BRPI0719124B1 - Aparelho para iluminação, e método para fornecer iluminação por projeção uniforme - Google Patents

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Abstract

aparelho para iluminação, e método para fornecer iluminação por projeção uniforme. um acessório para iluminação por projeção (300) inclui diversos pacotes de led (301) (por exemplo, conjuntos led de chips em placa ou montados em superfície que incluem uma ou mais junções de led) colocados sobre uma placa de montagem comum, ou substrato. cada pacote de led é associado com um colimador (315) correspondente. a placa de montagem comum sobre a qual os diversos pares de pacotes de led/colimadores estão colocados, inclui um eixo de referência (510) no plano da placa (por exemplo, um eixo vertical ou horizontal da placa). um ou mais dos pacotes de led são colocados sobre a placa de montagem comum, de tal modo que eles são girados no sentido horário ou no sentido anti-horário com relação ao eixo de referência (510), de modo que pelo menos dois dos pacotes de led têm rotações diferentes. a luz projetada a partir dos respectivos colimadores associados com os diversos pacotes de led se superpõe, pelo menos parcialmente, em um campo de iluminação alvo (310), e as diferentes rotações de pelo menos dois dos pacotes de led facilitam substancialmente iluminação uniforme no campo de iluminação alvo.

Description

APARELHO PARA ILUMINAÇÃO, E MÉTODO PARA FORNECER
ILUMINAÇÃO POR PROJEÇÃO UNIFORME
Campo da invenção
A presente invenção é relativa, genericamente, a acessórios para iluminação por projeção e métodos para arranjar fontes de luz e estruturas óticas dentro de tais acessórios, para fornecer iluminação por projeção substancialmente uniforme.
Fundamento
Acessórios para iluminação por projeção concentram luz em uma direção específica. Estes acessórios foram utilizados por diversos anos em diversas aplicações de teatro, televisão, arquitetura e iluminação genérica (por exemplo, projeção superior, iluminação por projetor, conjunto semicondutor, instrumentação médica/científica, iluminação de pistas de aeroporto e edifícios de muitos andares. Tipicamente, estes acessórios incluem uma lâmpada incandescente ou de descarga de gás montada adjacente a um refletor côncavo que reflete luz através de um conjunto de lentes para projetar um feixe estreito de luz sobre distância considerável no sentido de um objeto alvo.
Em anos recentes, diodos emissores de luz (LEDs) também foram utilizados em alguns tipos de acessórios para iluminação por projeção. Em particular, conjuntos de montagem de superfície ou chips em placas de um único ou de diversos LEDs atraíram atenção na indústria para utilização em aplicações que requerem luminância elevada combinada com geração de luz de feixe estreito (para fornecer focalização apertada/ baixa dispersão geométrica de iluminação). Um conjunto LED “chip em placa” (COB) se refere genericamente a um ou mais chips semicondutores (ou “matrizes”) nos quais uma ou mais junções de LED são fabricadas, nas quais o(s) chip(s) é/são montado(s) (por exemplo, colados) diretamente a uma placa de circuito
Petição 870180046561, de 30/05/2018, pág. 7/15 impresso (PCB). O(s) chip(s) é/são então ligado(s) com fio ao PCB, perceber depois do que uma gota de epóxi ou plástico pode ser utilizada para cobrir o(s) chip(s) e conexões de fio. Um ou mais tais conjuntos LED, ou pacotes de
LED, por sua vez podem ser montados a uma placa de montagem comum, ou substrato, de um acessório para iluminação.
Para algumas aplicações de feixe estreito que envolvem chips de LED ou matrizes, elementos óticos podem ser utilizados juntamente com o conjunto LED chip em placa, para facilitar focalização da luz gerada para criar um feixe estreito de luz colimada. Luz colimada é luz cujos raios são paralelos, e assim tem uma frente de onda plana. Estruturas óticas para colimar luz visível, muitas vezes referidas como “lentes colimadoras” ou “colimadores”, são conhecidas na técnica. Estas estruturas capturam e redirecionam luz emitida por uma fonte de luz para melhorar sua direcionabilidade. Um tal colimador é um colimador de reflexão interna total (“TIR”). Um colimador TIR inclui uma superfície interna refletora que é posicionada para capturar mais da luz emitida por uma fonte de luz subtendida pelo colimador. A superfície refletora de colimadores convencionais é tipicamente cônica, isto é, derivada de uma curva parabólica, elíptica ou hiperbólica.
Fazendo referência à figura 1, um colimador TIR convencional 100 coleta a luz emitida por uma fonte de luz LED 112 (que pode incluir um conjunto LED chip em placa, ou “pacote de LED”, que inclui uma ou mais junções de LED) e dirige a luz de modo que ela sai do colimador em uma porção de topo 113. Algo da luz viaja a partir da fonte 112 através de uma ótica primária 114 para uma primeira cavidade 116, através de uma lente localizada de maneira centralizada 118, e para fora através de uma segunda cavidade 120. O restante da luz sai através de uma superfície transparente 122 ou um flange 124, que é utilizado para reter colimador 100 em um suporte (não mostrado). A luz que não passa através da lente central é incidente sobre uma parede lateral interna 126 e é refratada quando ela passa e do ar na primeira cavidade para o material plástico do colimador. Daí em diante ela é refletida em uma superfície refletora interna 129. A luz refletida é refratada novamente quando ela viaja desde o corpo plástico do colimador para o ar ambiente, na superfície transparente 122. A superfície refletora é cônica, de modo que um perfil de seção transversal do colimador é parabólico na superfície refletora, como mostrado na figura 1.
No colimador mostrado na figura 1 a reflexão na superfície refletora 129 ocorre por meio de reflexão interna total estabelecendo restrições na forma global e curvatura do perfil de seção transversal da superfície refletora. Devido à diferença entre o índice de refração do colimador 100 e o índice de refração do ar ambiente, a lei de Snell se aplica e define um ângulo crítico para o ângulo de incidência, que é feito por um raio de luz incidente em relação a uma normal à superfície refletora. Isto é, para ângulos incidentes acima do ângulo crítico, toda a luz é refletida e nenhuma é transmitida através da superfície refletora 129 ou ao longo da superfície 129, com isto fornecendo reflexão interna total. Para uma interface plástico (índice de refração de cerca de 1,59) - ar (índice de refração de 1), o ângulo crítico é cerca de 39 graus. Assim, a superfície refletora 129 é inclinada para fornecer um ângulo de incidência para a maior parte da luz que é maior do que cerca de 39 graus.
