Kommer magnetronen i mikrovågsugnar snart vara föråldrad?

Fråga vilken elektroingenjör som helst (förutom antikvitetssamlare) om de har några vakuumrör hemma och svaret kommer sannolikt att hamna någonstans mellan "du måste skämta - självklart" eller "inte sen jag gjorde mig av med min tjock-tv". Men vet du vad? Om du har en mikrovågsugn så har du ett vakuumrör – magnetronen.

Vad är en magnetron? Det är det första kända vakuumröret, tillsammans med det första förstärkande vakuumröret, trioden som uppfanns av Lee De Forest 1906. Magnetronen bygger på komplicerad fysik och elektromagnetism. Den använder ett starkt externt magnetfält som påverkar elektronflödet i en resonerande cirkelformad hålighet för att utveckla tiotals och hundratals watt med frekvenser upp till gigahertzområdet (GHz) (figur 1). Se Referenser för olika perspektiv på magnetronen.

Den utvecklades i England under andra världskriget och var en väl dold hemlighet eftersom den var nyckeln till radar som var tillräckligt kompakt för flygplan och fungerade med den tillräckligt höga frekvensen 500 megahertz (MHz) (en mycket hög frekvens på den tiden) för att ge användbar upplösning.

Figur 1: Magnetronen är ett specialiserat vakuumrör som utnyttjar interaktionen mellan elektriska och magnetiska fält i en ledande hålighet för att generera mikrovågor vid relativt höga effekter. (Bildkälla: Hyperphysics/Georgia State University)

Behovet av magnetronen har minskat i takt med utvecklingen av solid-state-effektförstärkare (SSPA:er) som når GHz+-delarna av spektrumet och den har i stort sett hamnat på museihyllorna, med undantag för uteffekter på många kilowatt (kW) (och även där dominerar solid-state-enheter).

Det finns dock kvar en plats där magnetronen lever vidare och det är som kärnenhet i mikrovågsugnar för konsumentmarknaden, samt i många kommersiella ugnar som används för bakning och torkning. Hur är det möjligt?

I korthet kan man säga att den är en kostnadseffektiv komponent när det gäller att göra ett tillräckligt bra jobb som RF-källa för massmarknaden till låg kostnad på flera hundra watt vid 2,45 GHz (figur 2). Det är både ironiskt och en demonstration av kraften i tillverkning i stora volymer att den topphemliga mikrovågskällan från andra världskriget nu är en massproducerad komponent som är huvudkomponent i ugnar som säljs för mindre än 100 USD för en basmodell och 500–1000 USD för en större och mer kraftfull modell.

Figur 2: Denna magnetron plus associerad vågledare från Panasonic är en enskild integrerad enhet som genererar och avger 2,45 GHz energi i hushållsmikrovågsugnar. (Bildkälla: Encompass Supply Chain Solutions, Inc.)

Men till och med magnetronens dagar i den här rollen kan vara på väg att ta slut – kanske.

Tillverkare av solid-state-effektförstärkare (SSPA) ser det som en stark potentiell tillväxtmarknad och inte bara på grund av att dessa enheter kan ersätta magnetronens funktion där. Sanningen är att den magnetronbaserade mikrovågsugnen har några allvarliga svagheter som blir tydliga ju mer du lär dig om den.

Till exempel är det svårt att modulera den utgående amplituden. När du ställer in ugnen på medelhög strömnivå pulsbreddsmoduleras (PWM) magnetronen för att ge den nivån som genomsnittlig effekt, men PWM-arbetscykeln är relativt lång – i storleksordningen tiotals sekunder – och är därför ineffektiv för kortare uppvärmningstider. Det finns även problem med att rikta RF-effekten så att den fyller ugnens hålighet jämnt och fullständigt. Det är därför du bör avbryta uppvärmningscykeln och röra om i maten, vilket de flesta inte gör. Även med den integrerade rotationsbrickan i många mikrovågsugnar kommer det att förekomma varma och kalla punkter.

Ska du välja en solid-state-effektförstärkare?

Om du tycker att det här bara är en kvalitativ bedömning av den magnetronbaserade enhetens tillkortakommanden, ta en titt på de detaljerade utvärderingarna i "RF Solid State Cooking White Paper" från Ampleon, en ledande förespråkare för användning av SSPA:er i mikrovågsugnar. Trots att de som återförsäljare kan vara jäviga är de tekniska detaljerna och testbilderna i rapporten imponerande och otvetydiga.

Ampleon erbjuder SSPA:er som är väl anpassade för standardugnar, som dess BLC2425M10LS500PZ (figur 3). Den här LDMOS-effekttransistorn på 500 watt har cirkamåtten 16 × 32 × 2 millimeter (mm) och är utformad för drift med kontinuerlig våg (CW) från 2,4 till 2,5 GHz, vilket täcker den kritiska 2,45 GHz-frekvensen som används i hushållsugnar.

