l 9 magnetronul-cuptorul cu microunde

N. Crian, L. Cremene Microunde Aplicaii

1

Magnetronul. Cuptorul cu microunde

Obiective: 1. nvarea principiului de funcionare al magnetronului si a aplicaiilor acestuia. 2. nelegerea modului de funcionare a cuptorului cu microunde. 3. Vizualizarea i msurarea distribuiei energiei electromagnetice n interiorul cavitii unui

cuptor cu microunde, pentru diferite sarcini.

ntrebri de reper Ce fenomen st la baza funcionrii dispozitivelor de tip magnetron? Ce este un magnetron? Descriei structura fizic a unui magnetron. Cum se extrage energia de nalt frecven dintr-un magnetron? Care sunt principalele utilizri ale magnetronului? Dar ale cuptorului cu microunde ? Cum se poate modela cavitatea rezonant a unui cuptor cu microunde cu sarcina?

Consideraii teoretice Dispozitive cu cmp ncruciat

Aceste dispozitive utilizeaz interaciunea dintre cmpul electric de curent continuu i cel magnetic n scopul crerii unor fenomene fizice ce au ca rezultat generarea unei radiaii de nalt frecven i putere mare. Aceste cmpuri au o orientare perpendicular unul pe cellalt.

n procesul de interaciune amintit, electronii, accelerai de ctre cmpul electric, sufer n acelai timp si influena cmpului magnetic, astfel nct traiectoria lor de deplasare va fi o curb particular. Atunci cnd electronii se deplaseaz cu viteza v pe direcia cmpului magnetic ei nu sunt afectai, dar n cazul n care liniile de cmp magnetic le intersecteaz traiectoria, apare o for electromagnetic care i determin s se deplaseze pe o curb aa cum se observ n figura alturat. Aceast traiectorie curb este rezultatul influenei directe a cmpului magnetic.

Interaciunea cmpurilor ncruciate st la baza funcionrii dispozitivelor de microunde din gama magnetroanelor.

Magnetronul

Magnetronul este un tub electronic n care, n urma aciunii comune a cmpului electric i magnetic, exercitate asupra fluxului de electroni, iau natere oscilaii de nalt frecven. Acest dispozitiv poate genera un semnal de ptere mare, de ordinul megawailor, avnd un randament de peste 70%.

Magnetronul este format dintr-un anod cu structur cilindric, n care sunt tiate mai multe caviti rezonante (n numr par), conectate cu cavitatea central a magnetronului prin fante, i un catod plasat n mijlocul cavitii centrale.

y

Cmpul H

Fora EM

x

z

Direcia electronului Traiectoria

electronului sub aciunea cmpului H


2

Seciune longitudinal, respectiv transversal, printr-un magnetron

In figura de mai sus se disting elementele componente ale unui dispozitiv de tip magnetron :

catodul, anodul (care conine cavitile rezonante), bornele de filament, legturile, bucla de cuplaj, ieirea coaxial, cavitile rezonante, aripioarele pentru rcire.

Catodul are o suprafa mare i este n majoritatea cazurilor nclzit indirect. El prezint o serie de discuri pe feele frontale, care mpiedic deplasarea axial a electronilor. Anodul este un bloc masiv de cupru, de form inelar. ntre anod i catod se gsete un spaiu vidat care poart denumirea de spaiu de interaciune. Corpul anodului prezint un numr par de caviti rezonante (n cazul de fa opt). Cavitile rezonante ale magnetronului sunt strns cuplate magnetic unul cu altul, fluxul magnetic variabil al unui rezonator nchizndu-se prin celelalte rezonatoare.

