Fiche ressource SEN-S0-4-ED-ver01- la cuisson micro

Savoir 0.4
Les systèmes spécifiques : architecture et équipements.
Les systèmes électrodomestiques.
Lycée Régional MONTESQUIEU
263 Chemin de Lucette. 84700 Sorgues.
Tel : 04.90.39.74.80
BAC PROFESSIONNEL
Systèmes Electroniques Numériques
SAVOIR S.0
S 0.4
S 0-4.5
Les systèmes spécifiques : architecture et équipements des
domaines applicatifs.
Les systèmes électrodomestiques
Les équipements de cuisson électriques
Niveau taxonomique 1
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Ver01 du 17-12-2014.
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La cuisson par micro-ondes.
I- Introduction :
L’histoire attribue la découverte des micro-ondes à Percy Spencer qui travaillait sur les ondes radar pour
le Massachusetts Institut of Technology, le MIT, en 1945. Il aurait constaté qu'un morceau de chocolat,
posé près d'un guide d'ondes s'était ramolli. Jugé intéressant, le procédé aurait été industrialisé sous la
forme d'un engin de réchauffage professionnel pour restaurants.
D'autres affirment que c'est en Angleterre, en 1940, que le
magnétron, le dispositif qui génère les micro-ondes, a été
inventé.
Le premier four micro-onde qui ne fut pas une réussite
commerciale. Ces modèles primitifs étaient gigantesques et
très chers : mesurant près d’un mètre de haut. Qui plus est,
le tube magnétron devait être refroidi à l’eau, nécessitant
des travaux de plomberie.
En 1967, la société AMANA a révolutionné le monde
culinaire en lançant le four à micro-ondes Radarange, le
premier four à micro-ondes à usage domestique.
Amana Radarange
Le four à micro-ondes est introduit dans le marché français
dans les années cinquante. A la différence des marchés
américain et anglais, le four à micro-ondes avait du mal à
s’imposer comme étant un outil indispensable pour la
cuisine. C’est au début des années 80 avec l’apparition des
produits surgelés qu’il a vu ses ventes augmenter
rapidement car il est très pratique pour dégeler ou chauffer
les aliments.
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I- Les différents types de fours à micro-ondes :

Le micro-ondes mono
Facile à prendre en main, ce micro–ondes est de mise pour une utilisation occasionnelle,
principalement pour décongeler, réchauffer et cuire rapidement les aliments. Possibilité de
déterminer le temps de chauffe, ainsi que la puissance du four, ou utiliser la programmation
automatique (seulement présente sur certains modèles) qui effectuera ses propres réglages selon
l’aliment dans le micro-ondes. C’est actuellement le plus répandu sur le marché, car le plus accessible
en terme de budget et le plus facile à placer dans la cuisine.

Le micro-ondes grill
Aussi appelé micro-ondes duo, ce modèle dispose d’une fonction en plus de toutes celles de base
incluses dans un micro-ondes mono : réaliser différents niveaux de cuisson. Très simple d’utilisation
et dans un temps record, ce four à micro-ondes peut dorer, gratiner et même griller poulets,
brochettes, poissons, ou pommes de terre…D’ailleurs certains de ces micro-ondes peuvent, dans une
certaine mesure, faire office de four pour réaliser des pâtisseries maison.

Le micro-ondes multifonctions
Ce modèle de four à micro-ondes est le plus élaboré et le plus complet sur le marché. Non seulement
il permet de décongeler, réchauffer, cuire, faire griller, dorer ou gratiner mais aussi de faire rôtir
ou encore de cuire les aliments à la vapeur. Aussi appelé combiné micro-ondes/four, il peut tout à fait
supplanter un four traditionnel à convection. Très complet avec de nombreuses options et prenant peu
de place, il faut cependant garder à l’esprit que sa capacité en terme de contenance ainsi que sa
puissance sont inférieures à celles d’un four traditionnel.
Micro-ondes
mono fonction
Micro-ondes
Multi fonction
Micro-ondes
grill
III- Les principaux critères de choix :
3.1 La capacité :
Exprimée en litres, la capacité d’accueil d’un micro-ondes varie entre 9L et 40L selon les modèles et
les marques. Les besoins en capacité volumique dépendront de la composition du foyer et donc des
habitudes de consommation alimentaires.





