EL HORNO DE MICROONDAS

Por Newton C. Braga

Basados en la excelente documentación técnica que la Nationalproporciona a toda su red de asistencia técnica, preparamos uninteresante artículo en el que se analiza el principio defuncionamiento del horno de microondas, con consejos paratécnicos e instaladores o, simplemente, para los lectores quepretendan adquirir uno para su propio hogar.

El hecho de que las ondas de radio transportan energía ya es delconocimiento de todos los uqe tienen contactos con transmisoresde radio de cierta potencia. Y todos saben muy bien que un toqueaccidental en un circuito que trabaje con RF de gran intensidadpuede no causar un choque, pero sí quemaduras, incluso graves.El calentamiento provocado por las ondas de radio también fueobservado por los operadores de grandes estaciones de radarcomo, por ejemplo, los americanos en Groenlandia, que secalientan ante las potentes antenas que irradian millones de wattde microondas en la dirección de donde podría venir un eventualataque ruso.Estudios hechos con seres vivos revelan que las ondas dedeterminadas longitudes pueden penetrar profundamente en lostejidos vivos y provocar un calentamiento. Este calentamiento espeligroso, pues puede destruir estos tejidos vivos, motivo por elcual la exposición de personas o animales a radiaciones de granintensidad es muy peligrosa. Por ota parte, si se trata de tejidosmuertos, el efecto de calentamiento provocado por las ondas deradio de longitud muy pequeña pueden hasta tener utilidad en elcampo doméstico.Aplicando una buena potencia de radiación de alta frecuencia enlos alimentos, podemos cocinarlos con mucha facilidad yeficiencia.Lo interesante de todo esto es que sólo podemos tener este tipo deaparato doméstico hoy, porque durante varios años los esfuerzosde guerra orientaron la investigación y el desarrollo hacia undispositivo de uso exclusivamente militar capaz de producirmicroondas en gran cantidad. Este dispositivo, que analizaremosmás adelante, es la válvula Magnetrón, el corazón de los sistemasde radar.

Calentamiento por microondasEn un cuerpo cualquiera en estado neutro, normalmente laelectricidad no se manifiesta porque sus moléculas, que sonpolarizadas, tienen una distribución que, en el todo, neutraliza lascrgas (figura 1).

Mientras tanto, tales moléculas polarizadas pueden fácilmente serorientadas por la acción de campos eléctricos externos.En la figura 2 mostramos lo que ocurre con las moléculas de uncuerpo cuando son sometidas a la acción de un fuerte campoeléctrico.Si invertimos la polaridad del campo eléctrico, la tendencia de lasmoléculas es modificar su posición de modo de orientarseconforme a la nueva acción del campo (figura 3).¿Qué ocurriría si el campo estuviera cambiando constantemente depolaridad, como en el caso de la aplicación de una señal deradiofrecuencia (RF), por ejemplo?La respuesta es que las moléculas cambiarían de posiciónrápidamente, intentando acompañar las modificaciones del campoy, en consecuencia, habría producción de calor. El material secalentaría en función de la energía gastada en el proceso por lapropia vibración de sus moléculas (figura 4).Note que si este material fuera un alimento, su cocción ocurriríade una manera bien diferente a la convencional. En el cocimientocomún, el alimento es calentado a partir de una fuente externa decalor. Este calor debe penetrar en el alimento sólido o propagarsepor convección, si es líquido. De resultas, el calentamiento noocurre de modo uniforme.Si tenemos un alimento sólido, la tendencia es que las partesexternas se calientan antes que las internas. En el caso de una piezagrande de carne, por ejemplo, puede ocurrir que la parte externaesté perfectamente cocida (o quemada) mientras que la internatodavía no haya recibido suficiente calor (figura 5).En el cocimiento por radiofrecuencia, por la acción de un campoeléctrico fuerte, las moléculas del alimento vibran todas con lamisma intensidad y al mismo tiempo, esto genera calor uniforme.Significa que la temperatura sube hasta el valor necesario para elcocimiento en toda la extensión del cuerpo, al mismo tiempo(figura 6).Para que ocurra el proceso indicado, no se puede usar cualquiertipo de señal de RF. Para penetrar en los alimentos y producircalor, la frecuencia debe ser elevada en la faja de las microondas ya una potencia considerable.Los hornos de Ntional utilizan una frecuencia que corresponde auna longitud de onda de 12,24 cm. La potencia máxima de la señalgenerada es del orden de los 700 watt. Para producir una señal enesta frecuencia, que corresponde a la gama de las microondas, conla potencia indicada, se necesitan dispositivos especiales. El horno,específicamente, debe estar dotado de todos los sistemas deseguridad para evitar que el usuario reciba directamente estaradiación.Veamos, entonces, cómo funciona el circuito del hornopropiamente dicho.

