PRODUCEREA ENERGIEI MICROUNDELOR. CONSTRUCȚIA, FUNCȚIONAREA ȘI PROTECȚIA MAGNETRONULUI; TIPURI CONSTRUCTIVE.
Funcţionarea componentelor adiţionale ale cuptorului clasic cu microunde este descris în figura 15.1. Elementul de bază al cuptorului este generatorul de microunde, care de obicei este un magnetron sau un klystron.
Figura 15.1. Părţile principale ale unei instalaţii de încălzire cu microunde
Vom trece în revistă principiile de funcţionare ale generatorului de microunde, analiza fiind focalizată pe aspectele relevante privind utilizarea acestuia într-un circuit de încălzire cu microunde, cum ar fi alimentarea cu putere şi metodele de protecţie. Unele materiale industriale sunt sensibile când sunt încălzite, neputând fi uscate la presiunea atmosferică. Ştiind că valoarea temperaturii de fierbere este micşorată sub presiune, aceste materiale pot fi procesate într-o atmosferă parţial vidată. Microundele pot mări considerabil puterea de procesare a materialelor în cazul incintei vidate, iar principiile şi utilizarea acestei aplicaţii au o importanţă deosebită. Pentru a determina condiţiile fără de care acest proces nu poate opera, analiza procesării cu vid este precedată de analiza fenomenului de descărcare în gaz la frecvenţă înaltă, punându-se accent pe mecanismul de descărcare sub presiune, unde pierderile de sarcină predominante sunt în pereţii vaselor. Parametrul critic utilizat în procesarea sub vid cu microunde este intensitatea 1
câmpului electric generat în aplicator, care trebuie să fie mult mai mic decât cel cerut la descărcarea în gaz pentru aceleaşi condiţii date, acest lucru realizându-se alocând o valoare de siguranţă adecvată. Se ştie că succesul procesării la frecvenţă înaltă în aplicaţiile industriale este asigurat de utilizarea unei metode mixte, combinând-o cu alte forme de energie convenţională cum ar fi aerul cald, vaporii etc. şi de asemenea cu alte metode electrice cum ar fi razele infraroşii, tehnica pompării de căldură etc. Principiile acestor scheme vor fi trasate împreună cu sistemele hibride simple, iar principiile sistemelor automatizate vor fi prezentate pe scurt.
15.2. Sursele de putere cu microunde Multe echipamente industriale de încălzire care utilizează energia microundelor au o putere mare de energie calorică, unele instalaţii având peste 100kW, ceea ce necesită ca randamentul generatorului să fie mare, pentru a evita pierderile de energie. Mai mult, puterea generată trebuie să aibă frecvenţa stabilă şi fără neliniarităţi, pentru a respecta regulile internaţionale privind alocarea frecvenţelor. La aceste condiţii mai trebuie adăugat şi factorul economic. Aceşti parametri conduc în mod firesc la alegerea magnetronului ca generator, datorită capacităţii acestuia de producere a unei cantităţi mari de putere, a randamentului său, a stabilităţii frecvenţei şi a costului relativ scăzut. Alte generatoare cu microunde sunt, în mod firesc, prea scumpe şi complexe pentru echiparea instalaţiilor industriale, cu excepţia klystronului care, ca şi amplificator direcţional, are o stabilitate a frecvenţei excelentă. Klystronul este utilizat în practică dacă lărgimea benzii de frecvenţă alocate este mai mică de 2% din lungimea de undă, dar costurile suplimentare aferente vor face ca această instalaţie să nu fie rentabilă din punct de vedere economic. În concluzie, generatoarele solide nu au încă motive suficiente pentru a fi luate în considerare de către proiectanţii de echipamente industriale de încălzire. Deoarece majoritatea cuptoarelor industriale de procesare cu microunde folosesc magnetronul ca sursă de putere vom descrie construcţia şi performanţele sale. Pentru început, vom face o scurtă descriere calitativă a klystronului.
