UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI

-PROIECT-TEHNICA

MICROUNDELOR

ÎNDRUMATOR: STUDENT:

ORADEA

-2009-

CUPRINS

I PRINCIPII GENERALE ASUPRA DISPOZITIVELOR CU MICROUNDE

1. Consideratii teoretice privind incalzirea cu microunde

2. Măsurarea scurgerilor de microunde

3. Măsurarea pierderilor de microunde

4. Parametrii caracteristici ai ghidurilor de undă

5.Linii de măsură

II GENERATOARELE CU MICROUNDE

1. Modul de propagare

2. Magnetronul, tipuri fundamentale de magnetroane și principiul lor de funcționare

3. Funcționarea magnetronului cu cavități multiplan

4. Ghidurile de undă

III DETERMINAREA DIMENSIUNII ” l ” PENTRU CA AMPLIFICATORUL SĂ . FUNCȚIONEZE LA FRECVENȚA f=2.45 GHz

1. Determinarea modurilor de propagare existente în aplicator

IV PROIECTAREA GENERATORULUI CU MICROUNDE

1. Proiectarea catodului

2. Proiectarea anodului

V CONCLUZII

VI SCHEMA ELECTRICĂ A INSTALAȚIEI

VII BOBLIOGRAFIE

2

TEMA PROIECTULUIProiectarea unui aplicator cu microunde pentru procesarea materialelor dielectrice.

Aplicatorul are forma paralelipipedică, având următoarea dimensiuni:

-Lungimea L=0,600 [m]

-Lățimea l=0.400 - 0.450 [m]

-Înălțimea H=0.900 [m]

-Frecvența de lucru a aplicatorului f=2,40 GHz

-Temperatura mediului ambiant Ta=20 [ºC]

-Temperatura de încălzire a materialului Tm=40 [ºC]

-Curentul anodic Ia=0,7 [A]

-Intensitatea maximă a curentului electric emis de către catod Jc=0,15 [A/cm2]

-Tranzversalele electrice TE450 ; TE650 ; TE440 ; TE646

3

I. PRINCIPII GENERALE ASUPRA DISPOZITIVELOR CU MICROUNDE

1. Consideratii teoretice privind incalzirea cu microunde

Energia microundelor a fost folosită în procesele industriale de foarte multi ani.

Folosirea acesteia în locul surselor convenționale de căldură, s-a produs datorită mai multor avantaje, după cum ar fii:

a) Încălzirea rapidă în profunzime a materialului

b) Economisirea de energie și timp, precum și îmbunătățirea calității materialului.

În primii ani de studii a încălzirii prin microunde aceste avantaje au fost greu de justificat, în raport cu prețul scăzut al încălzirii cu ajutorul derivaților din petrol.Toate acestea împreună cu reticența multor industrii de a schimba sistemele convenționale existente, dar adesea ineficiente și depășite, cu sisteme pe bazate pe microunde a dus la o creștere lentă dar foarte bine documentată a acestei tehnologii.

Cele mai mari avantaje ale energiei microundelor asupra tehnologiilor convenționale au fost foarte bine precizate da către Parking în 1979:

O mai eficientă uscare vis-a-vis de procezul de uscare Sistemul este mult mai compact decât cel convențional Energia este transferată într-un mod mult mai curat(fără poluare) Se realizează afânarea materialului Absorbția energiei în mod relativ și selectiv de către constituenții cu pierderi Energia se disipă repede în întreg volumul materialului Se evită uscarea excesivă a materialului Are un cost relativ scăzut al întreținerii ei

2. Măsurarea scurgerilor de microunde

Datorită caracterului invizibil și silențios al energiei de frecvență foarte înaltă (microunde), publicul larg a manifestat un interes ușor de înțeles pentru standardele de securitate.

Pe această bază a securității în instalațiile de microunde, a apărut inițial o dispută vizând rezultatele experimentale și standardele de securitate propuse pe plan național și internațional.

La acestea se adaugă și situațiile provocate de anumite medii care fără o cunoaștere în profunzime a domeniului, au tendința de a se concentra numai asupra unor anumite situații apărute în mod accidental creind astfel episoade alarmiste.

Prin evaluarea pericolelor posibile legate de energia miroundelor rezultă că există două mari categorii de risc:

Prima este de natură termică, determinată de încălzirea corpului uman ca rezultat al expunerii directe în câmpul de microunde.

Al doilea este non termic și se referă la efectele posibile, temporare sau foarte rar și permanente.

4

În multe țări s-a desfășutat o considerabilă activitate cercetare având ca scop stabilirea unui cod de procedută și în final stabilirea unei legislații privind nivelurile admisibile de expunere la iradiere cu microunde.

Elaborarea unor standarde mondiale a fost îngreunată datorită unor rapoarte, cele mai multe fiind de la începutul anilor 70, primite din URSS, despre efectele și nivelurile de expunere care erau cu un ordin de mărime mai mic decât cel stabilit în general în urma experimentelor și experimentărilor di occident.

Încercările de a reproduce efectele raportete nu au fost încununate de succes, iar rezultatele bazate pe experiența și practica firmelor occidentale a fost hotărâtoare. Este de dorit stabilirea unui nivel redus al emisiilor și expunerilor admisibile care să nu prezinte un preicol real pentru operatorii umani și în acelaș timp să nu complice construcția instalațiilor cu microunde.

O cuprinzătoare recenzie a aspectelor sănătății în urma expunerii la radiațiile cu mirounde și la energia radioelectrică a fost publicată în Directoratul Sănătății Mediului Înconjurător din Canada în anul 1978.

Scurgerile de microunde, limita pierderilor în microunde

Încălzirile cu microunde realizate în instalațiile cu microunde trebuie să fie concepute și exploatate ăn așa fel în cât să asigure o protecție convenabilă contra riscurilor de iradiere datorate pierderilor de microunde.

Toată instalația si mai ales aplicatorul (partea componentă în care se procesează materialul) trebuie concepute în așa fel în cât să fie acceptabile operatorului, pentru aceasta fiind necesară prevederea unor mijloace de acces.

Acestea pot fi incuiate si prevazute cu sisteme de securitate corespunzatoare. Bazândune pe acest lucru pierderile de microunde raportate la unitate de suprafata nu trebuie să depasească 50 W/m2 sau 5 mW/m2 în oricare loc accesibil situate la 0,05 m, de oricare parte a instalației, în condițiile desemnate ca funcționare normal.

În plus perioadele de pierderi de microunde nu trebuie sa depașească o putere de suprafață de 100 W/m2 ori 10 mW/m2, in oricare loc accesibil la o distanta de 0,05 m, de oricare parte a instalației, pentru ca aceasta să functioneze in parametrii normali. Acești parametrii, respectiv distanța de 0,05 m și respectiv valorile lor nu pot fi depășite sub nici o forma.

Valorile prezentate mai sus au fost verificate prin masurarea pierderilor maxime de microunde , cu ajutorul mijloacelor corespunzatoare de masură.

Limitele pierderilor de microunde cuprinse intre 5 si 10 mW/m2 mai sus definite pot fi inlocuite doar cu valori mai mici în caz de nevoie.

3. Masurarea pierderilor de microunde, conditii de masurare

Pierderile de microunde se masoară cu ajutorul aparatelor si echipamentelor specializate, care trebuie să indeplinească anumite conditii, după cum sunt enumerate:

- Atinge în 2 sau 3 secunde 90% din valoarea reală a nivelului scurgerilor in regim stabilizat, atunci cand se aplică un semnal de intrare in trepte

- Poseda un detector de radiatii (antenă), practic nepolarizat, capabil sa funcționeze întrun câmp electromagnetic apropiat și care este capabil să masoare un nivel de

5

scurgeri în plaja de 50-100 W/m2 cu o precizie de ±10% la frecvența de lucru a instalașiei de încalzire cu microunde.

Condiții de măsurare

Pierderile maxime de microunde într-un loc oarecare situate la aproximativ 0,05 m distanță față de o parte oarecare a instalașiei cu microunde , trebuie sa fie masurate ptentru toata plaja de puteri în microunde și ptentru diferitele tipuri de material ce urmează a fi tratate, in conditii normale de lucru a instalației, care a fost prevazute de către un constructor.

Observații

Măsurarile trebuie efectuate la toate ușile sau la toate mijloacele de acces, precum si cu capacele îlaturate sau deschise în afara celor care au rolul de a zăvorâ sau bloca microundele, ptentru a se împiedica astfel pe perioada de timp a masurarii emisisa microundelor

Măsurarile de mai sus trebuie sa fie repetate la fiecare ușa, mijloc de access sau capac care conține un dipozitiv de blocare a microundelor , reglate în pozitia cea mai defavorabila posibila care permite înca emisisa de microunde . Măsuratorile menționate se repeta cu aplicatorul neconținand materialele ce trebuie tratate, iar generatorul de microunde fiind reglat la nivelul maxim de putere permis.

4.Parametrii caracteristici ale ghidurilor de unda

1. Constanta de propagare (ʋ) este o marime complexa care depinde de parametrii primari ai ghidului de unda (dimensiunile transversale a,b) si de frecvența. Denumirea de constantei de propagare este justificata de acea că ea caracterizeaza variația amplitudinii și a fazei undelor electromagnetice care se propaga în ghid conform relatiei: ʋ=α+jβ

Unde:

α - constanta de atenuare și este parte reala din constanta de propagare

β – constanta de fază care reprezintă partea imaginară a constantei de fază

β[rad/m]

Ptentru un ghid de unda de dimensiuni inferioare a · b constanta de propagare este dată de relația :

ʋ=[(m·π/a)2+(n·π/b)2·ω2· μ·v]1/2 (1)

Unde: n,m – nrumere întregi și sunt egale cu 1,2,3,…..

2. Frecvența critică ''fc'' reprezinta frecvența la care se anulează constanta de propagare conform relației: fc=f/2π(ω·μ)1/2·[(m·π/a)2+(n·π/b)2]1/2 [Hz] (2)

Unde: a,b – dimensiunile inferioare ale ghidului în metri

6

3. Lungimea de unda critică ,( λcd), în cazul când ghidul de undă este umplut cu un dielectric, este data de urmatoarea relație:

λcd=2·(μr·εr)1/2·[(m·π/a)2+(n·π/b) 2]1/2 [m] (3)

4. Lungimea de unda critica( λc) ptentru ghidul umplut cu aer este dată de urmatoarea relație:

λc=2/[(m/a)2+(n/b) 2]1/2 [m] (4)

Ptentru cazul ghidului șn care modul de propagare transversal electric de grad 10 TE10(H10) lungimea de undă devine:

λc=2·a (5)

Unde: a – reprezintă dimensiunea laturii mari a ghidului

5. Lungimea de unda in ghid (λg) – reprezintă distanța masurată dealungul axei longitudinale a ghidului pt care faza câmpului se schimba cu 2π radiani, fiind egală cu distanța dintre cele doua maxime successive ale câmpului, considerate la un moment dat.

Lungimea de unda în ghidul umplut cu dielectric având permetivitatea electrica relativa εr și permeabilitate magnetică μ1==1 este dată de urmatoarea expresie

λg=λ·[εr-(λ/λc)2]1/2 (6).

Pentru ghidul umplut cu aer și considerând permeabilitatea magnetică și permeabilitatea relativă aproximativ egala cu 1 obținem urmatoarea relatie:

λg=λ/[1-(λ/λc)2]1/2 (7)

5. Linii de măsură

Linia de măsură un dispozitiv utilizat frecvent în microunde, atât la măsurarea semnalelor, de exemplu lungimea de undă cât și la măsurarea rețelelor, din categoria cărora fac parte coeficientul de reflexie etc.

Din punct de vedere constructiv, linia de măsută este o porțiune de ghid uniform, prevăzut cu o fantă longitudinală în care se introduce o sondă.

Sonda este în majoritatea cazurilor o simplă tijă metalică introdusă parțial în ghid, perpendicular pe direcția de propagare. În acest tip de sondă se induce o tensiune proporțională cu intensitatea câmpului electric transversal ET din locul respectiv și sonda E.

Constanta de proporționalitate poate fi modificată prin schimbarea adâncimii de pătrundere sau a adâncimii de intrare a sondei în ghid.

Cuplajul sondei cu linia de măsură trebuie să fie cât mai slab cu putință, astfel în cât prezența sondei să nu influențeze fenomenele care au loc în ghid.

Sensibilitatea liniei este însă limitată de sensibilitatea aparatului indicatot, sau sau de nivelul zgomotului.

Existența unui anumit zgomot inert (existent) în orice instalație de măsută poate să conducă la erori de măsurare importante, dacă semnalul util este ineficient. În consecință cuplajul se va regla experimental, în funcție de densibilitatea detectorului precum și de sensibilitatea aparatelor de măsură.

Semnalul de frecvență foarte înaltă cules de sondă este aplicat unei diode detectoare direct sau prin intermediul unui rezonator de cuplaj.

7

Sonda, sistemul de culaj și detectorul sunt amplasate împreună pe un dispozitiv mobil, al cărui deplasări în lungul liniei pot fi urmărite cu ajutorul unui vernier.

Linia de măsură prezentată ca orice linie de transmisiune reală, are o anumită constantă de atenuare, nenulă.

Pierderile liniei de măsură sunt determinate de piarderile în pereții metalici, imperfect conductori ca și de radiația liniei prin fanta de măsură, care nu poate avea lățimea 0.

Totuși lungimea liniei de măsută este mică, aceste piarderi neglijate de regulă și deci în consecință, linia de măsură poate fi considerată o linie fără pierderi.

Simbolizarea utilizată pentru ansamblul liniei de măsură-detector este prezentată în figurile următoare:

Fig.1.1. a) b) c)

a) Cuplajul direct cu detectorulb) Cuplajul cu detectorul prin intermediul unui rezonatorc) Reprezentarea simplificată a cuplajului

Detectorul liniilor de măsură

Diodele semiconductoare folosite pentru detecție sunt de diverse tipuri ca de exemplu:

Diode cu contact punctiform Diode tip Schotky Diode inverse

Aceste diode special realizate pentru microunde au elemente parazite reduse la minimum astfel în cât prezența lor, limitată de detecție este foarte ridicată.

Ca urmare a detecției se obține o tensiune continuă dependentă de amplitudinea semnalului cules de sondă și de caracteristica diodei.

Această tensiune, eventual amplificată este măsurată obținându-se astfel o inducție corelată cu intensitatea câmpului electric din ghid.

II. GENERATOARELE CU MICROUNDE

8

1.Modurile de propagare in ghid

Având in vedere periodicitatea câmpului, condițiile la limita se pot îndeplini pt o infinitate de moduri de propagare în ghid. Exista deci mai nulte moduri de propagare în ghid care se pot clasifica în functie de componentele axiale sau transversale ale câmpului electromagnetic astfel:

1. Modurile transversal electrice TE(H) – se caracterizează prin aceea ca directorul campului electric are componenta axială în plan transversal, perpendicular pe direcția de propagare iar componenta axială Ez este nula (Ez=0). Numai câmpul magnetic are componenta pe direcția axială (Hz=/0), motiv ptentru care aceste moduri se mai notează cu litera H.

2. Modurile transversal magnetice TM(E) – se caracterizeaza prin existența cîmpului magnetic numai în planul transversal (Hz=0) și a componentei axiale a câmpului electric (Ez=0).

3. Modurile transversal electromagnetice TEM – se caracterizeaza prin existența unor componente ale câmpului doar în plan transversal, componentele axiale fiind nule conform relației (Ez=Hz=0).

Existența în ghid a unuia din aceste moduri se asigură practic prin moduri de excitare a chidului, adica printr-o construcție adecvată a dispozitivului de conectare a ghidului la generatorul cu microunde.

Din punct de vedere matematic modurile de propagare corespund unor soluții particulare ale ecuatiilor lui Maxwell, obținute în urma înlocuirii în aceste ecuații a componentelor Ez=0 ptentru modurile transversal electrice si Hz=0 ptentru modurie transversal magnetice.

2. Magnetronul, tipuri fundamentale de magnetroane și principiul lor de funcționare

Magnetronul este un element esențial în generarea energiei microundelor, transformând energia rețelei (având frecvența f=50 Hz), în energie de foarte înaltă frecvanță ( microunde f=2,45 GHz, 2450 Hz).

Magnetronul este un tub vidat de geometrie cilindrică, alcătuit din doi electrozi astfel:

Anodul este realizat din Cupru și constă din mai multe cavități ( între 10 - 20) ce fotmează circuitele rezonante ale magnetronului. Una dintre cavități conține o antenă care permite extragerea energiei de microunde în exterior, de exemplu în ghidurile de undă.

Catodul este în general de formă elicoidală realizat din Wolfram sau Tungsram, și se încălzește la o temperatură de 2000 oC, datorită aplicării unei tensiuni cuprinse între 5 V și 10 V. În plus catodul este plasat la un potențial negativ de tensiune constantă de circa 6-10 KV.

9

Fig.2.1. Reprezentarea schematică a magnetronului

Magnetronul lucrează în regim continuu sau în impulsuri, dând puteri în microunde de ordinul zecilor de KW cu un randament ridicat (>70 %).

Randamentul magnetronului este superior randamentelor celorlalte tuburi de înaltă frecvență și se datorează interacțiunii pe o durată mai mare între câmpul magnetic de înaltă frecvență și fasciculului de electroni ce se deplasează în jurul catodului, în spațiul dintre acesta și anod.

Datorită cavităților rezonante ale anodului cîmpul electromagnetic are la o rezonanță, o intensitate mare astfel în cât la obținerea puterii de foarte înaltă frecvență contribuie atât tipul de interacțiune lung cât și intensitatea mare a câmpului electric.

Prin secţiunea transversală intr-un magnetron se pot distinge următoarele componente:

1. Catodul2. Circuitul de alimentare al catodului3. Anodul4. Cavităţi rezonante5. Fante6. Bucla de culegere a oscilaţiilor7. Ieşierea microundelor

Randamentul magentronului este superior randamentului celorlalte tuburi de înaltă frecvenţă şi se datorează interacţiunii pe o durată mai mare în câmpul electromagnetic de înaltă frecvenţă şi fasciculul de electroni ce se deplasează în jurul catodului în spaţiul dintre acestea.

Studiul fenomenelor care au loc în interiorul magnetronului este mai complex decât cel al fenomenelor din tuburile de înaltă frecvență, în care deplasarea electronilor are loc pe traiectorii rectilinii (clistronul sau tubul de undă progresivă).

Sub acţiunea câmpului electric creat de tensiunea anodică şi a câmpului magnetic creat de magnet sau electromagnet electronii se pun în mişcare descriind traiectoria sub forma unei bucle succesive denumite cicloide. Aceste cicloide sunt caracterizate prin viteza de translaţie şi o viteză de rotaţie. Când viteza de translaţie şi cea de rotaţie sunt egale inelele sunt cicloide.

10

Existența câmpurilor magnetice și electrice obligă electronul să se deplaseze pe o traiectorie foarte complicată în jurul catodului.

În cazul magnetronului, eliberarea din metal a elementelor se produce prin emisia termoelectrică sau termoelectronică, pe seama energiei termice furnizată de către catodul încălzit, fenomen puternic dependent de temperatură şi de materialul catodului.

În nagentron doar o parte a căldurii anodului se prodice datorită curentului de încălzire, cealaltă parte destul de însemnată provine de la electroniii de fază nefavorabilă a căror energie cinetică se transformă în căldură, prin bombardarea regresivă, ciocnind neelastic catodul. La magnetroanele de tip radar, adică acele magnetroane care funcţionează în impulsuri după o scurtă perioadă de încălzire circuitul de filament este dereglat şi încălzirea este asigurată în continuare de bombardamentul electronilor de fată nefavorabilă. Pentru realizarea catozilor se utilizează sârma de volfram toriat, timpul de lucru pentru acestea este mai scurt iar temperatura de lucru este cuprinsă între 1900 şi 1950C. Pentru volframul toriat la temperatura de 1900C, densitatea curentului de saturaţie este de 10 A/cm2 js=10[A/cm2]. Temperatura de topire a volframului este de 3370C.

Creşterea temperaturii de lucru asigură o creştere rapidă a energiei de electroni dar cauzează în mod nedorit reducerea accentuată a duratei de viaţa a catodului. Alegând temperaturi de lucru mai joase, scăderea emisiei de electroni poate fi compensată prin mărirea suprafeţei de emisie şi deci implicit prin mărirea dimensiunilor catoduliu.

Catozii realizaţi din volfram toriat au o emisivitate aproximativ de 100 de ori mai mare faţă de catozii realizaţi din volfram pur, la aceeaşi temperatură de funcţionare. Activarea catozilor din volfram toriat se face în timpul procesului de vidare al magnetronului după care se ţin timp de câteva ore la o temperatură de 200C timp în care emisia electronică creşte la o valoare nominală necesară.

La o creştere a temperaturii în intervalul cuprins între 2400C şi 2500C îi corespunde o creştere de 2,6 ori a emisiei electronice în timă ce viteza de evaporare este de 5,8 mai mare.Pentru dimensionarea catozilor cu încălzire directă se recomandă pentru alegerea emisiei electrice, 90% din valoarea curentului de saturaţie.

Existența mai multor maduri de lucru, caracterul de tub cu câmp ''învârtitor'' și cu cavități rezonante ilustrează procesele complexe care au loc în timpul funcționării magnetronului.

Datorită factorului de calitate de valoare mare, al cavităților utilizate în circuitele oscilante, magnetronul funcționează într-o bandă de frecvență foarte îngustă.

3. Funcționarea magnetronului cu cavități multiple

Există mai multe tipuri de magnetroane cărora le sunt specifice diferitele regimuri de oscilație:

a)Magnetroane cu oscilație electronice ( cu frecvența ciclotronică)b)Magnetroane cu rezistență negativă (cele de tip dinatron)c)Magnetroane cu cavități rezonante

Magnetroanele cu cavități rezonante sunt cele mai răspândite, părțile componente ale unui magnetron cu cavități rezonante sunt următoarele:

1. Catodul2. Spațiul de interacțiune3. Polul anodic

11

4. Fantă5. Cavități rezonante (rezonatorul)6. Anodul (bloc anodic)7. Bara conductoare (inel)8. Sondă (buclă de extragere a energiei)

Catodul este de formă cilindrică cu oxizi din Bariu sau Thor, cu o emisie specifică mare, cu o rezistență mecanică a stratului de oxizi și o conductibilitate electrică și termică de suprafață.

La funcționarea în impulsuri pe catod se vor aplica impulsuri de tensiune negativă de ordinul KV.

Anodul este format dintr-un cilindru masiv de Cupru electrolitic în care sunt practicate un număr par de cavități rezonante (8 - 150), având formă cilindrică cu vană sau fantă. Pe măsură ce lungimea de undă scade numărul rezonatoarelor crește. Toate rezonatoarele sunt legate între ele prin intermediul câmpurilor de înaltă frecvență și al inelelor de legătură, care înbunătățesc funcționarea magnetronului.

Anodul este conectat la o sursă de trnsiune continuă notată cu U0 pozitivă față de catod astfel că în interiorul dispozitivului există un câmp electric E0 care este static și radial.

Magnetroanele sunt foarte sensibile la vriația tensiunii anodice, astfel că la o scădere a tensiunii anodice <4,45% puterea magnetronului scade la jumătate.

Alimentarea filamentului se realizează în mai multe etape, din acest motiv alimentarea la filament trebuie prevăzută cu un reglaj continuu sau în trepte.

Rezistența filamentului la rece este de 10 ori mai mică ca rezistența filamentului la cald.EXEMPLU:

Fie astfel un caz de alimentare la 6V și 30A, în regim de lucru rezistența filamentului va fi 0,2 Ω. La rece rezistența este de numai 0,02 Ω, ceea ce ar însemna că la 6V avem un curent de 300A și deci se constată că curentul maxim admisibil al filamentuluifind de 150A filamentul in acest caz fiind distrus.

După stabilirea regimului de lucru la filament se poate aplica tensiunea anodică, iar după aplicarea tensiunii anodice și citirea curentului anodic, se readuce tensiunea la filament conform indicațiilor (curbelor) catalogului. Reducerea încălzirii la filament după apariția curentului anodic este necesară deoarece o parte din (secundar) electronii ce formează curentul anodic, se vor întoarce la catod provocând o emisie secundară și deci astfel este recomandată reducerea puterii de încălzire la filament.

O particularitate a soluţiei cu tensiuni anodice mici este posibilitatea funcţionării la inducţie mai mici, ceea ce constituie un avantaj numai în cazul asigurării câmpului magnetic prin electromagnet.

Construcţia magnetronului coaxial de 1500 W

Magnetronul coaxial de 1500 W are o construcţie modulară şi se compune din următoarele părţi :

a) subansamblul bloc anodicb) subansamlul catodc) subansamblul capacului superior de închidered) subansamblul capacului inferior de închideree) clopot de sticlă superiorf) clopot de sticlă inferior

12

g) subansamblul de răcire

Există și cazuri în care funcționarea are loc cu o tensiune de filament redusă la zero.După incălzirea în jurul catodului există un nor de electroni ce formează sarcina

spațială din jurul catodului.Câmpul electric produs de tensiunea aplicată pe anod acționează asupra sarcinii spațiale. Dacă s-ar aplica tensiunea anodică când catodul ar fi rece și deci sarcina spațială nu ar exista, câmpul electric generat de tensiunea anodică ar acționa direct asupra suprafeței catodului și l-ar putea deteriora.

Magnetroanele de putere mare sunt prevăzute cu răcire cu aer sau cu apă.Puterea absorbită de magnetron de la sursa de alimentare, se transformă în putere

utilă în microunde, iar restul în putere disipată (putere sub formă de căldură), care încălzește magnetronul. La un randament de 60%, un magnetron de 5 KW va avea puterea utilă care absoarbe de la sursa de alimentare circa 8,3 KW și trebuie să eleimine prin sistemul de răcire circa 3 KW.

Instalația de protecție și semnalizare trebuie să prevadă senzorii pentru presiune și temperatura apei de răcire, de la ieșire din sistemul de răcire cu apă, cu posibilitatea deconectării tensiunii anodice, în caz de abatere de la condițiile de lucru.

Magnetronul este închis într-o carcasă metelică dispusă între polii unui magnet al cărui câmp magnetic de inducție B0 este îndreptat dealungul axei anodului.

Fenomenele care apar la funționarea magnetronului sunt: Străpungerea Zgomot după impuls la ieșire Radiația la catod Abatera frecvenței Factorul de târâre Factorul de abatere.

Principii constructive ale manetronului de 1500 W la o frecvență de 2450 MHz

Modul coaxial de construcție al magnetroanelor de medie putere cuorinse între (0,8 - 2,5 KW), destinate cuptoarelor de uz casnic și instalațiilor pilot industriale, duce la avantaje importante după cum sunt:

a) Datorită simetriei cilindrice și a elementelor radiale exterioare blocul anodic se execută prin operații de strunjire și mortezare.

b) Părțile metalice ale celor două capace de închidere sunt construite din piase de dimensiuni identice.

c) Asamblarea și îmbinarea componentelor se execută cu ajutorul cuptorului cu hidrogen.

d) Varianta coaxială permite testarea mai uşoară a etanşeităţii incintei metalice înaintea aplicării sticlei, eliminându-se astfel exemplarele defecte;

e) Catodul, formând un subansamblu aparte, poate fi introdus în magentron gata montat putând fi asamblat prin operaţii simple;

f) Construcţia coaxială asigură folosirea unu număr minim de componente de sticlă şi joncţiuni metal-sticlă, pare pot fi aplicate prin lipire inductivă igienic şi operativ;

g) Exemplarele defecte sau necorespunzătoare pot fi schimbate uşor, folosind aceeşi incintămetalică a magnetronului , care poate fi reutilizată de mai multe ori, nefiind supusă uzurii.

13

Pornind de la aceste concluzii s-a apreciat ca soluşiile constructive şi tehnologiile utilizate la magnetronul coaxial de mică putere pot fi utilizate şi la magnetroanele de medie putere.

Magnetroanele cu funcţionare continuă cu puteri de 0,8-2,5 kW lucrează cu tensiuni anodice cuprinse între 2-6 kV, constatând că numărul tipurilor de tensiuni anodice de circa 2kV este foarte redus.

O necesitate care se impune la aceste magnetroane, este pornirea rapidă, in 2-3 secunde, care se realizează prin utilizarea unor catozi de încălzire directă, având inerţie termică redusă.

Folosirea tensiunilor de accelerare apropie de limita superioară a intervalului de tensiune sus-menţionată este dezavantajoasă în privinţa solicitării dielectricului, inclusiv a stabilităţii vidului din magnetron, ridicând si probleme de izolaţie la realizarea sursei de alimentare. În cazul utilizării tensiunilor anodice de circa 2kV, valoarea mare a curentului anodic impune mărirea dimensiunilor catodului. La ctozi cu încălzire directă, având spire autoportante, mărirea numărului de spire şi a diametrelor acestora diminuează stabilirea formei sale geometrice şi duce , în plus, la creşterea puterii consumate pentru încălzirea filamentului. În acelaşi timp, folosirea tensiunilor anodice scăzute impune creşterea numărului cavităţilor rezonante de la 10-12 la 18-20, mărind în aceeaşi măsura şi manopera necesară asamblării. O particularitate a soluţiei cu tensiuni anodice mici este posibilitatea funcţionării la inducţii magnetice mai mici (0,1-0,12 T), cee a ce constituie un avantaj numai în cazul asigurării câmpului prin electromagnet.

4.Ghidurile de undă

Ghidurile de undă în sensul cel mai larg al notiunii reprezintă domenii dielectrice situate dealungul unei axe, separate de mediul înconjurator prin suprafețe conductoare.

În tehnica încalzirii cu microunde se folosesc de obicei, ghidurile uniforme care au conturul secțiunii transversale, pe toata lungimea lor.

Clasificarea ghidurilor de undă dupa forma secțiunii lor transversale se face astfel:

14

1. Ghidurile dreptunghiulare

2. Ghidurile circulare

3. Ghidurile eliptice

15

4. Ghidurile în forma de U

5. Ghidurile în forma de H

6. Ghidurile în forma coaxială

Fac parte din categoria ghidurilor de unda uniforme.

În cazul propagarii energiei lectromagnetice prin ghidurile de unda, cel mai des utilizat în technical microundelor sunt cele în forma dreptunghiulara.

Utilizarea ghidurilor de unda dreptunghiulare cu pereții metalici, deci complet ecranate cu dielectric în cazul nostru, dielectrcul fiind considerat aerul, sunt utilizate atât în insțalatiile de microunde de putere mica (1-2 kW) cât și în instalatiile de putere mare (5-10 kW).

Avantajele care le oferă utilizarea acestor ghiduri de undă pot fi rezumate astfel:

a) Nu prezintă pierderi prin radiații.b) Prezintă pierderi mici în metalul din care sunt executati peretii ghidului și pierderi

mici în dielectric, în cazul nostrum fiind aerul.

16

c) Permit transmiterea de puteri mari.d) Sunt de o constructivitate foarte simpla si robusta pentru productia de exploatare a

lor.

Studiul propagarii undelor electromagnetice în ghidurile de unda

Studiul propagarii undelor electromagnetice în ghidurile de unda urmareste urmatoarele probleme principale:

1. Condiții de propagare a oscilațiilor de foarte înalta frecvența în ghidurtile uniforme.2. Distributia campului electromagnetic în ghid.3. Influenta conductivitații metalului și a dielectricului în ghidurile uniforme.4. Posibilitatea de excitare a undelor electromagnetice în interiorul ghidului de unda.5. Posibilitatea de adaptare a ghidului de unda cu sarcină.

Pentru calculul campului electric și a câmpului magnetic se pornește de la ecuațiile lui Maxwell care se integrează ptentru anumite condiții inițiale date conform urmatoarelor relații:

rotE=-µ· δH· |δ| (1)

rotH=σ·E+ε·δ·E·|δ| (2)

divD=ƍ (3)

divB=0 (4)

Se considera că:

a) Ghidul este metallic, uniform, nu are pierderi și deci cunductivitatea metalului este infinită σc=∞

b) Dielectricul care umple ghidul este un mediu omogen, izotrop, fară pierderi și este caracterizat prin permitivitate εr și permeabilitatea μ precum si conductivitatea σ =0

c) Dielectricul este lipsit de sarcină și deci densitatea volumetrică de sarcina în acest caz este nulă ƍ=0.

d) Undele electromagnetice sunt excitate în regim armonic cu pulsația ω și care ca urmare a intensitații câmpului electric E și a câmpului magnetic H, amândouă fiind luate ca și marimi vectoriale pot fi exprimate asfel:

E(x,y,z,t)=E(x,y,z)ejwt (5)H(x,y,z,t)=H(x,y,z)ejwt (6)

e) Dacă axa ghidului este paralela cu directia Oz și se notează cu γ care reprezintă constanta de propagare, expresiile câmpului electric și magnetic devin astfel:

E=(x,y,z,t)=E(x,y,z)e-γz+jwt (7)

H=(x,y,z,t)=H(x,y,z)e-γz+jwt (8)

17

Dimensionarea catodului cu încălzire directă din wolfram thoriat

În vederea asigurării unei stabilităţi a flromei geometrice se foloseşte sârmă de Φl. Conform literaturii de specialitate temperatura de lucri indicată pentru wolfram este de 1900÷1950 ºK. Pentru acest material la temperatura de 1900ºC tebelele indică o densitate a curentului de saturaţie :

Jes= 0.1A/cm2

Pentru a asigura la pornirea magnetronului un curent anodic Iap=0.65 A care va creşte după amorsarea oscilaţiilor datorită bombardării regresive, este necesară o arie S1 a suprafeţei laterale a filamentului .

Rezultă lungimea totală a spirelor :

Presupunând o lungime spiralată L3=24 mm şi pasul spirei p’2 mm, rezultă numărul de spire :

Se determină dimensiunea medie a spirelor :

Rezultă dimensiunea catodului :

Dc=6,5 mm

Dimensionarea blocului anodic

Frecvenţei de lucru de f0’2450 MHz îi corespunde perioada T0=1/f0’4,08 10-10 s ;I lungimea de undă λ0=c/f0=1,224 10-1 m .

La alegerea numărului de cavităţi N se are în vedere curba care exprimă mărimea randamentului cu creşterea lui N şi creşterea dificultăţilor tehnologice şi a manoperei legate de prelucrare şi asamblarea acestora. Se obţine un compromis bun pentru N= 12. La

18

stabilirea dimensiunilor blocului anodic se folosesc relaţiile generale de funcţionare a magnetronului.

Intervalui de timp necesar pentru ca spira electronică să parcurgă spaţiul dintre două lamele vecine este :

Rezultă viteza unghiulară de rotaţie a spirei :

Se caută ca raportul Ra/Rc să fie apropiat de raportul (N+4)/(N-4). Lamelele cavităţii rezonante au grosimea g = 2 mm , în scopul eliminării pierderilor de străpungere între muchiile lamelelor vecine, acestea vor fi distanţate la g = 0,9 mm.

Rezultă perimetrul sistemului de cavităşi anodice :

p=N(g+g’)=34,8 mm

Se ajunge la valoarea razei anodice :

III. DETERMINAREA DIMENSIUNII ''l'' PENTRU CA APLICATORUL SĂ FUNCȚIONEZE LA FRECVENȚA DE 2,45GHz

1. Determinarea modurilor de propagare existente în aplicator

Pentru aceasta se foloseşte următoarea formula:F = (c0/2√εμ) √(m/a)2 + (n/b)2 + (p/c)2

c0 = 3 108 m/s ε= 1; μ = 1

TE450

19

l = 0,40 f450 = 3 108/2 √(4/0,6)2 + (5/0,40)2 + 0 f45o = 15 IO7 √44,44 + 156,25 = 15 10 14,16 f45o = 21,26 IO8 MHz = 2,126 GHz

1 = 0,45 f450 = 3 108/2 √(4/0,6)2 + (5/0,45)2

f450= 15 107 √44,44+ 123,45 = 19,43 108 MHz = 1,943GHz

TE651

1 = 0,40 f651 = 3 108/2 √(6/0,6)2 + (5/0,40)2 + (l/0,7)2

f651 - 15 107√l00+ 154,25 +2,04f651 = 24,10 108 MHz = 2,410 GHz1 = 0,45 f651=3 108/2 √(6/0,6)2 + (5/0,45)2 + (l/0,7)2

f651 = 15 107 √100 + +123,45 + 2,04 f651 = 22,52 108 MHz =2,252 GHz

TE646

1 = 0,40 f646 = 3 1 08/2 √(6/0,6)2 + (4/0,40)2 + (6/0,7)2

f646 = 15 107 √l00 + 100 + 73,46 f646 = 24,80 108 MHz = 2,480 GHz 1 = 0,45 f646 = 3 1 08/2 √(6/0,6)2 + (4/0,45)2 + (6/0,7)2

f646 = 15 107 √lOO + 79,01+ + 73,46 f646 = 23,83 108 MHz = =2,383 GHz

TE441

1 = 0,40 f441 =3 108/2 √(4/0,6)2 + (4/0,40)2 + (l/0,7)2

f441 = 18,15 IO8 MHz= 1,815 GHz l = 0,45 f441 = 3 108/2 √(4/0,6)2 + (4/0.45)2 + +(1/0,7)2

f441= 15 107 √44,44 + 79,01 + 2,04

f441 = 16,80 108 MHz = =1,680 GHz

1 = 0,39 TE651 f651 = 3 108/2 √(6/0,6)2 + (5/0.39)2 + (l/0,7)2

f651= 15 107 √lOO+ 164,3+ 2,04 f651= 24,48 108 MHz = 2,451 GHz

Pentru modul de propagare TE651 se obţine f = 2,451 GHz la o lăţime a ghidului de undă l = 0,39

Perioada de oscilaţieT0= l / f= 1/2,451 109 = 0,408 10-9

Lungimea de unda in aerX0 = c0/f= 3 108/2,451 109 = 0,1224m= 12,24 cm

Intervalul de timp necesar ca spiţa electronica sa parcurgă intervalul spaţiul dintre 2 lamele anodice vecine

20

Δt = T0/2 = 0,408 10-9/2 = 0,204 10-9 [s] Viteza unghiulara de rotaţie a spiţei

Ω = 27π/nΔt unde N - număr de cavităţi se alege itre 10-20 cavităţi si sa fie un număr par

N = 8 Ω = 2Π/8 0,204 10-9 = Ω = 3,848 1 09rot/sec = 230,88 rot/min

IV. PROIECTAREA GENERATORULUI DE MICROUNDE

Magnetronul este un element esenţial in generarea energiei de microunde , el transformînd frecvenţa reţelei de 50 Hz în înalta frecvenţa 2,451 GHz . Este un tub vidat de geometrie cilindrica avînd 2 electrizi anod şi catod.Anodul este realizat din cupru si constă din mai multe cavităţi care formează circuite rezonante. Una din aceste cavităţi conţine o antenă care permite extragerea energiei şi transmiterea ei in exterior.

Catodul are in general formă elicoidală este realizat din wolfram se incălzeşte pâna la temperatura de 2000 [K] datorită aplicării unei tensiuni cuprinse între 5-10 V şi în plus catodul este plasat la un potenţial negativ de tensiune între 6-10kV.

Aceste magnetroane pot funcţiona in regim continuu sau în impulsuri dînd puteri de ordinul de zecilor de kw cu un randament de 70%.

Funcţionarea magnetronului se bazează pe transferul de energie pe care îl realizează electronii în spaţiul de interacţiune.Electronii absorb energie de la sursa dc tensiune anodică şi o cedează prin intermediul cîmpului electric de înaltă frecvenţă cavităţilor rezonante.

1.) Calculul catodului

Se dă curentul anodic Ia=0,7 [A] , Jc=0,15[A/cm2] d=1,2

Să se calculeze suprafaţa emisivă a catodului :

[mm2]

Lungimea totală a spirei:

[mm]

Lungime activă a catodului :

[mm]

p=2 pasul înfăşurării, N=10

21

Numărul de spire :

[spire]

Diametrul mediu al spirei :

[mm]

Diametrul catodului :

[mm]

Raza catodului :

[mm]

Raza catodului ţinând cont de grosimea emisivă a stratului de thoriu :

[mm] g`=0,05 [mm]

2.) Calculul anodului

Lungimea reală a cavităşii corespunzătoare rezonanţei (lungimea geometrică):

ks=0,6 - factorul de sculptare

Pentru determinarea dimensiunii reale a lamelelor se pleacă de la considerentul că două lamele vecine trebuie să formeze o cavitate rezonantă, asimilată din punct de vedere al repartiţiei câmpului electromagnetic, cu o linie bifilară având ca dielectric vidul, scurtcircuitată la un capăt şi având o lungime electrica λ0/4 numită linie rezonantă de undă reală a cavităţii corespunzătoare rezonanţei numită şi lungime geometrică care reprezintă cu mult mai puţin decât un sfert de undă .

22

λ0=13

Grosimea reală a cavităţii anodice :

g1= 4 [mm]

Distanţa dintre două lamele vecine :

g2=1 [mm]

Perimetrul cavităţii anodice :

[mm]

Se consideră raportul

ra=2rc , rc=1,91

Raza mare a cilindrului anodic :

[mm]

Diamentrul mare al cilindrului :

[mm]

Raza medie a anodului :

[mm]

Viteza ciclotronică :

[m/s],

Valoarea de propagare a tensiunii anodice :

B0=0,1-0,2 T

B0=0,16 T

23

Tensiunea anodică critică :

[KV] d=1,2 ; ;

Tensiunea anodică de sincronizare :

[KV]

Tensiunea anodică medie :

[KV]

Randamentul electric estimat :

[%]

24

Puterea de ieşire a generatorului :

[KW]

Puterea filamentului :

,

Rezistenţa filamentului :

[Ω] Uf=4[V]

25

V. CONCLUZII

Măsurarea trebuie efectuată la toate uşile cu toate mijloacele de accees şi capacele înlpturate sau deschise, în afară de cele care au rolul de zăvor sau sistem de blocare a microundelor pentru a se împiedica astfel emisia de microunde pe perioada de timp alocată măsuratorilor.

Măsurătorile de mai sus trebuie să fie repetate la fiecare usă , mijloc de acces sau capac care conţine câte un dispozitiv de blocare al microundelor, reglate in pziţia cea mai defavorabilă posibilă care permite îmsă emisia de microunde .

Măsurările menţionate se referă cu aplicatorul neconţinând materiale ce trebuie tratate, generatorul de microunde fiind reglat la nivelul de putere maxim permis. În toare aceste cazuri nivelul maxim al scurgerilor de microunde îm exterior nu trebuie să depăşească 5 mW/cm2 la o distanţă de 5 cm faţă de orice punct al instalaţiei de încălzire cu microunde .

VI. SCHEMA ELECTRICĂ A INSTALAȚIEI

26

Fig.6.1. Circuitul echivalent al unui sector al anodului magnetronului

27

Fig.6.2. Alimentarea magnetronuluia) schema electrică de alimentare a magnetronului;b) schema echivalentă de alimentare a anodului magnetronului.

28

Fig.6.3. Montajul experimental elaborat şi realizat pentru măsurarea puterii consumate de

instalaţia cu microunde.

29

Fig.6.4. MAGNETRONUL COAXIAL DE 1500W.

30

Fig.6.5. SCHEMA ECHIVALENTĂ A CIRCUITULUI DE ALIMENTARE ŞI A MAGNETRONULUI.

31

Fig.6.6. Schema electrică a instalaţiei folosite la punerea în funcţiune a magnetronului de 1500W.

32

Fig.6.7. Schema echivalentă a circuitului de alimentare şi a magnetronului.

33

VII. BOBLIOGRAFIE

1 . B.E.Little, J.-P.Laine. D.R.Lim. H.A.Haus. L.C.Kimerling, S.T.Chu, Opt.Lett. 25, 73-75 (2000);

2. Combes, P.F.. - Micro-ondes. Lignes, guides et cavites. Editeur Dunod. Paris 1996;

3. Coubet, M. - Theorie et practiqze industriale du tratament, Ed.Dunod, Paris, 1964;

4. Crânganu - Creţu. B.. Hănţilă, F.I.. Preda. G., Gheorma, I.L., Leuca, T., -Electromagnetic Field Effects in High Frequency Circuit Elements, COMPUMAG, 12 th Conference on the Computation of Electromagnetic Fields, Volume 1, 25-28 Octombrie 1999, Sapporo. Japonia, pp.1732 - 1736; 1999;

5. D.M.Snider, - A Theoretical Analysis and Experimental Confirmation of the Optimally Loaded and Overdriven RF Power Amplifiers, IEEE Transaction on Electron Devices,Vol.ED-14,N °6,June 1967,pp.851-857;

6. Dibben. D.C.. Metaxas, A.C., - Time Domain Finite Element Analysis of Multimode

Microwave Applicators Loaded with Low and High Loss Materials, Microwave and HighFrequency. International Conferences. Cambridge (UK) September 1995, pp.A31 -

A42., 1995;

7. Drăgoi. Gh. - Tehnica frecvenţelor foarte înalte. Editura Militară. Bucureşti, 1979;

8. ELLIOTT. R.S. An introduction to guided waves and microwave circuits. Prentice Hall International Editions, 1993;

9. Hănţilă, F.I.. Demeter. E.. - Rezolvarea numerică a problemelor de câmp electromagnetic, Institutul de Cercetări pentru Maşini Electrice, Editat Ari Press. Bucureşti, 1995;

10. Hănţilă, F.I., Leuca, T.. Ifrim, C, - Electrotehnică teoretică. Editura Electra Bucureşti,

2002;

11 . Hănţilă. F.I.. Ţugulea. C. Drosu, O., Crânganu - Creţu, B.. Leuca. T. - Fixed Point Methods for Electromagnetic Field Computation, Conferinţa Internaţională RSEE'2000. Băile Felix,25-27 Mai 2000. pp.11-17. 2000;

12. Maghiar. T., Leuca. T.. Bondor. K., Silaghi ,M., Sialghi, Helga. ş.a. - Electrotehnică,Editura Universităţii din Oradea, 1999;

13. Maghiar, T., Leuca, T., Molnar. Carmen, Bandici, Livia, - The use of finite element in

microwave heating. Progress in Electromagnetic Research Symposium - Pisa, Italy, March 28-31.2004, pp.321-324. 2004;

34

14. Maghiar, T., Şoproni, D. - Tehnica încălzirii cu microunde, Editura Universităţii din

Oradea. 2003:

15. Markuvitz, N., - Waveguide Handbook, McGraw - Hill Book Cmpany, 1971;

16. Meredith. R.. - Trends in High Power Generators for Industrial Microwave Heating,Microwave and High Frecvency Heating, Cambridge, 1995;

17. Metaxas, A.C., Driscoll, J.D.. - Comparison of the Dielectric Properties of Paper and Board at Microwave and Radio Frequencies, J. Microwave Power, 1974;

18. Metaxas. A.C., Meredith, R.J.. - Industrial Microwave Heating. Peter Peresrinus LTD (1EE),London, (UK), 1983;

19. Metaxas, A.C., Parker. I..- The Complex Dielectric Constant of Moist Paper and Board in the Microwave Region. Electricity Council Research Center. 1973;

20. Metaxas. R.. - Principles of Radio Frequency and Microwave Heating, Microwave and high frequency heating - Short Course, International Conference St. John's College, Cambridge University. 17-21 Sept. 1995 U.K. pp.5 - 18, 1995;

35