Cuplajul magnetic ntre cavitile rezonante este prezentat n figura de mai jos:

Curentul din jurul cavitii joac rolul unei inductane

Sarcinile de la extremitile cavitii echivaleaz cu un condensator

Comportarea cavitii rezonante este asemntoare cu cea a unui circuit rezonant paralel

rez

Oscilaii intreinute de sarcina electronic spaial, rotativ, creat in spaiul de interaciune dintre anod si catod

Sub influena cmpului electric continuu de accelerare, electronii emii de catodul fierbinte tind s se deplaseze radial spre anod, dar traiectoriile lor se curbeaz sub influena cmpului magnetic

Traiectoria unui electron

Caviti rezonante

Cmpuri de RF

Aripioare de rcire Material

ceramic

Magnet

Magnet

Ieire anten

Radiaie microunde

Catod

Anod


3

Pentru culegerea energiei de nalt frecven, ntr-unul din rezonatoare este legat o bucl de cuplaj, conectat la o linie coaxial . Ieirea acestei linii trece printr-o eav de sticl care se sudeaz i ea la anod. Datorit cuplajului strns dintre rezonatoare energia este extras simultan din toate rezonatoarele. Este important ca bucla de cuplaj s fie strbtut de o parte a fluxului magnetic al rezonatorului.

Schematic, structura intern a magnetronului poate fi reprezentat ca n figura de mai jos:

Anodul se leag la Pmnt, iar catodul are un potenial puternic negativ. ntre anod i catod se creeaz un cmp de accelerare continuu, ale crui linii de for sunt dispuse radial. De-a lungul axei magnetronului acioneaz un cmp magnetic continuu de mare intensitate care este creat de un

magnet ntre ai crui poli este aezat magnetronul.

Dup ce electronii au atins o anumit vitez, cmpul magnetic continuu, care acioneaz perpendicular pe cel electric, ncepe s curbeze traiectoriile lor. Viteza electronilor are o cretere treptat, raza de curbur se mrete i ea treptat. Fluxul electronic rotativ, sub aciunea cmpului electric alternativ al rezonatorului, sufer o modulaie de vitez i o modificare a traiectoriei electronilor. Ca urmare norul electronic i modific forma inelar, lund o form dinat. Astfel se poate spune c electronii se grupeaz sub forma unor spie, aceste spie aparinnd unei roi care se rotete n jurul catodului. Electronii din spaiul dintre spie se rentorc pe catod n timp ce electronii care formeaz spiele, adic sarcina spaial rotativ, sunt captai de anod dup ce au cedat cea mai mare parte a energiei lor cmpului de microunde.

Spiele electronice reprezint de fapt o concentrare a fluxului de electroni, numrul lor fiind egal cu jumtate din numrului cavitilor rezonante. Norul de electroni se rotete att de repede, nct spiele trec regulat prin dreptul acelor fante, unde exist n momentul respectiv un cmp de frnare, iar intervalele dintre spie trec tot timpul prin cmpuri acceleratoare. Astfel se produce o cedare important de energie de la fluxul de electroni la rezonatoare. Pe lng energia util obinut exist i pierderi de energie prin nclzirea catodului i a anodului n urma bombardamentului electronic. Randamentul magnetronului este de regul apropiat valorii de 70%, dar poate fi mai mare n cazul oscilaiilor din gama undelor decimetrice. Pentru unde centimetrice randamentul scade la 30-65 %.

Din analiza funcionrii magnetronului se obine relaia dintre numrul de rezonatoare, intensitatea cmpului magnetic i frecvena oscilaiilor generate:

NH = a f , H = b U1/2

,

unde : N - numrul de rezonatoare unde : U - tensiunea anodic H - intensitatea cmpului magnetic b - constant f - frecvena oscilaiilor generate a - constant, depinde de modul de construcie al magnetronului

Cavitai rezonante

Catod

Camp magnetic

stabil

Anod


4

Cele mai cunoscute aplicaii ale magnetronului sunt cuptorul cu microunde i radarele. De regul, frecvena generat n cazul cuptoarelor cu microunde este de 2,45 GHz, cu o putere de 100W pn la 25 KW. n cazul tipic al unui radar meteorologic frecvena este de 2,8 GHz, la o putere maxim de 475 KW. In ultimii ani s-au fcut cercetri privind utilizarea magnetroanelor in controlul polurii aerului, in particular in separarea dioxidului de sulf din fumul emanat de centralele electrice.

