvantagens estão no custo de desenvolvimento, pois integra uma

solução relativamente mais complexa, alto nível de ruído gerado devido ao

chaveamento, e baixo tempo de vida. Os três principais tipos de fontes chaveadas

reguladas são: Step-down (Buck), Step-up (Boost), ou ambas as funções (Buck-

Boost).

62

Figura 58 - Topologias de fontes de alimentação

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de National Semiconductor (2008)

Para melhorar a eficiência de conversão, as fontes chaveadas reguladas

interrompem o fluxo de energia controlando o ciclo de trabalho, e assim

programando a corrente ou tensão de saída. Interromper a energia resultará em

formas de onda pulsantes para a corrente e tensão, e por esta razão elementos

armazenadores de energia (indutores e capacitores) devem ser usados para filtrar

estes pulsos.

Segundo o fabricante de componentes eletrônicos National Semiconductors, a

topologia Buck deve ser escolhida sempre que possível.

Outra função possível é adaptar ao circuito uma regulação da iluminância, no

caso da aplicação necessitar ser ajustável para vários níveis de luminosidade. Esta

função é muito utilizada pelos médicos, dependendo do procedimento um ajuste

diferente é requerido.

Um método muito comum de dimerizar um LED é variar a corrente direta ou a

tensão de acordo com a tecnologia de construção do chip. Comparando a corrente

direta com as características do fluxo luminoso, evidencia-se que a intensidade

aumenta com o aumento da corrente, mas nem sempre esta variação é

proporcional. Estas variações na corrente direta afetam algumas características dos

LEDs, como o comprimento de onda e CCT, sobretudo nos pc-LEDs. Quando a

corrente é baixa a luz emitida tem uma aparência mais amarelada, mas com alta

corrente a emissão do azul é mais dominante e a luz fica mais azulada.

63

Estes efeitos ocasionados pela dimerização por corrente são bem menores

que os efeitos decorrentes de um mau gerenciamento térmico, contudo em

aplicações que exigem um controle extremo destas características, outro método

deve ser utilizado.

O método indicado pelos fabricantes é conhecido como PWM, que funciona

com o valor de corrente direta constante e somente o Ciclo de Trabalho (D) é

alterado. A expressão do ciclo de trabalho relaciona a duração do pulso (tp) e o

período do sinal (T). Isto significa que o LED é rapidamente ligado e desligado. Se a

freqüência é maior que 200 Hz, o olho humano não pode perceber estes pulsos. O

olho integra e percebe estes pulsos de luz em termos da luminosidade que pode ser

alcançada variando o ciclo de trabalho (Figura 59).

Figura 59 – Formas de onda do PWM

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de OSRAM Opto Semiconductor (2003)

De acordo com os efeitos da temperatura sobre a luminosidade, CCT, brilho,

etc., um bom gerenciamento térmico deve ser especificado. O projeto utiliza uma

ventoinha que faz aumentar o fluxo de ar entre o dissipador e o ambiente, contudo

este dispositivo esta sujeito a falhas. Apesar da pequena possibilidade de falhar, o

circuito deve prever esta situação avisando o usuário de que algo esta errado. Caso

seja necessária uma reposição da ventoinha, um LED vermelho será acesso na

cúpula. Desta forma a manutenção do equipamento dependerá do usuário. A

iluminância continuará a mesma, porque se leva em conta que um procedimento

importante pode estar sendo realizado impedindo o desligamento do foco. De outro

64

lado uma temperatura muito alta pode danificar o equipamento irreversivelmente, por

esta razão um sensor de temperatura deve ser fixado ao dissipador para que o foco

cirúrgico seja desligado totalmente quando a temperatura atingir 90 °C.

Para que todas as funções mencionadas possam ser realizadas, é necessário

utilizar um microcontrolador. Pela familiaridade dos autores e pela fácil aquisição, o

microcontrolador PIC16F818 (Periferal Interface Controler) foi escolhido como

unidade de controle.

3.4.1 O Microcontrolador PIC

O PIC é um circuito integrado, produzido pela empresa Microchip Technology

Inc, que incorpora todos os componentes básicos de um computador pessoal em

uma escala muito menor.

