1. Uvod

Mikrovalna pećnica spada među najveće pronalaske 20st. Kao većina velikih današnjih pronalazaka mikrovalna pećnica je nastala kao nus-produkt druge tehnologije. Njenim tvorcem se smatra Dr.Percy Spencer. Princip rada mikrovalne peći se zasniva na osobini elekromagnetnih valova visokih frekvencija (bliskih infracrvenom spektru tj. području frekvencija do 1THz) da prilikom prolaska kroz hranu, usljed dielektričnih gubitaka vrši njeno zagrijavanje.

Zagrijavanje se vrši tako što elektromagnetni valovi izazivaju osciliranje molekula i dovode do međusobnog trenja usljed čega se hrana zagrijava a time i peče. Elektromagnetni valovi se reflektiraju od metalnih prepreka, dok kroz plastiku, staklo i druge neprovodne materijale prolazi ne izazivajući nikakav efekat.

Zato se u mikrotalasnim pećnicama ne koristi metalno posuđe. Refleksije do kojih bi došlo upotrebom metalnog posuđa mogu da negativno utiječu na rad samog izvora elektromagnetnih valova.Pećnica se konstruira tako da se valovi mogu odbijati od njenih zidova. Ovim se povećava koeficijent korisnog rada elektromagnetnih valova. Staklo na vratima je metalizirano. Mikrovalni uređaji pred koje se postavljaju određeni zahtjevi, a to su uštede u vremenu i radu ispunjavaju i uslov dobrog kvaliteta. Ušteda energije u odnosu na klasične peći je oko 80%.

Danas su mikrovalne pećnice sve češće sastavni dio kuhinjske opreme i one su korisna dopuna pripremanju hrane na klasičan način. Za brzu pripremu namirnica s najmanjim utroškom energije, na malo masnoće, a uz zadržavanje kvalitetnih sastojaka - možete odmrzavati, kuhati, omekšati ili podgrijati - samo pritiskom na gumb. Kako bi izbjegli opasnosti koje kriju, potrebno je znati pravilno ih koristiti…Mikrovalne pećnice rade na principu energije mikrovalova elektromagnetskog zračenja koje nastaje kao fizikalni fenomen koji se pojavljuje protokom električne struje kroz vodič. Termički učinak mikrovalova koji koristimo u mikrovalnim pećnicama otkriven je slučajno, 50- ih godina prošlog stoljeća godine prilikom istraživanja tehnologije radara za vojne potrebe. Tada se uočilo da elektromagnetsko zračenje iz "magnetrona" utječe na nagli porast temperature namirnica. Shemu ureĎaja za generiranje mikrovalnog zračenja izradio je dr. Percy Spencer, koji se smatra ocem mikrovalne tehnike. Daljnja istraživanja na tom području ubrzo su rezultirala prototipom pećnice nazvane "radarange". To je bio ormar visine čovjeka, mase oko 350 kg, snage 3KW,a koštao je 5000 USD. Ubrzo je mikrovalna tehnologija osvojila prehrambenu industriju – zbog visokih temperatura koje postiže, koristili su je u pri proizvodnji čipsa, sušenju i prženju kave i kikirikija, a kad se otkrilo da brzo suši papir i kožu, našla je i širu primjenu.Pedesetih godina prošlog stoljeća mikrovalna pećnica dizajnirana je kao kuhinjski element, a već ih je 1975.g. u SAD-u prodano više nego plinskih kuhala. Mada je razvijena tijekom industrijskog eksperimentiranja, mikrovalna pećnica našla je pravo mjesto tek u kuhinji.

2. Općeniti model mikrovalne pećnice

Mikrovalna se sastoji od korisničko sučelja, upravljačke jedinice i izvršnih članova. Korisničko sučelje se sastoji od pokaznika i tipkala za unos podataka. Upravljačka jedinica nadzire sustav i šalje upravljačke signale na osnovi unesenih parametara. Izvršni članovi slijedeći upute upravljačke jedinice ostvaruju željeni korisničko zadan učinak. Ova općenita shema je prikazana na slici 1.

