Zaloguj się
Wszystkie
12 sierpnia 2025
391
Mikrofony elektretowe
Klasyczny mikrofon elektretowy jest odmianą mikrofonu pojemnościowego, w którym, wewnątrz metalowej kapsuły, znajduje się naładowana elektrostatycznie płytka elektretowa oraz membrana. Całość tworzy kondensator płaski, którego pojemność zmienia się pod wpływem drgań membrany. Zmiany te przekładają się natomiast bezpośrednio na generowanie sygnału napięciowego – pod tym względem mikrofony elektretowe różnią się od klasycznych konstrukcji pojemnościowych, w których brak stałego dipola (tworzonego przez elektret) wymuszał konieczność stosowania zewnętrznego napięcia polaryzującego, podanego wprost na membranę.
Ze względu na bardzo wysoką impedancję mikrofonów elektretowych, w ich konstrukcji powszechnie umieszcza się wewnętrzny tranzystor JFET, pełniący rolę prostego bufora. Do poprawnej pracy i tak jest zatem wymagana polaryzacja przy użyciu zewnętrznego napięcia stałego – sygnał generowany przez układ membrany nie jest bowiem bezpośrednio dostępny na wyjściu, ale trafia wprost na bramkę tranzystora. W praktyce trzeba zatem podciągnąć „gorące” wyprowadzenie mikrofonu do dodatniej szyny zasilania za pomocą rezystora o wartości (najczęściej) rzędu kilku...kilkunastu kΩ. Obecność wewnętrznego bufora mimo wszystko znacznie upraszcza implementację przedwzmacniaczy współpracujących z popularnymi elektretami, pozwala także na łatwe stosowanie tego typu przetworników w przewodowych zestawach słuchawkowych, w których mikrofon znajduje się na końcu dość długiego przewodu łączącego go z wejściem mikrofonowym (np. komputera).
Mikrofony elektretowe rozpowszechniły się dzięki niskiej cenie, małym wymiarom i łatwości aplikacji – przez lata były standardem m.in. w akcesoriach komputerowych, dyktafonach, starszych generacjach telefonów komórkowych, a także domofonach, telefonach stacjonarnych, zabawkach i wielu innych. Typowe, miniaturowe kapsuły elektretowe mają średnicę od ok. 4 mm do 9...10 mm i wysokość rzędu kilku milimetrów. W większości przypadków metalowa obudowa jest wyposażona w fabrycznie naklejony, cienki filtr przeciwpyłowy, zabezpieczający delikatną membranę przed gromadzeniem zanieczyszczeń wewnątrz komory akustycznej.
Mikrofony elektretowe wymagają polaryzacji napięciem stałym, zwykle od 1,5...2 V do 10 V i pobierają niewielki prąd (około 0,5 mA). Czułość nominalna mieści się zwykle w przedziale –56...–36 dBV (0 dB odpowiada czułości 1 V/Pa), a pasmo przenoszenia od rozciąga się od około 50...100 Hz do 16...20 kHz, przy czym ograniczenie pasma od dołu wynika w dużej mierze z niewielkich wymiarów całości. Wewnętrzny tranzystor JFET zapewnia impedancję wyjściową rzędu pojedynczych kΩ.
Podczas implementacji układu z mikrofonem elektretowym należy zwrócić uwagę na prawidłowe polaryzowanie i filtrację zasilania. Typowy układ pracy, oprócz rezystora podciągającego, wymaga także kondensatora sprzęgającego sygnał z wejściem przedwzmacniacza. Pojemność kondensatora należy dobrać w zależności od spodziewanej impedancji wejściowej następnego stopnia, tak aby utworzyć filtr górnoprzepustowy o częstotliwości poniżej pasma akustycznego. Dobierając elementy sprzężenia zmiennoprądowego warto też pamiętać o ograniczeniach charakterystyki samego mikrofonu. Przykładowy wykres, zaczerpnięty z noty katalogowej kapsuły CMC-5044TF-A.
Warto dodać, że poszczególne modele mikrofonów elektretowych różnią się nie tylko wymiarami, pasmem przenoszenia czy czułością, ale także – i to w znacznym stopniu – charakterystyką kierunkową. O ile większość typowych kapsuł miniaturowych wykazuje charakterystykę wielokierunkową lub kardioidalną, to niektóre modele – za sprawą odpowiednich otworów po obydwu stronach obudowy – mogą oferować diametralnie inną kierunkowość. Dość rzadko spotykane (ale wciąż dostępne na rynku) są mikrofony dwukierunkowe.
Mikrofony elektretowe, choć proste w użyciu, są dość wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne – wewnętrzny tranzystor pracuje z dość dużą impedancją wejściową, co sprzyja zbieraniu szumów RF. Dlatego obudowy mikrofonów są metalowe i zwykle łączone z masą w celu ekranowania. Projektując układ z przetwornikiem elektretowym warto unikać prowadzenia w pobliżu niego szybkich sygnałów cyfrowych, które mogłyby indukować zakłócenia w torze audio. Ponieważ parametry elektretu mogą nieco zależeć od temperatury i starzenia (ładunek na dielektryku może z czasem ulegać częściowemu rozładowaniu), w zastosowaniach wymagających długoterminowej stabilności oraz w skrajnych warunkach środowiskowych coraz częściej zastępuje się je nowoczesnymi mikrofonami MEMS.
Mikrofony MEMS
Mikrofony MEMS (ang. Micro-Electro-Mechanical Systems) to najnowsza generacja mikrofonów półprzewodnikowych, które w miniaturowej, niskoprofilowej obudowie integrują precyzyjny element akustyczny oraz układ elektroniczny ASIC, odpowiedzialny za wstępną obróbkę sygnału. Istnieją trzy główne odmiany mikrofonów MEMS. Znaczna część modeli bazuje – podobnie jak elektrety – na zasadzie kondensatora o zmiennej pojemności (ugięcie mikromembrany względem perforowanej płytki stałej). W odróżnieniu od przetworników elektretowych, mikrofony MEMS nie mają jednak wbudowanego na stałe ładunku w materiale membrany – wymagają zatem polaryzacji, dokładnie tak jak klasyczne mikrofony pojemnościowe. Polaryzację tę realizuje się wewnętrznie, tj. w układzie ASIC towarzyszącym czujnikowi. ASIC ten zawiera też przedwzmacniacz sygnału, a w przypadku mikrofonów cyfrowych – także przetwornik analogowo-cyfrowy. Oprócz mikrofonów pojemnościowych można także spotkać się z konstrukcjami bazującymi na materiałach piezoelekrycznych lub piezorezystancyjnych. Co ciekawe, pomimo początkowego sukcesu, jaki odniosły konstrukcje pojemnościowe, w literaturze specjalistycznej coraz częściej można znaleźć wzmianki o rosnącym udziale mikrofonów MEMS bazujących na materiałach piezoelektrycznych – autorzy podkreślają nawet, że z czasem takie właśnie układy w dużej mierze zastąpią (lub wręcz wyprą z rynku) mikrofony pojemnościowe, a to z uwagi na pewne unikalne właściwości (w tym m.in. prostszy proces produkcyjny).
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
