O perfeito conhecimento do funcionamento do magnetron facilita, em muito, a tarefa dos técnicos que trabalham na manutenção de fornos de micro-ondas, não esquecendo que é a peça mais cara do forno, além disso, ela é importada, sendo difícil de ser encontrada no mercado local, daí a importância em tentar recuperá-la.
Nota: Artigo publicado na revista Eletrônica Total 140 de 2009.
O magnetron é uma válvula termiônica, em função disso, o seu funcionamento não é muito familiar para a maioria dos técnicos, principalmente para os novatos, daí a importância deste artigo.
Na sequência é dado todo o funcionamento, assim como os procedimentos de testes, tanto estático com o dinâmico, visando determinar o seu estado de funcionamento. Pelo fato do magnetron ser uma válvula, na descrição vista a seguir, vamos referir- nos sempre a "ela".
Formação da magnetron
A magnetron apresenta uma for- mação bastante simples, sendo com- posta basicamente por seis partes; um filamento, uma placa, um conjunto de cavidades, dois ímãs, uma antena ou casquete, e por diversas aletas, como se vê na figura 1. A função das aletas é auxiliar na remoção do calor, gerado pela magnetron, transferindo-o dela para o meio ambiente. A magnetron é formada na realidade somente pelo filamento e pela placa, as demais partes são consideradas acessórios auxiliares. O filamento tem dupla função; ao mesmo tempo que aquece, também funciona como catodo, isto é, emite elétrons, que são atraídos pela tensão positiva da placa, veja a figura 2.
Para poder exercer essa dupla função; o filamento recebe um banho de um material que contém elétrons livres, aumentando a sua capacidade de emitir elétrons. A magnetron apesar de ser um simples diodo, também exerce as funções de oscilador e de amplificador:
• Como oscilador: tem dentro dela um conjunto de cavidades ressonantes, onde cada uma delas equivale a um circuito ressonante, gerando um sinal de alta frequência, conforme mostra a figura 3.
• Como amplificador: em volta dela há dois ímãs na forma de anéis, que faz com que os sinais gerados pelas cavidades sejam amplificados para uma potência acima de 700 W.
Funcionamento da magnetron
A função da válvula magnetron é converter a energia da rede elétrica em um sinal de radiofrequência (RF) de alta potência, com um feixe de ondas, na saída, altamente concentrado. O seu funcionamento se baseia na emissão de elétrons do catodo para a placa, só que, antes de atingir a placa, o feixe passa por um conjunto de cavidades ressonantes, sob o efeito de um forte campo magnético gerado pelos ímãs, que faz os elétrons vibrarem em alta frequência, como se vê na figura 1. Toda a teoria de funcionamento do forno, assim como a sua concepção, está baseadas neste componente.
O projeto do forno como ele é atualmente (compacto e leve, podendo ser colocado em qualquer lugar da cozinha), só foi possível graças a simplicidade e facilidade que a magnetron oferece. Sem ela, o projeto seria inviável. Em função disso, a magnetron é vista com sendo peça principal, sendo considerada o coração do forno, pois se ela for alimentada corretamente, apesar de ser um simples diodo, é capaz de gerar um sinal de RF, operando na faixa de micro-ondas e fornecer uma potência útil na saída superior a 700 W, nesta frequência.
O princípio de cozimento dos alimentos por sinais de RF, operando na faixa de micro-ondas, se baseia no movimento vibratório das moléculas de água. Assim a frequência de 2,45 GHz*, onde o forno opera, não foi escolhida por acaso, mas sim, em função da frequência de ressonância ou de vibração das moléculas de água (H2O).
Quando um feixe de micro-ondas incide sobre um alimento contendo líquidos (água, óleo ou açúcar) as moléculas do líquido vibrarão com maior intensidade nesta frequência, aumentado a liberação de calor no interior do alimento, provocando seu cozimento.
Este fenômeno pode ser melhor observado, colocando-se dentro do forno dois copos de vidro, um contendo água e outro vazio. O copo vazio por não conter líquido, não irá se aquecer, sua temperatura se manterá inalterada. Já o copo com líquido irá se aquecer, não devido ao feixe de RF que incide sobre ele, mas pela propagação do calor da água para o vidro.
Por outro lado, se a frequência emitida pela magnetron variar, aumentando ou diminuindo em relação a seu valor nominal de 2,45 GHz, mesmo emitindo a mesma potência de RF, as moléculas do líquido param de vibrar e os ali- mentos não irão esquentar, pois como vimos, as moléculas de água só vibram em uma frequência determinada, ou seja, em 2,45 GHz. Apesar de que a frequência gerada pela magnetron, praticamente não sofre variação, pelo fato do corpo dela ser de cobre sólido com baixo coeficiente de dilatação. Mesmo que sua temperatura varie entre (20 a 150) °C, os valores dos elementos "L" e "C", da cavidade (que determinam a frequência, como visto na figura 3 B e C), não sofrem qualquer alteração. Como isso, a frequência mantém-se constante dentro dessa gama de variação da temperatura.