2
15.2.1. Klystronul Klystronul amplifică semnalele de microunde folosind un fascicul electronic ca mediu amplificator. Principalele sale caracteristici sunt prezentate schematic în figura 15.2. Semnalul de microunde de joasă putere este injectat într-o cavitate rezonantă, numită captator, prin care trece un fascicul de electroni de energie ridicată cu viteza u○. Captatorul este astfel proiectat încât să producă un câmp electric alternativ, care interacţionează cu fascicolul care intră şi accelerează (u>u○) sau decelerează (u
Figura 15.2. Klystronul
Figura 15.3. Principiul de modulare a vitezei într-un klystron
Electronii ajung în captator şi traversează spaţiul modulator la o viteză constantă, dar diferită de-a lungul său. Efectul acestei interacţiuni este modularea vitezei fasciculului de electroni, ceea ce are ca rezultat gruparea electronilor la o anumită distanţă z de captator la momentele t1, t2, t3 etc. Dacă 3
o a doua cavitate este plasată aproximativ la distanţa z, fasciculul modulat va induce un câmp electric în jurul reţelei a cărei polaritate are rolul de a încetini fasciculul de electroni, extrăgând astfel puterea din acesta. Altfel spus, energia în curent alternativ a fasciculului de electroni a fost transformată în energie de microunde la frecvenţa semnalului indus. Pentru a optimiza randamentul puterii şi deci eficienţa klystronului, acesta este construit astfel încât să aibă mai mult de două cavităţi (Maloney şi Fallion, 1974). În practică, klystroanele generează puteri foarte mari (peste 100kW) funcţionând în banda S(2450 MHz) şi în banda X (la aproximativ 10GHz) (Pohl, 1968).
Figura 15.4. Structura magnetronului cu opt cavităţi
15.2.2. Magnetronul Din punct de vedere constructiv, magnetronul este o incintă electronică vidată constând dintr-un anod de cupru sub forma unei structuri rezonante, iar în centrul acesteia fiind plasat catodul ce emite electroni, după cum se arată în figura 15.4. Vom analiza mai întâi anodul, care are un set de palete aşezate radial, formând canale între ele, care au o adâncime de aproximativ ¼λg şi astfel devin rezonante la frecvenţa de operare a microundelor. Canalele sunt cuplate mutual prin câmpul dispersiv la capetele deschise, toată structura formând un circuit rezonant. În modul de operare-numit modul π, sarcinile electrice din paletele adiacente au polarităţi opuse. Pornind de la momentul zero, să presupunem că 4
paleta numărul 1 este încărcată pozitiv şi paleta numărul 2 este încărcată negativ. După o jumătate de ciclu, paleta numărul 2 va fi încărcată pozitiv, următoarea paletă, numărul 3, va fi încărcată negativ şi aşa mai departe. Putem considera că sarcina pozitivă se roteşte în sensul acelor de ceasornic în jurul anodului. Raţionamente identice ne conduc la o rotaţie trigonometrică a sarcinii, ceea ce este de asemenea adevărat şi, prin urmare, magnetronul poate fi comparat cu un motor asincron monofazat, având o pereche de câmpuri magnetice ce se rotesc în sens invers unul faţă de celălalt. Este evident că, în timpul funcţionării, mişcarea sarcinilor electrice de pe paletele anodului magnetronului poate fi descrisă printr-o pereche de sarcini sau câmpuri ce se rotesc în sens invers unul faţă de celălalt.
Figura 15.5. Interacţiunea dintre norul de electroni şi câmpul cavităţii induse Câmpul magnetic B perpendicular pe plan
Într-o a doua etapă, vom examina mişcarea electronilor emişi de catod. Anodul este alimentat cu un potenţial pozitiv în curent alternativ relativ ridicat către catod şi, sub acţiunea sa, electronii sunt atraşi radial de la catod spre anod. Este generat şi un câmp magnetic, cu linii paralele la axa anodului şi perpendiculare pe direcţia electronilor, care introduce o forţă ce determină electronii să realizeze o deplasare cvasi-circulară (eliptică) în jurul catodului. Prin urmare, direcţia şi viteza actuală a electronilor sunt determinate de către intensitatea câmpului electric şi magnetic în spaţiul dintre anod şi catod, iar viteza de rotaţie pe care o dezvoltă în jurul catodului este unul din factorii de 5