Em teoria, colimadores convencionais são capazes de produzir luz perfeitamente colimada a partir de uma fonte pontual ideal no foco. Contudo, quando estes colimadores são utilizados em aplicações da vida real com uma fonte de luz de uma área superficial apreciável (tal como uma fonte de luz LED), a luz não é completamente colimada, mas ao invés disto é direcionada para um feixe cônico divergente. Por exemplo, a saída de luz a partir de uma fonte LED convencional (por exemplo, um conjunto LED COB), pode ser emitida em um cone que tem uma divergência de feixe de aproximadamente 110 graus (isto é, aproximadamente 55 graus para cada lado de um eixo central em uma direção de propagação de luz), e um colimador similar àquele mostrado na figura 1 pode redirecionar a luz gerada para um feixe conformado em cone mais estreito, que tem uma divergência de aproximadamente 10 graus (isto é, aproximadamente 5 graus para cada lado do eixo central).
Em algumas aplicações de feixe estreito que envolvem um pacote de LED (por exemplo, um conjunto LED COB que inclui uma ou mais junções) e um colimador correspondente, o fenômeno de formação de imagem de chip ou matriz pode ser problemático. Em particular, com colimadores relativamente pequenos utilizados em conjunto com um pacote de LED, a forma genericamente quadrada ou retangular da porção emissora de luz de um pacote de LED (isto é, o arranjo de um ou mais chips no pacote) pode criar uma forma quadrada ou retangular similar no padrão de distribuição de irradiância do campo afastado da luz projetada a partir do colimador. Desta maneira, a forma quadrada ou retangular da porção emissora de luz do pacote de LED pode ser “feita em imagem” no campo afastado devido à colimação, o que pode resultar em não-uniformidade de irradiação não desejável em algumas circunstâncias. Além disto, com pacotes de LED que incluem diversas junções que geram respectivos diferentes comprimentos de onda de luz (“pacotes de diversas cores”, tais como RGGB, BGGA e RGBW), o desafio de projeto ótico de feixe estreito é mesmo o maior devido à disparidade de cor dentro do pacote.
Sumário da invenção
Diversas configurações da presente invenção são direcionadas, genericamente, para acessórios para iluminação por projeção baseados em LED e métodos para arranjar fontes de luz e óticas em tais acessórios, de modo a facilitar iluminação uniforme em um campo de iluminação alvo.
Em uma configuração tomada como exemplo, um acessório para iluminação por projeção inclui diversos pacotes de LED (por exemplo, conjuntos LED de chip em placa ou de montagem em superfície, cada um incluindo uma ou mais junções de LED) colocados em uma placa de montagem comum ou substrato, no qual cada pacote é associado com um sistema ótico de colimação correspondente (“colimador”). Em um aspecto, a placa de montagem comum sobre a qual os diversos pacotes de LED são colocados, inclui um eixo de referência no plano da placa (por exemplo, um eixo vertical ou horizontal da placa). Um ou mais dos pacotes de LED são colocados sobre a placa de tal modo que eles são girados no sentido horário ou no sentido anti-horário em relação ao eixo de referência, de modo que pelo menos dois dos pacotes de LED têm rotações diferentes. A luz projetada a partir dos respectivos colimadores associados com os diversos pacotes de LED, pelo menos parcialmente se superpõe em um campo de iluminação alvo, e as diferentes rotações de pelo menos dois dos pacotes de LED facilitam iluminação substancialmente uniforme no campo de iluminação alvo.
Como discutido em maior detalhe abaixo, uma configuração da presente invenção é direcionada para um aparelho para iluminação que compreende uma placa de montagem essencialmente plana, que tem um primeiro eixo de referência em um primeiro plano definido pela placa de montagem, e uma pluralidade de fontes de luz baseadas em LED colocadas sobre a placa de montagem. Cada fonte de luz tem um segundo eixo de referência que indica uma orientação da fonte de luz, o segundo eixo de referência para cada fonte de luz sendo indicado de maneira idêntica para todas as fontes de luz da pluralidade de fontes de luz. A pluralidade de fontes de luz baseadas em LED são colocadas sobre a placa de montagem de tal modo que uma primeira orientação de uma primeira fonte de luz da pluralidade de fontes de luz em relação ao primeiro eixo de referência da placa de montagem é diferente da pelo menos uma outra orientação de pelo menos uma outra fonte de luz da pluralidade de fontes de luz em relação ao primeiro eixo de referência da placa de montagem.
Outra configuração da presente invenção é direcionada para um método para fornecer iluminação por projeção uniforme, o método compreendendo arranjar a pluralidade de fontes de luz baseadas em um LED em uma placa de montagem essencialmente plana, de tal modo que pelo menos duas fontes de luz baseadas em LED da pluralidade de fontes de luz baseadas em LED têm diferentes orientações na placa de montagem comum. A pluralidade de fontes de luz baseadas em LED quando energizadas projetam uma pluralidade correspondente de feixes de luz colimados no sentido de um campo de iluminação alvo, os feixes pelo menos parcialmente se superpondo no campo de iluminação alvo.
Uma outra configuração da presente invenção é direcionada para um acessório para iluminação por projeção que compreende uma placa de montagem essencialmente plana que tem um primeiro eixo de referência em um primeiro plano definido pela placa de montagem, e uma pluralidade de pacotes de LED colocados sobre a placa de montagem. Cada pacote de LED compreende um conjunto de chip em placa, de diversos chips de LEDs e um colimador acoplado ao conjunto de chip em placa. Cada pacote de LED tem um segundo eixo de referência que indica a orientação do pacote, o segundo eixo de referência para cada pacote sendo indicado de maneira idêntica para todos os pacotes da pluralidade de pacotes. A pluralidade de pacotes de LED são colocados sobre a placa de montagem, de tal modo que cada pacote tenha uma orientação única em relação ao primeiro eixo de referência da placa de montagem.
