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Las fuentes inverter en hornos de microondas Panasonic

Este artículo fue publicado en la revista Electrónica y Servicio Nº 211 edición Mexicana, y adaptado para publicar en Comunidad Electrónicos con la autorización de la editorial.
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Introducción

Por lo general, los hornos de microondas utilizan fuentes de tipo convencional para alimentar al magnetrón. Por eso son aparatos pesados y costosos; y para remediar esta situación, ahora dichas fuentes se están sustituyendo por fuentes conmutadas. De estas últimas hablaremos en el presente artículo; explicaremos cómo funcionan y cuáles son sus ventajas, para que usted tenga una mejor idea del servicio que necesitan.

En la parte frontal de los modernos hornos de microondas Panasonic, viene impresa la palabra Inverter. Estos equipos son muy ligeros, en comparación con los hornos "antiguos"; éstos llegaban a pesar varios kilos, concentrados en el extremo donde se localiza su respectivo panel de control.

El excesivo peso de los hornos tradicionales se debe, principalmente, a la presencia de un enorme transformador elevador de voltaje (figura 1). Este dispositivo toma la energía de corriente alterna (AC) de la red eléctrica, y la eleva a un rango de entre 2000 y 3000 voltios; y con este voltaje, el magnetrón genera la señal de microondas que hace que se calienten alimentos. Aunque este tipo de fuente de poder da resultados satisfactorios, existen factores que hacen que su operación sea poco eficiente. Por esto y por el hecho de que el transformador mencionado pesa mucho y es costoso, ya era más que difícil mantener relativamente bajos los precios de estos electrodomésticos.

Horno de microondas convencional

Ante este panorama, no faltó quien se preguntara si no sería posible hacer lo mismo que se ha hecho en el resto de la electrónica de consumo: sustituir las pesadas, estorbosas e ineficientes fuentes tradicionales, por modernas fuentes conmutadas (que son más pequeñas y ligeras, y se pueden diseñar para obtener un altísimo nivel de eficiencia). Precisamente es lo que hicieron los diseñadores de Panasonic con sus hornos tipo Inverter. Veamos esto con más detalle.

¿Cómo es la fuente convencional de un horno de microondas?

Para comprender las ventajas de los hornos de microondas dotados de una fuente tipo inverter, veamos primero cómo es la fuente de un horno tradicional. En la figura 2 tenemos el diagrama esquemático de este bloque. En el extremo izquierdo se localiza la entrada de AC, que llega directamente al primario del transformador de alto voltaje. Y en el embobinado secundario principal de este transformador, existe una tensión de aproximadamente 2000VAC; que es rectificada y filtrada para obtener aproximadamente 3000VDC, que se aplican a uno de los extremos del magnetrón.

Para favorecer la emisión de electrones, se usa un filamento que se alimenta con un segundo embobinado secundario y que produce una señal de alrededor de 3VAC. Al combinar el alto voltaje, la tensión en el filamento y la peculiar construcción de un magnetrón, se generan en este dispositivo unas microondas de aproximadamente 2.45GHz; ellas son "responsables" del calentamiento de los alimentos.
Como puede ver, esta fuente es extremadamente sencilla y directa. No obstante, tiene algunas desventajas:

1 - El transformador de alto voltaje tiene que ser grande y pesado, porque maneja una gran cantidad de energía. Un horno de 1000W de salida, fácilmente puede consumir más de 10A en su bobinado primario. Esto implica el uso de cables gruesos y embobinados muy pesados.

2 - Precisamente por su construcción tan directa, estos hornos no pueden regular su temperatura de operación. Entonces, sólo pueden funcionar en modo de potencia completa.

3 - Por lo señalado en el punto anterior, si se desea cocinar a una temperatura inferior, tiene que recurrir a un método de "magnetrón encendido-magnetrón apagado". Esto se hace por medio de un relé o relevador que es activado por la placa de control (figura 3). De manera que cuando ponemos a funcionar un horno convencional a una temperatura de cocción de menos de un 100%, se escucha claramente cómo el aparato comienza a encenderse y apagarse; lo hace para que el promedio del tiempo encendido coincida con el porcentaje de temperatura elegido por el usuario.

4 - La operación anterior es poco eficiente, porque ocasiona grandes pérdidas en el calor generado por el transformador de alto voltaje y el propio magnetrón. Y a causa de esto, aumenta el consumo energético del equipo. Además, como los relevadores encargados del control de la temperatura manejan muy altas corrientes, suelen dañarse con cierta facilidad.

Operacion de horno de microondas tradicional

Pese a todo, por la sencillez de las fuentes tradicionales y porque éstas emplean pocos componentes, los hornos "antiguos" rara vez tienen fallas en su operación; por lo menos, es raro que presenten fallas relacionadas con dichos elementos. Sin embargo, los recientes incrementos en el precio del cobre obligaron a los diseñadores a buscar el modo de prescindir de un transformador tan grande, pesado y costoso. Además, en muchos otros aparatos se había visto la conveniencia de usar fuentes de tipo conmutado; con transformadores pequeños y mucho más eficientes, ellas pueden producir altas potencias de salida.

Entonces, era lógico sustituir las fuentes convencionales de los hornos por fuentes conmutadas, también conocidas como inverters o inversores. Veamos cómo funcionan.

