Universidade de Brasília - UnBFaculdade UnB Gama - FGA

Engenharia Eletrônica

Título: CONSTRUÇÃO EDIMENSIONAMENTO DE UM DRIVER DE

LASER DE DIODO PARA TERMOABLAÇÃO -LAIS

Autor: Pedro Gonçalves Inazawa, Guilherme dos AnjosGuimarães

Orientador: Profa Dra Suélia de Siqueira Rodrigues Fleury Rosa

Brasília, DF2016

Pedro Gonçalves Inazawa, Guilherme dos Anjos Guimarães

Título: CONSTRUÇÃO E DIMENSIONAMENTO DEUM DRIVER DE LASER DE DIODO PARA

TERMOABLAÇÃO - LAIS

Monografia submetida ao curso de graduaçãoem (Engenharia Eletrônica) da Universidadede Brasília, como requisito parcial para ob-tenção do Título de Bacharel em (EngenhariaEletrônica).

Universidade de Brasília - UnB

Faculdade UnB Gama - FGA

Orientador: Profa Dra Suélia de Siqueira Rodrigues Fleury Rosa

Brasília, DF2016

Pedro Gonçalves Inazawa, Guilherme dos Anjos GuimarãesTítulo: CONSTRUÇÃO E DIMENSIONAMENTO DE UM DRIVER DE LA-

SER DE DIODO PARA TERMOABLAÇÃO - LAIS/ Pedro Gonçalves Inazawa,Guilherme dos Anjos Guimarães. – Brasília, DF, 2016-

61 p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Orientador: Profa Dra Suélia de Siqueira Rodrigues Fleury Rosa

Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade de Brasília - UnBFaculdade 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 DELASER DE DIODO PARA TERMOABLAÇÃO - LAIS

CDU 02:141:005.6

Pedro Gonçalves Inazawa, Guilherme dos Anjos Guimarães

Título: CONSTRUÇÃO E DIMENSIONAMENTO DEUM DRIVER DE LASER DE DIODO PARA

TERMOABLAÇÃO - LAIS

Monografia submetida ao curso de graduaçãoem (Engenharia Eletrônica) da Universidadede Brasília, como requisito parcial para ob-tenção do Título de Bacharel em (EngenhariaEletrônica).

Trabalho aprovado. Brasília, DF, 29 de junho de 2016:

Profa Dra Suélia de SiqueiraRodrigues Fleury Rosa

Orientador

Eng. Gilvandson Costa CavalcanteConvidado 1

Enga. Marina Pinheiro MarquesConvidado 2

Eng. Ronei Delfino da FonsecaConvidado 3

Brasília, DF2016

ResumoIntrodução: O câncer de fígado é uma doença que acomete cerca de 600 mil pessoas porano. A doença possui duas formas de apresentação e o tratamento convencional a essamazela envolve o procedimento da Hepatectomia, que é a retirada de partes do fígado pormeio 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 termoablaçãoa laser surge como opção minimamente invasiva ao tratamento anterior. Esta é umatécnica com tempo de recuperação pequeno se comparado aos métodos tradicionais e éuma opção àqueles que possuem tumores de até 3 cm de diâmetro, centralizados sobreo órgão. Objetivos: O presente texto busca propor e testar em bancada o hardware deum dispositivo de termoablação à laser, dimensionando as variáveis físicas envolvidas noprocesso. Metodologia: O sistema foi dividido em 6 módulos específicos (alimentação,fonte de corrente ajustável, circuito de controle, proteção do circuito, resfriamento), euma 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 decorrente, ambos intimamente relacionados ao tempo de sobrevida do laser. Resultadose Discussão: O circuito teórico que foi submetido a simulações apresentou faixas desaídas de potência da ordem de 6 a 9 W, com ganho de corrente da ordem de 68 vezes emcada transistor conectado ao amplificador coletor Comum. Em bancada o resultado foisemelhante, obtendo ganho aproximado de 66 vezes. Devido a problemas externos paraa obtenção dos diodos laser, neste trabalho o componente foi substituído por uma cargaresistiva. O controle via PWM (Pulse Width Modulation) também foi validado, obtendo-seuma variação linear de potência de saída e corrente de entrada no dispositivo. Conclusão:A topologia apresentada representa uma escolha válida para a aplicação proposta, umavez que cumpre com os requisitos mínimos do laser e permite o controle dos parâmetrosdesejados. Em trabalhos futuros, espera-se substituir a carga resistiva utilizada por umlaser, para uma análise mais detalhada.

Palavras-chaves: termoablação, laser, câncer de fígado.

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AbstractIntroduction: The liver cancer is a disease that occurs in around 600 thousand peopleeach 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 partialHepatectomy, that consists of surgicals partial removals of the liver. Moreover, anotherdrawback for this kind of treatment is that it becomes impracticable for long periods, oncethat there is a high ratio of this disease recurrence. Therefore, the laser thermal ablationtechnique emerges as a minimal invasive method (compared to the previous mentionedtechnique). Although, the laser thermal ablation requires from the patient short periods ofpost-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 aimsto develop and validate, in details, the hardware and control interface for a laser thermalablation device, scaling the physical parameters involved in the process. Methodology:For this section, the main words are safety and device performance. Hence, the systemwas broken-down into six parts, that are: Power Supply Block, Adjustable Current SourceBlock, 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 focuson the adjustable current block and the control system, once that both are highly relatedto 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 presenteda reasonable power range, the simulations also presented an expected individual transistorgain 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 aplausible circuit choice for the proposed application, once that it corresponds the systemrequirements 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), comalterações. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Figura 2 – Laser de Diodo. Fonte: (BRAGA, 2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Figura 3 – Amplificador Coletor Comum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Figura 4 – Composição de amplificadores de topologia Coletor Comum. Observa-

se que há uma soma das correntes de emissor de cada transistor. . . . . 26Figura 5 – Diagrama de Blocos de Desenvolvimento. Fonte: (ELECTRONICS,

2016) com modificações. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Figura 6 – Esquemático Fonte de Alimentação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 7 – Ponte Retificadora. Fonte: (SEMICONDUCTOR, 2011), com modifi-

cações. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 8 – Fonte de Corrente Ajustável. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 9 – Transistor NPN, demonstração do modelo de topologia seguidor-emissor.