care trebuie să se ţină cont în proiectare. Datorită câmpului magnetic aplicat, norul de electroni, după cum se vede în figura 15.5, se roteşte sincron cu câmpul indus de structura anodică: mărind tensiunea, aceştia se vor roti mai repede, dar vor fi deceleraţi de câmpul de microunde, transformând o parte din energia lor cinetică în energia aplicată între anod şi catod, deoarece aceasta este sursa de mişcare a electronilor. Din moment ce toate cavităţile din circuitul anodului sunt strâns unite, puterea poate fi extrasă printr-un orificiu plasat într-o singură cavitate, după cum se arată în figura 15.4. Pentru aplicaţii în care se utilizează puteri medii sau mari este introdus un cablu coaxial în acest orificiu. Cele mai importante caracteristici ale magnetronului sunt: a) puterea de ieşire creşte odată cu creşterea tensiunii aplicate, deoarece astfel avem un număr mai mare de electroni atraşi către anod, crescând curentul anodic; b) puterea de ieşire creşte odată cu descreşterea câmpului magnetic. Acest efect superficial apare întrucât la un câmp magnetic ridicat electronii sunt constrânşi din ce în ce mai mult să-şi realizeze mişcarea mai aproape de catod, puţini dintre ei ajungând la anod. Datorită acestui fenomen, curentul anodic poate fi oprit prin mărirea intensităţii câmpului magnetic. Reducând intensitatea câmpului magnetic, mişcarea electronilor se realizează din ce în ce mai departe de catod, iar când cei mai îndepărtaţi electroni ating anodul apare curentul anodic. La magnetroanele de putere mare, controlul puterii de ieşire este adesea realizat prin reglarea mai degrabă a câmpului magnetic decât a tensiunii aplicate; c) căldura este disipată pe anod deoarece electronii ajung la el cu o viteză dată şi energia lor cinetică asociată este transformată în căldură. Această căldură reprezintă principalul factor de scădere a randamentului magnetronului. Anodul trebuie răcit cu aer sau lichid pentru a i se limita temperatura; d) pentru a emite electroni, catodul este încălzit printr-un dispozitiv electric auxiliar şi, de obicei, este necesar să treacă un timp astfel încât catodul să atingă temperatura de funcţionare înaintea aplicării tensiunii ultraînalte anod-catod. În timpul funcţionării magnetronului, unii electroni nu reuşesc să ajungă la anod şi se întorc la catod, efect cunoscut sub numele de „bombardament invers”. Energia lor cinetică este disipată sub formă de căldură pe catod şi pentru a evita creşterea excesivă a temperaturii este necesar să micşorăm puterea dispozitivului auxiliar al catodului la o valoare proporţională cu numărul acestor electroni. În unele magnetroane, curentul de încălzire a catodului este redus liniar prin 6
mărirea curentului anodic în unul, doi sau trei paşi. În cazul magnetroanelor de putere mică, dispozitivul auxiliar este deconectat la aplicarea tensiunii ultraînalte. 15.2.3. Caracteristicile de funcţionare a magnetronului O trăsătură particulară a magnetronului este forma caracteristicii curent– tensiune a anodului. Un exemplu de acest fel este prezentat în figura 15.6., cunoscută sub numele de „diagrama lui Ricke”. Crescând tensiunea anodică de la zero la o valoare dată a câmpului magnetic, avem un curent foarte mic până când este atinsă o tensiune specifică (numită tensiunea modului π), când electronii cei mai îndepărtaţi ating anodul. Apoi curentul anodic creşte rapid, atingând valoarea maximă prin creşterea tensiunii cu doar 3-8%. Este esenţial ca sursa de alimentare să fie stabilizată pentru a preveni schimbări inacceptabile ale puterii de ieşire a magnetronului din cauza fluctuaţiei tensiunii. Trebuie precizat faptul că modificarea câmpului magnetic generează o aceeaşi caracteristică curent-tensiune, exceptând tensiunea modului , creşterea câmpului magnetic conducând la o creştere proporţională a tensiunii modului π. Această trăsătură face posibil controlul magnetronului prin modificarea câmpului magnetic aplicat, tehnică folosită la magnetroanele de putere mare dotate cu electromagneţi, deoarece este necesară o sursă de putere reglabilă de valoare mică pentru a alimenta electromagnetul. Magnetroanele de putere mică au, de obicei, magneţi permanenţi şi sunt controlate numai prin reglarea tensiunii anodice.
