Из чего состоит и как работает микроволновка. Ремонт микроволновой печи (СВЧ): стоит ли лезть самому, устройство печи, типичные случаи Устройство магнетрона микроволновой

Микроволновая печь применяется в быту для быстрого приготовления пищи уже довольно давно. Серийно их начали изготавливать в 1962 году и очень быстро эти приборы стали незаменимы практически на любой кухне. Приготовление пищи в печи происходит посредством обработки продуктов короткими электромагнитными волнами частотой 2,45 ГГц (сантиметровый диапазон), которые перемещаются в пространстве со скоростью 299,79 км/сек. При этом сама микроволновая печь не вырабатывает тепло, а только излучает радиоволны сверхвысокой частоты (СВЧ). Взаимодействуя с продуктами питания, эти волны заставляют молекулы жидкости, находящиеся в пище, вращаться с большой частотой. Возникающее при этом на молекулярном уровне трение и нагревает еду. Источником СВЧ-волн служит магнетрон, являющийся неотъемлемой частью микроволновки.

Принцип действия и конструкция магнетрона

Многие владельцы СВЧ-печей, изучая инструкцию по ее эксплуатации, задаются вопросом:

«Что такое магнетрон и как он работает?». Магнетроном (от греч. magnetis - магнит, электрон) в радиоэлектронике называют мощную вакуумную радиолампу-диод , в состав которой входят:

анод-резонатор цилиндрической формы, изготовленный из меди;
катод, в который встроена нить накала;
кольцевые магниты, установленные на торцах лампы.

Принцип работы магнетрона заключается в торможении потока электронов в пересекающихся под углом 90° электрическом и магнитном полях . Распределение магнитного поля, образованного торцевыми магнитами, обеспечивается магнитопроводом, роль которого выполняет внешний кожух магнетрона, оснащенный фланцем крепления его к волноводу. Взаимодействие потока электронов, эмитированного из катода, с этим магнитным полем вызывает появление СВЧ-волн, которые улавливаются проволочной петлей и выводятся наружу при помощи излучающей антенны, помещенной в керамический цилиндр. В качестве антенны используется специальная трубка (штенгель), с помощью которой из лампы откачивался воздух. На нее плотно запрессован металлический колпачок.

В процессе работы магнетрон сильно нагревается , поэтому в его конструкции предусмотрен пластинчатый радиатор, который к тому же обдувается вентилятором. Кроме того, прибор оснащается термопредохранителем. Проникновению высокочастотного излучения по проводам электропитания препятствует высокочастотный фильтр, состоящий из проходных конденсаторов и индуктивных выводов.

Совет! Магнетрон представляет собой сложный электронный прибор, разобрать и отремонтировать который непросто даже профессионалу. Поэтому, убедившись в том, что не работает именно магнетрон, лучше всего воспользоваться услугами сервисной службы, располагающей подготовленными сотрудниками, а также необходимым инструментарием и запчастями.

Ремонт магнетрона

самый сложный и дорогостоящий узел СВЧ-печ и. Отремонтировать его крайне сложно даже в условиях специализированных мастерских. Чаще всего неисправный магнетрон заменяют. Однако прежде, чем решиться на этот шаг, необходимо убедиться, что проблема именно в нем.

Важно! Выход из строя магнетрона сопровождается внешними проявлениями. Поэтому на первом этапе следует провести визуальный осмотр камеры микроволновки.

Основные внешние признаки , свидетельствующие о неисправности магнетрона, - необычные звуки, появление дыма или искрение, наличие оплавленных либо потемневших участков на стенах камеры.

Затем проверяют работоспособность таких узлов СВЧ-печки , как:

блок управления (БУ);
система, генерирующая высокочастотные радиоволны.

Диагностика блока управления

В зависимости от конструкции, СВЧ-печь может быть оснащена:

механическим БУ (Samsung ME81KRW-3|BW и др);
электронным БУ (Elenberg MG-2090D и аналогичные);
сенсорным БУ (LG MS20E47DKB и пр.).

Убедиться в неисправности блока управления можно, проверив мультиметром, поступает ли напряжение на вход повышающего трансформатор а. Если при включении таймера и выборе рабочего режима напряжение на выводах трансформатора отсутствует, значит БУ неисправен.

Блок управления, оснащенный механическим таймером и ручными переключателями режимов работы, отремонтировать несложно. Как правило, для этого достаточно визуально его осмотреть и проверить тестером наличие электрических сигналов на контактах переключателей и реле. Выявленные повреждения (поломанные детали, окисленные и обгоревшие контакты, оторванные провода и пр.) устраняют.

Если же СВЧ-печь оборудована электронным блоком управления , первичное диагностирование поможет провести дисплей, на котором при возникновении неисправности отображается некорректная информация. Если экран не засветился, то проверяют целостность его встроенного предохранителя. Электронный БУ устроен так, что способен самостоятельно диагностировать поломку. Включив режим диагностики и сверив коды ошибок на дисплее с таблицей их расшифровки (приведена в руководстве по эксплуатации), можно получить необходимую информацию о причине неисправности.

Совет! Электронный блок управления - это сложный радиоэлектронный узел, отремонтировать который без специальных измерительных приборов невозможно. Убедившись в его неисправности, нужно отнести печь в ближайшую мастерскую по ремонту сложной бытовой техники.

Проверка системы излучения радиоволн

Если БУ исправен, то проверяют узлы, относящиеся к системе СВЧ излучения. В общем случае она состоит из силового высоковольтного трансформатора и элементов электрической схемы вольтодобавки (цепи сдвига напряжения).

В СВЧ-печах используются специально разработанные высоковольтные трансформаторы типа МОТ (microwave oven transformator) . Конструктивно они содержат три обмотки:

первичную 220 В;
понижающую 3В;
повышающую 2 кВ.

Работоспособность трансформатора проверяют, последовательно прозванивая все обмотки тестером. При этом наименьшее сопротивление имеет понижающая обмотка (накал магнетрона), а наибольшее - высоковольтная. Если измерительный прибор показывает обрыв одной или нескольких обмоток, то трансформатор нужно заменить.

Важно! Может иметь место межвитковое замыкание в высоковольтной обмотке трансформатора. Об этом будет свидетельствовать недостаточная рабочая температура нагрева и/или повышенный гул. Измерить напряжение на выходных клеммах этой обмотки обычным тестером нельзя. Необходимо наличие специальных измерительных приборов. В случае межвиткового замыкания трансформатор также необходимо заменить.

Далее проверяют целостность элементов, входящих в схему умножителя напряжения. Кроме магнетрона, в нее входят высоковольтные радиоэлементы: конденсатор и диод. При этом проверить высоковольтный диод на пробой тестером нельзя - его внутреннее сопротивление достаточно велико. Измерить его можно исключительно посредством мегомметра. При выявлении неисправности детали, следует высоковольтный диод заменить.

Схема узла генерации СВЧ радиоволн

Затем должна быть проведена проверка конденсатора на пробой. Исправный прибор при измерении покажет сопротивление, близкое к «0», которое за несколько секунд должно вырастать до бесконечности. У неисправного - динамического изменения сопротивления не происходит, что свидетельствует об отсутствии контакта с обложками конденсатора. Также греть слабее печь может по причине утечки между обкладками прибора. Проверяется это при помощи мегомметра и источника высокого испытательного напряжения.

Неисправные высоковольтные радиоэлементы заменяют.

Причины неисправностей магнетрона

Проверить магнетрон в микроволновке без использования специальных приборов невозможно, однако он может выйти из строя по причине неисправности одной или нескольких деталей, входящих в его конструкцию .

Защитный колпачок , обеспечивающий вакуумность штенгеля. Если он заискрил - значит прогорел. Поврежденный колпачок нужно снять и заменить.
Нить накала , которая может оборваться в результате перегрева. Проверяют ее, используя обычный тестер. Сопротивление нити накала должно составлять от 2 до 7 Ом. Если измерительный прибор покажет «бесконечность», то нужно проверить целостность соединения дросселей с клеммами магнетрона.
Монтажная плата с элементами электрической схемы питания магнетрона. Помимо визуального осмотра необходимо также прозвонить тестером установленные на ней комплектующие.
Термопредохранитель , который также проверяется посредством тестера. В нормальном состоянии его сопротивление равно «0».
Проходные конденсаторы , целостность которых проверяют, измеряя сопротивление между корпусом магнетрона и выводами. Они работоспособны, если их сопротивление равно бесконечности. Во всех остальных случаях конденсаторы подлежат замене.

Важно! Меняя конденсаторы, нельзя пользоваться обычным припоем. В обязательном порядке необходимо применение тугоплавкого припоя. Можно также воспользоваться устройством для контактной сварки.

Замена магнетрона

Убедившись, что микроволновка не функционирует из-за выхода из строя магнетрона, прибор меняют . Лучше, конечно, эту операцию поручить квалифицированным специалистам сервисного центра, но ее сможет осуществить и любой человек, умеющий работать с отверткой и тестером.

Выбирая новый магнетрон , особое внимание обращают на то, чтобы:

показатели мощности его и микроволновки совпадали, необходимый параметр указывается в сопроводительной документации к СВЧ-печи;
крепежные отверстия и расположение соединительных контактов сходились с имеющимися у демонтированного магнетрона;
длина и диаметр антенны соответствовали геометрическим размерам антенны старого изделия.

