Halbleiter ersetzen Magnetrons in Mikrowellenherden

Bild 1: Funktionsschema eines herkömmlichen Mikrowellenherdes (links) und der Halbleitervariante (rechts). Ampleon

Die 60-jährige Regentschaft des Magnetrons als primäre Energiequelle in einem Mikrowellenherd neigt sich langsam dem Ende zu. Die Hochfrequenzerzeugung über Leistungshalbleiter ist effiziernter und feiner dosierbar. Sperrige Komponenten wie Trafo, Mognetron und Drehantriebe entfallen, der Lüfter wird kleiner und leiser und die raumsparenden Halbleiterbausteine ermöglichen neue Geräte-Designs, wie der nachfolgende Beitrag erörtert.

Eigenarten von Magnetrons

Zunächst ist der Rückgang der Leistungsausbeute des Magnetrons im Laufe der Zeit ärgerlich. Typischerweise verringert sich die dessen Ausgangsleistung innerhalb von drei bis vier Jahren um beachtliche 30 Prozent. Eine solche Verschlechterung trifft sowohl auf industrielle als auch auf Haushaltsherde zu. Nur wenige Menschen bemerken, dass die Zubereitung derselben Speise zunehmend länger dauert, wenn der Herd älter wird.

Häufig sind Benutzer einer Magnetron-gespeisten Mikrowelle enttäuscht, weil das Essen nicht gleichmäßig gegart wird. Durch Interferenzen und eine schlechte Verteilung der HF-Energie im Garraum entstehen in den Speisen zu stark oder zu wenig gegarte und teilweise sogar rohe Bereiche. Das ist der auch der Grund, weshalb Mikrowellen selten zum Kochen von rohem Fleisch verwendet werden, sondern letztlich nur zum Erwärmen oder zum Auftauen von Speisen dienen.

Ein weiterer Nachteil ist, dass ein Magnetron eingeschaltet nur die volle Ausgangsleistung liefern kann, so dass sich Zwischenstufen lediglich als Mittelwert des Ein-Ausschalt-Verhältnisses realisieren lassen. Zum Beispiel könnte ein 900-Watt-Herd bei Betrieb mit 90 Watt fünf Sekunden lang 900 Watt erzeugen und dann fünfundvierzig Sekunden lang abgeschaltet bleiebem. Beim Kochen größerer Mengen ist es wichtig, ausreichend viel Zeit zur Wärmeleitung vorzugeben, damit die Kerntemperatur auf einen sicheren und genießbaren Pegel ansteigt. Diese ausreichende Zeit ist bei einem Magnetron genauso wichtig für gleichmäßige Durchwärmung wie bei herkömmlichen Erwärmungsprozessen. Leider ist der formale Test der Leistungsfähigkeit einer Mikrowelle nach IEC 705 veraltet, denn er bewertet lediglich die Fähigkeit des Geräts, eine Kanne mit einem Liter Wasser zu erwärmen, die mittig im Garraum des Ofens steht.

Ablösung durch Leistungshalbleiter

Im Catering, im Haushalt aber auch im industriellen Umfeld scheinen Leistungshalbleiter-Bausteine (Solid-State) zur Erwärmung über Hochfrequenz die meistversprechende Alternative zu sein.

Bild 1 zeigt die elementaren konstruktiven Unterschiede zwischen einem herkömmlichen Mikrowellenherd und dem Halbleiter-Äquivalent. Es ist nicht nötig, in einem Halbleiter-Herd eine hohe Spannung (4 kV) zu erzeugen und ohne die vielen sperrigen mechanischen Teile sind sie wesentlich leichter. Der Einsatz von Halbleiterbausteinen bedeutet insbesondere, dass sich die Leistungsabgabe über die Zeit nicht verschlechtert, wogegen die Lebensdauer des in industriellen Herden verwendeten Magnetrons ein Hauptproblem darstellt. Wenn das Magnetron ausfällt, müssen Restaurants auf einen Ersatz warten, während vergleichbare Halbleiterelemente für einen kontinuierlichen Betrieb über 20 Jahre entwickelt und leichter verfügbar sind.

