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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

ANDERSON CATAPAN
THOMAS GEORGE KLAESIUS
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UM FOCO CIRÚRGICO AUXILIAR
UTILIZANDO A TECNOLOGIA DE DIODOS EMISSORES DE LUZ
CURITIBA
2009
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.
ii

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.
iii

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.
iv

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.
v

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
vi

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
vii

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
viii

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
ix

A/D - Analog/Digital – Analógico/Digital
LISTA DE SIGLAS
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
x

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.
1

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.
2

• 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.
3

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.
4

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.
2.1.1 Fotometria
Figura 1 - Espectro Eletromagnético
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de OSRAM (2006)
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.
5

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.
6

- 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]
- Iluminância ou Iluminamento
Símbolo: E
Unidade: lux [lm/m²]
Figura 2 - Intensidade luminosa
Fonte: PEREIRA (2003)
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.
7

- Campo Iluminado
Símbolo: d
Unidade: [mm]
Figura 3 - Parâmetros para focos cirúrgicos
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Steris (2008)
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)
8

- 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)
9

- 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.
- Taxa de Falha
Símbolo: λ(t)
Figura 6 - Amostras de cores para o IRC
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Optoga AB (2009)
Unidade: 1 falha por hora [1/h] ou 1 falha por 10 9 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.
10

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).
11

Figura 8 - Curva de depreciação do fluxo luminoso
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de OSRAM Opto Semiconductors (2008)
- 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)
12

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.
13

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]
14
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.

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
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Philips Lumileds (2009)
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)
15

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
RGB
• Tecnologia mais avançada
• Processo de fabricação em
grandes quantidades
• Fluxo luminoso e eficiência são
relativamente altos
• Baixo custo
• Flexibilidade de cor, em displays
multicor e diferentes tonalidades
de branco
• Maior eficiência
2.2.2 Benefícios Tecnológicos da Adoção dos LEDs
16
• Alto CCT
• Branco quente pode ser
menos disponível e mais caro
• Pode apresentar uma
variação de cor
• LEDs individuais apresentam
características diferentes
• Adição do custo necessário
para controle da aparência de
cor
• Geralmente possuem baixo
CRI
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.

• 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
17

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,
18

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.
19

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)
20

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
21

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.
22

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
23

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
24

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
Fonte: OSRAM Opto Semiconductors (2008)
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
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de OSRAM Opto Semiconductors (2008)
25

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
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de OSRAM Opto Semiconductors (2008)
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
I F = 1,4 A e T J = 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.
26

Utiliza a tecnologia de filmes finos Thin Film Flip Chip TFFC ® , registrada pela
Philips, e é constituído de Nitreto de Gálio-Índio 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 20 – LED Luxeon K2 com TFFC
Fonte: Philips Lumileds (2009)
Figura 21 - Construção Interna do Luxeon K2
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Philips Lumileds (2009)
Quando todas as as condições condições de operação são levadas em conta, por exemplo,
uma fonte de de corrente corrente para estas aplicações que necessitam alto brilho, a a real
temperatura que o o equipamento irá irá operar, operar, e adequação a todos os rrequisitos
r
referentes à depreciação depreciação dos lumens, lumens, a luz realmente emitida e a comparação entre
diferentes marcas marcas de LED, LED, mostram que que o datasheet é muito diferente diferente da realidade.
realidade.
Somente através de uma uma boa boa análise análise do do desempenho desempenho do LED sob as condições de
trabalho, ho, pode levar a a uma boa boa decisão de escolha. Iluminação por estado-sólido estado
é
uma recente recente e crescente indústria, indústria, as as inovações são são constantemente constantemente introduzidas
introduzidas
para melhorar o desempenho e ter produ produtos tos cada vez mais competitivos. Estes
LEDs podem ser considera considerados ecologicamente corretos, pois estão de acordo com
as diretrizes RoHS, não ão contendo cont chumbo ou outras substâncias perigosas.
27

Tabela 5 – Especificações do LED Philips
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Philips Lumileds (2009)
Parâmetro Símbolo Valor Unidade
Fluxo Luminoso Φ V 275 lm
Eficiência Óptica η OPT 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.
28

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
29

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
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de OSRAM Opto Semiconductors (2008)
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.
30

3.2.1 Lentes e Refletores
Figura 25 - Temperaturas de cor para o LED OSRAM Diamond Dragon
Fonte: OSRAM Opto Semiconductors (2008)
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
Fonte: OSRAM Opto Semiconductors (2008)
31