Совет! Демонтировать неисправный магнетрон и правильно подключить вместо него новый не составит большого труда, однако при этом нужно обеспечить плотное прилегание нового изделия к волноводу.

Профилактика неисправностей

Срок службы магнетрона можно значительно увеличить, если постоянно поддерживать чистоту слюдяной прокладки, защищающей волновод от попадания в него частиц жира и/или пищи. В противном случае пищевые фрагменты на накладке обугливаются и становятся электропроводными, что приводит к появлению искрения в камере. Также уберечь магнетрон от поломок можно, подключив СВЧ-печь к электросети через стабилизатор, который исключит колебания величины сетевого напряжения, вызывающие ускоренный износ нити накала.

Самые лучшие микроволновые печи

Микроволновая печь Samsung ME88SUG на Яндекс Маркете

Микроволновая печь Horizont 20MW700-1378AAW на Яндекс Маркете

Микроволновая печь BBK 20MWS-726S/W на Яндекс Маркете

Микроволновая печь Samsung GE88SUT на Яндекс Маркете

Микроволновая печь Bosch BFL524MS0 на Яндекс Маркете

Микроволновая печь прочно вошла в обиход и стала одним из незаменимых атрибутов любой квартиры. Этот бытовой прибор позволяет за считаные минуты разогреть или приготовить пищу при помощи невидимого для глаза излучения.

Но чтобы узнать, откуда берется это излучение и насколько оно безопасно для человека, необходимо понимать устройство и принцип работы магнетрона микроволновой печи, который и является генератором высокочастотных волн.

Магнетрон

Что такое микроволны и как они нагревают пищу

Микроволновым называется электромагнитное излучение с длиной волны от 1 мм до 1 м. Данный вид излучения используется не только в бытовых целях, но также в системах навигации и радиолокации, а кроме того обеспечивает работу сотовой связи и спутникового телевидения.

Микроволны могут генерироваться как искусственным, так и естественным способом (например, на Солнце). Другое название микроволн – это излучение сверхвысокой частоты, или СВЧ.

Во всех типах бытовых микроволновок установлена единая частота излучения, равная 2450 МГц. Данная величина является международным стандартом, которого производители бытовой техники должны строго придерживаться, чтобы их продукция не создавала помехи в работе других микроволновых устройств.

Микроволновое излучение

Тепловое воздействие СВЧ-излучения было обнаружено американским физиком Перси Спенсером в 1942 году. Именно он запатентовал применение устройства, генерирующего микроволны, для приготовления пищи, тем самым положив начало использования микроволновых печей в быту.

В последующие несколько десятилетий эта технология была доведена до совершенства, что позволило наладить массовый выпуск простых и недорогих устройств для быстрого .

Чтобы нагреть какой-либо материал в микроволновой печи, необходимо присутствие в его составе дипольных молекул, то есть молекул, имеющих противоположные электрические заряды на обоих концах.

В пищевых продуктах главным их источником является вода. Под воздействием излучения сверхвысокой частоты эти молекулы начинают выстраиваться вдоль силовых линий электромагнитного поля, меняя свое направление около 5 миллиардов раз в секунду. Возникающее между ними трение сопровождается выделением тепла, которое и нагревает пищу.

Однако микроволны не способны проникнуть глубже, чем на 2-3 см от поверхности продукта, поэтому все, что находится под этим слоем, прогревается за счет теплопроводности от нагретых участков.

Нагрев пищи при помощи СВЧ

Устройство магнетрона и его применение

В большинстве видов микроволновой техники генератором сверхвысокочастотных колебаний является магнетрон. Устройства, похожие по своему принципу действия – клистроны и платинотроны, не получили настолько широкое распространение. Впервые магнетрон был применен в СВЧ-печах в 1960 году. Наиболее часто в технике используется многорезонаторный магнетрон, состоящий из нескольких компонентов:

Анод. Представляет собой медный цилиндр, разделенный на сектора с толстыми металлическими стенками. Эти объемные полости и являются резонаторами, создающими кольцевую систему колебаний. На анод подается напряжение порядка 4000 вольт.
Катод. Расположен в центральной части магнетрона и представляет собой цилиндр, внутри которого находится нить накаливания. В этой части устройства происходит эмиссия электронов. На подогреватель (нить накала) подается напряжение 3 вольта.
Кольцевые магниты. Электромагниты или постоянные магниты большой мощности, расположенные в торцевых частях прибора, необходимы для создания магнитного поля, направленного параллельно оси магнетрона. Движение электронов также осуществляется в этом направлении.
Проволочная петля. Она соединена с катодом, закреплена в резонаторе и выведена к антенне-излучателю. Петля служит для вывода сверхвысокочастотного излучения в волновод, после которого оно попадает прямо в камеру микроволновки.

Устройство магнетрона

Благодаря простоте конструкции и невысокой стоимости магнетроны нашли применение во многих сферах, но наибольшее распространение они имеют:

В СВЧ-печах. Помимо быстрого приготовления и размораживания пищи в бытовых печах, магнетроны позволяют также выполнять производственные задачи. Промышленная микроволновая печь может осуществлять нагрев, сушку, плавление, обжиг и многое другое. При этом важно помнить, что микроволновку нельзя включать пустой, поскольку в этом случае излучение не будет ничем поглощаться и вернется обратно на волновод, что может привести к его поломке.
В радиолокации. Антенна радара, подключенная к волноводу, фактически является коническим облучателем и используется совместно с параболическим отражателем (тарелкой). Магнетрон вырабатывает мощные короткие импульсы энергии с малой длиной волны, часть которой, отражаясь, снова поступает на антенну и далее на чувствительный приемник, обрабатывающий сигнал и выводящий его на экран.

Магнетроны в радиолокации

Принцип работы магнетрона

Работа микроволновой печи основана на преобразовании электрической энергии в электромагнитное излучение сверхвысокой частоты, которое приводит в движение молекулы воды, находящиеся в пище. Дипольные молекулы, постоянно меняющие направление, вырабатывают тепло, которое и позволяет быстро нагреть продукты, при этом сохраняя их полезные свойства. Устройством, которое генерирует микроволны, является магнетрон.

Магнетрон, по сути, является электровакуумным диодом, в работе которого применяется явление термоэлектронной эмиссии. Данное явление возникает в процессе нагрева поверхности эмиттера или катода. Под действием высокой температуры наиболее активные электроны стремятся покинуть его поверхность, но это будет происходить только тогда, когда на анод подается напряжение. При этом возникает электрическое поле, и электроны начинают движение к аноду, направляясь вдоль его силовых линий. Если электроны оказываются в зоне действия магнитного поля, то их траектории отклоняются в сторону направления силовых линий.

Электровакуумный диод

Анод магнетрона имеет форму цилиндра с системой полостей, или резонаторов, внутри которого находится катод с нитью накаливания. Два кольцевых магнита, расположенных по краям анода, создают внутри анода магнитное поле, благодаря которому электроны не движутся напрямую от катода к аноду, а меняют свою траекторию, вращаясь вокруг катода. Вблизи резонаторов электроны отдают им часть своей энергии, что приводит к образованию в их полостях мощного сверхвысокочастотного поля, которое выводится наружу с помощью проволочной петли, подключенной к антенне-излучателю.

Чтобы привести в действие магнетрон, необходимо подать на анод высокое напряжение порядка 3-4 тысяч вольт. Поэтому подключение магнетрона к бытовой электросети осуществляется посредством высоковольтного трансформатора. Помимо этого схема включения микроволновой печи включает в себя волновод, передающий излучение внутрь камеры, цепь коммутации, блок управления, а также элементы защиты и охлаждения. Кроме того, внутренние стенки камеры и тонкая металлическая сетка на дверце устройства препятствуют выходу излучения за его пределы.

Схема включения магнетрона

Как магнетрон влияет на мощность СВЧ

Большинство современных производителей микроволновых печей предлагают возможность выбора мощности прибора. От этого параметра, в свою очередь, зависит режим работы (разморозка или нагрев) и скорость нагрева пищи. Однако конструктивные особенности магнетрона не позволяют уменьшить его мощность, поэтому для снижения интенсивности нагрева питание на него подается через определенные промежутки времени. Эти паузы в работе магнетрона можно заметить, если включить микроволновку на средней мощности и прислушаться к звуку ее работы.

Не так давно некоторые производители бытовой техники заявили о появлении ряда моделей микроволновых печей с инверторной схемой питания. Применение этой схемы позволило не только увеличить объем полезного пространства в камере за счет уменьшения габаритов излучателя, но и снизить энергопотребление устройства. В отличие от обычных моделей, температура нагрева в печах инверторного типа меняется плавно, однако их стоимость на порядок выше.

Охлаждение и защита магнетрона

Во время работы магнетрон выделяет большое количество тепла, поэтому на его корпус устанавливается радиатор. Поскольку перегрев является основной причиной выхода из строя магнетрона, то для его защиты применяются и другие методы:

Термореле. Данное устройство используется для защиты магнетрона, а также гриля, если он имеется в модели. Термопредохранитель оснащен биметаллической пластиной, которая может быть настроена под определенную температуру. При превышении этого значения она изгибается и размыкает цепь питания.
Вентилятор. Он не только обдувает прохладным воздухом радиатор магнетрона, но и выполняет ряд других полезных функций, таких как охлаждение электронных компонентов устройства, циркуляция воздуха внутри камеры во время работы гриля, а также отвод горячего пара наружу через специальные отверстия.
Система блокировки. Несколько микропереключателей контролируют положение дверцы микроволновки, не позволяя магнетрону включаться при ее открытом положении.

Термореле

Можно ли заменить магнетрон

Главное преимущество современных магнетронов для бытовых микроволновых печей в их взаимозаменяемости. На различные модели микроволновок будут подходить магнетроны производства других фирм, поэтому при необходимости их можно менять. При этом единственным необходимым требованием будет соответствие по мощности. Купить магнетрон можно во многих магазинах электроники, однако чтобы сделать правильный выбор, необходимо разобраться в его параметрах и маркировке. Наиболее часто в микроволновках устанавливаются следующие модели магнетронов:

2М 213 (600 Вт номинальной мощности и 700 Вт под нагрузкой);
2М 214 (1000 Вт);
2М 246 (1150 Вт – наибольшая мощность).

Даже изучив все необходимые параметры этого устройства, производить замену магнетрона в домашних условиях не рекомендуется. Во-первых, снять его самостоятельно будет довольно тяжело, а во-вторых, обеспечить его безопасную работу после установки сможет только квалифицированный специалист.

Стандартная конфигурация магнетрона

Диагностика неисправностей и причины их появления

Замена магнетрона может потребовать довольно существенных финансовых затрат, поэтому прежде чем покупать новое устройство, необходимо произвести диагностику старого, чтобы убедиться, что оно действительно неисправно. Проверка может быть выполнена в домашних условиях с помощью обычного тестера. Для этого потребуется:

Отключить микроволновку от электросети.
Снять защитную крышку и провести визуальный осмотр детали.
«Прозвонить» основные элементы печатной платы при помощи тестера или «мультиметра».
Провести осмотр термореле.

Диагностика

По окончании диагностики можно сделать выводы о неисправности тех или иных деталей. К основным причинам выхода из строя магнетрона можно отнести следующие:

Неисправность колпачка вакуумной трубки. Его можно заменить самостоятельно, просто подобрав аналогичный колпачок с другого магнетрона. Посадочные места таких колпачков имеют стандартную конфигурацию.
Обрыв подогревателя. При или ее неправильной загрузке магнетрон будет перегреваться, что может привести к чрезмерному накаливанию нити и ее обрыву. Для ее диагностики необходимо измерить сопротивление между ножками конденсатора. Если его значение находится в пределах 5-7 Ом, то подогреватель исправен.
Пробой проходного конденсатора. Если тестер не показывает «бесконечное» значение сопротивления между его контактами, то конденсатор необходимо заменить.

Главная деталь в любой СВЧ печи - это магнетрон. Магнетрон - это такая специальная вакуумная лампа, которая создаёт СВЧ-излучение. СВЧ-излучение весьма интересным образом воздействует на обычную воду, которая содержится в любой пище.

При облучении электромагнитными волнами частотой 2,45 ГГц молекулы воды начинают колебаться. В результате этих колебаний возникает трение. Да, обычное трение между молекулами. За счёт трения выделяться тепло. Оно то и разогревает пищу изнутри. Вот так вкратце можно объяснить принцип действия микроволновки.

Конструкция микроволновки.

Конструктивно микроволновая печь состоит из металлической камеры, в которой приготавливается пища. Камера снабжена дверцей, которая не позволяет излучению выйти наружу. Для равномерного разогрева пищи внутри камеры установлен вращающийся столик, который приводится в движение мото-редуктором (мотором), который сокращённо называется T.T.Motor (Turntable motor ).

СВЧ-излучение генерируется магнетроном и через прямоугольный волновод подаётся в камеру. Для охлаждения магнетрона во время работы служит вентилятор F.M (Fan motor ), который прогоняет холодный воздух через магнетрон. Далее нагретый воздух от магнетрона через воздуховод направляется в камеру и также используется для нагрева пищи. Через специальные неизлучающие отверстия часть нагретого воздуха и водяной пар выводится наружу.

В некоторых моделях СВЧ-печей для формирования равномерного нагрева пищи используется диссектор, который устанавливается в верхней части камеры микроволновки. Внешне диссектор напоминает вентилятор, но он предназначен для создания определённого типа СВЧ-волны в камере так, чтобы осуществлялся равномерный прогрев пищи.

Электрическая схема микроволновки.

Давайте взглянем на упрощённую электрическую схему рядовой микроволновки (кликните для увеличения).

Как видим, схема состоит из управляющей части и исполнительной. Управляющая часть, как правило, состоит из микроконтроллера, дисплея, кнопочной или сенсорной панели, электромагнитных реле, зуммера. Это "мозги" микроволновки. На схеме всё это изображено отдельной платой с надписью Power and Control Curcuit Board . Для питания управляющей части микроволновки используется небольшой понижающий трансформатор . На схеме он отмечен как L.V.Transformer (показана только первичная обмотка).

Микроконтроллер через буферные элементы (транзисторы) управляет электромагнитными реле : RELAY1 , RELAY2 , RELAY3 . Они включают/выключают исполнительные элементы СВЧ-печи в соответствии с заданным алгоритмом работы.

Исполнительные элементы и цепи - это магнетрон (Magnetron), мото-редуктор столика T.T.Motor (Turntable motor), охлаждающий вентилятор F.M (Fan Motor ), ТЭН гриля (Grill Heater ), лампа подсветки O.L (Oven Lamp ).

Особо отметим исполнительную цепь, которая является генератором СВЧ-излучения.

Начинается эта цепь с высоковольтного трансформатора (H.V.Transformer ). Он самый здоровый в микроволновке. Собственно, это и не удивительно, ведь через него нужно прокачать мощность в 1500 - 2000 Вт (1,5 - 2 kW), необходимых для магнетрона. Выходная же (полезная) мощность магнетрона 500 - 850 Вт.

К первичной обмотке трансформатора подводится переменное напряжение сети 220V. С одной из вторичных обмоток снимается переменное напряжение накала 3,15V. Оно подводится к накальной обмотке магнетрона. Накальная обмотка необходима для генерации (эмиссии) электронов. Стоит отметить, что ток, потребляемый этой обмоткой, может достигать 10A.

Другая вторичная обмотка высоковольтного трансформатора, а также схема удвоения напряжения на высоковольтном конденсаторе (H.V.Capacitor ) и диоде (H.V. Diode ) создаёт постоянное напряжение в 4kV для питания анода магнетрона. Ток анода небольшой и составляет где-то 300 мА (0,3A).

В результате электроны, эмитированные накальной обмоткой, начинают своё движение в вакууме.

Особая траектория движения электронов внутри магнетрона создаёт СВЧ-излучение, которое и нужно нам для нагрева пищи. СВЧ-излучение отводится из магнетрона с помощью антенны и поступает в камеру через отрезок прямоугольного волновода.

Вот такая несложная, но весьма изощрённая схема является неким СВЧ-нагревателем. Не стоит забывать, что сама камера СВЧ-печи является элементом данного СВЧ-нагревателя, так как представляет, по сути, резонатор, в котором возникает электромагнитное излучение.

Кроме этих элементов в схеме микроволновой печи есть множество защитных элементов (см. термовыключатели KSD и аналоги.). Так, например, термовыключатель контролирует температуру магнетрона. Его штатная температура при работе где-то 80 0 - 100 0 C. Этот термовыключатель крепится на магнетроне. По умолчанию он не показан на упрощённой схеме.

Другие защитные термовыключатели подписаны на схеме, как OVEN THERMAL CUT-OUT (устанавливается на воздуховоде), GRILL THERMAL CUT-OUT (контролирует температуру гриля).

При наличии нештатной ситуации и перегреве магнетрона термовыключатель размыкает цепь, и магнетрон перестаёт работать. При этом термовыключатель выбирается с небольшим запасом - на температуру отключения 120 - 145 0 С.

Весьма важными элементами микроволновой печи являются три переключателя, которые встроены в правый торец камеры СВЧ-печи. При закрытии передней дверцы два переключателя замыкают свои контакты (PRIMARY SWITCH - главный выключатель, SECONDARY SWITCH - вторичный выключатель). Третий - MONITOR SWITCH (контрольный выключатель) - размыкает свои контакты при закрытии дверцы.

Неисправность хотя бы одного из этих выключателей приводит к неработоспособности микроволновки и срабатыванию плавкого предохранителя (Fuse).

Чтобы снизить помехи, которые поступают в электросеть при работающей СВЧ-печи, имеется сетевой фильтр - NOISE FILTER .

Дополнительные элементы микроволновки.

Кроме базовых элементов конструкции, микроволновка может быть оснащена грилем и конвектором. Гриль может быть выполнен в виде нагревательного элемента (ТЭН"а) или инфракрасных кварцевых ламп. Эти элементы микроволновки очень надёжны и редко выходят из строя.

Нагревательные элементы гриля: металло-керамический (слева) и инфракрасный (справа).

Инфракрасный нагреватель представляет собой 2 последовательно включенные инфракрасные кварцевые лампы на 115V (500 - 600W).

В отличие от микроволнового нагрева, который происходит изнутри, гриль создаёт тепловое излучение, которое разогревает пищу снаружи внутрь. Гриль разогревает пищу медленнее, но без него невозможно приготовить поджаристую курочку .

Конвектор - это, не что иное, как вентилятор внутри камеры, который работает в паре с нагревателем (ТЭН"ом). Вращение вентилятора обеспечивает циркуляцию горячего воздуха в камере, что способствует равномерному прогреву пищи.

Про фьюз-диод, высоковольтный конденсатор и диод.

Элементы в цепи питания магнетрона обладают интересными свойствами, которые нужно учитывать при ремонте микроволновки.

Для тех, кто желает более детально разобраться в устройстве СВЧ-печей, подготовлен архив с сервисными инструкциями микроволновых печей (Daewoo, SANYO, Samsung, LG). В инструкции приведены принципиальные схемы, схемы разборки, рекомендации по проверке элементов, список комплектующих.

Определение . Многорезонаторными магнетронами называют электронные приборы, в которых образование электронного потока и его взаимодействие с переменными электрическими полями ряда колебательных контуров-резонаторов происходит в стационарных скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнетроны служат генераторами незатухающих колебаний в диапазоне от миллиметровых до метровых волн.

Устройство . Анодный блок многорезонаторного магнетрона (рис. 5-1) представляет собой невысокий медный цилиндр с рядом отверстий, параллельных оси цилиндра. Вместе со щелями, соединяющими эти отверстия с центральным, они образуют объемные резонаторы. Таким образом, анодный блок представляет собой систему связанных контуров. Часть анодного блока, заключенная между двумя соседними щелями, называется сегментом. В центральном отверстии расположен катод в виде цилиндра, боковая поверхность которого покрыта оксидным слоем. Пространство между катодом и анодным блоком называется пространством взаимодействия. Здесь поток электронов, движущихся от катода к аноду, взаимодействует с переменными электрическими полями, сконцентрированными вблизи щелей колебательных систем. В одном из резонаторов имеется петля связи, с помощью которой энергия высокочастотных колебаний отводится из магнетрона. Как правило, анодный блок магнетрона заземляется а катоду сообщается достаточно высокий отрицательный потенциал.

Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, образуемое постоянным магнитом, полюсы которого находятся вблизи торцовых поверхностей анодного блока. Поэтому движение электронов в пространстве взаимодействия подобно движению электронов в системе цилиндрических электродов, помещенной в осевое магнитное поле (рис. 4-5). Однако траектории электронов в магнетроне более сложные, так как, помимо постоянных электрического и магнитного полей, в пространстве взаимодействия имеется переменное электрическое поле, влияющее на движение электронов.

Принцип действия . Механизм возникновения незатухающих колебаний в магнетроне такой же, как и в любом автогенераторе. Начальные колебания в резонаторах магнетрона возникают в результате флуктуации электронного потока. Частота этих колебаний в общем случае несколько отличается от собственной резонансной частоты колебательных систем, так как анодный блок магнетрона образует систему сложно связанных контуров. Колебания поддерживаются за счет энергии источника постоянного напряжения анод - катод, которая с помощью электронного потока, ускоряемого постоянным электрическим полем и взаимодействующего с переменным электрическим полем вблизи щелей резонаторов, передается полю волны. Такую направленную передачу энергии можно осуществить, как известно, если электронный поток взаимодействует с переменным электрическим полем определенной фазы. Для этого электронный поток должен быть сгруппирован в сгустки, время прохождения которых вблизи щели резонатора совпадало бы со временем существования там поля в нужной фазе.

Движение электронов от катода к аноду в магнетроне происходит не во всех азимутальных направлениях равномерно. Потоки электронов к аноду создаются лишь в некоторых областях пространства взаимодействия, образуя так называемые электронные спицы (рис. 5-2, а). Число спиц зависит от характера высокочастотных колебаний и в наиболее употребительном режиме работы магнетрона равно половине числа резонаторов. Электроны в спицах перемещаются к аноду по сложным петлеобразным траекториям, так как характер их движения определяется суммарным воздействием постоянного и переменного электрических полей и постоянного магнитного поля.

Спицы образуются вблизи участков катода, лежащих против тех сегментов анода, которые в данный момент оказываются благодаря наложению переменного электрического поля заряженными до более положительного потенциала (рис. 5-2, б). Так как с изменением фазы колебаний меняются знаки заряда на сегментах анода, то изменяются и участки катода, вблизи которых формируются спицы. Спицы как бы вращаются в пространстве взаимодействия со скоростью, зависящей от частоты колебаний и фазовых соотношений для полей двух соседних резонаторов.

Скорость вращения спиц такова, что моменты прохождения электронов вблизи щелей резонаторов всегда совпадают с моментами существования там нужной фазы поля. Иначе говоря, вращение спиц синхронизируется с изменением фазы высокочастотных колебаний.

При сложном движении в спице от катода к аноду электроны на каждом витке теряют часть своей потенциальной энергии, которая и передается полю.

Электроны, отдавшие свою энергию полю, непрерывно уходят на анод, а спицы пополняются новыми электронами, эмиттированными катодом. Таков в общих чертах принцип работы многорезонаторного магнетрона.

5-2. Виды колебаний в магнетроне

Возможные виды колебаний. Как видно из рис. 5-1, анодный блок магнетрона представляет собой цепочку из N объемных резонаторов, свернутую в кольцо. Вообще говоря, в такой системе связанных резонаторов может возникнуть N различных видов колебаний. Однако в замкнутой системе из N резонаторов существуют только те колебания, для которых суммарная разность фаз при обходе по окружности анодного блока равна:

Ф = 2πn, (5-1)

где n = 0, 1, 2, ..., N определяет число целых периодов высокочастотного колебания, укладывающихся вдоль окружности анодного блока.

Иначе говоря, если волна в некоторой точке анодного блока характеризовалась фазой ψ, то при распространении вдоль цепочки резонаторов она должна возвратиться в эту точку с той же фазой. В противном случае в результате интерференции волна уничтожится.

Разность фаз колебаний в соседних резонаторах, следовательно, должна быть равна:

Из формулы (5-2) легко видеть, что при целочисленных значениях n, больших N, возможные величины фазовых сдвигов будут повторять величины φ для 0

Основным видом колебаний в многорезонаторном магнетроне являются π-колебания или противофазные колебания, соответствующие n = N/2 и φ = π. Этот вид колебаний не имеет дублета и, как будет показано, возникает при меньших, по сравнению с другими видами, анодных напряжениях и магнитных полях.

Колебания π-вида, как это видно из (5-2), могут возникнуть в магнетроне лишь при четном числе N. Поэтому анодные блоки многорезонаторных магнетронов обязательно содержат четное число резонаторов.

Поля в магнетроне . На рис. 5-3 показаны картины переменных электрического и магнитного полей в магнетроне при разных значениях n. Для наглядности анодный блок магнетрона изображен в развернутом виде (рис. 5-3, а). Ниже на развертках анодного блока пунктиром показаны силовые линии переменного магнитного поля для момента времени, соответствующего максимуму тока в контуре. Под развертками блока изображены кривые распределения высокочастотного потенциала вдоль поверхности анода. Силовые линии переменного электрического поля, когда ток в контуре равен нулю, показаны слева.

5-3. Взаимодействие электронов с переменным электрическим полем

Образование электронных спиц . Образование переменного по плотности электронного потока - электронных спиц - в многорезонаторном магнетроне осуществляется, как и во всех приборах типа М, за счет взаимодействия электронов с переменным неоднородным электрическим полем. Физические процессы, лежащие в основе такого взаимодействия, рассмотренные в гл. 4, справедливы и для многорезонаторного магнетрона.

В отсутствие колебаний в магнетроне электрон, покинувший катод с нулевой скоростью, движется по эпициклоидальной траектории (рис. 5-4, а). При возникновении колебаний вблизи щелей резонаторов образуются неоднородные электрические поля.

Рис. 5-4. Картины неоднородного электрического поля и траектории электронов. а - в отсутствие колебаний; б - траектория нерабочего электрона; в - траектория "рабочего" электрона

В отличие от рассмотренного в гл. 4 случая плоских электродов, движение электронов в магнетроне следует рассматривать с учетом его взаимодействия с радиальной и тангенциальной составляющими переменного электрического поля. Однако общая картина от этого не меняется. Воздействие радиальной составляющей поля аналогично влиянию поперечной составляющей в случае плоских электродов, а тангенциальная составляющая поля действует так же, как продольная. На рис. 5-4, б и в показаны картины неоднородного электрического поля, составляющие векторов напряженностей в различных точках поля и характер движения электронов для двух различных моментов времени, разделенных интервалом, равным половине периода колебаний.

В первом случае электрон, вылетевший с поверхности катода, описывая дугу эпициклоиды, оказывается в поле резонатора в тот момент, когда вектор тангенциальной составляющей поля противоположен по направлению вектору скорости электрона в верхней части витка. Суммарное электрическое поле в точке 5 характеризуется вектором ε σ 5 , отклоненным от радиального направления влево. В результате поверхность качения образующей окружности искривляется и электрон, описав виток, оказывается у поверхности катода с некоторым запасом энергии, которую он и рассеивает в виде тепла при соударении с катодом. Таким образом, большинство электронов, вылетающих с катода против резонаторов, поле которых характеризуется рассмотренной фазой, удаляются на катод. Исключение могут составить лишь те электроны, начальная скорость которых позволит им остаться в пространстве взаимодействия. Взаимодействие этих электронов с радиальной составляющей приводит к уменьшению плотности электронного потока в этой области поля. В самом деле, скорость электрона в точке 4 уменьшается, а в точке 6 - увеличивается относительно скорости центрального электрона, находящегося в точке 5 (см. § 4-2). Происходит разгруппирование электронов.

Иной характер имеет движение электронов, попадающих в противоположную фазу поля (рис. 5-4, в). Под действием радиальной составляющей электрон в точке 1 приобретает дополнительную скорость в тангенциальном направлении, а скорость электрона в точке 3 уменьшается. Электроны группируются в сгусток вокруг электрона, находящегося в точке 2. Происходит фазовая фокусировка электронного потока.

В результате сложения вектора тангенциальной составляющей неоднородного поля ε τ 2 и вектора ε постоянного электрического поля суммарный вектор ε σ 2 отклоняется вправо. Поверхность качения образующей окружности поднимается над поверхностью катода. Траекторию движения электрона можно приближенно представить как траекторию точки окружности, катящейся по некоторой криволинейной поверхности, уходящей от катода к аноду. Число "петель" в траектории и "крутизна" образующей поверхности зависят от величины анодного напряжения, магнитной индукции, а также от интенсивности переменного электрического поля.

Итак, на анод, описывая петлеобразные траектории, устремляются лишь электроны, покидающие те участки катода, против которых в данный момент времени существует тормозящее электроны переменное электрическое поле: в магнетроне образуются электронные спицы. Число таких спиц при противофазном виде колебаний равно половине числа резонаторов (см. рис. 5-2, а).

Движение электронных спиц . Поскольку через каждые полпериода знаки высокочастотных потенциалов на сегментах меняются на обратные (неоднородное поле как бы вращается вокруг оси прибора), перемещаются вслед за полем и электронные спицы. Для обеспечения нужной угловой скорости вращения спиц требуется, как мы увидим далее, определенная величина разности потенциалов между анодом и катодом. Такое синхронное с перемещением поля вращение электронных спиц обеспечивает не только непрерывное уплотнение электронов в спицах - их фазовую фокусировку, но и необходимый режим обмена энергией между электронами и сверхвысокочастотным полем.

Передача энергии от электронов полю . Электроны, образующие спицу одновременно с вращательным движением, описывая витки эпициклоиды, поднимаются от катода и постепенно уходят на анод. По мере вращения спица пополняется электронами с новых участков катода. Таким образом, электроны в спицах непрерывно перемещаются в радиальном направлении от катода к аноду. Эта составляющая движения электронов сопровождается уменьшением их потенциальной энергии.

Энергия электронов передается электромагнитному полю, взаимодействие с электрической составляющей которого и служит причиной рассмотренного движения электронов.

Для обеспечения радиального перемещения электронов, как и для вращательного движения спиц, требуются определенные величины разности потенциалов анод - катод и напряженности магнитного поля.

5-4. Рабочий режим магнетрона

В предыдущих параграфах отмечалось, что для обеспечения движения рабочих электронов по петлеобразным траекториям, их перемещения в радиальном направлении и получения нужной угловой скорости вращения спиц требуются определенные соотношения между напряженностью ε постоянного электрического поля и магнитной индукцией В. Выбор соответствующих величин ε и В и определяет рабочий режим магнетрона.

Парабола критического режима . Если анодное напряжение магнетрона больше критического, то условия передачи электронами энергии высокочастотному полю не выполняются. В самом деле, при U а > U а.кр электроны, двигаясь по криволинейным траекториям (см. рис. 4-7), устремляются к аноду. При этом высокочастотные колебания, даже если они и возникли, не могут поддерживаться за счет энергии электронов, которые не описывают петель и практически не взаимодействуют с переменным электрическим полем вблизи щелей резонаторов. Поэтому рабочие значения анодных напряжений должны лежать ниже параболы критического режима (рис. 4-6), которая описывается уравнением (4-38).

Потенциал синхронизации . Однако для нормальной работы магнетрона недостаточно движения электронов по петлеобразным траекториям. Необходимо, кроме того, добиться вращения спиц с определенной угловой частотой, синхронной с изменением фазы сверхвысокочастотных колебаний. Условие синхронизма может выполняться при различных значениях угловой скорости вращения спиц. В самом деле, при колебаниях вида π время t c движения спицы между двумя соседними резонаторами может равняться не только половине периода, но и любому целому числу полупериодов:

где p = 0, 1, 2, 3 ...

Графики движения электронов для колебаний π-вида при различных значениях р изображены пунктирными прямыми на рис. 5-5.

Рис. 5-5. Картина переменного электрического поля и графики движения электронов при колебаниях π-вида

На графике по оси ординат отложено время и под резверткой анодного блока изображены кривые распределения высокочастотного потенциала через каждые четверть периода. В течение всего времени узлы напряжения остаются в середине щелей. Во всех случаях, когда р - целое число, электроны оказываются в тормозящем поле вблизи каждого резонатора. В зависимости от р изменяется лишь угловая скорость ω 0 вращения электронов. Максимальная величина ω 0 соответствует p = 0, когда t c = T/2.

Для характеристики угловой скорости вращения электронов удобно ввести некоторый параметр k, равный числу периодов, в течение которых электрон проходит мимо всех резонаторов и возвращается к исходной точке. Тогда время движения электрона между соседними резонаторами, выраженное в долях периода Т, определится соотношением

В случае π-колебаний выражение (5-3) принимает вид:

Обобщая это соотношение и для других видов колебаний, получим:

Используя параметр k, нетрудно получить выражение угловой скорости вращения электронов для колебаний любого вида:

где λ = сТ - длина волны колебаний в магнетроне, а c - скорость света.

Для обеспечения угловой скорости вращения необходимо, чтобы электрон, находящийся в спице у поверхности анода, обладал тангенциальной скоростью

Кинетическую энергию в магнетроне электрон приобретает за счет постоянного электрического поля, определяемого разностью потенциалов U а. У поверхности анода (r = r а) наибольшее значение энергии электрона равно:

E K = eU a . (5-9)

В условиях синхронного движения энергия электрона у поверхности анода должна быть:

Приравнивая (5-9) и (5-10), получим значение анодного напряжения, необходимого для обеспечения синхронного вращения электронов:

Эта величина, называемая потенциалом синхронизации, определяет наименьшее (для заданного k) значение анодного напряжения, при котором возможно синхронное вращение электронных спиц.

Подставляя в (5-11) численные значения всех постоянных и выражая U c в вольтах, получим:

Это выражение получено в предположении, что электрон движется по окружности, соосной поверхности анода, и с радиусом, близким к величине r а. В действительности электроны движутся в магнетроне по сложным петлеобразным траекториям и тангенциальная составляющая их скорости зависит как от скорости переносного движения центра образующей окружности, так и от скорости движения самого электрона относительно этого центра.

Пороговое напряжение . Приблизившись к поверхности анода и передав полю значительную часть своей энергии, электрон должен быть удален из пространства взаимодействия. В противном случае такой отработавший, медленно движущийся электрон отстанет от спицы и отберет энергию у переменного поля. Для того чтобы отработавшие электроны попадали на анод, а также для обеспечения необходимой тангенциальной скорости электронов с учетом их движения по петлеобразным кривым требуется анодное напряжение несколько выше потенциала синхронизации U c .

На электрон, удаленный от центра магнетрона на расстояние r и вращающийся вокруг оси прибора с угловой скоростью ω 0 , действуют три силы (рис. 5-6): сила F e постоянного электрического поля направлена по радиусу к аноду; сила Лоренца F м, возникающая при пересечении электроном силовых линий магнитного поля, в соответствии с правилом правой руки, направлена к катоду; и, наконец, третья, центробежная сила F д, совпадает по направлению с силой F e .

Для того чтобы электрон достиг анода, кинетическая энергия его движения в радиальном направлении должна быть больше нуля и, следовательно, работа сил F e и F д должна быть больше или, по крайней мере, равна работе силы F м.

Из этих соображений легко определить [Л. 2] пороговое напряжение, т. е. величину наименьшего анодного напряжения, при котором отработавшие электроны удаляются на анод:

Подставляя сюда формулу (5-7) для ω 0 и выражая напряжение в вольтах, получим:

Отсюда видно, что для удовлетворения поставленных условий удаления отработавших электронов на анод анодное напряжение должно быть больше потенциала синхронизации, причем если величина U c не зависит от напряженности магнитного поля, то пороговое напряжение растет пропорционально величине В.

Диаграмма рабочего режима . Итак, мы рассмотрели ряд условий нормальной работы магнетрона и получили уравнения: для критического потенциала (4-38), для потенциала синхронизации (5-12) и для порогового анодного напряжения (5-14).

Все три эти зависимости изображены на рис. 5-7. Парабола критического режима отделяет на плоскости В - U a нерабочую область (заштрихована). При значениях В и U а для любой точки в этой области электроны в магнетроне не описывают петлеобразных траекторий и колебания отсутствуют. Величина потенциала синхронизации (5-12) не зависит от В, но изменяется в зависимости от к. На рис. 5-7 линия U c проведена лишь для режима π-колебаний (n = 4; р = 0; N = 8). Для других k = n (p = 0) потенциал синхронизации отмечен точками на параболе критического режима.

Линия порогового напряжения (5-14) при различных k(p = 0) изображаются на плоскости В - U а в виде прямых, касательных к параболе критического режима в точках, соответствующих значению потенциала синхронизации для данного вида колебаний. В справедливости этого нетрудно убедиться, если в выражение (5-14) подставить значение критического потенциала (4-38).

Таким образом, для колебаний π-вида нерабочей областью является также часть плоскости, лежащая ниже прямой порогового напряжения (k = 4). При этих значениях U a и В либо не выполняется условие синхронного движения спиц (U а

5-5. Анодный блок магнетрона

Эквивалентная схема анодного блока . Наиболее употребительные формы резонаторов магнетронов показаны на рис. 5-8, где, помимо уже известных нам, изображены также резонаторы, образованные короткозамкнутыми отрезками волноводов. Однако при любой конфигурации резонаторов анодный блок представляет собой систему сложно связанных контуров. Контуры магнетрона прежде всего связаны между собой кондуктивно, так как по поверхности сегмента анодного блока протекают токи соседних резонаторов. Помимо этого, между соседними резонаторами существует также емкостная связь через емкости, образованные сегментами анодного блока и поверхностью катода. И, наконец, соседние резонаторы связаны между собой индуктивно (силовые линии переменного магнитного поля в резонаторе замыкаются через соседние отверстия).

Преобладание того или иного вида связи определяется конструкцией анодного блока и, в частности, его высотой h. При малой величине h преобладает индуктивная связь между отдельными резонаторами, а с увеличением высоты h анодного блока все большую роль играет связь емкостная. Одна из возможных, эквивалентных схем анодного блока магнетрона с большим h представлена на рис. 5-9. Величины L 0 и С 0 - эквивалентные индуктивность и емкость резонатора соответственно. Резонаторы связаны между собой кондуктивно, а также через емкости С а-к анод - катод.

Анализ такой эквивалентной схемы показывает [Л. 2], что длина волны генерируемых колебаний зависит как от реактивных параметров, так и от числа n:

Отношение С а-к /С 0 в магнетронах обычно равно 0,1-0,4.

Зависимость (5-15) для восьмирезонаторного магнетрона показана на рис. 5-10 (кривая 1). Там же нанесена аналогичная зависимость (кривая 2), но для случая преобладания индуктивной связи в магнетроне. Из кривых видно, что колебания вида я незначительно отличаются по длине волны от колебаний соседних видов. С увеличением числа резонаторов, а следовательно, и числа n это отличие становится все меньше. Кроме того, вследствие малого отличия частоты π-колебаний от колебаний соседних видов работа магнетронного генератора может быть неустойчивой.

В результате изменения режима питания, характера нагрузки и других причин в магнетроне могут вместо π-колебаний возникнуть колебания другого вида (скачок частоты). Возможно также одновременное существование колебаний вида π и соседнего вида колебаний. Распределение высокочастотного поля при этом нарушается, условие синхронизма выполняется плохо, падают мощность и к. п. д. магнетрона. Следовательно, нельзя увеличивать число резонаторов с целью повышения мощности колебаний, что особенно важно на более коротких волнах.

Разделение видов колебаний с помощью связок . Для устранения нестабильностей в магнетронах принимаются специальные меры. Хороший эффект дают специальные связки, имеющие в простейшем случае форму колец (рис. 5-11). Одно из колец приваривается к четырем четным сегментам анодного блока, а другое - к четырем нечетным. Связки вносят в колебательную систему магнетрона дополнительные емкость и индуктивность. Вносимая емкость определяется не только размерами самих связок и их расстоянием от поверхности анодного блока, но и разностью высокочастотных потенциалов между двумя кольцами. Индуктивность зависит как от размеров самих связок, так и от токов, протекающих по связкам.

При противофазном виде колебаний каждое из колец соединяется с сегментами блока, находящимися под одинаковым потенциалом. Таким образом, разность фаз высокочастотных потенциалов двух связывающих колец равна π и емкостное действие связок весьма существенно. В то же время индуктивный эффект связок при π-колебаниях минимален, поскольку каждое кольцо приваривается к сегментам с одинаковым потенциалом, и уравнительные токи в связках близки к нулю. Следовательно, результирующее влияние связок при π-колебаниях имеет емкостный характер. Емкость, вносимая связками в резонаторы, параллельна их собственной емкости. В результате суммарная емкость увеличивается и длина волны при π-колебаниях возрастает.

При колебаниях других видов высокочастотные потенциалы сегментов, соединенных с каждым из колец, неодинаковы, и поэтому средняя разность потенциалов между связками меньше, чем при противофазных колебаниях. Вследствие этого вносимая связками емкость уменьшается, а вносимая индуктивность увеличивается, так как вследствие различия высокочастотных потенциалов двух сегментов, присоединенных к одному кольцу, в нем протекают уравнительные токи. Результирующее влияние связок носит индуктивный характер. Вносимая индуктивность параллельна собственной идуктивности резонаторов; суммарная индуктивность уменьшается, уменьшается и длина волны колебаний.

Изменение длины волны колебаний от величины n при использовании различных видов связок показано на рис. 5-10 (кривая 5 - для связок рис. 5-11, а, а кривая 4 - для связок рис. 5-11, б).

Из сравнения этих кривых с кривыми 1 и 2 видно, что применение связок позволяет значительно увеличить разность частот π-колебаний и соседнего с ним вида. Для устойчивой работы магнетрона необходимо, чтобы частота колебаний вида n = N/2-1 отличалась от частоты противофазных колебаний не менее чем на 4%. Обычно добиваются, чтобы разнос частот был порядка 10-15%.

Повышению устойчивости работы магнетрона на противофазном виде колебаний способствует также применение асимметричных связок, например колец, имеющих разрыв. Применение асимметричных связок нарушает ориентацию высокочастотных полей, возникающих при колебаниях, отличных от противофазного, и, таким образом, еще больше затрудняет их появление. Следует также отметить, что увеличение длины волны колебаний π-вида вследствие применения связок приводит к соответствующему понижению порогового напряжения, что сопровождается увеличением мощности генерируемых колебаний и к. п. д. магнетрона.

Применение связок имеет и некоторые недостатки. Так, например, высокочастотное поле, образуемое связками и не зависящее от азимутального угла, искажает в некоторой степени электрическое поле в пространстве взаимодействия и ухудшает работу магнетрона. Кроме того, введение связок увеличивает высокочастотные потери, величина которых растет с укорочением длины волны генерируемых колебаний. Для исключения этого влияния связки экранируют, размещая их в специальных канавках в анодном блоке.

Разнорезонаторный анодный блок . В магнетронах, работающих на волнах λ = 3 см и короче, используют другой метод разделения частот - разнорезонаторный анодный блок.

В разнорезонаторном анодном блоке размеры каждого второго резонатора несколько увеличиваются по сравнению с размерами в обычном анодном блоке; размеры же второй половины резонаторов уменьшаются (рис. 5-12). Получаются как бы две системы резонаторов, одна из которых настроена на короткую волну, а другая - на более длинную.

Для определения в разнорезонаторной системе длин волн колебаний, соответствующих различным значениям n, можно воспользоваться формулой (5-15), считая, что анодный блок состоит из двух различных систем: больших (h б) и малых (h м) резонаторов. При вычислении этих длин волн вместо λ 0 нужно подставлять резонансную длину волны большого или малого резонатора соответственно. Но так как число одинаковых резонаторов в системе вдвое меньше общего числа N резонаторов, то для каждой системы одинаковых резонаторов вводят свое число n", величина которого не может быть больше N/4.

На рис. 5-13 показано (кривая 3) изменение длины волны в зависимости от величины n в разнорезонаторном магнетроне (N = 18). Верхняя ветвь этой кривой, вплоть до n = 4, соответствует первой - длинноволновой группе колебаний при нулевом фазовом сдвиге между колебаниями в больших и малых резонаторах. Характер изменения длины волны здесь такой же, как и для обычного магнетрона без связок (кривая 1): с увеличением n длина волны уменьшается.

Нижняя ветвь кривой от n = 5 до n = N/2 = 9 соответствует второй - коротковолновой группе колебаний. Здесь с возрастанием n длина волны уменьшается. На рис. 5-13 приведена для сравнения также кривая 2 для магнетрона со связками.

Разнос частот при разных n зависит от соотношения h б /h м (рис. 5-12), возрастая при его увеличении. Однако при значительных величинах h б /h м усиливается влияние составляющей высокочастотного поля, не зависящей от азимутального угла и ухудшающей взаимодействие электронного потока с высокочастотным полем.

Преимущество разнорезонаторной системы перед анодным блоком со связками заключается прежде всего в том, что на величину разделения частот не влияет высота анодного блока. Кроме того, высокочастотные потери в разнорезонаторном анодном блоке значительно меньше, что позволяет повысить к. п. д. магнетрона.

5-6. Параметры и характеристики магнетронов

Многорезонаторные магнетроны, как и другие электронные приборы, характеризуются рядом параметров, обусловливающих эксплуатационный, предельный, климатический и другие режимы их работы.

Параметры электрического режима . Справочными данными, как правило, оговариваются: величины напряжения U н или тока I н накала и их допустимые отклонения, не превышающие обычно ±10%; номинальное анодное напряжение U а и допустимый верхний предел этой величины; номинальное и допустимые верхнее и нижнее значения тока I а; напряженность или индукция магнитного поля. Для магнетронов, работающих в импульсном режиме, в справочнике указывают номинальные и допустимые величины длительности импульсов анодного напряжения, их скважности и крутизны фронтов - величин, в значительной степени определяющих спектр генерируемых магнетроном колебаний.

Мощность генерируемых колебаний . Многорезонаторные магнетроны используются обычно в качестве генераторов мощных СВЧ колебаний в импульсном или непрерывном режиме. Поэтому важнейший параметр этих приборов - величина генерируемой мощности

P вых = ηI а U а, (5-61)

где η - полный к. п. д. магнетрона. Таким образом, величина Р вых зависит не только от электрического режима работы магнетрона, но и от другого важнейшего параметра - к. п. д. прибора.

Коэффициент полезного действия магнетрона определяется отношением мощности сверхвысокочастотных колебаний к мощности, подводимой к магнетрону от источника постоянного напряжения в анодной цепи.

Электроны, получая энергию от постоянного электрического поля, не полностью передают ее высокочастотному полю резонаторов. Некоторые электроны вообще не участвуют в механизме передачи энергии, так как в самом начале, получив дополнительное ускорение, возвращаются обратно на катод и нагревают его, отдавая при соударении с его поверхностью оставшуюся энергию. Рабочие электроны, образующие спицы и многократно взаимодействующие с высокочастотным полем, в большинстве случаев достигают анода, не израсходовав полностью своей энергии, и передают ее остаток аноду, нагревая его при соударении. Таким образом, часть энергии, полученной электронами от постоянного электрического поля, расходуется бесполезно. Этот расход энергии называют электронными потерями. Отношение энергии, полученной высокочастотным полем от электронного потока, к полной энергии, сообщенной электронам постоянным электрическим полем, называется электронным к. п. д. магнетрона η эл. Эта величина характеризует эффективность взаимодействия электронного потока с переменным электрическим полем. Энергия высокочастотных колебаний расходуется также и в самих резонаторах (на восполнение потерь, обусловленных активным сопротивлением), в устройствах вывода энергии, в диэлектриках и т. п. Эти потери определяются к. п. д. колебательной системы η к. Коэффициент полезного действия магнетрона, таким образом, равен:

η = η эл η к. (5-17)

Величина электронного к. п. д. магнетрона существенным образом зависит от режима его работы. Для определения η эл необходимо знать не только энергию, получаемую электроном от постоянного электрического поля, но также величину неизрасходованной электроном энергии (кинетическую энергию, с которой электрон достигает анода). Для выполнения условий синхронизма электрон должен двигаться у поверхности анода со скоростью, не меньшей U c . Поэтому кинетическая энергия электрона, достигающего анода, не может быть меньше eU c . Следовательно, электронный к. п. д. магнетрона равен:

Однако рассчитанный по этой формуле электронный к. п. д. оказывается выше экспериментальной величины η эл. Объясняется это тем, что кинетическая энергия электрона, попадающего на анод, в действительности значительно больше величины eU c . Электроны движутся в пространстве взаимодействия, описывая петлеобразные траектории. Если анодное напряжение близко к пороговому напряжению, то электроны медленно поднимаются от катода к аноду и попадают на анод, находясь, как правило, в вершине "петли". Если тангенциальная скорость движения оси образующей окружности равна (из условия синхронизма) U с, то тангенциальная скорость движения электрона относительно катода примерно в 2 раза больше, а его кинетическая энергия - в 4 раза больше принятой величины. В рабочем режиме анодное напряжение в магнетроне обычно больше величины U п и электроны поднимаются к аноду по более крутой петлеобразной траектории. Они могут достигать анода как на вершине петли, так и у ее начала, где скорость электрона близка к нулю. Поэтому среднее значение кинетической энергии у поверхности примерно в 2 раза больше величины eU c . Величина электронного к. п. д. в современных многорезонаторных магнетронах достигает величины 50-70% и более.

Рабочая длина волны λ 0 или рабочая частота колебаний ω 0 определяется, как это было показано в § 5-5, параметрами резонаторов и конструкцией анодного блока. В многорезонаторных магнетронах обычной конструкции изменение рабочей частоты в небольших пределах может быть получено с помощью специальных устройств, изменяющих емкость или индуктивность резонаторов (см далее § 5-7).

При конструировании генераторных устройств на многорезонаторных магнетронах особое внимание уделяется стабилизации частоты колебаний. С этой целью, как уже было сказано выше, используются связки, применяются разно-резонаторные анодные блоки и др. Однако рабочая частота магнетрона существенным образом зависит от характера нагрузки и способа ее подключения к магнетрону. Степень изменения частоты под влиянием нагрузки характеризуют такими параметрами, как электронное смещение частоты, затягивание частоты и др. Наиболее полно эти явления отображаются так называемой нагрузочной характеристикой магнетрона. Подробно работа магнетрона в реальных условиях рассматривается в курсе "Радиопередающие устройства", и поэтому обсуждение этих вопросов выходит за рамки настоящей книги.

Рабочие характеристики магнетронов . В качестве рабочих характеристик магнетронов приняты зависимости U a = f(I a) при постоянных величинах В, Р вых, η и ω 0 . Обычно линии постоянных значений В, Р вых и η изображаются на одном графике в координатах I а - U a . Эти семейства кривых и называют рабочими характеристиками многорезонаторных магнетронов.

На рис. 5-14 показаны рабочие характеристики магнетрона со следующими параметрами: рабочий режим - импульсный, число резонаторов N = 8, радиус катода r к = 0,3 см, радиус анода r а = 0,8 см, высота анодного блока h = 2 см, частота (в режиме π-колебаний) f = 2800 Мгц, рабочее анодное напряжение U а = 16 кв, напряженность магнитного поля в рабочем режиме H = 128000 а/м, рабочий анодный ток (в импульсе) I а = 20 а, к. п. д. η = 42%, генерируемая мощность (в импульсе) Р вых = 35 квт.

При малых анодных напряжениях и соответственно меньших В к. п. д. магнетрона невелик. Поэтому использование низких анодных напряжений не имеет смысла. Значительное увеличение анодного напряжения, хотя и сопровождается некоторым ростом к. п. д. и генерируемой мощности, требует, кроме того, повышения напряженности магнитного поля. Работа с очень большими значениями U a и В встречает серьезные технические затруднения; они не оправдываются повышением к. п. д., который при увеличении U a растет сначала быстро, а затем медленно.

При малых анодных токах магнетрон работает неустойчиво. Большая часть электронов возвращается на катод, к. п. д. и генерируемая мощность невелеки. Чрезмерное увеличение тока также нежелательно, так как при этом сильно разогревается анодный блок, катод работает с перегрузкой и требуется дальнейшее повышение U a .

Вследствие указанных причин для каждого типа магнетрона существуют рабочие пределы изменений U a и I а. Другие параметры (В, η, Р вых) при выбранных значениях анодного напряжения и тока однозначно определяются рабочими характеристиками.

Рассмотрим семейство кривых В = const. При заданной величине В и при повышении U a анодный ток вначале мал и растет медленно. Эта часть кривых соответствует анодным напряжениям ниже порогового. Большинство электронов не попадает на анод, а под действием силы F м возвращаются на катод. При дальнейшем увеличении U a анодный ток резко увеличивается и кривые U a = f(I a) представляют собой отрезки почти прямых линий, образующих с осью абсцисс небольшой угол. Эта рабочая часть характеристик соответствует значениям U a > U п.

С увеличением В для получения той же величины I a требуются большие значения анодного напряжения, причем, как это видно из рис. 5-14, одинаковые приращения В требуют и одинаковых приращений U a (линии В = const при равных приращениях В расположены на одном и том же расстоянии друг от друга). Иными словами, анодное напряжение пропорционально напряженности магнитного поля, что полностью согласуется с формулой (5-14) для порогового напряжения. Величину U п здесь легко определить графически, продолжив линейную часть характеристик B = const до пересечения с осью ординат.

Кривые второго семейства (P выx = const) имеют гиперболический характер. Колебательная мощность в магнетроне определяется выражением Р вых = ηI а U а. Коэффициент полезного действия меняется в зависимости от I а и U a . Поэтому линии P выx = const не являются правильными гиперболами.

На рис. 5-14 видно, что I а = const и при увеличении U a к. п. д. магнетрона увеличивается. Это объясняется главным образом тем, что увеличение U a и В сопровождается уменьшением радиуса образующей окружности и, следовательно снижением скорости, с которой электроны попадают на анод. С увеличением анодного тока (при В = const) η сначала несколько увеличивается, а затем снижается.

Небольшая величина η при очень малых анодных токах объясняется большими электронными потерями. Кроме того, вследствие малой интенсивности колебаний в резонаторах фокусирующее действие переменного электрического поля незначительно. Электроны плохо группируются в спицы, и условие синхронизма выполняется лишь для небольшой части электронов. При некотором увеличении I а к. п. д. возрастает, так как влияние указанных причин ослабляется. Дальнейшее увеличение тока сопровождается падением η за счет увеличения радиальной составляющей кинетической энергии у анода, а также вследствие взаимного расталкивания электронов в спицах.

