Basados en la excelente documentación técnica que la NATIONAL (*) proporciona a toda su red de asistencia técnica, preparamos un interesante artículo en el que se analiza el principio de funcionamiento del horno de microondas, con consejos para técnicos e instaladores, o simplemente para los lectores que pretenden adquirir uno para su propio hogar.
Nota: el artículo es de 1987, mas lo principio de funcionamiento de los hornos se mantiene. Muda apenas la tecnología com la introducción de microcontroladores e recursos digitales, incluso lo acceso a la internet (IoT).
El hecho que las ondas de radio transportan energía ya es del conocimiento de todos los que tienen contactos con transmisores de radio de cierta potencia. Y todos saben muy bien que un toque accidental en un circuito que trabaje con RF de gran intensidad puede no causar un choque, pero si quemaduras, incluso graves.
El calentamiento provocado por las ondas de radio también fue observado por los operadores de grandes estaciones de Radar, como, por ejemplo, los americanos en Groenlandia, que se calientan ante las potentes antenas que irradian millones de watts de microondas en la dirección de donde podría venir un eventual ataque ruso.
Estudios hechos con seres vivos revelan que las ondas de determinadas longitudes pueden penetrar profundamente en los tejidos vivos y provocar un calentamiento. Este calentamiento es peligroso, pues puede destruir estos tejidos vivos, motivo por el cual la exposición de personas o animales a radiaciones de gran intensidad es muy peligrosa. Por otra parte, si se trata de tejidos muertos, el efecto de calentamiento provocado por las ondas de radio de longitud muy pequeña pueden hasta tener utilidad en el campo doméstico.
Aplicando una buena potencia de radiación de alta frecuencia en los alimentos, podemos cocinarlos con mucha facilidad y eficiencia.
Lo interesante de todo esto es que sólo podemos tener este tipo de aparato doméstico hoy, porque durante varios anos los esfuerzos de guerra orientaron la investigación y el desarrollo hacia un dispositivo de uso exclusivamente militar capaz de producir microondas en gran cantidad. Este dispositivo, que analizaremos más adelante, es la válvula Magnetrón, el corazón de los sistemas de Radar.
Calentamiento por microondas
En un cuerpo cualquiera en estado neutro, normalmente la electricidad no se manifiesta porque sus moléculas, que son polarizadas, tienen una distribución que, en el todo, neutraliza las cargas (figura 1).
Mientras tanto, tales moléculas polarizadas pueden fácilmente ser orientadas por la acción de campos eléctricos externos.
En la figura 2 mostramos lo que ocurre con las moléculas de un cuerpo cuando son sometidas a la acción de un fuerte campo eléctrico.
Si invertimos la polaridad del campo eléctrico, la tendencia de las moléculas es modificar su posición de modo de orientarse conforme a la nueva acción del campo (figura 3).
¿Qué ocurriría si el campo estuviera cambiando constantemente de polaridad, como en el caso de la aplicación de una señal de radiofrecuencia (RF), por ejemplo?
La respuesta es que las moléculas cambiarían de posición rápidamente, intentando acompañar las modificaciones del campo y, en consecuencia, habría producción de calor. El material se calentaría en función de la energía gastada en el proceso por la propia vibración de sus moléculas (figura 4).
Note que si este material fuera un alimento, su cocción ocurriría de una manera bien diferente a la convencional. En el cocimiento común el alimento es calentado a partir de una fuente externa de calor. Este calor debe penetrar en el alimento, o propagarse por convección, si fuera un líquido. El resultado es que el calentamiento no ocurre de un modo uniforme.
Si tuviéramos un alimento sólido, la tendencia es que las partes externas se calienten antes que las internas. En el caso de una pieza grande de carne, por ejemplo, puede ocurrir que la parte externa esté perfectamente cocida (o quemada) mientras que la interna todavía no haya recibido suficiente calor (figura 5).
