¿El magnetrón del horno microondas pronto quedará obsoleto?

Pregúntele a cualquier ingeniero en electricidad (excepto a un coleccionista de antigüedades) si tiene tubos de vacío en su casa y es probable que la respuesta esté entre "tiene que estar bromeando, por supuesto" o "no desde que me deshice del TELEVISOR CRT". Bueno, piense de nuevo: si tiene un horno microondas en su casa, tiene un tubo de vacío: el magnetrón.

¿Qué es un magnetrón? Es el primer tubo de vacío famoso de la historia, junto con el primer tubo de vacío amplificador, el tríodo inventado por Lee De Forest en 1906. La física y la electromagnética del magnetrón son complicadas. Utiliza un fuerte campo magnético externo que influye en el flujo de electrones en una cavidad circular resonante para desarrollar decenas y cientos de vatios en frecuencias dentro del rango de gigahercios (GHz) (Figura 1). Diríjase a Referencias para ver varias perspectivas sobre el magnetrón.

Fue desarrollado en Inglaterra durante la Segunda Guerra Mundial y era un secreto muy bien guardado, ya que era la clave del radar, el cual era lo suficientemente compacto para los aviones mientras operaba a una frecuencia lo suficientemente alta de 500 megahercios (MHz) (esa era una frecuencia superalta en esos días) para proporcionar una resolución significativa.

Figura 1: El magnetrón es un tubo de vacío especializado que utiliza la interacción de campos eléctricos y magnéticos en una cavidad conductora para generar microondas a niveles de potencia relativamente altos. (Fuente de la imagen: Hiperfísica/Universidad Estatal de Georgia)

La necesidad del magnetrón ha disminuido con el desarrollo de los amplificadores de potencia de estado sólido (SSPA) que pueden llegar a las partes de GHz+ del espectro y se ha relegado en gran medida al museo de historia de la electrónica, a excepción de las salidas de varios niveles de kilovatios (kW) (e incluso allí los dispositivos de estado sólido son dominantes).

No obstante, hay un lugar donde el magnetrón vive y prospera y es en el núcleo del horno de microondas de consumo, así como en muchos hornos comerciales utilizados para hornear y secar. ¿Cómo es esto posible?

En resumen, es muy rentable para hacer un trabajo lo suficientemente bueno como fuente de RF de gran volumen, bajo costo y mercado masivo de varios cientos de vatios a 2.45 GHz (Figura 2). Es irónico y a la vez una demostración del poder de la fabricación de alto volumen que la fuente de energía de microondas confidencial de la Segunda Guerra Mundial sea ahora un componente del mercado masivo en el corazón de un horno que se vende por menos de $100 para una unidad básica y entre $500 y $1000 para una más grande y potente.

Figura 2: Esta guía de onda asociada del magnetrón plus de Panasonic es un conjunto integrado único que genera y dispersa energía de 2.45 GHz en hornos microondas de consumo. (Fuente de la imagen: Encompass Supply Chain Solutions, Inc.)

Pero incluso los días del magnetrón en este papel pueden estar llegando a su fin, tal vez.

Los fabricantes de amplificadores de potencia de estado sólido (SSPA) lo ven como un mercado de fuerte crecimiento potencial y no solo porque estos dispositivos pueden reemplazar la función del magnetrón allí. La realidad es que el horno de microondas a base de magnetrón tiene algunas debilidades graves, que se hacen evidentes a medida que se obtiene más información sobre él.

Por ejemplo, es difícil modular la amplitud de salida. Cuando configura el horno para un nivel de potencia intermedio, el magnetrón está modulado por ancho de pulso (PWM) para proporcionar ese nivel como su potencia promedio, pero el ciclo de trabajo PWM es bastante largo, del orden de decenas de segundos, y, por lo tanto, es ineficaz para tiempos de calentamiento más cortos. También hay problemas al dirigir la salida de RF de modo que llene la cavidad del horno de manera completa y uniforme. Es por eso que se supone que debe parar durante el ciclo de calentamiento y revolver la comida, algo que la mayoría de las personas no se molesta en hacer. Incluso con el plato giratorio integral de muchos hornos de microondas, habrá puntos calientes y fríos.

¿Va con un PA de estado sólido?

Si cree que esto es solo una evaluación cualitativa del rendimiento mediocre de la unidad basada en el magnetrón, eche un vistazo a las evaluaciones detalladas en el "Libro blanco de cocción de RF de estado sólido" de Ampleon, uno de los principales defensores del uso de los SSPA para hornos microondas. Si bien como proveedores pueden estar sesgados, los detalles técnicos y las imágenes de prueba en el informe son impresionantes y carecen de ambigüedades.

Ampleon ofrece SSPA que son una buena opción para hornos estándar, como el BLC2425M10LS500PZ (Figura 3). Este transistor de potencia LDMOS de 500 vatios mide aproximadamente 16 × 32 × 2 milímetros (mm) y está diseñado para operación de onda continua (CW) de 2.4 a 2.5 GHz, a horcajadas sobre la frecuencia crítica de 2.45 GHz utilizada en hornos de consumo.

