Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA
Engenharia Eletrônica
Título: CONSTRUÇÃO E
DIMENSIONAMENTO DE UM DRIVER DE LASER DE DIODO PARA TERMOABLAÇÃO -
LAIS
Autor: Pedro Gonçalves Inazawa, Guilherme dos Anjos Guimarães Orientador: Prof
aDr
aSuélia de Siqueira Rodrigues Fleury Rosa
Brasília, DF
2016
Pedro Gonçalves Inazawa, Guilherme dos Anjos Guimarães
Título: CONSTRUÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE UM DRIVER DE LASER DE DIODO PARA
TERMOABLAÇÃO - LAIS
Monografia submetida ao curso de graduação em (Engenharia Eletrônica) da Universidade de Brasília, como requisito parcial para ob- tenção do Título de Bacharel em (Engenharia Eletrônica).
Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA
Orientador: Prof
aDr
aSuélia de Siqueira Rodrigues Fleury Rosa
Brasília, DF
2016
Pedro Gonçalves Inazawa, Guilherme dos Anjos Guimarães
Título: CONSTRUÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE UM DRIVER DE LA- SER DE DIODO PARA TERMOABLAÇÃO - LAIS/ Pedro Gonçalves Inazawa, Guilherme dos Anjos Guimarães. – Brasília, DF, 2016-
61p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.
Orientador: Profa Dra Suélia de Siqueira Rodrigues Fleury Rosa Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade de Brasília - UnB Faculdade UnB Gama - FGA , 2016.
1. termoablação, câncer, fígado, laser . 2. . I. Profa Dra Suélia de Siqueira Rodrigues Fleury Rosa. II. Universidade de Brasília. III. Faculdade UnB Gama.
IV. Título: CONSTRUÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE UM DRIVER DE LASER DE DIODO PARA TERMOABLAÇÃO - LAIS
CDU 02:141:005.6
Pedro Gonçalves Inazawa, Guilherme dos Anjos Guimarães
Título: CONSTRUÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE UM DRIVER DE LASER DE DIODO PARA
TERMOABLAÇÃO - LAIS
Monografia submetida ao curso de graduação em (Engenharia Eletrônica) da Universidade de Brasília, como requisito parcial para ob- tenção do Título de Bacharel em (Engenharia Eletrônica).
Trabalho aprovado. Brasília, DF, 29 de junho de 2016:
Profa Dra Suélia de Siqueira Rodrigues Fleury Rosa
Orientador
Eng. Gilvandson Costa Cavalcante Convidado 1
Enga. Marina Pinheiro Marques Convidado 2
Eng. Ronei Delfino da Fonseca Convidado 3
Brasília, DF
2016
Resumo
Introdução:O câncer de fígado é uma doença que acomete cerca de 600 mil pessoas por ano. A doença possui duas formas de apresentação e o tratamento convencional a essa mazela envolve o procedimento da Hepatectomia, que é a retirada de partes do fígado por meio de cirurgia. No entanto, como boa parte dos pacientes volta a apresentar tumores, esse procedimento torna-se inviável ao decorrer do tempo. Nesse contexto, a termoablação a laser surge como opção minimamente invasiva ao tratamento anterior. Esta é uma técnica com tempo de recuperação pequeno se comparado aos métodos tradicionais e é uma opção àqueles que possuem tumores de até 3 cm de diâmetro, centralizados sobre o órgão. Objetivos: O presente texto busca propor e testar em bancada o hardware de um dispositivo de termoablação à laser, dimensionando as variáveis físicas envolvidas no processo. Metodologia: O sistema foi dividido em 6 módulos específicos (alimentação, fonte de corrente ajustável, circuito de controle, proteção do circuito, resfriamento), e uma proposta para cada um foi feita de acordo com os parâmetros de saída almejados.
Uma ênfase foi dada ao sistema de controle de potência e ao da fonte controlável de corrente, ambos intimamente relacionados ao tempo de sobrevida do laser. Resultados e Discussão: O circuito teórico que foi submetido a simulações apresentou faixas de saídas de potência da ordem de 6 a 9 W, com ganho de corrente da ordem de 68 vezes em cada transistor conectado ao amplificador coletor Comum. Em bancada o resultado foi semelhante, obtendo ganho aproximado de 66 vezes. Devido a problemas externos para a obtenção dos diodos laser, neste trabalho o componente foi substituído por uma carga resistiva. O controle viaPWM (Pulse Width Modulation)também foi validado, obtendo-se uma variação linear de potência de saída e corrente de entrada no dispositivo.Conclusão:
A topologia apresentada representa uma escolha válida para a aplicação proposta, uma vez que cumpre com os requisitos mínimos do laser e permite o controle dos parâmetros desejados. Em trabalhos futuros, espera-se substituir a carga resistiva utilizada por um laser, para uma análise mais detalhada.
Palavras-chaves: termoablação, laser, câncer de fígado.
-
Abstract
Introduction: The liver cancer is a disease that occurs in around 600 thousand people each year, around the world. This disease has mainly two sorts of categorization: the pri- mary and the secondary. The traditional treatment process to this illness require a partial Hepatectomy, that consists of surgicals partial removals of the liver. Moreover, another drawback for this kind of treatment is that it becomes impracticable for long periods, once that there is a high ratio of this disease recurrence. Therefore, the laser thermal ablation technique emerges as a minimal invasive method (compared to the previous mentioned technique). Although, the laser thermal ablation requires from the patient short periods of post-surgical recovery, this method is an option only for some strictly liver cancer cases, as:
for tumors of a maximum of 3 cm of diameter, for example. Objectives:This paper aims to develop and validate, in details, the hardware and control interface for a laser thermal ablation device, scaling the physical parameters involved in the process. Methodology:
For this section, the main words are safety and device performance. Hence, the system was broken-down into six parts, that are: Power Supply Block, Adjustable Current Source Block, Control Circuit Block, Safety Circuit Block and Cooling System Block. Further- more, an initial proposal was made for each of the cited blocks, but with a special focus on the adjustable current block and the control system, once that both are highly related to the operational-working period of the diode laser that is aimed to be applied. Re- sults and Discussion: The theoretical circuits underwent to simulations and presented a reasonable power range, the simulations also presented an expected individual transistor gain as well as the pulse width modulation control presented a satisfactory outcome, val- idating this manner of control. Conclusion: In sum, the presented topology represents a plausible circuit choice for the proposed application, once that it corresponds the system requirements as well as it allows de desirable control of the circuit electrical parameters.
Key-words: thermal ablation, cancer, laser, liver.
