Halbleiterbauteile ersetzen Magnetrone in Mikrowellenöfen
Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics
Mikrowellenöfen sind heute aus vielen Küchen nicht mehr wegzudenken. Sie bieten eine kompakte, schnelle und bequeme Methode zum Auftauen und Erwärmen aller Arten von Speisen und Getränken – von gefrorenen Lebensmitteln über die Reste von gestern Abend bis hin zum kalt gewordenen Kaffee. Außer kosmetischen Anpassungen wie dem Austausch des mechanischen Timers durch ein Touchscreen-Display sehen sie größtenteils noch immer wie in den 1950er-Jahren aus, als sie erstmals auf den Markt kamen. Auch am Innenleben hat sich nicht viel geändert: Das Magnetron – eine mittlerweile 70 Jahre alte Technologie – ist nach wie vor die Hauptenergiequelle.
Im Laufe der Jahre haben wir alle schmerzlich erfahren, welche Einschränkungen ein Magnetron als Energiequelle mit sich bringt. Da seine Leistung nicht reguliert werden kann, verdanken wir es allein menschlichem Einfallsreichtum, dass die Garleistung verbessert wurde und wir heute den Eindruck haben, die Leistungsstufen könnten angepasst werden. Der frustrierendste Aspekt beim Aufwärmen von Speisen ist zweifellos der „Hotspot“, den das Magnetron in dem zu erwärmenden Objekt erzeugt –sowohl beim Kochen als auch beim Auftauen. Ursache ist die Frequenz (normalerweise 2,45 GHz) und ihre Phasenlage im Garraum der Mikrowelle. Oft wird die Speise teilweise zerkocht, während sie an anderen Stellen noch nicht gar ist, sodass die einheitliche Erwärmung in einer Mikrowelle Wunschvorstellung bleibt.
Sogenannte „Stirrer“ im Wellenleiter zum Garraum und ein rotierender Teller bzw. „Drehscheibe“ verteilen die Energie einigermaßen gleichmäßiger und verbessern die einheitliche Erwärmung. Durch die Steuerung des Ein-/Ausschaltverhältnisses der Energie zum Magnetron können unterschiedliche Leistungsstufen realisiert werden. Bei Betrieb auf 100 W liefert ein 800-W-Mikrowellenofen höchstwahrscheinlich etwa 8 Sekunden lang die gesamten 800 W und bleibt dann 52 Sekunden lang deaktiviert. Dann wird das Ganze wiederholt. Große Lebensmittel sind bei der Erwärmung zudem auf Wärmeleitung angewiesen. Um das zu gewährleisten und sicherzustellen, dass der Kern auf eine sichere Temperatur erwärmt wird, ist also ein ausreichend langer Aufwärmzyklus erforderlich. Ein weiterer Aspekt ist die im Laufe der Zeit nachlassende Mikrowellenenergie eines Magnetrons. Die meisten Magnetrone verlieren innerhalb von vier Jahren bis zu 30 % ihrer Leistung. In Privathaushalten spielt das keine große Rolle. Für die industrielle Lebensmittelproduktion bedeutet dies jedoch, dass Magnetrone regelmäßig ersetzt werden müssen.
Heute steht das Magnetron kurz vor seiner Ablösung durch Halbleiter-basierte Alternativen in Form von HF-Leistungstransistoren. Dieser Schritt erscheint zunächst einfach, eine solche fundamentale Technologieänderung eröffnet jedoch neue spannende Möglichkeiten. Dabei muss angemerkt werden, dass dies erst seit Kurzem durch die Entwicklung von HF-Leistungstransistoren und der zugehörigen Prozesstechnologien LDMOS und GaN möglich ist. Magnetrone sind in der Lage, große Mengen reflektierter Leistung, zum Beispiel aufgrund eines falsch angepassten „offenen“ Garraums, durch dynamische Anpassung von Lastmustern zu verarbeiten, während die rohe Speise – egal ob gefroren oder nur gekühlt – gekocht wird. Solid-State-Halbleiter konnten damit bisher nicht mithalten. Sie waren auf eine angepasste Last mit einem Stehwellenverhältnis (Voltage Standing Wave Ratio, VSWR) von nahezu 1:1 angewiesen.
Die Halbleitermethode ermöglicht eine präzise lineare Steuerung der Ausgangsleistung (Amplitude) und Frequenz durch digitale Schaltung. Hinzu kommt, dass statt dem einen Ausgangsport eines Magnetrons mehrere Ausgänge oder Antennen genutzt werden können. Dies ermöglicht wiederum die Phasensteuerung zwischen den Ausgängen und beugt so der Entstehung von Hotspots beim Erwärmen vor. Mithilfe einer digitalen Steuerung kann außerdem die Art der Speise erkannt werden, die erwärmt wird. Dazu wird die reflektierte Energie gemessen, die sich mit der Zusammensetzung des Lebensmittels während des Erwärmens ändert. Durch Phasenlage und Frequenz ist es außerdem möglich, mehr Energie zu bestimmten Bereichen zu leiten und so beispielsweise eine Hühnerbrust auf demselben Teller wie eine Portion Zuckererbsen zu erwärmen, wobei beide perfekt gegart werden. Mit einer solchen Steuerung können empfindlichere Lebensmittel so zubereitet werden, dass sie ihre Feuchtigkeit und ihren Nährwert behalten und lecker und gesund bleiben. So wird es möglich feste Steuerungssequenzen für beliebte Speisen zu erstellen, ein Konzept, das bereits die Aufmerksamkeit von Herstellern zubereiteter Fertiggerichte erregt. Goji Food Solutions hat beispielsweise erste HF-Halbleiter-Öfen entwickelt, die vor dem Garprozess die volumetrischen Eigenschaften und die Feuchtigkeit der Lebensmittel erfassen. Der Ofen überwacht die Speisen kontinuierlich, um Amplitude, Frequenz und Phase bei Bedarf anzupassen und so die besten Ergebnisse zu erzielen.
