2 - Four à micro-ondes - Comment ça marche?

La cuisson d'un aliment, c’est quoi ? C’est sa transformation chimique par la chaleur.

La cuisson permet de modifier le goût, la saveur, l'aspect, la couleur, la texture, le volume, le poids, ou les qualités nutritives de l'aliment. Elle modifie sa structure chimique et physique et peut ainsi le rendre assimilable, nourrissant ou plus savoureux, et élimine parfois la toxicité

L’exposition de la nourriture à une source de chaleur (feu, chaleur d’une résistance électrique…) va entraîner des réactions entre ses composants. Ainsi, la réaction de Maillard consiste en une interaction entre les sucres et les protéines, qui donne son goût à votre rôti !

Mais qu’est-ce que c’est que la chaleur, du point de vue de la physique ? C’est le niveau d’agitation des molécules ou des atomes… Une molécule totalement immobile a une température équivalente au zéro absolu, c’est-à-dire moins 273°C ! Alors que les molécules de dioxygène qui flottent dans une maison gigotent à environ 500 mètres par seconde

Un four à micro-ondes, ou plus simplement un micro-ondes, est un appareil électroménager utilisé principalement pour le chauffage et la cuisson rapide d'aliments, par l'agitation des molécules d'eau qu'ils contiennent, sous l'effet d'un rayonnement micro-onde.

Les micro-ondes sont un type d'onde situées entre les ondes radio et le rayonnement infrarouge sur le spectre électromagnétique. Dans le cas des fours à micro-ondes, la fréquence d'onde couramment utilisée est d'environ 2 450 mégahertz (2,45 gigahertz).

Le champ électromagnétique (2450 MHz) développe une intense agitation des molécules d'eau qui oscillent au passage des micro-ondes. La chaleur est générée par la friction des molécules d'eau entre elles. Cet effet thermique est donc le résultat de l'interaction des micro-ondes avec les molécules d'eau.

La pénétration des micro-ondes dans les denrées alimentaires est liée à la puissance de l'émetteur. L'action thermique directe est très intense en surface et dans les premières couches. La pénétration diminue progressivement avec l'épaisseur.

Ces ondes possèdent également une autre propriété intéressante : elles ne sont pas absorbées par la plupart des plastiques, du verre ou de la céramique. Le métal réfléchit les micro-ondes, ce qui explique pourquoi les casseroles en métal ne fonctionnent pas bien dans un four à micro-ondes.

C'est également la raison pour laquelle ces appareils ont des parois métalliques, pour la réflexion.

Fig 1 Le diagramme permet de comprendre le fonctionnement des fours électro mécanique utilisé par la plupart des fabricants à quelques options près comme les combinés, les fonctions grill, qui embarquent des résistances supplémentaires.

Le circuit électrique est constitué de 3 parties: la platine d'alimentation Fig 2 reliée à la prise de courant. Il s'agit d'une petite carte électronique en entrée dotée d'un fusible, et de quelques composants de filtrage, c'est l'alimentation générale du four.

L'alimentation électrique passe ensuite par une série de système de sécurité: surchauffe, porte. Le circuit alimente également une lampe qui éclaire la cavité, le moteur qui entraîne le plateau tournant, le moteur du ventilateur de refroidissement du magnétron ainsi que la platine de commande permettant de piloter l'appareil. Fig 3

Une fois filtrée et sécurisée, l'alimentation est reliée à la haute tension. C'est la troisième partie composée d'un transformateur, d'un condensateur et d'une diode qui sont relié au magnétron, pièce maîtresse de l'appareil.

La minuterie électromécanique permet de sélectionner la durée et les modes de cuisson. Elle se compose d’un micro moteur et de 2 systèmes mécaniques. Un système de came gère le contact de variateur de puissances. Un système d’engrenage gère le contact de durée de la cuisson.

Le micro moteur est de type synchrone alienté en 230V. La résistance de l’enroulement est l’ordre de plusieurs ΚΩ.

Le circuit de puissance est composé d'un transformateur à trois enroulements (230V / HT – BT). Le secondaire du transformateur délivre une tension de 1600 Volts nécessaire à la création du champ électrique. Il constitué d'un nombre de spires très élevées. Un multiplicateur de tension transforme cette tension en une tension de 3200V.

le magnétron est le générateur de micro-ondes.Pour fonctionner il a besoin d'un courant de 700 milliampères sous -3200V ! par rapport à la terre. Notre transformateur produit 1600V il suffit de doubler la tension, par un grand classique de l'électronique un doubleur de Latour aussi appelé doubleur de Shenckel.