Lista de ilustrações
Figura 1 – Componentes do laser de Rubi. Fonte: (GEOLOGY.COM, 2016), com
alterações. . . 23
Figura 2 – Laser de Diodo. Fonte: (BRAGA, 2014) . . . 23
Figura 3 – Amplificador Coletor Comum . . . 25
Figura 4 – Composição de amplificadores de topologia Coletor Comum. Observa- se que há uma soma das correntes de emissor de cada transistor. . . 26
Figura 5 – Diagrama de Blocos de Desenvolvimento. Fonte: (ELECTRONICS, 2016) com modificações. . . 28
Figura 6 – Esquemático Fonte de Alimentação. . . 29
Figura 7 – Ponte Retificadora. Fonte: (SEMICONDUCTOR, 2011), com modifi- cações. . . 29
Figura 8 – Fonte de Corrente Ajustável.. . . 31
Figura 9 – Transistor NPN, demonstração do modelo de topologia seguidor-emissor. Fonte: (HOROWITZ; HILL, 2015) com modificações. . . 31
Figura 10 – Esquemático Circuito Crowbar, proteção contra sobretensões. . . 33
Figura 11 – Esquemático Circuito de Soft-Start. . . 34
Figura 12 – Sensor de Temperatura de Precisão LM335. . . 35
Figura 13 – Esquemático Sensor de Temperatura LM335 conectado ao microcon- trolador Arduino Uno . . . 35
Figura 14 – Ilustração do Efeito Hall. (WORLD, 2014) com modificações. . . 36
Figura 15 – Módulo ACS712. Fonte: (STORE, 2016) . . . 37
Figura 16 – Esquemático módulo ACS712 . . . 37
Figura 17 – Microcontrolador ATmega328P, placa de desenvolvimento Arduino. . . 38
Figura 18 – Primeira Parte do Esquemático do circuito de corrente ajustável (com potenciômetro) simulado em análise teórica . . . 40
Figura 19 – Segunda Parte do Esquemático do circuito de corrente ajustável (com potenciômetro) simulado em análise teórica . . . 41
Figura 20 – Acionamento do Tiristor SCR para tensões acima de 18 Volts. A linha laranja representa a tensão sobre o resistor ligado ao gate do tiristor, enquanto a linha azul representa a variação de tensão na fonte de ali- mentação. . . 42
Figura 21 – Acionamento do Tiristor SCR para tensões acima de 18 Volts. A li- nha azul representa o comportamente da passagem de corrente sobre o tiristor afim de proteger o circuito. . . 42
Figura 22 – Circuito de Simulação do sinal PWM. O Nó D é conectado a base do transistor PNP BC559 . . . 43
Figura 23 – Simulação do Controle PWM, demonstração dos valores para o sinal ativado. (a) No primeiro quadro: tensão na saída do regulador (azul), tensão sobre o emissor do 2N3055(laranja), sinal PWM de controle
(marrom).(b) No segundo quadro: corrente na saída do circuito. . . 44
Figura 24 – Simulação do Controle PWM, demonstração para dos valores para o sinal desativado. (a) No primeiro quadro: tensão na saída do regula- dor (azul), tensão sobre o emissor do 2N3055 (laranja), sinal PWM de controle (marrom).(b) No segundo quadro: corrente na saída do circuito. 45 Figura 25 – Vista frontal da PCB proposta para Fonte de Corrente Ajustável. . . . 45
Figura 26 – Vista da parte de baixo da PCB proposta para Fonte de Corrente Ajustável. . . 46
Figura 27 – Layout da camada superior da placa de circuito impresso. . . 57
Figura 28 – Layout da camada inferior da placa de circuito impresso. . . 57
Figura 29 – Esquemático Geral do Circuito . . . 60
Figura 30 – Diagrama de blocos do software de leitura da corrente. . . 61
Lista de tabelas
Tabela 1 – Características Técnicas da Ponte Retificadora VSIB 2580 . . . 30 Tabela 2 – Valores de Corrente de Entrada (Base dos Transistores de Potência) e
Saída relativos as variações do Potenciômetro. . . 46 Tabela 3 – Valores de Corrente de Saída e tensões na base do transistor 2N3055
relativos a variação no Duty Cycle do PWM. . . 47
Lista de abreviaturas e siglas
PWM Pulse Width Modulation
HCC Hepatocarcinoma
RF Rádio Frequência
SOFIA Software of Intensive Ablation
Nd:YAG Neodymium–Yttrium Aluminium Garnet TC Tomógrafo Computadorizado
US Ultrassom
ANSI American National Standard Institute VSIB Vishay Semiconductor Integrated Bridge LED Light Emitter Diode
SCR Silicon Controlled Rectifier PID Proportional Integral Differential RTE Resfriador Termo-Elétrico
CPU Central Processing Unit
LaB Laboratório de Engenharia Biomédica LAIS Dipositivo de Termoablação a Laser
Lista de símbolos
Ω Resistência Elétrica
F Farads
c Representação literal do número 10−2 m Representação literal do número 10−3 𝜇 Representação literal do número 10−6 K Representação literal do número 103
A Amperes
C1 Capacitor 1
C2 Capacitor 2
C3 Capacitor 3
R Resistor
R1 Resistor 1
R2 Resistor 2
R3 Resistor 3
+VE Tensão de alimentação dos coletores do amplificador
F1 Fusível 1
F2 Fusível 2
Reg Tensão de alimentação da regiao o regulador A𝑣 Ganho de tensão num amplificador
V𝑜 Tensão de saída do amplificador V𝑖 Tensão de entrada do amplificador V𝑐 Tensão sob a carga RL
V𝐵 Representação da tensão na base dos transistores
V𝐶 Representação da tensão no coletor dos coletores G𝑚 Transcondutância de um transistor
re Resistor degenerador de emissor A𝑖 Ganho de corrente
A𝑣 Ganho de Tensão
𝛽 Ganho o transistor
I𝐿 Corrente final sob a carga RL do amplificador emissor Comum
I𝐸1 Representação da corrente que transita pelo resistor do primeiro estágio do amplificador
I𝐸2 Representação da corrente que transita pelo resistor do segundo estágio do amplificador
E𝐸 𝑛 Representação da corrente que transita pelo enésimo estágio do ampli- ficador
Q1 Representação do primeiro transistor NPN Q2 Representação do segundo transistor NPN Q3 Representação do terceiro transistor NPN Q𝑁 Representação do enésimo transistor NPN
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . 19
1.1 Objetivos Gerais . . . 19
1.2 Objetivos Específicos . . . 19
1.3 Contextualização . . . 19
1.3.1 Resseção Cirúrgica e termoablação . . . 20
1.3.2 Termoablação via Rádio-Frequência . . . 21
1.3.3 Termoablação a laser . . . 21
1.4 Fundamentação Teórica . . . 22
1.4.1 Lasers e suas aplicações . . . 22
1.4.2 Estimulação e Amplificação no Laser . . . 22
1.4.2.1 Princípios de um laser . . . 22
1.4.2.2 Características dos Lasers. . . 23
1.4.2.3 Transistores e Topologias de amplificação . . . 24
1.4.2.4 Associação de amplificadores Coletor Comum. . . 25
2 METODOLOGIA . . . 27
2.1 Fonte de Alimentação . . . 29
2.2 Fonte de Corrente Ajustável . . . 30
2.3 Bloco de Segurança . . . 32
2.4 Circuito de Controle . . . 34
2.4.1 Temperatura . . . 34
2.4.1.1 Temperatura Interna do Equipamento . . . 34
2.4.2 Corrente Elétrica . . . 36
2.4.3 Potência . . . 36
2.4.4 Centro de Processamento e Controle . . . 37
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO . . . 39
3.1 Resultados Teóricos . . . 39
3.1.1 Bloco de Corrente Ajustável . . . 39
3.1.2 Bloco de Segurança. . . 41
3.1.3 Bloco de Controle . . . 42
3.1.4 Proposta de PCB Para o Bloco de Corrente Ajustável . . . 43
3.2 Resultados Práticos . . . 44
3.2.1 Bloco de Alimentação . . . 44
3.2.2 Bloco de Corrente Ajustável . . . 46
3.2.3 Bloco de Controle . . . 47
4 CONCLUSÃO . . . 49
REFERÊNCIAS . . . 51
ANEXOS 53
ANEXO A – CÓDIGO DE CONTROLE DO SINAL PWM E LEI- TURA DA CORRENTE DE SAÍDA . . . 55
ANEXO B – LAYOUT DA PCB PROPOSTA PARA O CIRCUITO DE CONTROLE DE CORRENTE AJUSTÁVEL. . . . 57
ANEXO C – ESQUEMÁTICO GERAL DO CIRCUITO . . . 59
ANEXO D – DIAGRAMA DE BLOCOS DO SOFTWARE DE LEI- TURA DA CORRENTE . . . 61
19
1 Introdução
1.1 Objetivos Gerais
O presente trabalho almeja propor um sistema eletrônico que comporá um dispo- sitivo de termoablação a laser para cirurgias minimamente invasivas de câncer de fígado.
Pretende-se nesse trabalho estabelecer e testar um circuito capaz de gerar o ganho de corrente necessário para o dispositivo, bem como seus dispositivos de segurança.
1.2 Objetivos Específicos
Para atingir os objetivos gerais, os seguintes objetivos específicos são propostos:
∙ Desenvolvimento de circuito eletrônico que atenda aos requisitos do laser, e às de- mandas da cirurgia.
∙ Desenvolvimento de software adequado para testes de controle em malha aberta da corrente do sistema.
∙ Testes de bancada do dispositivo.
1.3 Contextualização
O fígado é o maior órgão interno do corpo humano e está localizado na cavidade abdominal, protegido pelas costelas. Ele possui várias funções. dentre as quais destacam- se sua habilidade de catabolizar substâncias estranhas, como toxinas e álcool e também ajudar na metabolização de alguns nutrientes específicos para o corpo. Outra função imprescindível desse órgão é a secreção de bile no intestino, que ajuda na absorção de gordura pelo organismo.
Nesse contexto, cabe introduzir o câncer de fígado. Essa definição se refere ao conjunto de doenças caracterizadas pela reprodução descontrolada de células hepáticas, formando nódulos no órgão. É uma mazela que acomete mais homens do que mulheres, e a idade média da descoberta da doença gira em torno dos 63 anos de idade. No mundo morrem em torno de 600 mil pessoas, e no Brasil, em 2013, foram registradas 8772 mortes (CâNCER, 2013).
A forma primária de apresentação da doença se refere a canceres que são causa- dos localmente em células hepáticas. Essas células se reproduzem de forma descontrolada
20 Capítulo 1. Introdução
e acabam gerando nódulos em locais específicos. Alguns exemplos desse tipo de câncer são o Hepatocarcinoma (ou HCC),causado pela reprodução descontrolada dos hepató- citos, e o colangiocarcinoma, que é localizado nas vias biliares. Normalmente esses são muito agressivos, e a expectativa de vida do paciente é bastante reduzida depois da des- coberta.(D’LIPPOLITO; RIBEIRO, 2004)
A segunda apresentação do câncer – chamada Secundária ou metastática – se dá por células tumorais originárias de outras partes do corpo que acabam se alojando no fígado. Alguns dos tipos comuns de câncer que apresentam como sequelas nódulos no fígado são o carcinoma do Pulmão, colo-retal e de esôfago.(D’LIPPOLITO; RIBEIRO, 2004) (VOGL et al., 2006)
Os tratamentos do câncer de fígado convencionais consistem basicamente na ex- tirpação cirúrgica do tumor, por métodos como a hepatectomia - retirada de parte do pâncreas- e o transplante hepático. Mas esses procedimentos são muito invasivos, e até por conta do perfil do paciente (que pode ser considerado de risco), muitas vezes não se pode indicar tratamentos desse tipo por apresentarem riscos , e grande tempo de recupe- ração. Daí a necessidade de se estudar novas metodologias minimamente invasivas como a que baseia esse trabalho e que permite uma sobrevida maior e de melhor qualidade ao paciente.
1.3.1 Resseção Cirúrgica e termoablação
Segundo a literatura pesquisada, há de se avaliar a possibilidade de resseção ci- rúrgica do tumor, isto é, de uma intervenção para retirada total ou parcial do órgão ou da neoformação patológica. Existem diversas taxas de ressecabilidade para tumores, va- riando de acordo com o seu raio, disposição e localização nos órgãos. Para tumores ainda concentrados e de tamanho até 3 cm, há possibilidade de se aplicar métodos terapêuti- cos diferenciados e minimamente invasivos, dentre os quais se destaca a termoablação.
(D’LIPPOLITO; RIBEIRO, 2004)
Essa técnica necrosa os tecidos cancerosos a partir da deposição ou retirada de calor. A necrose ocorre entre 46 e 50 o C, sendo considerada um dano irreversível. Den- tre as técnicas utilizadas, se destacam a ablação via Radio Frequência (RF) e à Laser (VARGHESE et al.,2002). Ambas possuem por característica baixos níveis de complica- ções e pós operatórios mais rápidos, porém possuem detalhes que devem ser observados, tais como :
∙ A extensão das temperaturas as quais os tecidos são expostos, já que isso pode causar carbonização e vaporização com consequente perda de difusão de calor.
∙ Nem sempre é possível manter o mesmo padrão de necrose celular entre duas cirur-
1.3. Contextualização 21
gias distintas, pois o tempo de tratamento, a potência aplicada e as características momentâneas do órgão devem ser levadas em consideração (como a reflexividade para o método a laser e a condutividade para o método via RF)
∙ O fluxo sanguíneo no órgão é crucial para a difusão de calor. Quando mais sangue transitando, maior é a perda por difusão, o que diminui a eficácia do trabalho. Em alguns casos, a mudança do fluxo vascular do paciente torna-se necessária.
Um melhor estudo o procedimento da ressecção é algo crucial para o tratamento do câncer, uma vez que atualmente os métodos impactam de forma muito negativa a vida do paciente. Esse formato de intervenção cirúrgica permite a atenuação mais rápida dos danos, e é capaz de aumentar a sobrevida do paciente.
1.3.2 Termoablação via Rádio-Frequência
A metodologia via Radio Frequencia é uma técnica minimamente invasiva em franca expansão. A deposição de energia térmica vem da passagem de corrente elétrica nos eletrodos inseridos no paciente que causam uma fricção molecular sem estimular reação eletromuscular ou eletrólise. Na frequencia de atuação correta, é capaz de confinar a transmissão energética nos tecidos, sem produzir radiação excessiva, ocasionando a morte das células tumorais.(HAEMMERICH,2010) (ALMEIDA,2012) O procedimento envolve inicialmente, encontrar o tumor a ser tratado a partir de alguma técnica de imageamento médico, como a tomografia computadorizada. Logo depois, o médico cria uma estratégia para a inserção do eletrodo no local mais apropriado, levando em conta a movimentação do orgão devido a respiração e fatores diversos. Após inserido, o médico confirma novamente o local usando o método anterior de tomografia, e dá inicio ao tratamento. O tempo total envolvido para a ablação do tumor é relativo ao seu tamanho. Estima-se que 12 minutos de aplicação poderiam coagular uma zona relativa a 3.5 centímetros de diâmetro. Dispositivos desse tipo possuem valores elevados no mercado externo e estão sendo desenvolvidos no contexto nacional opções mais viáveis. O SOFIA(Software of Intensive Ablation) é um exemplo de alternativa, que foi desenvolvido pela Universidade de Brasília em parceria com o Ministério da Saúde, e engloba tanto hardware e eletrodos quanto software de controle voltados para o Sistema Único de Saúde (SUS).
1.3.3 Termoablação a laser
Essa termoablação se trata de estimular a necrose tumoral a partir da energia de- positada no tecido por conta de um LASER. Ela pode ser efetuada com o uso de diversos tipos, sendo os principais o neodymium–yttrium aluminium garnet (Nd:YAG) e o laser de diodo. A frequência da luz emitida está na faixa dos 900 aos 1064 nm, entregues por meio de uma fibra ótica de 400 mm especialmente construída para servir de difusor de
22 Capítulo 1. Introdução
luz (VOGL et al., 2006). O processo todo é sempre acompanhado de um instrumento de imagens médicas, como um Tomógrafo Computadorizado(TC) ou ultrassom(US). A potência atingida para coagulação pode variar entre 3 e 8,8W para sistemas sem resfria- mento e até 30 W nos que o possuem (D’LIPPOLITO; RIBEIRO, 2004). Como existem utilidades variadas para uso de lasers, como corte de tecidos, alguns equipamentos como o Medilas Fibertom 8100, da Dornier medTech, atingem potências maiores, de até 100 W (MEDTECH, 2016). Os tempos de tratamento variam entre 10 e 35 minutos, o que dá uma média de 19 minutos por lesão tratada. Esse tempo também é relativo, pois depende dos fatores de potencia aplicada, localização da lesão, irrigação e características óticas do tecido. Comparativamente, fazer o procedimento utilizando RF ou Laser indifere do ponto de vista da técnica utilizada. Ambas podem ser de via percutânea, e ambas utilizam cateteres especiais com elementos que ajudam na difusão do calor. No entanto, pode-se destacar que na ablação via RF, a condutividade do tecido é um fator chave, ao passo que na ablação via laser, são suas características óticas (como a reflexão da luz e a absorção de energia por parte do tecido) que prevalecem.
1.4 Fundamentação Teórica
1.4.1 Lasers e suas aplicações
Os Lasers, cuja sigla significaLight Amplification by Stimulated Emission of Radi- ation, são muito utilizados em diversas aplicações, que variam desde comunicação digital (por meio de fibras ópticas ) até cirurgias corretivas e cosméticas. Sua importância vem da capacidade de emitir fótons de forma organizada e com diferentes níveis energéticos, graças aos métodos de irradiação estimulada presentes no componente.