Dentro da blindagem inferior da magnetron há dois choques de radiofrequência (CRFs), ligados em série com o filamento, observe a figura 4. Na figura, a blindagem está representada pela linha pontilhada. A função dos CRFS é de evitar que os sinais de micro-ondas, gerados pela cavidade que estão dentro da magnetron, escapem através do filamento, propagando-se pela rede. Os CRFs são importantes na prevenção da saúde, pois se houver escape de sinais de micro-ondas, de nível muito elevado, poderá provocar câncer de pele, por- tanto, eles não devem ser eliminados.
A faixa de micro-ondas atual começa no início da faixa de SHF, faixa essa que vai de (3-30) GHz. Hoje, o nosso forno opera um pouco abaixo do início dessa faixa, portanto, fora da faixa de micro-ondas. O que ocorre é que, na década de 50, época do desenvolvi- mento do forno, a faixa de micro-ondas começava no início da faixa de UHF (300-3000) MHz. Em razão disso, o forno atual não passa de um simples forno de aquecimento por RF. Por outro lado, a palavra "micro-ondas" pela qual nosso forno ficou conhecido, refere-se a uma faixa de frequência onde ele opera, melhor dizendo, operava.
Vida útil
A magnetron é do tipo termiônico, ou seja, os elétrons são emitidos por agitação térmica, devido ao aqueci- mento do filamento, formando uma nuvem em volta do filamento, observe a figura 2. Ao mesmo tempo em que os elétrons são liberados pelo filamento, eles são atraídos pelo potencial positivo da tensão de alimentação da placa, fornecida pela fonte VCC, com um potencial de 4000 V.
Quando a válvula é nova, a emissão de elétrons pelo filamento é máxima (100%), mas à medida que o forno vai sendo usado, a emissão diminui gradativamente até cair abaixo de um valor mínimo, considerado normal- mente em torno de 20% da potência inicial. Há duas maneiras práticas de avaliar-se o grau de emissão ou vida útil da magnetron.
Uma delas é medindo com um termômetro de vidro o grau de elevação da temperatura da água colocada dentro do forno, mas esse método tem se mostrado muito impreciso, por isso, não é mais usado. Uma outra forma é através da medição da corrente consumida pela magnetron durante a operação. Este segundo método é simples de ser executado e mais preciso e confiável que o primeiro. Dependendo do valor da corrente medida, temos uma ideia de quanto ainda podemos usá-la, ou seja, de quando resta de vida útil à válvula magnetron. Para determinar a corrente consumida, devemos proceder da seguinte maneira:
• Colocar, dentro do forno, um copo de vidro com água.
• Conectar um amperímetro-alicate na escala de corrente alternada (CA) em um dos fios que ali- menta o primário do transforma- dor de alta tensão.
• Selecionar o valor de fundo de escala do medidor para um valor de corrente em torno de 20 A.
• Programar o forno para potência máxima (100%) e um tempo de cozimento de 1 minuto, e ligar o forno.
• Se a corrente consumida pelo forno for maior ou igual a 6,8 A, durante a operação, caindo na área "A" (figura 5), significa que a magnetron está boa, podendo ser usada por mais tempo. Se a corrente consumida ficar abaixo de 6,8 A, caindo na área B, significa que a magnetron está com baixa emissão ou seja, está fraca, devendo ser substituída.
Esse valor de corrente (6,8 A) é válido para fornos alimentados em 127 VCA, para fornos alimentados em 220 VCA a corrente de referência é bem menor, em torno de 4,2 A.
Por outro lado, o gráfico da figura 5, é válido para forno de uso doméstico, onde é previsto um uso médio diário de 10 minutos. Quando o forno é usado para fins comerciais (restaurante ou indústria), onde é usado por um longo período, a vida útil da magnetron é bem menor. Podemos observar através desse gráfico que a magnetron, quando usada de maneira correta tem, em média uma vida útil de 15 anos.
Carga do Forno
Quando o forno é posto em operação, a magnetron emite para dentro da cavidade um nível de potência muito elevado, chegando em alguns casos a 900 W, na forma de energia ondula- tória ou vibratória. Toda essa energia deve ser absorvida dentro do forno, usando-se para isso um meio físico, podendo ser um líquido, preferencial- mente a água.
Assim, se for colocado dentro do forno um copo com água, esse irá converter a energia ondulatória em energia térmica. Isso pode ser melhor observado através da elevação da temperatura da água, pois se a energia emitida pela magnetron não for total- mente convertida, ou seja, absorvida pela carga colocada dentro do forno, no nosso exemplo a água, a parte excedente voltará para o ponto onde foi gerada, o bico da magnetron, sendo novamente enviada para dentro do forno, sendo esse processo repetido infinitamente.