Como aqui utilizado para finalidades da presente divulgação, o termo “LED” deveria ser entendido incluir qualquer diodo eletroluminescente ou outro tipo de sistema baseado em portador de injeção/junção que seja capaz de gerar radiação em resposta a um sinal elétrico. Assim, o termo LED inclui, porém não está limitado a, diversas estruturas baseadas em semicondutor que emitem luz em resposta a corrente, polímeros emissores de luz, diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs), tiras eletroluminescentes, e similares.
Em particular, o termo LED se refere a diodos emissores de luz de todos os tipos (inclusive diodos emissoras de luz semicondutores e orgânicos) que podem ser configurados para gerar radiação em um ou mais do espectro infravermelho, espectro ultravioleta e diversas porções do espectro visível (genericamente incluindo comprimentos de onda de radiação desde aproximadamente 400 nanômetros até aproximadamente 700 nanômetros). Alguns exemplos de LEDs incluem, porém não estão limitados a, diversos tipos de LEDs infravermelhos, LEDs ultravioletas, LEDs vermelhos, LEDs azuis, LEDs verdes, LEDs amarelos, LEDs âmbar, LEDs laranja, e LEDs brancos (mais discutidos abaixo). Também deveria ser apreciado que LEDs podem ser configurados e/ou controlados para gerar radiação que tem diversas larguras de bandas (por exemplo, larguras completas em metade máxima, ou FWHM) para um dado espectro (por exemplo, largura de banda estreita, largura de banda larga) e uma variedade de comprimentos de onda dominantes dentro de uma dada categorização genérica de cor.
Por exemplo, uma implementação de um LED configurado para gerar luz essencialmente branca (por exemplo, um LED branco) pode incluir um número de matrizes que respectivamente emitem diferentes espectros de eletroluminescência que em combinação se misturam para formar luz essencialmente branca. Em uma outra implementação um LED de luz branca pode ser associado com um material fósforo que converte eletroluminescência que tem um primeiro espectro para um segundo espectro diferente. Em um exemplo desta implementação, eletroluminescência que tem um comprimento de onda relativamente curto e espectro de largura de banda estreita “bombeiam” o material fósforo que, por sua vez, irradia radiação de comprimento de onda mais longo que tem um espectro algo mais largo.
Também deveria ser entendido que o termo LED não limita o tipo de pacote físico e/ou elétrico de um LED. Por exemplo, como discutido acima, um LED pode ser referir a um dispositivo emissor de luz único que tem diversas matrizes que são configuradas para emitir respectivamente diferentes espectros de radiação (por exemplo, que podem ou não ser controláveis de maneira individual). Também, um LED pode ser associado com um fósforo que é considerado como o uma parte integrante do LED (por exemplo, alguns tipos de LEDs brancos). Em geral o termo LED pode se referir a LEDs embalados, LEDs não embalados, LEDs montados em superfícies, LEDs chips em placa, LEDs montados em embalagem T, LEDs de embalagem radial, LEDs de embalagem de energia, LEDs que incluem algum tipo de encerramento, e/ou elemento ótico (por exemplo, uma lente de difusão) etc.
O termo “fonte de luz” deveria ser entendido para se referir a qualquer uma ou mais de uma variedade de fontes de radiação, inclusive, porém não limitada a, fontes baseadas em LED (inclusive um ou mais LEDs como definido acima), fontes incandescentes (por exemplo, lâmpadas de filamento, lâmpadas de halogênio), fontes fluorescentes, fontes fosforescentes, fontes de descarga de alta intensidade (por exemplo, lâmpadas de vapor de sódio, vapor de mercúrio e de metal halóide), lasers, outros tipos de fontes eletroluminescentes, fontes piroluminescentes (por exemplo, chamas), fontes vela-luminescentes (por exemplo, mantas de gás, fontes de radiação de arco de carbono), fontes fotoluminescentes (por exemplo, fontes de descarga gasosa), fontes de catodo luminescente que utilizam saciedade eletrônica, fontes galvanoluminescentes, fontes cristalo-luminescentes, fontes cineluminescentes, fontes termoluminescentes, fontes triboluminescentes, fontes sonoluminescentes, fontes radioluminescentes, e polímeros luminescentes.
Uma dada fonte de luz pode ser configurada para gerar radiação dentro do espectro visível fora do espectro visível ou uma combinação de ambos. Daí, os termos “luz” e “radiação” serem utilizados aqui de maneira intercambiável. Adicionalmente, uma fonte de luz pode incluir como um componente integral um ou mais filtros (por exemplo, filtros de cor), lentes, ou outros componentes óticos. Também deveria ser entendido que fontes de luz podem ser configuradas para uma variedade de aplicações inclusive, porém não limitada a, indicação, apresentação e ou iluminação. Uma fonte de iluminação é uma fonte de luz que é particularmente configurada para gerar radiação que tem uma intensidade suficiente para iluminar de maneira efetiva um interior ou exterior. Neste contexto, “intensidade suficiente” se refere à energia radiante suficiente no espectro visível gerada no espaço ou ambiente (a unidade “lumens” muitas vezes é empregada para representar a saída de luz total a partir da uma fonte de luz em todas as direções em termos de energia radiante ou “fluxo luminoso”) para fornecer iluminação ambiental (isto é, luz que pode ser percebida de maneira indireta e que pode ser, por exemplo, refletida de uma ou mais de uma variedade de superfícies intervenientes antes de ser percebida no todo ou em parte.
O termo “espectro” deveria ser entendido se referir a qualquer uma ou mais freqüências ou comprimentos de onda de radiação produzida por uma ou mais fontes de luz. Consequentemente, o termo “espectro” se refere a freqüências (ou comprimentos de onda) não apenas na faixa visível, mas também freqüências ou comprimentos de onda no infravermelho, ultravioleta e outras áreas do espectro eletromagnético global. Também um dado espectro pode ter uma largura de banda relativamente estreita (por exemplo, uma FWHM que tem essencialmente poucos componentes de frequência ou de comprimento de onda) ou uma largura de banda relativamente larga (diversos componentes de freqüêncía ou de comprimento de onda que têm diversas forças relativas). Também deveria ser apreciado que um dado espectro pode ser o resultado de uma mistura de dois ou mais outros espectros (por exemplo, mistura de radiação respectivamente emitida de diversas fontes de luz).
