Что такое магнетрон, принцип его работы

Микроволновую печь в наше время можно встретить практически на каждой кухне. Однако не многие знают, как она работает, и что такое магнетрон. Чтобы понять, что представляют собой микроволны и как они образуются, необходимо разобраться с устройством этого прибора.

• Назначение и принцип работы магнетрона
• Видео: что такое магнетрон
• Из чего состоит магнетрон
• Сферы применения магнетронов
• Видео: как работает магнетрон
• Основные преимущества магнетронов
• Возможные неисправности магнетрона и его замена
• Видео: устройство и принцип работы микроволновой печи

Назначение и принцип работы магнетрона

Магнетроном называют электронное устройство большой мощности, которое с помощью изменения потока электронов генерирует высокочастотные микроволны. Молекулы воды, которые обязательно присутствуют в продуктах, имеют хорошую электропроводность.

Под действием сверхвысокочастотных магнитных колебаний, создаваемых магнетроном, они начинают двигаться с высокой скоростью, нагревая при этом пищу.

В бытовых приборах используется многорезонаторная разновидность магнетрона, в которой на электроны одновременно воздействуют три поля:

1. сверхвысокочастотное;
2. электрическое;
3. магнитное.

Видео: что такое магнетрон

Магнетрон генерирует СВЧ колебания, обеспечивая высокую мощность на выходе, не смотря на небольшой вес и компактные габариты. В непрерывном режиме мощность устройства может достигать десятков киловатт. Максимальная мощность при импульсном режиме работы составляет – 5МВт. Мощность магнетронов, установленных в большинстве микроволновых печей, составляет 650-850 Вт.

Питание маломощных магнетронов осуществляется переменным током. Для более мощных устройств необходим выпрямленный оперативный ток.

Магнетроны работают на различных частотах в диапазоне 0,5 – 100 ГГц.

Из чего состоит магнетрон

Все приборы, генерирующие СВЧ волны, независимо от их выходных характеристик, имеют идентичную конструкцию. Схема магнетрона состоит из следующих частей:

• анодного блока, представляющего собой толстостенный цилиндр из металла, в стенках которого имеются отверстия (резонаторы), необходимые для образования кольцевой колебательной системы;
• цилиндрического катода, во внутренней полости которого встроен подогреватель;
• электромагнита или внешнего магнита, создающего магнитное поле;
• проволочной петли, которая крепится к резонатору и служит для вывода энергии.

Резонаторы устройства выполняют замедляющую функцию. В них происходит столкновение электромагнитных волн с пучком электронов. В результате этого взаимодействия высокочастотное поле получает от электронов часть их энергии, вывод которой осуществляется посредством петли связи, закрепленной на анодном блоке.

Устройство будет работать бесперебойно только при условии, что разница между рабочей и резонансной частотами составит как минимум 10%. При небольшой разнице частот применяется разнорезонаторная колебательная система, в которой четные и нечетные резонаторы различаются по размеру.

Сферы применения магнетронов

Помимо обычных микроволновых печей магнетроны применяются в различных областях промышленности, а также при производстве радиолокационных систем. В зависимости от сферы применения магнетроны имеют определенные особенности:

• Для работы в радарных установках устройство прикрепляется к антенне конической формы с параболическим отражателем. Управление осуществляется с помощью коротких импульсов высокой интенсивности. Излучаемая микроволновая энергия улавливается чувствительным приемником. Отображение обработанного сигнала происходит на электронно-лучевой трубке.
• Для функционирования радиолокационных станций применяются коаксиальные магнетроны, характеризующиеся быстрым изменением частот. Их целесообразно использовать для расширения тактико-технических качеств локаторов.
• В магнетронах, установленных в бытовых микроволновых печах, имеется прозрачное отверстие, которое выходит в рабочую камеру прибора. Использование пустой печи может способствовать поломке прибора, так как микроволны будут не отражаться, а поглощаться волноводом.

В промышленности магнетроны применяются для обеззараживания, сушки зерновых культур. СВЧ-технологии используются при пастеризации и стерилизации молока и других жидких продуктов. Они эффективны для поддержания технологического режима при сушке лекарственных трав или древесины. В химической промышленности магнетроны применяются при получении различных кислот и разложении нитратов.

Видео: как работает магнетрон

Основные преимущества магнетронов

Поскольку рабочие частоты микроволновых излучателей на несколько порядков ниже инфракрасных или световых источников, глубина проникновения излучаемых ими волн существенно выше. При высоких значениях частот объект, подвергающийся обработке, нагревается только снаружи, а остальной объем прогревается за счет процесса теплопроводности, что ведет к ухудшению качественных характеристик.

Использование микроволн предпочтительнее теплового излучения, когда требуется быстрый разогрев, варка или сушка продуктов. Использование магнетрона не влияет на их вкусовые характеристики и внешний вид, а содержание витаминов и других полезных веществ практически не изменяется.

Применение микроволновых печей помогает снизить затраты на электроэнергию. Это объясняется следующими преимуществами СВЧ-технологий:

• точная регулировка температуры;
• высокая плотность энергии и мощности;
• хорошая фокусировка;
• мгновенное отключение и включение.

Возможные неисправности магнетрона и его замена

Поскольку магнетрон является основной деталью СВЧ-печи, необходимо знать основные причины его выхода из строя. Существует несколько видов поломок излучателя, после которых он не подлежит восстановлению:

• короткое замыкание;
• повреждение нити накаливания;
• нарушение герметичности;
• отсутствие генерации колебаний.

В некоторых случаях магнетрон можно вернуть в рабочее состояние. Например, можно устранить пробой конденсаторов на участке между корпусом и магнитным излучателем. Такое может произойти во время перепадов напряжения в сети. Для диагностики прибора необходимо отключить прибор от сети и провести проверку с помощью специального тестера.

Если СВЧ-печь долгое время работала без продуктов, ее мощность может значительно снизиться. Для ее восстановления можно добавить напряжение на накал. Однако конструкция некоторых микроволновых печей не позволяет этого сделать.

При возникновении СВЧ-разряда между корпусом микроволновой печи и излучателем, необходима срочная замена колпачка. Новая деталь должна быть абсолютно идентична сгоревшей.

Если восстановить вышедший из строя магнетрон не удалось, то его можно заменить. Перед покупкой нового излучателя необходимо внимательно изучить маркировку и технические характеристики устройства.

Видео: устройство и принцип работы микроволновой печи

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 17 чел.
Средний рейтинг: 4.6 из 5.

Магнетроны. Устройство и работа. Виды и применение. Как выбрать

Магнетроны называют электронные приборы, в которых образуются колебания сверхвысокой частоты при помощи модуляции потока электронов. Магнитные и электрические поля в нем действуют с большой силой. Наиболее распространенная модификация магнетрона – это многорезонаторный.

Впервые магнетрон был создан в Америке в 1921 году. С течением времени эксперименты с ним продолжались. В результате появилось множество видов магнетронов, использующихся в радиоэлектронике. В 1960 году приборы стали использоваться в печах сверхвысокой частоты для домашнего применения. Менее распространены клистроны, платинотроны, которые основаны на этом же принципе действия.

 

1 — Анод
2 — Катод
3 — Накал
4 — Резонансная полость
5 — Антенна

Магнетроны резонансного типа состоят из:

• Анодный блок. Представляет собой толстостенный металлический цилиндр с полостями в стенках. Эти полости являются объемными резонаторами, которые создают колебательную кольцевую систему.
• Катод. Он имеет цилиндрическую форму. Внутри него размещен подогреватель.
• Внешние электромагниты или постоянные магниты. Они создают магнитное поле, которое параллельно оси прибора.
• Проволочная петля. Она применяется для вывода сверхвысоких частот, и закреплена в резонаторе.

Резонаторы создают кольцевую систему колебаний. Возле них пучки электронов воздействуют на электромагнитные волны. Так как эта система выполнена замкнутой, то она способна возбудиться только на определенных частотах колебаний. При нахождении рядом с рабочей частотой других частот, случается перескакивание частоты и нарушается стабильность работы устройства.

Чтобы исключить такие отрицательные эффекты магнетроны с одинаковыми резонаторами оснащаются разными связками, либо используются магнетроны с отличающимися размерами резонаторов.