célibataire : 20L (mono ou duo)
un couple sans enfant : 20L (mono ou duo)
une famille de 4 : 22L (mono ou duo)
une famille de 6 : 26L
une famille de 10 : 34L
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3.1 La puissance de chauffe :
Exprimée en watts, la puissance d’un four à micro-ondes détermine la rapidité de cuisson et de
décongélation des aliments. Plus l’appareil est puissant, plus le four est efficace en terme de cuisson
et de rapidité. On compte traditionnellement 3 familles de puissance :



Le micro-ondes faible puissance : de 600 à 900 watts, ce type de puissance n’est réservé qu’à
un usage occasionnel , qui sera par ailleurs de petite taille. 800 watts suffisent pour cuire la
plupart des aliments.
Le micro-ondes moyenne puissance : entre 900 et 1200 watts, cette puissance donne surtout
l’occasion d’avoir une cavité plus grande pour cuire, griller et gratiner les aliments.
Le micro-ondes forte puissance : cette puissance est nécessaire pour les familles nombreuses,
la cavité étant plus grande, la puissance est plus élevée, ainsi que la décongélation et la
cuisson.
IV- Le principe de cuisson :
Ce type de cuisson est appelé chauffage par hyperfréquence. L’énergie
électrique alimente le magnétron. Le magnétron génère les micro-ondes. Les
micro-ondes sont un type de rayonnement énergétique comme peuvent l’être
les ultraviolets ou les infrarouges.
Les ondes produites sont ensuite guidées jusqu’à l’agitateur d’ondes ou
brasseur d’ondes et pénètre dans l’enceinte métallique où se trouve l’aliment à
chauffer.
Une fois produite et dans l’enceinte métallique, les ondes vont atteindre les
aliments. Elles vont y pénétrer et atteindre les molécules d’eau qui s’y trouve.
Les molécules d’eau sous l’action des micro-ondes changent d’orientation
et se frottent entre elles à une fréquence de 2450 MHz ( 2 450 000 000 fois par
seconde). Cette friction des molécules entre elles libère de la chaleur.
Exemple simple. Frotter ses mains produit de la chaleur. Il en est de même
pour le mouvement des molécules d’eau.
Agitateur d’ondes
Guide d’ondes
Magnétron
Cavité
Plateau tournant
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V- Fréquence et longueur d’onde :
5.1 - Les ondes :
Les ondes matérielles utilisent un fluide ou un solide pour se propager (terre, eau, air) comme les
rides sur une marre suite à la chute d’une pierre. La voix, la musique, les bruits sont des ondes qui se
propagent dans l’air, l’eau. Un tremblement de terre (onde sismique).
Les ondes électromagnétiques se déplacent sans support matériel. Ces ondes, comme leur nom
l'indique, sont une combinaison de deux perturbations, l'une magnétique, l'autre électrique. Ces
perturbations oscillent et se déplacent à la vitesse de la lumière. Leur propagation ressemble au
déplacement d'une vague sur l'eau. Elles peuvent traverser le vide. Les applications les plus communes
sont la télévision, le téléphone sans fil, le radar et la transmission satellite.
Une onde électromagnétique est définie par :


