Raken magnetronbuizen binnenkort verouderd?

Als je aan een elektrotechnisch ingenieur vraagt (behalve als dat een verzamelaar van antieke spullen is) of deze een elektronenbuis in huis heeft, dan ligt het antwoord ergens tussen "Natuurlijk" en "Niet sinds ik mijn tv met beeldbuis heb weggedaan." Maar denk nog eens goed na: als u een magnetron hebt, dan hebt u een elektronenbuis: de magnetronbuis.

Wat is een magnetronbuis? Het was de allereerste elektronenbuis, samen met de door Lee De Forest in 1906 uitgevonden versterkingsbuis, de triode. De fysische en elektromagnetische principes van de magnetronbuis zijn complex. De elektronenstroom in een ronde resonantieholte wordt door een sterk extern magneetveld beïnvloed en hiermee wordt een vermogen van tientallen tot honderden watt bij frequenties tot in de gigahertz (GHz) band gegenereerd (Afbeelding 1). Zie Referenties voor enkele verhandelingen over de magnetronbuis.

De ontwikkeling van de magnetronbuis tijdens de Tweede Wereldoorlog in Engeland werd strikt geheim gehouden omdat hij belangrijk was voor radarinstallaties en zo compact was dat hij in vliegtuigen kon worden toegepast en met de hoge frequentie van 500 MHz (toentertijd een extreem hoge frequentie) een goede resolutie opleverde.

Afbeelding 1: De magnetronbuis is een speciale elektronenbuis waarin de interactie tussen elektrische en magneetvelden in een geleidende holte wordt gebruikt om betrekkelijk sterke microgolven op te wekken. (Bron afbeelding: Hyperphysics/Georgia State University)

De noodzaak voor de magnetronbuis is afgenomen door de ontwikkeling van halfgeleidervermogensversterkers (SSPA's) die tot in de GHz-band werken en hij is nu voornamelijk nog in elektrotechnische musea te vinden, behalve bij vermogens van meerdere kilowatt (kW), maar ook daar zijn de halfgeleiders de baas.

Maar er is nog altijd één plek waar de magnetronbuis voortleeft en dat is in het hart van magnetronovens, zowel voor consumenten als voor industrieel gebruik voor koken, bakken en drogen. Hoe komt dat?

In het kort: omdat hij kosteneffectief is en in de goedkope massaproducten prima voldoet als hoogfrequente bron van enkele honderden watt bij 2,45 GHz (afbeelding 2). Het is niet alleen ironisch, maar ook een bewijs van de kracht van massaproductie, dat de uiterst geheime energiebron uit de Tweede Wereldoorlog nu een onderdeel is in een massaproduct als een oven met prijzen vanaf nog geen 100 dollar voor een eenvoudig apparaat tot 500 tot 1000 dollar voor een groter, sterker apparaat.

Afbeelding 2: Deze Panasonic magnetronbuis met bijbehorende golfpijp vormt één geïntegreerde component die in een magnetronoven energie met een golflengte van 2,45 GHz opwekt en verspreidt. (Bron afbeelding: Encompass Supply Chain Solutions, Inc.)

Maar mogelijk is voor de magnetronbuis ook in deze rol het einde nabij.

Fabrikanten van halfgeleidervermogensversterkers (SSPA's) zien hier een mogelijke groeimarkt, en niet alleen maar omdat deze apparaten de functie van de magnetronbuis kunnen overnemen. Het is een feit dat de magnetronoven enkele ernstige bezwaren kent voor iedereen die er meer vanaf weet.

Zo is het moeilijk om de amplitude van het uitgangssignaal te moduleren. Als de magnetronoven op een tussenstand wordt gezet, dan wordt de magnetronbuis pulsbreedte gemoduleerd (PWM) om het gewenste vermogen als gemiddelde te leveren, maar de duty cycle van het pulsbreedte gemoduleerde signaal is nogal lang, in de grootteorde van tientallen secondes, en is dus niet effectief bij korte opwarmtijden. Het is ook lastig de het RF-uitgangssignaal zo te richten dat het de ovenruimte volledig en gelijkmatig vult. Daarom moet u de verwarmingscyclus onderbreken en het eten omroeren, maar de meeste mensen laten dat na. Zelfs met het draaiplateau dat veel magnetronovens hebben, zijn er nog altijd hete en koude plekken.

Dan maar een halfgeleidervermogensversterker?

Als u denkt dat dit alleen maar een kwalitatieve verhandeling is over de matige prestaties van een conventionele magnetronoven, dan moet u maar eens de gedetailleerde evaluaties lezen in het "RF Solid State Cooking White Paper" van Ampleon, een belangrijke voorvechter van het gebruik van SSPA's in magnetronovens. Hoewel dit bedrijf zelf zulke componenten levert en daarom mogelijk bevooroordeeld is, zijn de technische gegevens en de afbeeldingen van tests in het rapport indrukwekkend en ondubbelzinnig.

