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磁控管結構和原理
  • 添加人:futaoweibo   添加時間:2012-4-18 14:52:00 
    微波爐加熱、烹飪食物所需的微波能量是由核心元件——磁控管產生的。目前廣泛應用于微波爐的是連續波強迫風冷型磁控管,其基本結構剖視如圖所示。由右圖。 可見,磁控管是由陰極(燈絲)、陽極、環形磁鋼、耦合環、天線(即微波能量輸出器)、散熱器和燈絲插頭等組成。其中陽極呈圓筒狀,通常用銅材制成,筒中多個翼片將陽極分割成十幾個扇形空間,每個扇形空間就是一個陽極諧振腔,其諧振頻率即磁控管的工作頻率,一般為2450MHz左右。在陽極的外殼嵌套了一對環形永久磁鋼,磁鋼形成的磁場用于控制陽極腔內的微波振蕩能量。陽極輸出的微波能量通過一根環狀金屬管(即耦合環)傳送到天線,再由天線向爐內發送微波能,對食物進行加熱。 微波爐磁控管的燈絲工作電壓一般為交流3.3V,電流10A左右;陽極(對陰極)電壓為直流4000V左右。磁控管通電工作時,燈絲被加熱,同時在陰極(燈絲)與陽極間形成高壓電場,在電場作用下,陰極向陽極發射電子,陽極接收到電子而產生陽極電流。電子在到達每個扇形陽極諧振腔時,按其諧振頻率振蕩,同時因環形磁鋼產生的恒定磁場垂直于高壓電場方向,在該磁場作用之下,電子沿著陰極、陽極間的圓周空間作擺輪曲線運動,形成一個積聚能量的旋轉電子云,并向陽極不斷輸送,從而在陽極上獲得穩定的每秒振動頻率約為24.5億次的微波振蕩能量。微波能量的大小主要取決于陽極電壓的高低和磁場的強弱,由于環形磁鋼的磁場強度恒定,故而微波輸出功率主要與陽極電壓相關。但若磁鋼因故破裂或磁性明顯衰退,就會引起磁控管輸出功率減小,微波爐加熱效果變差,出現加熱慢、火力不足等故障,維修時一定要注意這方面的問題。 磁控管工作時的動態導通內阻很小,陽極電壓的波動對微波輸出功率影響很大,這將明顯影響微波爐的加熱性能。為了避免因電源電壓波動而導致微波爐工作不穩定,磁控管陽極電壓通常都由漏感變壓器組成的電源電路來提供,它可穩定磁控管的陽極電流,使微波爐輸出功率保持穩定。 磁控管的微波轉換效率為70%左右,工作時其余30%左右的功率變成了熱量,在管子上耗散,因功率大、溫升較高,所以微波爐中都設置了冷卻風扇,對磁控管進行強迫風冷散熱,以防止過熱損壞。 磁控管的陽極諧振系統除能產生所需要的電磁振蕩外,還能產生不同特性的多種電磁振蕩。為使磁控管穩定的工作在所需的模式上,常用"隔型帶"來隔離干擾模式.隔型帶把陽極翼片一個間隔一個地連接起來,以增加工作模式與相鄰干擾模式之間的頻率間隔。另外,由于經能量交換后的電子還具有一定的能量,這些電子打上陽極使陽極溫度升高,陽極收集的電子越多(即電流越大),或電子的能量越大(能量轉換率越低),陽極溫度越高,因此,陽極需有良好的散熱能力.一般情況下功率管采用強迫風冷,陽極帶有散熱片.大功率管則多用水冷,陽極上有冷卻水套。此種陰極加熱電流大,要求陰極引線要短而粗,連接部分要接觸良好。大功率管的陰極引線工作時溫度很高,常用強迫風冷散熱。磁控管工作時陰極接負高壓,因此引線部分應有良好的絕緣性能并能滿足真空密封的要求。