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.
32

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)
33

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.
34

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
Fonte: Os Autores (2009)
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
Fonte: Os Autores (2009)
35

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
Fonte: Os Autores (2009)
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)
36

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
Fonte: Os Autores (2009)
Fabricante
Ledil
Ledil
Ledil
IMS
IMS
Modelo
Diâmetro [mm]
Lente
LD1-RS
21,6
Lente
LD1-D
21,6
Refletor
Boom-S C10588
20,0
Refletor
SO20XA
20,5
Refletor
SO27XA
27,5
Fotografia FWHM
Diamond
[lx @ 1 m]
37
Luxeon K2
[lx @ 1 m]
±4° 3240 1350
±7° 2620 1800
±9° 970 2040
±5° 2630 6730
±4° 4250 10270

Khatod
Khatod
Khatod
Khatod
Khatod
Khatod
Khatod
Khatod
Khatod
Khatod
Refletor
KCLP20CR
20,0
Lente
KEPL19906
22,0
Lente
PL27106
26,8
Lente
PL527106
26,8
Lente
KEPL3506
35,0
Lente
PL526806
26,8
Lente
PL115406
19,7
Lente
PL26806
26,8
Lente
PL02706
24,8
Lente
PL119906
35,0
±3° 950 4550
±5° 1170 4700
±5° 2420 5010
±5° 1390 1560
±5° 2410 2910
±5° 1440 1570
±5° 1050 3740
±5° 2260 4980
±5° 1570 3600
±5° 3520 7270
38

Khatod
Khatod
Carclo
Carclo
Polymer
Optics
Lente
PL25606
35,0
Lente
PL26606
26,8
Lente
10003
20,0
Lente
10193
20,0
Lente
120
10,0
±5° 2700 7380
±5° 2250 8190
±3,9° 950 2410
±4,1° 2280 5330
±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)
39

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)
40

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.
41

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
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de OSRAM Opto Semiconductors (2008)
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.
42

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‡
43
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.

Figura 40 - Vida útil de acordo com a corrente e temperatura
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de OSRAM Opto Semiconductors (2009)
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
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de OSRAM Opto Semiconductors (2008)
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
44

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
Fonte: Os Autores (2009)
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)
Propriedades Unidade Valor
Elétricas
Constante Dielétrica @ 1 MHz --- 4,5
Fator de Dissipação @ 1 MHz --- 0,019
Resistividade superficial
Rigidez Elétrica
Ruptura Dielétrica
Calor Especifico
Condutividade térmica
Térmicas
Temperatura de operação continua
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
MΩ
V/mil
kV
Kj/Kg °C
W/m °C
°C
10 8
1000
>35
1,25
0,60
130
45

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
46

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
Fonte: Os Autores (2009)
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]
Loctite 384 0,757 26,7
Dow Corning SE4422 0,9 14,3
Dow Corning 3-1818 1,72 16,0
Processo de
Cura
Ativador 7387
24h @ 22°C
Umidade
72h @ 25°C
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.
47

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
48

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
49

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)
50

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.
51

Tabela 10 – Especificações técnicas da ventoinha
Figura 50 – Fotografia da ventoinha Artic Fan 12 PWM
Fonte: Artic-Cooling
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.
52

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
53

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.
54

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].
como:
A resistência térmica existente entre o LED e o MCPCB pode ser calculada
55

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:
56

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).
57

Figura 54 - Perfil do dissipador de alumínio sem anodizar
Fonte: Os Autores (2009)
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 α/ε
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
Fonte: Os Autores (2009)
58

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
Fonte: Os Autores (2009), Adaptação de Philips Lumileds (2006)
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.
59

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.
60

Figura 57 – (a)Var. da Cromaticidade vs T J ; (b)Var. da Cromaticidade vs I F
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).
61

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.
62

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
63

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.
64

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
Flash
[B]
Memória de
Programa
Instruções
Memória de Dados
SRAM
[B]
EEPROM
[B]
Pinos
de E/S
A/D
de
10
bits
[ch]
CCP
(PWM)
SPI
SSP
Escravo
PIC16F818 1792 1024 128 128 16 5 1 Y Y 2/1
I²C
65
Timers
8/16 bit
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.