1.4.2 Estimulação e Amplificação no Laser
A ideia básica do componente óptico laser é estimular elétrons a emitir fótons num comprimeonto de onda bem definido. Mas devido ao método utilizado, que busca elétrons que emitam um tipo especifico de frequência, o feixe pode ser amplificado e assumir potências arbitrárias(sendo limitado fisicamente pelas dimensões do componente) (Figura 1).
1.4.2.1 Princípios de um laser
A emissão de um fóton ocorre sempre que um elétron transita de uma camada mais energética para uma de menor energia. O comprimento de onda do fóton emitido é definido a partir da camada de origem e a de destino. Dessa forma, a estratégia mais amplamente utilizada é a de reflexão de fótons dentro de uma zona fechada dentro do
1.4. Fundamentação Teórica 23
material, estimulando cada vez mais elétrons a fazer a mesma jornada (BRANDSEN, 2000).
Em alguns lasers, como os de Rubi, existem espelhos que refletem os fótons criados pela estimulação novamente para dentro da estrutura cristalina, o que ocasiona uma amplificação da quantidade de movimento entre-camadas de elétrons. Ao final, apenas a luz monocromática e em fase acaba escapando da reflexão, criando o feixe laser. Já num diodo, que é outra apresentação do dispositivo, ocorre uma entrada contínua de elétrons na cavidade de ressonância, região entre a junção P e N, onde há o mesmo efeito de reflexão e emissão da energia sobressalente(Figura 2).
Figura 1: Componentes do laser de Rubi. Fonte: (GEOLOGY.COM, 2016), com altera- ções.
Figura 2: Laser de Diodo. Fonte: (BRAGA, 2014)
1.4.2.2 Características dos Lasers
Os feixes de lasers são diferentes dos de uma lâmpada ou luz convencional pelos seguintes motivos (SIEGMAN,1989):
∙ São monocromáticos, o que significa que a sua distribuição de comprimentos de onda fica bem concentrada em torno de alguma frequência do espectro.
∙ São direcionais, ou seja, um feixe colimado de fótons que segue trajetória especifica ,não se espalhando pelo ambiente.
∙ A luz é Coerente , isto é, os fótons emitidos estão em fase e sincronizados.
24 Capítulo 1. Introdução
Quanto a sua potência de saída, pode-se de encontrar diversos formatos, dentre os quais 2 são bastante difundidos . São eles:
∙ Pulsado: O dispositivo só pode ser usado de forma pulsada, isto é, em pequenos pacotes de energia. A potência de saída dele não é estável durante todo o tempo.
∙ Contínuo: Laser com capacidade de funcionar ininterruptamente. A potência de saída é estável durante todo o percurso.
Os lasers também podem ser classificados confome o seu potencial de causar dano biológico. Segundo (ANSI, 2007), a classificação dos mesmos é a seguinte:
∙ Classe I. Laser que não emite radiação em níveis perigosos conhecidos
∙ Classe IA. Lasers de até 4mW, de uso comercial. Um exemplo dessa classe é o leitor de código de barras.
∙ Classe II. Lasers de até 1mW.
∙ Classe IIIA. Lasers entre 1 e 5 mW. Potência intermediária presente em boa parte das ponteiras lasers de apresentação.
∙ Classe IIIB. Laser entre 5mW e 500mW.
∙ Classe IV. Laser acima de 5 mW, com potencial de gerar fogo e danos à pele.
1.4.2.3 Transistores e Topologias de amplificação
Os transistores são dispositivos discretos de três terminais compostos por duas junções P-N interligadas e são muito utilizados em aplicações eletrônicas. Atuando prin- cipalmente como fontes de corrente reguladas por tensão, eles podem ser organizados em determinadas topologias que possuem diversas características associadas. Dentre elas, destaca-se a topologia Coletor Comum ou seguidor de emissor (Figura 3) , caracterizada por um ganho de tensão𝐴𝑣 = 1 na carga, conforme exposto próxima equação.
A análise desse tipo de amplificador se dá substituindo-o por um modelo equiva- lente T(SEDRA, 2004), em virtude do local da carga (emissor). Observa-se que a tensão 𝑉𝑐 em serie com a carga𝑅𝑠 serve apenas ao princípio de polarização do transistor, isto é, manter a tensão no coletor mais alta que a da base, e a desta mais alta que a do emissor (Figura 4). O ganho de tensão obtido na carga𝑅𝐿 é dado pela seguinte expressão:
𝐴𝑣 = 𝑉𝑉𝑜
𝑖 = (𝐺(𝐺𝑚.𝑟𝑒)
𝑚.𝑟𝑒+1) ≈1
Na prática, mesmo com ganho 1, a tensão no emissor sofre uma perda bem próxima de𝑉𝑖−0.7𝑉. Isso se dá por conta da junção base emissor polarizada diretamente e atuando como um diodo.
1.4. Fundamentação Teórica 25
Figura 3: Amplificador Coletor Comum
Analisando agora a corrente e o seu respectivo ganho, teremos o seguinte cenário:
𝐴𝑖 = 𝑖𝑖(𝑜𝑢𝑡)
(𝑖𝑛) =𝛽+ 1≈𝛽
De forma resumida, pode-se inferir que conforme a carga aumenta na saída, o circuito aumenta a sua corrente para tentar manter o seu ganho de tensão fixo e unitário.
Isso é uma característica interessante no design de drivers de laser, já que o dispositivo precisa operar a uma tensão fixa próxima a 2 V, variando apenas a sua corrente.
1.4.2.4 Associação de amplificadores Coletor Comum
A associação desse tipo de amplificador gera um circuito no qual as correntes de saída são somadas na carga, permitindo uma maior saída de corrente. . A conexão se dá de forma a ligar cada dispositivo em paralelo, unindo as bases, coletores e emissores. O resultado disso é que a corrente final que passa para a carga é a somatória da corrente de emissor de cada elemento.
De maneira análoga, temos que o ganho em conjunto será tambem a somatoria dos ganhos individuais de cada componente. Assim, assumindo que todos os transistores possuem características semelhantes, teremos
𝐼𝐿 =𝐼𝐸1+𝐼𝐸2+...+𝐼𝐸 𝑛 Onde 𝐼𝐸 𝑛 =𝑛.𝛽.𝐼𝐵
26 Capítulo 1. Introdução
Figura 4: Composição de amplificadores de topologia Coletor Comum. Observa-se que há uma soma das correntes de emissor de cada transistor.
27
2 Metodologia
Tendo em vista o projeto e desenvolvimento de um circuito controlador (condutor, tradução livre da palavra em inglês driver) de um laser de diodo, deve-se ter em mente dois macro aspectos fundamentais: desempenho e proteção do circuito. No que se diz respeito ao primeiro, os objetivos específicos são: a magnitude da corrente fornecida, efici- ência, estabilidade, conformidade de tensões presentes no circuito, restrições com relação a conexões de entrada e saída e cumprimento de requisitos de potência devem ser ana- lisados. De maneira similar, para proteção do circuito são objetivos específicos: proteção contra variações apresentadas pela fonte de alimentação (ripples), respostas impróprias ao controle do dispositivo e também proteção contra terminações abertas e/ou conexões intermitentes, com o intuito de prevenir estragos em componentes do circuito, bem como eventos nocivos a saúde humana.
Em linhas gerais, um circuito controlador de laser de diodo poderia ser considerado como simplesmente uma fonte corrente contínua como saída para o mesmo, no entanto, características dinâmicas LI (do inglês Light-output-current dynamics characteristics) de alta sensibilidade, como, por exemplo: o aumento na potência de consumo do laser, para uma mesma quantidade de corrente fornecida, em função do aumento de temperatura, fazem com que o circuito não seja de trivial implementação prática. Outro aspecto crítico, a corrente de limiar (do inglêsthreshold current, valor de corrente no qual o laser de diodo começa a funcionar) possui um valor muito próximo ao valor de corrente máxima, a faixa de diferença entre os valores é de aproximadamente 10%-20% do valor da corrente de limiar (VOGL et al., 2006).