En el cocimiento por radiofrecuencia, por la acción de un campo eléctrico fuerte, las moléculas del alimento vibran todas con la misma intensidad y al mismo tiempo, generando calor de modo uniforme. Esto significa que la temperatura sube hasta el valor necesario para el cocimiento en toda la extensión del cuerpo, al mismo tiempo (figura 6).
Para que ocurra el proceso indicado, no se puede usar cualquier tipo de señal de RF. Para penetrar en los alimentos y producir calor, la frecuencia debe ser elevada en la faja de las microondas y a una potencia considerable.
Los hornos de NATIONAL utilizan una frecuencia que corresponde a una longitud de onda de 12,24 cm. La potencia máxima de la serial generada es del orden de los 700 watts. Para producir una serial en esta frecuencia, que corresponde a la gama de las microondas, con la potencia indicada, son necesarios dispositivos especiales; el horno en si debe ser dotado de todos los sistemas de seguridad para evitar que el usuario reciba directamente esta radiación.
Veamos, entonces, cómo funciona el circuito del horno propiamente dicho.
EI magnetrón
En los circuitos de transmisores comunes, que generan señales de radiofrecuencias en gamas más bajas, empilamos normalmente válvulas y transistores.
Mientras tanto, para generar frecuencias del orden exigido para la cocción de alimentos en un horno de microondas, las válvulas y transistores comunes no funcionan.
Lo que ocurre es que la frecuencia es tan elevada que no hay tiempo en un ciclo, para que el haz de electrones o los portadores de carga atraviesen el dispositivo que los controla (figura 7).
Existen, por lo tanto, limites para la operación de válvulas comunes y transistores en lo que se refiere a la frecuencia máxima que generan.
Para producir señales de potencia elevada en la gama de microondas se utiliza la válvula Magnetrón de cavidad resonante.
Esta válvula fue desarrollada originalmente a partir de la válvula Klystron, en la Universidad de Birmingham (Inglaterra) por el profesor M.L. Oliphant, en el otoño de 1939. La idea básica es utilizar la válvula para producir señales de potencias elevadas en la gama de microondas para los sistemas de Radar que todavía no estaban suficientemente desarrollados.
En la figura 8 tenemos el diseño en corte de un magnetrón, como el que se usa en un horno de microondas.
Tenemos, entonces, un ánodo, que es una pieza de hierro hueca con diversas cavidades, cuyas dimensiones son función de la longitud de onda de la señal que debe ser generada. Estas cavidades poseen aletas en número par que apuntan hacia un filamento. La antena es conectada a las aletas del ánodo.
Cuando ocurre la conducción por la cavidad, su comportamiento es el de un inductor, en cuanto su abertura es equivalente a una capacitancia, estableciéndose así un circuito resonante en la frecuencia generada.
Para operar el magnetrón es preciso conectar una fuente de alta tensión, de aproximadamente 4.000 volts. El polo positivo va al ánodo y el negativo al cátodo. La alta tensión es producida por un transformador convencional y por un sistema duplicador de la tensión.
El funcionamiento de la válvula como osciladora puede ser analizado de la siguiente manera:
Si ninguna fuerza adicional actuase sobre el haz de electrones en el interior de la válvula, habría un flujo simple del cátodo hacia el ánodo, como muestra la figura 9.
Sin embargo, existen potentes imanes que actúan sobre el haz de electrones, que tiende entonces a describir un espiral, como muestra la figura 10.
El movimiento de los electrones es responsable de la inducción de una corriente alternada en las cavidades, como muestra la figura 11.
Cuando un electrón se aproxima al segmento entre dos cavidades, son inducidas cargas eléctricas en el segmento, como muestra la figura 12.
Los movimientos de los electrones y la inducción de las cargas pueden ser analizadas como si existiesen circuitos resonantes en los segmentos, como muestra la figura 13.
En la práctica, la inducción de las cargas no ocurre por electrones aislados.
