análise da eficiência de leds de potência em aparelhos

ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DE LEDS DE POTÊNCIA EM APARELHOS
ODONTOLÓGICOS UTILIZANDO O DIODO PELTIER
Pedro H. A. MIRANDA (1); Antônio T. VARELA (2); Edilson M. SÁ Jr. (3)
(1) IFCE/ITTI-Fortaleza, Av. Treze de Maio 2081, (85)87618172, (85)33073708, e-mail: pedrohenriqbg@hotmail.com
(2) IFCE/ITTI-Fortaleza, e-mail: themoteo@gmail.com
(3) IFCE-Sobral, e-mail: edilson.mineiro@ifce.edu.br
RESUMO
Este trabalho tem como objetivo analisar o comportamento térmico e óptico do LED de potência, utilizado
para iluminação em aparelhos odontológicos visando sua máxima eficiência e vida útil. A vida útil dos
sistemas para iluminação dos aparelhos odontológicos ainda é considerada pequena, pois freqüentemente os
LEDs de potência operam com elevada temperatura, o que reduz a sua vida útil e eleva os custos com
manutenção. Este trabalho analisa o emprego de um diodo peltier para auxiliar a extração do calor da junção
semicondutora do LED, o que permite a redução da temperatura na junção e aumenta a eficiência do LED.
Para análise dos resultados, um sistema de aquisição de dados foi montado para monitorar a temperatura, a
corrente, a luminosidade e a tensão no LED. Os resultados experimentais demonstraram a viabilidade técnica
do uso do diodo peltier e a possibilidade da redução da corrente no LED para aumentar a sua eficiência.
Palavras-chave: LED, iluminação, peltier.

1. INTRODUÇÃO
A crescente necessidade de desenvolver sistemas cada vez mais econômicos e de reduzido impacto
ambiental, tem direcionado a evolução dos sistemas no sentido de minimizar os consumos energéticos
tentando sempre maximizar o seu rendimento, sendo que a energia consumida para iluminação representa em
torno de 20% da energia produzida no mundo. Atualmente os diodos emissores de luz (LEDs - Light Emitter
Diodes) de potência estão sendo empregados em diversas aplicações que antes utilizavam lâmpadas
incandescentes, fluorescentes e outras fontes de luz, como exemplo, sinais de transito, iluminação de
automóveis e painéis luminosos.
Em 2001, a OIDA (Optoelectronics Industry Development Association) previu que em 2002 a eficiência
luminosa dos LEDs chegaria em torno de 25 lm/W, em 2007 chegaria a 50 lm/W substituindo as lâmpadas
incandescentes, em 2012 chegaria a 150 lm/W substituindo as lâmpadas fluorescentes e em 2020 chegaria
200 lm/W (JOHNSON, 2001). Entretanto, antecipando a previsão de Narukawa et al.(2006) da Nichia
Corporation, apresentaram em outubro de 2006 um LED branco de 20 mA com eficiência luminosa de 138
lm/W, sendo esta eficiência luminosa 1,5 vezes maior do que a da lâmpada fluorescente (90 lm/W).
A empresa Gnatus desenvolveu o aparelho odontológico utilizado na iluminação bucal, Refletor LED Plus,
que utiliza cinco ou três LEDs brancos de potência. A utilização dos LEDs permite uma maior
homogeneização da cor branca sobre os dentes, quando comparado as lâmpadas halógenas convencionais, o
que facilita a inspeção e a detecção de problemas bucais. Entretanto, a vida útil desse aparelho era
consideravelmente pequena, pois os LEDS de potência operavam submetidos a elevadas temperaturas, o que
reduzia a sua vida útil e a sua eficiência. Normalmente a indústria utiliza volumosos dissipadores para extrair
o calor da junção do LED, mas em sistemas para iluminação em aparelhos odontológicos o espaço físico é
limitado, em detrimento da mobilidade. Assim, foi utilizado um exaustor para facilitar a extração do calor,
mas por ser um componente mecânico, este componente limita a vida útil do sistema. Em um momento de
falha do exaustor, os LEDs são submetidos a uma elevada temperatura, o que reduz a sua vida útil e a sua
luminosidade. A figura 1 mostra dois LEDs danificados por operarem sob elevadas temperaturas, o LED à
esquerda a pastilha semicondutora se desprendeu do dissipador interno do componente (Slug) e o LED à
direita, o invólucro de silicone foi danificado.