Fonte: (HOROWITZ; HILL, 2015) com modificações. . . . . . . . . . . 31Figura 10 – Esquemático Circuito Crowbar, proteção contra sobretensões. . . . . . 33Figura 11 – Esquemático Circuito de Soft-Start. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 12 – Sensor de Temperatura de Precisão LM335. . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 13 – Esquemático Sensor de Temperatura LM335 conectado ao microcon-

trolador Arduino Uno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 14 – Ilustração do Efeito Hall. (WORLD, 2014) com modificações. . . . . . 36Figura 15 – Módulo ACS712. Fonte: (STORE, 2016) . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Figura 16 – Esquemático módulo ACS712 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Figura 17 – Microcontrolador ATmega328P, placa de desenvolvimento Arduino. . . 38Figura 18 – Primeira Parte do Esquemático do circuito de corrente ajustável (com

potenciômetro) simulado em análise teórica . . . . . . . . . . . . . . . 40Figura 19 – Segunda Parte do Esquemático do circuito de corrente ajustável (com

potenciômetro) simulado em análise teórica . . . . . . . . . . . . . . . 41Figura 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 otiristor afim de proteger o circuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Figura 22 – Circuito de Simulação do sinal PWM. O Nó D é conectado a base dotransistor PNP BC559 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figura 23 – Simulação do Controle PWM, demonstração dos valores para o sinalativado. (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 osinal desativado. (a) No primeiro quadro: tensão na saída do regula-dor (azul), tensão sobre o emissor do 2N3055 (laranja), sinal PWM decontrole (marrom).(b) No segundo quadro: corrente na saída do circuito. 45

Figura 25 – Vista frontal da PCB proposta para Fonte de Corrente Ajustável. . . . 45Figura 26 – Vista da parte de baixo da PCB proposta para Fonte de Corrente

Ajustável. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Figura 27 – Layout da camada superior da placa de circuito impresso. . . . . . . . 57Figura 28 – Layout da camada inferior da placa de circuito impresso. . . . . . . . . 57Figura 29 – Esquemático Geral do Circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Figura 30 – Diagrama de blocos do software de leitura da corrente. . . . . . . . . . 61

Lista de tabelas

Tabela 1 – Características Técnicas da Ponte Retificadora VSIB 2580 . . . . . . . 30Tabela 2 – Valores de Corrente de Entrada (Base dos Transistores de Potência) e

Saída relativos as variações do Potenciômetro. . . . . . . . . . . . . . . 46Tabela 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 estágiodo amplificador

I𝐸2 Representação da corrente que transita pelo resistor do segundo estágiodo amplificador

E𝐸𝑛 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.1 Objetivos Gerais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.3 Contextualização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.3.1 Resseção Cirúrgica e termoablação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.3.2 Termoablação via Rádio-Frequência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.3.3 Termoablação a laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211.4 Fundamentação Teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.4.1 Lasers e suas aplicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.4.2 Estimulação e Amplificação no Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.4.2.1 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.1 Fonte de Alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2 Fonte de Corrente Ajustável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.3 Bloco de Segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4 Circuito de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.4.1 Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.4.1.1 Temperatura Interna do Equipamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4.2 Corrente Elétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.4.3 Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.4.4 Centro de Processamento e Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1 Resultados Teóricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1.1 Bloco de Corrente Ajustável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.1.2 Bloco de Segurança . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1.3 Bloco de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.1.4 Proposta de PCB Para o Bloco de Corrente Ajustável . . . . . . . . . . . . 433.2 Resultados Práticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.2.1 Bloco de Alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.2.2 Bloco de Corrente Ajustável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.2.3 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 CIRCUITODE 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 GeraisO 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 decorrente necessário para o dispositivo, bem como seus dispositivos de segurança.

1.2 Objetivos EspecíficosPara 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 dacorrente do sistema.

∙ Testes de bancada do dispositivo.

1.3 ContextualizaçãoO 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 tambémajudar na metabolização de alguns nutrientes específicos para o corpo. Outra funçãoimprescindível desse órgão é a secreção de bile no intestino, que ajuda na absorção degordura pelo organismo.

Nesse contexto, cabe introduzir o câncer de fígado. Essa definição se refere aoconjunto 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 mundomorrem 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 câncersão o Hepatocarcinoma (ou HCC),causado pela reprodução descontrolada dos hepató-citos, e o colangiocarcinoma, que é localizado nas vias biliares. Normalmente esses sãomuito 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 dápor células tumorais originárias de outras partes do corpo que acabam se alojando nofígado. Alguns dos tipos comuns de câncer que apresentam como sequelas nódulos nofígado 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 dopâncreas- e o transplante hepático. Mas esses procedimentos são muito invasivos, e atépor conta do perfil do paciente (que pode ser considerado de risco), muitas vezes não sepode indicar tratamentos desse tipo por apresentarem riscos , e grande tempo de recupe-ração. Daí a necessidade de se estudar novas metodologias minimamente invasivas comoa que baseia esse trabalho e que permite uma sobrevida maior e de melhor qualidade aopaciente.

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 ouda neoformação patológica. Existem diversas taxas de ressecabilidade para tumores, va-riando de acordo com o seu raio, disposição e localização nos órgãos. Para tumores aindaconcentrados 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 decalor. 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 podecausar 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 característicasmomentâneas do órgão devem ser levadas em consideração (como a reflexividadepara 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 sanguetransitando, maior é a perda por difusão, o que diminui a eficácia do trabalho. Emalguns casos, a mudança do fluxo vascular do paciente torna-se necessária.

Um melhor estudo o procedimento da ressecção é algo crucial para o tratamentodo câncer, uma vez que atualmente os métodos impactam de forma muito negativa a vidado paciente. Esse formato de intervenção cirúrgica permite a atenuação mais rápida dosdanos, 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 emfranca expansão. A deposição de energia térmica vem da passagem de corrente elétrica noseletrodos inseridos no paciente que causam uma fricção molecular sem estimular reaçãoeletromuscular ou eletrólise. Na frequencia de atuação correta, é capaz de confinar atransmissão energética nos tecidos, sem produzir radiação excessiva, ocasionando a mortedas células tumorais.(HAEMMERICH, 2010) (ALMEIDA, 2012) O procedimento envolveinicialmente, encontrar o tumor a ser tratado a partir de alguma técnica de imageamentomédico, como a tomografia computadorizada. Logo depois, o médico cria uma estratégiapara a inserção do eletrodo no local mais apropriado, levando em conta a movimentação doorgão devido a respiração e fatores diversos. Após inserido, o médico confirma novamenteo local usando o método anterior de tomografia, e dá inicio ao tratamento. O tempo totalenvolvido para a ablação do tumor é relativo ao seu tamanho. Estima-se que 12 minutos deaplicação poderiam coagular uma zona relativa a 3.5 centímetros de diâmetro. Dispositivosdesse tipo possuem valores elevados no mercado externo e estão sendo desenvolvidos nocontexto nacional opções mais viáveis. O SOFIA(Software of Intensive Ablation) é umexemplo de alternativa, que foi desenvolvido pela Universidade de Brasília em parceriacom o Ministério da Saúde, e engloba tanto hardware e eletrodos quanto software decontrole 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 diversostipos, sendo os principais o neodymium–yttrium aluminium garnet (Nd:YAG) e o laserde diodo. A frequência da luz emitida está na faixa dos 900 aos 1064 nm, entregues pormeio 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 instrumentode imagens médicas, como um Tomógrafo Computadorizado(TC) ou ultrassom(US). Apotência 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 existemutilidades variadas para uso de lasers, como corte de tecidos, alguns equipamentos comoo 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 dáuma média de 19 minutos por lesão tratada. Esse tempo também é relativo, pois dependedos fatores de potencia aplicada, localização da lesão, irrigação e características óticasdo tecido. Comparativamente, fazer o procedimento utilizando RF ou Laser indifere doponto de vista da técnica utilizada. Ambas podem ser de via percutânea, e ambas utilizamcateteres especiais com elementos que ajudam na difusão do calor. No entanto, pode-sedestacar que na ablação via RF, a condutividade do tecido é um fator chave, ao passo quena ablação via laser, são suas características óticas (como a reflexão da luz e a absorçãode energia por parte do tecido) que prevalecem.

1.4 Fundamentação Teórica

1.4.1 Lasers e suas aplicações

Os Lasers, cuja sigla significa Light 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 vemda 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 numcomprimeonto de onda bem definido. Mas devido ao método utilizado, que busca elétronsque emitam um tipo especifico de frequência, o feixe pode ser amplificado e assumirpotências arbitrárias(sendo limitado fisicamente pelas dimensões do componente) (Figura1).

1.4.2.1 Princípios de um laser

A emissão de um fóton ocorre sempre que um elétron transita de uma camadamais energética para uma de menor energia. O comprimento de onda do fóton emitidoé definido a partir da camada de origem e a de destino. Dessa forma, a estratégia maisamplamente 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 criadospela estimulação novamente para dentro da estrutura cristalina, o que ocasiona umaamplificação da quantidade de movimento entre-camadas de elétrons. Ao final, apenas aluz monocromática e em fase acaba escapando da reflexão, criando o feixe laser. Já numdiodo, que é outra apresentação do dispositivo, ocorre uma entrada contínua de elétronsna cavidade de ressonância, região entre a junção P e N, onde há o mesmo efeito dereflexão 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 pelosseguintes motivos (SIEGMAN, 1989):

∙ São monocromáticos, o que significa que a sua distribuição de comprimentos de ondafica 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 osquais 2 são bastante difundidos . São eles:

∙ Pulsado: O dispositivo só pode ser usado de forma pulsada, isto é, em pequenospacotes de energia. A potência de saída dele não é estável durante todo o tempo.

∙ Contínuo: Laser com capacidade de funcionar ininterruptamente. A potência desaída é estável durante todo o percurso.

Os lasers também podem ser classificados confome o seu potencial de causar danobiológico. 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 leitorde código de barras.

∙ Classe II. Lasers de até 1mW.

∙ Classe IIIA. Lasers entre 1 e 5 mW. Potência intermediária presente em boa partedas 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 duasjunções P-N interligadas e são muito utilizados em aplicações eletrônicas. Atuando prin-cipalmente como fontes de corrente reguladas por tensão, eles podem ser organizadosem determinadas topologias que possuem diversas características associadas. Dentre elas,destaca-se a topologia Coletor Comum ou seguidor de emissor (Figura 3) , caracterizadapor um ganho de tensão 𝐴𝑣 = 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 tensão𝑉𝑐 em serie com a carga 𝑅𝑠 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 carga 𝑅𝐿 é dado pela seguinte expressão:

𝐴𝑣 = 𝑉𝑜

𝑉𝑖= (𝐺𝑚.𝑟𝑒)

(𝐺𝑚.𝑟𝑒+1) ≈ 1

Na prática, mesmo com ganho 1, a tensão no emissor sofre uma perda bem próximade 𝑉𝑖−0.7𝑉 . Isso se dá por conta da junção base emissor polarizada diretamente e atuandocomo 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 = 𝑖(𝑜𝑢𝑡)𝑖(𝑖𝑛) = 𝛽 + 1 ≈ 𝛽

De forma resumida, pode-se inferir que conforme a carga aumenta na saída, ocircuito 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 dispositivoprecisa 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 desaída são somadas na carga, permitindo uma maior saída de corrente. . A conexão se dáde forma a ligar cada dispositivo em paralelo, unindo as bases, coletores e emissores. Oresultado disso é que a corrente final que passa para a carga é a somatória da corrente deemissor de cada elemento.

De maneira análoga, temos que o ganho em conjunto será tambem a somatoriados ganhos individuais de cada componente. Assim, assumindo que todos os transistorespossuem características semelhantes, teremos

𝐼𝐿 = 𝐼𝐸1 + 𝐼𝐸2 + ... + 𝐼𝐸𝑛 Onde 𝐼𝐸𝑛 = 𝑛.𝛽.𝐼𝐵

26 Capítulo 1. Introdução

Figura 4: Composição de amplificadores de topologia Coletor Comum. Observa-se que háuma 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 mentedois macro aspectos fundamentais: desempenho e proteção do circuito. No que se dizrespeito ao primeiro, os objetivos específicos são: a magnitude da corrente fornecida, efici-ência, estabilidade, conformidade de tensões presentes no circuito, restrições com relaçãoa 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: proteçãocontra variações apresentadas pela fonte de alimentação (ripples), respostas imprópriasao controle do dispositivo e também proteção contra terminações abertas e/ou conexõesintermitentes, com o intuito de prevenir estragos em componentes do circuito, bem comoeventos nocivos a saúde humana.

Em linhas gerais, um circuito controlador de laser de diodo poderia ser consideradocomo simplesmente uma fonte corrente contínua como saída para o mesmo, no entanto,características dinâmicas LI (do inglês Light-output-current dynamics characteristics) dealta sensibilidade, como, por exemplo: o aumento na potência de consumo do laser, parauma 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 inglês threshold current, valor de corrente no qual o laser de diodocomeça a funcionar) possui um valor muito próximo ao valor de corrente máxima, a faixade diferença entre os valores é de aproximadamente 10%-20% do valor da corrente delimiar (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-seque a potência aplicada sobre o tecido cancerígeno deve estar entre 10W e 20W, afim de seobter o menor tempo possível de aplicação do laser (diminuindo-se o depósito de energia nopaciente e consequentemente efeitos colaterais pós-operatórios). Para a faixa de potênciaaveriguada, o laser diodo possui uma corrente de operação aproximadamente igual a 8A e temperatura ótima de operação entre 15oC e 30oC (AHRAR et al., 2010). Com oobjetivo de se realizar intervenções minimamente invasivas no paciente optou-se pelo usode 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 aimplementação do seguinte diagrama de blocos geral para o circuito de controle do laserde 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) commodificações.

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 cargaestática e transiente, isolamento do circuito do mundo externo);

∙ Resfriamento adequado do equipamento.

Neste projeto, inicialmente, é proposto o desenvolvimento das partes relativas aobloco de alimentação, fonte de corrente ajustável, controle e leitura de corrente na cargana saída do circuito (simulação do laser de diodo) aplicando-se controle e processamentoatravés 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 AlimentaçãoNa entrada desse circuito utiliza-se um transformador que suporta uma corrente

de até 20A, parâmetro de projeto averiguado para satisfazer em largo as característicaselétricas de funcionamento dos lasers de diodo com potência suficiente para realizaçãoda termoablação, inicialmente neste projeto o desenvolvimento se baseia em um laser dediodo 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 eletrônicosutilizados (componentes de potência) suportarem valores maiores do que os das tensõesfornecidas por transformadores comerciais. Para a retificação completa do sinal alternadode alimentação é implementada uma ponte retificadora, o componente utilizado é o VSIB2580 (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 2580Corrente Máxima de Polarização Direta 25A

Pico Máximo de Tensão Reversa 800 VPico Máximo de Corrente em Polarização Direta 350 A

Máxima Corrente DC Reversa 10 𝜇𝐴Tensão 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 éutilizado como um capacitor de desacoplamento1 protegendo o circuito contra trepidaçõesdo sinal. São utilizados LEDs genéricos para a sinalização da alimentação do equipamentoe resistores em série para a limitação de corrente nos mesmos. Existem ainda outroscomponentes de proteção neste circuito, são os fusíveis (designados pela letra “F”) quelimitam a quantidade de corrente que é percorrido no circuito, cortando o fluxo de correntequando um valor máximo é atingido de acordo com as características dos componentesdo projeto, bem como os resistores R1 e R2 que da mesma maneira atuam limitando acorrente e também como um filtro passa-baixas em associação ao capacitor C3. Uma vezque a alimentação é devidamente estabelecida os blocos de segurança e controle podemser 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 correntemínima igual a 10A (VOGL et al., 2011) (Focuslight, 2009). Para essas característicaselétricas da fonte de corrente ajustável, para o caso da confecção de placas de circuitoimpresso, são necessárias trilhas de 10 milímetros de largura para que se comporte comsegurança 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 (dotipo LM7805, com encapsulamento que facilita o acoplamento de um dissipador de calor)associado-se a quantos seguidores de emissores sejam necessários para a quantidade decorrente 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 exitempequenas quedas da alimentação do circuito o capacitor sofre pequenas descargas afim de manter acarga 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 amplificadorclássico que apresenta uma impedância de entrada muito maior que a impedância desaída, levando a uma quantidade menor de potência gasta por uma fonte de sinal parauma mesma quantidade de carga se fosse usada diretamente. Este circuito possui ganhode 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 nãoapresenta desvantagem relevante ao projeto (HOROWITZ; HILL, 2015). Neste caso, éutilizado o transistor bipolar NPN de potência, propõe-se utilizar o modelo 2N3055 pelaalta 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 (ganhode tensão unitário). O potenciômetro VR1 (associado ao transistor Q1) ajusta a tensãode saída do regulador, o ajuste dessa tensão de saída permite a calibragem do circuito deacordo com as necessidades de operação do mesmo.

De maneira resumida, os capacitores C3, C4, C5, C6, C7 e C8 são utilizados parafiltrar 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 serãomelhores que outros para filtragem de frequências de ruídos diferentes) e outra aplicação éde que os mesmos trabalhem como capacitores by-pass2fornecendo pequenas quantidadesde carga para pequenas quedas na fonte de alimentação, além de conterem variaçõesabruptas de tensão.

2.3 Bloco de Segurança

O primeiro dos aspectos é a eletricidade estática, essa que, teoricamente, podeestar presente em qualquer tipo de material e se origina majoritariamente da interaçãohumana com os objetos e pode ser crítica para componentes sensíveis. A fim de prevenirque 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 contrainterferências eletromagnéticas externas uma vez que a carcaça metálica conduz as ondaseletromagnéticas construindo um isolamento magnético a partir do princípio da gaiola deFaraday (WILSON, 2011), juntamente do uso capacitores de desacoplamento que tam-bém permitem a passagem dessas cargas prevenindo que cargas eletrostáticas entrem emcontato com partes sensíveis do circuito.

Um segundo ponto é a proposta a aplicação de um circuito do tipo Crowbar, oesquemático pode ser observado a partir da Figura 10. Este circuito permite a proteçãocontra 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 passagemde corrente pelo resistor R2 (que também funciona como um resistor do tipo pull-downassegurando que o terminal do tiristor esteja em potencial igual a zero), criando umatensão sobre o terminal gate do tiristor (S1, do tipo SCR) que é ativado e se comportaentão como um curto-circuito e permite a passagem de toda a corrente, impedindo apassagem pelo circuito que seria alimentado. Como mencionado anteriormente, fusíveissão 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 abertopara quantidades excessivas de correntes elétricas que danificariam o circuito (neste casoo fusível deve ser substituído), para correntes elétricas toleradas os fusíveis se comportamcomo 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 muitoalta no momento em que o equipamento é ligado, para proteger o equipamento deste tipode 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 diretamenteafetados por picos muito altos de corrente elétrica. O circuito de soft-start é implementadopara prevenir que o(s) transformadore(s) da fonte drenem uma quantidade de correntemuito alta o que ocasionaria em um impacto crítico para o funcionamento e vida útil doequipamento e da rede elétrica a ele conectada. Neste circuito, primeiramente, o intuito éde que uma quantidade limitada de corrente seja alcançada por um tempo limitado (atéatingir 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 alimentaçãodo circuito. De maneira geral, este circuito é conectado entre as linhas de alimentação dafonte e o circuito, e existe uma chave do tipo relay com temporizador, durante o períodoprogramado de restrição da corrente a mesma atravessa uma serie de série de resistores depotência, após o tempo de limitação a corrente atravessa o relay que agora se comportacomo um curto-circuito

3 Este circuito não deve ser confundido com o equipamento tradicionalmente utilizado para instalaçõeselétricas, que é vastamente comercializado. O circuito proposto com este nome neste trabalho propõeo mesmo princípio de funcionamento, no entanto, é um circuito eletrônico proposto especificamentepara 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 eestabilidade levando a confiabilidade e segurança do projeto. Os parâmetros tratados sãocontrolados direta e indiretamente pelo usuário, o que justifica a necessidade em estabili-dade e precisão. Os controles devem apresentar manuseio facilitado além de uma interfacesimplificada e clara.

2.4.1 Temperatura

2.4.1.1 Temperatura Interna do Equipamento

O motivo do controle de temperatura do hardware é para que se mantenha dentroda faixa tolerada e estabilizada, uma vez que lasers, de maneira geral, são altamentesensíveis a flutuações de temperatura, desta maneira evitando diminuição da eficiência doequipamento e deterioração precoce dos componentes do circuito.

