De complete gids voor elektret condensatormicrofoons

Als het gaat om audiotechnologie, vertegenwoordigen elektret condensatormicrofoons (ECM's) een klassieke maar robuuste oplossing voor het opnemen van geluid, met betrouwbaarheid en aanpasbaarheid in een breed spectrum van toepassingen. Terwijl MEMS-microfoons bekendheid hebben verworven door hun integratievriendelijke ontwerp en compacte voetafdrukken, blijven ECM's relevant in elektronische ontwerpen dankzij hun diverse montageconfiguraties, brede richtpatronen en akoestische veelzijdigheid.

In dit artikel worden de werkingsprincipes van ECM's onderzocht, zowel hun interne circuits als hun directionele respons, van omnidirectionele patronen voor het opvangen van breed omgevingsgeluid tot unidirectionele configuraties voor gerichte geluidsisolatie. Kritische prestatiegegevens, zoals gevoeligheid, signaal-ruisverhouding (SNR) en frequentierespons, worden ook onderzocht om de juiste componentenselectie te begeleiden.

Elektret-condensatormicrofoons

Elektret-condensatormicrofoons (ECM's), ook wel condensatormicrofoons genoemd, werken op basis van een electret - een ferro-elektrisch materiaal dat permanent elektrisch geladen of gepolariseerd is. De hoge elektrische weerstand en chemische stabiliteit van de elektreet zorgen ervoor dat de ingesloten lading honderden jaren intact blijft zonder noemenswaardig verval. De term "elektret" komt van de combinatie van "elektrostatisch" en "magneet," die het proces weergeeft waarbij een statische lading in het materiaal wordt ingebed. Dit wordt bereikt door de statische ladingen in de elektreet op één lijn te brengen, analoog aan de manier waarop magnetische domeinen op één lijn worden gebracht om een magneet te creëren.

Deze inherente eigenschap biedt een aanzienlijk voordeel bij het ontwerpen van microfoons. In tegenstelling tot traditionele condensatormicrofoons, die een externe polarisatiespanning nodig hebben om te werken, maakt de ingebouwde statische lading van de electret deze noodzaak overbodig. Deze vereenvoudiging vermindert de complexiteit van het circuitontwerp en stelt ECM's in staat om efficiënt te functioneren in compacte en energiezuinige toepassingen, waardoor ze een aantrekkelijke keuze zijn voor diverse audiosystemen.

Het werkingsprincipe van een electret-condensatormicrofoon is gebaseerd op het feit dat het membraan functioneert als de ene plaat van een condensator en de achterplaat als de andere. Wanneer geluidsgolven het diafragma laten trillen, verandert de afstand tussen het diafragma en de achterplaat, wat leidt tot variaties in de capaciteit. Deze veranderingen worden bepaald door de capaciteitsvergelijking:

C = Q / V

met

• Q = lading in coulomb (blijft constant door de ingebouwde lading van de elektreet)
• C is de capaciteit in Farads
• V = potentiaalverschil in volt

Als de capaciteit (C) verandert door de beweging van het membraan, is er een omgekeerd evenredige variatie in de spanning (V) over de condensator, waardoor een elektrisch signaal wordt gegenereerd dat overeenkomt met de geluidstrillingen.

Deze variërende spanning wordt vervolgens naar een veldeffecttransistor (FET) in de microfoon geleid, die het signaal versterkt voor een betere transmissie. Een DC-blokkeringscondensator in de eindtrap verwijdert ongewenste DC-offset, zodat de uitgang een zuiver audiosignaal is. Dit eenvoudige maar effectieve ontwerp maakt ECM's een betrouwbare keuze voor het opvangen van geluid in diverse elektronische toepassingen.

Afbeelding 1: Werkingsprincipe van een ECM. (Bron afbeelding: Same Sky)

De typische structuur van een electret condensatormicrofoon bestaat uit een aantal belangrijke onderdelen:

• Vliesdoek: Beschermt tegen stof en laat geluid door
• Behuizing: Omhult en beschermt interne onderdelen
• Polaire ring: Markeert het elektretmateriaal dat op het diafragma is aangebracht
• Diafragma: Trilt in reactie op geluid, waardoor de capaciteit verandert
• Afstandhouder: Handhaaft de afstand tussen diafragma en achterplaat
• Achterplaat: Vormt de stationaire elektrode van de condensator
• Basis: Biedt structurele ondersteuning
• Koperen ring: Zorgt voor geleiding en elektrische verbindingen
• PCB: Bevat de FET en andere circuits voor signaalversterking

De gedemonteerde en geassembleerde structuur van een ECM worden geïllustreerd in de onderstaande figuren.