Slika 1

Ulazni parametri sustava su vrijeme rada i intenzitet rada.

Mikrovalne pećnice koje se koriste u kućanstvima nisu namijenjene na više satno korištenje. Tako da ograničavanje rada na sat i pol vremena je dovoljan vremenski interval za većinu potreba korištenja mikrovalne pećnice. Ako i sat i pol vremena nije dovoljan vremenski interval, može se nakon isteka vremena ponoviti postupak na još dodatnih sat i pol vremena. Maksimalna snaga mikrovalne cijevi (magnetrona) je 700W. U intervalu snage mikrovalne cijevi od 100 – 700 W, uz kombinaciju sa vremenom od 10 sekundi do 99 minuta moguće je zadovoljiti sve potrebe korištenja mikrovalne pećnice.

2.1 Korisničko sučelje

Korisničko sučelje se sastoji od unosa vremena rada i snage mikrovalne cijevi, kao i prikaza navedenog. Sučelje kao takvo svojom jednostavnošću korištenja treba osigurati korisnicima da pri prvom susretu sa mikrovalnom mogu bez ikakvog dodatnog čitanja uputstva služiti se sa njome. Podešavanje vremena riješeno je preko tri meĎusobno nezavisna tipkala, gdje je omogućeno postavljanje minuta, desetih minuta i desetih sekundi. Tri tipkala u intervalu od 10 sekundi do 99 minuta. Za ovakav prikaz treba nam četiri pokaznika. Jedan za desete minute, drugi za minute, treći za desete sekunde i četvrti za sekunde. Kako bi upravljačka jedinica znala da je vrijeme postavljeno na željen iznos, potrebno je još koristiti tipku za početak rada (engl. Start). A kako bi omogućili brzo brisanje netočno zadanog vremena treba koristiti tipku za brisanje (engl. Reset). Podešene snage mikrovalne se može podijeliti na osam razina. Gdje bi nulta razina bila neaktivna razina rada mikrovalne, odnosno kad je snaga jednaka 0 W, a osma razina, razina maksimalne snage iznosa 700W. Pa bi tako mogli poredati svih osam razina: 0 W – 100W – 200W – 300W – 400W - 500W – 600W – 700W. Za ovaj

način podešavanja parametra snage se može koristiti potenciometar sa osam razina. Korisničko sučelje treba imati 4 decimalna pokaznika, tri tipke za unos vremena, dvije upravljačke tipke i jedan potenciometar za upravljanje snage mikrovalne cijevi. Takvo korisničko sučelje je prikazano na slici 2.

Slika 2

2.2 Upravljačka jedinica

Upravljačka jedinica sadrži sklopove za primanje podataka sa korisničkog sučelja, unutarnji sat, kontroler i sklopove za slanje signala izvršnim članovima (ili pojačalima izvršnih članova). Kada upravljačka jedinica primi podatke sa korisničkog sučelja, uključuje mikrovalnu cijev na zadanu snagu sve dok ne istekne zadani vremenski interval. Sklop će nakon isteka zadanog vremenskog intervala isključiti grijanje mikrovalne cijevi. Vremenska točnost nije na razini milisekundi, ali ni iznad sekunde nakon minutnog rada mikrovalne pećnice. Sklop sadrži unutarnji sat koji se pokreće istovremeno sa mikrovalnom cijevi i usporeĎivati sa zadanim vremenskim intervalom. Kada unutarnji sat dosegne vrijednost zadanog vremenskog intervala, prekidaju se sve aktivnosti mikrovalne pećnice i obavještava se korisnika da je rad gotov.

Slika 3

Kako bi korisnik imao uvid u odvijanje rada mikrovalne pećnice na pokazniku korisničkog sučelja se prikazuje vrijeme za koje će mikrovalna pečenica prestati raditi. Opisano je dodatno pojašnjeno na slici 3.

2.3 Izvršni članovi

Magnetron ili mirotalasni vod je izvršni član koji osigurava grijanje mikrovalne pećnice. Za vrijeme grijanja rade ventilator, svijetlo i motor koji rotira tanjur mikrovalne pećnice. Kada istekne vrijeme rada mikrovalne pećnice proizvodi se niz zvučnih signala kako bi se signalizirao kraj rada mikrovalne pećnice.