Para a leitura da temperatura (interna do equipamento) implementa-se um sensorde temperatura do tipo LM335, este componente possui compatibilidade elétrica como microcontrolador a ser utilizado, principalmente, suporta uma faixa de temperaturaadequada 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 microcontroladorArduino Uno

zando um resfriador termo-elétrico (RTE). O controlador PID será implementado viasoftware (por diminuir o volume físico do equipamento e maior simplicidade de implemen-tação quando comparado com a abordagem via hardware), posteriormente neste trabalhoa análise do código de programação para leitura, controle e tratamento dos dados seráexplorado. O atuador utilizado para o controle de temperatura é denominado módulo dePeltier, é baseado no efeito Peltier (uma diferença de temperatura é criada pela aplicaçãode uma tensão em dois eletrodos conectados a um material semicondutor, os eletrodos sãotipicamente feitos de um excelente material condutor, onde uma tensão sobre os mesmosforça uma passagem de corrente sobre o material semicondutor o que gera um transportede energia na direção do movimento carga, esfriando ou esquentando as superfícies domódulo), 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 damesma entregue ao laser de diodo na saída do controlador, o módulo ACS712 (Figura15) é utilizado e se trata de um sensor de corrente, desenvolvido para ser compatívelcom o microcontrolador utilizado. O módulo ASC712 suporta uma faixa de valores decorrente 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 baseadono 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) quandouma corrente elétrica atravessa um campo magnético perpendicular a mesma, é impor-tante ressaltar que a tensão elétrica gerada também é transversal a corrente. O elementoHall (uma fina camada condutora da corrente, geralmente feito de cobre) é posicionadoperpendicularmente a um campo magnético (como mencionado anteriormente), devido apresença das forças de Lorentz4 a distribuição de cargas não é uniforme levando a umadiferença de potencial (que é proporcional aos valores do campo magnético e correnteelétrica 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 atensão obtida a partir do termopar (a qual, a princípio, não é afetada pela temperaturaambiente sendo que a tensão está relacionada somente a diferença de temperatura dasjunções dos diferentes materiais na estrutura no interior da mesma) e a corrente elétricaobservada para alimentação do laser de diodo, relacionando essas duas grandezas através4 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 dolaser 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 tipo open-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 crescimentotecnológico, foi criado no Ivrea Interaction Design Institute, na Itália, inicialmente paraalunos 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 noCPU, o que faz do Arduíno vantajoso nesse aspecto uma vez que o mesmo não apresentasistema operacional, firmware ou interpretador (o código de programação é compilado emlinguagem de máquina e então é executado no Arduíno), o código desenvolvido é o únicopresente 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 resoluçãode 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 comsensores 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 partedo circuito explorado neste trabalho. Sendo assim, primeiramente, para as simulações foiutilizada a plataforma online CircuitLab, apresentando modelos de componentes eletrôni-cos necessários, eficiente simulação com alta acurácia, o que apropriado para o andamentodo projeto. Além do mais, toda a experimentação prática foi realizada no laboratório deEngenharia Biomédica (LaB) da Universidade de Brasília. Posteriormente, serão apresen-tadas as discussões relacionadas as limitações eletrônicas e de execução até esta etapa dedesenvolvimento.

3.1 Resultados Teóricos

Para a experimentação teórica, inicialmente, selecionou-se para a análise algunsdos blocos que compõe o dispositivo: o bloco de corrente ajustável, circuito Crowbar econtrole por PWM.

3.1.1 Bloco de Corrente Ajustável

Para a simulação desta etapa, ainda considerou-se o controle do sinal de entradana base dos transistores de potência NPN (modelo 2N3055) por meio de potenciômetro. Opotenciômetro utilizado apresenta o valor de 1KΩ, para este valor de resistência variávelaveriguou-se uma variação de 1,2 Volts na base dos transistores (saída do regulador detensão), esta faixa de variação de tensão propicía um controle (da corrente de saída) comresolução adequada de acordo com os testes realizados.

Como justificativa para a implementação da carga (resistor R9) com valor igual a4Ω, pode-se salientar que foi pretendido simular a carga real na saída do circuito (laser dediodo com consumo ótimo em 8W, para testes inciais) de tal forma que para o controlerealizado se obteve valores de corrente e tensão que resultassem em uma faixa de potênciapróxima a desejada. A faixa de potências obtidas para esta carga variam de 6.1472 W a9,4494 W, para a mínima (5,640 Volts) e para máxima (6,847 Volts) tensões aplicadasnas bases dos transistores em paralelo, respectivamente. Desta forma, pode-se inferir quena presença de uma carga com consumo de potência, aproximadamente, constante de 8Watts este bloco do circuito apresentaria a capacidade de atender as necessidades dasvariações 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 dereferência 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 mesmavariação apresentada na saída do regulador de tensão. Basicamente, a queda de tensãosobre o potenciômetro é a tensão na base do transistor PNP, resultando em uma tensãono pino emissor deste componente igual a tensão na base somada a uma tensão próximaa 0,7V (que se trata de uma diferença de tensão inerente a junção emissor-base deste tipode componente).

Tendo em vista que não se fez possível o teste com o laser de diodo propriamentedito, optou-se por utilizar um regulador de tensão do tipo LM7805, com o porquê de setrabalhar com menores valores absolutos de corrente elétrica, no entanto se necessárioe desejável valores de corrente maior, pode-se utilizar reguladores de tensão com saídade tensão maior como os componentes LM7812 ou LM317, ou outros componentes queapresentem a mesma funcionalidade. A partir de todos os parâmetros de projeto anteri-ormente descritos, pôde-se observar nesta simulação o êxito na amplificação da correnteelétrica. Para a simulação utilizou-se 4 transistores de potência do tipo NPN modelo2N3055, configurados na topologia coletor comum (ou seguidor emissor), averiguando-seo 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 datensão 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 dostransistores, para o modelo analisado 2N3055;

∙ A queda de tensão é irrelevante quando comparada ao alto ganho de corrente, entãopode-se afirmar que existe ganho de potência elétrica;

Dessa forma o somatório das correntes elétricas de cada transistor NPN 2N3055acontece na junção dos emissores de cada um dos mesmos, alimentando então a carga docircuito.