Zuallererst und insbesondere sind Solid-State-Öfen in der Lage zu erkennen, welche Art von Lebensmittel sich im Garraum befindet. Diese Öfen der Zukunft werden sowohl die Frequenz als auch die Phase und die Ausgangsleistung maßgenau so einstellen können, wie sie zum Kochen einer speziellen oder sogar mehrerer in den Garraum gestellter Speisen passen. Das wiederum ermöglicht die Zubereitung von delikaterem Essen, wobei sowohl der Feuchtigkeitsgehalt als auch der Nährstoffgehalt erhalten bleiben und das Essen folglich schmackhafter und gesünder ist. Es können Leistungsprofile für übliche Lebensmittel und Fertiggerichte entwickelt werden.

Bild 2: Die roten und weißen Kurven stellen die Rückflussdämpfung für jeden Port dar – eine nützliche Methode zur Quantifizierung der im Garraum absorbierten Energie. Die grünen Kurven zeigen die kombinierte zusammengesetzte Rückflussdämpfung. Ampleon

Fein dosierbare Leistungsabgabe

Die Leistungsabgabe eines Solid-State-Ofens ist darüber hinaus linear variierbar und gewährleistet so eine wesentlich bessere Regelung, die entweder linear oder durch Verwendung einer PWM-Technik (Pulsbreitenmodulation) zu erreichen ist. Im Gegensatz zum Einsatz eines einzigen Magnetrons können Solid-State-Öfen die Abstrahlung der Energie über entweder zwei oder vier Antennen oder Kanäle erreichen. Dieser Lösungsansatz erlaubt die Energieverteilung in genaueren Mustern über den ganzen Garraum hinweg, und zwar durch Änderung der Energiephasen auf jedem Kanal. Magnetron-Röhren gibt es nur mit 1 kW, wohingegen Halbleitergeräte mit geringerer Leistung für eine Art von Tischgeräten entwickelt werden können. Der Designer von weißer Ware erhält durch die Solid-State-Technologie wesentlich mehr Freiheit im Design.

Die Möglichkeit, die von dem zu kochenden Essen im Garraum reflektierte Energiemenge zu überwachen, ist das entscheidende Unterscheidungsmerkmal eines Solid-State-Kochvorgangs. Diese unablässige Überwachung des Kochvorgangs ist optimal, weil sich die Zusammensetzung der Nahrungsmittel während des Kochens verändert. Durch eine adaptive Änderung von Frequenz, Phase und Leistung können Algorithmen zum Einsatz gebracht werden. Dabei erweist sich, dass verschiedene Speisen sich unterschiedlich erhitzen, abhängig von der Frequenz und der Phase der eingesetzten Strahlung. Dies lässt sich testen, indem man zwei verschiedene Kostproben in einen Standard-Garraum stellt, in diesem Fall mit vier Antennen, und verschiedene Frequenzen anlegt. Die roten und weißen Kurven in Bild 2 stellen die Rückflussdämpfung für jeden Port dar – eine nützliche Methode zur Quantifizierung der im Garraum absorbierten Energie. Die grünen Kurven hingegen zeigen die kombinierte zusammengesetzte Rückflussdämpfung.

Ein adaptiver Algorithmus gart schonender

Bild 3: Unter gleichmäßiger Verwendung aller Frequenzen gart ein Pfannkuchenteig unregelmäßiger (links) als unter Einsatz eines adaptiven Erwärmungs-Algorithmus, wodurch der gesamte Pfannkuchen homogener gebacken wird (rechts). Ampleon

In einem anderen Beispiel wurden in einem Test-Halbleiterofen unterschiedliche Profile zum Backen von Pfannkuchenteig entwickelt. Dabei wurde das Spektrum zunächst gleichmäßig über alle Frequenzen verwendet, und danach durch adaptive Rückkopplung nur Betriebsarten mit sehr gutem Leistungserhalt.

In Bild 3 ist ein dicker Pfannkuchenteig dargestellt, der unter gleichmäßiger Verwendung aller Frequenzen (links) erhitzt wurde, und (rechts) unter Verwendung eines adaptiven Erwärmungs-Algorithmus, der mithilfe einer Voreinstellung nur die besten Betriebsarten für effizienten Leistungserhalt im Garraum einsetzt. Der auf effiziente Kopplung der Energie voreingestellte Algorithmus erhitzt die Mitte des Teigs am direktesten und bewirkt, dass die Mitte schneller fertig wird als die Ränder. Beim Algorithmus, der alle Frequenzen verwendete, wurde der gesamte Pfannkuchen gleichzeitig gebacken. Ein solches Rückkopplungssystem lässt sich zudem zur Kompensation der Art und Weise verwenden, in der viele Speisen wie beispielsweise Hamburger ihre Absorptions-und Feuchtigkeitskennwerte während des Kochens verändern.

