Le magnétron des fours à micro-ondes va-t-il bientôt devenir obsolète ?

Demandez à n'importe quel ingénieur électricien (sauf s'il s'agit d'un collectionneur d'objets anciens) s'il a des tubes à vide chez lui : il vous répondra très certainement « c'est une blague, pas vrai ? » ou « pas depuis que je me suis débarrassé de ma télévision à tube cathodique ». Réfléchissez-y à deux fois : si vous avez un four à micro-ondes, vous avez bien un tube à vide. Il s'agit du magnétron.

Qu'est-ce qu'un magnétron ? Il s'agit du tout premier tube à vide connu, avec le premier tube à vide amplificateur, la triode inventée par Lee De Forest en 1906. Les propriétés physiques et électromagnétiques du magnétron sont compliquées. Il utilise un champ magnétique externe puissant qui influence le flux d'électrons dans une cavité circulaire résonante afin de développer des dizaines et des centaines de watts à des fréquences en gigahertz (GHz) (Figure 1). Consultez les Références pour avoir différentes perspectives concernant le magnétron.

Mis au point en Angleterre pendant la Seconde Guerre mondiale, le magnétron était un secret bien gardé. C'était en effet le composant clé des radars : assez compact pour être utilisé sur les avions et capable de fonctionner à une fréquence assez élevée de 500 mégahertz (MHz), ce qui était à l'époque une fréquence très élevée, pour fournir une résolution significative.

Figure 1 : Le magnétron est un tube à vide spécialisé qui utilise l'interaction d'un champ électrique et d'un champ magnétique dans une cavité conductrice pour générer des micro-ondes à des niveaux de puissance relativement élevés. (Source de l'image : Hyperphysics/Université d'État de Géorgie)

La nécessité d'utiliser un magnétron a décliné avec le développement des amplificateurs de puissance à semi-conducteurs (SSPA) capables d'atteindre des fréquences en GHz plus élevées. Le magnétron a ainsi été relégué au musée de l'électronique, sauf pour les sorties de puissance de plusieurs kilowatts (kW). Mais même dans ces cas-là, les dispositifs à semi-conducteurs dominent.

Cela dit, le magnétron est toujours présent et continue à se développer dans une application : il est l'élément central des fours à micro-ondes grand public et de nombreux fours utilisés dans le commerce pour la cuisson et le séchage. Comment est-ce possible ?

En bref, le magnétron est très rentable. Il offre des performances suffisantes en tant que source RF économique de plusieurs centaines de watts à 2,45 GHz, produite à haut volume pour le grand public (Figure 2). Conséquence à la fois ironique et révélatrice de la toute-puissance de la fabrication de masse, la source d'énergie hyperfréquence ultraconfidentielle de la Seconde Guerre mondiale est désormais un composant grand public utilisé au cœur des fours vendus à moins de 100 USD pour les modèles de base et entre 500 et 1000 USD pour les modèles plus grands et plus puissants.

Figure 2 : Ce magnétron de Panasonic et son guide d'ondes associé forment un seul et unique assemblage intégré qui génère et disperse une énergie de 2,45 GHz dans les fours à micro-ondes grand public. (Source de l'image : Encompass Supply Chain Solutions, Inc.)

Mais même dans ce rôle, les jours du magnétron sont peut-être comptés.

Les fabricants d'amplificateurs de puissance à semi-conducteurs (SSPA) voient ces dispositifs comme un marché à forte croissance potentielle, et pas seulement parce qu'ils peuvent remplacer la fonction des magnétrons. En réalité, les fours à micro-ondes basés sur un magnétron présentent quelques points faibles non négligeables, qui deviennent évidents lorsque l'on étudie de plus près ces appareils.

Par exemple, il est difficile de moduler l'amplitude de sortie. Lorsque l'on règle le four à un niveau de puissance intermédiaire, le magnétron a une modulation de largeur d'impulsion (PWM) afin de fournir ce niveau de puissance en tant que puissance moyenne. Mais le rapport cyclique PWM est assez long (de l'ordre de plusieurs dixièmes de seconde), ce qui entraîne une inefficacité pour les temps de chauffe plus courts. Il existe également des problèmes quant à la redirection de la sortie RF de manière à ce qu'elle remplisse la cavité du four en intégralité et de manière homogène. C'est la raison pour laquelle il faut mélanger les aliments au beau milieu du cycle de chauffe, ce que la plupart des gens ne font pas. Même avec le plateau tournant intégré à de nombreux fours à micro-ondes, il y a toujours des parties chaudes et des parties froides.

Qu'en est-il des amplificateurs de puissance à semi-conducteurs ?

Si vous pensez qu'il ne s'agit que d'une évaluation qualitative des performances médiocres des unités basées sur un magnétron, jetez un œil aux évaluations détaillées qui figurent dans le livre blanc sur la cuisson à l'aide de dispositifs à semi-conducteurs RF d'Ampleon, qui constitue une référence majeure pour l'utilisation d'amplificateurs SSPA dans les fours à micro-ondes. Même si le rapport manque d'objectivité en raison du statut de fournisseur de l'auteur, les détails techniques et les images de tests qui y figurent sont impressionnants et sans équivoque.

Ampleon propose des amplificateurs SSPA qui conviennent parfaitement aux fours standard, comme le BLC2425M10LS500PZ (Figure 3). Ce transistor de puissance LDMOS de 500 W mesure environ 16 mm × 32 mm × 2 mm et est conçu pour un fonctionnement à onde continue (CW) de 2,4 GHz à 2,5 GHz, ce qui englobe la fréquence critique de 2,45 GHz utilisée dans les fours grand public.