El magnetrónEn los circuitos de transmisores comunes, que generan señales deradiofrecuencias en gamas más bajas, empleamos normalmenteválvulas y transistores.Mientras tanto, para generar frecuencias del orden exigido para lacocción de alimentos en un horno de microondas, las válvulas ytransistores comunes no funcionan.Lo que ocurre es que la frecuencia es tan elevada que no haytiempo en un ciclo, para que el haz de electrones o los portadoresde carga atraviesen el dispositivo que los controla (figura 7).Existen, por lo tanto, límites para la operación de válvulas comunesy transistores en lo que se refiere a la frecuencia máxima quegeneran.Para producir señales de potencia elevada en la gama demicroondas se utiliza la válvula magnetrón, de cavidad resonante.Esta válvula fue desarrollada originalmente a partir de la válvulaKlystron, en la Universidad de Birmingham (Inglaterra), por elprofesor M? L. Oliphant, en el otoño de 1939. La idea básica esutilizar la válvula para producir señales de potencias elevadas en lagama de microondas para los sistemas de radar que todavía noestaban suficientemente desarrollados.En la figura 8 tenemos el diseño en corte de un magnetrón, comoel que se usa en un horno de microondas.Entonces, tenemos un ánodo, que es una pieza de hierro hueca condiversas cavidades, cuyas dimensiones son función e la longituddeonda de la señal que debe ser generada. Estas cavidades poseenaletas en número par que apuntan hacia un filamento. Laantenaestá conectada a las aletas del ánodo.Cuando ocurre la conducción por la cavidad, tienecomportamiento de inductor, en cuanto que su abertura esequivalente a una capacitancia, así se establece un circuitoresonante en la frecuencia generada.Para operar el magnetrón es preciso conectar una fuente de altatensión, de aproximadamente 4.000 volt. El polo positivo va alánodo y el negativo al cátodo. La alta tensión es producida por untransforamdor convencional y por un sistema duplicador de latensión.El funcionamiento de la válvula como osciladora puede seranalizado de la siguiente manera.Si ninguna fuerza adicional actuase sobre el haz de electrones en elinterior de la válvula, habría un flujo simple del cátodo hacia elánodo, como muestra la figura 9. Sin embargo, existen potentesimanes que actúan sobre el haz de electrones, que tiende entoncesa describir una espiral, como muestra la figura 10.El movimiento de los electrones es responsable de la inducción deuna corriente alternada en las cavidades, como muestra la figura

1 1 .Cuando un electrón se aproxima al segmento entre dos cavidades,son inducidas cargas eléctricas en el segmento, como muestra lafigura 12.Los movimientos de los electrones y la inducción de las cargaspueden ser analizadas como si existiesen circuitos resonantes enlos segmentos, como muestra la figura 13.En la práctica, la inducción de las cargas no ocurre por electronesaislados. Los electrones hacen una espiral, tomando la forma deuna rueda con rayos, conforme muestra la figura 14, con esoinduce cargas mucho mayores y genera potencias elevadas. Loscircuitos resonantes son, entonces, constantemente excitados y semantienen en oscilación en la frecuencia que les corresponde. Laenergía generada en el proceso puede ser retirada a través delterminal de la antena.

Circuito prácticoEn la figura 15 tenemos un circuito típico de horno de microondas,donde el magnetrón es alimentado por un duplicador de mediaonda .Los choques de RF en los filamentos del magnetrón, así como loscapacitores, son utilizados para eliminar las interferencias, quepueden causar problemas en aparatos de radio y televisión.El transformador tiene una tensión de secudnario del orden de los2.000 volt y potencia del orden de los 1.000 watt, lo que daaproximadamente 500mA de corriente.El resistor de drenaje en paralelo con el capacitor tiene unafunción importante: cuando el horno es desconectado, estecapacitor puede mantener una carga de alta tensión. Con elresistor, esta carga es drenada, proceso que demoraaproximadamente 30 segundos en completarse. El técnico, sinembargo, nunca debe confiar totalmente en este resistor ydescargará siempre el capacitor antes de trabajar en el circuito. Lafigura 16 muestra cómo se instala el magnetrón dentro del horno.Las señales son conducidas por una guía de ondas hasta la cavidaddel horno donde existen palas agitadoras cuya finalidad es esparcirlas ondas de modo uniforme, a fin de que alcancen todo elal imento.El horno debe ser hecho de material que refleje totalmente estasradiaciones, para evitar que las personas del lado de afuera delmismo lleguen a ser alcanzadas.Note el lector, entretanto, que deben obligatoriamente existir en elinterior del horno, cosas que absorban la energía irradiada; si estono ocurre, esta energía puede volver al magnetrón y causarledaños. No se debe, pues, operar con el horno vacío ni con objetosque reflejen totalmente las microondas (metales, por ejemplo) ensu interior.