Figura 3: El SSPA compacto BLC2425M10LS500PZ puede entregar hasta 500 vatios continuamente en el rango de 2.4 a 2.5 GHz del horno de microondas. (Fuente de la imagen: Ampleon)

¿Por qué 2.45 GHz? Diríjase a la entrada "Why do Microwave Ovens Operate at 2.45 GHz?” [¿Por qué los hornos microondas funcionan a 2.45 GHz?] del blog de Eric Bogatin para entender por qué. Y, antes de que lo diga, se equivoca: no es porque esa sea la frecuencia resonante de las moléculas de agua, que es un error común. Tenga en cuenta que muchos hornos comerciales funcionan a frecuencias más bajas (y, por lo tanto, a longitudes de onda más largas), como 900 MHz, para llenar de manera más eficiente sus mayores volúmenes de trabajo internos.

En la Figura 4 se muestra una imagen más clara de la potencia de salida contra la frecuencia del SSPA BLC2425M10LS500PZ.

Figura 4: Ganancia de potencia y eficiencia de drenaje en función de la potencia de salida; valores típicos para el transistor LDMOS de potencia BLC2425M10LS500P (Fuente de la imagen: Ampleon)

Ampleon no es el único proveedor de SSPA de RF que ve el potencial de este mercado. MACOM Technology Solutions, por ejemplo, describe la oportunidad en su nota "Cómo GaN está transformando la energía de RF y las aplicaciones de cocina". Su afirmación de que "se ha demostrado cómo se puede cocinar un bistec en el mismo plato que el helado sin que se derrita, lo que muestra la precisión de la energía de RF dirigida", sin duda me llamó la atención y la capacidad de controlar con precisión el nivel de energía y la distribución es un beneficio atractivo. La nota incluye una tabla útil que muestra los atributos de los hornos basados en magnetrón versus los de los basados en PA (Tabla 1).

Tabla 1: Atributos clave del amplificador de potencia de estado sólido vs. enfoque de magnetrón a 2.45 GHz. (Fuente de la imagen: Soluciones tecnológicas MACOM)

Los beneficios técnicos son bastante claros con respecto a la eficiencia general de la línea de CA al final, la eficiencia de RF, el control del nivel de salida e incluso el voltaje de CC necesario (28 voltios versus 4 kV). También hay un problema de confiabilidad a largo plazo, ya que los magnetrones, que son tubos de vacío, se degradan con el tiempo y luego se queman. Algunos hornos comerciales de alto uso en realidad reemplazan sus magnetrones cada pocas semanas como práctica de mantenimiento estándar. Por supuesto, hay más en un sistema basado en SSPA que el propio SSPA y eso afecta el costo y otros factores de diseño (Figura 5).

Figura 5: El sistema de cocción de energía de RF basado en SSPA requiere una cantidad sustancial de circuitos de soporte además del PA. (Fuente de la imagen: Soluciones tecnológicas MACOM)

Conclusión

Entonces, ¿el microondas basado en SSPA pronto reemplazará al microondas a base de magnetrón en su hogar? El mayor costo del SSPA (por ahora) es ciertamente un problema, especialmente porque la gente parece contenta, si no emocionada, con los hornos de entre $100 y $500. Incluso si la unidad se quema después de unos años, bueno, ahora se la considera un elemento desechable en la mayoría de los hogares y funciona lo suficientemente bien para aquellos que solo quieren calentar las sobras o las palomitas de maíz.

Es probable que la mayor adopción inicial del SSPA se produzca en entornos comerciales donde su mayor eficiencia, menores costos operativos y una vida útil más larga superen el mayor costo inicial. Quizás la hoja de ruta a largo plazo será como la de los automóviles, donde los avances técnicos aparecieron por primera vez en los modelos de gama alta y luego migraron gradualmente a los modelos de gama media y baja. Después de todo, las características como la inyección de combustible en lugar de los carburadores en algún momento se limitaron a los automóviles de lujo y ahora son estándar en todos los automóviles.

Quizás los hornos de microondas de gama alta tengan una etiqueta en el panel frontal que declare “Amplificador de potencia de estado sólido en el interior” como las primeras radios de estado sólido con la etiqueta “todos los transistores” o los reproductores de CD de generación posterior que le dijeron al comprador (y a sus amigos) que tenían un "DAC de 1 bit dentro", ¡no es que el consumidor supiera lo que era!

Referencias del magnetrón

• Wikipedia, "Magnetrón de cavidad" (tiene enlaces a muchas referencias históricas)
• Explain That Stuff, “How Magnetrons Work” [Cómo funcionan los magnetrones]
• Georgia State University, Hyperphysics, “The Magnetron” [El magnetrón]
• Georgia State University, Hyperphysics, “Microwave Ovens” [Hornos de microondas]
• Microwaves101, “Magnetrons” [Magnetrones]
• Wiki de Historia de Ingeniería y Tecnología, "Magnetrón de cavidad”
• The Valve Museum, "CV64"
• Lamps & Tubes, "CV64 Early British S-band Cavity Magnetron” [Antiguo magnetrón británico de cavidad de banda S CV64]
• Tutorial de radar UE, "Magnetrón"
• Ampleon N.V., “RF Solid State Cooking” [Cocina de RF de estado sólido]
• ARMMS RF and Microwave Society, “Summary of Magnetron Development” [Resumen del desarrollo del magnetrón]