Магнетроны разделяют по виду резонаторов:

• Лопаточные.
• Щель-отверстие.
• Щелевые.

В магнетронах применяется движение электронов в перпендикулярных магнитных и электрических полях, созданных в зазоре кольца между анодом и катодом. Между ними подается напряжение (анодное), которое образует радиальное электрическое поле. Под воздействием этого поля электроны вырываются из нагретого катода и устремляются к аноду.

Анодный блок находится между полюсов магнита, образующего магнитное поле, которое направлено вдоль оси магнетрона. Магнитное поле действует на электрон и отклоняет его на спиральную траекторию. В промежутке между анодом и катодом создается вращательное облако, похожее на колесо со спицами. Электроны возбуждают в объемных резонаторах колебания высокой частоты.

Отдельно каждый резонатор является колебательной системой. Магнитное поле концентрируется внутри полости, а электрическое поле сосредоточено у щелей. Энергия выводится из магнетрона с помощью индуктивной петли. Она размещена в соседних резонаторах. Электроэнергия подключается к нагрузке коаксиальным кабелем.

Нагревание токами высокой частоты производится в волноводах различного сечения, либо в объемных резонаторах. Также нагревание может производиться электромагнитными волнами.

Приборы работают от выпрямленного тока по простой схеме выпрямления. Устройства небольшой мощности способны работать от переменного тока. Рабочая частота тока магнетронов может достигать 100 ГГц, мощностью до нескольких десятков киловатт в постоянном режиме, и до 5 мегаватт в режиме импульсов.

Устройство магнетрона довольно простое. Его стоимость невысока. Поэтому такие качества в сочетании с повышенной эффективностью нагревания и разнообразным использованием высокочастотных токов открывают большие возможности использования в разных сферах жизни.

Основные виды магнетронов

• Многорезонаторные устройства. Они содержат анодные блоки с несколькими резонаторами. Блоки состоят из различного вида резонаторов. В диапазоне 10 см длины волны магнетрон обладает КПД 30%. Выход излучения высокой частоты осуществляется сбоку в щель резонатора.
• Обращенные устройства. Они бывают двух исполнений: коаксиальные и обычные. Такие магнетроны способны выдать импульсы высокой частоты 700 наносекунд с энергией 250 джоулей. Коаксиальный вид магнетрона содержит стабилизирующий резонатор. В нем имеются отверстия во внешней стенке, а также ферритовые стержни с подмагничивающими катушками.

Сфера использования магнетронов

• В устройствах радаров антенна подключена к волноводу. Она, по сути, является щелевым волноводом, или рупорным коническим облучателем вместе с отражателем в виде параболы (тарелка). Управление магнетрона осуществляется с помощью коротких мощных импульсов напряжения. В итоге образуется короткий импульс энергии с малой длиной волны. Малая часть такой энергии поступает снова на антенну и волновод, и далее к чувствительному приемнику. Сигнал обрабатывается и поступает на электронно-лучевую трубку на экран радара.
• В бытовых микроволновых печах волновод имеет отверстие, которое не создает препятствие радиочастотным волнам в рабочей камере. Важным условием работы микроволновки является условие, чтобы при работе печи в камере находились какие-либо продукты. При этом микроволны поглощаются продуктами, и не возвращаются на волновод. Стоячие волны в микроволновой печи могут искрить. При долгом искрении магнетрон может выйти из строя. Если в микроволновке мало продуктов для приготовления, то лучше дополнительно поместить в камеру стакан с водой для лучшего поглощения волн.

1 — Магнетрон
2 — Высоковольтный конденсатор
3 — Высоковольтный диод
4 — Защита
5 — Высоковольтный трансформатор

• В радиолокационных станциях используются коаксиальные магнетроны с быстрым изменением частоты. Это позволяет расширить тактико-технические свойства локаторов.

Выбор и приобретение магнетрона

Чтобы самому приобрести магнетрон для домашней микроволновой печи, необходимо изучить и разобраться в маркировке, выяснить, какие бывают их виды, и их параметры.

Наиболее малую мощность имеет магнетрон 2М 213. Его мощность составляет 700 ватт при нагрузке и 600 ватт номинальная.

Приборы средней мощности в основном изготавливают на 1000 ватт.

Марка такого магнетрона – 2М 214.

Наибольшая мощность магнетрона у модели 2М 246.

Показатель мощности у них равен 1150 ватт. Перед приобретением необходимо сопоставить цену магнетрона со стоимостью всей печи, и не забыть о стоимости работ по ремонту. Возможно, что не будет смысла в ремонте.

Можно ли магнетрон заменить самостоятельно

Для разных моделей микроволновок можно устанавливать магнетрон других фирм изготовления. Главное, чтобы он подходил по мощности, в настоящее время не проблема приобрести его в торговой сети. Исключение составляют модели, которые уже сняты с производства.

Однако, даже если вы разобрались в устройстве микроволновки, то не рекомендуется заниматься заменой деталей в домашних условиях, так как этим должны заниматься квалифицированные специалисты, способные обеспечить безопасную работу устройства. К тому же, сделать это самостоятельно будет довольно проблематично.

Работа микроволновки

Пища имеет в составе воду, которая состоит из заряженных частиц. Продукты в микроволновой печи разогреваются посредством воздействия на них волн высокой частоты. Молекулы воды выступают в качестве диполя, так как проводят волны электрического поля.

Похожие темы:

• Электромагнитные волны. Опыты Герца. Излучения
• Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Магнетрон принцип работы: описание, характеристики

Содержание

Магнетрон — специальный электронный прибор, в котором генерирование сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ-колебаний) осуществляется модуляцией электронного потока по скорости. Магнетроны значительно расширили область применения нагрева токами высокой и сверхвысокой частоты.

Магнетрон — специальный электронный прибор, в котором генерирование сверхвысокочастотных колебаний (СВЧ-колебаний) осуществляется модуляцией электронного потока по скорости. Магнетроны значительно расширили область применения нагрева токами высокой и сверхвысокой частоты.

Менее распространены основанные на том же принципе амплитроны (платинотроны), клистроны, лампы бегущей волны.

Магнетрон является наиболее совершенным генератором сверхвысоких частот большой мощности. Это хорошо эвакуированная лампа с электронным потоком, управляемым электрическим и магнитным полями. Они позволяют получать весьма короткие волны (до долей сантиметра) при значительных мощностях.

В магнетронах используется движение электронов во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях, создаваемых в кольцевом зазоре между катодом и анодом. Между электродами подается анодное напряжение, создающее радиальное электрическое поле, под действием которого вырываемые из подогретого катода электроны устремляются к аноду.

Анодный блок помещается между полюсами электромагнита, который создает в кольцевом зазоре магнитное поле, направленное по оси магнетрона. Под действием магнитного поля электрон отклоняется от радиального направления и движется по сложной спиральной траектории. В пространстве между катодом и анодом образуется вращающееся электронное облако с языками, напоминающее ступицу колеса со спицами. Пролетая мимо щелей объемных резонаторов анода, электроны возбуждают в них высокочастотные колебания.

Рис. 1. Анодный блок магнетрона

Каждый из объемных резонаторов представляет собой колебательную систему с распределенными параметрами. Электрическое поле концентрируется у щелей, а магнитное поле сосредоточено внутри полости.

Вывод энергии из магнетрона осуществляется при помощи индуктивной петли, помещаемой в один или чаще два соседних резонатора. По коаксиальному кабелю энергия подводится к нагрузке.

Рис. 2. Устройство магнетрона

Нагрев токами СВЧ осуществляется в волноводах круглого или прямоугольного сечения или в объемных резонаторах, в которых возбуждаются электромагнитные волны простейших форм ТЕ10(Н10) (в волноводах) или ТЕ101 (в объемных резонаторах). Нагрев может осуществляться и излучением электромагнитной волны на объект нагрева.

Питание магнетронов осуществляется выпрямленным током с упрощенной схемой выпрямителя. Установки очень малой мощности могут питаться переменным током.

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд.