Para finalidades desta divulgação o termo “cor” é utilizado de maneira intercambiável com o termo “espectro”. Contudo, o termo “cor” é utilizado de maneira genérica para se referir de forma primária a uma propriedade de radiação que é perceptível para um observador (embora este uso não seja projetado para limitar o escopo deste termo). Consequentemente, os termos “diferentes cores” se refere de maneira implícita a diversos espectros que têm diferentes componentes de comprimento de onda e/ou larguras de banda. Também deveria ser apreciado que o termo “cor” pode ser utilizado em conexão com ambos, luz branca e não branca.
O termo “temperatura de cor” é utilizado aqui genericamente em conexão com luz branca, embora este uso não seja projetado para limitar o escopo deste termo. Temperatura de cor se refere essencialmente a um conteúdo de cor particular ou matiz (por exemplo, avermelhado, azulado) de luz branca. A temperatura de cor de uma dada amostra de radiação é caracterizada de maneira convencional de acordo com a temperatura em graus Kelvin (K) de um radiador corpo negro que irradia essencialmente o mesmo espectro que a amostra de radiação em questão. Temperaturas de cor do radiador corpo negro genericamente caem dentro de uma faixa desde aproximadamente 700 graus Kelvin (tipicamente considerada a primeira visível para o olho humano) até acima de 10.000 graus Kelvin; luz branca genericamente é percebida em temperaturas de cor acima de 1500-2.000 graus Kelvin.
Temperaturas de cor mais baixas indicam genericamente luz branca que tem um componente vermelho mais significativo ou uma “sensação mais quente”, enquanto temperaturas de cor mais elevadas indicam genericamente luz branca que tem um componente azul mais significativo ou uma “sensação mais fria”. A guisa de exemplo, o fogo tem uma temperatura de cor de aproximadamente 1.800 graus Kelvin, um bulbo (lâmpada) incandescente convencional tem uma temperatura de cor de aproximadamente 2848 graus Kelvin, luz do dia cedo pela manhã tem uma temperatura de cor de aproximadamente 3000 graus Kelvin, e céus de meio dia encobertos têm uma temperatura de cor de aproximadamente 10.000 graus Kelvin. Uma imagem de cor vista sob a luz branca que tem uma temperatura da cor de aproximadamente 3000° Kelvin tem uma tonalidade relativamente avermelhada, enquanto que a mesma imagem de cor vista sob luz branca que tem uma temperatura de cor de aproximadamente 10.000 graus Kelvin tem uma tonalidade relativamente azulada.
O termo “acessório para iluminação” é aqui utilizado para se referir a uma implementação ou arranjo de uma ou mais unidades de iluminação em um fator de forma, conjunto, ou embalagem particulares. O termo “unidade de iluminação” é aqui utilizado para se referir a um aparelho que inclui uma ou mais fontes de luz de mesmo ou de tipos diferentes. Uma dada unidade de iluminação pode ter qualquer um de uma variedade de arranjos de montagem para as fontes de luz, arranjos e formas de recintos ou/carcaças, e/ou configurações de conexão elétrica e mecânica. Adicionalmente, uma dada unidade de iluminação opcionalmente pode ser associada com (por exemplo, incluir, ser acoplada a e/ou embalada juntamente com) diversos outros componentes (por exemplo, circuitos de controle) relacionados à operação das fontes de luz. Uma “unidade de iluminação baseada em LED” se refere a uma unidade de iluminação que inclui uma ou mais fontes de luz LED como discutido acima, sozinha ou em combinação com outras fontes de luz não LED.
Deveria ser apreciado que todas as combinações dos conceitos precedentes e conceitos adicionais discutidos em maior detalhe abaixo são consideradas como fazendo parte do tema inovador aqui divulgado. Em particular, todas as combinações de temas reivindicados que aparecem ao final desta divulgação são considerados como fazendo parte do tema inovador aqui divulgado. Também deveria ser apreciado que a terminologia explicitamente aqui empregada que também pode aparecer em qualquer divulgação incorporada para referência, deveria receber um significado mais consistente com os conceitos particulares aqui divulgados.
Breve descrição dos desenhos
Nos desenhos, caracteres de referência iguais se referem genericamente às mesmas partes através de todas as diferentes vistas. Também os desenhos não estão necessariamente em escala, ao invés disso, a ênfase sendo genericamente colocada em ilustrar os princípios da invenção.
A figura 1 é uma vista em seção transversal de um colimador LED convencional.
A figura 2 ilustra uma vista em perspectiva superior simplificada de uma projeção de um acessório para iluminação por projeção tomado como exemplo de acordo com uma configuração da presente invenção.
A figura 3 ilustra uma vista lateral esquemática do acessório para iluminação da figura 2, que mostra um campo alvo iluminado pelo acessório para iluminação de acordo com uma configuração da presente invenção.
A figura 4 é uma vista exagerada de um padrão de distribuição de radiância de campo afastado para um acessório para iluminação por projeção para demonstrar um fenômeno de formação de imagem de chip ou matriz.
A figura 5 ilustra um acessório para iluminação por projeção que emprega pacotes de LED de diversas cores, de acordo com uma outra configuração da presente invenção.
A figura 6 ilustra um acessório para iluminação por projeção que emprega pacotes de LED de mesma cor, de acordo com uma outra configuração da presente invenção.
Descrição detalhada
Em seguida, abaixo, estão descrições mais detalhadas de diversos conceitos relacionados a e configurações inovadoras de métodos e aparelhos de acordo com a presente divulgação, para fornecer iluminação por projeção uniforme. Deveria ser apreciado que diversos aspectos do tema introduzido acima e discutidos em maior detalhe abaixo podem ser implementados em quaisquer de inúmeras maneiras, uma vez que o tema não está limitado a qualquer maneira particular da implementação. Exemplos de implementações e aplicações específicas são fornecidos de maneira primária para finalidades ilustrativas.
A figura 2 ilustra uma vista em perspectiva superior simplificada de um acessório para iluminação por projeção tomado como exemplo 300, de acordo com uma configuração da presente invenção. O acessório para iluminação 300 inclui uma pluralidade de fontes de luz 301 colocadas sobre uma placa de montagem comum 302. Em um aspecto desta configuração, cada uma das fontes de luz 301 pode compreender um “pacote de LED”, por exemplo, um conjunto LED chip em placa que inclui um ou mais chips semicondutores (ou “matrizes”) nos quais uma ou mais junções de LED são fabricadas, nas quais os chips são montados, por exemplo, colados diretamente a uma placa de circuito impresso (PCB). No acessório tomado como exemplo da figura 2, cada uma das fontes de luz 301 está delineada para finalidades de ilustração como incluindo um ou mais chips de LED essencialmente retangulares 303, colocados sobre uma PCB correspondente conformada hexagonal 307, na qual cada fonte de luz 301 compreende o(s) chip(s) 303 e a PCB 307, são por sua vez colocados sobre a placa de montagem comum 302.