Figura 1 – LEDs queimados devido ao excesso de temperatura.
A fim de melhorar o desempenho e a vida útil desse produto, mantendo-se a simplicidade construtiva, pois as
normas existentes não permitem a existência de dissipadores externos ao produto, foi proposto um sistema de
resfriamento forçado baseado em pastilha termoelétrica (efeito Peltier), com o intuito de diminuir a
temperatura da junção do LED. Assim, este artigo propõe o estudo da eficiência e do comportamento do
LED de potência, utilizado nesse aparelho odontológico, juntamente com o diodo Peltier que será
responsável pelo seu resfriamento, amenizando o efeito da temperatura e consequentemente aumentando a
sua vida útil e durabilidade do equipamento em estudo.
Para aquisição de dados foi utilizada a placa MSC1211Y5, fabricada pela Texas Instruments, que utiliza um
microcontrolador com o seu núcleo compatível com o MSC8051. A escolha dessa placa foi motivada pelo
microcontrolador possuir um sistema de aquisição de dados necessário para monitoração do projeto, além de
que se pode conectar um termopar diretamente na placa, sem a necessidade de muitas modificações. A
aquisição dos valores é feita através da multiplexação de oito canais conversores analógicos-digitais de 22
bits (ADC - Analog-to-Digital Converter), que são enviados para o computador pela porta serial. No

computador os dados são armazenados para serem posteriormente analisados. Os dados armazenados são
comparados para analisar o comportamento do LED nas variadas tensões que foram aplicadas.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 LED
O LED (Light Emitter Diode) é um componente pertence à categoria dos díodos semicondutores, quando
polarizado diretamente emite radiação luminosa, podendo esta ser ou não visível ao olho humano. A
principal diferença entre o LED e o díodo comum reside no seu funcionamento ao nível atômico. Enquanto
que nos díodos comuns, Silício ou Germânio, o processo de condução apenas resulta na libertação de energia
sob forma de calor; no LED, quando um elétron ocupa uma lacuna, este passa a um nível de energia inferior
libertando um fóton, cujo comprimento de onda da radiação luminosa emitida depende do tipo de material
que foi projetado.
2.1.1 História do LED
Segundo Schubert (2007), no início do século XX, a emissão de luz a partir de um material de estado sólido,
causado por uma fonte de energia elétrica, tem sido mencionado como um fenômeno denominado
eletroluminescência, pois esta pode ocorrer em temperatura ambiente, ao contrário de incandescência (brilho
ou calor), que é a parte visível da radiação eletromagnética emitida por um material aquecido a temperaturas
elevadas, tipicamente maiores do que 750 ° C.
Após vários testes, Henry Joseph Round conseguiu demonstrar em 1904 o primeiro diodo emissor de luz
conhecido como Vacuum-Tube Diode ou Fleming Valve. Este primeiro diodo era um dispositivo com
característica de corrente-tensão de um retificador. A luz era obtida devido ao contato de um cristal de SiC
(carboneto de silício) com eletrodos metálicos. (SCHUBERT, 2007). Os primeiros LEDs emissores, na
região de onda visível, foram baseados em semicondutores compostos de GaAsP (gálio, arsênio e fósforo),
com ganhos de eficiência de apenas 0,2%. (MULLER, 2006). A evolução dos LEDs, denominada de lei
Craford, mostra que o desempenho da emissão de luz aumenta dez vezes a cada década. No passado os LEDs
de diferentes cores possuíam baixa eficiência e a luz emitida era obtida utilizando filtros ópticos (KOVAC,
2003).
Atualmente a eficiência dos LEDs ultrapassa 60% de rendimento, além disso, semicondutores de ligas
distintas são capazes de emitir várias cores do espectro visível. Com isso, abre-se a possibilidade de
utilização de LEDs em áreas além do convencional, permitindo a substituição das lâmpadas incandescentes e
fluorescentes. A duração do LED é superior a 105 h comparado com fontes incandescentes (~ 500 h) e fontes
fluorescentes (~ 5000 h), contribuindo assim para a atratividade dos LEDs. (MULLER, 2006).