Figura 15.6. Caracteristica performanţelor standard ale unui magnetron
7
Impedanţa sarcinii conectate la ieşire modifică performanţa magnetronului pentru ambele frecvenţe, de generare şi ieşire şi, prin urmare, se modifică şi caracteristica curent-tensiune a anodului. Deşi acest efect este relativ nesemnificativ, poate fi important în timpul funcţionării. Considerând impedanţa sarcinii în punctul de conectare cu magnetronul, componenta reactivă produce o modificare mică a frecvenţei de ieşire pentru că aceasta este inductanţă sau capacitatea adiţională la structura rezonantă anodică, în timp ce componenta rezistivă afectează puterea de ieşire. Această caracteristică este descrisă pe diagrama Ricke, prezentată în figura 15.7., în care contururile frecvenţei şi puterii de ieşire sunt trasate pe o diagramă circulară de impedanţe sau admitanţe, punct în care este reprezentată impedanţa sarcinii. Fenomenele prin care datorită variaţiei frecvenţei şi puterii apare variaţia parametrilor sarcinii se numesc frecvenţă de sincronizare, respectiv putere de sincronizare. În mod normal, frecvenţa de sincronizare nu depăşeşte ±0,2% din frecvenţa nominală, iar puterea de sincronizare ±15% din puterea de ieşire nominală, valorile nominale reprezentând funcţionarea sarcinii adaptate. În practică, impedanţa sarcinii din aplicator poate varia pe o scară largă în timpul funcţionării, iar pentru a minimaliza variaţia performanţelor, un ventilator din ferită este introdus între magnetron şi sarcină cu scopul de a devia puterea reflectată departe de magnetron. Această structură protejează generatorul în cazul funcţionării necorespunzătoare şi asigură magnetronului o impedanţă de adaptare bună, ceea ce duce la prelungirea vieţii magnetronului.
Figura 15.7. Diagrama Ricke 8
15.2.4. Modurile magnetronului Cea mai importantă caracteristică ce determină eficienţa funcţionării magnetronului este modul în care câmpul indus este plasat în spaţiul dintre anod şi catod. Datorită construcţiei magnetronului, apar multe distribuţii posibile de câmp, numite moduri, majoritatea fiind foarte apropiate în frecvenţă. Modul descris anterior se numeşte modul π pentru că ne dă o diferenţă de fază de 180 ο între două cavităţi adiacente. Sunt posibile şi alte diferenţe de fază, condiţia de bază fiind ca lungimea traiectoriei electronilor în jurul anodului să fie 2nπ radiani. Cel mai eficient dintre aceste moduri este modul-π şi, pentru a asigura funcţionarea în cadrul său, se conectează segmente anodice alternative cu ajutorul unei cleme, ceea ce suprimă celelalte moduri. Modurile rezonante nedorite la frecvenţe eronate, când randamentul magnetronului este foarte mic şi încălzirea internă este excesivă, pot duce la deteriorarea sa. Modurile se datorează emisiei insuficiente de electroni de la catod, precum şi unei impedanţe neadaptate în circuitul extern, putând fi observate la puterile de ieşire mici şi frecvenţele de operare incorecte. Magnetroanele moderne sunt astfel construite încât să elimine aceste dezavantaje. 15.2.5. Alimentarea magnetronului În practică există diferite sisteme de alimentare cu tensiune înaltă a magnetroanelor, oferind o tensiune stabilă. Aceste sisteme trebuie să furnizeze un curent anodic constant, independent de fluctuaţia tensiunii sau de variaţia impedanţei sarcinii.
Figura 15.8. Schema de principiu a unui regulator de putere pentru un magnetron uzual, folosind comanda prin motorul electric al unui transformator variabil cu un curent anodic de reacţie 9
Pentru magnetroanele cu câmp magnetic constant (cu magnet permanent), unitatea de alimentare trebuie prevăzută cu o tensiune ultraînaltă reglabilă pentru a avea un curent anodic constant. Vom prezenta în continuare câteva metode de controlare a tensiunii ultraînalte, analizând avantajele şi dezavantajele acestora. 15.2.5.1. Transformatorul reglabil Regulatorul de tensiune comandat printr-un motor electric este supravegheat printr-un circuit electronic ce măsoară curentul anodic, asigurând valoarea optimă de funcţionare (figura 15.8.). Dezavantajele majore al acestei metode sunt răspunsul lent şi costul ridicat, iar avantajul este dat de soliditatea mecanică a sistemului. În practică, această metodă se utilizează foarte rar. 15.2.5.2. Comanda cu ajutorul tiristorului Tiristorul este utilizat pentru a controla transformatorul ce furnizează tensiune ultraînaltă, ca în figura 15.9. Valoarea curentului anodic este asigurată prin compararea cu tensiunea de pe R', care este proporţională cu curentul anodic. Acest sistem este capabil de o stabilitate bună pe termen lung şi are un timp de răspuns relativ rapid, limitat de aprinderea tiristorului. Din păcate, acest circuit poate produce vârfuri instantanee de curent anodic, care pot depăşi valoarea limită admisibilă, generând arcuri electrice. Pentru a minimiza acest efect, transformatorul de tensiune ultraînaltă este construit astfel încât să aibă o reactanţă cu pierderi mari (30-40%).