A partir da análise de (STORE,2016) (AHRAR et al.,2010) e averiguação de (CO., 2009) são delimitados aspectos técnicos desejáveis para este projeto. Então, verificou-se que a potência aplicada sobre o tecido cancerígeno deve estar entre 10W e 20W, afim de se obter o menor tempo possível de aplicação do laser (diminuindo-se o depósito de energia no paciente e consequentemente efeitos colaterais pós-operatórios). Para a faixa de potência averiguada, o laser diodo possui uma corrente de operação aproximadamente igual a 8 A e temperatura ótima de operação entre 15oC e 30oC (AHRAR et al., 2010). Com o objetivo de se realizar intervenções minimamente invasivas no paciente optou-se pelo uso de um laser com fibra óptica acoplada com diâmetro externo igual a 440 micrômetros.
Dessa maneira, com a explanação de alguns aspectos gerais deste trabalho, propõe-se a implementação do seguinte diagrama de blocos geral para o circuito de controle do laser de diodo para termo ablação, como pode-se observar na Figura 5.
A fim de estruturar e gerar fluidez ao processo, o controlador foi subdividido em
28 Capítulo 2. metodologia
Figura 5: Diagrama de Blocos de Desenvolvimento. Fonte: (ELECTRONICS, 2016) com modificações.
blocos de desenvolvimento, estes são:
∙ Alimentação do circuito
∙ Fonte de corrente ajustável;
∙ Circuito de controle;
∙ Alimentação do circuito;
∙ Proteção do circuito (delimitação dos parâmetros do circuito, proteção contra carga estática e transiente, isolamento do circuito do mundo externo);
∙ Resfriamento adequado do equipamento.
Neste projeto, inicialmente, é proposto o desenvolvimento das partes relativas ao bloco de alimentação, fonte de corrente ajustável, controle e leitura de corrente na carga na saída do circuito (simulação do laser de diodo) aplicando-se controle e processamento através do microcontrolador, bem como análise e implementação de alguns circuitos rela- tivos ao bloco de segurança do projeto.
2.1. Fonte de Alimentação 29
2.1 Fonte de Alimentação
Na entrada desse circuito utiliza-se um transformador que suporta uma corrente de até 20A, parâmetro de projeto averiguado para satisfazer em largo as características elétricas de funcionamento dos lasers de diodo com potência suficiente para realização da termoablação, inicialmente neste projeto o desenvolvimento se baseia em um laser de diodo de operação em 8W. O valor da tensão no terminal secundário (saída) do trans- formador não é crítico para este projeto devido o fato de os componentes eletrônicos utilizados (componentes de potência) suportarem valores maiores do que os das tensões fornecidas por transformadores comerciais. Para a retificação completa do sinal alternado de alimentação é implementada uma ponte retificadora, o componente utilizado é o VSIB 2580 (Figura 7) que apresenta características compatíveis com os parâmetros deste projeto (Tabela 1) (SEMICONDUCTOR, 2011).
Figura 6: Esquemático Fonte de Alimentação.
Figura 7: Ponte Retificadora. Fonte: (SEMICONDUCTOR, 2011), com modificações.
30 Capítulo 2. metodologia
Características Gerais da Ponte Retificadora VSIB 2580
Corrente Máxima de Polarização Direta 25A
Pico Máximo de Tensão Reversa 800 V
Pico Máximo de Corrente em Polarização Direta 350 A
Máxima Corrente DC Reversa 10𝜇𝐴
Tensão de Polarização Direta 1 V
Temperatura de Operação 150C
Tabela 1: Características Técnicas da Ponte Retificadora VSIB 2580
O capacitor C1 é utilizado para o tratamento de variações no sinal de alimentação (ripples) que podem trazer mal funcionamento para o circuito, bem como o capacitor C3 é utilizado como um capacitor de desacoplamento1protegendo o circuito contra trepidações do sinal. São utilizados LEDs genéricos para a sinalização da alimentação do equipamento e resistores em série para a limitação de corrente nos mesmos. Existem ainda outros componentes de proteção neste circuito, são os fusíveis (designados pela letra “F”) que limitam a quantidade de corrente que é percorrido no circuito, cortando o fluxo de corrente quando um valor máximo é atingido de acordo com as características dos componentes do projeto, bem como os resistores R1 e R2 que da mesma maneira atuam limitando a corrente e também como um filtro passa-baixas em associação ao capacitor C3. Uma vez que a alimentação é devidamente estabelecida os blocos de segurança e controle podem ser alimentados, como descrito nas próximas seções deste trabalho.
2.2 Fonte de Corrente Ajustável
Primeiramente, a fim de se realizar menor período possível de aplicação do la- ser utiliza-se potências de saída do laser entre 10W a 20W o que acarreta uma corrente mínima igual a 10A (VOGL et al., 2011) (Focuslight, 2009). Para essas características elétricas da fonte de corrente ajustável, para o caso da confecção de placas de circuito impresso, são necessárias trilhas de 10 milímetros de largura para que se comporte com segurança correntes elétricas pouco maiores que 10A, placas de circuito impresso aumen- tam a confiabilidade e durabilidade do circuito de maneira geral.
Neste circuito, utiliza-se um regulador de tensão de 5 Volts de três terminais (do tipo LM7805, com encapsulamento que facilita o acoplamento de um dissipador de calor) associado-se a quantos seguidores de emissores sejam necessários para a quantidade de corrente desejada (a configuração inicial se dá para uma fonte de corrente de até 10 A).
1 Em um circuito DC o capacitor se comporta como circuito aberto (o que não provoca curtos-circuitos), o mesmo carrega até atingir o mesmo valor da tensão positiva sobre ele, sendo assim quando exitem pequenas quedas da alimentação do circuito o capacitor sofre pequenas descargas afim de manter a carga naquele nó constante. Sendo assim, existe uma suavização do sinal de alimentação, ou seja, decrescem as trepidações advinda do sinal da fonte de alimentação.
2.2. Fonte de Corrente Ajustável 31
Figura 8: Fonte de Corrente Ajustável.
O seguidor de emissor, ou coletor comum, é uma topologia de circuito amplificador clássico que apresenta uma impedância de entrada muito maior que a impedância de saída, levando a uma quantidade menor de potência gasta por uma fonte de sinal para uma mesma quantidade de carga se fosse usada diretamente. Este circuito possui ganho de corrente sem apresentar ganho de tensão, o que se traduz em ganho de potência, apresentando uma pequena queda de tensão inerente ao componente utilizado que não apresenta desvantagem relevante ao projeto (HOROWITZ; HILL, 2015). Neste caso, é utilizado o transistor bipolar NPN de potência, propõe-se utilizar o modelo 2N3055 pela alta disponibilidade no mercado e por atender os parâmetros do projeto.
Figura 9: Transistor NPN, demonstração do modelo de topologia seguidor-emissor. Fonte:
(HOROWITZ; HILL, 2015) com modificações.
Sendo assim, o transistor Q1 (modelo BC559, apresenta conformidade com as
32 Capítulo 2. metodologia
características do projeto, é do tipo PNP e é configurado como um coletor comum (ganho de tensão unitário). O potenciômetro VR1 (associado ao transistor Q1) ajusta a tensão de saída do regulador, o ajuste dessa tensão de saída permite a calibragem do circuito de acordo com as necessidades de operação do mesmo.
De maneira resumida, os capacitores C3, C4, C5, C6, C7 e C8 são utilizados para filtrar o sinal diminuindo as trepidações do mesmo desacoplando ruídos de alta frequência (é comum utilizar-se valores diferentes de capacitores, uma vez que alguns valores serão melhores que outros para filtragem de frequências de ruídos diferentes) e outra aplicação é de que os mesmos trabalhem como capacitoresby-pass2fornecendo pequenas quantidades de carga para pequenas quedas na fonte de alimentação, além de conterem variações abruptas de tensão.
2.3 Bloco de Segurança
O primeiro dos aspectos é a eletricidade estática, essa que, teoricamente, pode estar presente em qualquer tipo de material e se origina majoritariamente da interação humana com os objetos e pode ser crítica para componentes sensíveis. A fim de prevenir que este fenômeno ocorra deve-se utilizar uma carcaça metálica utilizando-a como blin- dagem e conexão de descarga elétrica (ponto de “terra”) para estas cargas eletrostáticas (ABNT, 2004). A utilização de uma carcaça metálica também previne o circuito contra interferências eletromagnéticas externas uma vez que a carcaça metálica conduz as ondas eletromagnéticas construindo um isolamento magnético a partir do princípio da gaiola de Faraday (WILSON, 2011), juntamente do uso capacitores de desacoplamento que tam- bém permitem a passagem dessas cargas prevenindo que cargas eletrostáticas entrem em contato com partes sensíveis do circuito.