Pour doubler la tension, la haute tension provenant du transformateur est envoyée dans un condensateur,Au sortir du condensateur, il y a une diode.il y a aussi, et maintenant presque systématiquement un fusible sur le circuit haute tension

Un deuxième enroulement permet d'alimenter le filament du magnétron en très basse tension de 3,2 V mais avec un courant de l'ordre de 10 ampères.

Celui-ci consiste en une anode cylindrique, ou bloc anodique. Les électrons se dirigent de la cathode vers cette anode, mais du fait de la présence d'aimants, un nuage d'électrons tournants se forme.

Les charges interagissent alors avec les cavités résonnantes, oscillations qui se répercutent sur les lames adjacentes, créant un champ magnétique à très haute fréquence (2.450 MHz, soit 2,45 milliards d'oscillations par seconde). Au sommet est placée une antenne qui recueille le champ magnétique et l'envoie vers le guide d'onde.

Les ondes sont amenées à une hélice, un brasseur d'ondes, qui va les projeter à l'intérieur du four. C'est alors qu'elles pénètrent dans les aliments, ou qu'elles rebondissent sur les parois et qu'elles sont renvoyées vers la nourriture.

Régulation de la puissance de cuisson : Il n’est pas possible de moduler la puissance d’émission du magnétron. Pour varier la puissance de cuisson on agit sur la durée de fonctionnement du magnétron

Exemple : Puissance minimale ( décongélation) ⇒ 10secondes ( toutes les 30 secondes) Puissance moyenne ( cuisson douce) ⇒ 20secondes ( toutes les 30 secondes) Puissance maximale ( cuisson forte) ⇒ 30secondes ( toutes les 30 secondes)

Un transformateur électrique est un convertisseur qui permet de modifier les valeurs de la tension et de l'intensité du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative en un système de tension et de courant de valeurs différentes mais de même fréquence et de même forme. Il effectue cette transformation avec un excellent rendement.

Dans un transformateur statique, l'énergie est transférée du primaire au secondaire par l'intermédiaire du circuit magnétique que constitue la carcasse du transformateur.

Dans le cas où toutes les pertes et les fuites de flux sont négligées, le rapport du nombre de spires au primaire et au secondaire détermine totalement le rapport de transformation du transformateur: U2/U1=N2/N1 U1=tension primaire U2=tension secondaire N1= nbre spires primaire N2= nbre spires secondaire

Le transformateur d'un micro-ondes est un un transformateur haute tension. Il est employé comme élévateur de tension. Il sert à fournir la haute tension au magnétron. Il est constitué de 3 enroulements. L’enroulement primaire alimenté en 230V, et deux enroulements secondaires fournissant 3,2V et 2100V

3,2 volts nécessaires à l’alimentation de la cathode. L’enroulement est de gros diamètre car l’intensité dépasse 10A.

2100 volts nécessaires pour créer la tension pulsée entre l’anode et la cathode du magnétron. L’enroulement HT est de très faible diamètre car il ne génère qu’un faible courant. Une extrémité de cet enroulement est reliée directement à la masse de l’appareil

Le condensateur joue le rôle de doubleur de tension. Il double la tension de 1600V issue du secondaire du transformateur en tension d'environ 3200V.

Ce condensateur non polarisé est bâti autour d'une capacité comprise entre 0,95 et 1,15 microfarad qui emmagasine l'énergie électrique durant une demi période et d'une résistance interne de 10Mo qui assure sa décharge.

Appareil à l’arrêt, il est possible d’avoir une tension proche de 4000 volt à ses bornes. Même si il intègre une résistance de décharge et malgré un travail hors tension, il est ABSOLUMENT NECESSAIRE de décharger le condensateur avant d'intervenir sur les autres organes du four.

Pour cela vous pouvez utiliser une résistance de 1Mohm pour court-circuiter les bornes du condensateur Vous pouvez aussi utiliser une pince à bec en ayant attendu une dizaine de minutes après avoir retiré la prise secteur.

La fonction d'une diode est de redresser le courant alternatif en courant continu.

Une diode fait passer le courant uniquement dans un sens. Pour redresser le courant plusieurs solutions sont possibles. Celle choisie pour alimenter le magnétron est un montage avec une seule diode qui alimente le magnétron une fois sur deux ( la demi période positive est passante l’autre demi période est bloquée).