Em diversos aspectos, uma dada fonte de luz 301 do acessório para iluminação 300 mostrado na figura 2 pode incluir uma única junção de LED formada sobre um único chip 303, ou diversas junções de LED formadas sobre diversos chips 303 e colocadas sobre a mesma PCB 307. Por exemplo, em um aspecto, uma dada fonte de luz 301 que inclui uma ou mais junções de LED gera essencialmente um único espectro de radiação quando energizada. Em outras implementações uma dada fonte de luz 301 pode ser um pacote de LED de diversas cores é incluir diversas junções de LED (por exemplo, diversos chips 303) que gera diversos espectros diferentes de radiação quando é energizado. Assim, deveria ser apreciado que um dado acessório para iluminação 300 de acordo com a presente invenção pode ser configurado para gerar essencialmente um único espectro de radiação no qual cada fonte de luz 301 gera essencialmente um mesmo espectro de radiação, ou pode ser configurado para gerar diversos espectros de radiação, no qual algumas ou todas as fontes de luz 301 são pacotes de LED de diversas cores. Em uma implementação tomada como exemplo, uma ou mais fontes de luz 301 do acessório 300 pode ser um pacote de LED Cree®XLamp®XR-E para gerar um único espectro de radiação (disponível de Cree, Inc. de Durham, North Carolina). Em outra implementação tomada como exemplo, uma ou mais fontes de luz 311 do acessório 300 pode ser um pacote de LED de projeção OSTAR LE ATB A2A, que é um pacote de quatro junções configurado para gerar cores âmbar, verde e azul (disponível de OSRAM Opto Semiconductors GmbH). Adicionalmente, embora a figura 2 ilustre dez fontes de luz 301 colocadas sobre a placa de montagem comum 302, deveria ser apreciado que acessórios para iluminação de acordo com diversas configurações da presente invenção não são limitados com relação a isto, uma vez que diferentes números de fontes de luz podem ser colocados e arranjados sobre a placa de montagem comum 302 e incluídos no acessório para iluminação 300.
Como também mostrado na figura 2, cada fonte de luz 301 pode ser associada com um sistema ótico de colimação ou “colimador” 315 similar àquele mostrado na figura 1, que inclui um refletor 305 e uma lente 309. Em um aspecto, a lente 309 pode incluir um sistema de lente de projeção, por exemplo, uma lente convexa adequada para capturar e direcionar a luz em uma direção desejável. Em outro aspecto, os colimadores 315 podem ser baseados em princípios TIR como discutido acima em conexão com a figura 1. No desenho da figura 2 os colimadores estão mostrados ligeiramente descentralizados em relação às fontes de luz correspondentes devido à vista em perspectiva da ilustração. A figura 3 ilustra uma vista lateral esquemática do acessório para iluminação 300 que mostra quatro fontes de luz 301 e seus colimadores correspondentes 315. Como mostrado na figura 3, de acordo com uma configuração as fontes de luz e colimadores são arranjados de tal modo que o acessório para iluminação 300 produz um feixe estreito 320 de alta intensidade de radiação que se choca sobre um campo de iluminação alvo 310, e que respectivos feixes de radiação 320A, 320B, 320C e 320D projetados a partir de cada par de colimador/fonte de luz se superpõem substancialmente no campo de iluminação alvo para formar o feixe estreito 320.
Em algumas aplicações de feixe estreito que envolvem um pacote de LED (por exemplo, conjunto LED COB que inclui uma ou mais junções) e um colimador correspondente, o fenômeno de formação de imagem de chip ou matriz pode ser problemático. Em particular, com colimadores relativamente pequenos utilizados em conjunto com uma embalagem LED, a forma geométrica global da porção emissora de luz do próprio pacote de LED (por exemplo, o um ou mais chips) pode criar um perfil similar no desenho de distribuição de radiância de campo afastado da radiação projetada a partir do colimador. A figura 4 delineia uma ilustração exagerada deste fenômeno. Um acessório para iluminação tomado como exemplo 300 inclui seis fontes de luz conformadas de maneira hexagonal 301 montadas sobre uma placa de montagem comum 302; para a finalidade da discussão a seguir é admitido que a porção emissora de luz real de cada fonte seja hexagonal em forma e acoplada a colimadores correspondentes (não mostrado na figura 4), e que as fontes de luz projetam feixes respectivos de radiação (por exemplo, os feixes 320A, 320B e 320C) no sentido de um campo de iluminação alvo 310 (na prática, como discutido acima, a porção emissora de luz de um pacote de LED que inclui um ou mais chips genericamente é quadrada ou retangular. Os feixes projetados a partir de cada par fonte de luz/colimador, pelo menos parcialmente se superpõem para formar um feixe estreito 320 de radiação que se choca sobre o campo de iluminação alvo 310. Como mostrado na figura 4, em alguns casos o desenho de distribuição de radiância de campo afastado do feixe de radiação estreito 320 que se choca sobre o campo de iluminação alvo 310 pode ter uma forma genérica que se assemelha àquelas dos chips de fonte de luz; desta maneira, a porção emissora de luz de um pacote de LED pode ser tomada em imagem no campo afastado devido à colimação, e pode resultar em não uniformidade de radiação indesejável em algumas circunstâncias. Além disto, com pacotes de LED que incluem diversas junções que geram respectivos comprimentos de onda diferentes de luz (“pacotes de diversas cores” tais como RGGB, BGGA e RGBW), não uniformidades espectrais podem resultar no campo de iluminação alvo 310, nas quais respectivos espectros de fontes diferentes dos pacotes de diversas cores são concentrados em diferentes áreas do campo de iluminação alvo (ao invés de combinados/misturados através de todo o campo de iluminação alvo).