Рис. 2. Магнетрон в СВЧ-печи

Простота устройства и относительно невысокая стоимость магнетронов в сочетании с высокой интенсивностью нагрева и разнообразием применения токов СВЧ открывают перед ними большие перспективы применения в различных областях промышленности, сельского хозяйства (например, в установках диэлектрического нагрева) и в быту (СВЧ-печи).

Работа магнетрона

Итак, магнетрон это электронная лампа специальной конструкции, служащая для генерации колебаний ультравысоких частот (в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн). Ее особенностью является применение постоянного магнитного поля (для создания нужных путей движения электронов внутри лампы), откуда магнетрон и получил свое название.

Многокамерный магнетрон, идея которого была впервые предложена М. А. Бонч-Бруевичем и осуществлена советскими инженерами Д. Е. Маляровым и Н. Ф. Алексеевым, представляет собой сочетание электронной лампы с объемными резонаторами. Этих объемных резонаторов в магнетроне делается несколько, почему этот тип и получил название многокамерного или многорезонаторного.

Принцип устройства и работы многокамерного магнетрона заключается в следующем. Анод прибора представляет собой массивный полый цилиндр, во внутренней поверхности которого сделан ряд полостей с отверстиями (эти полости и являются объемными резонаторами), катод расположен по оси цилиндра.

Магнетрон помещается в постоянное магнитное поле, направленное вдоль оси цилиндра. На вылетающие из катода электроны со стороны этого магнитного поля действует сила Лоренца, которая искривляет пути электронов.

Магнитное поле подбирается таким, чтобы большинство электронов двигалось по искривленным путям, не касающимся анода. Если в камерах прибора (объемных резонаторах) происходят электрические колебания (небольшие колебания в объемах всегда возникают по разным причинам, например, в результате включения анодного напряжения), то переменное электрическое поле существует не только внутри камер, но и снаружи, около отверстий (щелей).

Электроны, пролетая вблизи анода, попадают в эти поля и в зависимости от направления поля либо ускоряются, либо тормозятся в них. Когда электроны ускоряются полем, то они отбирают энергию от резонаторов, наоборот, когда они тормозятся, то отдают часть своей энергии резонаторам.

Если бы число электронов, которые ускоряются и тормозятся, было бы одинаково, то в среднем они не отдавали бы резонаторам энергии. Но электроны, которые тормозятся, после этого имеют меньшую скорость, чем та, которую они получили при движении к аноду. Поэтому они уже не обладают достаточной энергией, чтобы вернуться к катоду.

Наоборот, те электроны, которые ускорялись полем резонаторов, обладают после этого энергией, большей, чем нужно для того, чтобы вернуться к катоду. Следовательно, электроны, которые, попав в поле первого резонатора, ускоряются в нем, вернутся на катод, а те, которые затормозятся в нем, не вернутся па катод, а будут двигаться по криволинейным путям около анода и попадать в поле следующих резонаторов.

При соответствующей скорости движения (которая определенным образом связана с частотой колебаний в резонаторах) эти электроны будут попадать в поле второго резонатора при такой фазе колебаний в нем, что и в поле первого резонатора, поэтому в поле второго резонатора они также будут тормозиться.

Таким образом, при соответствующем подборе скорости электронов, т. е. анодного напряжения (а также и магнитного поля, которое не изменяет величины скорости электронов, по изменяет ее направление), можно добиться такого положения, что отдельный электрон будет либо ускоряться полем только одного резонатора, либо тормозиться полем нескольких резонаторов.

Поэтому в среднем электроны будут больше энергии отдавать резонаторам, чем забирать от них, т. е. колебания, происходящие в резонаторах, будут нарастать и в конце концов в них установятся колебания с постоянной амплитудой.

Рассмотренный нами упрощенно процесс поддержания колебаний в резонаторах сопровождается еще одним важным явлением, т. к. электроны, для того чтобы они тормозились полем резонатора, должны влетать в это поле при определенной фазе колебаний резонатора, то очевидно, что они должны двигаться не равномерным потоком (т. к. тогда они влетали бы в поле резонаторов в любые, а не в определенные моменты времени, а в виде отдельных сгустков.

Весь поток электронов для этого должен представлять собой как бы звезду, в которой электроны движутся внутри отдельных лучей, а вся звезда в целом вращается вокруг оси магнетрона с такой скоростью, что ее лучи в нужные моменты подходят к каждой камере. Процесс образования отдельных сгустков в электронном потоке называется фазовой фокусировкой и осуществляется автоматически под действием переменного поля резонаторов.

Современные магнетроны способны создавать колебания вплоть до самых высоких частот сантиметрового диапазона (волны до 1 см и даже короче) и отдавать мощность до нескольких сот ватт при непрерывном излучении и нескольких сот киловатт при импульсном излучении.

Украина
Харьковская область, г. Харьков

Конструкция и устройство магнетрона — главного компонента СВЧ-печей:

Простыми словами, магнетрон — это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем. То есть, магнетрон создает микроволны и является обязательной составляющей всех микроволновых печей. Это, можно смело сказать — «сердце» микроволновой печи.

Термин «магнетрон» был предложен А. Халлом (A. Hull), который в 1921 году, впервые опубликовал результаты теоретических и экспериментальных исследований работы прибора в статическом режиме и предложил ряд конструкций магнетрона. Генерирование электромагнитных колебаний в дециметровом диапазоне волн посредством магнетрона открыл и запатентовал в 1924 чехословацкий физик А. Жачек.

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд. Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %), то есть, способны преобразовывать до 80% подводимой к ним электроэнергии в СВЧ-поле.

Магнетрон — это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем. Магнетроны как генераторы сверхвысоких частот широко используются в современной радиолокационной технике.

Ремонт и замена магнетронов в Харькове

Самые распространённые поломки магнетронов это:

— обрыв нити накала;
— потеря эмиссии;
— пробой проходных конденсаторов фильтра;
— падение питающего напряжения.

Чтобы самому приобрести магнетрон для домашней микроволновой печи, необходимо изучить и разобраться в маркировке, выяснить, какие бывают их виды, и их параметры. Для разных моделей микроволновок можно устанавливать магнетрон других фирм изготовления. Главное, чтобы он подходил по мощности, в настоящее время не проблема приобрести его в торговой сети. Исключение составляют модели, которые уже сняты с производства.

Однако, даже если вы разобрались в устройстве микроволновки, то не рекомендуется заниматься заменой деталей в домашних условиях, так как этим должны заниматься квалифицированные специалисты, способные обеспечить безопасную работу устройства. К тому же, сделать это самостоятельно будет довольно проблематично.

Ремонт магнетрона микроволновки рекомендуется доверять только квалифицированным специалистам!

По вопросам ремонта или замены магнетрона звоните нам по телефонам:

+38 (095) 071-73-14
+38 (097) 461-55-80

1. сверхвысокочастотное;
2. электрическое;
3. магнитное.

Из чего состоит магнетрон

Все приборы, генерирующие СВЧ волны, независимо от их выходных характеристик, имеют идентичную конструкцию. Схема магнетрона состоит из следующих частей:

• анодного блока, представляющего собой толстостенный цилиндр из металла, в стенках которого имеются отверстия (резонаторы), необходимые для образования кольцевой колебательной системы;
• цилиндрического катода, во внутренней полости которого встроен подогреватель;
• электромагнита или внешнего магнита, создающего магнитное поле;
• проволочной петли, которая крепится к резонатору и служит для вывода энергии.

Резонаторы устройства выполняют замедляющую функцию. В них происходит столкновение электромагнитных волн с пучком электронов. В результате этого взаимодействия высокочастотное поле получает от электронов часть их энергии, вывод которой осуществляется посредством петли связи, закрепленной на анодном блоке.

Устройство будет работать бесперебойно только при условии, что разница между рабочей и резонансной частотами составит как минимум 10%. При небольшой разнице частот применяется разнорезонаторная колебательная система, в которой четные и нечетные резонаторы различаются по размеру.

Приборы работают от выпрямленного тока по простой схеме выпрямления. Устройства небольшой мощности способны работать от переменного тока. Рабочая частота тока магнетронов может достигать 100 ГГц, мощностью до нескольких десятков киловатт в постоянном режиме, и до 5 мегаватт в режиме импульсов.

