Принцип работы и схема магнетрона микроволновой печи

Микроволновые печи стали привычным атрибутом домашнего хозяйства и теперь считаются незаменимым прибором в любой квартире. Эти устройства обеспечивают удобство быстрого разогрева или приготовления пищи с помощью невидимого излучения. Однако для того, чтобы понять источник и безопасность этого излучения для человека, важно разобраться в работе магнетрона микроволновой печи — генератора высокочастотных волн.

Поняв внутреннее устройство и принцип работы магнетрона микроволновой печи, человек сможет получить знания о происхождении и потенциальных рисках, связанных с излучением, испускаемым этим бытовым прибором.

Что такое микроволны и как они нагревают пищу

Микроволны — это вид электромагнитного излучения, характеризующийся длиной волны от 1 мм до 1 м. Этот вид излучения служит для различных целей, не ограничиваясь бытовым использованием, но и находит применение в навигационных и радарных системах, а также в сотовой связи и спутниковом телевидении.

Микроволны могут возникать как естественным путем, например, излучаемые Солнцем, так и искусственно. Они также известны как ультравысокочастотное излучение, или УВЧ.

Все бытовые микроволновые печи работают на определенной частоте излучения 2450 МГц, которая является международно признанным стандартом. Производители бытовой техники должны соблюдать эту частоту, чтобы их продукция не создавала помех для других микроволновых приборов.

Американский физик Перси Спенсер открыл тепловой эффект микроволнового излучения в 1942 году. Он получил патент на устройство, генерирующее микроволны, которое можно было использовать для приготовления пищи, что положило начало использованию микроволновых печей в быту.

В последующие годы эта технология совершенствовалась, что позволило наладить массовое производство доступных и эффективных устройств для быстрого разогрева пищи.

Чтобы эффективно нагреть любое вещество в микроволновой печи, оно должно содержать дипольные молекулы — молекулы, обладающие противоположными электрическими зарядами на своих концах.

Основным источником воды в продуктах питания является вода. Под воздействием сверхвысокочастотного излучения эти молекулы выравниваются под действием электромагнитного поля, изменяя свою ориентацию примерно 5 миллиардов раз в секунду. Постоянное движение создает трение между молекулами, что приводит к выделению тепла, которое эффективно готовит пищу.

Тем не менее, глубина проникновения микроволн ограничена примерно 2-3 см от поверхности продукта. Следовательно, все, что находится под этим слоем, готовится за счет теплопроводности от нагретых областей.

Использование микроволновой печи для разогрева пищи

Устройство магнетрона и его применение

Магнетрон — основной источник сверхвысокочастотных колебаний в большинстве типов микроволнового оборудования. Другие устройства, такие как клистроны и платинотроны, работающие по схожему принципу, не получили столь широкого распространения. Магнетрон впервые был применен в микроволновых печах в 1960 году. Мультирезонаторный магнетрон — наиболее распространенный тип технологии, состоящий из нескольких компонентов:

1. Анод — медный цилиндр, разделенный на секторы с толстыми металлическими стенками. Эти объемные полости служат резонаторами, образуя кольцевую систему колебаний. На анод подается напряжение около 4000 вольт.
2. Катод расположен в центре магнетрона и имеет форму цилиндрической структуры, содержащей нить накаливания. Этот компонент отвечает за эмиссию электронов, которая достигается путем подачи 3-вольтового напряжения на нагреватель (нить накала).
3. Кольцевые магниты, которые могут быть как электромагнитами, так и мощными постоянными магнитами, расположены на концах устройства. Эти магниты необходимы для создания магнитного поля, направленного параллельно оси магнетрона, что позволяет электронам двигаться в том же направлении.
4. Проволочная петля подключается к катоду, закрепляется внутри резонатора и тянется к антенне-излучателю. Назначение этой петли — направлять сверхвысокочастотное излучение в волновод, позволяя ему проходить непосредственно в микроволновую камеру.

Благодаря простоте конструкции и низкой стоимости магнетроны нашли множество применений в различных областях, среди которых наиболее распространенными являются:

• Микроволновые печи. Помимо способности быстро готовить и размораживать продукты в бытовых печах, магнетроны также облегчают выполнение промышленных задач. Промышленная микроволновая печь может использоваться для нагрева, сушки, плавления, жарки и т. д. Важно отметить, что микроволновые печи не должны работать вхолостую, так как излучение не будет поглощаться и может повредить волновод.
• Когда речь заходит о радаре, есть важный компонент, который играет значительную роль в функционировании системы, — антенна радара. Подключенная к волноводу, эта антенна имеет форму конического облучателя и работает в тандеме с параболическим рефлектором, часто называемым тарелкой. Выполняя важнейшую задачу, антенна помогает в передаче и приеме сигналов.

Магнетроны в радиолокации

Принцип работы магнетрона

Магнетрон работает за счет преобразования электрической энергии в чрезвычайно высокочастотное электромагнитное излучение, которое вызывает движение молекул воды в пище. Дипольные молекулы, которые постоянно меняют направление, выделяют тепло, что позволяет быстро разогревать пищу, сохраняя ее полезные свойства. Магнетрон — это устройство, отвечающее за генерацию микроволн.

Магнетрон — это тип электрического вентиля, в котором используется процесс термоэлектронной эмиссии. Этот процесс происходит при нагревании поверхности эмиттера или катода, в результате чего наиболее активные электроны покидают поверхность. Однако это происходит только при подаче напряжения на анод. При подаче напряжения создается электрическое поле, и электроны начинают двигаться к аноду по силовым линиям. Если на электроны воздействует магнитное поле, их траектории отклоняются в направлении линий магнитного поля.