De acordo com uma configuração da presente invenção, de modo a reduzir de maneira significativa e em alguns casos eliminar irradiância e/ou não uniformidade espectral não desejada do campo de iluminação alvo 310, a orientação das fontes de luz individuais relativas uma à outra na placa de montagem comum 302 é selecionada de tal modo que as suas respectivas projeções de luz pelo menos parcialmente se superpõem no campo de iluminação alvo, produzem iluminação substancialmente uniforme no campo de iluminação alvo.
Com referência novamente a figura 2, em uma configuração um primeiro eixo de referência é escolhido para a placa de montagem comum 302 do acessório para iluminação. Por exemplo, se a placa de montagem comum é retangular em forma como mostrado na figurado 2, qualquer linha paralela a um lado da placa de montagem comum pode ser selecionada como um primeiro eixo referência. Na figura 2 um primeiro eixo de referência 510 é selecionado como um eixo vertical paralelo aos lados verticais da placa de montagem comum retangular 302; contudo, deveria ser apreciado que um eixo horizontal paralelo a um dos lados horizontais da placa de montagem comum retangular deveria, altemativamente, servir como um eixo de referência. De maneira mais genérica, qualquer linha virtualmente no plano da placa de montagem comum 302 pode servir como um eixo de referência para a placa de montagem.
Adicionalmente, um segundo eixo de referência para cada fonte de luz 301 designado/selecionado. Um segundo eixo de referência para cada fonte de luz pode ser selecionado de acordo com qualquer uma de uma variedade de critérios, desde que o eixo de referência da fonte de luz para cada fonte seja indicado de maneira idêntica para todas as fontes de luz a serem empregadas em um dado acessório para iluminação, de tal modo que quando todos os eixos de referência da fonte de luz estejam alinhados em uma mesma direção todas as fontes de luz tenham uma mesma orientação em relação ao primeiro eixo de referência da placa de montagem comum. Na figura 2 a área de chip de cada um dos pacotes de LED que servem como fontes de luz 301 tem uma forma essencialmente quadrada ou retangular, e para finalidades de ilustração, um eixo de fonte de luz é tomado através do centro da área de chip paralela ao lado mais longo da forma retangular. Novamente, outros critérios podem ser utilizados para selecionar um eixo de referência de modo a indicar uma orientação de qualquer dada fonte de luz do acessório. Como mostrado na figura 2, a fonte de luz 301A tem um segundo eixo de referência correspondente 512A, a fonte de luz 301B tem um segundo eixo de referência correspondente 512B e a fonte de luz 30IC tem um segundo eixo de referência correspondente 512C.
De acordo com uma configuração, qualquer linha paralela ao primeiro eixo de referência 510 da placa de montagem comum 302 pode servir como uma referência para a rotação de qualquer fonte de luz do acessório. Uma vez que o primeiro eixo de referência para a placa de montagem comum 302 seja selecionado, os pacotes de LED que servem como as fontes de luz 301 são colocados sobre a placa de montagem comum 302 de tal modo que as orientações de pelo menos duas fontes de luz em relação ao primeiro eixo de referência sejam diferentes. Mais especificamente como mostrado no exemplo da figura 2, a fonte de luz 301A é girada de tal modo que seu eixo 512A forma um ângulo 514A com relação a uma linha 510A que é paralela ao primeiro eixo de referência 510. De maneira similar, a fonte de luz 301B é girada de tal modo que seu eixo 512B forma um ângulo 514B com relação a uma linha 510B que é paralela ao primeiro eixo de referência 510, e a fonte de luz 30IC é girada de tal modo que seu eixo 512C forma um ângulo 514C com relação a uma linha 510C que é paralela ao primeiro eixo de referência 510. Falando de maneira genérica, qualquer uma ou mais das fontes de luz 301 pode ser girada em uma maneira horária ou anti-horária dentro de um plano paralelo ao plano da placa de montagem comum 302, e em relação a uma linha paralela ao primeiro eixo de referência 510, de modo que pelo menos duas das fontes de luz tem diferentes rotações/orientações (por exemplo, uma fonte de luz pode não ser girada, isto é, rotação de 0 grau, enquanto pelo menos uma outra fonte de luz tem uma rotação não zero ou pelo menos duas fontes de luz podem ter respectivas rotações diferentes de não zero, etc). Deveria ser apreciado que a rotação de uma dada fonte de luz pode ser medida em relação ao primeiro eixo de referência 510, ou rotações entre diferentes fontes de luz podem ser medidas. Por exemplo, no diagrama da figura 2, o ângulo de rotação total entre as fontes de luz 301A e 301B é determinado subtraindo o ângulo 514B do ângulo 510A, enquanto o ângulo de rotação total entre as fontes de luz 301B e 301C é determinado subtraindo o ângulo 514C do ângulo 514B.
Em uma configuração, cada pacote de LED que serve como uma fonte de luz 301 tem uma orientação/rotação única na placa de montagem comum 302 do acessório para iluminação 300. Por exemplo, para um dado número M de pacotes de LED do acessório para iluminação 300 quaisquer dois pacotes de LED podem ser colocados com um ângulo de rotação total entre seus respectivos eixos de nA, onde n é um inteiro que se situa desde 1 até Μ-1, e A é um ângulo determinado dividindo um alcance de rotação máximo desejado Rmax por M (e no qual o ângulo de rotação de cada fonte em relação ao segundo eixo de referência 501 é medido em uma mesma direção, isto é, seja no sentido do horário ou anti-horário).
Como discutido ainda mais abaixo, em uma implementação tomada como exemplo que envolve pacotes de LED de diversas cores, o alcance de rotação máximo desejado é Rmax é tomado como 360 graus, descrito de outra maneira, o total de M pacotes de um dado acessório para iluminação são girados em incrementos iguais ou aproximadamente iguais determinados por 360/M para cobrir um alcance de rotação máximo de 360 graus. Em outra implementação tomada como exemplo, que envolve pacotes de LED de uma única cor, o alcance de rotação máximo desejado Rmax é tomado como 90 graus (isto é, M pacotes são girados em incrementos iguais ou aproximadamente iguais determinados por 90/M para cobrir um alcance de rotação máximo de 90 graus). Mais genericamente, o alcance de rotação máximo desejado Rmax pode ser escolhido, pelo menos em parte, com base na simetria de rotação dos pacotes de LED em questão para um dado acessório.