sa longueur d'onde (longueur d'une perturbation) en mètre
sa fréquence (nombre de perturbations en 1 seconde) en hertz (Hz)
Deux bandes de fréquences sont réservées aux µondes :
890 à 940 MHz  32 <  < 34 cm
2400 à 2500 MHz  12 <  < 12,5 cm
La fréquence d’émission des micro-ondes a été fixée par une réglementation internationale. Pour éviter
toutes perturbations des émissions hertziennes, télécommunications ou radio, la fréquence des fours
micro-ondes est de 2450 ΜHz
Les ondes électromagnétiques se propagent à la vitesse de la lumière :
v  300 000 km/s
Donc comme la lumière ces ondes se propagent en vagues de longueur d’ondes  (période spatiale).
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 Longueur d’onde λ (distance parcourue par le rayonnement dans le temps)
 Fréquence f (nombre de cycles par seconde).
C'est vers 1880 que le physicien Maxwell a démontré théoriquement le phénomène de transmission de
l’énergie, y compris la chaleur et la lumière visible, par les ondes électromagnétiques. Chaque énergie
est transmise à une certaine fréquence et l’ensemble de ces fréquences forme un spectre
électromagnétique.
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5.2 - Les ondes ionisantes :
Les corps soumis à ces rayonnement vont voir apparaître des ions et leur structure chimique va être modifiée.
Exemple du bronzage. Il ya un phénomène chimique et l’autre thermique. Le bronzage est provoqué par la
modification une molécule de la peau la mélanine au contact des ultraviolets. Pour certaines ondes comme
les rayons X, radioactifs les doses prises sur plusieurs fois s’ajoutent et continuent d’agir même privées de
leur source. C’est dangereux.
5.3 - Les ondes non- ionisantes :
La sensation de chaleur sur la peau est provoquée par d’autres ondes. Les infrarouges. D’un côté effet
chimique, de l’autre effet thermique. Entre les deux la limite est constituée par un infime intervalle de
fréquence c’est la lumière visible. Les corps ne sont pas modifiés on est dans le non-ionisant. A l’inversion
du ionisant, il n’y a pas d’accumulation et le seul résidu d’onde est une élévation de température.
VI - Réglementation et sécurité :
Les micro-ondes font partie des rayonnements non ionisants. Par conséquent, il n’y a aucun effet
radioactif. Les phénomènes radioactifs des rayonnements ionisants sont émis à des fréquences bien
plus élevées.
En France, la norme tolère des rayonnements par fuite, à l’extérieur d’un four, d’une puissance de :
5 mW/cm2 à 5 cm de distance.
Il faut savoir que la majorité des fours fabriqués ne comportent aucune fuite. Dans l’éventualité de
celle-ci, il est très rare qu’elle soit supérieure à 1,5 mW/cm2.
Pour garantir un fonctionnement sans risques, les fours micro-ondes disposent de plusieurs dispositifs
de sécurité :