Lebensmittelverpackungs-RFID kommuniziert Kochprofil

Mithilfe einer Solid-State-Kochmethode wird das Essen schneller erhitzt als mit einem herkömmlichen Magnetron. Besonders für kommerzielle und industrielle Anwendungen stellt das ein entscheidendes Wertangebot in Richtung der Verwendung der Halbleitertechnologie dar. In einigen bei Ampleon-Kunden durchgeführten Versuchen erwies sie sich als ungefähr 30 Prozent schneller.

Dadurch, dass sich die Kochanforderungen genauer vorausberechnen lassen, werden Halbleiter-Kochtechniken voraussichtlich eine ganze Flut neuer Food-Service-Konzepte auslösen. Die Anbieter von Fertiggerichten, ob nun für Großverbraucher oder für den Einzelhandel, werden auf der Verpackung genau das erforderliche Kochprofil angeben können. Um das Konzept noch einen Schritt weiter zu treiben: Fleischverpackungen könnten mit einem RFID-Chip oder einen QR-Strichcode versehen sein, den der Ofen auslesen könnte, um auf diese Weise eine präzise Kochinformation zu erhalten, damit das gegarte Fleisch so viel Textur und Geschmack wie möglich beibehält; außerdem ist jedes so gegarte Fleisch gleich gut gegart. Natürlich zeigen die Food-Service- und die Fast-Food-Branchen hohes Interesse an den vorhersagbaren, zuverlässigen und schnellen Ergebnissen von Solid-State-Öfen.

Referenzdesign für den Schnelleinstieg

Bild 4: Microblaze 250 leistet 250 W bei 2,4 bis 2,5 GHz und kann direkt in Endprodukte integriert werden. Ampleon

Als Schnelleinstieg für den Entwickler oder auch als fertige Leistungskomponente im Endprodukt bietet Ampleon ein Referenzdesign an. Mit Abmaßen von gerade mal 80 × 40 × 5 mm³ ist Microblaze 250 eines der kleinsten Referenzboards seiner Art und leistet 250 W im Frequenzbereich von 2,4 bis 2,5 GHz. Es eignet sich für Mikrowellenkochanwendungen und industrieelle Heizprozesse, wo eine exakte Leistungsregelung wie auch ein modularer Aufbau Schlüsselkriterien sind.

Microblaze 250 basiert auf der LDMOS-Technologie und besteht aus einer Kupferplatine mit kostenoptimierten PCB-Materialien, bestückt mit dem Leistungstransistor BLP27M810 und dem Leistungsverstärker BLC2425M9XS250 im ACP-3-Air-Cavity-Gehäuse. Das Referenzboard ist bezüglich Verstärkung und Leistungseffizienz optimiert und kann direkt in Endprodukte integriert werden. Betrieben mit 32 V_DC nimmt es 20 A auf und arbeitet bei Temperaturen von 5 bis 100 °C.

Die Nachteile des Magnetrons umgehen

Mikrowellenöfen von heute lassen eine Menge Wünsche offen. Ihre Fähigkeit Lebensmittel zu erhitzen, hängt von ihrem Alter, der Temperatur des Magnetrons, der Art der zu erhitzenden Speisen und dem Muster der Stehwellen ab, die durch Wechselwirkung zwischen der Quelle, dem Essen und dem Garraum entstehen.

Der Übergang auf Halbleiter-Hochfrequenz-Erhitzung in Verbindung mit vielen fortschrittlichen Techniken, die ursprünglich für die Kommunikationsindustrie entwickelt wurden, versetzt Entwickler in die Lage, viele der Nachteile des Magnetrons zu umgehen. Mit ihrer Hilfe werden die Entwickler von Haushaltsgeräten viel ausgereiftere, adaptive Techniken zur Erhitzung sowie neue (stromsparende) Kochgeräte entwickeln können, welche die Art und Weise, wie wir kochen und essen, verändern könnten.

(jwa)