Figura 15.9. Schema de principiu a unui regulator de tensiune a unui magnetron uzual, utilizând comanda cu ajutorul tiristorului a tensiunii ultraînalte aplicate prin intermediul curentului anodic de reacţie 10
Figura 15.10. Schema de principiu a unei surse de putere stabilizate rezonante a unui magnetron, folosind o bobină de reactanţă saturabilă
15.2.5.3. Comanda prin intermediul bobinei de reactanţă saturabile Comanda prin intermediul bobinei de reactanţă saturabile este utilizată pentru controlul alimentării magnetroanelor de putere mică prin inserarea unui inductor neliniar în serie cu transformatorul de tensiune ultraînaltă (figura 15.10.). La rezonanţă, impedanţa efectivă are valoare minimă. Valoarea inductanţei scade odată cu creşterea tensiunii datorată creşterii curentului anodic, rezultând creşterea frecvenţei de rezonanţă şi a impedanţei circuitului. Prin această metodă putem obţine o stabilitate excelentă a curentului anodic, astfel încât la o variaţie de ±10% a tensiunii de intrare avem o variaţie mai mică de ±1% a curentului anodic. Majoritatea cuptoarelor casnice şi industriale de dimensiuni mici utilizează această metodă datorită costului scăzut, simplităţii circuitului şi siguranţei. Ca dezavantaj, putem menţiona faptul că modificarea tensiunii circuitului se poate realiza prin modificarea racordurilor transformatorului şi astfel avem o fluctuaţie a frecvenţei. 15.2.5.4. Comanda prin intermediul unui rezistor cuplat în serie O metodă simplă şi ieftină care asigură o stabilitate acceptabilă când avem o sarcină cu impedanţă dinamică mică poate fi obţinută prin introducerea unui rezistor în serie cu acesta, a cărui valoare este astfel aleasă încât să ducă la scăderea la jumătate a tensiunii de alimentare. Prin urmare avem o stabilizare a magnetronului care va determina o variaţie a puterii de aproximativ 2% pentru o variaţie a tensiunii de alimentare de 1%, care este o variaţie acceptabilă. Dezavantajul acestei metode este o reducerea drastică a randamentului instalaţiei. În multe aplicaţii industriale este necesar să apelăm şi la o încălzire convenţională cuplată la cuptorul cu microunde, ceea ce poate fi realizată prin 11
utilizarea puterii disipate de rezistor prin introducerea unui ventilator în apropierea rezistorului, aerul cald produs contribuind la uscarea materialului procesat. De exemplu pentru un magnetron de 1½ kW ce are un randament de 60%, rezistorul cuplat furnizează o putere de 3kW de aer cald, sistemul fiind foarte util în cazul cuptoarelor mici. 15.2.5.5. Comanda prin intermediul unui câmp magnetic variabil Pentru generatoarele de putere mare, considerate cu ranadamente ridicate, distorsionarea undelor electromagnetice şi factorii de putere fac imposibilă utilizarea oricărei metode prezentate mai sus deoarece avem nevoie de o alimentare trifazată. Comanda prin intermediul câmpului magnetic ar fi una dintre opţiuni. Câmpul magnetic este un parametru ce variază foarte uşor prin comanda curentului de la anod, o variaţie a curentului electromagnetului de 1% dând o variaţie de 10% a curentului anodic. Figurile (15.11) şi (15.12) ne prezintă 2 scheme, prima înseriind câmpul, iar a doua utilizează comanda directă a curentului magnetului printr-un circuit de reglare automată, unde curentul anodic fiind modificat fără a ţine cont de anumite valori prestabilite. Metoda câmpului în serie este în principiu o metodă simplă şi atractivă, dar realizarea practică a sistemului determină un cost apropiat de costul celui de-al doilea sistem, care în general este mai des utilizat. Metoda câmpului înseriat are două dezavantaje. În primul rând, este necesară o alimentare auxiliară a magnetului, pentru a asigura un câmp magnetic la pornirea circuitului, iar în al doilea rând, pot fi induse tensiuni foarte mari în jurul înfăşurării electromagnetului în condiţii de funcţionare necorespunzătoare, necesitând scăderea supratensiunii şi o proiectare atentă a circuitului pentru a proteja materialele semiconductoare. Sistemul de excitare separată a câmpului nu este afectat de aceste dezavantaje. Pentru un magnetron de 30kW, comanda în putere poate fi realizată de la zero la puterea maximă printr-o alimentare cu un electromagnet de numai 300W. Se obţine astfel un câştig al buclei de curent de 30dB, dând o stabilitate a puterii de ieşire de aproximativ 3%, pentru o variaţie a tensiunii de alimentare de 1-7%. De obicei, sistemul de comandă cu buclă închisă modifică valoarea curentului de la anodul magnetronului care este utilizat în circuit astfel încât să asigure o tensiune apropiată de valoarea tensiunii de alimentare necesare 12
funcţionării normale. Urmărind carateristicile metodelor prezentate anterior, determinăm o diferenţă între ele în ceea ce priveşte amplificarea şi comanda curentului magnetului magnetronului. Curentul anodic este astfel reglat încât să avem o proporţie constantă între acesta şi o valoare de referinţă ce corespunde valorii de ieşire a generatorului.