Esse vaivém de energia faz surgir ondas estacionárias dentro do forno que provocam (na forma de picos) o surgimento de uma alta tensão no bico da magnetron, aumentando a tensão neste ponto, indo de 4 kV para 20 kV ou mais.
Esse aumento de tensão irá romper a isolação existente entre o bico da magnetron e a carcaça do forno provocando descarga elétrica na forma de chispa ou faiscamento, provocando um estouro dentro do forno. Se esse escape não for con- tido a tempo, poderá provocar dois problemas: danificar a magnetron, principalmente o bico, ou furar a cavidade do forno.
Por isso nunca devemos usar o forno sem nada dentro, devemos colocar um copo com água (usada como carga ou meio absorvente de energia). Por esse mesmo motivo, os técnicos devem orientar a dona- de casa na hora de usar o forno para esquentar um alimento que contenha pouco líquido (um prato de comida, por exemplo), a colocar ao lado do prato um copo com água para absorver o excedente de energia não absorvida pelo alimento. Se isto não for feito, com o uso continuo do forno, a magnetron poderá ser danificada ou a cavidade do forno, pois ela vai esquentar muito, em consequência, poderá trincar os ímãs, além de danificar também a cavidade, provocando nela furos principalmente na região próxima ao bico da magnetron. Em alguns casos, também poderá ocorrer a queima da pintura próximo a essa área.
Efeito das moléculas bipolares
Para entendermos como o calor é gerado no interior dos alimentos a serem cozidos quando excitados por um feixe de micro-ondas, devemos saber primeiro que os alimentos são formados por moléculas, principal- mente os líquidos (água).
As moléculas são polarizadas, ou seja, um extremo é positivo e o outro é negativo, daí o nome de moléculas bipolares.
Na ausência do campo, as moléculas contidas nos alimentos ficam dispostas de maneira desordenada. Veja a figura 6 A.
Quando os alimentos são submetidos à ação de um campo eletromagnético de alta intensidade, as moléculas são orientadas de maneira que suas polaridades fiquem apontadas na mesma direção, como exibido na figura 6 B. As moléculas invertem de polaridade com a mesma velocidade que o campo eletromagnético muda a sua polaridade.
O feixe da micro-ondas que gera o campo magnético, que por sua vez vai orientar as moléculas, faz com que invertam de polaridade em alta velo- cidade girando em torno do seu eixo (figura 6 C), chocando-se umas com as outras (os seus extremos) gerando calor por atrito entre elas.
Concluímos assim, que o feixe de micro-ondas que incide sobre os alimentos não contém nenhuma energia calorífica, agindo como um simples agente estimulador. São as moléculas contidas nos alimentos, principalmente as de água, que real- mente geram o calor.
Tensão do filamento
Na hora de substituir a magnetron, o técnico deve ficar atento para o problema da tensão de alimentação do filamento. É que no mercado há dois tipos de magnetrons, sendo uma fabricada para operar com tensão de filamento de 3 V e outra para operar com tensão de 2 V.
Por sua vez, os fabricantes de fornos, indiferentemente usam, tanto uma como a outra, isso só depende de qual delas está disponível no mercado.
Por exemplo, os fornos da marca PANASONIC usam magnetron com tensão de filamento de 3 V, tanto ela como o transformador de alta tensão (T.A.T.), como se vê na figura 7 A. Já os fornos da marca SAMSUNG, usam magnetron com tensão de 2 V, tanto ela como o transformador, figura 7 B, o mesmo acontecendo com outras marcas de fornos. Por essa razão, não podemos substituir uma magnetron usada no forno da PANASONIC por uma da marca SAMSUNG.
A magnetron da PANASONIC só pode ser substituída por uma da mesma marca, ou por outra que também opere com tensão de 3 V. Se a magnetron do forno PANASONIC, for substituída por outra operando com tensão de 2 V, figura 7 C, a magnetron substituída sofrerá um superaquecimento a ponto de ser danificada com pouco tempo de uso. Ela esquenta tanto, que chega a exalar um forte cheiro de metal sendo fundido.
Esse aumento exagerado de temperatura poderá provocar dois problemas: os dois ímãs, na forma de anéis colocados em volta da magnetron, trincam, ou pelo menos um deles, e ao mesmo tempo, a emissão do filamento / catodo se esgotaria em pouco tempo, em ambos os casos, a válvula magnetron seria danificada, o que deve ser evitado. No caso, de não dispor de uma magnetron de 3 V, mas de uma de 2 V, a solução é substituir também o transformador por um com tensão de 2 V, de maneira a ficar compatível com a tensão da magnetron substituída.