為防止因電子回轟而使陽極過熱,磁控管工作穩定后應按規定降低陰極電流以延長使用壽命。 磁控管的陰極即電子的發射體,又是相互作用空間的一個組成部分。陰極的性能對管子的工作特性和壽命影響極大,被視為整個管子的心臟。陰極的種類很多,性能各異。連續波磁控管中常用直熱式陰極,它由鎢絲或純鎢絲繞成螺旋形狀,通電流加熱到規定溫度后就具有發射電子的能力。這種陰極具有加熱時間短和抗電子轟擊能力強等優點,在連續波磁控管中得到廣泛的應用。 磁控管正常工作時要求有很強的恒定磁場,其磁場感應強度一般為數千高斯。工作頻率越高,所加磁場越強。磁控管的磁路系統就是產生恒定磁場的裝置。磁路系統分永磁和電磁兩大類。永磁系統一般用于小功率管,磁鋼與管芯牢固合為一體構成所謂包裝式。大功率管多用電磁鐵產生磁場,管芯和電磁鐵配合使用,管芯內有上、下極靴,以固定磁隙的距離。磁控管工作時,可以很方便的靠改變磁場強度的大小,來調整輸出功率和工作頻率。另外,還可以將陽極電流饋入電磁線包以提高管子工作的穩定性。 磁控管的正確使用 磁控管是微波應用設備的心臟,因此,磁控管的正確使用是維護微波設備正常工作的必要條件。磁控管在使用時應注意以下幾個問題: 一、負載要匹配。 無論什么設備都要求磁控管的輸出負載盡可能做到匹配,也就是它的電壓駐波比應盡可能的小。駐波大不僅反射功率大,使被處理物料實際得到的功率減少,而且會引起磁控管跳模和陰極過熱,嚴重時會損壞管子。跳模時,陽極電流忽然出現跌落。引起跳模的原因除管子本身模式分隔度小外,主要有以下幾個方面:(1)電源內阻太大,空載高而激起非π模式。(2)負載嚴重失配,不利相位的反射減弱了高頻場與電子流的相互作用,而不能維持正常的π模振蕩。 (3)燈絲加熱不足,引起發射不足,或因管內放氣使陰極中毒引起發射不足,不能提供π模振蕩所需的管子電流。為避免跳模的發生,要求電源內阻不能過大,負載應匹配,燈絲加熱電流應符合說明書要求。 二、冷卻。 冷卻是保證磁控管正常管工作的條件之一,大功率磁控管的陽極常用水冷,其陰極燈絲引出部分及輸出陶瓷窗同時進行強迫風冷,有些電磁鐵也用風冷或水冷。冷卻不良將使管子過熱而不能正常工作,嚴重時將燒壞管子。應嚴禁在冷卻不足的條件下工作。 三、合理調整陰極加熱功率。 磁控管起振后,由于不利電子回轟陰極使陰極溫度升高而處于過熱狀態,陰極過熱將使材料蒸發加劇,壽命縮短,嚴重時將燒壞陰極。防止陰極過熱的辦法是按規定調整降低陰極加熱功率。 磁控管是一種用來產生微波能的電真空器件。實質上是一個置于恒定磁場中的二極管。管內電子在相互垂直的恒定磁場和恒定電場的控制下,與高頻電磁場發生相互作用,把從恒定電場中獲得能量轉變成微波能量,從而達到產生微波能的目的。 磁控管由于工作狀態的不同可分為脈沖磁控管和連續波磁控管兩類。 磁控管由管芯和磁鋼(或電磁鐵)組成。管芯的結構包括陽極、陰極、能量輸出器和磁路系統等四部分。管子內部保持高真空狀態。下面分別介紹各部分的結構及其作用。 1.陽極 陽極是磁控管的主要組成之一,它與陰極一起構成電子與高頻電磁場相互作用的空間。在恒定磁場和恒定電場的作用下,電子在此空間內完成能量轉換的任務。磁控管的陽極除與普通的二極管的陽極一樣收集電子外,還對高頻電磁場的振蕩頻率起著決定性的作用。 陽極由導電良好的金屬材料(如無氧銅)制成,并設有多個諧振腔,諧振腔的數目必須是偶數,管子的工作頻率越高腔數越多。 