Um segundo ponto é a proposta a aplicação de um circuito do tipo Crowbar, o esquemático pode ser observado a partir da Figura 10. Este circuito permite a proteção contra sobretensões que poderiam danificar todo o equipamento. De acordo com (STAN- DLER,2002), o circuito Crowbar é ativado quando a tensão advinda da fonte de alimen- tação é maior que a tensão delimitada pelo diodo zener, o que permite uma passagem de corrente pelo resistor R2 (que também funciona como um resistor do tipo pull-down assegurando que o terminal do tiristor esteja em potencial igual a zero), criando uma tensão sobre o terminal gate do tiristor (S1, do tipo SCR) que é ativado e se comporta então como um curto-circuito e permite a passagem de toda a corrente, impedindo a passagem pelo circuito que seria alimentado. Como mencionado anteriormente, fusíveis são utilizados como um complemento fundamental para esse tipo de proteção do circuito.
Os valores dos fusíveis escolhidos dizem respeito as correntes máximas suportadas pe-
2 O mesmo que capacitor de desacoplamento
2.3. Bloco de Segurança 33
los componentes do circuito, basicamente os fusíveis se comportam como circuito aberto para quantidades excessivas de correntes elétricas que danificariam o circuito (neste caso o fusível deve ser substituído), para correntes elétricas toleradas os fusíveis se comportam como um curto-circuito.
Figura 10: Esquemático Circuito Crowbar, proteção contra sobretensões.
O terceiro ponto a ser explorado é o de proteção contra corrente de pico muito alta no momento em que o equipamento é ligado, para proteger o equipamento deste tipo de evento utiliza-se um tipo de circuito chamado de soft-start (Figura 11)3. Alguns com- ponentes como ponte retificadora, transformador, fusíveis e capacitores são diretamente afetados por picos muito altos de corrente elétrica. O circuito desoft-starté implementado para prevenir que o(s) transformadore(s) da fonte drenem uma quantidade de corrente muito alta o que ocasionaria em um impacto crítico para o funcionamento e vida útil do equipamento e da rede elétrica a ele conectada. Neste circuito, primeiramente, o intuito é de que uma quantidade limitada de corrente seja alcançada por um tempo limitado (até atingir a estabilidade no fluxo magnético). Após ter-se passado o intervalo de tempo deter- minado a corrente elétrica flui sem restrições, de acordo com a necessidade de alimentação do circuito. De maneira geral, este circuito é conectado entre as linhas de alimentação da fonte e o circuito, e existe uma chave do tipo relay com temporizador, durante o período programado de restrição da corrente a mesma atravessa uma serie de série de resistores de potência, após o tempo de limitação a corrente atravessa o relay que agora se comporta como um curto-circuito
3 Este circuito não deve ser confundido com o equipamento tradicionalmente utilizado para instalações elétricas, que é vastamente comercializado. O circuito proposto com este nome neste trabalho propõe o mesmo princípio de funcionamento, no entanto, é um circuito eletrônico proposto especificamente para este trabalho.
34 Capítulo 2. metodologia
Figura 11: Esquemático Circuito de Soft-Start.
2.4 Circuito de Controle
Neste etapa de desenvolvimento as três principais variáveis de controle são: po- tência, corrente e temperatura, é de máxima importância o controle com alta resolução e estabilidade levando a confiabilidade e segurança do projeto. Os parâmetros tratados são controlados direta e indiretamente pelo usuário, o que justifica a necessidade em estabili- dade e precisão. Os controles devem apresentar manuseio facilitado além de uma interface simplificada e clara.
2.4.1 Temperatura
2.4.1.1 Temperatura Interna do Equipamento
O motivo do controle de temperatura do hardwareé para que se mantenha dentro da faixa tolerada e estabilizada, uma vez que lasers, de maneira geral, são altamente sensíveis a flutuações de temperatura, desta maneira evitando diminuição da eficiência do equipamento e deterioração precoce dos componentes do circuito.
Para a leitura da temperatura (interna do equipamento) implementa-se um sensor de temperatura do tipo LM335, este componente possui compatibilidade elétrica com o microcontrolador a ser utilizado, principalmente, suporta uma faixa de temperatura adequada para o projeto (INSTRUMENTS, 2009).
Após a proposta da leitura da temperatura segue a proposta de controle da mesma, que se trata da aplicação de um sistema PID (Proportional-Integral-Differential) utili-
2.4. Circuito de Controle 35
Figura 12: Sensor de Temperatura de Precisão LM335.
Figura 13: Esquemático Sensor de Temperatura LM335 conectado ao microcontrolador Arduino Uno
zando um resfriador termo-elétrico (RTE). O controlador PID será implementado via software(por diminuir o volume físico do equipamento e maior simplicidade de implemen- tação quando comparado com a abordagem via hardware), posteriormente neste trabalho a análise do código de programação para leitura, controle e tratamento dos dados será explorado. O atuador utilizado para o controle de temperatura é denominado módulo de Peltier, é baseado no efeito Peltier (uma diferença de temperatura é criada pela aplicação de uma tensão em dois eletrodos conectados a um material semicondutor, os eletrodos são tipicamente feitos de um excelente material condutor, onde uma tensão sobre os mesmos força uma passagem de corrente sobre o material semicondutor o que gera um transporte de energia na direção do movimento carga, esfriando ou esquentando as superfícies do módulo), essa solução utiliza relativa alta tensão e baixa corrente. O controle do módulo
36 Capítulo 2. metodologia
de Peltier se dá apenas pela aplicação de tensão nos terminais de alimentação do mesmo.
2.4.2 Corrente Elétrica
Para o controle da corrente, primeiramente, propõe-se a verificação do valor da mesma entregue ao laser de diodo na saída do controlador, o módulo ACS712 (Figura 15) é utilizado e se trata de um sensor de corrente, desenvolvido para ser compatível com o microcontrolador utilizado. O módulo ASC712 suporta uma faixa de valores de corrente elétrica de -30 a 30 Ampères, apresenta fator de escala com resolução satisfató- ria para as delimitações do projeto, cerca de 66mV por Ampère. Este sensor é baseado no efeito Hall (Figura 14), este efeito se trata da geração de uma tensão em um condu- tor elétrico(chamada de tensão de Hall, tipicamente na ordem de micro Volts) quando uma corrente elétrica atravessa um campo magnético perpendicular a mesma, é impor- tante ressaltar que a tensão elétrica gerada também é transversal a corrente. O elemento Hall (uma fina camada condutora da corrente, geralmente feito de cobre) é posicionado perpendicularmente a um campo magnético (como mencionado anteriormente), devido a presença das forças de Lorentz4 a distribuição de cargas não é uniforme levando a uma diferença de potencial (que é proporcional aos valores do campo magnético e corrente elétrica presentes) nos terminais do material condutor.
Figura 14: Ilustração do Efeito Hall. (WORLD, 2014) com modificações.
2.4.3 Potência
Para a obtenção da potência, a proposta para este projeto é o de utilizar-se a tensão obtida a partir do termopar (a qual, a princípio, não é afetada pela temperatura ambiente sendo que a tensão está relacionada somente a diferença de temperatura das junções dos diferentes materiais na estrutura no interior da mesma) e a corrente elétrica observada para alimentação do laser de diodo, relacionando essas duas grandezas através
4 interação advinda do campo elétrico ou magnético sobre uma carga
2.4. Circuito de Controle 37
Figura 15: Módulo ACS712. Fonte: (STORE, 2016)
Figura 16: Esquemático módulo ACS712
da relação básica do produto entre as mesmas obtendo-se então a potência de saída do laser no processo de termoablação.
2.4.4 Centro de Processamento e Controle
Todo o processamento e controle do circuito é realizado através do microcontrola- dor ATmega328P, a experimentação se dá através da placa de desenvolvimento Arduino.