2.1.2 Funcionamento básico do LED
O funcionamento do diodo emissor de luz é baseado numa forma especial de eletroluminescência, produzida
pela injeção de portadores numa junção P-N. Quando uma junção P-N é polarizada no sentido direto, os
buracos do lado P e os elétrons do lado N movem-se em sentidos opostos em direção à região de depleção.
Os buracos injetados no lado N recombinam com elétrons que estão chegando à região de depleção,
enquanto os elétrons injetados no lado P recombinam com buracos que lá se encontram. Desta forma, todos
os elétrons e buracos que participam da corrente, recombinam-se nas imediações da região de depleção,
numa camada de espessura Lp do lado P e Ln do lado N. (KERN, 2004).
(Rezende, 2004) cita que a recombinação dos elétrons e dos buracos na região de depleção acarreta na
geração de fótons, detalhado na figura 2. Se a recombinação de cada par elétron-buraco resulta na emissão ou
absorção de um fóton, o semicondutor tem gap direto. Entretanto, se o semicondutor da junção tiver gap
indireto, como no Si ou Ge, além dos fótons a recombinação pode emitir ou absorver um fônon e, portanto,
calor. Isto torna a emissão de luz muito pouco eficiente nos semicondutores de gap indireto. Por essa razão
utiliza-se semicondutores de gap direto para fabricar lasers e LEDs. Entre os semicondutores de gap direto
destacam-se GaAs, InSb, InAs, InP, PbS, CdS e CdTe. Nem todos os compostos do grupo III-V da tabela
periódica são de gap direto, sendo que GaP e AlSb têm gap indireto.

2.1.3 Efeito da temperatura
Figura 2 – Detalhe da emissão de fótons em um LED (KERN, 2004).
Os fabricantes de LEDs de potência testam e classificam todos os componentes por fluxo luminoso, cor e
tensão direta, baseados em uma temperatura de junção de 25 °C e com a aplicação de pulsos de 15 a 20
milissegundos, o que praticamente não eleva a temperatura da junção (DOE, 2006a). Entretanto, em
condições reais de uso a elevação da temperatura da junção provoca a redução da intensidade luminosa. Cada
tipo de LED responde diferente à mudança de temperatura da junção, além disso, ocorre o deslocamento do
comprimento de onda com a variação da temperatura, decorrente da variação da energia do gap. Na figura 3
é mostrado a influência da temperatura da junção na luminosidade relativa de vários LEDs (FUTURE
ELETRONICS / LUMILEDS, 2006).
Figura 3 – Influência da temperatura na luminosidade relativa de vários LEDs. (LUMILEDS, 2006).
O excesso de calor afeta o desempenho do LED em curto e longo prazo. Em curto prazo, que é reversível,
ocasiona mudança de cor e reduz intensidade luminosa. Em longo prazo acelera a depreciação do fluxo
luminoso e encurta o tempo de uso do componente. O tempo de uso é definido como o tempo em que ocorre
uma redução de 30% da luminosidade inicial do LED, o que difere da definição de tempo de vida. (SÁ Jr.,
2007). O Departamento de Energia Norte-Americano (DOE – US Department of Energy) publicou resultados
de um teste piloto com vários produtos que utilizavam LED e em condições reais de operação (DOE, 2006b).
As medidas mostraram que os valores de lúmens fixados pelos fabricantes eram simplesmente a soma dos
valores nominais dos LEDs utilizados no sistema (DOWLING, 2007), o que corresponde a valores para uma
temperatura da junção igual a 25°C.
2.1.4 A escolha do LED
O presente trabalho utiliza o LED LXK2PWC0180 com TFFC que possui as seguintes características:
• Mais de 60 lm/W com corrente de 1 A;
• Maior temperatura de funcionamento na junção disponível, até 150 °C;
• Corrente máxima de 1,5 A;
• Menor resistência térmica de 5,5 °C / W;

• Vida útil de aproximadamente de 50.000 horas com 1 A, com 70% do fluxo luminoso.
