česky english Vítejte, dnes je úterý 27. říjen 2020

Místo magnetronu polovodiče. Mikrovlnné trouby žádají změnu

DPS 5/2019 | Vývoj - články
Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

V současné době jsou mikrovlnné trouby v řadě kuchyní opravdu vytíženým spotřebičem. Používají se nejen při vaření s využitím zmrazených potravin, ale také k opětovnému ohřátí včerejšího kari nebo šálku s vystydlou kávou. Pro uživatele znamenají kompaktní řešení a také rychlý a pohodlný způsob rozmrazování či ohřevu všemožných potravin i nápojů. Navzdory některým kosmetickým úpravám, jako je např. náhrada mechanického časovače dotykovým panelem, však tato technika vypadá prakticky stejně jako na počátku padesátých let minulého století, kdy byla rovněž představena. A zase tolik se nezměnilo ani uvnitř. Magnetron, v současné době již 70 let stará technologie, je tak neustále primárním zdrojem energie.

Místo magnetronu polovodiče. Mikrovlnné trouby žádají změnu

V průběhu let jsme všichni pociťovali dopady a učili se tak žít s omezeními, která magnetron z pozice zdroje energie přinášel. Díky schopnosti pracovat pouze při plném výkonu a nijak jinak už bylo jenom na lidském důvtipu, jak při vaření zlepšit celkové výsledky a zajistit, aby to vypadalo tak, že pracujeme s různými úrovněmi. Nejvíce kritizovanou věcí se při ohřevu jídla, bez ohledu na to, zda vaříme nebo rozmrazujeme, bezpochyby stávají nežádoucí horká místa produkovaná magnetronem v ohřívaném pokrmu. Je to pouze výsledek použitého kmitočtu, obvykle 2,45 GHz, a souvisejících průběhů v rámci ohřívacího prostoru mikrovlnné trouby. Dosahování jednotných výsledků při ohřevu se tak u mikrovlnných systémů zřejmě stává tím nejméně vděčným úkolem. Některé části potravy budou totiž nedovařené a další třeba připálené.

Použití „míchacího zařízení“ v rámci vlnovodu a také pohyblivé základny či „otočného talíře“ znamenalo alespoň nějaký úspěch při distribuci energie v prostoru s cílem zajistit jednotnější výsledky. Odlišných úrovní výstupního výkonu bylo v případě magnetronu zase dosaženo na základě řízení střídy (zapnuto/vypnuto). Budete-li mít kupříkladu 800W troubu, pak při výkonu 100 W bude nejspíš dodávat plných 800 wattů přibližně po dobu 8 sekund a před dalším cyklem vše zůstane 52 sekund vypnuté. Ohřev objemných kusů jídla rovněž závisí na vedení tepla. Cyklus ohřevu tak musí být dostatečně dlouhý na to, abychom dosáhli požadovaných výsledků a potravina se zahřála na zaručenou a hygienicky danou úroveň také uvnitř. U magnetronu je ale nutné uvážit i klesající mikrovlnnou energii výstupu v čase. Většina z nich zde přitom v průběhu čtyř let ztrácí celých třicet procent. V domácnosti si toho většina uživatelů ani nevšimne, ale v průmyslových závodech na zpracování potravin to již vyžaduje režim s pravidelnou výměnou.

Magnetron se proto nyní nahrazuje polovodičovými alternativami v podobě výkonových vf tranzistorů. Na počátku to všechno vypadalo jednoduše, nicméně s výsledky plynoucími z náhrady této základní technologie se nyní otevírají další skvělé možnosti. Nesmíme také zapomínat, že je to teprve nedávno, kdy samotný návrh výkonových vf tranzistorů a související technologie LDMOS a GaN něco takového vůbec umožnily. Magnetrony se dokázaly přizpůsobit obrovskému množství odraženého výkonu zapříčiněného nesourodým „otevřeným“ prostorem s dynamicky se měnícím zatížením, zatímco se stav jídla měnil ze syrového (ať již zmraženého či s teplotou okolí) až na uvařené. Jen pro srovnání, polovodičové součástky nebyly dříve dostatečně robustní na to, aby dokázaly tímto způsobem pracovat. Mohly pouze fungovat s přizpůsobenou zátěží při uvážení poměru VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) blížícího se k 1 : 1.

Místo magnetronu polovodiče. Mikrovlnné trouby žádají změnu 1

Polovodičová základna umožňuje přesné lineární řízení výstupního výkonu (amplituda) a také kmitočtu prostřednictvím číslicových obvodů. A také spíše než mít pouze jeden výstupní port jako u magnetronu, zde můžeme zapracovat více výstupů nebo antén. To pak umožňuje řídit načasování u každého z výstupů a potažmo tedy při ohřevu účinně bojovat s přepálenými místy. Číslicové řízení lze dále využívat ke zjištění druhu připravovaného pokrmu na základě měření odražené energie, společně s tím, jak se během přípravy zároveň mění i struktura pokrmu. Poplatně fázi a kmitočtu je rovněž možné nasměrovat více energie pouze do určitých míst. Co si takhle na stejném talíři s hráškem ohřát zároveň i kuřecí prso a vše přitom dovést až k dokonalosti? Výsledkem takového způsobu řízení se proto stává lahodnější potrava, která zůstane šťavnatá a neztrácí přitom živiny. Je delikátní a zdravá zároveň. Pro oblíbené druhy pokrmů lze vyvinout i speciální řídicí posloupnosti. Nastíněný koncept se již těší pozornosti ze strany výrobců předem připravených jídel. Tak třeba Goji Food Solutions razila cestu návrhu vysokofrekvenčních, polovodičově řešených trub, které jako první naskenují pokrm s cílem stanovit před začátkem vaření jeho parametry, pokud jde o objem a množství vody. Během přípravy jídla pak trouba vše dále sleduje, a aby dosáhla nejlepších možných výsledků, upravuje přitom dle potřeby amplitudu, kmitočet i fázi.