Магнетроны называются электронные приборы, в которых образуются колебания сверхвысокой частоты при помощи модуляции потока электронов. Магнитные и электрические поля в нем действуют с большой силой. Наиболее распространенная модификация магнетрона – это многорезонаторный.

Впервые магнетрон был создан в Америке в 1921 году. С течением времени эксперименты с ним продолжались. В результате появилось множество видов магнетронов, использующихся в радиоэлектронике. В 1960 году приборы стали использоваться в печах сверхвысокой частоты для домашнего применения. Менее распространены клистроны, платинотроны, которые основаны на этом же принципе действия.

Устройство и принцип работы

1 — Анод
2 — Катод
3 — Накал
4 — Резонансная полость
5 — Антенна

Магнетроны резонансного типа состоят из:

• Анодный блок . Представляет собой толстостенный металлический цилиндр с полостями в стенках. Эти полости являются объемными резонаторами, которые создают колебательную кольцевую систему.
• Катод . Он имеет цилиндрическую форму. Внутри него размещен подогреватель.
• Внешние электромагниты или постоянные магниты . Они создают магнитное поле, которое параллельно оси прибора.
• Проволочная петля . Она применяется для вывода сверхвысоких частот, и закреплена в резонаторе.

Резонаторы создают кольцевую систему колебаний. Возле них пучки электронов воздействуют на электромагнитные волны. Так как эта система выполнена замкнутой, то она способна возбудиться только на определенных частотах колебаний. При нахождении рядом с рабочей частотой других частот, случается перескакивание частоты и нарушается стабильность работы устройства.

Чтобы исключить такие отрицательные эффекты магнетроны с одинаковыми резонаторами оснащаются разными связками, либо используются магнетроны с отличающимися размерами резонаторов.

Магнетроны разделяют по виду резонаторов:

• Лопаточные.
• Щель-отверстие.
• Щелевые.

В магнетронах применяется движение электронов в перпендикулярных магнитных и электрических полях, созданных в зазоре кольца между анодом и катодом. Между ними подается напряжение (анодное), которое образует радиальное электрическое поле. Под воздействием этого поля электроны вырываются из нагретого катода и устремляются к аноду.

Анодный блок находится между полюсов магнита, образующего магнитное поле, которое направлено вдоль оси магнетрона. Магнитное поле действует на электрон и отклоняет его на спиральную траекторию. В промежутке между анодом и катодом создается вращательное облако, похожее на колесо со спицами. Электроны возбуждают в объемных резонаторах колебания высокой частоты.

Отдельно каждый резонатор является колебательной системой. Магнитное поле концентрируется внутри полости, а электрическое поле сосредоточено у щелей. Энергия выводится из магнетрона с помощью индуктивной петли. Она размещена в соседних резонаторах. Электроэнергия подключается к нагрузке коаксиальным кабелем.

Нагревание токами высокой частоты производится в волноводах различного сечения, либо в объемных резонаторах. Также нагревание может производиться электромагнитными волнами.

Приборы работают от выпрямленного тока по простой схеме выпрямления. Устройства небольшой мощности способны работать от переменного тока. Рабочая частота тока магнетронов может достигать 100 ГГц, мощностью до нескольких десятков киловатт в постоянном режиме, и до 5 мегаватт в режиме импульсов.

Устройство магнетрона довольно простое. Его стоимость невысока. Поэтому такие качества в сочетании с повышенной эффективностью нагревания и разнообразным использованием высокочастотных токов открывают большие возможности использования в разных сферах жизни.

Основные виды магнетронов

• Многорезонаторные устройства . Они содержат анодные блоки с несколькими резонаторами. Блоки состоят из различного вида резонаторов. В диапазоне 10 см длины волны магнетрон обладает КПД 30%. Выход излучения высокой частоты осуществляется сбоку в щель резонатора.
• Обращенные устройства . Они бывают двух исполнений: коаксиальные и обычные. Такие магнетроны способны выдать импульсы высокой частоты 700 наносекунд с энергией 250 джоулей. Коаксиальный вид магнетрона содержит стабилизирующий резонатор. В нем имеются отверстия во внешней стенке, а также ферритовые стержни с подмагничивающими катушками.

Сфера использования магнетронов

• В устройствах радаров антенна подключена к волноводу. Она, по сути, является щелевым волноводом, или рупорным коническим облучателем вместе с отражателем в виде параболы (тарелка). Управление магнетрона осуществляется с помощью коротких мощных импульсов напряжения. В итоге образуется короткий импульс энергии с малой длиной волны. Малая часть такой энергии поступает снова на антенну и волновод, и далее к чувствительному приемнику. Сигнал обрабатывается и поступает на электронно-лучевую трубку на экран радара.
• В бытовых микроволновых печах волновод имеет отверстие, которое не создает препятствие радиочастотным волнам в рабочей камере. Важным условием работы микроволновки является условие, чтобы при работе печи в камере находились какие-либо продукты. При этом микроволны поглощаются продуктами, и не возвращаются на волновод. Стоячие волны в микроволновой печи могут искрить. При долгом искрении магнетрон может выйти из строя. Если в микроволновке мало продуктов для приготовления, то лучше дополнительно поместить в камеру стакан с водой для лучшего поглощения волн.

1 — Магнетрон
2 — Высоковольтный конденсатор
3 — Высоковольтный диод
4 — Защита
5 — Высоковольтный трансформатор

• В радиолокационных станциях используются коаксиальные магнетроны с быстрым изменением частоты. Это позволяет расширить тактико-технические свойства локаторов.

Выбор и приобретение магнетрона

Чтобы самому приобрести магнетрон для домашней микроволновой печи, необходимо изучить и разобраться в маркировке, выяснить, какие бывают их виды, и их параметры.

Наиболее малую мощность имеет магнетрон 2М 213. Его мощность составляет 700 ватт при нагрузке и 600 ватт номинальная.

Приборы средней мощности в основном изготавливают на 1000 ватт. Марка такого магнетрона – 2М 214.

Наибольшая мощность магнетрона у модели 2М 246.

Показатель мощности у них равен 1150 ватт. Перед приобретением необходимо сопоставить цену магнетрона со стоимостью всей печи, и не забыть о стоимости работ по ремонту. Возможно, что не будет смысла в ремонте.

Можно ли магнетрон заменить самостоятельно

Для разных моделей микроволновок можно устанавливать магнетрон других фирм изготовления. Главное, чтобы он подходил по мощности, в настоящее время не проблема приобрести его в торговой сети. Исключение составляют модели, которые уже сняты с производства.

Однако, даже если вы разобрались в устройстве микроволновки, то не рекомендуется заниматься заменой деталей в домашних условиях, так как этим должны заниматься квалифицированные специалисты, способные обеспечить безопасную работу устройства. К тому же, сделать это самостоятельно будет довольно проблематично.

Работа микроволновки

Пища имеет в составе воду, которая состоит из заряженных частиц. Продукты в микроволновой печи разогреваются посредством воздействия на них волн высокой частоты. Молекулы воды выступают в качестве диполя, так как проводят волны электрического поля.

В центре анодного блока высверлено широкое круглое отверстие, через которое подключается источник питания посредством специальных выводов к катоду (подогреваемая нить накала), который проходит вдоль центральной оси анода. Вывод высокочастотных колебаний устанавливается в одном из резонаторов. Торцы цилиндра герметично закрыты медными крышками, а внутри обеспечивается вакуум высокой степени. Эффективное охлаждение блока обеспечивается ребристыми радиаторами, расположенными на его поверхности.

Магнетроны применяются для получения колебаний высокой частоты. Они незаменимы в электронике и радиотехнике; устанавливаются в радиолокационных стациях, для высокочастотного нагрева, для ускорения заряженных частиц. В основе действия магнетрона лежит взаимодействие сильных электрических и магнитных полей, результатом чего является генерация колебаний высоких частот. Наиболее популярных видом магнетрона является многорезонаторный магнетрон.

Конструкция многорезонаторного магнетрона

сновой является анодный блок, который представляет собой толстостенный полый медный цилиндр, в стенках которого вырезаны полости, соединённые с центральным пространством щелями. Эти полости представляют собой кольцевую систему объёмных резонаторов.

В центре анодного блока высверлено широкое круглое отверстие, через которое подключается источник питания посредством специальных выводов к катоду (подогреваемая нить накала), который проходит вдоль центральной оси анода. Вывод высокочастотных колебаний устанавливается в одном из резонаторов. Торцы цилиндра герметично закрыты медными крышками, а внутри обеспечивается вакуум высокой степени. Эффективное охлаждение блока обеспечивается ребристыми радиаторами, расположенными на его поверхности.

Принцип действия магнетрона

Весь анодный блок устанавливается в сильное магнитное поле, которое создаётся постоянными магнитами. Между катодом и анодом устанавливается высокое электрическое напряжение, при этом положительный полюс прикладывается к аноду. Электроны, которые вылетают из катода под действием электрического поля, двигаются в радиальном направлении к аноду, однако под влиянием магнитного поля меняют траекторию движения.

При определённых величинах магнитного и электрического полей удаётся добиться такого состояния, когда электроны, описывая окружность, в итоге пройдя рядом с анодом, вновь возвращаются на катод, а на анод попадает только незначительная часть вылетевших электронов. Большая часть их возвращается обратно в область катода.

При некоторых условиях динамического равновесия, возвращающиеся в область катода электроны заменяются вылетевшими вновь. Поскольку электроны постоянно перемещаются от катода к аноду, возле последнего рядом со щелями объёмных резонаторов устанавливается постоянно вращающийся заряд кольцеобразной формы. По мере движения по окружности центральной полости анодного блока электроны возбуждают в каждом резонаторе незатухающие высокочастотные колебания.

Выводятся эти колебания посредством витка проводов, расположенного в полости одного из резонаторов, которые затем передаются в коаксиальную линию или волновод.

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:

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:

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

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

Тут можно вспомнить школьного физика, который справедливо говорил, что наука пригодится.

Основные неисправности

Во многих случаях магнетрон не поддаётся ремонту. Но прежде чем покупать новый, необходимо разобраться в причинах поломки. Возможно, удастся сэкономить, заменив всего одну деталь.

Как видите, поправимых случаев мало, но они есть. Прежде чем начать ремонт, проверьте систему на работоспособность.

Диагностика

Внимание! Ни в коем случае не включайте в сеть прибор, который вы вытащили из корпуса печки! Это может нанести непоправимый вред вашему здоровью и окружающим. Перед тем как разобрать микроволновку, проверьте, как работает источник питания. Возможно, виновато слабое напряжение в электрической сети. Если питание соответствует норме, проведите тщательный осмотр с тестером.

Первая проверка на исправность — визуальная. Посмотрите, не сгорел ли колпачок антенны, нет ли деформации, пробоин, следов гари на корпусе, фильтре. Обратите внимание на целостность магнитов. Это поможет определить, где находится причина поломки. Если внешних признаков повреждения нет, можно прозвонить магнетрон мультиметром.

• Включите тестер, установите режим 200 Ом. Прикоснитесь щупами к выводам. Целостная обмотка оказывает низкое сопротивление (приблизительно 0,5 Ом), вы услышите писк или звон.
• Ничего не происходит — значит, оборвалась нить накала.

• Чтобы прозвонить проходной конденсатор тестером, настройте самый большой режим измерения. Одним щупом прикоснитесь к любому из контактов, а вторым — к корпусу. Если всё в порядке — ничего не произойдёт, прибор покажет «∞» — бесконечность.

Заряд пробивает на корпус? Скорее всего, повреждена ёмкость конденсатора.

Важно! Применение специальных аппаратов для диагностики не всегда гарантирует точность данных.

На рисунке выше изображена схема работы электровакуумного диода. На части «А» рисунка, составлена электрическая цепь состоящая из диода, батареи питания «В», и ключа «К». Ключ «К» разомкнут – следовательно, напряжение на аноде отсутствует «Ua = 0». Если нет напряжения, то ток анода тоже будет равен нулю «Ia = 0». На нить накала подано напряжение «Un» следовательно, катод диода разогрет, и самые активные электроны уже готовы покинуть его. Но своей энергии им для этого не хватает, поэтому они все еще находятся возле катода.

На рисунке выше изображена схема работы электровакуумного диода. На части «А» рисунка, составлена электрическая цепь состоящая из диода, батареи питания «В», и ключа «К». Ключ «К» разомкнут – следовательно, напряжение на аноде отсутствует «Ua = 0». Если нет напряжения, то ток анода тоже будет равен нулю «Ia = 0». На нить накала подано напряжение «Un» следовательно, катод диода разогрет, и самые активные электроны уже готовы покинуть его. Но своей энергии им для этого не хватает, поэтому они все еще находятся возле катода.

Магнитное поле ни как не действует на не подвижный электрон. Но если электрон, движущийся по прямой траектории под действием электрического поля, попадает в магнитное поле, то последнее влияет на траекторию движения электрона, отклоняя ее вдоль своих силовых линий. Таким образом, электрон двигавшийся по прямой, под действием магнитного поля начинает двигаться по дуге.

Это очень краткое описание работы магнетрона. Для тех, кто хотел бы познакомиться с принципом его действия поближе, даю ссылки на более подробные описания.

Рисунок 1: МИ 29Г — магнетрон сантиметрового диапазона длин волн

Магнетрон

Рисунок 1: МИ 29Г — магнетрон сантиметрового диапазона длин волн

Рисунок 1: МИ 29Г — магнетрон сантиметрового диапазона длин волн

Магнетрон

В дециметровом и сантиметровом диапазонах волн эффективным генераторным прибором является многорезонаторный магнетрон .
Магнетрон это прибор для генерации электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты (СВЧ), основанный на взаимодействии электронов, движущихся в магнитном поле по криволинейным траекториям с возбуждаемым электромагнитным полем.

Устройство магнетронов

Типичный многорезонаторный магнетрон представляет собой устройство (рис. 2), в центре которого вдоль оси расположен цилиндрический катод с подогревателем, окруженный многорезонаторной системой, выполненной в медном анодном блоке. Магнитная индукция направлена вдоль оси магнетрона. Анодное напряжение U_a между анодом и катодом создает электрическое поле, перпендикулярное магнитному.

Рисунок 3: Простейшая эквивалентная схема резонаторa

Рисунок 3: Простейшая эквивалентная схема резонаторa

Рисунок 3: Простейшая эквивалентная схема резонаторa

Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %).

Характеристики [ править ]

Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд.

Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %).

Магнетроны бывают как неперестраиваемые, так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10 %). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в секунду) — ротационные и вибрационные механизмы.

Магнетроны как генераторы сверхвысоких частот широко используются в современной радиолокационной технике.

Также может быть микроволновая печь со встроенными рецептами приготовления блюд. Чтобы запустить процесс приготовления, нужно указать вид продукта, количество, рецепт. Готовые программы дают возможность выбрать оптимальный режим, точное время приготовления.

8 октября исполняется 65 лет с того дня, как была запатентована технология микроволновой печи.

Микроволновая печь (сверхвысокочастотная печь, СВЧ-печь) является одним из самых популярных бытовых электроприборов и предназначена для быстрого приготовления, подогрева пищи и для размораживания продуктов. Ее создатель – житель штата Массачусетс Перси Спенсер – запатентовал свое изобретение 8 октября 1945 г.

По легенде, идея создания микроволновой печи пришла ему в голову после того, как он, постояв у магнетрона (электронная лампа, генерирующая микроволновое электромагнитное излучение), обнаружил, что лежавший в его кармане шоколадный батончик растаял. По другой версии, он заметил, что нагрелся бутерброд, положенный на включенный магнетрон.

Первые СВЧ-печки, предназначавшиеся для армейских столовых и больших ресторанов, были шкафами высотой 175 см и весом 340 кг. Более компактные домашние печки начали производиться с 1955 г.

Первая серийная бытовая микроволновая печь была выпущена японской фирмой Sharp в 1962 г. Первоначально спрос на новое изделие был невысок. В СССР микроволновые печи выпускал завод ЗИЛ.

Принцип действия микроволновой печи строится на обработке продукта, помещенного внутрь прибора, микроволнами (СВЧ-излучение). Эти волны и нагревают пищу.

Микроволны являются одной из форм электромагнитной энергии, как и световые волны или радиоволны. Это очень короткие электромагнитные волны, которые перемещаются со скоростью света (299,79 км/с).

В отсутствие электрического поля молекулы расположены хаотически. В электрическом поле они выстраиваются строго по направлению силовых линий поля, «плюсом» в одну сторону, «минусом» в другую. Стоит полю поменять направление на противоположное, как молекулы тут же переворачиваются на 180 градусов.

Магнетрон, который содержит каждая микроволновая печь, преобразует электрическую энергию в сверх-высокочастотное электрическое поле частотой 2450 мегагерц (МГц) или 2,45 гигагерц (ГГц), которое и взаимодействует с молекулами воды в пище.

Микроволны «бомбят» молекулы воды в пище, заставляя их вращаться с частотой в миллионы раз в секунду, создавая молекулярное трение, которое и нагревает еду.

Это трение наносит значительный ущерб молекулам пищи, разрывая или деформируя их. Проще говоря, микроволновая печь вызывает распад и изменения молекулярной структуры продуктов питания в процессе излучения.

Микроволны работают только в относительно небольшом поверхностном слое пищи, не проникая внутрь глубже, чем на 1-3 см. Поэтому нагрев продуктов происходит за счет двух физических механизмов – прогрева микроволнами поверхностного слоя и последующего проникновения тепла в глубину продукта за счет теплопроводности.

При выборе СВЧ печи следует ориентироваться на ее основные характеристики, среди которых – объем камеры, тип управления, наличие гриля, мощность и некоторые другие. Объем камеры определяется по количеству продуктов, вмещающихся в микроволновую печь.

Управление в микроволновых печах бывает трех типов – механическое (самый простой тип управления), кнопочное и сенсорное.

В зависимости от выполняемых функций микроволновки делят на три типа: СВЧ с микроволнами, с грилем и микроволновые печи с грилем и конвекцией.

Что касается дополнительных функций микроволновых печей, то к самым распространенным относятся функции двойного излучения (для равномерного приготовления продукта по объему) и auto-weight, означающая, что электронные датчики взвесят продукт и выберут время приготовления.

Некоторые модели СВЧ печей имеют диалоговый режим, когда на дисплее высвечиваются рекомендации во время приготовления блюда.

Также может быть микроволновая печь со встроенными рецептами приготовления блюд. Чтобы запустить процесс приготовления, нужно указать вид продукта, количество, рецепт. Готовые программы дают возможность выбрать оптимальный режим, точное время приготовления.

Некоторые модели оснащаются портом связи для доступа в интернет. Это дает возможность загружать новые рецепты блюд и получать информацию о его калорийности.

В число принадлежностей к СВЧ-печи могут входить многоуровневая решетка для тарелок, позволяющая разогреть одновременно несколько блюд, и решетка для гриля.

Материал подготовлен на основе информации открытых источников

Источники

Источник — http://electricalschool.info/spravochnik/eltehustr/1247-kak-ustroen-i-rabotaet-magnetron.html
Источник — http://elremont.in.ua/magnetron.html
Источник — http://principraboty. ru/chto-takoe-magnetron-princip-ego-raboty/
Источник — http://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/ustrojstva/magnetrony/
Источник — http://pue8.ru/vybor-elektrooborudovaniya/503-printsip-raboty-i-ustrojstvo-magnetrona.html
Источник — http://technosova.ru/dlja-kuhni/mikrovolnovka/princip-raboty-magnetrona/
Источник — http://cosmo-frost.ru/svch/magnetron-v-mikrovolnovke-zachem-nuzhen-kak-proverit-i-pochinit/
Источник — http://yourmicrowell.ru/rabota-magnetrona-korotko/
Источник — http://www.radartutorial.eu/08.transmitters/tx08.ru.html
Источник — http://wp.wiki-wiki.ru/wp/index.php/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD
Источник — http://ria.ru/20101008/282500783.html

Что такое магнетрон? Определение, конструкция, работа и применение магнетрона

Определение : Магнетрон — это устройство, генерирующее электромагнитные волны высокой мощности. В основном он рассматривается как самовозбуждающийся микроволновый генератор. Он также известен как устройство с перекрестным полем .

Причина, по которой его называют так, заключается в том, что электрическое и магнитное поля, создаваемые внутри трубки, взаимно перпендикулярны друг другу, поэтому они пересекаются друг с другом.

Содержимое: Магнетрон

1. Принцип действия
2. Строительство
3. Рабочий
4. Частота толкания и вытягивания
5. Преимущества
6. Недостатки
7. Приложения

Принцип действия

Магнетрон представляет собой вакуумную трубку большой мощности с несколькими полостями. Он также известен как резонаторный магнетрон из-за наличия анода в резонаторе трубки.

Принцип действия магнетрона таков, что при взаимодействии электронов с электрическим и магнитным полем в резонаторе генерируются колебания большой мощности.

Магнетроны в основном используются в радарах как единственный мощный источник радиочастотного сигнала в качестве генератора мощности, несмотря на усилитель мощности. Он был изобретен в 1921 году Альбертом Халлом. Однако в , 1940, годах Джоном Рэндаллом и Гарри Бутом был изобретен усовершенствованный мощный резонаторный магнетрон.

В этой статье мы обсудим, как работает резонаторный магнетрон. Но перед этим мы должны знать, как устроен магнетрон.

Конструкция магнетронов

На этом рисунке показан магнетрон с 8 полостями:

Цилиндрический магнетрон имеет в центре цилиндрический катод определенной длины и радиуса, вокруг которого расположен цилиндрический анод. Полости присутствуют по окружности анода на равном расстоянии друг от друга.

Также площадь, существующая между анодом и катодом трубки, известна как пространство/область взаимодействия .

Здесь следует отметить, что между соседними полостями существует разность фаз 180⁰. Следовательно, полости будут передавать свое возбуждение от одной полости к другой со сдвигом фаз на 180⁰.

Таким образом, мы можем сказать, что если одна пластина положительна, то соседняя пластина автоматически будет отрицательной. И это наглядно показано на рисунке, приведенном выше.

Точнее, мы можем сказать, что края и полости показывают соотношение фаз 180⁰.

Как мы уже говорили, здесь электрическое и магнитное поля перпендикулярны друг другу. А магнитное поле создается с помощью постоянного магнита.

Работа магнетрона

Возбуждение катода магнетрона обеспечивается источником постоянного тока, который вызывает выход из него электронов.

Здесь, в этом разделе, мы обсудим работу магнетрона в двух категориях. Первый без подачи ВЧ-входа на анод и второй с применением ВЧ-входа.

1. Когда РЧ-вход отсутствует

Случай I : Когда магнитное поле равно нулю или отсутствует

Когда магнитное поле отсутствует, электрон, выходящий из катода, радиально движется к аноду. Это показано на рисунке ниже:

Это так, потому что движущийся электрон не испытывает воздействия магнитного поля и движется прямолинейно.

Случай II : При наличии слабого магнитного поля

Если внутри магнетрона существует небольшое магнитное поле, то электрон, выходящий из катода, будет немного отклоняться от своего прямого пути. И это вызовет криволинейное движение электрона от катода к аноду, как показано на рисунке: Это движение электрона является результатом действия на него как электрической, так и магнитной силы.

Случай III : В случае дальнейшего увеличения магнитного поля электроны, выходящие из катода, сильно отклоняются магнитным полем. И проведите вдоль поверхности катода, как показано ниже: Это приводит к тому, что ток анода становится равным 0. Величина магнитного поля, при которой ток анода становится равным 0, известна как критическое магнитное поле .

Если магнитное поле превышает критическое магнитное поле. Тогда электрон отскочит обратно к самому катоду, не достигнув анода.

Достижение испущенных электронов от катода обратно к нему известно как обратный нагрев . Поэтому, чтобы избежать этого, подача электроэнергии на катод должна быть отключена после того, как в трубке установились колебания.

2. При наличии радиочастотного поля

Случай I : Если на анод магнетрона подается активный ВЧ вход, то в пространстве взаимодействия магнетрона возникают колебания. Итак, когда электрон испускается с катода на анод, он передает свою энергию, чтобы колебаться.

Такие электроны называются привилегированными электронами . В этом состоянии электроны будут иметь низкую скорость, и поэтому им потребуется значительно больше времени, чтобы добраться от катода до анода.

Это показано на рисунке ниже:

Случай II : Другое условие возникает при наличии РЧ-входа. В этом случае эмитированный с катода электрон во время движения забирает энергию от колебаний, тем самым увеличивая свою скорость.

Таким образом, несмотря на то, что электроны достигают анода, они отскакивают обратно к катоду, и эти электроны известны как нежелательных электронов .

Распространение неблагоприятных электронов показано ниже:

Случай III : При дальнейшем увеличении РЧ-входа электрон, испускаемый во время движения, увеличивает свою скорость, чтобы догнать электрон, испущенный ранее со сравнительно меньшей скоростью.

Итак, все те электроны, которые не берут энергию от колебаний для своего движения, называются привилегированными электронами. И эти привилегированные электроны образуют электронных пучка или электронных облака и достигают анода от катода.

Образование электронного сгустка внутри трубки известно как эффект фазовой фокусировки .

Из-за этого орбита электрона замыкается на спицы. Эти спицы вращаются в соответствии с некоторой дробной величиной электрона, испускаемого катодом, пока он не достигнет анода, отдавая свою энергию колебаниям.

Однако электроны, выпущенные из области катода между спицами, заберут энергию поля и очень быстро вернутся к катоду. Но эта энергия очень мала по сравнению с энергией, сообщаемой колебаниям. Это показано на рисунке ниже:

Движение этих выделенных электронов внутри трубки усиливает поле, существующее между промежутками в полости. Это приводит к возникновению незатухающих колебаний внутри магнетрона, что обеспечивает большую мощность на выходе.

Частота толкания и вытягивания

Изменение частоты колебаний магнетрона дает начало термину частоты толкания и вытягивания .

Изменение напряжения на аноде магнетрона вызывает изменение скорости движения электронов от катода к аноду. В результате изменяется частота колебаний.

Таким образом, мы можем сказать, что когда резонансная частота магнетрона изменяется из-за изменения анодного напряжения, это известно как сдвиг частоты .

Изменение резонансной частоты иногда является результатом изменения импеданса нагрузки магнетрона. Полное сопротивление нагрузки изменяется, когда изменение является чисто резистивным или реактивным. Это изменение частоты известно как притягивание частоты . Стабильный источник питания может обеспечить уменьшение этого колебания частоты.

Преимущества

• Магнетроны являются высокоэффективным устройством, используемым для генерации мощного СВЧ-сигнала.
• Использование магнетронов в радарах может создать радарную систему лучшего качества для целей отслеживания.
• Обычно он небольшого размера, поэтому менее громоздкий.

Недостатки

• Довольно дорого.
• Несмотря на широкий диапазон частот, существует недостаток в управляемости генерируемой частоты.
• Предлагает среднюю мощность от 1 до 2 киловатт.
• Магнетроны довольно шумные.

Применение магнетрона

• Магнетрон в основном применяется в импульсных радиолокационных системах для получения мощного микроволнового сигнала.
• Магнетроны также используются в нагревательных приборах, таких как микроволновые печи, для создания колебаний фиксированной частоты.
• Перестраиваемые магнетроны находят свое применение в генераторах развертки.

Здесь следует отметить, что этот режим работы магнетрона также известен как π-режим. Это связано с тем, что между двумя соседними пластинами поддерживается правильный фазовый сдвиг в 180⁰. Также следует отметить, что колебания складываются только в π-моде.

Магнетрон, Часть 1: Применение и принципы работы

Магнетрон с вакуумной трубкой почти устарел (за исключением миллионов в бытовых микроволновых печах). Его разработка сыграла ключевую роль в создании высокоэффективных радаров времен Второй мировой войны, а также привела к созданию других радиочастотных/микроволновых ламповых устройств.

Вакуумные лампы — это вчерашний день, не так ли? Они устарели и вытеснены твердотельными устройствами по многим причинам, за исключением некоторых узкоспециализированных приложений, таких как некоторые радиолокационные передатчики. Точно так же почтенная электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), которая десятилетиями использовалась в домашних телевизорах, осциллографах, пользовательских консолях, мониторах и всех видах дисплеев, была заменена устройствами с плоским экраном

Конечно, ЭЛТ ушли в прошлое, но есть все еще одна вакуумная лампа, которая выживает при широком использовании в конкретном приложении, хотя во многих других она в значительной степени устарела. Как так? Если у вас на кухне есть микроволновая печь, у вас дома есть вакуумная трубка, называемая магнетроном. Тем не менее, это скромное, скромное действующее устройство, по мнению многих экспертов и историков, также изменило ход Второй мировой войны.

В: Что такое магнетрон?

О: Магнетрон — это специальная электровакуумная лампа, которая выполняет одну функцию: это источник генератора мощности для частот от нескольких сотен МГц до нескольких ГГц. В зависимости от размера и других факторов он может производить от десятков и сотен ватт до киловатт.

В: Зачем вообще изучать это уникальное и несколько устаревшее устройство?

A: Есть как минимум три причины: он все еще широко используется, и каждый год производятся миллионы; большие используются для радиолокационных и радиовещательных операций; и он научил ученых и инженеров электронным устройствам, которые используют электромагнитные принципы и сочетают электрические и магнитные поля РЧ, и многое другое, что привело к созданию важных РЧ / микроволновых устройств, таких как лампа бегущей волны (ЛБВ).

В: Каков физический принцип и основное устройство магнетрона?

A: В отличие от генератора, построенного на основе резонансного контура, состоящего из дискретных катушек индуктивности и конденсаторов, магнетрон использует уникальную физическую структуру в сочетании с комбинацией электрических полей, движения электронов и магнитных полей в ограниченной металлической полости. Хотя магнетрон представляет собой вакуумную трубку, он сильно отличается от обычной вакуумной трубки, в которой используются электроны, испускаемые нагретым катодом и движущиеся по прямой линии к положительно заряженному аноду, при этом траектория их движения модулируется электрическим полем промежуточная сетка.

Обычная электровакуумная лампа не имеет магнитных свойств. Напротив, магнетрон представляет собой устройство «скрещенного поля», в котором электрическое поле используется в сочетании с магнитным полем, а их линии энергии поля расположены под прямым углом друг к другу. (Название «магнетрон» является комбинацией слов «магнитный» и «электронный»).

В: Как работает магнетрон?

A: Анализ магнетрона может варьироваться от качественного объяснения до высокотехнического анализа с использованием передовой теории электромагнитного поля и математики. Мы будем использовать более качественный подход.

В: Каково физическое устройство магнетрона?

Рис. 1: В ламповом магнетроне используются резонансные полости в аноде, в которые электроны, испускаемые нагретым катодом, направляются под прямым углом мощным постоянным магнитным полем. (Изображение: Гиперфизика/Государственный университет Джорджии)

A: Базовый, первый магнетрон — и, конечно, есть много вариантов — использовал сплошной блок меди (для отвода тепла), в котором были просверлены отверстия (называемые полостями) (рис. 1). . Размер этих полостей имеет решающее значение для установления рабочей частоты магнетрона. Эта физическая конструкция и устройство радикально отличаются от вакуумной трубки со стеклянной оболочкой, которая использовалась в попытке эффективно генерировать короткие волны и высокие частоты, необходимые для радиочастотных / микроволновых конструкций (1 ГГц = 1000 МГц = 0,3 метра = 30 см). .

В: Как это устройство работает при включении питания?

A: Катод в центре (нагреваемый нитью накаливания) испускает электроны так же, как катод стеклянной вакуумной трубки, но на этом их сходство заканчивается. Эти электроны обычно притягиваются к внешнему кольцу в качестве анода и движутся в виде радиальных спиц, которые заряжены положительно (как пластина трубки). Однако существует мощное статическое магнитное поле (синие линии), направленное вдоль оси сердечника магнетрона. Это поле заставляет электроны двигаться по круговой схеме к внешнему кольцу (красные линии). Магнитное поле изначально создавалось электромагнитами, но по мере того, как несколько лет спустя были разработаны более мощные постоянные магниты, вместо них использовались именно они.

