Der vollständige Leitfaden für Elektret-Kondensatormikrofone

Haben Sie jemals ein Mikrofon an einem elektronischen Gerät verwendet? im Studio oder beim Film war es höchstwahrscheinlich ein Elektret-Kondensatormikrofon. Diese Mikrofone sind in unserem täglichen Leben üblich und es lohnt sich, sie zu kennen.

Was ist ein Elektret-Kondensatormikrofon? Ein ECM ist eine Art Kondensatormikrofonwandler, was bedeutet, dass es nach elektrostatischen Prinzipien arbeitet. Kondensatormikrofonkapseln funktionieren im Wesentlichen wie Kondensatoren und benötigen eine Ladung, die fast permanent durch Elektretmaterial(ein Kunstwort aus Elektro und Magnet) in der Kapsel geliefert wird.

In diesem umfassenden Leitfaden definieren wir Elektret-Kondensatormikrofone(ECM) detaillierter und betrachten ihre Konstruktionsmerkmale. wie sie arbeiten; ihre Anwendungen und natürlich einige Beispiele für Elektretmikrofone.

Was ist ein Elektret-Kondensatormikrofon?

Ein Elektret-Kondensatormikrofon ist, wie der Name schon sagt, eine Art Kondensatormikrofon.

Der Hauptunterschied zwischen einem ECM und einem «normalen» Kondensatormikrofon besteht in der Methode, bei der die Kondensatorkapsel des Mikrofons vorgespannt(geladen) wird.

Wie funktionieren Elektret-Kondensatormikrofone, wie wir im nächsten Abschnitt sehen werden? Kondensatorkapseln verhalten sich wie Parallelplattenkondensatoren und benötigen eine feste Ladung auf ihren Platten, um richtig zu funktionieren.

Die Vorspannung, die eine feste Ladung über den Platten verursacht, wird normalerweise von außen zugeführt(normalerweise über Phantomspeisung oder eine externe Stromversorgung mit FETs bzw. Röhrenkondensatoren).

Es gibt jedoch eine andere Methode, die Platten mit einer festen Ladung zu versorgen, und das ist, wie Sie wahrscheinlich erraten haben, die Zugabe von Elektretmaterial in das Kapseldesign.

Daher verwenden Elektret-Kondensatormikrofone Elektretmaterial in ihren Membranen, um eine «quasi-permanente» Ladung auf ihren Platten aufrechtzuerhalten. Dadurch werden Ressourcen frei, sodass Power-Methoden effizienter genutzt werden können, um Impedanzwandler, Leiterplatten und andere aktive Komponenten im Mikrofon mit Strom zu versorgen.

Was ist Elektretmaterial?

Was ist also dieses magische, permanent aufgeladene Elektretmaterial, über das wir gesprochen haben?

Elektretmaterial ist jedes dielektrische Material, das eine nahezu permanente elektrische Ladung oder dipolare Polarisation aufweist. Diese Materialien erzeugen permanente interne und externe elektrische Felder und können effektiv verwendet werden, um andere elektrische Komponenten, wie z. B. Kondensatoren, aufzuladen.

Der Begriff „Elektret“ kommt wie erwähnt von Elektrostatik und Magnet. Elektrete sind im Wesentlichen das elektrostatische Äquivalent eines Permanentmagneten.

Elektretmaterialien haben typischerweise einen hohen elektrischen Widerstand und eine hohe chemische Stabilität und halten ihre elektrische Ladung über lange Zeiträume(über Hunderte von Jahren).

Elektrete werden typischerweise hergestellt, indem man dielektrisches Material schmilzt und dieses Material sich verfestigen lässt, während es sich in einem starken elektrostatischen Feld befindet. Polare Moleküle richten sich auf natürliche Weise in diesem elektrostatischen Feld aus, wenn das Material schmilzt, und verbleiben in dieser Position, wenn das Material aushärtet, wodurch eine permanente elektrostatische Vorspannung erzeugt wird.

In Mikrofonen ist das Elektretmaterial typischerweise Polytetrafluorethylen(PTFE)-Kunststoff in Film- oder gelöster Form.

Ein bisschen Geschichte über Elektretkondensatoren

Die ersten Elektret-Kondensatormikrofone waren in der Tat grob. Das erste Elektretmikrofon wurde 1920(von Yoguchi aus Japan) entwickelt, aber erst 1961 konnten Elektretmikrofone effektiv in marktreifen Produkten eingesetzt werden.

Genauer gesagt war es das Folienelektretmikrofon, das 1961 von James West und Gerhard Sessler in den Bell Laboratories erfunden wurde.