Por exemplo, considere-se um pacote de LED de diversas cores que inclui quatro chips de cor diferente que formam uma área de emissão de luz essencialmente quadrada. A simetria de rotação de tal pacote é 360 graus, isto é, se o pacote é girado no plano por 360 graus ele parece o mesmo (daí um Rmax apropriado para tal pacote ser 360 graus). Em outro exemplo, um pacote de LED de uma única cor pode incluir quatro chips da mesma cor que formam uma área de emissão de luz essencialmente quadrada; neste exemplo a simetria de rotação é 90 graus (isto é, se o pacote é girado por 90 graus ele parece o mesmo), e daí um Rmax apropriado é 90 graus. Os pacotes de LED orientados maneira única podem ser colocadas sobre a placa de montagem comum em diversos padrões, desde que suas projeções pelo menos parcialmente se superponham no campo de iluminação alvo 310 como mostrado nas figuras 3 e 4.
A figura 5 ilustra um acessório para iluminação por projeção 400 que emprega pacotes de LED de diversas cores de acordo com uma configuração da presente invenção. Uma implementação simplificada que envolve apenas quatro fontes de luz de diversas cores 401 A, 401B, 40IC e 401D está mostrada na figura 5 para finalidades de ilustrar os conceitos discutidos acima em conexão com a rotação das respectivas fontes de luz de diversas cores. Deveria ser apreciado que os conceitos discutidos abaixo em conexão com a figura 5 podem ser estendidos para um acessório para iluminação por projeção de acordo com a presente invenção que inclua virtualmente qualquer número de fontes de luz de diversas cores.
Fazendo referência à figura 5, as quatro fontes de luz de diversas cores 401 A, 401B, 40IC e 401D do acessório para iluminação 400 são colocadas em uma placa de montagem comum 402. Um eixo de referência para a placa 402 está indicado como o eixo 510. Em um aspecto desta configuração as fontes de luz são pacotes de LED de diversas cores, na qual cada pacote de LED pode compreender um conjunto LED COB que inclui pelo menos quatro junções de LED configuradas para gerar radiação de quatro espectros diferentes (por exemplo, RGBW). Em um outro aspecto, cada pacote de LED pode incluir quatro matrizes ou chips, uma para cada diferente espectro, de tal modo que a porção de geração de luz do conjunto LED COB para cada fonte de luz tem uma forma quadrada. Como discutido acima, ausente qualquer rotação apropriada de uma ou mais fontes em relação a uma ou mais outras fontes do acessório para iluminação, o perfil de distribuição de irradiância do campo afastado de uma feixe estreito projetado a partir do acessório para iluminação pode ter uma aparência “quase quadrada” devido ao fenômeno de formação de imagem de fonte (chip ou matriz). Adicionalmente, e em alguns casos de maneira mais significativa, ausente qualquer rotação das fontes de luz, o campo de iluminação alvo pode sofrer de não uniformidade espectral se mesmas cores de cada pacote de LED de diversas cores estão em uma mesma orientação uma em relação à outra. Em particular, se todos os pacotes têm essencialmente a mesma orientação, espectros respectivos de fontes diferentes de pacotes de diversas cores podem ser concentrados em diferentes áreas do campo de iluminação alvo (ao invés de combinados/misturados através de todo o campo de iluminação alvo).
Devido a uma simetria de rotação de 360 graus dos quatro pacotes de LED de diversas cores da figura 5, cada pacote é colocado em um ângulo de 90 graus (360/4) em relação ao pacote adjacente. Mais especificamente, o pacote 401A tem um eixo de referência 512A que é girado por um ângulo 514A de 0 graus em relação ao eixo de referência 510 para a placa de montagem comum 402; de maneira similar, o pacote 401B tem um eixo de referência 512B que é girado por um ângulo 514B de 90 graus em relação ao eixo de referência 510, o pacote 401C tem um eixo de referência 512C que é girado por um ângulo 514C de 180 graus em relação ao eixo de referência 510, e o pacote 401D tem um eixo de referência 512D que é girado por um ângulo 514D em relação ao eixo de referência 510. Quando projetadas sobre um campo de iluminação alvo 410 as imagens das respectivas fontes de luz 401 A, 401B, 40IC e 401D se superpõem de tal modo que os diferentes espectros R (vermelho), G (verde), B (azul) e W (branco) são projetados para o interior de cada quadrante no campo de iluminação e misturado juntos, melhorando a uniformidade espectral no campo de iluminação alvo 410. Nesta configuração tomada como exemplo, o fenômeno de formação de imagem pode ainda resultar em uma aparência potencialmente “quase quadrada” para o padrão de feixe; contudo, uniformidade espectral é melhorada de maneira significativa. Empregando um número mais elevado de fontes de luz, de tal modo que as respectivas rotações sejam menores do que 90 graus, o fenômeno de formação de imagem de fonte pode ser reduzido de maneira significativa em adição à uniformidade espectral aumentada.
Os conceitos inovadores descritos acima em conexão com as figuras 2-5 são completamente aplicáveis também a pacotes de diversos LEDs de uma única cor. Por exemplo, a figura 6 ilustra um acessório para iluminação por projeção 600 de acordo com outra configuração da presente invenção que emprega pacotes de LED da mesma cor. Em um aspecto o acessório 600 inclui uma carcaça 670 formada para acomodar uma placa de montagem comum essencialmente circular 602 sobre a qual diversas fontes de luz 601 são colocadas. Em outro aspecto, a carcaça 670 inclui uma chaveta 660 e a placa de montagem comum 602 inclui um entalhe 650 para determinar uma orientação da placa 602 no acessório e estabelecer o eixo de referência 510 para a placa de montagem comum 602. Em uma implementação tomada como exemplo, cada uma das fontes de luz 601 inclui um colimador correspondente 615, e pode compreender um pacote de LED de cor única, tal como o pacote XR-E-LED Cree®XLamp® (disponível de Cree, Inc. de Durham, North Carolina) que tem uma porção emissora de luz essencialmente quadrada do pacote. Devido à geometria quadrada e cor única, a simetria de rotação para um tal pacote é 90 graus. Daí, na configuração tomada como exemplo ilustrada na figura 6, Rmax pode ser tomado como 90 graus e dado as 9 fontes de luz empregadas no acessório, o ângulo A é 10 graus e quaisquer dois pacotes de LED são colocados com um ângulo de rotação total entre seus respectivos eixos de nA, onde n é um inteiro que se 5 situa desde 1 até 8.