В: Кажется, что все, что было сделано, — это сместить поток статического электричества, а колебаний нет — так как же магнетрон производит колебания?

А: Магнитное поле отклоняет электроны, и они «несутся» по кругу. При этом они «качают» на естественной резонансной частоте полостей. Результирующий ток вокруг полостей заставляет их излучать электромагнитную энергию на резонансной частоте полостей.

В: Это все? Как можно использовать эту резонансную энергию?

A: С точки зрения физики, работа совершается электронами, и они поглощают энергию от источника питания, подаваемого на анод. Электроны продолжают двигаться и достигают энергетического уровня, на котором возникает избыточный отрицательный заряд, и этот заряд выталкивается обратно в полость. Это, в свою очередь, сообщает энергию колебаниям на собственной частоте полости (накачке). Резонатор аналогичен резонансному LC-баку: положительно заряженное поле расположено вдоль одного края открытой стороны резонатора, а отрицательно заряженное поле направлено вдоль другого края, так что выделенный ряд работает как конденсатор с вакуумом. зазор для интервала.

В: Как энергия колебаний извлекается из полости магнетрона и используется в системе?

A: Коаксиальная муфта с зондом точного размера вставляется боком в одну полость для захвата энергии блока, Рисунок 2 ; он функционирует как приемная антенна для электромагнитной энергии.

Рис. 2: Согласованный по частоте зонд вставляется в отверстие в одной из полостей для перехвата и извлечения колебательной радиочастотной энергии в магнетроне. (Изображение: Учебное пособие по радару ЕС)

В: Что задает частоту колебаний магнетрона?

A: Размер и расположение полостей задают частоту, так как они действуют как резонансные камеры. Магнетроны обычно имеют небольшой регулировочный винт для изменения размера резонатора, поэтому физические размеры можно отрегулировать для резонирования на точной желаемой частоте, несмотря на неизбежные производственные допуски. Обратите внимание, что магнетрон является устройством с фиксированной частотой и не настраивается, хотя существуют некоторые усовершенствованные и более сложные версии, которые имеют скромный диапазон настройки.

Часть 2 этого FAQ расскажет об истории и роли магнетрона, а также о его будущем и возможной гибели.

EE World Online References

• Основы объемных резонаторов
• Основы волноводов, микроволновых печей и печей
• Пассивные микроволновые компоненты, часть 1: изоляторы и циркуляторы
• Пассивные микроволновые компоненты, часть 2: ответвители и разветвители

Каталожные номера

• Википедия, «Резонаторный магнетрон» (содержит ссылки на многие исторические справочники)
• Объясните это, «Как работают магнетроны»
• Государственный университет Джорджии, Гиперфизика, «Магнетрон»
• Государственный университет Джорджии, Гиперфизика, «Микроволновые печи»
• Микроволны101, «Магнетроны»
• Wiki по истории техники и технологий, «Резонаторный магнетрон»
• Музей клапанов, «CV64»
• Лампы и трубки, «Ранний британский резонаторный магнетрон CV64 S-диапазона»
• Учебное пособие по радару ЕС, «Магнетрон»
• Ampleon N. V., «Твердофазное приготовление пищи на радиочастотах»
• ARMMS RF and Microwave Society, «Краткий обзор развития магнетронов»

Основы магнетрона | M-Press Systems

Основы магнетрона | M-Press Systems

M-Press Systems (M) Sdn. Bhd.↑

Промышленные микроволновые, плазменные, радиочастотные системы и системы управления

Большинство промышленного микроволнового оборудования использует магнетроны для генерации необходимой микроволновой энергии. Это связано с тем, что магнетроны относительно дешевы, компактны, просты в эксплуатации и имеют хороший КПД. Другие типы электронных ламп используются только в приложениях с высокими требованиями к стабильности частоты и фазы. Гиротроны или клистроны.

Принцип работы магнетронов

Магнетрон состоит из нити накала в центре трубки, выступающей в качестве катода, с телом анода, окружающим нить. Тело накала и анода объединены в единое устройство вместе с постоянными магнитами и, в некоторых случаях, дополнительными электромагнитными катушками, позволяющими регулировать и изменять выходную мощность магнетрона. Внутренняя часть корпуса анода, содержащая нить накала, затем вакуумируется до высокого вакуума и герметизируется.

Нить изготовлена ​​из специального материала, напр. торированный вольфрам, который при нагревании примерно до 2400 °С начинает испускать свободные электроны. Поскольку нить накала подключена к отрицательному полюсу источника постоянного тока высокого напряжения, а корпус анода — к положительному полюсу, электроны ускоряются электрическим полем по направлению к аноду. Однако из-за того, что магнитное поле ориентировано перпендикулярно пути ускоренных электронов, они вынуждены следовать по спирали, ведущей от нити к телу анода. Тело анода содержит ряд выточенных в нем полостей, и когда поток электронов проходит через эти полости, они «слипаются» вместе из-за резонансных эффектов. Одна из полостей соединена с антенной, расположенной снаружи магнетрона, и преобразует часть кинетической энергии электронных сгустков в радиочастотную (микроволновую) энергию, которая передается от антенны в волновод через устройство, называемое пусковой установкой. Обратите внимание, что выходная частота магнетрона напрямую зависит от механических размеров полостей, выточенных в корпусе анода, поэтому с увеличением выходной частоты магнетроны становятся меньше.

Работа магнетронов

Для работы магнетрону требуется 2 источника питания:

Срок службы магнетронов

Хотя на срок службы магнетрона могут влиять и другие факторы, например. недостаточное время предварительного прогрева нити накала или скачки напряжения на высоковольтном питании, при нормальной работе ограничивается в основном сроком службы нити. Из-за испарения тория и «эффекта пескоструйной обработки», вызванного обратной бомбардировкой электронов, нить накала изнашивается, что дает магнетрону ограниченный срок службы, который обычно составляет от 2000 до 10 000 часов. Для максимального увеличения срока службы необходимо учитывать следующие моменты:

• Обращение и хранение

  Нити накала магнетронов, особенно когда они сделаны из торированного вольфрама, довольно хрупкие и могут быть легко разрушены ударами или сильными вибрациями. Кроме того, загрязнение коробки фильтра или антенны грязью или пылью может привести к преждевременному выходу из строя магнетронов, поэтому с ними следует обращаться осторожно и хранить их в оригинальной упаковке до тех пор, пока они не будут установлены внутри микроволнового генератора.

• Подача нити накала

  Максимальный срок службы магнетрона может быть достигнут только в том случае, если температура нити накала поддерживается постоянной во всех режимах работы. Поэтому необходимо часто проверять подачу нити накала, по крайней мере, перед установкой нового магнетрона. Это особенно важно в случае электронных (переменных) источников питания накаливания.

• Секция пусковой установки

  Секция пусковой установки отвечает за ввод микроволновой энергии от магнетрона в волноводную систему, неправильно спроектированные или плохо обслуживаемые пусковые установки приводят к недостаточной связи и перегреву магнетрона.

• Согласование нагрузки

  Плохо подобранные нагрузки вызывают перегрев магнетрона из-за отраженной микроволновой энергии. Нагрузки должны всегда согласовываться с использованием подходящих элементов настройки, если полное сопротивление нагрузки изменяется во время работы, следует установить автонастройки или циркуляторы для защиты магнетрона.

• Циркуляционные насосы

  Циркуляционные насосы являются самым безопасным вариантом защиты магнетронов в приложениях большой мощности. Тем не менее, циркуляционные насосы требуют регулярного обслуживания, чтобы обеспечить их работу в соответствии со спецификацией и эффективную защиту магнетрона.

• Система охлаждения

  Магнетроны требуют охлаждения корпуса анода, корпуса фильтра и антенны. В частности, охлаждающий воздух для корпуса фильтра и антенны должен быть чистым, сухим и свободным от пыли. Если корпус анода охлаждается водой, убедитесь, что вода хорошего качества и не приводит к образованию накипи в охлаждающих каналах.

• Система управления

  Магнетроны большой мощности и магнетроны с переменной выходной мощностью используют электронные системы управления для контроля и регулировки подачи высокого напряжения, анодного тока, выходной мощности и нагрева нити накала.