Impossibilité de faire fonctionner un appareil si la porte n’est pas
verrouillée,
Le fait ouvrir la porte pendant le fonctionnement coupe
l’alimentation électrique,
Pour éviter des fuites, la porte est dotée de plusieurs protections :
o Un cadre d’ouverture est équipé d’un joint en
caoutchouc ferrite, qui agit en absorbeur dissipateur
d’énergie résiduelle,
o Une grille qui forme une cage de Faraday avec l’enceinte
de cuisson.
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Vitre intérieure
Treillis métallique
Vitre extérieure
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VII- Les principaux éléments d’un four micro-ondes :
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7.1. – Rôle des éléments dans l’appareil :
Le transformateur HT
Il est constitué d’un enroulement primaire alimenté en BT 230V῀ et de
deux enroulements secondaires. Un générant une TBT de 3,2V῀ pour
l’alimentation du filament de chauffe du magnétron et l’autre générant
une HT de 2100V῀pour l’alimentation du circuit doubleur de tension.
Le magnétron
C’est un oscillateur émettant de l’énergie électromagnétique à une
fréquence de 2400 MHz. Cette énergie haute fréquence est rayonnée
dans la cavité du four pour être absorbée par les aliments.
Condensateur HT
Constituant du circuit « doubleur de tension », le condensateur se
charge à 2100 V῀ durant une ½ période.
Diode HT
Associée au condensateur elle permet de convertir la Haute Tension
alternative en tension négative. Montée en inverse du courant anodique
du magnétron elle permet la décharge du condensateur.
Le thermostat fixe
Branché sur le circuit HT c’est un thermostat de sécurité à bilames à
réarmement automatique fixé sur le magnétron. Il coupe l’alimentation
du transformateur en cas de surchauffe du magnétron (T° ˃ 120°C)
Moto-ventilateur
Il permet :
-
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de refroidir le magnétron et le transformateur.
de renouveler l’air dans la cavité pour éviter les buées.
D’entrainer dans certains cas le brasseur d’ondes.
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Résistances quartz
Résistances de gril placées en haut et protégées par une grille ajourée
qui permet de dorer les aliments en surface.
Micromoteur
Petit moteur synchrone qui entraine en rotation le plateau tournant en
verre.
Commande électronique
La cuisson est gérée par un microprocesseur qui détermine le temps, la
quantité d’énergie et la puissance de chauffage en fonction des
paramètres indiqués par l’utilisateur ou détectés par les différentes
sondes.
Commande mécanique
Minuterie électromécanique qui permet de sélectionner et gérer les
modes et temps de cuisson.
Protecteur d’ondes
C’est une plaque de Mica formée principalement de silicate
d'aluminium et de potassium dont la particularité est d'être résistante à
la chaleur. Transformé sous forme de feuille, son rôle est de canaliser
les ondes et de protéger l’antenne du magnétron des retours d’ondes.
Plateau tournant
En verre trempé, il permet une cuisson homogène de l’aliment en le
déplaçant dans la cavité afin de favoriser l’exposition au faisceau
d’ondes.
Brasseur d’ondes
Aussi appelé répartiteur d’ondes il est placé en sortie du guide d’ondes
et assure le brassage des ondes dans toutes les directions.
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VIII – Etude fonctionnelle :
8.1 Schéma fonctionnel A-0 :
8.2 Schéma fonctionnel partiel :
E2
Acquisition et traitement des
informations
S2
FP1
Gestion
des sécurités
FP2
E3
Transformation de
l’énergie électrique en
énergie électromagnétique
FP3
Création d’un
flux d’air
FP4
E4
E1
Définition des entrées
E1 : Aliments à chauffer
E2 : Programmation
E3 : Energie électrique
E4 : Air ambiant
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Décongélation
Réchauffage
Cuisson des
aliments
FP5
S3
S1
Définition des sorties
S1 : Aliments chauffés
S2 : Visualisation fonctionnement
S3 : Air vicié
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Un four à micro-ondes est constitué de 3 fonctions principales :