Diagrama de fuente inverter de horno de microondas

Diagrama de horno de microondas inverter

Principio de operación de una fuente tipo inverter

En la figura 4 se muestra el diagrama esquemático de una moderna fuente tipo inversor. Tal como en la figura 2, a la izquierda encontramos la entrada de AC. Ésta llega a un rectificador y un filtro, de los que sale un voltaje directo de aproximadamente 180V (en países con red eléctrica de 110~120VAC) o 300V (en países con rede eléctrica de 220VAC). Este voltaje se aplica directamente al primario del transformador; y en el otro extremo del embobinado, encontramos el dispositivo de control; en este caso, un IGBT (una mezcla de transistor bipolar y MOSFET, especial para manejar muy altas corrientes y voltajes).
Aquí, a diferencia de lo que sucede en las fuentes conmutadas tradicionales, este dispositivo no sólo se enciende y apaga; puede permanecer encendido, con el solo hecho de regular la cantidad de corriente que lo atraviesa.

Volvamos a ver el diagrama (figura 4). Notará usted también la presencia del condensador C701 en paralelo con el embobinado primario; y seguramente, comenzará a deducir el principio de operación de esta fuente:

En realidad, el embobinado primario y el condensador C701 forman un circuito resonante. Esto implica que entre ellos se genera un flujo de corriente de AC, con una frecuencia que puede oscilar entre 20,000 y 45,000 Hz (dependiendo de la conductividad del IGBT). Esta señal de AC se induce en los embobinados secundarios del transformador HV, donde, por una parte, encontramos un duplicador de voltaje (que se encarga de alimentar al cátodo del magnetrón); y, por otra, un embobinado mucho más pequeño (que sirve para generar los 3VAC necesarios para los filamentos).

La conductividad del IGBT se controla por medio del chip que se ve en la parte inferior de la figura 4. Este circuito se encuentra rodeado de todos los elementos que le ayudan a realizar dicha labor. En la figura 5 se muestra una fuente inversora típica; están señaladas sus partes principales.

Placa de fuente inverter

Para controlar el voltaje que se aplica al magnetrón (y, por consiguiente, su potencia de emisión), se modifica la frecuencia de resonancia del transformador HV; una frecuencia baja, implica una potencia máxima de salida; y una frecuencia alta, implica menor inducción y menor voltaje de salida. Todo esto se controla fácilmente, mediante el manejo del nivel de conductividad del IGBT. A su vez, esto permite controlar la potencia lineal (lo cual contrasta con el control por pulsos, que se hace en los hornos tradicionales).

A primera vista, se nota que esta fuente es mucho más compleja que la tradicional; y que posee muchísimos más componentes, que pueden tener fallas. A cambio de todo esto, ofrece múltiples ventajas:

Control de potencia

1 - Su operación es mucho más eficiente. Tiene menores pérdidas en forma de calor a través del transformador de alto voltaje.

2 - Como funciona a alta frecuencia, se reduce muchísimo el tamaño, peso y costo del transformador asociado.

3 - Manejando la frecuencia de resonancia del transformador, el voltaje inducido en sus secundarios puede controlarse; con ello, es posible aplicar más o menos voltaje al magnetrón; y por consiguiente, se generan valores intermedios de potencia de calentamiento. De esta forma se evita el uso del tradicional método de "encendido-apagado", que resulta tan poco eficiente (figura 6).

4 - Ciertamente, utiliza más componentes. Pero los chips y dispositivos electrónicos se han abaratado tanto en los últimos años, que es más económico construir una fuente de este tipo que poner un transformador tradicional.

Entonces, es evidente que los fabricantes han ganado en varios frentes: mejoraron la eficiencia energética del horno; le dieron la capacidad de proporcionar al usuario potencias de cocción intermedias, sin necesidad de encender y apagar repetidamente el magnetrón; redujeron el peso de los equipos, lo cual se traduce en menores costos de embalaje; y redujeron el costo de la fuente, lo cual se traduce en precios más accesibles para el consumidor.

Conclusiones

Las fuentes de tipo conmutado, o como en este caso, las de tipo inversor, han sido una verdadera "tabla de salvación" para los diseñadores electrónicos; y desde hace tiempo, producen fuentes que generan altos voltajes o altas corrientes de salida sin necesidad de que el transformador asociado sea un "monstruo" de proporciones inmanejables. Por lo demás, sólo era cuestión de tiempo para que estas fuentes llegaran a aparatos tan cotidianos como los hornos de microondas. Y este movimiento encabezado por Panasonic, seguramente pronto tendrá múltiples seguidores.
Entonces, que no le extrañe recibir en su taller un horno de microondas inusualmente ligero; de seguro, cuando lo abra, descubrirá que ya utiliza una fuente de tipo inversor. Pero con la información proporcionada en el presente artículo, usted ya sabe cómo funciona y tendrá una idea de lo que tiene que hacer para repararla.
Si tiene interés en profundizar en este tema, le recomiendo que adquiera el manual:
Cómo Reparar Hornos de Microondas con Fuente Conmutada (sistema inverter)

Ing. Leopoldo Parra Reynada
Revista Electrónica y Servicio


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