Tipicamente, um microcontrolador caracteriza-se por conter no mesmo

encapsulamento um microprocessador, memória de programa, memória de dados,

uma série de pinos de entrada/saída e vários periféricos como temporizadores,

comunicação serial, conversores Analógico/Digital, geradores de PWM, etc. A

presença de todos estes dispositivos em um espaço extremamente pequeno dá ao

projetista ampla gama de possibilidades e enorme vantagem em usar um sistema

microcontrolado onde, em pouco tempo e com poucos componentes externos pode-

se fazer o que seria oneroso fazer com circuitos tradicionais (PASTRO, 2007).

Segundo (SOUZA, 2003), o microcontrolador PIC pode ser definido como um

componente eletrônico que possui uma memória interna, na qual pode ser gravada

uma sequência de instruções ou comandos estruturados na forma de um programa.

A arquitetura do PIC é conhecida como Harvard, na qual há duas áreas

separadas da memória para instruções de programa e dados. Existem dois ou mais

barramentos internos que permitem acesso simultâneo as instruções e aos dados.

Significa que enquanto uma instrução é executada, ao mesmo tempo, a próxima já

esta sendo carregada. O chamado processo Pipeline acelera o processo de

execução, contudo necessita de um hardware mais complexo (Byte Craft Limited,

2002).

O microcontrolador possui um repertório reduzido de instruções num total de

35 instruções de acordo com a arquitetura denominada RISC.

65

A grande vantagem da família PIC é que todos os modelos são muito

semelhantes, facilitando muito a troca deste modelo por outro mais barato, ou com

mais ou menos portas. Esta compatibilidade permite uma migração muito simples

para outros modelos (SOUZA, 2000).

A Tabela 12 apresenta algumas das principais características do

microcontrolador PIC 16F818.

Tabela 12 – Algumas características do PIC 16F818

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Microchip Technology Inc (2004)

Componente

Memória de

Programa Memória de Dados

Pinos

de E/S

A/D

de

10

bits

[ch]

CCP

(PWM)

SSP

Timers

8/16 bit Flash

[B] Instruções

SRAM

[B]

EEPROM

[B] SPI

Escravo

I²C

PIC16F818 1792 1024 128 128 16 5 1 Y Y 2/1

Outras características importantes que levaram a escolha deste componente

estão listadas a seguir:

• Oscilador externo com freqüência superior a 20MHz;

• Oscilador interno de até 8MHz;

• Baixo consumo (1.7mA ; 5V ; 8MHz);

• Programação no próprio circuito (ICSP);

• Encapsulamento PDIP de 18 pinos, fácil montagem de protótipos;

• Fácil aquisição no mercado local.

3.4.2 Programando o PIC

- Hardware

Para programação física do microcontrolador alguns dispositivos podem ser

facilmente construídos. Como exemplo o circuito proposto pelo site de projetos

eletrônicos Circuit Projects, que utiliza o software IC-Prog e uma conexão com a

porta serial RS232 do computador. O programa IC-Prog, criado por Bonny Gijzen, é

um software muito utilizado para esta função, possui livre distribuição e pode ser

adquirido por download na página web de seu programador.

66

- Software

As vantagens apresentadas por (PEREIRA, 2007) foram grandes motivadoras

para escolha da linguagem C para toda a programação do microcontrolador PIC.

Atualmente, a maioria dos microcontroladores disponíveis no mercado contam com

compiladores de linguagem C para o desenvolvimento do software. Segundo

(PEREIRA, 2007) o uso do C permite a construção de programas e aplicações muito

mais complexas do que seria viável utilizando apenas o Assembly. Além disso, o

desenvolvimento em C permite uma grande velocidade na criação de novos

projetos, devido às facilidades de programação oferecidas pela linguagem e também

à sua portabilidade, o que permite adaptar programas de um sistema para outro com

um mínimo esforço.

Outro aspecto favorável da utilização da linguagem C é a sua eficiência. Esta

no jargão dos compiladores é a medida do grau de inteligência com que o

compilador traduz um programa em C para o código de máquina. Quanto menor e

mais rápido o código gerado, maior será a eficiência da linguagem e do compilador.

Devido a sua proximidade com o hardware e o Assembly, C, é uma linguagem

extremamente eficiente. De fato, é considerada como a linguagem de alto nível mais

eficiente atualmente disponível.

Além disso, a utilização de uma linguagem de alto nível como o C permite que

o programador preocupe-se mais com a programação da aplicação em si, já que o

compilador assume para si tarefas como controle e localização das variáveis,

operações matemáticas e lógicas, verificação de bancos de memória, etc.

A plataforma de desenvolvimento será o compilador PCWH da CCS. Ele

consiste em um ambiente integrado de desenvolvimento (IDE) para o sistema

operacional Windows e suporta toda a linha de microcontroladores PIC. Existe

também a possibilidade de utilizar o compilador pela linha de comando e também a

partir do ambiente MPLAB da Microchip.

Estão descritas abaixo as principais características do compilador:

• Compatibilidade com a padronização ANSI e ISO;

• Grande eficiência do código gerado;

• Grande diversidade de funções e bibliotecas da linguagem C;

Grande portabilidade de código entre os diversos microcontroladores PIC

inclusive com código escrito para outros microcontroladores e sistemas.

67

3.4.3 Projetando a Fonte

Para projetar a fonte de alimentação para os 12 LEDs é preciso determinar

alguns parâmetros como corrente e tensão de saída. Como os LEDs serão

conectados em série, será preciso de aproximadamente 42 Vcc e 1,4 A.

A fonte de alimentação pode ser ligada a rede de energia elétrica em tensões

de 127 Vca ou 220 Vca, dependendo da posição da chave seletora da tensão de

entrada. A etapa inicial da fonte linear, portanto, é projetar o transformador

abaixador de tensão. As especificações foram enviadas a empresa Entran que

forneceu uma amostra com duas saídas, sendo a primeira com 32 Vca e 2 A, e outra

com 10 Vca e 200 mA.

As saídas do transformador são conectadas a uma placa retificadora que

contém diodos e filtros a capacitor. A saída retificada para alimentação dos LEDs é

de 50Vcc e para alimentação da ventoinha e circuitos integrados é de 12 Vcc.

O circuito todo foi montado, seguindo atentamente todas as recomendações

de valores de capacitores, bem como de layout, fornecidos pelos fabricantes.

Utilizaram-se capacitores com baixos valores de ESR que atendem as necessidades

de corrente máxima e de freqüência de operação. Com isso, resultados dentro do

esperado foram atingidos e as necessidades de alimentação foram supridas.

A segunda placa contém três níveis de tensão, 50 Vcc para os LEDs, 12 Vcc

para ventoinha e 5 Vcc para os circuitos integrados. Basicamente a função desta

placa é utilizar o microcontrolador PIC16F818 para chavear o mosfet IRLZ24 a uma

freqüência constante de 16 kHz. Foram testadas freqüências menores na ordem de

4kHz, contudo havia muito ruído sonoro no indutor L1. O ajuste da corrente é feito

através da leitura da tensão sobre um resistor de 0,22 Ω conectado em série com os

12 LEDs, dependendo do valor é modificado o ciclo de trabalho do PWM gerado

pelo PIC. O ajuste da iluminância também é feito pela alteração do ciclo de trabalho,

funciona por meio de um potenciômetro que verifica as variações de tensão através

de uma entrada do PIC.

Como a temperatura é o principal agente de degradação do LED, alguns

cuidados foram tomados para que níveis preestabelecidos não fossem

ultrapassados. Por exemplo, no caso de mau funcionamento da ventoinha ou

obstrução da mesma, um LED vermelho fixado na cúpula irá alertar o usuário de que

alguma falha esta ocorrendo.

68

Foi incorporada a cúpula o componente LM335, que é um sensor analógico

de temperatura. Este foi fixado ao dissipador de calor, e através de uma entrada

analógica do PIC foi possível agregar funções de alerta, dependendo da temperatura

medida no dissipador. Quando a temperatura do dissipador atingir 65°C, o LED de

alerta irá piscar rapidamente, diferentemente de quando a ventoinha é obstruída. O

segundo alerta acontece quando a temperatura atingir 75°C, neste momento o LED

de alerta ficará acesso e a iluminância será alterada para o valor mínimo, só

mudando de condição caso a temperatura medida diminua.

A imagem da placa com os componentes, assim como os esquemáticos das

placas estão em Anexo.

3.5 Design Estrutural

A concepção da estrutura do foco cirúrgico auxiliar, se baseou em algumas

lâmpadas comercializadas, e quase toda construção do protótipo utilizou as

matérias-primas disponíveis na empresa. Antes de qualquer montagem real, o

produto foi desenhado virtualmente com o software Autodesk Inventor de

modelagem 3D, possibilitando a visualização das idéias de forma muito mais rápida

e barata.

A Figura 60 demonstra virtualmente o equipamento, antes mesmo de sua

construção. Em comparação com o foco cirúrgico da KSS, observa-se que as formas

retas foram amenizadas e novas curvas deram melhor aparência ao foco. O sistema

de movimentação da haste foi modificado dando maior leveza e funcionalidade aos

movimentos. Os perfis e tubos antes utilizados eram superdimensionados, assim

como a base metálica. Além da beleza estética adicionada ao produto, alguns custos

foram diminuídos, viabilizando o novo desenvolvimento. As reentrâncias foram

retiradas para facilitar a limpeza e aumentar o nível de assepsia.

69

Figura 60 - Imagem 3D do equipamento acabado


A matéria prima utilizada para confecção fornece ao equipamento toda

durabilidade necessária para o ambiente hospitalar, porém alguns cuidados devem

ser observados para que o estresse sofrido durante operação não danifique as

partes do foco cirúrgico.

Além de todo trabalho individual de cada integrante da equipe, a construção

do protótipo recebeu auxílio de colaboradores e representantes da KSS. Isto fez com

que o produto ganhasse aceitação por parte dos membros da empresa, culminando

para uma produção em série assim que possível.

70

4. RESULTADOS E ANÁLISES

Este capítulo descreve os materiais e métodos necessários para realização

de testes na cúpula a LED, assim como, descreve os principais resultados.

Como mencionado no capítulo 3 à vida útil dos LEDs é extremamente

dependente da temperatura de junção. O método da resistência térmica foi utilizado

para se obter um valor aproximado de TJ, de modo que a vida útil atingisse 60000 h

com 30% de degradação luminosa. Os cálculos indicaram que a temperatura no

dissipador de calor não deveria ultrapassar 82,4 °C. Para que se pudesse avaliar a

temperatura, a cúpula foi disposta sobre uma bancada (Figura 61), e foram utilizados

dois equipamentos para efetuar a medida. A Tabela 13 apresenta o resultado para a

temperatura do dissipador após 2 horas de uso em ambiente climatizado a 25°C.

Figura 61 – Teste de temperatura


Tabela 13 - Resultado do teste de temperatura


Equipamento Fabricante Modelo Método Temperatura do dissipador [°C]

Termopar Full Gauge Penta III Fixação de 5 Termopares 47,6

Multímetro Minipa ET-2082B Fixação de 1 Termopar 50

71

O valor de temperatura atingido no dissipador esta abaixo da temperatura

máxima permitida, consequentemente a vida útil ficou de acordo com tempo

proposto.

A fonte produzida proporcionou a variação da luminosidade por meio do

módulo de controle PWM, acionado por potenciômetro. Este módulo também faz o

ajuste da corrente direta sobre os LEDs, porém há um pequeno atraso para se

manter a corrente constante quando ocorrem variações de temperatura.

A Tabela 14 apresenta as principais características do Foco Cirúrgico Auxiliar

desenvolvido no projeto em comparação com o Foco Cirúrgico Auxiliar

comercializado pela KSS.

Tabela 14 – Características técnicas do Foco Cirúrgico Auxiliar a LED


Foco KSS Parâmetros - Unidade Foco LED

35.000 Iluminância - lx @ 1m 31.000

55 Potência - W 60

Diâmetro do Campo Iluminado

– mm @ 1m

30 D50 160

60 D10 240

3300 Temperatura de Cor – K 4800

6 Aumento de Temperatura no Campo Iluminado

- °C @ 1h 2

2.000 Vida Útil - h 60.000

A partir dos dados obtidos dos ensaios, nota-se que o principal

aprimoramento ocorreu no diâmentro campo iluminado, tanto para o d50 que ficou

cerca de 5 vezes maior, quanto para o d10 aproximadamente 4 vezes. Desta

maneira, apesar de possuir uma iluminância menor, o novo foco possibilitou a

iluminação de uma área muito superior.

A Figura 62 a seguir compara os dois equipamentos finalizados.

72

Figura 62 – Comparação entre o Foco Antigo e o Desenvolvido


73

5. CONCLUSÕES

Neste trabalho foram apresentados o projeto e a confecção de um Foco

Cirúrgico Auxiliar utilizando a tecnologia LED. A falta de produtos com esta

tecnologia no mercado nacional torna o desenvolvimento árduo e demorado.

Contudo trazer os benefícios dos LEDs para a população é recompensador e muito

estimulante. O mercado de equipamentos eletromédicos esta em ascensão no

Brasil, abrindo espaço para novos desenvolvimentos que aliam qualidade e

tecnologia, os quais necessitam ser competitivos aos internacionais.