Cuptorul cu microunde

Una dintre principale aplicaii ale magnetroanelor este utilizarea lor n construcia cuptoarelor cu microunde. Magnetroanele utilizate n acest scop genereaz microunde la frecvena de 2,45 GHz i sunt construite pentru puteri cuprinse ntre 100W...25kW, cu un randament de maximum 65% .

Microundele generate de magnetron parcurg un ghid de und i sunt difuzate cu ajutorul unui dispersor n interiorul unei caviti rezonante, n care se introduc alimentele/substantele/materialele care vor fi nclzite. Funcionarea cuptoarelor cu microunde este asistat de un microcontroler, ele fiind complet automatizate. De reinut c microundele nu sunt o surs de cldur, ci o surs de energie. n consecin, recipientele vor fi calde numai datorit transmiterii cldurii de ctre alimentele nclzite. De asemenea, nclzirea alimentelor se datoreaz de fapt nclzirii fluidelor coninute de ctre acestea (ap). Astfel, moleculele de ap sunt agitate de ctre microunde cu frecvena de 2,45 GHz; ca urmare apare fenomenul de friciune a moleculelor, cu degajare de cldur, astfel avnd loc nclzirea apei din alimente.

Aplicaii ale cuptoarelor cu microunde:

- Uz casnic: prepararea/ nclzirea alimentelor - Industrial: uscare (cherestea, ceramic, cereale, etc.), vulcanizare, polimerizare,

prelucrare produse alimentare etc.

Incint inclzire (cavitate

rezonant)

Convertor AC-DC

Filtrare EMI

ventilator

Antrenare

platan

Izolare inalt-frecven

Controler central

Afisaj Panou

frontal

Senzor temperatura

aburi

Control camp magnetic

Control putere

Control relee / LED-uri

sonerie

Schema bloc a cuptorului cu microunde


5

Recomandri pentru utilizarea cuptorului cu microunde n condiii optime

recipientele utilizate: nu trebuie s conin elemente metalice, acestea devenind plane de reflexie a microundelor.

de reinut faptul c microundele nu penetreaz alimentele dect pe distane mici, de ordinul a cteva milimetri, astfel nct n interior alimentele se gtesc prin conversia cldurii. De aceea forma alimentelor este important. De exemplu, cea mai nepotrivit form ar fi aceea de cub - laturile s-ar arde iar interiorul nu ar avea timp s se nclzeasc. Forma ideal pentru prepararea alimentelor cu ajutorul cuptorului cu microunde ar fi una circular i relativ plat.

densitatea alimentelor este diferit de la caz la caz, astfel nct trebuie avut grij n separarea alimentelor poroase de cele dense i eventual protejarea celor din prima categorie, pentru a nu se deteriora.

se recomand s nu se lase niciodat cuptorul cu microunde s funcioneze gol, ci s existe ntotdeauna un vas cu ap in interior, pentru a putea absorbi energia de microunde.

nu se utilizeaz vase de lemn. Lemnul conine ntotdeauna o cantitate de ap i exist riscul de a se nnegri i chiar de a se arde.

cuptorul trebuie s funcioneze cu ua blocat, pentru c o u care nu se nchide bine antreneaz scurgeri de microunde, care pot duna sntii.

nu se utilizeaz produse din hrtie reciclat, care pot s conin substane metalice, care pot produce scurtcircuite

Modelul liniei de transmisie ( TLM Transmission Line Model )

Modelul liniei de transmisie se folosete pentru calculul cmpului electromagnetic n interiorul structurilor ghidante i al cavitilor rezonante . Metoda se aplic i cavitii cuptorului cu microunde, permind o evaluare matematic a cmpului electromagnetic, n diferite puncte ale cavitii. Aceast teorie considera spaiul ca fiind mprit ntr-o mulime finit de puncte, ntre care energia se propag sub form de pulsuri. ntr-un anumit moment, fiecare punct radiaz energia pe care o are punctelor adiacente, dup o anumit lege de distribuie, n funcie de distana dintre ele. Pereii metalici vor reflecta complet energia. Odat cu stabilirea regimului staionar n cavitate, pe baza ncrcrii energetice a punctelor, se determin distribuia energiei n interiorul cavitii. In cadrul acestei aplicaii vei vizualiza distribuia cmpului electromagnetic n cavitatea cuptorului.