Das erste frühe Elektretmikrofon wurde 1938 von der Bogen Company hergestellt und war als Velotron ohne Spannung bekannt. Leider war die Elektret-Technologie zu dieser Zeit(um es gelinde auszudrücken) roh, und obwohl diese Mikrofone funktionierten, dauerte es nicht lange, bis das Elektret-Material anfing, seine Ladung zu verlieren und es unwirksam zu machen.

Das erste erfolgreiche Elektret-Kondensatormikrofon, das 1968 auf den Markt kam, war das Sony ECM-22P.

Schon in den Anfängen der handelsüblichen Elektretmikrofone war die Technik bestenfalls fleckig. Tatsächlich entstand in dieser Zeit der Begriff «echter Kondensator», um überlegene extern polarisierte Kondensatormikrofone von ihren Elektret-Gegenstücken zu unterscheiden.

Seitdem hat die Elektret-Technologie einen langen Weg zurückgelegt und ist heute in vielen professionellen Studio-Kondensatormikrofonen und sogar Messmikrofonen zu finden.

Arten von Elektretmikrofonen

Es gibt drei Hauptwege, wie Elektretmaterial zu einem ECM hinzugefügt wird, um die permanente Ladung bereitzustellen. Diese 3 Arten von Elektret sind:

Aluminium Elektret
Back-Elektret
vorderer Elektret

Was ist ein Folien-Elektret-Kondensatormikrofon?

Ein Folienelektret-Kondensatormikrofon verwendet einen Film aus Elektretmaterial als Membran, anstatt eine separate Membranplatte zu haben, die mit Elektretmaterial beschichtet ist(z. B. eine Elektretfront). Folienelektrete sind die gebräuchlichsten Elektretmikrofone, aber von geringerer Qualität, da Elektretfolien als Membranen schlecht abschneiden.

Was ist ein hinteres Elektret-Kondensatormikrofon?

Ein Back-Elektret-Mikrofon ist ein Kondensatormikrofon mit einer permanent geladenen Kapsel, da das Elektret-Material an seiner festen Rückplatte befestigt ist. Wenn kein Elektretmaterial an der Frontplatte(Membran) angebracht ist, erhöht sich die Genauigkeit der Membran, und das Elektret ist haltbarer, da es stationär ist.

Was ist ein Front-Elektret-Kondensatormikrofon?

Ein Front-Elektret-Kondensatormikrofon ist ein Elektret-Mikrofon ohne Rückplatte. Vielmehr besteht der Kondensator aus der Membran und der Innenfläche der Mikrofonkapsel. Auf der Innenseite der Frontabdeckung des Mikrofons ist eine Elektretfolie angebracht, und die Membran ist mit dem Eingang des FET verbunden.

Unterhaltungselektronik und ECMs in Projektqualität werden auch mit verschiedenen Arten von Ausgangsanschlüssen geliefert. Diese beinhalten:

Pin-Typ
Terminaltyp
Drahttyp

ECMs vom Steckertyp haben leitende Stifte, um das unsymmetrische Signal vom Mikrofon wegzuleiten.

ECMs vom Klemmentyp sind etwas flexibler und haben ihre Klemmen zum Anschließen an verschiedene Schaltkreise.

Bei Kabel-ECMs werden die Signale über ein Kabel übertragen und können weiter entfernt von den beabsichtigten PCBs platziert werden.

Wie funktionieren Elektret-Kondensatormikrofone?

Nachdem wir nun verstanden haben, was Elektretmikrofone sind, werfen wir einen genaueren Blick auf ihre Funktionsweise.

Wir beginnen mit einem einfachen, grundlegenden Diagramm einer hinteren Elektret-Kondensatormikrofonkapsel und eines Impedanzwandlers als Referenz in diesem Abschnitt:

Wie alle Mikrofone haben ECMs Membranen, die auf externe Schallwellen(Schalldruckschwankungen) reagieren. Diese Bewegung der Membran wird in ein passendes Mikrofonsignal umgewandelt, das dann vom Mikrofon ausgegeben wird.

Aber neben diesen Grundlagen gibt es noch so viel mehr zu wissen!

Die elektrostatischen Prinzipien hinter dem ECM-Wandler

Lassen Sie uns zunächst die elektrostatischen Prinzipien diskutieren, die die Grundlage der ECM-Funktionalität bilden. Beachten Sie, dass diese Prinzipien für alle Kondensatormikrofone gleich sind.

Beginnen wir mit der Tatsache, dass die Kondensatormikrofonkapsel im Wesentlichen ein Parallelplattenkondensator ist.

Dieser Kondensator besteht aus einer beweglichen Frontplatte(dem Kapseldiaphragma/Membran) und einer feststehenden Rückplatte(einfach Rückplatte genannt).