- 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.
66

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.
67

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.
68

Figura 60 - Imagem 3D do equipamento acabado
Fonte: Os Autores (2009)
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.
69

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.
Tabela 13 - Resultado do teste de temperatura
Fonte: Os Autores (2009)
Figura 61 – Teste de temperatura
Fonte: Os Autores (2009)
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
70

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
Fonte: Os Autores (2009)
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
2.000 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.
2
71

Figura 62 – Comparação entre o Foco Antigo e o Desenvolvido
Fonte: Os Autores (2009)
72

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.
73

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.
74

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.
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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
Fonte: Os Autores (2009)
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
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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.
77

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.
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REFERÊNCIAS
ARTIC COOLING. Case Fan Specifications. Disponível em: . Acessado em Agosto, 2009.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS - ABNT. NRB-IEC 60601-
1/1994– Prescrições Gerais de Segurança de equipamentos eletromédicos.
AVAGO TECHNOLOGIES. Thermal Management of Avago High Power LED
Emitter. Estados Unidos. Junho, 2009.
BRAGA, Newton C. Controle de Ventilação em equipamentos eletrônicos. Artigo
originalmente publicado na revista Saber Eletrônica - Ano 42 - Ed. 407 - Dezembro,
2006.
BRONDANI, Sergio Antonio. A PERCEPÇÃO DA LUZ ARTIFICIAL NO INTERIOR
DE AMBIENTES EDIFICADOS. 2006. 152f. Tese (Doutorado em Engenharia de
Produção) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção, UFSC,
Florianópolis.
BUTLER, Charles. Hospitals. In: HAMLIN, TALBOT (Ed.). Forms and functions of
twentieth century architecture. New York: Columbia University, 1952. V.4, cap.35.
BYTE CRAFT LIMITED. First Steps with Embedded Systems. Canada 2002.
CAMPADELLI, Guido. Parameters to Consider for LED Optics Design. Publicado
na revista LEDProfessional. (p.43-44). Outubro, 2009.
CARCLO TECHNICAL PLASTICS. Guide to choosing secondary optics. Janeiro,
2009.
79

CIRCUIT PROJECTS. Hardware Programador de PIC. Disponível em:
.
Acessado em Setembro, 2009.
CREE, INC. Cree XLamp LED Thermal Management. Estados Unidos, 2006.
DOW CORNING CORPORATION. Informação sobre Materiais Termicamente
Condutivos Dow Corning®. Estados Unidos, 2008.
FURLAN, Vladimir; KOBAV, Matej B.; SIRCA, Davor. Choosing lenses for
Power LED based luminaire. Publicado pela empresa Intra Lighting.
Disponível em: .
Acessado em: Setembro, 2009.
GAEDE, Kyle. Suppressing Acoustic Noise in PWM Fan Speed Control
Systems. Nota de aplicação AN771publicada por Microchip Technology Inc.
Estados Unidos, 2003.
GIJZEN, Bonny. Software programador de PIC via porta serial RS232. Disponível
em: www.ic-prog.com. Acessado em Setembro, 2009.
KUNTZE, Tomi. All Facts for Choosing LED Optics Correctly. Publicado na
revista LEDProfessional. (p.25-28). Outubro, 2009.
MACSHANE, Julie. DOE and lighting designers discuss pros and cons of LEDs.
Artigo publicado na revista LEDsMagazine. Junho de 2008.
MARTINS, Eduardo Reginato. Comparação entre os desempenhos de faróis
automotivos convencionais e aqueles que empregam diodos emissores de luz.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Automotiva). Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo, São Paulo, 2005.
MENTOR GRAPHICS CORP. Solving the System-Level Thermal Management
Challenges of LEDs. Mechanical Analysis Divison. 2009.
80

MICROCHIP TECHNOLOGY INC. Datasheet do PIC16F818. 2004. Disponível em:
.
Acessado em Setembro, 2009.
MICROCHIP TECHNOLOGY INC. Intelligent Thermal Management Using
Brushless DC Fans. Nota de aplicação TB064. Estados Unidos, 2003.
MICROCHIP TECHNOLOGY INC. Speed Error in PWM Fan Control Systems.
Nota de aplicação AN772. Estados Unidos, 2003.
MILKS, Justin. Intelligent Fan Control. Nota de aplicação AN1178 publicada por
Microchip Technology Inc. Estados Unidos, 2008.
MILLENIUM RESEARCH GROUP. LEDs To Completely Replace Halogen Lights
in the European Surgical Market By 2014. Toronto, Canada, 2009.
Diversos artigos publicados pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos.
Acessados em Setembro de 2009. Disponíveis em:
MILLET, Marieta. The dangers of daylight. Lighting Design & Applications, New
York, v.26, n. 2, p. 30-33, 1996.
NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORTATION. High-Brightness LED Lighting
Solutions. Vol.2. Setembro, 2008.
NAVIGANT CONSULTING, INC. Energy Savings Estimates of Light Emitting
Diodes in Niche Lighting Applications. Washington, D.C.: U.S. Department of
Energy. 2008. Disponível em:
. Acessado em: Outubro. 2009 .
OCANO, Quata. Designing with LED directional lights: the importance of
delivering lux on target. Publicado na revista LEDsMagazin. (p.35-39) Abril, 2009.
81