Na slici 4 su prikazani izvršni članovi, s lijeva na desno, u gornjem retku, svijetlo (žarulja), magnetron i ventilator, zatim u donjem retku, s lijeva na desno, elektromotor i zvučnik. Osim izvršnih članova na slici se još nalazi i upravljačka jedinica na sredina te korisničko sučelje već prikazano na slici 3.

Slika 4

3. Proces zagrijavanja

Kod konvencionalnih metoda pečenja hrane samo površina dobija direktno toplotu, a ostatak se zagrijava kondukcijom. U slučaju tečnosti zagrijavanje se vrši konvekcijom. Brzina kojom se hrana kuha ili peče zavisi od maksimalne dozvoljene temperature na površi i od brzine kojom se toplota može prenijeti u unutrašnjost, a da se pritom ne upropasti. U osnovi je isto i kod mikrovalnog zagrijavanja s tom razlikom što upotrebljena energije prodire do mnogo veće dubine. Na primjer na dva i po centimetra ispod površine komada mesa prenos energije ide i do 50% u odnosu na površinu. Kod ovog načina mora se voditi računa o trajanju vremena kuhanja i zagrijavanja hrane, jer čitava operacija traje maksimalno tri do četiri minute. Od frekvencija koje su raspoložive za opće industrijsko korištenje, najviše upotrebljiva frekvencija kod mikrovalnih pećnica je 2,45 GHz sa valnom dužinom u vakuumu 12.2 cm.

4. Magnetrom

Magnetron je “srce” mikrovalne pećnice i on je u stvari generator sinusnih oscilacija vrlo visokih frekvencija kome se upravljanje elektronima vrši pomoću električnog i magnetnog polja. Pronalazačima magnetrona se smatraju britanski naučnici Sir John Randall i Dr.H.A.Boot sa univerziteta Birmingham University. Vanjski izgled magnetrona je prikazan na slici 5 dok je na slici 6 prikazana njegova struktura.

Slika 5

Slika 6

Osnovni dijelovi svakog magnetrona su katode, anodni blok sa rezonatorima i sistem odvođenja visokofrekventne energije. Katode su u obliku cilindra i postavljaju se u osu anodnog bloka. One moraju da imaju što je moguće veću specifičnu emisiju, veliku mehaničku čvrstoću, visoku površinsku, električnu i toplotnu provodnost. Iz tih razloga tijelo katoda je napravljeno od poroznog sinterovanog tungstena u čijoj je unutrašnjosti smješten grijač. Katode su premazane materijalom koji lako emituje elektrone. Pod ispravnim radnim uslovima gubitak materijala za emisiju elektrona sa katode uravnotežen je termičkom difuzijom kroz pore sinterovanog tungstena. Pored toga za bolji rad na krajevima katode se postavljaju zaštitni diskokvi koji sprečavaju da elektroni odlaze iz prostora uzajamnog dejstva.Anodni blok je izrađen od elektrolitičkog bakra.Veličine otvora i proreza određuju

rezonantnu frekvenciju rezonatorskog sistema.Na anodnom bloku su postavljena rebra za hlađenje koje može biti vazdušno ili sa tečnošću.

Slika 7

Prostor između katode i anodnog bloka se zove prostor uzajamnog djelovanja.Ovdje dolazi do izmjene energije između elektronskog protoka i VF polja .Jednosmjerno magnetno polje koje je usmjereno duž ose anodnog bloka, ostvaruje se pomoću stalnog magneta između čijih se polova postavlja magnetron. Obično se primjenjuju “paketni” magnetroni u kojima su magnet i magnetron konstruktivno objedinjeni tako da se ostvaruje velika magnetna indukcija.U složenom oscilatornom sistemu mogu da postoje različite vrste oscilacija. Svakoj vrsti oscilacija odgovara njena rezonantna frekvencija i njen fazni pomjeraj između struja (napona) susjednih rezonatora. Ukupan fazni pomjeraj strija svih N rezonatora mora biti jednak cijelom broju 2π. Iz ovoga izlazi da se fazni pomjeraj između dva susjedna rezonatora može odrediti po obrascu:

ϕ=2 π⋅nN

n-cijeli broj koji pokazuje koliko se talasnih dužina polja uspostavlja po krugu anodnog bloka.

Pod uticajem samo električne komponete polja ,elektroni koji su izletjeli sa katode radijalno se kreću prema anodi i na njih djeluje sila:

F⃗=−e E⃗

E=U a

d=

Ua

Ra−Rk

gdje je e=1,6¿1019C naboj elektrona

E jačina električnog polja

Ra i Rk poluprečnici anodnog bloka i katode.

U ovom slučaju sva kinetička energija se oslobađa u vidu toplote na anodi.Ukoliko djeluje samo magnetna komponenta polja elektroni opisuju putanje koje ih vraćaju nazad na katodu jer su oni

podvrgnuti dejstvu elektromagnetne sile: F⃗=−e v⃗×B⃗

gdje je :

F usmjerena normalno vektor brzine elektrona

v srednja brzina elektrona

B magnetna indukcija

Slika 8

Magnetna sila ne mijenja veličinu brzine, ona iskrivljuje putanju elektrona tj. mijenja pravac brzine kao što je prikazano na slici 8. Pri povećanju indukcije, putanja elektrona se sve više iskrivljuje i pri nekoj vrijednosti Bkr ,koja se naziva kritičnom indukcijom elektroni prolaze blizu anode i vraćaju se na

katodu.Proračuni pokazuju da pri B≥Bkr putanja elektrona predstavlja liniju koju opisuje tačka na

krugu poluprečnika R,koji se ravnomjerno kotrlja po površini katode.Ta kriva se naziva epicikloida.

U raznim tačkama epicikloide brzina elektrona je različita i mijenja se od nula na katodi do 2v t na vrhu.Brzina kretanja centra kruga se naziva srednjom brzinom elektrona i određuje se po izrazu:

v t=EB

=Ua

B (Ra−Rk )

Frekvencija obrtanja tačke po krugu se naziva ciklotronskom frekvencijom i određuje se iz uslova jednakosti centrifugalne i centripetalne sile:

Fcf=Fcp

mv2

r=evB

r=mveB

T=2 πrv

=2 πmeB

f = 1T

= eB2 πm

U visokonaponskom dijelu mikrovalne pećnice dioda i kondanzator udvostručavaju vrijednost napona dobijenog sa sekundara visokonaponskog transformatora te se iz tog razloga to kolo i naziva udvostručavač napona.Visokonaponski transformator generira sekundarni izlaz od 2800V rms(efektivna vrijednost).Udvostručavač napona ima za cilj da na katodu magnetrona dovede negativan napon od oko 8kV.U toku pozitivne poluperiode na izlazu visokonaponskkog transformatora dioda koja takođe mora biti visokonaponska je uključena i kondenzator se puni (slika 9).

U toku tog vremena napon na magnetronu je nula jer struja se kreće putem manjeg otpora.U toku negativne poluperiode skundar transformatora i napunjeni kondenzator su sada u stvari dva izvora elektromotorne sile vezana u seriju. I negativan napon od 8000V dolazi na katodu magnetrona dok je anoda stalno uzemljena.(slika 10).

Slika 9

Slika 10

Veza između kritične vrijednosti indukcije i anodnog napona data je izrazom:

Bkr=6 . 72√U a

Ra(1− Rk2

Ra2 )

5. Stabilnost frekvencije

Stabilnost frekvencije znatno utiče na rad magnetrona.Zbog toga je neophodno preduzimati mjere za stabilizaciju frekvencije.Postoje spore i brze promjene.Spore promjene su uslovljene promjenom temperature i sporim promjenama napona napajanja.Brze promjene su uslovljene promjenama napona Ua i neprilagođenog opterećenja.Da bi se održala stalna frekvencija magnetrona,temperatura anodnog bloka se mora održavati nepromijenjenom.Praktično se ovo teško postiže jer se magnetron hladi vazduhom.Za otklanjanje nestabilnosti izazvane promjenom Ua koristi se stabilan izvor Ua i bira se takav režim rada magnetrona pri kome promjena Ua malo utiče na frekvenciju.Neprilagođeno opterećenje unosi u magnetron reaktansu pa tako utiče na frekvenciju oscilacija.Pošto je ova otpornost nestalna može doći do odstupanja frekvencije za desetine megaherca.Zbog toga opterećenje (prenosni vod ) mora biti brižljivo prilagođeno.

Najefikasniji način stabilizacije frekvencije u opsegu santimetarskih talasa je primjena visokokvalitetnog spoljašnjeg stabilišućeg rezonatora sa velikim faktorom dobrote(nekoliko tisuća).

6. Arhitektura upravljačkog uređaja

Na osnovi modela prikazanog na slici 3 konstruiran je unutarnji sat koji pomoću takta frekvencije 1Hz može mjeriti vrijeme od 0 do 99 minuta. Sklop se sastoji od šesnaest JK bistabila. Četiri bistabila lančano povezano gdje je ulaz jednog izlaz prijašnjeg, mogu poprimiti 16 stanja. Za sekunde su potrebna deset stanja, nakon kojih se brojač resetira na početno stanje. Za desete sekunde potrebna su šest stanja nakon čeha se brojač resetira. Minute i desete minute koriste deset stanja brojača. Može se uočiti da podatak o vremenu je opisan sa 16 bita. 16 bitni podatak je jednostavno rastaviti na 4 podatka od 4 bita koja su spremna za pokaznik na korisničkom sučelju. Funkcijska shema brojača JK bistabilima koji broji deset stanja prikazana je na slici 6. Funkcijska blok shema brojača formulirana tako da izvodi ulogu sata u upravljačkoj jedinici prikazana je na slici 5.

Slika 11

Slika 12

Sklop za uspoređivanje 16 bitnih podataka je prikazan na slici 1.7. Sklop usporeĎuje vrijednosti preko isključivo ili sklopova. Ako su usporeĎeni bitovi jednaki isključivo ili daje nulu na izlazu. Preko nili sklopova se usporeĎuju da li su dva susjedna bita usporeĎenog i zadanog podatka jednaka. Da li su četiri bita jednaka provjerava se preko i sklopa, da bi se naposljetku preko ni sklopa sa četiri ulaza dobila jedinstvena informacija, da li su usporeĎeni 16 bitni podaci jednaki.

Slika 13

Sklop za unos podataka koristi JK bistabile kao brojače pritisaka tipkala. Svaki pritisak tipkala ovisno o njegovoj nazivnoj vrijednosti (10 sekundi, 1 minuta ili 10 minuta) okida brojač te šalje 16 bitni podatak u kojem je zapisana zadana vremenska vrijednost trajanja rada mikrovalne. Kao takav pokazuje se direktno na pokazniku korisničkog sučelju mikrovalne pećnice. Sklop za unos podataka zajedno sa sklopovima za pokaz je prikazano na slici 1.9. Svako tipkalo je ulaz takta nizu bistabila. Svaki niz od četiri bistabila povezanih tako da ulaz jednom je izlaz drugom, broji šesnaest stanja. Kako nam treba brojač od šesnaest stanja, svaki bistabil se resetira nakon desetog stanja. Nizu bistabila kojima je ulaz tipkalo za 10 sekundi se resetira nakon šest stanja (00 do 50 sekundi).

Slika 14

Pokaznik prikazan na slici 1.8 prima 4 bitni podatak. U odnosu na vrijednosti prikazuje heksadecimalne znamenke, od 0 do F. Niz znamenki od A, B, C, D, E i F se odbacuje jer je daleko rašireniji decimalni sustav nego heksadecimalni u svakodnevnom korištenju domaćinstava. Na slici 1.10 je prikazan shema gdje je prikazana sveukupna slika upravljačke jedinice. Osim unutarnjeg sata, sklopa za usporedbu, sklopa za unos podataka, dodana su sklopovi za upravljanje. Tipkalo „Start/Pause“ pokreće odbrojavanje do zadane vrijednosti, ako se tipkalo za vrijeme rada još jednom pritisne, ono zaustavlja vrijeme i ponovnim pritiskom ponovo pokreće. Tipkalo „Stop“ se resetira brojilo.