Los electrones hacen una espiral, tomando la forma de una rueda con rayos, conforme muestra la figura 14, induciendo con eso cargas mucho mayores y generando potencias elevadas.
Los circuitos resonantes son, entonces, constantemente excitados manteniéndose en oscilación en la frecuencia que les corresponde. La energía generada en el proceso puede ser retirada a través del terminal de la antena.
Circuito práctico
En la figura 15 tenemos un circuito típico de horno de microondas, donde el magnetrón es alimentado por un duplicador de media onda.
Los choques de RF en los filamentos del magnetrón, así como los capacitores, son utilizados para eliminar las interferencias, que pueden causar problemas en aparatos de radio y televisión.
EI transformador tiene una tensión de secundario del orden de los 2.000 volts y potencia del orden de los 1.000 watts, lo que da aproximadamente 500 mA de corriente.
El resistor de drenaje en paralelo con el capacitor tiene una función importante: cuando el horno es desconectado, este capacitor puede mantener una carga de alta tensión. Con el resistor, esta carga es drenada, demorando aproximadamente 30 segundos para que el proceso se complete. El técnico, sin embargo, nunca debe confiar totalmente en este resistor, descargando siempre el capacitor antes de trabajar en el circuito. En la figura 16 tenemos el modo como es instalado en el horno el magnetrón.
Las señales son conducidas por una guia de ondas hasta la cavidad del homo donde existen palas agitadoras cuya finalidad es esparcir las ondas de modo uniforme, a fin de que alcancen todo el alimento.
El horno debe ser hecho de material que refleje totalmente estas radiaciones, para evitar que las personas del lado de afuera del mismo lleguen a ser alcanzadas.
Note el lector, entretanto, que deben obligatoriamente existir en el interior del horno cosas que absorban la energía irradiada; si esto no ocurre, esta energía puede volver al magnetrón causándole danos. No se debe, pues, operar con el homo vacio ni objetos que reflejen totalmente las microondas (metales por ejemplo) en su interior.
Comportamiento de las microondas
Las microondas se comportan de modo bastante semejante a la luz, que también es una forma de radiación electromagnética.
Existen, pues, cuerpos que son transparentes, traslúcidos u opacos, en relación a las microondas como en el caso de la luz.
Los cuerpos transparentes a las microondas, como el papel, el vidrio, la loza, los plásticos, etc., son los que no afectan su propagación.
Si colocamos alimentos en recipientes de estos materiales, las ondas los atravesarán, llegando directamente a los alimentos, produciendo el efecto deseado (figura 17).
Los cuerpos traslúcidos son aquellos en que la radiación penetra pero se difunde en su interior, siendo absorbida. Un ejemplo de cuerpo traslúcido para la luz es el vidrio lechoso. Para las microondas serian los alimentos, que son cocidos.
Finalmente, tenemos los cuerpos opacos que reflejan esa radiación, no dejándola penetrar, como en el caso de los metales.
Para el caso de los alimentos es preciso además tener en cuenta el grado de profundidad de penetración de las microondas.
Lo que ocurre es que, a medida que las microondas penetran en el alimento, su energía es absorbida, habiendo por lo tanto una reducción de su intensidad.
Este grado de penetración depende tanto de la naturaleza del material, que absorbe las microondas, como de su frecuencia.
El valor numérico de este grado de penetración es expresado para el punto en que la intensidad de las microondas decae hasta el 37 % del valor inicial.
Para los hornos de 2.450 MHz, el grado de penetración en la carne es de aproximadamente 2 a 3 cm, y para otras comidas, de 5 a 7 cm.
Esto significa que los trozos grandes de alimentos congelados o aves precisan por lo menos de 15 minutos de cocción para quedar a punto.
El homo NE-7760 B de la National
En la figura 18 tenemos el circuito de un horno de microondas como el del ejemplo.