Tendo descrito assim diversas configurações ilustrativas, deve ser apreciado que diversas alterações, modificações e melhoramentos irão facilmente ocorrer àqueles versados na técnica. As alterações, modificações e melhoramentos são projetados para fazerem parte desta divulgação e são 10 projetados para estar dentro de seu espírito ou escopo. Embora alguns exemplos apresentados aqui envolvam combinações específicas de funções ou de elementos estruturais, deveria ser entendido que estas funções e elementos podem ser combinados em outras maneiras de acordo com a presente divulgação para realizar o mesmo ou diferentes objetivos. Em particular, atos, 15 elementos e aspectos discutidos em conexão com uma configuração, não têm a intenção de serem excluídos de papéis similares ou outros em outras configurações. Consequentemente, a descrição precedente e desenhos anexos são apenas para efeito de exemplo e não têm a intenção de serem limitativos.

Claims (14)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Aparelho para iluminação (300), compreendendo uma placa de montagem (302) essencialmente plana que tem um primeiro eixo de referência (510) em um primeiro plano definido pela
    5 placa de montagem; e uma pluralidade de fontes de luz baseadas em LED (301) colocadas sobre a placa de montagem, cada fonte de luz tendo um segundo eixo de referência (512A, 512B, 512C) que indica uma orientação da fonte de luz, o segundo eixo de referência para cada fonte de luz sendo indicado de 10 maneira idêntica para todas as fontes de luz da pluralidade de fontes de luz, caracterizado pela pluralidade de fontes de luz baseadas em LED serem colocadas na placa de montagem de tal modo que uma primeira orientação (514A) de uma primeira fonte de luz (3 01 A) da pluralidade de fontes de luz como designado pelo seu segundo eixo de referência (512A) em 15 relação ao primeiro eixo de referência (510) da placa de montagem é diferente de pelo menos uma outra orientação (514B) de pelo menos uma outra fonte de luz (301B) da pluralidade de fontes de luz como designado pelo seu segundo eixo de referência (512B) em relação ao primeiro eixo de referência (510) da placa de montagem.
    20
  2. 2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da fonte de luz baseada em LED (301) compreender um pacote de LED que inclui um conjunto de chip em placa de diversos chips de LED.
  3. 3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por cada fonte de luz baseada em LED ainda compreender um colimador
    25 (315) acoplado com o pacote de LED.
  4. 4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por pelo menos a primeira orientação (514A) da primeira fonte de luz (3 01 A) ser baseada pelo menos em parte em pelo menos um espectro de emissão dos diversos chips de LED.
    Petição 870180153776, de 22/11/2018, pág. 5/11
  5. 5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por pelo menos a primeira orientação da primeira fonte de luz ser baseada pelo menos em parte em uma simetria de rotação do pelo menos um espectro de emissão dos diversos chips de LED.
  6. 6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato dos diversos chips de LED serem arranjados no conjunto de chip em placa de modo a formarem uma área de emissão de luz que tem uma forma geométrica e no qual pelo menos a primeira orientação da primeira fonte de luz é baseada pelo menos em parte em uma simetria de rotação da forma geométrica.
  7. 7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de cada fonte de luz da pluralidade de fontes de luz ter uma orientação única em relação ao primeiro eixo de referência da placa de montagem.
  8. 8. Método para fornecer iluminação por projeção uniforme, caracterizado por compreender:
    arranjar uma pluralidade de fontes de luz (301) baseadas em LED sobre uma placa de montagem (302) essencialmente plana, de tal modo que pelo menos duas fontes de luz (3 01 A, 301B) baseadas em LED da pluralidade de fontes de luz baseadas em LED tenham diferentes orientações (514A, 514B) sobre a placa de montagem comum, na qual a pluralidade de fontes de luz baseadas em LED, quando energizadas, projetam uma pluralidade correspondente de feixes de luz colimados no sentido de um campo de iluminação alvo, os feixes pelo menos parcialmente se superpondo no campo de iluminação alvo.
  9. 9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por: a placa de montagem (302) essencialmente plana ter um primeiro eixo de referência (510) em um primeiro plano definido pela placa de montagem;
    Petição 870180153776, de 22/11/2018, pág. 6/11 cada fonte de luz ter um segundo eixo de referência (512A,
    512B) que indica uma orientação (514A, 514B) da fonte de luz, o segundo eixo de referência para cada fonte de luz sendo indicado de maneira idêntica para todas as fontes de luz da pluralidade das fontes de luz; e a pluralidade de fontes de luz baseadas em LED serem colocadas sobre a placa de montagem de tal modo que uma primeira orientação (514A) de uma primeira fonte de luz (3 01 A) da pluralidade de fontes de luz como designado pelo seu segundo eixo de referência (512A) em relação ao primeiro eixo de referência (510) da placa de montagem é diferente de pelo menos uma outra orientação (514B) de pelo menos uma outra fonte de luz (301B) da pluralidade de fontes de luz como designado pelo segundo eixo de referência (512B) em relação ao primeiro eixo de referência (510) da placa de montagem.
  10. 10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por cada fonte de luz baseada em LED compreender um pacote de LED que inclui um conjunto de chip em placa de diversos chips de LED e um colimador acoplado ao pacote de LED.
  11. 11. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por pelo menos a primeira orientação da primeira fonte de luz ser baseada pelo menos em parte em pelo menos um espectro de emissão dos diversos chips de LED.
  12. 12. Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por pelo menos a primeira orientação da primeira fonte de luz ser baseada pelo menos em parte em uma simetria de rotação do pelo menos um espectro de emissão dos diversos chips de LED.
  13. 13. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato dos diversos chips de LED serem arranjados no conjunto de chip em placa de modo a formar uma área de emissão de luz que tem uma forma geométrica e no qual pelo menos a primeira orientação da primeira fonte de
    Petição 870180153776, de 22/11/2018, pág. 7/11 luz é baseada pelo menos em parte em uma simetria de rotação da forma geométrica.
  14. 14. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por cada fonte de luz da pluralidade de fontes de luz ter uma orientação única 5 em relação ao primeiro eixo de referência da placa de montagem.
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