2 - 微波炉 - 原理介绍

什么是烹饪食物？这就是通过加热使食物发生化学变化的过程。

烹饪可以改变食物的口感、风味、外观、色泽、质地、体积、重量或营养价值。它能改变食物的化学和物理结构，从而使其更易于消化、更有营养或更美味，有时还能消除毒性。

将食物置于热源（火、电热丝的热量等）下会促使其成分之间产生反应。例如，美拉德反应是糖和蛋白质之间的相互作用，它赋予了你烤肉特有的风味！

但从物理学角度来看，热量到底是什么呢？它是分子或原子运动剧烈程度的体现……一个完全静止的分子温度相当于绝对零度，即零下 273 °C！而漂浮在房子里的氧分子正以每秒约 500 米的速度晃动。

微波炉，或者简称为微波炉，是一种主要用于快速加热和烹饪食物的家用电器，其原理是通过微波辐射使食物中含有的水分子产生剧烈运动。

微波是位于电磁波谱中无线电波和红外辐射之间的一种电磁波。在微波炉中，常用的频率约为 2450 兆赫（2.45 吉赫）。

该电磁场（2450 MHz）会引起水分子的剧烈震动，使水分子随着微波的通过而摆动。热量正是由水分子相互摩擦产生的。因此，这种热效应是微波与水分子相互作用的结果。

微波在食物中的穿透深度与发射器的功率有关。直接的热作用在表面和表层非常强烈，穿透力会随着厚度的增加而逐渐减弱。

这些波还具有另一个有趣的特性：它们不会被大多数塑料、玻璃或陶瓷吸收。金属会反射微波，这就是为什么金属锅在微波炉中无法正常工作的原因。

这也是这些设备采用金属内壁以起到反射作用的原因。

图 1 该示意图有助于了解大多数制造商所使用的机电烤箱的工作原理，除了组合式烤箱或具有烧烤功能的烤箱等少数增加了额外电阻的机型外，原理基本一致。

电路分为 3 个部分：连接到电源插座的电源板 图 2。这是一个位于输入端的微型电子板，配有保险丝和一些滤波元件，是烤箱的总供电装置。

电流随后流经一系列安全系统：过热保护和门控保护。该电路还为照亮腔体的照明灯、驱动转盘的电机、冷却磁控管的散热风扇电机，以及用于控制设备的控制板供电。图 3

电源经过滤波和安全保护后，会连接到高压电路。这是电路的第三部分，由变压器、电容器和二极管组成，它们连接到作为设备核心部件的磁控管。

机电定时器用于选择烹饪时长和模式。它由一个微型电机和两个机械系统组成。凸轮系统管理功率调节器的触点，齿轮系统则管理烹饪时长触点。

该微型电机为 230V 供电的同步电机。其绕组电阻约为几千欧姆（kΩ）。

功率电路主要由一个三绕组变压器（230V / 高压 - 低压）组成。变压器的次级线圈输出产生电场所需的 1600 伏电压。它由大量线圈匝数构成。倍压器将该电压转换为 3200V 电压。

磁控管是微波发生器。为了工作，它需要 700 毫安的电流和对地 -3200V 的电压！我们的变压器产生 1600V 电压，只需通过电子学中的经典电路——拉图尔倍压器（也称为申克尔倍压器）将电压加倍即可。

为了使电压加倍，来自变压器的高压会被输送到电容器中。电容器的输出端连接有一个二极管。此外，现在高压电路上几乎都会配备一个保险丝。

第二个绕组用于为磁控管灯丝提供 3.2 V 的极低电压，但电流需达到 10 安培左右。

磁控管由一个圆柱形阳极或阳极块组成。电子从阴极流向阳极，但由于磁铁的存在，会形成一团旋转的电子云。

电荷随后与谐振腔产生相互作用，产生的振荡会在相邻叶片间传播，形成极高频率的磁场（2450 MHz，即每秒 24.5 亿次振荡）。顶部装有一根天线，用于收集磁场并将其发送至波导。

电磁波被传导至一个螺旋桨状的波导搅拌器，由其将电磁波投射到微波炉内部。电磁波随后射入食物，或是在炉壁上发生反射并被重新导向食物。

烹饪功率调节：磁控管的发射功率无法直接进行调节。要改变烹饪功率，需通过控制磁控管的工作时长来实现。

示例：最小功率（解冻）⇒ 10 秒（每 30 秒周期内）；中等功率（慢炖）⇒ 20 秒（每 30 秒周期内）；最大功率（快煮）⇒ 30 秒（每 30 秒周期内）

变压器是一种转换器，能够将交流电源输出的电压和电流值，转换为频率和波形相同、但数值不同的电压和电流。变压器在进行这种转换时具有极高的效率。

在静态变压器中，能量通过构成变压器铁芯的磁路，从初级线圈传输到次级线圈。

如果忽略所有损耗和漏磁，初级和次级线圈的匝数比完全决定了变压器的变压比：U2/U1=N2/N1，其中 U1 为初级电压，U2 为次级电压，N1 为初级匝数，N2 为次级匝数。