Ampleon levert SSPA's die goed in standaard magnetronovens passen, zoals de BLC2425M10LS500PZ (Afbeelding 3). Deze 500 watt LDMOS vermogenstransistor is ca. 16 × 32 × 2 millimeter (mm) groot en is ontworpen voor een continue werking tussen 2,4 en 2,5 GHz, dus rond de belangrijke frequentie van 2,45 GHz die in magnetronovens voor consumenten wordt toegepast.

Afbeelding 3: De compacte BLC2425M10LS500PZ SSPA kan maximaal 500 watt continu leveren in het frequentiegebied van 2,4 tot 2,5 GHz voor magnetronovens. (Bron afbeelding: Ampleon)

Waarom 2,45 GHz? Zie de blog "Why do Microwave Ovens Operate at 2.45 GHz?" van Eric Bogatin om dit te begrijpen. En ik zal u voor zijn: het is niet omdat dat de resonantiefrequentie van watermoleculen is, wat veel mensen ten onrechte denken. Bedenk dat veel magnetronovens voor industrieel gebruik op een lagere frequentie (en dus een grotere golflengte) werken, bijvoorbeeld 900 MHz, om de grotere inhoud efficiënter te kunnen vullen.

Afbeelding 4 geeft de afhankelijkheid tussen het uitgangsvermogen en de frequentie voor de BLC2425M10LS500PZ SSPA duidelijker weer.

Afbeelding 4: Vermogenswinst en efficiëntie afgezet tegen uitgangsvermogen, typische waardes voor de BLC2425M10LS500P LDMOS-vermogenstransistor (Bron afbeelding: Ampleon)

Ampleon is niet de enige fabrikant van RF SSPA's die de mogelijkheden van deze markt onderkent. Zo geeft MACOM Technology Solutions in de notitie "How GaN is Transforming RF Energy and Cooking Applications" de mogelijkheden aan. Hun claim dat "Aangetoond is hoe een steak kan worden gebakken op hetzelfde bord als roomijs zonder dat het ijs smelt, wat aangeeft hoe nauwkeurig de RF-energie kan worden gericht," trok in ieder geval mijn aandacht, en ook de mogelijkheid om de energie en de verdeling ervan nauwkeurig te regelen is een aantrekkelijk voordeel. De notitie bevat een nuttige tabel waarin de specificaties van magnetronovens met een magnetronbuis worden vergeleken met een oven met een vermogensversterker (Tabel 1).

Tabel 1: Belangrijke specificaties van een oven met halfgeleidervermogensversterker en een met een magnetronbuis bij 2,45 GHz. (Bron afbeelding: MACOM Technology Solutions)

De technische voordelen qua efficiënt gebruik van netvoeding, RF-energie, regeling van uitgangsvermogen en zelfs gelijkspanningsniveau (28 V tegenover 4 kV) zijn zonneklaar. Er zijn ook voordelen op de lange termijn, omdat magnetronbuizen, net als alle elektronenbuizen, in de loop der tijd minder efficiënt worden en doorbranden. Bij enkele industriële magnetronovens worden ze in het kader van preventief onderhoud om de paar weken vervangen. Er zijn natuurlijk meer aspecten aan een systeem op basis van SSPA's dan alleen de kale SSPA die van invloed zijn op de kosten en andere ontwerpfactoren (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Voor de oven met een SSPA is nogal wat extra elektronica vereist bovenop de vermogensversterker zelf. (Bron afbeelding: MACOM Technology Solutions)

Conclusie

Wordt uw conventionele magnetronoven binnenkort vervangen door een oven met een SSPA? De (op dit moment) hogere kosten van de SSPA vormt een obstakel, ook al omdat de meeste mensen prima tevreden zijn met de magnetronovens van 100 tot 500 dollar. Maar ook al brandt hij voorlopig nog niet door, de magnetronoven wordt tegenwoordig als een wegwerpartikel gezien en hij is prima geschikt voor iedereen die zijn kliekjes wil opwarmen of popcorn wil maken.

De SSPA zal waarschijnlijk in eerste instantie in industriële apparaten worden toegepast, waar de hogere efficiëntie, lagere gebruikskosten en langere levensduur tegen de hogere aanschafkosten opwegen. Misschien gaat het op de lange duur net zoals bij auto's, waar de geavanceerde technologieën eerst bij de duurdere modellen werden toegepast en vervolgens geleidelijk hun weg vonden naar de goedkopere modellen. Brandstofinspuiting werd ooit ook alleen maar in de luxueuze modellen toegepast en is nu op alle auto's standaard.

Misschien krijgen de geavanceerde magnetronovens een sticker op de voorkant "Met halfgeleidervermogensversterker", net zoals de eerste transistorradio's een sticker "Met transistoren" hadden of de latere cd-spelers werden aangeprezen als "Met 1-bit DAC", al wist de consument absoluut niet wat dat was!

Referenties over magnetronbuizen

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