A principal vantagem em comparação ao foco halógeno deve-se ao aumento

do campo iluminado. O Foco antigo tem uma iluminância maior, contudo converge

muito a luz, iluminando uma pequena área, já o novo Foco a LED espalhou a luz de

maneira mais homogênea, em uma área superior.

Além disso, a possibilidade de variar a intensidade luminosa diretamente da

cúpula trouxe melhorias para o funcionamento.

Analisando as características técnicas, observa-se que muitos benefícios

foram alcançados com a utilização do LED. Conforme ficou evidenciado nos

ensaios, o foco com LED apresentou uma variação da temperatura no campo

iluminado significativamente menor comparado ao foco halógeno, comprovando a

teoria da mínima emissão de IR e UV. Houve também redução da temperatura

externa da cúpula, acabando com o desconforto proporcionado por longas cirurgias.

O uso do LED proporciona maior confiabilidade ao equipamento, não só na

garantia, mas durante toda a vida útil do LED, comprovados pelas temperaturas de

operação.

A desvantagem do protótipo montado esta na real eficiência do sistema, pois

o foco a LED possui potência maior para produzir a mesma iluminância do foco

halógeno. Este ponto negativo é inerente ao LED utilizado, o qual apresenta uma

baixa eficiência comparado ao estado da arte. Tornar-se-á viável montar um foco

com LEDs de eficiência superior a 100 lm/W, sendo que a partir do ano de 2010

vários modelos estarão disponíveis, acarretando num produto de real vantagem

econômica frente aos de lâmpadas halógenas.

74

5.1 Dificuldades e barreiras a serem superadas

A cada etapa do desenvolvimento as dificuldades foram aparecendo, e novos

desafios precisaram ser vencidos. Em primeiro momento, a equipe de projetista teve

de levantar os subsídios que justificassem a utilização do LED em focos cirúrgicos, e

mais adiante enfrentar o grande desafio de tornar as necessidades mercadológicas

da KSS uma realidade.

Por não existir nenhum componente nacional, como ótica e LEDs, a aquisição

de amostras teve de passar por um processo de importação. Portanto testar

amostras é um processo demorado, que precisa ser levado em conta no

cronograma. A internet foi o principal meio para as especificações e conhecimento

dos componentes, o procedimento começava pela análise do datasheet, e se

aprovada, a importação. Uma barreira que se relaciona com esta etapa refere-se ao

custo dos componentes, em especial aos LEDs.

A etapa térmica também apresentou dificuldades quanto à aquisição de

dissipadores de calor. Além de existirem poucos fabricantes nacionais, os perfis

comercializados por empresas diferentes, são praticamente iguais. Desta maneira, o

projetista precisa encontrar um perfil padrão que se ajuste ao seu projeto e testá-lo

empiricamente. Se ainda não obtiver sucesso, é preferível a fabricação própria por

meio de usinagem.

Durante os primeiros testes com a fonte de alimentação notou-se uma grande

flutuação da luz ao se variar a intensidade através do potenciômetro. Para corrigir

este problema deve-se ajustar a freqüência para um valor adequado. Outra opção é

colocar um indutor em série com os LEDs, o qual diminui este efeito de flicker na luz

emitida.

Durante todo o desenvolvimento, ficou explícito que a falta de acesso a

softwares para cálculo térmico e ótico atrasaram o projeto, pois a cada etapa era

necessário testar realmente para se obter uma idéia do resultado. Por exemplo,

foram testados vários dissipadores para que o sistema final pudesse ser montado.

75

6. Sugestões para trabalhos futuros

O interesse em criar um produto de alta tecnologia e qualidade para a

medicina é substancial. Uma vez que o foco cirúrgico auxiliar de LED estiver sendo

comercializado, aperfeiçoamentos podem surgir, criando focos cirúrgicos que

atendam cirurgias de qualquer porte e complexidade. Teoricamente seria necessário

agrupar módulos, como na Figura 63.

Figura 63 – Focos para alta cirurgia disponíveis no mercado

Fonte: (a) Skytron (2009), (b) Acem (2008), (c) Brandon Medical (2007) e (d) Trumph (2006)

Outra característica importante é o controle de sombras (Figura 64) que é

mais eficiente que nos focos cirúrgicos halógenos, pois cada LED faz seu próprio

spot, bastando apenas uma sobreposição. Ao bloquear um LED o spot gerado pelos

outros continua claro e consistente. Já com a lâmpada halógena há diferenças nas

camadas do refletor multifacetado, que criam um spot difuso. Este controle

possibilita a equipe de cirurgiões operarem sob o foco sem que o campo iluminado

sofra alterações consideráveis. Em outras palavras, isto quer dizer que a área

iluminada nunca ficará no escuro.