Анод магнетрона выполнен в виде цилиндра, содержащего полости, или резонаторы, в которых размещен катод с нитью накала. Расположенные по краям анода два кольцевых магнита создают внутреннее магнитное поле. Это поле изменяет траекторию движения электронов, заставляя их вращаться вокруг катода, а не двигаться прямо к аноду. При прохождении электронов мимо резонаторов они передают часть своей энергии, вызывая создание внутри полостей мощного сверхвысокочастотного поля. Затем это поле излучается во внешний мир через проволочную петлю, соединенную с антенной-излучателем.

Чтобы активировать магнетрон, на анод необходимо подать высокое напряжение — около 3-4 тысяч вольт. Таким образом, магнетрон подключается к бытовой электросети с помощью высоковольтного трансформатора. Кроме того, схема микроволновой печи включает в себя волновод для передачи излучения внутри камеры, схему переключения, блок управления, а также защитные и охлаждающие компоненты. Кроме того, внутренние стенки камеры и тонкая металлическая сетка на дверце устройства служат для удержания излучения в ее пределах.

Иллюстрация принципиальной схемы магнетрона

Как магнетрон влияет на мощность микроволн

Многие современные производители микроволновых печей предоставляют возможность выбора мощности устройства. От этого параметра зависит режим работы (размораживание или разогрев) и скорость нагрева пищи. К сожалению, из-за конструктивных особенностей магнетрона его мощность не может быть уменьшена. Поэтому, чтобы снизить интенсивность нагрева, питание на магнетрон подается через определенные промежутки времени. Эти паузы в работе магнетрона можно заметить, включив микроволновку на среднюю мощность и прислушавшись к ее звуку.

Недавно несколько производителей бытовой техники объявили о выпуске нескольких моделей микроволновых печей, в которых используется инверторная система питания. Применение этой системы позволяет не только увеличить полезное пространство внутри камеры за счет уменьшения размера излучателя, но и снизить общее энергопотребление устройства. В отличие от традиционных моделей, печи инверторного типа плавно регулируют температуру нагрева, но их цена значительно выше.

Охлаждение и защита магнетрона

Во время работы магнетрон выделяет значительное количество тепла, что требует установки на его корпусе радиатора для отвода тепла. Поскольку перегрев является основной причиной выхода магнетрона из строя, для его защиты предусмотрены дополнительные меры:

1. Реле термостата. Это устройство защищает как магнетрон, так и гриль (если он есть в данной модели). Оснащенный биметаллической пластиной, термостат-реле может быть настроен на определенную температуру. Если температура превышает этот порог, пластина изгибается, размыкая цепь питания.
2. Вентилятор. Помимо охлаждения радиатора магнетрона, вентилятор выполняет и другие полезные функции: охлаждает электронные компоненты устройства, способствует циркуляции воздуха в камере во время работы гриля и выводит горячий пар через специальные вентиляционные отверстия.
3. Механизм блокировки. Дверца микроволновой печи оснащена несколькими микровыключателями, которые обеспечивают невозможность активации магнетрона при открытой дверце.

Можно ли заменить магнетрон

Одним из ключевых преимуществ современных магнетронов, используемых в бытовых микроволновых печах, является их взаимозаменяемость. Магнитроны, произведенные разными компаниями, могут использоваться в различных моделях микроволновых печей, что позволяет легко заменить их в случае необходимости. Единственное требование в таких случаях — обеспечить совместимость характеристик мощности. Чтобы купить магнетрон, можно посетить множество магазинов электроники, однако для правильного выбора важно разобраться в параметрах и маркировке. В микроволновых печах часто встречаются следующие модели магнетронов:

• 2М 213 (с номинальной мощностью 600 Вт и 700 Вт под нагрузкой);
• 2М 214 (с мощностью 1000 Вт);
• 2M 246 (с максимальной мощностью 1150 Вт).

Не рекомендуется производить замену магнетрона в домашних условиях даже после тщательного изучения всех основных параметров устройства. Во-первых, самостоятельный демонтаж может оказаться довольно сложным, а во-вторых, обеспечить безопасную работу прибора после установки может только квалифицированный специалист.

Средняя настройка магнетрона

Диагностика неисправностей и причин их возникновения

Чтобы не тратить деньги на новый прибор, важно продиагностировать старый, прежде чем вкладывать деньги в замену магнетрона. Это можно сделать в домашних условиях, используя обычный тестер для проверки на наличие дефектов. Для этого выполните следующие действия:

1. Для начала отключите микроволновую печь от источника питания.
2. Далее снимите защитную крышку и визуально осмотрите деталь.
3. С помощью тестера или мультиметра проверьте основные элементы печатной платы.
4. Не забудьте также осмотреть термореле.

После завершения диагностики можно сделать выводы о неисправности конкретных компонентов. К основным причинам выхода магнетрона из строя можно отнести следующие:

• Неисправность крышки вакуумной трубки. Вы можете заменить его самостоятельно, найдя аналогичный конденсатор от другого магнетрона. Места под колпачки имеют стандартную конфигурацию.
• Поломка нагревателя. Если микроволновая печь включена без чего-либо внутри или с неправильной загрузкой, магнетрон может перегреться, что приведет к чрезмерному нагреву нити накаливания и, в конечном счете, к ее поломке. Чтобы диагностировать эту проблему, необходимо измерить сопротивление между ножками конденсатора. Если значение находится в пределах 5-7 Ом, нагреватель все еще функционирует.
• Поломка проходного конденсатора. Если тестер не показывает "бесконечность" значение сопротивления между его контактами, конденсатор необходимо заменить.