Se acontecer o contrário, isto é, transformador de 2 V e magnetron de 3 V, figura 7 D, não vai acontecer nada, o alimento vai esquentar da mesma maneira, o tempo de cozi- mento poderá ser ligeiramente maior, mas em compensação a válvula irá operar em condição mais favorável ou seja, em baixa temperatura, durando por mais tempo.
Os mesmos cuidados vistos acima, também devem ser tomados na hora de substituir-se o transformador. Sua substituição vai causar o mesmo problema visto na substituição da magnetron.
Teste/Recuperação
Para determinar-se o estado de funcionamento da magnetron, são realizados dois tipos de testes:
• A "frio": com a magnetron sobre a bancada;
• A "quente": com a magnetron em operação.
O teste a "frio" ou estático, apesar de ser simples de ser realizado, não revela muita coisa a respeito do funcionamento da magnetron, ele só indica o estado do filamento, se esse está aberto ou em curto com a carcaça, mas não indica se ela está operando ou não.
Por outro lado, o teste a "quente" ou dinâmico determina com clareza o estado de funcionamento da magnetron.
Para verificar o estado da magnetron a "frio" podemos testar os seguintes itens:
Continuidade do filamento
Um dos defeitos que pode ser apresentado pela magnetron é o filamento aberto. Para determinar se o filamento está aberto ou não, devemos proceder da seguinte maneira:
• Desconectar os terminais A e B do filamento;
• Posicionar a chave de função do medidor em X1;
• Conectar as pontas do medidor aos terminais A e B do fila- mento;
• O medidor deve indicar uma baixa resistência de continuidade, menor que um ohm (< 1 Ω);
Se o valor lido for alto, superior a 10 kΩ, tendendo para infinito, significa que o filamento está aberto ou com resistência alterada, se isso acontecer a magnetron deverá ser substituída, apesar de que isso é muito difícil de ocorrer.
Resistência de isolação
Para determinar a resistência de isolação entre os terminais do fila- mento e o ponto terra, devemos pro- ceder da seguinte maneira:
• Posicionar a chave de função do medidor no fator de multiplicação máxima, ou seja, em x 10 K;
• Conectar uma das pontas de teste do medidor ao terminal A do filamento e a outra ponta ao terra ou carcaça da magnetron, observado a figura 8.
• O medidor deve indicar uma resistência de isolação entre o ponto A e o terra, a maior possível, superior a 20 M e tendendo para infinito. Se isto não acontecer, significa que o filamento está em curto internamente com a carcaça e a magnetron deve ser substituída. Na maioria das vezes ela pode ser recuperada, substituindo-se o soquete.
Procedimento para substituir-se o soquete
Quando os terminais do filamento apresentam curtos para a carcaça, na maioria das vezes o curto está no próprio soquete e não na parte interna da magnetron. Para determinar se o curto está realmente no soquete, devemos desligar os fios dos terminais do filamento e medir a isolação entre eles e a carcaça, procedendo da seguinte maneira:
• Posicionar a chave de função do medidor em x 10 K;
• Colocar uma das pontas do medidor na carcaça e a outra em um dos terminais A ou B do filamento, como se vê na figura 8.
• Se o medidor indicar uma alta resistência de isolação (se o ponteiro não se mexer), significa que a isolação está normal.
• Se o medidor indicar baixa resistência de isolação, indica que existe curto, que tanto poderá estar no soquete como no filamento interno da magnetron. Para isso, devemos cortar os choques de RF, a uma distância de 2 cm dos terminais do filamento.
A seguir, medimos novamente a isolação:
• Entre os terminais do filamento que estão conectados à magnetron e à carcaça;
• Entre os terminais do soquete e a carcaça.
Se o curto estiver no filamento, isto é, dentro da magnetron, detectada na medição no1, não tem solução, a válvula está condenada.
Se o curto estiver nos terminais do soquete, detectado na medida no2, o que ocorre na maioria das vezes, o problema pode ser sanado, substituindo-se o soquete.
Com uma furadeira (com broca de 3 mm) removemos a cabeça dos rebites que fixam o soquete. A seguir, substituímos o soquete por outro, retirado da outra magnetron, de preferência do mesmo modelo, mas em que o soquete esteja bom:
Se o soquete a ser usado na substituição for diferente do soquete retirado, provavelmente, os furos de fixação não coincidirão. Neste caso, devemos fazer dois furos na base do soquete de 3 mm e fixamos com parafusos e porcas, como mostra a figura 1.
Para conseguir-se um melhor contato elétrico entre os fios do soquete e os da magnetron, devemos raspar ou lixar as pontas para remover o verniz. Para conseguir-se uma melhor firmeza, antes de soldá-las, devemos dobrar as pontas (uma envolvendo a outra) e apertar com alicate de bico.