Su funcionamiento es el siguiente:
Cuando el alimento es colocado en su interior y la puerta es cerrada, se abren los contactos de la llave de seguridad. Si la puerta fuera abierta en condiciones de funcionamiento, esta llave cortocircuita la línea de alimentación abriendo el fusible de protección.
Al ser presionada esta llave, el relé es disparado, alimentando todo el circuito.
La lámpara del horno se enciende juntamente con el funcionamiento del motor del ventilador. La finalidad de este ventilador es refrigerar al magnetrón por la circulación de aire fresco.
AI ser cerrado el circuito, el transformador de alta tensión también recibe alimentación, produciendo entonces una tensión del orden de los 2.000 volts, que es aplicada al magnetrón.
El secundario de 3,3 volts tiene por finalidad calentar el filamento de esta válvula.
Al final del proceso de cocción, comandado por el timer, el sistema se desconecta automáticamente.
Como los tiempos de cocción varían no sólo en función del tipo de alimento, sino también de la potencia aplicada, los homos pueden también ser dotados de controles de potencia.
El sistema más simple de control de potencia es el que altera la tensión del magnetrón. En la figura 19 tenemos un circuito de ejemplo.
Capacitores en el sistema de control del duplicador de tensión permiten alterar la tensión en la válvula.
La principal ventaja de este circuito es su simplicidad, que no requiere circuitos complejos de control.
Instalación
Diversos son los cuidados que un instalador debe tener con un horno de microondas, ya que la fuga de la radiación puede ser peligrosa y la presencia de alta tensión también.
El primer punto que debe ser verificado es el de la conexión a tierra que permite la desviación a tierra de altas tensiones y también las corrientes de RF que eventualmente estén presentes en su estructura metálica.
El segundo punto importante se refiere a la tensión disponible en la red, así como el tipo de instalación que va a alimentaria. El horno es un dispositivo de consumo de corriente elevada, lo que exige que la instalación tenga cables propios, y que no sea sobrecargada por la conexión de otros elementos electrodomésticos de alto consumo.
Como tercer punto importante, tenemos la ubicación del homo, que debe estar ubicado en un lugar libre de humedad o de calor excesivo. Cuando la temperatura estuviera por encima de los 40ºC, el horno no debe ser utilizado, so pena de acortar la vida útil de sus componentes.
La cuarta recomendación se refiere a la instalación lejos de aparatos que puedan sufrir interferencias, como por ejemplo, radios y televisores.
Finalmente, su colocación y fijación deben ser hechas de manera firme, y no se debe colocar sobre él ningún objeto que pueda obstruir sus puntos de ventilación.
Reparación
El análisis de defectos de un homo de microondas es relativamente simple en vista de los pocos elementos que son utilizados en su circuito.
NATIONAL da las siguientes recomendaciones a los técnicos:
1. No operar ni permitir que el horno sea conectado con la puerta abierta.
2. Verificar que sean respetados los siguientes procedimientos de seguridad en todos los hornos en reparación antes de activar el magnetrón:
Cerramiento correcto de la pueda;
Operación de las llaves de seguridad;
Danos o pérdidas de flexibles o trabas, y - Evidencias de caídas.
3. Antes de conectar el horno para cualquier tipo de reparación, pruebe o inspeccione dentro de los compartimientos generadores de microondas, verifique el magnetrón, el guia de onda o línea de transmisión, el alineamiento correcto de la cavidad y las conexiones.
4. Cualquier componente defectuoso o desajustada del sistema de seguridad, traba de la puerta y en los sistemas de transmisión y generación de microondas, deberá ser reparado, sustituido o ajustado de acuerdo con el manual de servicio del aparato.
Los demás cuidados son los que todo técnico debe tener en mente cuando trabaja con circuitos de RF y fuentes de alta tensión. Un cuidado importante se retiere a la necesidad de quitarse los relojes durante los trabajos, pues el fuerte campo magnético de los imanes del magnetron puede dañarlos.
Publicado en 1987 (revisado 2017)