OSRAM OPTO SEMICONDUCTORS GMBH. Diamond DRAGON LCW W5AP.
Alemanha. Dezembro, 2008.
OTT, Hubert, PLÖTZ, Ludwig. Dimming InGaN LEDs. Notas de aplicações por
OSRAM Opto Semiconductor. Janeiro, 2003.
PARFIJANOWITSCH, Heinrich. Gerenciamento Térmico - Parte 1 - Transferência
de calor em semicondutores de potência - Artigo originalmente publicado na
revista Saber Eletrônica - Ano 43 - Ed. 411 - Abril, 2007.
PARFIJANOWITSCH, Heinrich. Gerenciamento Térmico Parte 4 - Transferência
de calor em semicondutores de potência - Artigo originalmente publicado na
revista Saber Eletrônica - Ano 43 - Ed. 414 - Julho, 2007.
PASTRO, Ademar Luiz. Apostila sobre Microcontroladores. Curitiba: UFPR, 2007.
PECCIN, Adriana. Iluminação Hospitalar: estudo de caso: espaços de internação e
recuperação. Dissertação (Mestrado em Arquitetura). Faculdade de Arquitetura,
Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2002.
PHILIPS LUMILEDS LIGHTING COMPANY. Thermal Design Using LUXEON
Power Light Sources. Application Brief AB05. Estados Unidos, 2006.
PHILIPS LUMILEDS LIGHTING COMPANY. LUXEON K2 with TFFC. Technical
Datasheet DS60. Estados Unidos, 2009.
PHILIPS LUMILEDS LIGHTING COMPANY. Understanding power LED lifetime
analysis. WP12.
POMILIO, José Antenor. Dimensionamento de dissipadores para
semicondutores. Artigo originalmente publicado na revista Saber Eletrônica - Ano
44 - Ed. 432 - Janeiro, 2009.
82

Provena Saint Joseph Medical Center. Photos from the Past. Disponível em:
. Acessado em: Outubro, 2009.
SEOUL SEMICONDUCTOR CO. LTD. Z Power LED Thermal Management Guide.
Seoul, Korea, 2005.
SHOLAND, Michael. Life Cycle Assessment of Ultra-Efficient Lamps. Navigant
Consulting (Europe) Limited. Maio, 2009.
SORCAR, Prafulla G. Architectural lighting for commercial interiors. New York:
John Willey, 1987.
SOUZA, David José de. Conectando o PIC – Recursos Avançados. São
Paulo: Érica, 3 ed., 2000.
SOUZA, David José de. Desbravando o PIC. 6. Ed. São Paulo: Érica, 2003.
SOUZA, JOSÉ VALDEZ F. DE. História da Iluminação. Programa de Pós-
Graduação em Iluminação e Design de Interiores, UCB, 2004.
TRAPP, Françoise Von. Taking the heat out of LED fixtures. Artigo publicado na
Revista LEDsMagazine. (p.41-43). Abril de 2009.
U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. Thermal Management of White LEDs. Estados
Unidos, Fevereiro, 2007. Disponível em
. Acessado em: Agosto, 2009
WEISE S., ZAHNER Th., LUTZ Th., STICH A. Reliability of the DRAGON Product
Family. Nota de aplicação publicada por Osram Opto Semiconductors. Fevereiro,
2009.
83

ANEXOS
Anexo A
Especificação dos principais Focos Cirúrgicos Auxiliares a LED disponíveis no mercado [1] .
Fabricante - Modelo
Parâmetro
Iluminância
[lx]
Potência
[W]
Campo
Iluminado [mm]
CCT [K] CRI [Ra]
Energia
Irradiada
[mW/m².lx]
Acem – Starled 1 [2] 50.000 26 90 5000 88 - 50
Brandon Medical – Astralite 50.000

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.
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Anexo E
Esquemático da placa controladora de corrente e outros componentes.
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