3.1.2 Bloco de Segurança

De maneira geral, o circuito denominado como Crowbar é utilizado como proteçãocontra 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 tensãocontinua igual a 18 Volts, essa tensão retificada em onda completa é aplicada a entradado regulador de tensão e da mesma maneira aos coletores dos transistores NPN utilizadospara 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 serimplementados modelos como 1N5221B e 1N5263B, por exemplo), para tensões maioresque 18V é habilitada a passagem de corrente sobre o zener, gerando uma tensão sobre oresistor implementado ao nodo do mesmo, com esta tensão gerada, o pino gate do tiristoré habilitado resultando na passagem da corrente da fonte através do tiristor, prevenindoque o resto do circuito seja danificado por sobre-corrente elétrica.

Figura 20: Acionamento do Tiristor SCR para tensões acima de 18 Volts. A linha laranjarepresenta a tensão sobre o resistor ligado ao gate do tiristor, enquanto a linhaazul representa a variação de tensão na fonte de alimentação.

Figura 21: Acionamento do Tiristor SCR para tensões acima de 18 Volts. A linha azulrepresenta o comportamente da passagem de corrente sobre o tiristor afim deproteger 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 inglês Pulse Width Modulation). Como descritoanteriormente, a técnica de controle por PWM é utilizada em diversas aplicações para ocontrole de potência de dispositivos eletrônicos. Neste projeto a variação de tensão antesprovocada pelo potenciômetro na base do transistor PNP modelo BC559, responsável poralterar a tensão de referência do regulador de tensão, pode ser implementada por ummicrocontrolador utilizando-se o PWM (Figura 23).

3.1. Resultados Teóricos 43

A implementação do PWM através do microcontrolador permite a integração domesmo 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 desaída 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) sobrea carga (laser de diodo).

Figura 22: Circuito de Simulação do sinal PWM. O Nó D é conectado a base do transistorPNP 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 aplaca de circuito impresso relativo a fonte de corrente ajustável. A mesma foi desenvolvidaatravés do software Labcenter Electronics Proteus, as placas podem ser observadas a partirdas figuras 25 e 26.

É importante ressaltar que, para as conexões onde a corrente elétrica é amplificadaas trilhas devem possuir uma largura maior, para este design em específico a camadasuperior 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 oemissor do 2N3055(laranja), sinal PWM de controle (marrom).(b) No segundoquadro: 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 PráticosAgora 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 comfios de 2,5 mm de diâmetro, distinguindo-se os os terminais positivo e negativo pelascolorações vermelha e preto, respectivamente. Este bloco consiste basicamente de umtransformador (implementou-se um componente que suporta uma corrente elétrica de1 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 sinaldesativado. (a) No primeiro quadro: tensão na saída do regulador (azul), tensãosobre o emissor do 2N3055 (laranja), sinal PWM de controle (marrom).(b) Nosegundo 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), ponteretificadora (modelo descrito anteriormente) e um banco de 4 capacitores em paraleloentre os terminais positivo e negativo da saída do circuito de alimentação (cada capacitorapresenta uma capacitância de 10000 𝜇F). Dada a sensibilidade dos lasers de diodo, ovalor total para o banco de capacitores (40000 𝜇F) se justifica por causa do valor elevadode corrente elétrica que atravessa o circuito uma vez que os valores das trepidações nosinal de alimentação (ripples) são proporcionais aos sinais de alimentação (quanto maioro valor do sinal de alimentação, maior o ripple), apesar dos testes terem sido realizadoscom 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 topologiautilizada, coletor comum. Sendo assim:

∙ pôde-se constatar um ganho de corrente prático de 66,20, o que é condizente comos 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 observadaspara os diferentes valores de resistência no potenciômetro.

Resistência[Ω] Corrente de Saída[A] Corrente de Entrada[mA]1k 0,830 13,06500 0,920 14,530 1,091 16,48

Tabela 2: Valores de Corrente de Entrada (Base dos Transistores de Potência) e Saídarelativos as variações do Potenciômetro.

Para o controle do sinal na base dos transistores NPN 2N3055 utilizando-se otransistor PNP BC559, observa-se um comportamento descrito como:

∙ Para que um transistor PNP conduza um das condições de configuração é que atensão no emissor seja maior que a tensão na base, dessa maneira, para a configu-ração do potenciômetro em resistência máxima (1KΩ) o componente BC559 estáinoperante, de modo que a única tensão observada no pino de tensão de referênciado regulador de tensão é a tensão inerente a junção base-emissor (aproximadamente0,7 Volts) desse tipo de componente;

3.2. Resultados Práticos 47

∙ A medida que o valor de resistência do potenciômetro é diminuída o transistorpassa 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 dabase 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 saídano mesmo também é mudada o que resulta numa saída de corrente ligeiramentemaior para a base dos transistores NPN 2N3055 conectados a este pino, o quejá se percebe variações suficientemente relevantes de corrente no pino emissor dostransistores NPN 2N3055.