76

Figura 64 – Focos cirúrgicos com controle de sombra

Fonte: (a) Steris (2008) e (b) Trumpf Medizini Systeme (2006)

No caso dos Focos Cirúrgicos é necessário aliar uma boa concentração com

um espalhamento razoável da luz. Como existem diversos procedimentos e tipos de

cirurgias, estes recursos melhoram a visualização da área operada e aumentam a

precisão do médico. Seria muito interessante desenvolver um método de ajustar o

campo iluminado, seja mecanicamente ou eletricamente. Muitos fabricantes de

focos cirúrgicos disponibilizam esta função, mas poucos implementam em focos

auxiliares. A Figura 65 exemplifica a idéia de manter a mesma intensidade, mas

modificando o diâmetro do campo.

Figura 65 – Ajuste do campo iluminado


Uma dica para solucionar este problema de focalização, é unir duas óticas.

Isso pode ser feito unindo refletores e lentes, o primeiro fará a o diâmetro menor e o

77

segundo o ajuste maior. Desta forma basta trabalhar com uma série de LEDs em

paralelo para que seja possível controlar a intensidade separadamente. A sugestão

é colocar 6 LEDs com refletores e 6 LEDs com lentes, e avaliar a melhor disposição

sobre o dissipador.

A adaptação de uma câmera filmadora e fotográfica na manopla da lâmpada,

como na Figura 66, trouxeram um aperfeiçoamento na área cirúrgica. Sua pequena

dimensão e alta definição permitem acompanhar todo o processo de maneira muito

simples.

Figura 66 – Câmeras filmadoras em focos cirúrgicos

Fonte: (a) Trumpf (2006), (b) Steris (2008) e (c) Stryker (2007)

Essas imagens servem para visualização da cirurgia por toda a equipe,

posteriores avaliações, histórico de cirurgias, treinamento de outros profissionais em

tempo real ou gravado, etc. Um sistema de vídeo integrado, demonstrado pela

Figura 67, tem origem na sala de operações e pode ser disponibilizado via internet

para inúmeros telespectadores. Este é um sistema muito interessante de ser

desenvolvido.

78

Figura 67 – Sistema de vídeo integrado

Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Brandon Medical (2007)

Para outros trabalhos que utilizarem módulos a LED para iluminação, poderá

ser estudado os efeitos das diferentes topologias de fontes sobre a vida útil e

qualidade da luz emitida pelos LEDs.

Estas sugestões tendem a aperfeiçoar o equipamento, contudo é importante

que um estudo da viabilidade econômica anteceda estes desenvolvimentos. Após a

aplicação das melhorias é conveniente realizar a certificação de acordo com as

normas pertinentes.

79

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84

ANEXOS

Anexo A

Especificação dos principais Focos Cirúrgicos Auxiliares a LED disponíveis no mercado [1].

Parâmetro

Fabricante - Modelo

Iluminância

[lx]

Potência

[W]

Campo

Iluminado [mm] CCT [K] CRI [Ra]

Energia

Irradiada

[mW/m².lx]

Vida

Útil

[kh]

Acem – Starled 1[2] 50.000 26 90 5000 88 - 50

Brandon Medical – Astralite 50.000 <30 180-360 4300 95 3,49 30

Burton – AIM LED 45.000 84 33-38 4300 92 - 20

Daray – X150[2] 10.000 5 225 5500 - - 100

Derungs – Halux[2] 50.000 25 170 3500-4700 95 - -

Rimsa – Pentaled 100.000 50 90-150 4500 93 1,1 50

Scan Optics – SO901 6.000 20 - 6500 - - 50

[1] Dados disponíveis para consulta no web site dos fabricantes.

[2] Focos cirúrgicos auxiliares com parâmetros medidos a 0,5 metro de distância, para os demais considerar 1 metro.

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Anexo B

Tabela Padrão de Temperatura de cor para os LEDs OSRAM.

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Anexo C

Imagens das placas de circuito impresso.

a) Fonte Reguladora de Tensão b) Controle da corrente de saída e outros dispositivos

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Anexo D

Esquemático da placa da fonte reguladora de tensão.

88

Anexo E

Esquemático da placa controladora de corrente e outros componentes.

universidade federal do paranÁ departamento de … · ii anderson catapan thomas george klaesius...

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