Figur 3: Den kompakta BLC2425M10LS500PZ SSPA kan leverera upp till 500 watt kontinuerligt i mikrovågsugnens 2,4 till 2,5 GHz-område. (Bildkälla: Ampleon)

Varför 2,45 GHz? Se Eric Bogatins blogg "Varför arbetar mikrovågsugnar vid 2,45 GHz?" för att förstå varför. Och innan du svarar det så är det fel, det beror inte på vattenmolekylernas resonansfrekvens, vilket är en vanlig missuppfattning. Observera att många andra kommersiella ugnar arbetar på lägre frekvenser (och därmed längre våglängder) som 900 MHz, för att kunna fylla de större interna arbetsvolymerna effektivare.

En tydligare bild av uteffekt jämfört med frekvens för BLC2425M10LS500PZ SSPA visas i figur 4.

Figur 4: Effektförstärkning och urladdningseffektvitet som funktion av utgående effekt .Typiska värden för BLC2425M10LS500P effekt-LDMOS-transistor (Bildkälla: Ampleon)

Ampleon är inte den enda RF SSPA-återförsäljaren som ser möjligheten på den här marknaden. MACOM Technology Solutions, till exempel, beskriver möjligheten i sin anmärkning "Hur GaN omvandlar RF-energi- och matlagningstillämpningar". Där skriver de "Det har visats hur en stek kan lagas på samma tallrik som glass utan att den smälter, vilket visar precisionen hos riktad RF-energi", vilket verkligen fick min uppmärksamhet och förmågan att styra energinivå och distribution är en lockande fördel. Texten innehåller en användbar tabell som visar attributen hos magnetronbaserade ugnar jämfört med attributen hos PA-baserade motsvarigheter (tabell 1).

Tabell 1: Nyckelattribut för solid-state-effektförstärkare jämfört med magnetronmetoden vid 2,45 GHz. (Bildkälla: MACOM Technology Solutions)

De tekniska fördelarna är relativt tydliga när det gäller övergripande AC ledning till ändeffektivitet, RF-effektivitet, utgångsnivåstyrning samt även den DC-spänning som krävs (28 volt mot 4 kV). Det finns även ett långsiktigt tillförlitlighetsproblem eftersom magnetroner, eftersom de är vakuumrör, bryts ner med tiden och sedan brinner ut. I vissa kommersiella ugnar med hög användning byta magnetronerna faktiskt ut med några veckors mellanrum som standardunderhåll. Givetvis består SSPA-baserade system av mer än själva SSPA:n och det påverkar kostnader och andra designfaktorer (figur 5).

Figur 5: Det SSPA-baserade matlagningssystemet med RF-energi kräver en stor mängd stödkretsar utöver PA. (Bildkälla: MACOM Technology Solutions)

Slutsatser

Kommer SSPA-baserade mikrovågsugnar snart ersätta de magnetronbaserade modellerna i våra hem? Den högre kostnaden för SSPA (för tillfället) är förstås en viktig faktor, särskilt eftersom de flesta verkar nöjda med ugnarna för 100 till 500 USD. Även om enheten brinner ut efter några år anser många att det bara är at byta ut dem och de fungerar tillräckligt bra om du bara vill värma matrester eller popcorn.

Det är troligt att den inledande SSPA-användningen kommer att ske i kommersiella miljöer där den mycket högre effektiviteten, lägre driftkostnaderna och längre livslängden väger upp den högre investeringskostnaden. Kanske kommer utvecklingen att ske på liknande sätt som inom bilindustrin där tekniska framsteg först introduceras i premiumsegmentet och sedan gradvis med tiden kommer till mellanklass- och enklare modeller. Funktioner som bränsleinsprutning istället för förgasare fanns en gång bara i lyxbilar, men är nu standard i alla bilar.

Kanske kommer exklusiva mikrovågsugnar att ha en etikett på frontpanelen där det står "Med Solid State-efektförstärkare" som på de första solid-state-radioapparaterna som var märkta med "endast transistorer" eller senare generationers CD-spelare som visade för köparna (och deras vänner) att det fanns en "1-bitars DAC inuti" – även om konsumenterna inte hade an aning om vad det var!

Magnetronreferenser

• Wikipedia, "Cavity Magnetron" (innehåller länkar till många historiska referenser)
• Explain That Stuff, "How Magnetrons Work"
• Georgia State University, Hyperphysics, "The Magnetron"
• Georgia State University, Hyperphysics, "Microwave Ovens"
• Microwaves101, "Magnetrons"
• Engineering and Technology History Wiki, "Cavity Magnetron"
• The Valve Museum, "CV64"
• Lamps & Tubes, "CV64 Early British S-band Cavity Magnetron"
• Radar Tutorial EU, "Magnetron"
• Ampleon N.V., "RF Solid State Cooking"
• ARMMS RF and Microwave Society, "Summary of Magnetron Development"