5-7. Особенности конструкции многорезонаторных магнетронов

Условия работы магнетрона отличаются от условий работы не только обычных электронных ламп, но и других СВЧ приборов. Значительная часть электронов, эмиттируемых катодом, возвращается обратно. Эти электроны, попадая на катод с некоторым запасом кинетической энергии, разогревают его и вызывают с поверхности катода дополнительную вторичную эмиссию. На катоде выделяется около 5% всей мощности, рассеиваемой в магнетроне. Поток электронов, образуемый за счет вторичной эмиссии, составляет значительную часть электронов потока, эмиттируемого катодом. Величина вторично-эмиссионного тока такова, что магнетроны обычно продолжают нормально работать, если после их включения разомкнуть цепь накала. Поэтому катод магнетрона должен обеспечить значительную термоэлектронную эмиссию только в момент его включения. К особенностям работы катода в магнетроне следует отнести также сильное электрическое поле, так как обычно потенциал анода равен нескольким киловольтам, а в мощных магнетронах - десяткам киловольт, в то время как расстояния анод - катод не превышают нескольких сантиметров.

Катод в магнетроне должен обеспечить термоэмиссионный ток большой плотности. Он должен, кроме того, быть стойким к перегреву и действию сильных электрических полей, а также сохранять постоянство эмиссии во времени.

Наиболее часто в магнетронах используются подогревные оксидные катоды, которые позволяют получить плотность тока до 40 а/см 2 и способны работать в электрических полях до 70 кв/см. Коэффициент вторичной эмиссии этих катодов достигает нескольких десятков. В магнетронах применяют также вольфрамо-ториевые катоды, спекаемые из порошка, содержащего 96% вольфрама и 4% окиси тория. Эти катоды очень прочны, стойки к отравлению газами и после искрения восстанавливают первоначальную эмиссию. Камерные металлогубчатые и пропитанные катоды могут обеспечить ток плотностью до 80 а/см 2 и устойчиво работают при напряжениях до 20 кв.

Важную роль в работе магнетрона играет постоянное магнитное поле. Для получения высокого к. п. д. индукция магнитного поля должна быть порядка 0,3-0,6 вб/м 2 . Такое сильное магнитное поле создают мощные постоянные магниты специальной формы (рис. 5-15). В тех случаях, когда требуются особенно сильные магнитные поля, применяются пакетные магнетроны, у которых полюсные наконечники из ферромагнитного материала служат торцовыми стенками анодного блока. В пакетных магнетронах значительно сокращен воздушный промежуток между полюсами, что позволяет повысить напряженность магнитного поля или же уменьшить вес и габариты постоянного магнита, который обычно значительно тяжелее и больше по размерам самого магнетрона.

Частоту колебаний в магнетроне можно перестроить за счет изменения индуктивности или емкости колебательной системы с помощью металлических штырей - плунжеров, погружаемых в отверстия резонаторов, либо с помощью специальных металлических колец, расположенных в пазах на торцовой поверхности блока. Оба эти метода позволяют изменять частоту магнетрона не более чем на 5-7% от резонансной частоты. При большем отклонении частоты от среднего значения ухудшаются условия отделения противофазного вида колебаний от соседних видов.

5-8. Митрон

Определение . Митроном называют перестраиваемый по частоте прибор, работающий по принципу многорезонаторного магнетрона, но отличающийся от него устройством колебательной системы и эмиттирующего электроны катода.

Устройство митрона схематически показано на рис. 5-16, а. Анодный блок представляет собой систему (рис. 5-16, б) в виде двух дисков с рядом направленных навстречу друг другу штырей (сегментов). В центре пространства взаимодействия помещается металлический цилиндр, не предназначенный, в отличие от многорезонаторного магнетрона, для эмиссии электронов. Этот цилиндр, называемый холодным катодом или отрицательным электродом, вместе со штырями образует колебательную систему. Катод, в виде вольфрамовой спирали, эмиттирующий электроны, вынесен из пространства взаимодействия и окружен управляющим электродом в виде усеченного конуса с отверстием посредине. С помощью дисковых выводов анодный блок соединяется с внешней колебательной системой, конфигурация которой может быть различной. На рис. 5-16, в показана колебательная система в виде короткозамкнутого отрезка волновода, длина которого может изменяться с помощью короткозамыкающего поршня. Другая часть волновода представляет собой трансформатор волнового сопротивления, через который к митрону подключается фидер, идущий к нагрузке.

Дисковые выводы холодного катода, управляющего электрода и анодного блока электрически разделяются керамическими цилиндрами.

Магнитное поле, вектор напряженности которого параллелен оси прибора, как и в магнетроне, создается внешними магнитами.

Анодная колебательная система обычно заземляется, на катод подается отрицательное напряжение, а на управляющий электрод - тоже отрицательное напряжение, но несколько меньшей величины, так что между катодом и этим электродом существует ускоряющее поле.

Принцип действия митрона практически тождествен принципу работы многорезонаторного магнетрона. Митрон тоже работает, как правило, в режиже π-колебаний; так же как и в магнетроне, в пространстве взаимодействия формируются электронные спицы, вращающиеся синхронно с высокочастотным полем, протекают те же процессы энергетического взаимодействия электронов с полем, при которых они отдают волне потенциальную энергию.

Отличие заключается в несколько ином, нежели в магнетроне, электрическом режиме, который обеспечивается вынесенным из пространства взаимодействия эмиттирующим катодом и использованием дополнительной внешней низкодобротной колебательной системы. Эти отличия обусловливают возможность электронного управления частотой колебаний при изменении анодного напряжения. Поэтому митрон иногда в литературе называют магнетроном, настраиваемым напряжением.

В митроне, по сравнению с магнетроном, существенно уменьшена добротность Q колебательной системы. Это достигнуто за счет использования замедляющей системы типа встречных штырей, системы более широкополосной, чем замкнутая цепочка объемных резонаторов в магнетроне, а также подключением внешней колебательной системы, например в виде отрезка волновода. Уменьшение Q естественно сопровождается снижением уровня энергии, запасаемой в контуре, а следовательно, уменьшением амплитуды высокочастотных колебаний и, что особенно существенно, уменьшением реактивной составляющей тока контура. Вполне понятно, что уменьшение амплитуды высокочастотного поля в контуре, т. е. в зазоре между штырями требует снижения плотности объемного заряда в пространстве взаимодействия, так как в противном случае процесс формирования и фазовой фокусировки спиц будет неэффективным. В митроне уменьшение объемного заряда в пространстве взаимодействия достигается, главным образом, за счет конструкции катодного узла. Число электронов, попадающих в пространство взаимодействия, регулируется потенциалом U у.э управляющего электрода. Экспериментальные исследования показали [Л. 7], что при снижении плотности объемного заряда степень модуляции электронного потока по плотности возрастает. Иначе говоря, уменьшение числа электронов, поступающих в пространство взаимодействия, приводит в основном к снижению числа нерабочих электронов; плотность же объемного заряда в спицах уменьшается значительно меньше. Оптимальный режим работы митрона достигается в том случае, когда величина анодного тока равна примерно одной трети от тока, обусловленного поступлением электронов через отверстие в управляющем электроде.

Очень важно, что при таком режиме образования объемного заряда в пространстве взаимодействия величина анодного тока оказывается ограниченной. Иными словами, увеличение анодного напряжения не может привести к существенному росту анодного тока.

С изменением величины анодного напряжения в митроне, как и в магнетроне, нарушаются условия синхронизации вращения сверхвысокочастотного поля и электронных спиц. Появляется сдвиг фаз между электрическим полем и электронным током, возникает реактивная электронная проводимость. Для выполнения баланса фаз при новом значении U a реактивная проводимость резонатора также должна измениться. Это изменение, естественно, повлечет за собой изменение частоты колебаний. Но в магнетроне, где в силу высокой добротности реактивный ток резонатора значительно больше реактивной составляющей электронного тока, это изменение частоты невелико. В митроне же с низкодобротной колебательной системой изменение частоты оказывается значительным.

Кроме того, в силу ограничения тока в митроне изменение анодного напряжения и частоты колебаний не сопровождается, как это было в магнетроне (см. рис. 5-14), резким изменением мощности.

Рабочие характеристики и параметры . В качестве основных характеристик митрона используются зависимости Pвыx = f(U а); I а = φ(U а) и ω = ψ(U a) (рис. 5-17).

Ширина полосы Δω электронной перестройки частоты зависит от конструкции прибора и может изменяться для митронов разных типов от 15% относительно средней рабочей частоты до октавы (ω макс /ω мин ≈ 2) и более. Расширение полосы Δω неизбежно сопровождается уменьшением выходной мощности P вых и к. п. д.

Так, в относительно узкополосных митронах величина выходной мощности измеряется единицами или десятками ватт при изменении значения Р вых в диапазоне перестройки частоты не более чем на 2-3 дб и к. п. д. до 40%.

При расширении полосы Δω до октавы выходная мощность уменьшается до 0,5-3 вт, а к. п. д. снижается до 15-25%.

Величина выходной мощности в митроне может регулироваться с помощью напряжения U y.э на управляющем электроде. Однако с увеличением U y.э неизбежно меняется и частота генерируемых колебании (рис. 5-18).

Степень изменения частоты при изменении напряжении U а и U y.э не различна. Крутизна S кривой ω = ψ(U a) составляет 0,5-5 мгц/в, а крутизна S y.э не превышает 0,9 мгц/в. Митроны используются, главным образом, в качестве маломощных гетеродинов. По уровню собственных шумов они в настоящее время уступают отражательным клистронам и лампам обратной волны типа O.