Segundo a Philips Lumileds (2009), o LUXEON K2 com TFFC tem o rendimento de 70% na manutenção do
fluxo luminoso e 50.000 horas de funcionamento com uma corrente de 1A. Esta projeção baseia-se em
constante operação, com temperatura igual ou inferior a 120°C.
2.2 Placa de aquisição
Devido aos grandes avanços da eletrônica, atualmente podem-se encontrar microprocessadores e
microcontroladores com grande capacidade de processamento a preços atrativos, estimulando o
desenvolvimento de novos produtos, como por exemplo, equipamentos eletrônicos de medição, em
substituição aos dispositivos de medição convencionais. A escolha de um microcontrolador que satisfaça as
necessidades do projeto é de fundamental importância para o sucesso do desenvolvimento. A placa escolhida
para o projeto é MSC1211EVM, mostrada na figura 4, que possui o microcontrolador MSC1211Y5,
fabricada pela Texas Instruments. Este microcontrolador é caracterizado por operar em baixa tensão e
apresentar baixo consumo de energia. Este tem como funções periféricas:
• 34 pinos de I/O;
• Três Temporizadores de 16 bit cada;
• Duas UARTs full-duplex;
• Oito canais diferenciais de 22 bits de resolução efetiva (Conversor A/D);
• Programmable gain amplifier (PGA) de 1 até 128;
• Watchdog Timer;
• Sensor de temperatura interno;
• Memória flash de 32kb.
Figura 4 – Placa de aquisição de dados MSC1211Y5.
A tensão especificada para o microcontrolador, tanto para alimentação quanto para execução das operações
na memória flash, é de 2,7 a 5,25 V, sendo que a placa é alimentada com a tensão de +5 V. (TEXAS
INSTRUMENTS, 2009).
2.2.1 Conversor Analógico-Digital Interno
O MSC1211 inclui um ADC (Analog-to-Digital Converter) com 22 bits de resolução efetiva. O
multiplexador permite que cada pino de entrada possa ser configurado tanto como um contributo positivo ou
negativo para uma determinada medição, enquanto outros ADCs freqüentemente definem pares de entrada.
Qualquer referencia no pino de entrada pode servir como a referência negativa de entrada em uma medição e
servir como referência positiva no próximo.
Além disso, qualquer combinação de pinos pode ser utilizada, não há pares que restringem entrada
predefinida. A entrada no multiplexador prevê qualquer combinação de insumos diferencial a ser selecionado

em qualquer um dos canais de entrada, como mostrado na figura 10. Com esse método, é possível ter até oito
canais de entrada totalmente diferenciados. O MSC1211 possui um amplificador de ganho programável
(PGA - Programmable Gain Amplifier) que é responsável em melhorar a resolução efetiva do ADC, podendo
chegar a uma resolução de 75 nV.
2.2.2 O programa utilizado
A programação em C foi escolhida pelo fato de ser uma linguagem de alto nível e mais direta comparada
com a linguagem assembly. Depois de compilado e gravado no microcontrolador MSC1211Y5, o programa
tem como finalidade controlar a leitura das entradas do AD e enviar serialmente os dados para o computador,
sendo esses dados captados pelo software docklight. Na figura 11 é apresentado o fluxograma resumido
desse programa.
2.2.3 A transmissão de dados
A comunicação serial entre o computador e o microcontrolador funciona no modo simplex. O modo de
operação da porta serial do microcontrolador escolhido foi o modo assíncrono em que dez bits são
transmitidos por vez, sendo um bit de início (start bit), 8 bits de dados e um bit de parada (stop bit).
2.3 Diodo peltier
O efeito peltier consiste na produção do gradiente de temperatura em duas junções de dois condutores (ou
semicondutores) de materiais diferentes, quando submetidos a uma tensão elétrica em um circuito fechado.
Quando uma corrente elétrica é aplicada, o calor move-se de um lado ao outro, onde deve ser removido com
um dissipador. Se os pólos elétricos forem revertidos, a pastilha torna-se um aquecedor. Uma típica pastilha
de peltier contém uma série de elementos semicondutores, do tipo-P e tipo-N, agrupados como pares, que
agem como condutores dissimilares.