微波炉使用的变压器是一种高压变压器。它被用作升压变压器，为磁控管提供高压。它由三个绕组组成：输入电压为 230 V 的初级绕组，以及输出 3.2 V 和 2100 V 的两个次级绕组。

3.2 伏电压用于为阴极供电。由于电流超过 10 A，该绕组的线径较粗。

2100 伏电压用于在磁控管的阳极和阴极之间产生脉冲电压。高压绕组的线径非常细，因为它产生的电流很小。该绕组的一端直接连接到设备的接地端。

电容器起到了倍压器的作用。它将来自变压器次级的 1600V 电压倍增至约 3200V。

该无极性电容器的容量介于 0.95 至 1.15 微法之间，用于在半个周期内存储电能，其内部的 10MΩ 电阻则用于确保其放电。

在设备关闭时，其端子间可能仍存在接近 4000 伏的电压。尽管它集成了一个放电电阻，且是在断电状态下工作，但在对烤箱的其他部件进行操作之前，必须对电容器进行放电。

为此，你可以使用一个 1MΩ 的电阻来短路电容器的端子。你也可以在拔掉电源插头并等待约十分钟后，使用尖嘴钳进行放电。

二极管的作用是将交流电整流为直流电。

二极管只允许电流单向通过。整流电流有多种方案可供选择。用于为磁控管供电的方案采用单二极管电路，每半个周期为磁控管供电一次（正半周导通，负半周截止）。

图 1 在二极管截止的半个周期内，高压电容器充电，并在二极管导通的半个周期内放电。电容器电压与变压器电压叠加，从而获得磁控管供电所需的 4000 V 电压。

电容器与二极管的组合被称为倍压器，因为它能将变压器输出的 2700 V 交流电压转换为 4000 V 直流电压。

高压二极管的设计反向耐压（Vr）约为 6000 伏。为了承受如此高的电压，单凭一个 PN 结是不够的，必须将多个 PN 结串联堆叠。因此，功率二极管实际上是由八个二极管堆叠而成的 图 2。

由于这种堆叠结构，无法使用欧姆表对高压二极管进行检测。

这是一个可选组件。它与电容器并联安装 Fig 1。它由两个背靠背安装的二极管组成，其反向击穿电压分别为 VD1 = 6000 伏特，VD2 = 1200 伏特 Fig 2。它用于在功率二极管短路时保护变压器。

其目的是产生一个直接短路，从而熔断初级电路的保险丝。如果高压二极管发生短路，电容器将与高压次级绕组并联。这得出了等效电路图 Fig 3。

输出电压为周期性交流电，最大值为 3000 伏特。二极管 D2 击穿并短路。流经 D1 的电流过大，导致 D1 也发生短路。次级绕组短路。次级电路随后初级电路中产生过电流。

这种过电流足以使初级电路的保险丝熔断。变压器由此得到保护。

图 1 “Klixon” 热保护开关。它们安装在磁控管和炉腔上。当温度超过标准值时，开关会切断电源，从而防止过热事故。

图 2 微波炉的保险丝结构中通常配有一个复位弹簧。保险丝由熔断丝组成，用于在几百毫安（500 至 700 mA 之间）的电流下实现慢熔。

操作必须非常迅速，以防止产生电弧。弹簧处于机械张力下并处于拉伸状态。当熔断丝熔断时，弹簧会恢复原位，迅速拉开电弧的进出口点，从而吹熄电弧，就像吹灭蜡烛一样！

该保险丝放置在一个带颜色的塑料绝缘外壳中，通常为红色。

图 3 微波炉配备了一套门安全装置。这些被称为微动开关的门接触点，旨在保护用户免受因炉门保持开启时微波发生器可能导致的灼伤或损伤。

当没有东西按压开关时，它处于静止状态。微动开关有三个引脚。其中一个是公共端（引脚 1），电流从这里“进入”。在其对面，有一个类似切换器的结构！一个在静止时闭合的触点（引脚 2）和另一个在静止时断开的触点（引脚 4）。

当按压开关时，状态会发生反转：引脚 2 的触点断开，引脚 4 的触点闭合。

图 1 转盘电机：用于旋转盘子，使热量在加热的食物中均匀分布。

在某些微波炉型号上，转盘驱动电机由风扇电机提供 30 伏交流电！值得注意的是，某些型号的风扇电机有三个接头：一根火线、一根零线，第三根接头经测量电压约为 30 伏。

该中间电压是从风扇电机的线圈上取出的。因此，风扇电机不仅作为风扇工作，还充当了自耦变压器，为转盘电机供电。

图 2 风扇：其作用包括： - 冷却磁控管和变压器 - 更新腔体内的空气以防起雾 - 在某些情况下带动波导搅拌器（转波器）。风扇电机为异步电机。其绕组电阻约为 100 Ω。