Abbildung 2 zeigt die grundlegenden Komponenten eines Solid-State-Ofens. In der Regel gibt es zwei oder vier separate HF-Pfade und -Antennen, die größte Flexibilität in Bezug auf die Steuerung von Amplitude, Frequenz und Phase. Für einen Ofen mit 1 kW wären vier 250-W-Ausgänge erforderlich. Das entspricht der Verwendung von vier HF-Abschlussphasen-Leistungstransistoren, wie dem NXP MRF24300N. Jeder Transistor verfügt über eine Spitzenleistung von 320 W bei einer Versorgung von 32 VDC und 2.450 MHz und bietet eine Verstärkung von 13 dB. Diese Transistoren sind nicht nur erheblich kleiner als ein Magnetron, sie kommen auch mit relativ niedrigen Spannungen aus. Ein Magnetron ist vergleichsweise sperrig, schwer und benötigt einen Stromversorgung von 3 kV. Das allein erfordert viel Platz und die Isolierung von anderen Bauteilen.
NPX hat kürzlich eine Reihe von Development Tools vorgestellt, um die Prototypenerstellung von Halbleiter-Ofen zu beschleunigen. Dazu zählen das RFEL-500, ein komplettes HF-Cooking-Lab in einem Gerät, das RFEM24-250, ein 250-W-Einkanal-Ausgangsmodul, und das RFEP24-300, ein 300-W-Pallet. Alle drei Einheiten verwenden den oben genannten HF-Leistungstransistor MRF24300N in der Abschlussphase.
Das RFEL24-500 (siehe Abbildung 3) verfügt über zwei RFEM24-250 HF-Module mit 250 W, PC-basierte GUI-Software und Datenprotokollierungsfunktionen. Es ist ein vollständig integriertes Lüfter-gekühltes, 33 cm × 43 cm × 13 cm großes HF-Entwicklungssystem für HF-basiertes Erwärmen und Garen. Das NXP HF-Energy-Lab unterstützt unbegrenzte VSWR-Lasten und liefert bis zu 250 W pro Kanal iin einem Bereich von 2.400 bis 2.500 MHz. Damit ist es ideale für HF- und Nicht-HF-Ingenieure, die ihre Mikrowellenkonzepte testen und Prototypen erstellen wollen. Die Steuerung erfolgt über eine USB-zu-I2C-Schnittstelle zu den beiden HF-Modulen. Die Software ermöglicht die umfassende Steuerung von Amplitude, Frequenz und Phase für jeden Ausgang und verfügt über eine Frequenz- und Phasendurchlauffunktion zur Bestimmung der besten Parameter für eine maximale Energieübertragung.
Das RFEM24-500 (siehe Abbildung 4) ist ein komplettes 250-W-/2,45-GHz-HF-Subsystem. Neben der Signalquelle verfügt es über einen HF-Dreiphasenverstärker, einen Kinetis KW40-Mikrocontroller, einen HF-Zirkulator und einer Abschlusslast von 300 W. Der Dreiphasenverstärker umfasst einen NXP MMA25312B, einen NXP MHT1008N und einen NXP MRF24300N. Bei dem HF-Zirkulator handelt es sich um eine spezielle HF-Komponente, die den HF-Leistungstransistor der Endstufe von reflektierten Signalen isoliert. Leistung, die auf Port 1 angewendet wird, erscheint bei Port 2, während alles, was auf Port 2 angewendet wird, an Port 3 geht. In diesem Fall ist Port 1 über einen Koppler mit dem HF-Ausgang der Endstufe, Port 2 mit der Ausgangsbuchse (zur Verbindung mit dem Garraum), und Port 3 mit dem 300-W-on-Board-Anschluss verbunden. Reflektierte Signale aus dem Garraum werden für die Amplitude erfasst und eliminiert. Abbildung 5 zeigt das Modul innerhalb der Abschirmung sowie externe Kühlkörper. Beachtenswert ist der HF-Zirkulator oben rechts. Bis zu vier RFEM24-500-Module können synchronisiert werden. Zusätzlich sind ein geeignetes Netzteil mit 30 bis 32 V/500 W sowie ein Mittel zur Kühlung des Moduls – üblicherweise thermostatisch gesteuerte Lüfter und Kühlkörper – erforderlich.
Für die technisch versierteren und erfahreneren HF-Designingenieure gibt es das RFEP24-300, ein HF-Energy-Pallet, das nur über einen Vortreiber und einen Endstufen-Verstärker verfügt (siehe Abbildung 6). Das Pallet ist die ideale Grundlage für die Prototypenerstellung eines kompletten RF-End. Eine softwaregesteuerte Frequenzquelle mit Sensoren zur Erkennung von Vorwärts- and Rückwärtsleistung und einem Mikrocontroller zur Steuerung des Betriebs des Pallet muss hinzugefügt werden.
Auf der CES 2018 hat NXP das Referenzdesign einer Auftau-Komplettlösung vorgestellt – die NXP Smart Defrost Solution (siehe Abbildung 7). Diese soll Hersteller von Verbrauchsgütern dabei unterstützen, die Entwicklung der nächsten Generation von Küchengeräten zu beschleunigen. Es wird nicht mehr lange dauern, bis die ersten Haushaltsgeräte auf Basis dieser Technologie auf den Markt kommen.
Magnetron aufgepasst, deine Tage sind gezählt!