3.2.3 Bloco de Controle

Tendo em vista que neste trabalho se faz o desenvolvimento inicial do projeto, parao bloco de controle foram realizadas duas etapas fundamentais: a variação de corrente nasaída 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 placade 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 seremapresentados 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 (mesmopino onde anteriormente se conectava o pino central do potenciômetro), realizando-se asmedições através da porta serial do Arduino, pôde-se observar os valores esperados decorrente de saída.

Duty Cycle[%] Corrente de Emissor[mA] Tensão na base [V]0 137.78 7,520 138.66 7,640 140 7,780 155.68 9,2100 174 10,96

Tabela 3: Valores de Corrente de Saída e tensões na base do transistor 2N3055 relativosa variação no Duty Cycle do PWM.

De acordo com os dados obtidos pode ser inferido que:

∙ Quanto maior o Duty Cycle4 maior a tensão na saída da regulador (por consequência4 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 emissordo transistor de potência;

Logo, pode-se afirmar o fato de que o controle de corrente sobre a carga na saídada fonte pode ser realizado por PWM.

O código fonte relativo ao controle por PWM e leitura da corrente se encontracomo anexo a este documento.

49

4 Conclusão

Os testes em bancada, inicialmente limitados pelas fontes de alimentação de ban-cada e posteriormente realizados com a implementação de um transformador adequado,explicitaram a eficácia da topologia de amplificação de corrente escolhida (coletor comum)para a realização de um equipamento de driver de termoablação à laser. Verificou-se quepara pequenas quantidades de corrente na entrada da base do transistores de potência(entorno de algumas dezenas de mili Ampères) a amplificação da corrente para algumasunidades de Ampères, de modo que individualmente cada transistor apresentou um ganhomáximo de 66,20 em experimento prático. Dessa forma, pode-se inferir que o ganho decorrente do equipamento se dá em múltiplos do ganho máximo observado, onde o ganhototal é igual ao número de transistores multiplicado pelo ganho máximo (individual) ob-servado. Teoricamente o circuito pode fornecer quanta corrente elétrica seja necessáriopara a carga, no entanto, os componentes do circuito e suas características elétricas sãofatores limitantes para o equipamento.

De maneira geral, os resultados práticos estavam de acordo com o que era esperadocom a teoria e simulações realizadas previamente. Neste experimento, deve-se destacar acomprovação do ganho de potência elétrica, uma vez que, para uma perda de 7 Volts(para todos os transistores 2N3055, uma vez os mesmos se encontram em paralelo) devidoa junção base-emissor, obteve-se correntes de saída com quase 70 vezes de ganho paracada transistor, como mencionado anteriormente.

No que diz respeito ao controle e leitura dos parâmetros do projeto, pode-se afirmaro sucesso na demonstração dos mesmos. Para as duas técnicas aplicadas (potenciômetroe modulação por comprimento de pulso) observou-se a resposta do circuito em um curtointervalo de tempo, é explicitado que a aplicação ótima se faz por meio digital atravésdo controle por modulação de pulso utilizando-se o microcontrolador. Por sua vez, aleitura da corrente utilizando o microcontrolador e o módulo ACS712 foi a última etapaimplementada neste trabalho, a leitura apresentou resolução e resposta satisfatória paraa implementação.

Destaca-se que, primeiramente, não foram realizados até esta etapa testes comlasers de diodo de fato, todos os testes foram realizados com cargas resistivas, isto se deupor limitações de tempo e recursos para aquisição do laser dentro do prazo de entregadeste documento. Segundo, como consequência não foram realizados testes ex vivo com olaser, o que não invalida os resultados obtidos até o presente momento.

Finalmente, são propostos para o desenvolvimento futuro deste projeto, denomi-nado LAIS, alguns aspectos como: a aplicação prática de placas de circuito impresso

50 Capítulo 4. Conclusão

agregando maior durabilidade e confiabilidade ao equipamento, substituição das cargasresistivas utilizadas realizando aquisição do laser de diodo que satisfaça os parâmetrosde termoablação para tumores hepáticos, aprimoramento do controle por retroalimenta-ção levando-se em consideração os parâmetros (externos) desejados pelo usuário (comopotência e temperatura, por exemplo) e comportamento interno dos mesmos parâmetrosno equipamento, realização de testes ex vivo e aplicação dos circuitos de segurança nãorealizados até esta etapa.

51

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Anexos

55

ANEXO A – Código de Controle do SinalPWM e Leitura da Corrente de Saída

int pwm = 255;

String inString;void setup() {

Serial.begin(9600); }

void loop() {

float average = 0;

for(int i = 0; i < 1000; i++) {average = average + (.0264 * analogRead(A0) -13.51); delay(1);}

Serial.print(average-2140);Serial.println("mA");

while (Serial.available() > 0) {int inChar = Serial.read();if (isDigit(inChar)) {inString += (char)inChar;}

if (inChar == ’/n’) {pwm=inString.toInt();analogWrite(2,pwm);Serial.println(pwm);}}inString = ”;

}

57

ANEXO B – Layout da PCB proposta parao Circuito de Controle de Corrente Ajustável

Figura 27: Layout da camada superior da placa de circuito impresso.

Figura 28: Layout da camada inferior da placa de circuito impresso.

59

ANEXO C – Esquemático Geral do Circuito

60 ANEXO C. Esquemático Geral do Circuito

Figura 29: Esquemático Geral do Circuito

61

ANEXO D – Diagrama de blocos dosoftware de leitura da corrente

Figura 30: Diagrama de blocos do software de leitura da corrente.