Essa série de elementos é soldada entre duas placas cerâmicas, eletricamente em série e termicamente em
paralelo. Quando uma corrente contínua passa por um ou mais pares de elementos de tipo-n a tipo-p, há uma
redução na temperatura da junta ("lado frio") resultando em uma absorção do calor do ambiente. A
capacidade de bombeamento de calor de um refrigerador é proporcional à corrente e ao número de pares de
elementos tipo-n e tipo-p. Assim, o diodo peltier será utilizado abaixo da placa de dissipação do LED, com o
intuito de amenizar a temperatura da junção que pode chegar até 60ºC, dependendo da tensão aplicada nesse,
como será mostrado posteriormente nos resultados.
3. METODOLOGIA
Figura 5 – Resfriamento do peltier
A estrutura projetada para o acionamento e resfriamento do LED é separada em quatro partes distintas. A
primeira consiste em uma placa de fenolite, onde está soldado o LED e dois resistores de 10 kΩ, como
mostra a figura 6a. A segunda parte dessa estrutura é o dissipador 1, em que a placa de fenolite é fixada,
como mostra os círculos azuis na figura 6a e figura 6b, e por onde a base do LED pode dissipar seu calor.
Entre a base do LED e o dissipador utiliza-se o termopar do tipo K, que tem como característica a variação
de tensão em seus terminais de acordo com a variação da temperatura. A figura 6b mostra mais detalhes
sobre esse dissipador e a região onde se deve colocar o termopar. A terceira parte é composta pelo diodo
peltier que é responsável pelo resfriamento do dissipador 1, como mostra a figura 6c. Por último tem-se o
dissipador 2 para dissipar o calor gerado pelo diodo peltier. Como é mostrado na figura 6d.

Figura 6 – Fotos da estrutura projetada: a) Placa de fenolite; b) Dissipador 1; c) Diodo peltier; d) Ordem de
montagem da estrutura
A figura 7 demonstra como é ligado o esquema elétrico do LED, do diodo peltier e o Til78 com as portas do
AD da placa de aquisição.
Figura 7 – Esquema elétrico do LED, TIL78 e diodo peltier
Os resistores de 10 kΩ são utilizados para fazer um divisor de tensão, pois a tensão de acionamento do LED,
que é de aproximadamente 3,2 V, é maior do que a tensão permitida pelo A/D da placa, que suporta uma
tensão máxima de 2,5 V. Os resistores de 0,22 Ω são utilizados para o calculo da corrente tanto do LED e do
diodo peltier, estes são muito pequenos para que as perdas sejam mínimas.
4. ANÁLISE E INTEPRETAÇÃO DOS DADOS
Foram realizadas várias aquisições de dados do sistema apresentado anteriormente, onde o tempo de duração
é de no mínimo 3 horas, pois este é o tempo necessário para que o sistema (LED + peltier + dissipadores)
entre em regime térmico. O primeiro teste realizado serviu para a análise da temperatura do LED somente
com os dissipadores e posteriormente foi realizado um segundo teste, agora com o diodo peltier. Obtiveramse
assim os dados da tabela 1.
Tabela 1 – Temperatura do LED versus utilização do diodo peltier
DIODO CORRENTE TEMPERATURA
PELTIER DO LED DA BASE
AUSENTE 700 mA 45ºC
PRESENTE 700 mA 41ºC
A partir destes dados, foram realizados testes com variadas correntes no diodo peltier, para verificar qual
melhor eficiência do LED em relação da corrente do peltier, estabelecendo uma corrente no LED fixa para
efeito de comparação. Assim obteve-se a tabela 2.