Cuptor cu microunde microscopic

Institutul National de Standarde si Tehnologii S.U.A.

Acest dispozitiv poate nclzi o pictur de lichid ct un vrf de ac, ntr-o cavitate mai ngust dect un fir de pr. El a fost construit ca parte dintr-un laborator-pe-un-chip, pentru a fi folosit in investigatii ADN si alte analize biochimice complexe,

pe mostre minuscule de material.


6

Desfurarea lucrrii

1. Se va proiecta cavitatea rezonant dintr-un cuptor de microunde si se va analiza distribuia cmpurilor in interiorul acesteia, in prezenta unei sarcini de form sferic, pe care o vom numi potato (cartof), si a alteia, de form cilindric, numit in continuare pizza. Pentru a rezona la frecventa de 2,4 GHz, cavitatea rezonant paralelipipedica va avea dimensiunile indicate in desenul de mai jos.

2. Sarcina potato va fi definit sub forma unei sfere de raz R = 33 mm, poziionat n mijlocul cavitii rezonante, chiar deasupra platanului. Sfera este plin, iar materialul constituent are permitivitatea electric relativ 60. Tangenta de pierderi este egal cu 0,26666 i va fi responsabil de nclzirea sarcinii. Aceti parametri sunt n concordan cu cei corespunztori unui cartof. Platanul este din sticl i are permitivitatea relativ egal cu 6, neavnd pierderi (tangenta unghiului de pierderi este zero). Ca urmare a acestei presupuneri platanul nu se va nclzi dect indirect, prin contact cu sarcina. Dimensiunile platanului sunt: nlime = 6 mm, raza = 113.5 mm.

3. Frecvena generatorului ataat ghidului de und din figura de mai sus este de 2,4 GHz, frecvena de absorbie a apei. Frecvenele de rezonan ale cavitii vor fi cutate n domeniul 2,35 2,55 GHz, utiliznd 500 de pai. Pe o scar logaritmic, se va vizualiza parametrul S11 (coeficientul de reflexie de la intrare).

a = 267 mm

b/2 = 135 mm

h = 188 mm

39 mm

50 mm

18 mm


7

4. Se va calcula: |S11|, VSWR-ul i RL (pierderile de ntoarcere) pentru toate frecvenele pentru care avem pe grafic un minim i un maxim. Pentru un VSWR minim < 2 cavitatea rezonant este acordat. S se calculeze frecvena de rezonan a cavitii i sa se completeze tabelul:

Frecventa [GHz] |S11| VSWR RL [dB]

2,39

2,4

2,406

2,41

2,5

5. Se va vizualiza cmpul electric numai n interiorul sarcinii potato. S se precizeze unde se va nclzi prima dat sarcina.

6. Se va reprezenta grafic variaia intensitii cmpului electric de-a lungul sgeii din figur (se ncepe din origine). Pe abscis se reprezint distana, n [mm], iar pe ordonat, intensitatea, n [V/m]. Se va calcula densitatea de energie n punctele reprezentate pe grafic, utiliznd formula:

2E . Se va completa tabelul:

Frecv. [GHz]

S11 Scara logaritmic


8

[mm] 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60

E [V/m]

2

3m

FV

Farad/m 10 8.85418782 120

Bibliografie

[1] Nicolae Crian Antene i circuite pentru microunde, Ed. Risoprint Cluj Napoca, 2008 [2] hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

[3] IEEE Spectrum Magazine, ianuarie 2008

l 9 magnetronul-cuptorul cu microunde

Documents