陽極諧振腔的型式常為孔槽形、扇形和槽扇型,陽極上的每一個小諧振腔相當于一個并聯的2C振蕩回路。以槽扇型腔為例,可以認為腔的槽部分主要構成振蕩回路的電容,而其扇形部分主要構成振蕩回路的電感。 磁控管的陽極由許多諧振腔耦合在一起,形成一個復雜的諧振系統。這個系統的諧振腔頻率主要決定于每個小諧振腔的諧振頻率,我們也可以根據小諧振腔的大小來估計磁控管的工作頻段。 磁控管的陽極諧振系統除能產生所需要的電磁振蕩外,還能產生不同特性的多種電磁振蕩。為使磁控管穩定的工作在所需的模式上,常用隔型帶來隔離干擾模式.隔型帶把陽極翼片一個間隔一個地連接起來,以增加工作模式與相鄰干擾模式之間的頻率間隔。 另外,由于經能量交換后的電子還具有一定的能量,這些電子打上陽極使陽極溫度升高,陽極收集的電子越多(即電流越大),或電子的能量越大(能量轉換率越低),陽極溫度越高,因此,陽極需有良好的散熱能力.一般情況下功率管采用強迫風冷,陽極帶有散熱片.大功率管則多用水冷,陽極上有冷卻水套。 2.陰極及其引線 磁控管的陰極即電子的發射體,又是相互作用空間的一個組成部分。陰極的性能對管子的工作特性和壽命影響極大,被視為整個管子的心臟。 陰極的種類很多,性能各異。連續波磁控管中常用直熱式陰極,它由鎢絲或純鎢絲繞成螺旋形狀,通電流加熱到規定溫度后就具有發射電子的能力。這種陰極具有加熱時間短和抗電子轟擊能力強等優點,在連續波磁控管中得到廣泛的應用。 此種陰極加熱電流大,要求陰極引線要短而粗,連接部分要接觸良好。大功率管的陰極引線工作時溫度很高,常用強迫風冷散熱。磁控管工作時陰極接負高壓,因此引線部分應有良好的絕緣性能并能滿足真空密封的要求。為防止因電子回轟而使陽極過熱,磁控管工作穩定后應按規定降低陰極電流以延長使用壽命。 3.能量輸出器 能量輸出器是把相互作用空間中所產生的微波能輸送到負載去的裝置。 能量輸出裝置的作用是無損耗,無擊穿地通過微波,保證管子的真空密封,同時還要做到便于與外部系統相連接。 小功率連續波磁控管大多采用同軸輸出在陽極諧振腔高頻磁場最強的地方。放置一個耦合環,當穿過環面的磁通量變化時,將在環上產生高頻感應電流,從而將高頻功率引到環外。耦合環面積越大耦合越強。 大功率連續波磁控管常用軸向能量輸出器,輸出天線通過極靴孔洞連接到陽極翼片上。天線一般做成條狀或圓棒也可為錐體。整個天線被輸出窗密封。 輸出窗常用低損耗特性的玻璃或陶瓷制成。它不須保證微波能量無損耗的通過和具有良好的真空氣密性。大功率管的輸出窗常用強迫風冷來降低由于介質損耗所產生的熱量。 4.磁路系統 磁控管正常工作時要求有很強的恒定磁場,其磁場感應強度一般為數千高斯。工作頻率越高,所加磁場越強。 磁控管的磁路系統就是產生恒定磁場的裝置。磁路系統分永磁和電磁兩大類。永磁系統一般用于小功率管,磁鋼與管芯牢固合為一體構成所謂包裝式。大功率管多用電磁鐵產生磁場,管芯和電磁鐵配合使用,管芯內有上、下極靴,以固定磁隙的距離。磁控管工作時,可以很方便的靠改變磁場強度的大小,來調整輸出功率和工作頻率。另外,還可以將陽極電流饋入電磁線包以提高管子工作的穩定性。
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