Este microcontrolador é uma plataforma de prototipagem e desenvolvimento do tipoopen- source (ou seja, o código-fonte é de domínio público, com licença livre para design e expe- rimentação) que apresenta a razão social no incentivar e facilitar a geração e o crescimento tecnológico, foi criado no Ivrea Interaction Design Institute, na Itália, inicialmente para alunos sem histórico de conhecimento em eletrônica ou programação (ARDUINO, 2016).
No que se diz respeito a escolha deste microcontrolador, suas funcionalidades (lei- tura e controle de sinais externos adquiridos por sensores) atendem de maneira satisfatória
38 Capítulo 2. metodologia
as exigências do projeto. Para a implementação neste projeto, é importante que o pro- cessamento se dê em tempo real, sem atrasos por qualquer execução ou pausa interna no CPU, o que faz do Arduíno vantajoso nesse aspecto uma vez que o mesmo não apresenta sistema operacional,firmwareou interpretador (o código de programação é compilado em linguagem de máquina e então é executado no Arduíno), o código desenvolvido é o único presente na memória do microcontrolador, levando a pronta resposta (ARDUINO, 2016).
Figura 17: Microcontrolador ATmega328P, placa de desenvolvimento Arduino.
O Arduino possui pinos de entrada analógica (modulação de pulso com resolução de 10 bits), portas de saída digital ( uma parte destas com modulação de pulso com reso- lução de 8-bits), além de outras características técnicas que propicia ao uso do mesmo com sensores de variados modelos. Desta maneira, para cada aplicação nos blocos de desenvol- vimento deste projeto são explorados nos respectivos circuitos os designs de esquemáticos, códigos de programação e componentes utilizados.
39
3 Resultados e Discussão
Neste capítulo serão apresentados os resultados teóricos e práticos acerca de parte do circuito explorado neste trabalho. Sendo assim, primeiramente, para as simulações foi utilizada a plataforma online CircuitLab, apresentando modelos de componentes eletrôni- cos necessários, eficiente simulação com alta acurácia, o que apropriado para o andamento do projeto. Além do mais, toda a experimentação prática foi realizada no laboratório de Engenharia Biomédica (LaB) da Universidade de Brasília. Posteriormente, serão apresen- tadas as discussões relacionadas as limitações eletrônicas e de execução até esta etapa de desenvolvimento.
3.1 Resultados Teóricos
Para a experimentação teórica, inicialmente, selecionou-se para a análise alguns dos blocos que compõe o dispositivo: o bloco de corrente ajustável, circuito Crowbar e controle por PWM.
3.1.1 Bloco de Corrente Ajustável
Para a simulação desta etapa, ainda considerou-se o controle do sinal de entrada na base dos transistores de potência NPN (modelo 2N3055) por meio de potenciômetro. O potenciômetro utilizado apresenta o valor de 1KΩ, para este valor de resistência variável averiguou-se uma variação de 1,2 Volts na base dos transistores (saída do regulador de tensão), esta faixa de variação de tensão propicía um controle (da corrente de saída) com resolução adequada de acordo com os testes realizados.
Como justificativa para a implementação da carga (resistor R9) com valor igual a 4Ω, pode-se salientar que foi pretendido simular a carga real na saída do circuito (laser de diodo com consumo ótimo em 8W, para testes inciais) de tal forma que para o controle realizado se obteve valores de corrente e tensão que resultassem em uma faixa de potência próxima a desejada. A faixa de potências obtidas para esta carga variam de 6.1472 W a 9,4494 W, para a mínima (5,640 Volts) e para máxima (6,847 Volts) tensões aplicadas nas bases dos transistores em paralelo, respectivamente. Desta forma, pode-se inferir que na presença de uma carga com consumo de potência, aproximadamente, constante de 8 Watts este bloco do circuito apresentaria a capacidade de atender as necessidades das variações de tensão e corrente sobre essa carga para um ajuste de potência desejável.
O transistor PNP modelo BC560 utilizado para simulação é equivalente ao mo- delo BC559 utilizado durante a experimentação prática. Para este transistor, também é
40 Capítulo 3. Resultados e Discussão
utilizada a topologia coletor comum, no entanto com a finalidade de alterar a tensão de referência do regulador de tensão utilizado, aumentando-se o nível da tensão de referên- cia de aproximadamente 641 mV para 1,895 Volts, sendo que está variação é a mesma variação apresentada na saída do regulador de tensão. Basicamente, a queda de tensão sobre o potenciômetro é a tensão na base do transistor PNP, resultando em uma tensão no pino emissor deste componente igual a tensão na base somada a uma tensão próxima a 0,7V (que se trata de uma diferença de tensão inerente a junção emissor-base deste tipo de componente).
Tendo em vista que não se fez possível o teste com o laser de diodo propriamente dito, optou-se por utilizar um regulador de tensão do tipo LM7805, com o porquê de se trabalhar com menores valores absolutos de corrente elétrica, no entanto se necessário e desejável valores de corrente maior, pode-se utilizar reguladores de tensão com saída de tensão maior como os componentes LM7812 ou LM317, ou outros componentes que apresentem a mesma funcionalidade. A partir de todos os parâmetros de projeto anteri- ormente descritos, pôde-se observar nesta simulação o êxito na amplificação da corrente elétrica. Para a simulação utilizou-se 4 transistores de potência do tipo NPN modelo 2N3055, configurados na topologia coletor comum (ou seguidor emissor), averiguando-se o comportamento de tensão e corrente dos mesmos constatou-se que:
Figura 18: Primeira Parte do Esquemático do circuito de corrente ajustável (com poten- ciômetro) simulado em análise teórica
∙ A tensão apresentada no emissor de cada dos transistores NPN são próximas da tensão aplicada na base, a variação existente (como descrito anteriormente) se dá
3.1. Resultados Teóricos 41
Figura 19: Segunda Parte do Esquemático do circuito de corrente ajustável (com poten- ciômetro) simulado em análise teórica
devido a diferença de potencial inerente a junção base-emissor deste tipo de com- ponente eletrônico;
∙ O ganho de corrente apresentado é de aproximadamente 68 vezes, para cada um dos transistores, para o modelo analisado 2N3055;
∙ A queda de tensão é irrelevante quando comparada ao alto ganho de corrente, então pode-se afirmar que existe ganho de potência elétrica;
Dessa forma o somatório das correntes elétricas de cada transistor NPN 2N3055 acontece na junção dos emissores de cada um dos mesmos, alimentando então a carga do circuito.
3.1.2 Bloco de Segurança
De maneira geral, o circuito denominado comoCrowbar é utilizado como proteção contra sobre tensões que poderiam danificar parcialmente ou totalmente o circuito, então, é apresentada uma simulação afim de explicitar o comportamento do circuito referido.
Como um dos parâmetros de projeto optou-se por uma alimentação de tensão continua igual a 18 Volts, essa tensão retificada em onda completa é aplicada a entrada do regulador de tensão e da mesma maneira aos coletores dos transistores NPN utilizados para amplificação da corrente. Assim, aplica-se um diodo zener que não é polarizado
42 Capítulo 3. Resultados e Discussão
diretamente para tensões em seu cátodo com valores abaixo ou iguais a 18V (podem ser implementados modelos como 1N5221B e 1N5263B, por exemplo), para tensões maiores que 18V é habilitada a passagem de corrente sobre o zener, gerando uma tensão sobre o resistor implementado ao nodo do mesmo, com esta tensão gerada, o pino gate do tiristor é habilitado resultando na passagem da corrente da fonte através do tiristor, prevenindo que o resto do circuito seja danificado por sobre-corrente elétrica.
Figura 20: Acionamento do Tiristor SCR para tensões acima de 18 Volts. A linha laranja representa a tensão sobre o resistor ligado aogate do tiristor, enquanto a linha azul representa a variação de tensão na fonte de alimentação.
Figura 21: Acionamento do Tiristor SCR para tensões acima de 18 Volts. A linha azul representa o comportamente da passagem de corrente sobre o tiristor afim de proteger o circuito.
3.1.3 Bloco de Controle
Uma das aplicações do bloco de controle é o controle de potência (através da vari- ação de tensão e corrente) por PWM (do inglêsPulse Width Modulation). Como descrito anteriormente, a técnica de controle por PWM é utilizada em diversas aplicações para o controle de potência de dispositivos eletrônicos. Neste projeto a variação de tensão antes provocada pelo potenciômetro na base do transistor PNP modelo BC559, responsável por alterar a tensão de referência do regulador de tensão, pode ser implementada por um microcontrolador utilizando-se o PWM (Figura 23).