Une fonction Acquisition et traitement des informations (FP1) dont le rôle est d’alimenter en
énergie électrique la fonction FP3 en fonction des sélections de l’utilisateur.
Une fonction de production d’ondes électromagnétiques (FP3) lorsqu’elle est alimentée par
FP1.
Une fonction de répartition des ondes (FP5) dans laquelle les aliments sont placés.
8.2 Etude de la fonction FP1 : Acquisition et traitement des données :
Cette fonction a pour rôle d’alimenter la fonction de production d’ondes électromagnétiques.
Cette fonction est spécifique à chaque fabricant et permet de définir le niveau de performance
du four. On peut donc admettre qu’elle soit équivalente à un interrupteur.
Secteur
EDF
FP1
Lorsque l’utilisateur a réglé la puissance et la durée de chauffage, que la porte est fermée,
l’équivalent de l’interrupteur se ferme, ce qui permet d’amener le secteur EDF à l’entrée de la
fonction Fp3 pour produire des ondes électromagnétiques.
Cette fonction est réalisée avec deux technologies suivant le niveau de performance du four :
- Technologie électromécanique pour les fours de début de gamme : le réglage du
temps est effectué par une minuterie et le réglage de la puissance par un doseur
d’énergie.
- Technologie électronique pour les fours moyen et haut de gamme : un circuit intégré
appelé microcontrôleur gère le réglage du temps et de la puissance ainsi que toutes
les sécurités (porte, surchauffe etc.)
Cette technologie permet aussi d’ajouter d’autres fonctionnalités de programmation :
programme préféré, programme automatique de cuisson en fonction de l’aliment et de son
poids, etc.…
8.3 Etude de la fonction FP3 : Production d’ondes électromagnétiques :
Cette fonction est la fonction de puissance de l’appareil. Elle génère des ondes électromagnétiques de fréquence très élevée : 2450 Mhz et de puissance importante : environ 1 kW.
Cette fonction est la même pour tous les fours à micro-ondes, quel que soit le constructeur ou le
niveau de performance de l’appareil.
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8.3.1 Organisation fonctionnelle de FP3 :
Secteur EDF
Conversion de
l’énergie électrique en
énergie
électromagnétique
Doublage de la
tension
Élévation de
la tension du
secteur EDF
Fs3-1
Fs3-2
Fs3-3
FP3
8.3.2 Schéma structurel associé :
Condensateur HT
Magnétron
Diode HT
HT
Diode AK
Secteur EDF
-
+
230V
3,2V
8.3.3 Le circuit HAUTE TENSION :
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FS3.1 est réalisée par un transformateur.
Un enroulement au primaire pour recevoir le secteur 230V AC et deux enroulements au secondaire ;
l’un pour élever à une tension de 2100V AC et l’autre pour abaisser à une tension de 3,2V AC.
Primaire
Secondaire B.T
Secondaire H.T
FS3-2 est réalisée par un condensateur associée à une diode. C’est le doubleur de tension.
Le doubleur de tension transforme la tension alternative de 2100V du secondaire HT en une tension
négative pulsée de 4000V.
Vers transformateur HT
Condensateur
Vers magnétron
Diode HT
FS3-3 est réalisée par un composant appelé magnétron. C’est un oscillateur émettant de l’énergie
électromagnétique à 2450 MHz.
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IX – Fonctionnement du doubleur de tension :
Circuit constitué par le secondaire HT d’un transformateur, d’une diode HT montée en inverse qui
bloque les alternances négatives et d’un condensateur qui emmagasine et augmente la tension aux
bornes du magnétron lorsqu’il se décharge.
SCHÉMA DE PRINCIPE D’UN FOUR MICRO-ONDES
Doubleur de tension
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Anode
Cathode
Alternance positive
Alternance négative
Passante
Bloquée
Se charge
Se décharge
Non alimenté
alimenté
0V
4200V
Alternance secteur
Secondaire HT et
doubleur de tension
Diode HT
Condensateur
Magnétron
Tension aux bornes du
magnétron
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X – Utilisation du plateau tournant :
C’est en déplaçant les aliments dans le flux d’ondes que l’on
obtient une cuisson homogène. L’utilisation du plateau tournant
peut-être combiné au brasseur d’ondes ( STIRRER ).
10.1 Exemples de combinaisons :
X I– La puissance restituée :
C’est la puissance utile de l’appareil. La puissance utilisée pour le chauffage des aliments.
Puissance nominale
Puissance restituée
L’écart entre la puissance nominale et la puissance restituée vient du fait que l’on alimente aussi
l’éclairage, le moteur du ventilateur, le moteur du plateau tournant etc…
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X II– Les récipients :
12.1 Les matériaux à proscrire :
Le métal
On sait tous que le four micro-ondes et le métal ne font pas bon ménage. Tous les récipients métalliques
(ou contenant des parties métalliques) sont à proscrire : plats inoxydables, barquettes et papier
aluminium, louches en fer, moules à pâtisserie, simple couvert. Le métal peut créer des arcs électriques et
détériorer votre four.
Le cristal
Le cristal contient beaucoup de plomb, ce qui le rend impropre à la cuisson au four micro-ondes.
La terre cuite
La vaisselle en terre cuite est également inadaptée : elle absorbe les ondes et allonge les temps de cuisson.
Le plastique
Les récipients en plastique léger, non adaptés à une utilisation ‘micro-ondes’ pourraient fondre ou se
déformer. Cherchez sur les récipients les indications annonçant qu’ils peuvent être utilisés dans un four
micro-ondes.
12.2 Les matériaux à utiliser :
Il faut utiliser que des récipients en verre, en faïence non décorée, en porcelaine non décorée, certains
plastiques et cartons.
Pour savoir si un plat peut être utilisé dans un four micro-ondes, faire l’expérience suivante : placer-le
dans le four avec un verre d’eau. Chauffer à la puissance maximum pendant 1 minute. Si le plat est
chaud et que l’eau est froide, cela signifie que le plat absorbe l’énergie des micro-ondes et qu’il ne doit
pas être utilisé dans un four micro-ondes.
Transparent
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Absorbant
Réfléchissant
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X III – Aspect commercial :
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