Afbeelding 2: Exploded view van een ECM. (Bron afbeelding: Same Sky)

Afbeelding 3: Geassembleerd beeld van een ECM. (Bron afbeelding: Same Sky)

ECM richtinggevoeligheid of polaire patronen

Elektret-condensatormicrofoons zijn verkrijgbaar in verschillende richtings- of polaire patronen, die bepalen hoe ze geluid uit verschillende richtingen opvangen. Richtinggevoeligheid is een kritische specificatie en moet gekozen worden op basis van de toepassing en gebruiksvereisten. De meest voorkomende richtingspatronen van ECM's zijn omnidirectioneel (Afbeelding 4), unidirectioneel (Afbeelding 5) en noise cancelling (Afbeelding 6).

Afbeelding 4: Omnidirectioneel polair patroon. (Bron afbeelding: Same Sky)

Omnidirectionele microfoons vangen geluid uit alle richtingen op, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen zoals het opnemen van groepen vocalisten of het voeren van conferentiegesprekken. Het geluidspatroon wordt meestal geïllustreerd in een diagram, waarbij 0° de voorkant van de microfoon voorstelt en de geluidsintensiteit radiaal van 0° tot 360° wordt uitgezet. Hoewel deze microfoons veelzijdig zijn, hebben ze een nadeel: ze kunnen geen onderscheid maken tussen gewenste geluiden en omgevingsgeluiden, waardoor ze vaak omgevingsgeluiden oppikken en versterken.

Afbeelding 5: Unidirectioneel patroon. (Bron afbeelding: Same Sky)

Unidirectionele microfoons zijn ontworpen om geluid voornamelijk uit één richting op te vangen, waardoor ongewenste achtergrondgeluiden zoals praten, klikken op het toetsenbord of ritselen van papier worden onderdrukt. Dit maakt ze ideaal voor zang- of spraaktoepassingen, waarbij het isoleren van de gewenste geluidsbron van cruciaal belang is. Het meest voorkomende unidirectionele patroon, getoond in Afbeelding 5, heeft een breed opneemgebied met maximale afstoting bij 180° uit de as.

Afbeelding 6: Polair patroon met noice cancelling. (Bron afbeelding: Same Sky)

Een noise-cancelling microfoon, of bidirectionele microfoon, is ontworpen om omgevingsgeluid weg te filteren terwijl hij zich concentreert op een gewenste geluidsbron, waardoor hij ideaal is voor lawaaierige omgevingen. Deze microfoons hebben minstens twee geluidspoorten: één gericht op het gewenste geluid en een andere gericht op verder weg gelegen geluiden. Dichte geluiden creëren een grotere drukgradiënt over het diafragma, wat resulteert in een betere opname van het bedoelde geluid. Het nabijheidseffect wordt aangepast om een vlakke frequentierespons te garanderen voor geluiden dicht bij de poort vooraan, terwijl geluiden uit andere hoeken een aanzienlijke roll-off ervaren in het middenbereik en de lage tonen. Veel voorkomende toepassingen zijn callcenters, helikopterheadsets en communicatiesystemen voor coureurs in raceauto's.

Belangrijkste ECM-specificaties

Naast de richtinggevoeligheid van de ECM zijn er nog een paar parameters die je in gedachten moet houden bij het selecteren van onderdelen:

• Gevoeligheidsreductie: Het verlies aan versterking dat optreedt wanneer de voedingsspanning van de microfoon afneemt.
• Gevoeligheid: Meet hoe goed een microfoon geluid detecteert. De hoge gevoeligheid vangt stillere geluiden of geluiden in de verte op met minder versterking, waardoor er minder ruis is. Deze eigenschap helpt bij het bepalen van de geschiktheid voor toepassingen zoals muziek opnemen of gebruik in lawaaierige omgevingen.
• Signaal-ruisverhouding (SNR): Geeft de verhouding weer tussen het gewenste geluid (bijv. spraak of muziek) en de achtergrondruis die door de microfoon wordt opgevangen.
• Montagestijlen: PCB-pinnen, draadsnoeren met of zonder connector en klemmen zijn de meest voorkomende configuraties voor ECM-montage. Klemconfiguraties kunnen verder worden gedefinieerd als opbouw voor reflowsolderen of soldeerpads voor solderen met de hand.

Conclusie

Elektret condensatormicrofoons blijven onmisbaar in de moderne audiotechnologie en bieden een nauwkeurige geluidsopname en veelzijdige richtingsmogelijkheden. Hun betrouwbaarheid en aanpasbaarheid maken ze essentieel voor diverse toepassingen, terwijl inzicht in hun werking en belangrijkste specificaties gebruikers helpt om de juiste microfoon voor hun behoeften te selecteren. Ontdek Same Sky's volledige assortiment microfoons en audio-ontwerpservices voor oplossingen op maat.