Figura 15.11. Comanda curentului anodic al unui magnetron prin excitări repetate cu un electromagnet
Figura 15.12. Reprezentarea detaliată a sistemului de comandă a curentului anodic al unui magnetron prin excitări repetate cu un electromagnet Vf – tensiunea de excitaţie, egală cu I a R 'f Vref – tensiunea de referinţă
Această metodă simplă de comandă a puterii presupune ca puterea de ieşire (şi puterea disipată în sarcina de lucru) să păstreze o proporţie constantă faţă de curentul anodic, ceea ce este doar în parte adevărat, dar este satisfăcător în majoritatea aplicaţiilor. Această afirmaţie îşi are punctul de plecare în variaţia randamentului magnetronului faţă de impedanţa sarcinii (după cum se indică în diagrama Rieke) şi de asemenea în reducerea puterii disipate în sarcina de lucru datorită puterii reflectate. Când este necesară o comandă mai precisă a puterii disipate, este posibilă comandarea puterii prin măsurarea puterii primite şi 13
reflectate de către sarcina de lucru, a diferenţei dintre puterea procesată şi cea disipată şi compararea acestor parametri cu valorile de referinţă ale curentului anodic respectiv. Întrucât pentru măsurarea exactă a puterii absorbite şi reflectate este nevoie de un echipament complex şi costisitor, această metodă este rar folosită. 15.2.6. Sistemele de protecţie a magnetronului Deşi de dimensiuni mici, magnetronul generează o cantitate mare de putere, având un randament ridicat şi o densitate mare a puterii disipate. Prin urmare, este necesară utilizarea răcirii cu aer sau lichid pentru a evita obţinerea unor valori ridicate ale puterii reflectate, precum şi a unor sisteme automate de mare viteză pentru a asigura protecţia magnetronului în cazul funcţionării necorespunzătoare. În continuare, vom prezenta câteva dispozitive de protecţie ale generatorului cu microunde. 15.2.6.1. Răcirea cu apă În acest caz, avem de-a face cu un circuit închis format dintr-o pompă şi un rezervor de alimentare, buna funcţionare a acestuia fiind controlată de un întrerupător cu flotor pentru pompă, care indică volumul apei din rezervor, şi un termostat prevăzut cu o alarmă care se declanşează când temperatura apei depăşeşte o anumită valoare. 15.2.6.2. Răcirea cu aer Dispozitivul este realizat dintr-un întrerupător cuplat la un ventilator ce generează un flux de aer utilizat la răcirea magnetronului. 15.2.6.3. Senzorul de temperatură cuplat la anod Dispozitivul constă dintr-un termostat aflat în contact termic direct cu anodul, care se cuplează la apariţia unei temperaturi foarte mari. Termostatul are în componenţă o siguranţă fuzibilă şi o bandă realizată din două metale. Mecanismul de blocare are un răspuns lent, trebuind introdusă o a doua linie de 14
protecţie pentru cazul în care primul sistem se defectează; există cazuri când apar creşteri bruşte şi foarte mari ale temperaturii interne a magnetronului, ducând la deteriorarea acestuia înainte ca sistemele de protecţie să intre în acţiune. 15.2.6.4. Mecanismul de decuplare a alimentării anodului la apariţia unui supracurent Acest sistem utilizează un releu de curent care întrerupe alimentarea magnetronului în cazul în care curentul anodic depăşeşte o valoare dată. Apariţia supracurentului se datorează: a) unui arc electric produs în interiorul magnetronului din cauza dispariţiei vidului; b) neadaptării corespunzătoare a sarcinii la frecvenţa de lucru; c) apariţiei unei supratensiuni tranzitorii; d) scurt-circuitării tensiunii ultraînalte. 