Tabela 2 – Luminosidade do LED versus tensão no diodo peltier
CORRENTE TENSÃO NO TENSÃO
DO PELTIER TERMOPAR NO TIL78
0,403860 A 1,991320 V 0,233620 V
0,500460 A 1,948650 V 0,237320 V
0,595400 A 2,049390 V 0,236200 V
A figura 8 mostra a tensão do termopar desde o inicio do acionamento do LED até o seu termino. A
temperatura da base do LED cresce exponencialmente nos primeiros dez minutos de teste, sendo prejudicial
à vida útil desse. Para os testes seguintes, tomou-se a corrente de 0,5A no diodo peltier como fixa para
variadas tensões do LED. Foram escolhidas correntes de 0,6A até 1,1A para a análise da relação entre a
quantidade de lux produzida e a temperatura da base do LED. A aquisição desses dados gerou a tabela 3. A
figura 9a mostra a tensão do termopar das correntes em estudo em um determinado período de regime
térmico, mantendo-se a corrente do diodo peltier praticamente constante. Na figura 9b tomam-se os pontos
da tabela 3 para traçar um gráfico para se observar o comportamento da média da tensão do TIL78 em
relação às correntes escolhidas para os testes.
Figura 8 – Tensão do termopar ao decorrer do tempo da realização do testes
Tabela 3 – Valores médios obtidos com aquisição de dados
CORRENTE TENSÃO NO TENSÃO
DO LED TERMOPAR NO TIL78
0,6 A 1,266390 V 0,185520 V
0,7 A 1,523050 V 0,221950 V
0,8 A 1,725240 V 0,221980 V
0,9 A 1,937060 V 0,244340 V
1,0 A 2,187270 V 0,241390 V
1,1 A 2,626810 V 0,249910 V
A figura 10a mostra todo o sistema montado. No tubo branco está a estrutura (LED + peltier + dissipadores),
para realização do teste de luminosidade, pois o mesmo não pode sofrer influência do meio. A placa do
TIL78 é mostrada na figura 10b. Esta fica localizada na parte superior do tubo branco da figura 10a e o seu
circuito elétrico é descrito na figura 7. A figura 11a mostra o Refletor LED Plus, da empresa Gnatus, que é
utilizado na iluminação bucal. A figura 11b mostra a fixação dos dissipadores do LED juntamente com a
lente, que serve para focar o feixe luminoso provido do LED.

Figura 9 – a) Tensão do termopar para variadas correntes; b) Tensão no TIL78 versus corrente do LED
5. CONCLUSÃO
Figura 10 – a) Sistema montado; b) Placa do TIL78
Figura 11 – a) Refletor LED Plus; b) Estrutura dos dissipadores
O trabalho desenvolvido neste artigo requer a utilização de diversos conceitos e conhecimentos no campo da
mecatrônica. Visou-se ao longo deste projeto a fabricação de uma estrutura em que se pode realizar vários
testes específicos para analisar o comportamento do LED LXK2PWC0180. A estrutura final funcionou
dentro das especificações inicialmente estabelecidas, mostrando-se operacional e apresentando resultados
confiáveis. Os resultados obtidos das aquisições mostram que os objetivos previstos neste trabalho foram
alcançados.
Em relação ao diodo peltier, constatou-se então que a corrente a ser aplicada deve ser de aproximadamente
500 mA, pois a mesma gerou uma tensão menor no termopar. Consequentemente há uma menor temperatura
na junção, e uma tensão maior no TIL78, gerando desta forma uma maior quantidade de lux e um maior
rendimento do LED. Em relação à corrente do LED, pode-se constatar que essa deve ser aproximadamente
de 900 mA, pois a mesma gerou uma tensão maior no TIL78 em regime praticamente constante.
A temperatura da junção afeta as características ópticas e elétricas dos LEDs. Assim, um bom projeto,
visando à vida útil do LED, deve preocupar-se que o dispositivo opere com a máxima eficiência luminosa e
baixa temperatura da junção. Posteriormente será realizado um teste com o sistema completo da Gnatus, que

consiste em um experimento para determinar a corrente ideal para se obter o fluxo luminoso máximo.
Também será determinada a corrente ideal com o exaustor do equipamento, Refletor LED Plus, estando
ativado e desativado. Isto só será possível a partir deste estudo.
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AGRADECIMENTOS
Agradecemos a pró-reitoria de pesquisa do IFCE pela oportunidade da bolsa de iniciação cientifica e a
empresa Gnatus pelo envio do equipamento para testes.