Comportamiento de las microondasLas 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 als microondas, como el papel, elvidrio, la loza, los plásticos, etc., son los que no afectan supropagación.Si colocamos alimentos en recipientes de estos materiales, lasondas, atravesándolos, llegarán directamente a los alimentos yproducirán el efecto deseado (figura 17).Los cuerpos traslúcidos son aquellos en los que la radiaciónpenetra, se difunde en su interior y es absorbida. Un ejemplo decuerpo traslúcido es el vidrio lechoso. Para las microondas son losalimentos que se cocinan.Finalmente, tenemos los cuerpos opacos que reflejan esa radiación,sin dejarla penetrar, como en el caso de los metales.Para el caso de los alimentos es preciso además tener en cuenta elgradode profundidad de penetración de las microondas.Lo que ocurre es que , a medida que las microondas penetran en elalimento, su energía es absorbida, por lo tanto, hay una reducciónde su intensidad.Este gradode penetración depende tanto de la naturaleza delmaterial, que absorbe las microondas, como de su frecuencia.El valor numérico de este grado de penetración es expresado parael punto en que la intensidad de las microondas decae al 37% delvalor inicial.Para los hornos de 2.450MHz, el grado de penetración en la carnees de aproximadamente 2 a 3 cm y para otras comidas, de 5 a 7c m .Esto significa que los trozos grandes de alimentos congelados oaves precisan, por lo menos, de 15 minutos de cocción paraquedar a punto.

El horno NE-7760B de la NationalEn la figura 18 tenemos el circuito de un horno de microondascomo el del ejemplo.Su funcionamiento es el siguiente. Cuando el alimento se coloca enel interior del horno y se cierra la puerta, los contactos de la llavede seguridad se abren. En caso de que la puerta se abra mientras elhorno está funcionando, esta llave abriendo el fusible deprotección, cortocircuita la línea de alimentación.Al ser presionada esta llave, se dispara el relé y alimenta todo elcicuito.La lámpara del horno se enciende juntamente con elfuncionamiento del motor del ventilador. La finalidad de este

ventilador es refrigerar el magnetrón por la circulación de airefresco.Al ser cerrado el circuito, el transformador de alta tensión tambiénrecibe alimentación, produce, entonces, una tensión del orden delos 2.000 volt, que es aplicada al magnetrón. El secundario de 3,3volt tine por finalidad calentar el filamento de esta válvula.Al final del proceso de cocción, comandado por el timer, elsistema se desconecta automáticamente.Como los tiempos de cocción varían, no sólo en función del tipo dealimento, sino también de la potencia aplicada, los hornos puedentambién ser dotados de controles de potencia. El sistema mássimple de control de potencia es el que altera la tensión delmagnetrón. En la figura 19 tenemos un circuito de ejemplo.Capacitores en el sistema de control del duplicador de tensiónpermiten alterar la tensión en la válvula.La principal ventaja de este circuito es su simplicidad, que norequiere circuitos complejos de control.

InstalaciónDiversos son los cuidados que un instalador debe tener con unhorno de microondas, ya que la fuga de la radiación puede serpeligrosa y la presencia de alta tensión también.El primer punto que debe ser verificado es el de la conexión atierra que permite la desviación a tierra de altas tensiones ytambién las corrientes de RF que eventualmente estén presentes ensu estructura metálica.El segundo punto importante se refiere a la tensión disponible en lared, así como el tipode instalación que va a alimentarla. El hornoes un dispositivo de consumo de corriente elevada, lo que exigeque la instalación tenga cables propios y que no sea sobrecargadapor la conexión de otros elementos electrodomésticos de altoconsumo.Como tercer punto importante, tenemos la ubicación del horno,que debe estar ubicado en un lugar libre de humedad o de calorexcesivo. Cuando la temperatura esté por encima de los 40°C, elhorno no debe utilizarse, so pena de acortar la vida útil de suscomponentes .La cuarta recomendación se refiere a la instalación lejos deaparatos que puedan sufrir interferencias, como por ejemplo,radios y televisores.Finalmente, su colocación y fijación deben ser hechas de manerafirme y no se le debe colocar encima objeto alguno que puedaobstruir sus puntos de ventilación.

ReparaciónEl análisis de defectos de un horno de microondas es relativamentesimple en vista de los pocos elementos que se utilizan en su

circuito.National da las siguientes recomendaciones a los técnicos:1. No operar ni permitir que el horno sea conectado con la puertaabier ta .2. Verificar que sean respetados los siguientes procedimientos deseguridad en todos los hornos en reparación antes de activar elmagnetrón: -puerta correctamente cerrada, -llaves de seguridadactivadas, - que no haya daños o pérdidas de flexibles o trabas, -nievidencias de caídas o golpes.3. Antes de conectar el horno para cualquier tipo de reparación,pruebe o inspeccione dentro de los compartimientos generadoresde microondas, verifique el magnetrón, la guía de onda o línea detransmisión, el alineamiento correcto de la cavidad y lasconexiones.4. Cualquier componente defectuoso o desajustado en el sistemade seguridad, en la traba de la puerta o/y en los sistemas detransmisión y generación de microondas, deberá ser reparado,sustituido o ajustado de acuerdo con el manual de servicio delapara to .Los demás cuidados son los que todo técnico debe tener en mentecuando trabaja con circuito de RF y fuentes de alta tensión. Uncuidado importante se refiere a la necesidad de quitarse los relojesdurante los trabajos, pues el fuerte campo magnético de losimanes del magnetrón puede dañarlos.