Il magnetron del forno a microonde sarà presto obsoleto?

Provate a chiedere a un ingegnere elettrotecnico (che non sia un collezionista di antiquariato) se ha in casa un tubo a vuoto. Potrebbe rispondervi "Certo che ne ho uno" oppure "Non più, da quando mi sono sbarazzato del televisore a tubo catodico." Sapete che, se avete in casa un forno a microonde, anche voi avete almeno un tubo a vuoto, il magnetron?

Cos'è un magnetron? È il primo famoso tubo a vuoto, insieme al primo tubo a vuoto amplificante, il triodo inventato da Lee De Forest nel 1906. I principi di fisica ed elettromagnetismo che stanno alla base del magnetron sono complessi: si sfrutta un forte campo magnetico esterno che influenza il flusso di elettroni in una cavità circolare risonante per sviluppare centinaia di watt a frequenze nella gamma dei gigahertz (Figura 1). Vedere Riferimenti per informazioni sul magnetron da diverse prospettive.

Sviluppato in Inghilterra durante la Seconda Guerra Mondiale, era considerato un importante segreto militare perché fondamentale per il funzionamento del radar e abbastanza compatto da stare su un aereo, nonostante la frequenza di 500 MHz (per quei tempi eccezionale) che garantiva una buona risoluzione.

Figura 1: Il magnetron è uno speciale tubo a vuoto che sfrutta l'interazione tra campi elettrici e magnetici in una cavità conduttiva, per generare microonde a livelli di potenza relativamente elevati. (Immagine per gentile concessione di Hyperphysics/Georgia State University)

Con lo sviluppo degli amplificatori di potenza a stato solido, che possono raggiungere potenze a livello dei gigahertz, la necessità di utilizzare il magnetron è andata scemando e questo strumento è ora per lo più relegato ai musei di storia dell'elettronica, fatta eccezione per i modelli a più kW (dove comunque i dispositivi allo stato solido la fanno sempre da padrone).

C'è tuttavia ancora un'applicazione dove il magnetron continua a prosperare: è il forno a microonde, oltre ad altri forni presenti in commercio e usati per cuocere ed essiccare. Come mai?

In poche parole: come sorgente RF, ad alto volume e basso costo, di diverse centinaia di watt a 2,45 GHz (Figura 2), risulta economicamente vantaggioso per ottenere risultati soddisfacenti per il mercato di massa. Che la fonte di energia a microonde super segreta della Seconda Guerra Mondiale sia oggi un componente chiave di un forno per il mercato di massa (del costo inferiore a 100 dollari per un modello base, e dai 500 ai 1000 dollari per un modello più grande e potente) non è solo un fatto ironico, ma anche una dimostrazione del potere della produzione ad alto volume.

Figura 2: Questo magnetron più guida d'onda associata di Panasonic è un unico gruppo integrato che genera e disperde 2,45 GHz di energia nei forni a microonde per il mercato consumer. (Immagine per gentile concessione di Encompass Supply Chain Solutions, Inc.)

L'ora del magnetron in questo ruolo però potrebbe essere scoccata.

I produttori degli amplificatori di potenza a stato solido guardano infatti al mercato dei forni a microonde come a un'occasione di potenziale crescita, e non solo perché i loro dispositivi possono sostituire la funzione del magnetron. In realtà il forno a microonde basato sul magnetron ha importanti punti deboli, che sono evidenti se fate qualche ricerca.

Ad esempio, è difficile modularne l'ampiezza in uscita. Se impostate il forno su un livello di potenza medio, il magnetron usa la modulazione della larghezza di impulso (PWM) per fornire il livello come potenza media, ma il ciclo di lavoro è piuttosto lungo (alcune decine di secondi) e pertanto non funziona in caso di tempi di riscaldamento brevi. Vi sono inoltre problemi a direzionare adeguatamente l'uscita RF per riempire in modo completo e omogeneo la cavità del forno. È il motivo per cui, durante il ciclo di riscaldamento, bisogna arrestare il forno e mescolare il cibo, cosa che la maggior parte della gente non fa. Anche con il piatto girevole, integrato in molti forni a microonde, rimangono alcune aree calde e altre fredde.

La soluzione è un amplificatore di potenza a stato solido?

Se pensate che questa sia solo una valutazione qualitativa delle prestazioni mediocri di un'unità basata su magnetron, date un'occhiata alle valutazioni dettagliate nel "whitepaper sulla cottura con RF a stato solido" di Ampleon, uno dei maggiori sostenitori dell'uso degli amplificatori di potenza a stato solido nei forni a microonde. Sebbene come produttori possano essere di parte, i dettagli tecnici e le immagini dei test inseriti nel report sono chiari e non lasciano spazi a dubbi.

Ampleon offre amplificatori di potenza a stato solido adatti per forni standard, ad esempio BLC2425M10LS500PZ (Figura 3). Questo transistor di potenza LDMOS a 500 W ha un ingombro di circa 16 × 32 × 2 mm ed è progettato per funzionare a onda continua (CW) dai 2,4 ai 2,5 GHz, a cavallo della frequenza critica di 2,45 GHz utilizzata nei forni a microonde per il mercato consumer.