To se již ale dostáváme k samotnému návrhu polovodičově řešené trouby, jejíž nejdůležitější součásti vidíme na obr. 2. Obvykle zde budeme mít dvě nebo čtyři samostatné vf trasy a antény, což v otázce řízení amplitudy, frekvence a také fáze umožní dosahovat i největší flexibility. Pro 1kW troubu tak budeme potřebovat čtyři 250W výstupy. Toho jednoduše dosáhneme prostřednictvím čtyř výkonových vf tranzistorů koncového stupně, např. s prvky MRF24300N od NXP. Každý tranzistor má při napájecím napětí 32 VDC na kmitočtu 2 450 MHz špičkový výstupní výkon 320 W a vykazuje zisk 13 dB. Zmíněné tranzistory jsou v porovnání s magnetronem nejen výrazně menší, ale vystačí si rovněž s docela nízkým napětím. Magnetron je naproti tomu rozměrný, těžký a neobejde se bez napájení 3 kV. Něco takového již samo o sobě vyžaduje nemalý prostor a stejně tak též oddělení od dalších součástek.

Aby společnost NXP urychlila vývoj prototypu polovodičově řešené trouby, připravila nedávno řadu nástrojů. Ty přitom zahrnují RFEL-500, kompletní vf vývojový systém v jediném šasi, dále pak RFEM24-250, tedy jednokanálový 250W výstupní modul, a konečně též i 300W vývojovou desku RFEP24-300 (RF Energy Pallet). Na svém koncovém stupni využívají veškeré tři systémy výše zmiňované výkonové vf tranzistory MRF24300N.

RFEL24-500, viz také obr. 3, se skládá ze dvou 250W vf modulů RFEM24-250, grafického uživatelského rozhraní pro počítače a přináší i možnost zápisu dat. Měří 33 × 43 × 13 cm a vytváří tak plně integrovaný vf vývojový systém chlazený ventilátory a určený pro takto navrhované aplikace řešící otázku ohřevu či vaření. Díky VSWR bez omezení a schopnosti dodávat až 250 wattů na kanál v rozsahu od 2 400 až do 2 500 MHz bude „RF Energy Lab“ RFEL od NXP ideálním řešením pro inženýry testující a navrhující vlastní trouby. Ať již mají specializaci na vf techniku, či nikoli. Řízení dvou vf modulů zde obstarává rozhraní USB / I²C. Software nabízí ucelené řízení amplitudy, kmitočtu a fáze u každého výstupu, hned vedle funkce rozmítání frekvence a fáze, a napomáhá tak při stanovení nejlepších parametrů pro maximalizaci přenosu energie.

Místo magnetronu polovodiče. Mikrovlnné trouby žádají změnu 2

RFEM24-500 z obr. 4 vytváří kompletní 250W vf subsystém pracující na 2,45 GHz. Zahrnuje zdroj signálu společně s třístupňovým vf zesilovačem, mikrokontrolérem Kinetis KW40, vf cirkulátorem a také 300W zakončením. Třístupňový zesilovač je přitom tvořen prvky MMA25312B, MHT1008N a MRF24300N, vše od NXP. Cirkulátor zase znamená speciální vysokofrekvenční součástku sloužící k oddělení výkonového vf tranzistoru koncového stupně od odražených signálů. Výstup přiváděný na port č. 1 se objeví na druhém portu, kdežto cokoli přivedeného na port č. 2 pokračuje na třetí vývod. V našem případě bude port č. 1 připojen přes vazební člen k vf výstupu koncového stupně, druhý port spojíme s výstupní zdířkou (pro účely vazby s ohřívacím prostorem trouby) a vývod č. 3 pak propojíme s 300W zakončením přímo na desce. Odražené signály vracející se z ohřívacího prostoru trouby snímáme s ohledem na jejich amplitudu a přivádíme do zátěže.

Pohled na samotný modul po odstranění vnějšího chlazení a stínění přináší obr. 5. Vf cirkulátor se nachází vpravo nahoře. Dohromady pak lze synchronizovat až čtyři moduly RFEM24-500. Vyžadován je vhodný napájecí zdroj 30 až 32 V / 500 W, společně s chlazením samotného modulu – zpravidla s ventilátory řízenými prostřednictvím regulátoru teploty a chladiči. Pro více technicky zaměřené a zkušené návrháře vf obvodů lze dále uvažovat RFEP24-300 (RF Energy Pallet) z obr. 6 řešící pouze otázku buzení společně s koncovým stupněm. Deska tak vytváří ideální základnu, na které vystavíte prototyp kompletního vf výstupu. Bude pouze nutné přidat zdroj se softwarově řízeným kmitočtem, senzory pro detekci výkonu v obou směrech, přímého i odraženého, a také řídicí mikrokontrolér.

Společnost NXP na veletrhu CES v roce 2018 představila ucelený referenční návrh rozmrazovacího systému „Smart Defrost Solution“. Vidíme jej na obr. 7. Návrháři spotřebních zařízení budou proto schopni rychleji vyvíjet nové generace kuchyňských spotřebičů. Nebude to ostatně dlouho trvat a uvidíme, jak výrobci bílé techniky vyrukují s řešením založeným právě na této technologii.

Tak tedy, dej si pozor, magnetrone. Tvé dny jsou sečtené!

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik