Микроволновая печь представляет собой бытовой электрический прибор, который встречается на кухне почти так же часто, как и холодильник. Однако микроволновое излучение, используемое в таких печах для приготовления пищи, представляет значительную опасность для здоровья человека. Поэтому в микроволновых печах используются особые конструктивные и схемотехнические решения для обеспечения безопасности работающего с ними человека. В этой статье рассматривается устройство запорного механизма дверцы микроволновой печи разных фирм-производителей и некоторые его неисправности.
Приготовление пищи происходит в рабочей камера микроволновой (СВЧ) печи под действием излучения частотой 2450 МГц. Рабочая камера представляет собой металлическую емкость, с одной стороны которой в нее вводится СВЧ излучение мощностью 500...1000 Вт, вырабатываемое магнетроном. Камера печи представляет собой идеальное место для образования стоячих волн (можно провести аналогию с акустическим резонатором), а значит, в ней будут ряд минимумов и максимумов электромагнитных колебаний, возникающих вследствие многократного отражения электромагнитных волн от металличе
ских стенок камеры. Причем, размещение в камере пищи приводит к образованию колебаний в области частот выше 2450 МГц. Спектр резонансных частот камеры СВЧ печи с пищей и без нее приведен на рис. 1.
Рис. 1. Резонансные частоты камеры СВЧ печи без загрузки и с загрузкой камеры
Из рисунка видно, что увеличение загрузки камеры приготавливаемым продуктом приводит к усложнению распределения электромагнитных полей в камере.
В камере появляется, кроме основных, ряд комбинированных колебаний, что способствует более равномерному распределению электромагнитной энергии в камере и, как следствие, улучшению равномерности прогрева продукта. В то же время значительное обогащение спектра электромагнитных колебаний усложняет задачу по недопущению их выхода за пределы микроволновой печи.
Воздействие СВЧ излучения на человека
Токи высокой частоты в диапазоне 900 МГц...300 ГГц (УВЧ и СВЧ) создают в воздухе излучение, имеющее ту же электромагнитную природу, что и рентгеновское и гамма-излучение. Но если более высокочастотное излучение (видимый свет) почти полностью поглощается кожей и не проникает внутрь организма, то излучение в диапазоне 900.3000 МГц (рабо
чий диапазон мобильных телефонов и СВЧ печей) проникает внутрь человеческого организма на 3.10 см. При этом возникает опасность внутренних ожогов, которые гораздо более опасны, чем внешние ожоги [1, 2].
Для бытовых микроволновых печей существует два стандарта уровней безопасного излучения:
- российский стандарт, который, как и европейский, предполагает, что уровень плотности излучения от печи не должен превышать 0,01 мВт/см2на расстоянии 0,5 м от печи;
- американский стандарт ANSI, который предлагает считать безопасным излучение с плотностью мощности 10 мВт/см2;
При этом для СВЧ печей этим стандартом устанавливается допустимой плотность мощности 5 мВт/см2 на расстоянии 5 см от печи. Расхождение между цифрами в 500 раз вызвано тем, что российский стандарт разрабатывали медики с точки зрения защиты здоровья людей, а американский - производители микроволновых печей с точки зрения удешевления своей продукции.
Клинические данные свидетельствуют, что уже при плотности мощности 60 мкВт/см2 - наблюдаются изменения в половых железах, в составе крови. Происходит помутнение хрусталика.
При дальнейшем увеличении интенсивности облучения происходят изменения в сворачиваемости крови, условно-рефлекторной деятельности, воздействие на клетки печени, изменения в коре головного мозга.
Микроволновая печь при выходной СВЧ мощности 800.900 Вт и открытой дверце создает интенсивность излучения до 5000 мкВт/см2, что крайне опасно.
Именно поэтому в СВЧ печах используется многоуровневая защита которая должна обеспечить отключение генерации микроволнового излучения при открытии дверцы печи.
Утечка энергии из камеры СВЧ печи и защита от нее
В камере бытовой печи имеются отверстия, предназначенные для ее вентиляции, освещения и т.д. Все эти отверстия можно считать источниками утечки СВЧ излучения. Поскольку толщина стенок камеры невелика, то можно условно принять ее равной нулю (по сравнению с длиной волны СВЧ колебаний, составляющих около 12 см) и рассматривать любое отверстие в камере не как волновод, а как диафрагму. Диафрагма может пропускать СВЧ излучение, если ее геометрические размеры больше, чем длина волны в камере печи. В противном случае имеет место эффективная экранировка электромагнитного излучения. В диапазоне частот излучения бытовых СВЧ печей заметная утечка происходит при превышении диаметра отверстия круглой формы в стенке печи величиной 10.15 мм. Сложнее обстоит дело с узкими щелями в камере печи, ширина которых значительно меньше длины волны излучения. Щель не излучает СВЧ энергию (независимо от ее длины), когда она расположена вдоль линий протекания тока в камере. Напротив, такие щели эффективно излучают, если они расположены поперек линий тока на поверхности камеры. Причем, замена одного большого отверстия на несколько маленьких, но имеющих такую же площадь, заметно уменьшает уровень излучения за пределами камеры печи. Значительное увеличение излучения происходит, если через диафрагму, даже небольшого диаметра, проходит провод, либо любой другой металлический предмет
Основным источником утечки СВЧ энергии из камеры печи служит дверца печи. Ситуация усугубляется тем, что именно со стороны дверцы находится пользователь. Таким образом, к конструкции дверцы печи предъявляются взаимопротиворечащие требования:
1. Легкость доступа к пище, находящейся внутри печи и обеспечение при этом защиты пользова
теля от облучения, даже если дверца открылась в процессе приготовления пищи.
2. Удобство наблюдения за процессом приготовления пищи.
3. Тщательная экранировка СВЧ излучения и недопущение его утечки из камеры.
Первое требование решается особой конструкцией запорной системы дверцы печи и применением трех, а в хороших печах - четырех выключателей защиты и блокировки.
Для выполнения второго и третьего требований используется специальная многорамочная конструкция дверцы.
Рис. 2. Конструкция дверцы печи, где А01 - рамка дверцы; А02 - пластина из акрила; А03 - держатель; А04 - петля дверцы со стопором; А05 - сварная рамка; А06 - пластина из полиэстера; А07 - уплотнитель; А08 - рычаг; А09 - пружина рычага
Конструкция дверцы СВЧ печи "Daewoo KOG-37050S" приведена на рис. 2.
В дополнение на рис. 3 приведена конструкция дверцы печи "Samsung CE101KR" в разобранном виде.
Рис. 3. Конструкция дверцы печи "Samsung CE101KR", где 1 - рамка дверцы; 2 - стекло дверцы; 3 - сборка дверцы; 4 - уплотнитель; 5 - толкатель выключателей; 6 - пружина; 7 - фиксирующие штыри; 8 - двухсторонние держатели
Как видно из рис. 2 и 3, смотровое окно дверцы печи перекрывается перфорированным металлическим листом. Все отверстия в этом листе играют роль запредельных диафрагм и должны минимизировать утечку СВЧ. При этом размеры отверстий либо пазов в дверце печи не превышают 2.3 мм.
Более сложно обеспечивается отсутствие утечки СВЧ по контуру дверцы. Между шасси печи и ее дверцей всегда имеются щели,
размер которых неизбежно увеличивается в процессе ее эксплуатации. То есть здесь создаются более чем благоприятные условия для значительной утечки радиации.
Чтобы решить эту проблему, используется метод так называемого "полуволнового шунтирования". Смысл его сводится к тому, чтобы из двух четвертьволновых отрезков создать короткозамкнутую полуволновую линию, в которой поле может существовать только в виде стоячей волны (см. рис. 4).
Рис. 4. Принцип полуволнового шунтирования
Для этого в дверце печи изготавливается специальный четвертьволновый паз. Как следует из рис. 4, вдоль паза и зазора будет находиться "ноль" электромагнитной волны, что исключает излучение СВЧ энергии за пределы камеры печи. Ослаблению просачивания СВЧ энергии наружу будет дополнительно способствовать также значительная разница в геометрических размерах - четверть длины основной рабочей волны печи составляет около
30 мм, а размер зазора - обычно около 0,1...0,2 мм. Это позволяет отказаться от непосредственного электрического контакта между дверцей и камерой печи. Для того, чтобы ситуация не ухудшилась от внезапно возникшего электрического контакта между дверцей и камерой печи (и вызванного им искрения), дверцу тщательно изолируют несколькими слоями лака. Однако метод полуволнового шунтирования хорошо работает только на определенной рабочей частоте. Как уже отмечалось, в камере СВЧ печи присутствует широкий спектр электромагнитных колебаний. В связи с этим, добиться указанным методом полного отсутствия утечки СВЧ радиации из микроволновой печи невозможно.
Рис. 5. Проверка зазора дверцы печи
При проведении ремонтных работ важно после снятия-установки дверцы печи убедиться в параллельности дверцы и шасси печи (см. рис. 5). Размеры "а" должны быть одинаковы и составлять 0,1...0,2 мм. При необходимости производят регулировку дверцы. Устанавливают дверцу так, чтобы не было люфта между внутренней поверхностью дверцы и шасси печи. Люфт следует проверять также периодически в процессе эксплуатации печи.
Если дверца установлена неверно, возможна опасная для здоровья человека утечка СВЧ радиации.
Измерение уровня утечки микроволновой энергии выполняют в следующей последовательности:
- устанавливают чашу объемом 600 мл, содержащую 275±15 мл холодной воды в центр поворотного стола печи;
- настраивают измеритель утечки (типа ПО-1, либо Holay H1-1500, либо Hi-1501 либо Nadra
8100/8200) на частоту 2450 МГц и калибруют его в соответствии с инструкцией изготовителя;
- измеряя утечку, всегда держат зонд прибора на расстоянии 50 мм от измеряемой поверхности;
- включают печь в режим работы с максимальной мощностью.
При измерении микроволнового излучения следует держать зонд перпендикулярно исследуемой поверхности (см. рис. 6).
Рис. 6. Измерение утечки СВЧ излучения из камеры печи
Следует передвигать зонд вдоль заштрихованной поверхности. Скорость перемещения зонда при этом не должна превышать 25 мм/с.
Работа СВЧ печи в разных режимах
Для защиты потребителя от микроволнового излучения в СВЧ печи используется специальный запорный механизм с тремя или четырьмя выключателями:
• PRIMARY SWITCH - первичный выключатель;
• SECONDARY SWITCH - вторичный выключатель;
• DOOR SWITCH - дверной выключатель;
• MONITOR SWITCH - защитный выключатель.
При работе печи подача сетевого напряжения на высоковольтный трансформатор питания магнетрона происходит только при замыкании контактов первичного и вторичного выключателей (при закрывании дверцы).
Дверной выключатель преимущественно используется в печах с электронным управлением и служит для блокирования работы реле
регулирования мощности печи. Контакты реле размыкаются и обесточивают высоковольтный трансформатор.
Защитный выключатель при закрывании дверцы печи переключается первым. При открытой дверце печи его контакты шунтируют первичную обмотку высоковольтного трансформатора.
Если дверца печи закрыта, то защитный выключатель печи разомкнут. Этот выключатель создает короткое замыкание питающего сетевого напряжения, чтобы сжечь сетевой плавкий предохранитель номиналом 10.16 А при опасной для человека работе печи с открытой дверцей, когда продолжается генерация СВЧ излучения (например, если контакты первичного и вторичного выключателя по какой-то причине не разомкнулись и не обесточили цепь).
Во всех фирменных инструкциях по обслуживанию СВЧ печей имеется следующее предупреждение:
"Для обеспечения постоянной, надежной защиты от микроволновой радиации, производите замену частей запорного механизма в соответствии с принципиальной электрической схемой печи. Используйте только указанные производителем типы выключателей.
В первую очередь это касается первичного, дверного (или вторичного в других типах печей) и защитного выключателей. Если возникла необходимость заменить хотя бы один из этих выключателей, следует заменять их все одновременно. После чего следует произвести настройку положения переключателей".
Работа защитной системы печи с электронным управлением
Рассмотрим работу систем защиты на примере модели "LG MC-804A". В обычном режиме в печи с электронным управлением после нажатия кнопки "Старт"(время приготовления пищи и выходная мощность печи заданы, дверца печи закрыта) контакты первичного и вторичного выключателей замыкают цепь и питающее напряжение 220 В поступает на высоковольтный трансформатор питания магнетрона (см. рис. 7).
Рис. 7. Работа печи с электронным управлением в обычном режиме
В этом режиме:
- двигатель поворотного подноса печи и циркуляционный двигатель включены;
- вентилятор включен и охлаждает магнетрон потоком воздуха, который поступает через отверстия в задней стенке;
- поток воздуха также направляется внутрь печи через основную и заднюю решетки, чтобы выпустить образующиеся при работе печи пары.
Если дверца печи открылась во время приготовления пищи, то при этом размыкаются первичный и вторичный выключатели. Они прерывают подачу напряжения на высоковольтный трансформатор, что приводит к прекращению СВЧ генерации.
В случае, если дверца открыта и контакты первичного выключателя и реле 2 и/или вторичного выключателя замкнуты, произойдет срабатывание защиты. При открывании дверцы контакты защитного выключателя замкнутся. При этом сетевой предохранитель печи окажется под действием большого тока, вызванного замыканием первичной обмотки высоковольтного трансформатора защитным выключателем, фактически к нему будет приложено питающее сетевое напряжение (см. рис. 8). Предохранитель перегорает, прекращается генерация СВЧ магнетроном.
Рис. 8. Работа печи с электронным управлением при открытии дверцы печи
Работа защитной системы печи с электромеханическим управлением
Рассмотрим работу защиты на примере модели "LG МН-592А".
В обычном режиме работы печи задана выходная мощность и время приготовления пищи. Контакты таймера замыкаются, когда поворачивается его рукоятка (регулятор мощности установлен в положение "Полная мощность"). После закрывания дверцы печи контакты первичного и вторичного выключателей замыкают цепь.
Рис. 9. Работа печи с электромеханическим управлением в обычном режиме
Питающее напряжение 220 В поступает на повышающий трансформатор (как стрелками показано на рис. 9).
При открывании дверцы печи во время приготовления пищи размыкаются первичный и вторичный выключатели. Они прерывают подачу напряжения на высоковольтный трансформатор, что приводит к прекращению СВЧ генерации.
Рис. 10. Работа печи LG с электромеханическим управлением при открытии дверцы печи
Если при открытии дверцы контакты первичного и вторичного выключателя остались замкнуты, то замыкаются контакты защитного выключателя и перегорает предохранитель печи. После этого прекратится генерация микроволнового излучения магнетроном (рис. 10).
В печах фирмы SAMSUNG с электромеханическим управлением используется несколько иная схема включения защитного выключателя (рис. 11).
Рис. 11. Работа печи SAMSUNG с электромеханическим управлением при открытии дверцы печи
В печах некоторых типов используются защитные выключатели с контактами не на замыкание, а на переключение (см. рис. 11, 12). В этом случае генерация СВЧ невозможна при неполном нажатии защитного выключателя. То есть в состоянии, когда при закрытой дверце его нормально замкнутые контакты разъединились, но нормально разомкнутые не замкнулись, предохранитель печи останется цел, однако магнетронный генератор работать не будет. На рис. 12 показана работа печей МН-592А и МН-593А фирмы LG с электронным управлением при открытии дверцы печи и оставшимся при этом замкнутым первичным выключателем.
Рис. 12. Работа печи фирмы LG с электронным управлением при открытии дверцы печи
Таким образом, микроволновая печь генерирует СВЧ излучение, если после закрытия ее дверцы оказались замкнуты:
- первичный выключатель;
- вторичный выключатель;
- дверной выключатель (для печей с электронным управлением).
При этом защитный выключатель должен быть разомкнут.
Методика уменьшения зазора между уплотнителем дверцы печи и камерой
Эта регулировка крайне важна, поскольку уменьшает утечку СВЧ из камеры печи. Регулировку следует производить при обнаружении неплотностей прилегания дверцы печи и также при обнаружении повышенной утечки СВЧ из печи. Рассмотрим методику регулировки защитных выключателей для печей фирм LG, Daewoo и Samsung.
Регулировка запорного механизма печей LG
Монтаж первичного, защитного и вторичного выключателей на щеколде печи с электронным управлением типа MC-804AR показан на рис. 13.
Рис. 13. Защитные выключатели печи MC-804AR
Стрелками указано направление перемещения переключателей для установки их в правильное положение.
При установке и настройке щеколды следует:
- установить щеколду в сборе на шасси печи;
- установить щеколду в такое положение (направления указаны стрелками на рис. 13), чтобы не было никакого люфта при закрытой дверце печи;
- затянуть монтажные винты;
- проверить ход дверцы при плавном, но не полном нажатии на кнопку открывания дверцы. Люфт дверцы должен быть менее 0,5 мм.
Примечание. Не нажимать на кнопку дверцы во время регулировки положения выключателей запорной системы.
Проследите за тем, чтобы щеколда после регулировки перемещалась плавно и ее крепежные винты были затянуты. Обратите внимание на то, чтобы первичный, защитный и вторичный выключатели работали исправно: при открывании дверцы вначале должны размыкаться первичный и вторичный выключатели, а только затем замыкаться контакты защитного выключателя.
Рис. 14. Регулировочные зоны для печей DAEWOO
Регулировка запорного механизма печей DAEWOO
Рассмотрим регулировку на примере печи с электронным управлением типа KOC-995T0S. Регулировка производится отдельно для четырех условных зон печи, которые обозначены на рис. 14 буквами A, B, C, D.
Уменьшение зазора в зоне А
1. Ослабляют два винта крепления верхней петли дверцы.
2. Нажимают на верхнюю часть дверцы так, чтобы уплотнитель дверцы плотно прилегал к поверхности камеры печи.
3. Закручивают два винта верхней петли дверцы.
Уменьшение зазора в зоне В
1. Ослабляют два винта крепления нижней петли дверцы.
2. Нажимают на нижнюю часть дверцы так, чтобы уплотнитель дверцы плотно прилегал к поверхности камеры печи.
3. Закручивают два винта нижней петли дверцы.
Уменьшение зазора в зоне С
1. Ослабляют винт крепления сборки вторичного и защитного выключателей, который расположен в дне шасси печи (см. левую часть рис. 15).
Рис. 15. Регулировка зазора в зоне С
2. Задвиньте сборку из вторичного и защитного выключателя настолько глубоко внутрь печи, как только позволяет нижний крючок защелки дверцы печи.
3. Затяните винт крепления.
Уменьшение зазора в зоне D
1. Ослабляют винт крепления первичного выключателя, расположенный в верхней части шасси печи. (см. правую часть рис. 15).
2. Задвигают первичный выключатель настолько глубоко внутрь печи, как только позволяет верхний крючок защелки дверцы печи.
3. Затягивают винт крепления.
Рис. 16. Конструкция запорного механизма фирмы DAEWOO
После окончания регулировки дверцы проверяют правильность последовательности переключения первичного, вторичного и защитного выключателей при открывании и закрывании дверцы печи, как указано выше. Допустим небольшой зазор между уплотнителем дверцы и камерой печи, если уровень СВЧ утечки не превышает 4 мВт/см2.
В печах DAEWOO применяется также конструкция запорного механизма,показанная на рис. 16. Ее регулировка производится аналогично описанному выше. Регулировка запорного механизма печей фирмы Samsung
В печах SAMSUNG вторичный выключатель называется "дверной выключатель". В печах с механическим управлением он коммутирует цепь подачи питающего напряжения на высоковольтный трансформатор, а в печах с электронным управлением его замкнутые контакты включают реле регулировки мощности печи. Типовая принципиальная электрическая схема печи SAMSUNG с электронным управлением приведена на рис. 17.
Рис. 17. Принципиальная электрическая схема печи SAMSUNG с электронным управлением
Рис. 18. Устройство запорной системы печей SAMSUNG (вариант 1)
В печах SAMSUNG используется несколько вариантов конструкции запорного механизма, различающихся также и расположением дверных выключателей. Варианты устройства запорной системы приведены на рис. 18-21.
Рис. 19. Устройство запорной системы печей SAMSUNG (вариант 2)
Рис. 20. Устройство запорной системы печей SAMSUNG (вариант 3)
Рис. 21. Устройство запорной системы печей SAMSUNG (вариант 4)
После замены дверных выключателей печи следует настроить их положение в соответствии с изложенной ниже процедурой. После подстройки положения переключа
телей проверяют правильность их срабатывания в соответствии с таблицей.
Процедура настройки положения выключателей
1. Выключатели следует установить так, как показано на рис. 1821. При этом специальная настройка не требуется.
2. При монтаже защелки на шасси печи следует передвинуть защелку в такое положение, чтобы дверца печи плотно запиралась без люфта. Перед окончательным закреплением дверцы проверяют ее на отсутствие люфта, подергав дверцу в разные стороны. После настройки положения защелки все выключатели должны легко включаться. Теперь можно окончательно затянуть крепежные винты.
3. Отсоединяют провода от защитного выключателя и проверяют его сопротивление, а также остальных выключателей при открытой и закрытой дверце на соответствие с приведенными в таблице.
Сопротивление между контактами выключателей
Сопротивление | ||
Выключатель | Дверца открыта | Дверца закрыта |
Первичный | ∞ | 0 Ом |
Защитный (COM-NC) | 0 Ом | ∞ |
Защитный (COM-NO) | ∞ | 0 Ом |
Дверной | ∞ | 0 Ом |
4. Убеждаются в том, что зазор между кнопкой выключателя и его толкателем не превышает 0,5 мм при закрытой дверце.
Устранение неисправностей запорной системы
Сетевой предохранитель печи бессистемно перегорает при открывании или закрывании дверцы. В остальном печь работает нормально. Причем после замены предохранителя печь может нормально работать продолжительное время, при очередном открывании дверцы предохранитель снова перегорает.
Это дефект связан с нарушением последовательности переключения контактов выключателей дверцы печи при открывании/закрывании дверцы. Защитный выключатель печи должен срабатывать первым при закрывании дверцы и последним - при ее открывании. Если этого не произойдет и переключатель сработает, когда еще не разомкнулись контакты первичного и вторичного выключателя, то через уже переключившиеся контакты защитного выключателя сетевое напряжение окажется приложенным к предохранителю печи и тот перегорит.
Установить причину можно, включив последовательно с сетевым шнуром печи лампу накаливания 60 Вт/220 В. Если при закрывании/открывании дверцы печи (это надо делать многократно и с разной скоростью) лампа вспыхнет, значит защитный выключатель срабатывает неправильно и "сжигает" предохранитель печи.
Сложность локализации подобного дефекта состоит в том, что при наличии в запорном механизме печи люфта он может проявляться с различной периодичностью. Поэтому недостаточно просто закрепить "болтающийся" на своем посадочном месте выключатель. Следует проверить крепление всех выключателей дверцы печи, устранить люфт в запорном механизме, а также проверить зазоры между дверцей печи и ее корпусом.
Частой причиной подобной неисправности бывают поломки пластиковых упоров выключателей. При этом выключатель болтается на своем месте. Устранить дефект можно не только заменой щеколды, но и фиксацией выключателя в пластиковой конструкции посредством вплавления паяльником отрезков одножильного провода нужной длины.
Иногда в запорном механизме используется механический демпфер, обеспечивающий задержку переключения защитного выключателя на 0,5.1 с после открытия дверцы печи. Поломка пружин демпфера или их отсутствие также приводит к указанной неисправности.
В заключение необходимо отметить, что неправильное срабатывание переключателей может быть вызвано их загрязнением.
В печи включается лампа подсветки, работает двигатель вращающегося подноса, но генерация СВЧ отсутствует. Причем периодически печь не включается вовсе, а иногда работает совершенно нормально
Возможно несколько причин подобной неисправности:
1. Периодически не срабатывают выключатели дверцы печи. Если не замыкаются контакты вторичного (дверного) выключателя, то двигатель и лампа печи будут включаться, а на высоковольтный трансформатор напряжение поступать не будет и, соответственно, будет отсутствовать генерация СВЧ. Поэтому вначале следует проверить исправность и правильность работы дверных выключателей.
2. Неправильное функционирование блока управления печи. Самая простая причина этого - заниженная величина питающего напряжения блока управления.
Литература
1. Ф. В. Соркин. Защита пользователя от электромагнитных полей. Киев, 1998 г
2. П. С. Довгаль. Защита от электромагнитных полей. Киев, 1998 г
3. Г.С. Сапунов. Ремонт микроволновых печей. М., "Солон-Р", 2000 г.
Автор: Александр Саулов (г. Киев, Украина)
Источник: Ремонт и сервис