15.2.6.5. Mecanismul de deconectare prin inversare de curent Acesta constă dintr-un sistem cu microunde utilizat pentru detectarea puterii reflectate, care are ca scop limitarea puterii de ieşire astfel încât puterea reflectată să nu depăşească o limită prestabilită, prin pornirea şi oprirea funcţionării magnetronului (prin comanda tensiunii ultraînalte sau printr-un tiristor) într-un interval de timp dat. Se spune că acest sistem funcţionează în impulsuri până când impedanţa de sarcină ajunge la o valoare normală, dezavantajul constând în faptul că disiparea internă medie din magnetron în timpul decuplării este foarte scăzută. 15.2.7. Protecţia prin intermediul unui ventilator Sistemele descrise în paragrafele precedente oferă o protecţie pentru sursele mari de putere prin măsurarea puterii respinse de sarcina procesată. Protecţia completă a sursei care generează puterea reflectată se realizează în aplicaţiile ce utilizează puteri mari, unde puteri apreciabile sunt generate în cavităţile rezonante monomod prezentate în capitolul 13. Aceasta poate fi obţinută 15
conectând un dispozitiv de microunde din ferite, numit agitator de cuplare, între sursa de alimentare şi aplicatorul rezonant, după cum se arată în figura15.1. (Helszajn,1975). De asemenea, sunt cunoscute şi alte tipuri de dispozitive de microunde din ferite care ar putea oferi o protecţie similară faţă de puterea reflectată cum ar fi, de exemplu, un dispozitiv rotativ Faraday. Însă din motive legate de costul şi simplitatea proiectării, cel mai potrivit dispozitiv de protecţie în aplicatoarele cu microunde utilizate la încălzirea de mare putere este agitatorul de cuplare. Agitatorul de cuplare este un ghid de undă cu trei orificii situate în acelaşi plan şi cu un material din ferită introdus în sau în jurul centrului cuplorului. Un câmp magnetic polarizat este aplicat printr-un magnet permanent, direcţia acestui câmp polarizat fiind perpendiculară pe planul cuplorului. Analizând figura 15.1., putem spune că puterea aplicată la poarta 1 este generată cu pierderi neglijabile spre poarta 2, în timp ce puterea reflectată incidentă în poarta 2 va fi respinsă spre poarta 3. Acţiunea agitatorului poate fi optimizată în stadiul de proiectare prin alegerea atentă a unor parametri, cum ar fi mărimea materialului din ferită, compoziţia acestuia, câmpul magnetic polarizat, valoarea centrului de cuplare, etc. Protecţia împotriva unei puteri reflectate mari poate fi realizată conectând un volum de apă adaptată la poarta 3, acest ansamblu formând un izolator sau un agitator-izolator. Deplasarea apei prin poarta 3 se realizează în jurul centrului de cuplare pentru a răci elementul din ferită. Izolatorul trebuie conectat în interiorul carcasei generatorului de microunde, după cum se arată în figura 15.1. Astfel de dispozitive de cuplare au fost proiectate să funcţioneze la frecvenţa de 2450MHz, fiind capabile să suporte 6kW în scurt-circuit, pentru orice fază conectată la poarta 2. Izolaţia depăşeşte valoarea de 27dB pentru orice lărgime de bandă de 50MHz, când factorul de pierderi ale materialului inserat este de aproximativ 0.1dB. Dispozitive similare au fost construite la 896MHz şi 915MHz în WG4, acestea fiind capabile să suporte o putere de 30kW, cu un factor de pierderi ale materialului inserat de 0.1dB. Astfel de dispozitive din ferite au un rol major în protejarea surselor de microunde ce alimentează aplicatoarele rezonante monomod, fiind recomandată introducerea lor în aplicatoarele de putere mare pentru a asigura o protecţie continuă a sursei, prelungind astfel viaţa magnetronului sau a klystronului.
16