3.1. Resultados Teóricos 43
A implementação do PWM através do microcontrolador permite a integração do mesmo ao controle PID proposto, o que de fato é objetivado como desenvolvimento final.
De acordo com as figuras A SEGUIR pode-se observar o comportamento da corrente de saída do circuito, tensão na saída do regulador e sinal PWM na base do transistor BC559, assim, fica apresentada a possibilidade de controle da potência (corrente e tensão) sobre a carga (laser de diodo).
Figura 22: Circuito de Simulação do sinal PWM. O Nó D é conectado a base do transistor PNP BC559
3.1.4 Proposta de PCB Para o Bloco de Corrente Ajustável
Para esta etapa inicial não foi possível a confecção de placa de circuito impresso.
No entanto uma proposta é apresentada neste trabalho, um desenvolvimento do que seria a placa de circuito impresso relativo a fonte de corrente ajustável. A mesma foi desenvolvida através dosoftware Labcenter Electronics Proteus, as placas podem ser observadas a partir das figuras 25 e 26.
É importante ressaltar que, para as conexões onde a corrente elétrica é amplificada as trilhas devem possuir uma largura maior, para este design em específico a camada superior foi desenvolvida para ser toda a conexão relativa aos coletores dos componentes
44 Capítulo 3. Resultados e Discussão
Figura 23: Simulação do Controle PWM, demonstração dos valores para o sinal ativado.
(a) No primeiro quadro: tensão na saída do regulador (azul), tensão sobre o emissor do 2N3055(laranja), sinal PWM de controle (marrom).(b) No segundo quadro: corrente na saída do circuito.
2N3055, de modo que a camada inferior da placa foi escolhida para ser o plano de “terra”
de todo o circuito. Nesta última aplicação alguns efeitos não desejados como, por exemplo:
ground loops1 , Crosstalk2 e indutância de terra3, são evitados facilmente.
3.2 Resultados Práticos
Agora são apresentados os resultados que dizem respeito a realização de experi- mentações práticas em laboratório.
3.2.1 Bloco de Alimentação
Para a montagem do circuito de alimentação, as conexões foram realizadas com fios de 2,5 mm de diâmetro, distinguindo-se os os terminais positivo e negativo pelas colorações vermelha e preto, respectivamente. Este bloco consiste basicamente de um transformador (implementou-se um componente que suporta uma corrente elétrica de
1 Interferência eletromagnética gerada a partir da passagem de corrente por múltiplas conexões para o terra do circuito.
2 Interferência entre trilhas.
3 Perda de sinal devido a trilhas longas (por causa de maior interferência.), quanto maior a trilha maior a indutância parasita.
3.2. Resultados Práticos 45
Figura 24: Simulação do Controle PWM, demonstração para dos valores para o sinal desativado. (a) No primeiro quadro: tensão na saída do regulador (azul), tensão sobre o emissor do 2N3055 (laranja), sinal PWM de controle (marrom).(b) No segundo quadro: corrente na saída do circuito.
Figura 25: Vista frontal da PCB proposta para Fonte de Corrente Ajustável.
até 20A, diminuindo-se a tensão alternada da rede de 220 Volts para 18 Volts), ponte retificadora (modelo descrito anteriormente) e um banco de 4 capacitores em paralelo entre os terminais positivo e negativo da saída do circuito de alimentação (cada capacitor apresenta uma capacitância de 10000 𝜇F). Dada a sensibilidade dos lasers de diodo, o valor total para o banco de capacitores (40000 𝜇F) se justifica por causa do valor elevado de corrente elétrica que atravessa o circuito uma vez que os valores das trepidações no sinal de alimentação (ripples) são proporcionais aos sinais de alimentação (quanto maior o valor do sinal de alimentação, maior o ripple), apesar dos testes terem sido realizados com valores menores de corrente do que é esperado em aplicações finais do dispositivo.
46 Capítulo 3. Resultados e Discussão
Figura 26: Vista da parte de baixo da PCB proposta para Fonte de Corrente Ajustável.
3.2.2 Bloco de Corrente Ajustável
Para esta seção, no teste em bancada, implementou-se apenas um transistor 2N3055.
O objetivo principal desta etapa foi o de demonstrar o ganho de corrente da topologia utilizada, coletor comum. Sendo assim:
∙ pôde-se constatar um ganho de corrente prático de 66,20, o que é condizente com os valores obtidos em simulação e observados em datasheet.
No que diz respeito ao teste de controle utilizando-se um potenciômetro de 1KΩ, verificou-se um comportamento adequado das correntes de saída e entrada observadas para os diferentes valores de resistência no potenciômetro.
Resistência[Ω] Corrente de Saída[A] Corrente de Entrada[mA]
1k 0,830 13,06
500 0,920 14,53
0 1,091 16,48
Tabela 2: Valores de Corrente de Entrada (Base dos Transistores de Potência) e Saída relativos as variações do Potenciômetro.
Para o controle do sinal na base dos transistores NPN 2N3055 utilizando-se o transistor PNP BC559, observa-se um comportamento descrito como:
∙ Para que um transistor PNP conduza um das condições de configuração é que a tensão no emissor seja maior que a tensão na base, dessa maneira, para a configu- ração do potenciômetro em resistência máxima (1KΩ) o componente BC559 está inoperante, de modo que a única tensão observada no pino de tensão de referência do regulador de tensão é a tensão inerente a junção base-emissor (aproximadamente 0,7 Volts) desse tipo de componente;
3.2. Resultados Práticos 47
∙ A medida que o valor de resistência do potenciômetro é diminuída o transistor passa a conduzir (quando a tensão do resistor passa a ser menor que a tensão base- emissor), configurado como um coletor comum, a tensão no emissor é igual a da base do mesmo acrescida da tensão de aproximadamente 0,7 Volts;
∙ Mudando-se a tensão de referência do regulador de tensão, a tensão no pino de saída no mesmo também é mudada o que resulta numa saída de corrente ligeiramente maior para a base dos transistores NPN 2N3055 conectados a este pino, o que já se percebe variações suficientemente relevantes de corrente no pino emissor dos transistores NPN 2N3055.
3.2.3 Bloco de Controle
Tendo em vista que neste trabalho se faz o desenvolvimento inicial do projeto, para o bloco de controle foram realizadas duas etapas fundamentais: a variação de corrente na saída do circuito de corrente ajustável por PWM (dispensando-se o uso de potenciômetro) e leitura de corrente através do módulo ACS712, ambos realizados utilizando-se a placa de desenvolvimento Arduino.
É indispensável mencionar que para esta etapa a carga na saída do circuito uti- lizada foi de 40Ω e também utilizou-se um transistor NPN 2N3055, apesar de serem apresentados valores absolutos de corrente elétrica na saída menores que os anteriores (por causa do valor mais elevado da carga) os resultados apresentados são válidos.
Dessa forma, aplicou-se um sinal PWM na base do transistor BC559 (mesmo pino onde anteriormente se conectava o pino central do potenciômetro), realizando-se as medições através da porta serial do Arduino, pôde-se observar os valores esperados de corrente de saída.
Duty Cycle[%] Corrente de Emissor[mA] Tensão na base [V]
0 137.78 7,5
20 138.66 7,6
40 140 7,7
80 155.68 9,2
100 174 10,96
Tabela 3: Valores de Corrente de Saída e tensões na base do transistor 2N3055 relativos a variação no Duty Cycle do PWM.
De acordo com os dados obtidos pode ser inferido que:
∙ Quanto maior oDuty Cycle4maior a tensão na saída da regulador (por consequência
4 Porcentagem de um período (pré-determinado) em que um sinal está ativo.
48 Capítulo 3. Resultados e Discussão
maior a corrente na saída do regulador ) e então maior a corrente de saída no emissor do transistor de potência;
Logo, pode-se afirmar o fato de que o controle de corrente sobre a carga na saída da fonte pode ser realizado por PWM.
O código fonte relativo ao controle por PWM e leitura da corrente se encontra como anexo a este documento.