Slika 15

Slika 16

7. VHDL rješenje

Kao unutarnji sat se koristi unutarnja frekvencija sklopa, koja se dijeli kako bi dobili željenu vrijednost. Za unos parametara snage i parametara vremena koriste se dip sklopka od 8 bita. Za unos vrijednosti vremena rada mikrovalne pećnice služi tipkalo za unos vremena, a za unos snage, tipkalo za unos snage. Unesena vrijednost se prikazuje na pokazniku. Kada želimo pokrenuti rad pećnicepritišćemo tipkalo Start. Tipkalo Restart služi za brisanje unesenih vrijednosti, kao i za zaustavljanje rada mikrovalne pećnice.

U prvom dijelu koda je izvršeno implementiranje osnovnih funkcija mikrovalne pećnice i uporaba tipkala na Spartan3 maketi. U entitetu definiraju se tipkala, pokaznici, diode, rekidači i pinova na maketi. Kao i deklaraciji parametara za podešavanje snage i vremena, korisničko sučelje. Unos se vrši pomoću tipkala. Tipkalom „vrijeme“ se na pokazniku postavlja vrijednost nakon čega se tipkalom start inicira odbrojavanje unesenog vremena. Zvučni signal, koji signalizira kraj rada mikrovalne pećnice, nakon što vrijeme dosegne zadanu vrijednost, ponavljase definira odreĎenom frekvencijom, 440 Hz. Naposljetku je prikazan strukturni kod poziva heksadecimalnog pokaznika, poziv djelitelja frekvencije, te omogućivanje starta i pauziranje odbrojavanja zadanim tipkalom.

8. Zaključak

Nakon eliminiranja zabluda da su ovi uređaji štetni po zdravlje kako u svijetu tako i kod nas raste broj proizvoda koji su namjenjeni isključivo pripremanju u mikrovalnoj pećnici. Mikrovalni uređaji za pripremanje hrane se prave za širok opseg snaga zagrijavanja. Oni se prave u najmanje dvije varijante:

-normalne peći do 1kW

-pokretna traka oko 2kW

Većina prednosti mikrovalnog kuhanja proizlazi iz njegove brzine i jednostavnosti operacije, što osigurava skraćenje vremena i uloženog rada potrebnog za zagrijavanje i serviranje. Brzina također osigurava značajno skraćenje vremena koje hrana provede u bakteriološki opasnoj temperaturnoj zoni (20°C-80°C). Ovaj postupak osigurava dobar kvalitet krajnjeg proizvoda, najmanji gubitak hranjivosti i mnogo ljepši izgled hrane. Pošto se jedini stvarno uspješan metod čuvanja namirnica postiže dubokim zamrzavanjem današnje mikrovalne pećnice i duboko zamrznutu hranu mogu da otope a zatim i pripreme za svega nekoliko minuta.

Sadržaj

1. Uvod..................................................................................................................................................1

2. Općeniti model mikrovalne pećnice..................................................................................................2

2.1 Korisničko sučelje...........................................................................................................................2

2.2 Upravljačka jedinica......................................................................................................................3

2.3 Izvršni članovi.................................................................................................................................4

3. Proces zagrijavanja..........................................................................................................................5

4. Magnetrom........................................................................................................................................6

5. Stabilnost frekvencije......................................................................................................................11

6. Arhitektura upravljačkog uređaja..................................................................................................12

7. VHDL rješenje................................................................................................................................16

8. Zaključak........................................................................................................................................17

LITERATURA:

J.Surutka,Osnovi elektrotehnike,Naučna knjiga,Beograd, 1992. H.Fazlagić,diplomski rad:mikrotalasna peć,Banja Luka Globalna mreža,Internet