Figura 3: L'amplificatore compatto di potenza a stato solido BLC2425M10LS500PZ è in grado di fornire 500 W continui nell'intervallo di potenza di 2,4 ~ 2,5 GHz di un forno a microonde. (Immagine per gentile concessione di Ampleon)

Perché 2,45 GHz? Per capire perché, leggete il blog di Eric Bogatin "Perché i forni a microonde funzionano a 2,45 GHz?" (in inglese) Attenzione: il motivo non è, come si ritiene spesso in modo errato, la frequenza di risonanza delle molecole dell'acqua. Molti forni attualmente in commercio funzionano a frequenze inferiori (e quindi lunghezze d'onda superiori), ad esempio 900 MHz, per riempire in modo più efficiente volumi di lavoro interni maggiori.

La figura 4 mostra in modo più chiaro la potenza in uscita rispetto alla frequenza per l'amplificatore di potenza a stato solido BLC2425M10LS500PZ.

Figura 4: Guadagno di potenza ed efficienza di drain in funzione della potenza in uscita; valori tipici del transistor LDMOS BLC2425M10LS500P (Immagine per gentile concessione di Ampleon)

Ampleon non è l'unico produttore di SSPA RF a vedere il potenziale di questo mercato. MACOM Technology Solutions, ad esempio, sottolinea quest'opportunità nella nota "GaN sta trasformando l'energia RF e le applicazioni per la cottura". L'affermazione "è stato dimostrato che una bistecca può cuocere sullo stesso piatto su cui è appoggiato un gelato, senza che quest'ultimo si sciolga, dimostrando così la precisione in cui può essere diretta l'energia RF" ha decisamente catturato la mia attenzione – e la capacità di controllare in modo preciso il livello e la distribuzione dell'energia è sicuramente un vantaggio importante. Questa nota include un'utile tabella che mostra le caratteristiche dei forni basati su magnetron rispetto a quelli basati su amplificatore di potenza (Tabella 1).

Tabella 1: Caratteristiche principali degli amplificatori di potenza a stato solido rispetto ai magnetron a 2,45 GHz. (Immagine per gentile concessione di MACOM Technology Solutions)

I vantaggi dal punto di vista tecnico sono piuttosto evidenti per quanto riguarda l'intera linea in c.a. fino a efficienza finale, efficienza RF, controllo del livello di uscita e anche tensione c.c. necessaria (28 V rispetto a 4 kV). C'è inoltre un problema di affidabilità a lungo termine: i magnetron (essendo tubi a vuoto) si deteriorano con l'andare del tempo fino a esaurirsi del tutto. Alcuni forni a elevato utilizzo presenti in commercio prevedono una sostituzione regolare del magnetron a intervalli di alcune settimane, come procedura di manutenzione standard. Naturalmente in un sistema basato su SSPA non bisogna considerare solo l'amplificatore di potenza, ma anche l'impatto sui costi e altri fattori di progettazione (Figura 5).

Figura 5: Un sistema di cottura RF basato su SSPA richiede, oltre all'amplificatore di potenza, anche un'adeguata circuiteria di supporto. (Immagine per gentile concessione di MACOM Technology Solutions)

Conclusione

I forni a microonde basati su SSPA sostituiranno quindi a breve in tutte le case quelli basati su magnetron? Il maggior costo dell'SSPA al momento è sicuramente un ostacolo, soprattutto perché la gente sembra soddisfatta, se non addirittura entusiasta, dei forni da 100 a 500 dollari. Anche se il forno perde la sua efficacia dopo alcuni anni, è considerato un articolo usa e getta dalla maggior parte dei consumatori e va bene per chi desidera solo scaldare gli avanzi del giorno prima o cuocere i popcorn.

È probabile che l'adozione degli SSPA avverrà all'inizio per lo più in ambienti industriali, dove la maggiore efficienza, i costi di esercizio inferiori e la durata superiore sono considerati più importanti del costo iniziale. Forse il loro destino sarà analogo a quanto è avvenuto nel settore automotive, dove i vantaggi tecnici sono stati prima sfruttati nei modelli di fascia alta per poi arrivare anche a quelli di fascia media e bassa. Ad esempio, l'alimentazione a iniezione e i carburatori erano inizialmente appannaggio delle auto di lusso, mentre oggi sono presenti su tutte le automobili.

Forse i forni a microonde di fascia alta avranno un'etichetta sul pannello frontale a indicare che sono dotati di un amplificatore di potenza a stato solido, analogamente alle prime radio a stato solido che indicavano "all transistor" o ai lettori CD di ultima generazione che affermavano di essere dotati di "DAC a 1 bit" (anche se il consumatore medio probabilmente non aveva idea di cosa significasse).

Riferimenti sul magnetron (in inglese)

• Wikipedia "Cavity Magnetron" (con link a molti riferimenti storici)
• Explain That Stuff "How Magnetrons Work"
• Georgia State University, Hyperphysics "The Magnetron"
• Georgia State University, 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 and Microwave Society "Summary of Magnetron Development"