Figure 3 : L'amplificateur SSPA BLC2425M10LS500PZ compact peut fournir jusqu'à 500 W en continu dans la plage de 2,4 GHz à 2,5 GHz des fours à micro-ondes. (Source de l'image : Ampleon)

Pourquoi 2,45 GHz ? Pour comprendre, lisez l'article de blog d'Eric Bogatin expliquant pourquoi les fours à micro-ondes fonctionnent à 2,45 GHz. Et non, ce n'est pas parce qu'il s'agit de la fréquence de résonance des molécules d'eau. Il ne s'agit là que d'une idée fausse très répandue. Notez que de nombreux fours à usage commercial fonctionnent à des fréquences plus basses (et donc à des longueurs d'onde supérieures) comme 900 MHz afin de remplir plus efficacement leur volume interne plus important.

La Figure 4 montre plus clairement le rapport entre la puissance de sortie et la fréquence pour l'amplificateur SSPA BLC2425M10LS500PZ.

Figure 4 : Gain de puissance et rendement de drain par rapport à la puissance de sortie ; valeurs typiques pour le transistor de puissance LDMOS BLC2425M10LS500PZ. (Source de l'image : Ampleon)

Ampleon n'est pas leur fournisseur d'amplificateurs SSPA RF à percevoir le potentiel de ce marché. MACOM Technology Solutions, par exemple, aborde ce potentiel dans sa note sur la manière dont le GaN transforme les applications de cuisson et d'énergie RF. Une déclaration a retenu mon attention : « Il a été prouvé qu'il était possible de faire cuire un steak sur le même plateau qu'une glace, sans que celle-ci ne fonde, ce qui montre la précision de l'énergie RF redirigée ». La possibilité de contrôler avec précision le niveau d'énergie et sa distribution est un avantage intéressant. La note inclut un tableau utile présentant les caractéristiques des fours basés sur un magnétron et celles des fours basés sur un amplificateur de puissance (Tableau 1).

Tableau 1 : Caractéristiques clés des fours à amplificateur de puissance à semi-conducteurs et des fours à magnétron à 2,45 GHz. (Source de l'image : MACOM Technology Solutions)

Les avantages techniques sont assez évidents en ce qui concerne le rendement global de la ligne CA à la sortie, le rendement RF, le contrôle du niveau de sortie et même la tension CC requise (28 V contre 4 kV). Il existe également un problème de fiabilité à long terme, car les magnétrons (qui sont en fait des tubes à vide) se dégradent au fil du temps et finissent par griller. Certains fours à usage commercial intensif nécessitent d'ailleurs un remplacement de leur magnétron à intervalle régulier de quelques semaines, dans le cadre de leur maintenance standard. Évidemment, un système basé sur un amplificateur SSPA inclut bien d'autres composants, ce qui a des conséquences sur le coût et sur d'autres facteurs de conception (Figure 5).

Figure 5 : Un système de cuisson à énergie RF basé sur un amplificateur SSPA nécessite un nombre considérable de circuits en plus de l'amplificateur de puissance. (Source de l'image : MACOM Technology Solutions)

Conclusion

Le four à micro-ondes basé sur un amplificateur SSPA remplacera-t-il bientôt votre bon vieux four à magnétron ? Le coût plus élevé des amplificateurs SSPA (pour l'instant) est sans aucun doute problématique, d'autant plus que les consommateurs semblent satisfaits, voire ravis, des fours qui coûtent entre 100 et 500 USD. L'unité peut bel et bien griller au bout de quelques années, mais un four à micro-ondes est désormais considéré comme un appareil jetable dans la plupart des foyers. En outre, il est suffisamment performant pour ceux qui veulent tout simplement réchauffer des restes ou faire du pop-corn.

Les amplificateurs SSPA seront probablement adoptés en premier lieu dans les configurations commerciales, où leur rendement beaucoup plus élevé, leurs coûts de fonctionnement réduits et leur durée de vie supérieure l'emporteront sur les coûts initiaux plus élevés. Leur feuille de route à long terme ressemblera peut-être à celle des voitures : les avancées techniques ont d'abord fait leur apparition sur les modèles haut de gamme, avant de migrer progressivement vers les modèles milieu de gamme et plus bas de gamme. Après tout, les fonctionnalités comme l'injection de carburant (au lieu des carburateurs) étaient autrefois réservées aux voitures de luxe, mais sont aujourd'hui de série sur toutes les voitures.

Peut-être que les fours à micro-ondes haut de gamme porteront une étiquette à l'avant qui indiquera « Avec amplificateur de puissance à semi-conducteurs », comme les premières radios à semi-conducteurs étiquetées « entièrement transistorisée » ou les lecteurs CD qui sont arrivés plus tard et qui se vantaient auprès des acheteurs (et de leurs amis) d'être conçus « avec un CNA 1 bit », sans même que les consommateurs ne sachent de quoi il s'agissait !

Références concernant les magnétrons

• Wikipedia, « Cavity Magnetron » (liens vers de nombreuses références historiques)
• Explain That Stuff, « How Magnetrons Work »
• Université d'État de Géorgie, Hyperphysics, « The Magnetron »
• Université d'État de Géorgie, Hyperphysics, « Microwave Ovens »
• Microwaves101, « Magnetrons »
• Engineering and Technology History Wiki, « Cavity Magnetron »
• The Valve Museum, « CV64 »
• Lamps & Tubes, « CV64 Early British S-band Cavity Magnetron »
• Radar Tutorial EU, « Magnetron »
• Ampleon N.V., « RF Solid State Cooking »
• ARMMS RF & Microwave Society, « Summary of Magnetron Development »