Fig 1 Pendant la demi période où la diode est non passante on charge un condensateur haute tension qu’on déchargera pendant la demi période où la diode est passante. La tension du condensateur s’additionnera avec celle du transformateur pour obtenir la tension de 4000 V nécessaire à l’alimentation du magnétron.

L’ensemble condensateur & diode s’appelle doubleur de tension car il permet de ramener la tension alternative 2700 V du transformateur en une tension continue de 4000 V.

La diode haute tension est conçue pour une tension inverse max (Vr) de l’ordre de 6000 volts. Pour supporter une telle tension une simple jonction PN ne suffit pas. Il faut empiler plusieurs jonctions en série. La diode de puissance est donc un empilage de huit diodes Fig 2.

Du fait de cet empilage, la diode HT n’est pas contrôlable à l’aide d’un ohmmètre.

C'est un composant facultatif. Il se monte en parallèle sur le condensateur Fig 1. Il est composé de deux diodes montées tête bêche ayant des tensions inverses de clacage VD1 = 6000 Volts, VD2 = 1200 Volts Fig 2. Il permet de protéger le transformateur en cas de court-circuit de la diode de puissance.

Le but est de créer un court-circuit franc qui fera fondre le fusible du primaire. Si la diode HT se met en court-circuit, le condensateur se retrouve en dérivation sur l’enroulement secondaire HT. cela donne le schéma équivalent Fig 3.

La tension délivrée est une tension périodique alternative d’une valeur de 3000 Volts max. La diode D2 claque et se met en court-circuit. Le courant dans D1 est trop important et D1 se met également en court circuit. L’enroulement secondaire est en court-circuit. Une surintensité se produit au secondaire, puis au primaire.

Cette surintensité est telle que le fusible du primaire fond. Le transformateur est protégé.

Fig 1 Interrupteurs thermiques "Klixon" Ils sont installés sur le magnétron et la cavité du four. Lorsque la température dépasse les normes, les interrupteurs coupe le courant d'alimentation protégeant ainsi contre les incidents de surchauffe excessive.

Fig 2 La plupart du temps, le fusible des micro-ondes est équipé dans sa structure d'un ressort de rappel. Le fusible est constitué de fil fusible pour tenir en fusion lente sous quelques centaines de milliampères (entre 500 et 700mA).

il faut que l'opération se passe très vite pour éviter qu'un arc électrique ne s'installe. Le ressort est sous tension mécanique. Il est allongé. Quand le fil fusible fond, il reprend sa place, il éloigne rapidement le point d'entrée et de sortie de l'arc électrique, il y a soufflage de l'arc, comme on souffle une bougie!

Ce fusible est placé dans une coque isolante en plastique de couleur, généralement rouge.

Fig 3 Le four à micro-ondes est équipé d'un ensemble de sécurité de porte.Ces contacts de portes nommés micro-switchs ou mini-rupteurs, sont là pour protéger l'utilisateur d'éventuelles brûlures ou lésions que le générateur de micro-ondes provoquera si la porte reste ouverte.

Quand rien n'appuie dessus, il est au repos. Un mini-rupteur a trois sorties. Une sortie est le commun (borne 1), là par où le courant "arrive". En face, une sorte d'aiguillage! Un contact fermé au repos (borne 2) et un autre ouvert au repos (borne 4) .

Quand un appui est effectué sur le switch, les états s'inversent: le contact 2 s'ouvre et le contact 4 se ferme.

Fig 1 Moteur du plateau tournant: il sert à faire tourner les plats pour répartir uniformément la chaleur dans les aliment à chauffer.

Sur certains modèles de four, le moteur d’entraînement de plateau tournant est alimenté par le moteur du ventilateur en 30 volts alternatif ! il est remarquable que sur certains modèles de ventilateur , il y ait trois connecteurs, une phase , un neutre, le troisième présente à la mesure une tension d'une trentaine de volts.

Cette tension intermédiaire est prise sur la bobine du moteur du ventilateur. Celui-ci fait donc à la fois office de ventilateur, mais aussi celui d'auto transformateur pour alimenter le moteur de plateau.

Fig 2 Ventilateur: celui-ci permet de : - Refroidir le magnétron et le transformateur - Renouveler l’air dans la cavité pour éviter les buées - Entraîner dans certains cas le répartiteur d’ondes (brasseur). Le moteur est de type asynchrone. La résistance de l’enroulement est l’ordre d’une centaine Ω.