Dieser Kondensator muss eine konstante Ladung zwischen der Membran und der Rückplatte aufrechterhalten, um richtig zu funktionieren. Bei ECMs wird diese Ladung vom Elektretmaterial geliefert(entweder auf der Membran, der Rückplatte oder an anderer Stelle im Kapseldesign).

Sobald die Ladung der Kapsel fest ist, können wir die folgende elektrische Formel verwenden, um zu verstehen, wie die Kapsel funktioniert:

V = Q • C

V = Spannung über den Platten.
Q = elektrische Ladung zwischen den Platten.
C = Kapazität des Plattenkondensators.

Das Audiosignal vom Mikrofon beginnt als Spannungsänderung an den Kondensatorplatten der Kapsel. Analoge Audiosignale sind schließlich Wechselspannungen mit Frequenzen zwischen 20 Hz und 20.000 Hz.

Die Wechselspannung des Kondensators muss modifiziert werden, bevor sie das Mikrofon effektiv verlassen kann, aber der Kapselwandler ist der Anfang des Mikrofonsignals.

Wenn wir uns also die obige Formel ansehen, sehen wir, dass bei einer festen Last jede Änderung der Kapazität eine umgekehrt proportionale Änderung der Spannung erzeugt. Das heißt, um ein Wechselspannungsmikrofonsignal zu erzeugen, muss die Kapazität des Kondensators nach oben und unten variieren(um seinen Sollwert oszillieren).

Wie kann die Kapazität in einer Kondensatormikrofonkapsel verändert werden? Werfen wir einen Blick auf eine andere Kapazitätsformel, um es herauszufinden:

C = ε ₀(A/d)

C = Kapazität des Plattenkondensators.
A = Fläche der Platten.
ε ₀ = Dielektrizitätskonstante.
d = Abstand zwischen den Platten.

In der obigen Formel haben wir zwei Konstanten: die Dielektrizitätskonstante und die Fläche der Platten(die sich bewegende Membran und die stationäre Rückplatte). Die bewegliche Membran, die auf Schwankungen des Schalldruckpegels reagiert, lässt Änderungen des Plattenabstands(d in obiger Gleichung) zu.

Indem wir also die Membran bewegen, verändern wir den Abstand zwischen den Platten des Kondensators.

Gemäß unserer zweiten Gleichung bewirkt jede Änderung des Abstands zwischen den Kondensatorplatten eine proportionale Änderung der Kapazität des Kondensators/der Kapsel.

Nach unserer ersten Gleichung verursacht jede Änderung der Kapazität eine umgekehrt proportionale Änderung der Spannung über den Platten.

Wie wir besprochen haben, ist eine Wechselspannung über den Platten im Wesentlichen unser Mikrofonsignal. Daher verursacht durch die oben erwähnten elektrostatischen Prinzipien jede Schallwelle an der Membran des Kondensatormikrofons ein passendes Mikrofonsignal.

Das Material Elektret

Was ECMs wirklich von normalen Kondensatormikrofonen unterscheidet, ist das Elektretmaterial. Wie bereits erwähnt, ermöglicht das Elektretmaterial eine feste elektrische Ladung über dem Parallelplattenkondensator. Diese feste Gebühr ist wiederum erforderlich, damit die ECM-Pods ordnungsgemäß funktionieren.

Der Impedanzwandler-Transistor

Das Wandlerelement und die ihm zugrunde liegenden elektrostatischen Prinzipien sind ziemlich clever. Es gibt jedoch ein großes Problem mit ECM-Kapseln(und Kondensatormikrofonkapseln im Allgemeinen).

Dieses Problem ist die extrem hohe Impedanz am Ausgang der Kapsel.

Es ist wichtig, dass die Kondensatorkapsel eine sehr hohe Impedanz beibehält, um zu verhindern, dass die auf den Platten gespeicherte Ladung entweicht.

Ebenso ist es wichtig, unmittelbar nach der Kapsel einen Impedanzwandler zu haben, um das Audiosignal effektiv von der ECM-Kapsel zu nehmen. Bei ECMs ist dieser Impedanzwandler üblicherweise als JFET(Junction Gate Field Effect Transistor) ausgeführt.

Ein JFET ist ein aktives elektronisches Gerät mit drei Anschlüssen. Werfen wir einen Blick auf ein einfaches Diagramm eines JFET, gefolgt von einer Liste seiner Anschlüsse:

S = Quelle
D = Abfluss
G = Tür

Das hochohmige Ausgangssignal der Kapsel wird an das Gate des JFET gesendet, wo es eine Schaltung mit den Gate-Anschlüssen der Source herstellt.

Das Gate kann man sich als hochohmigen Eingang vorstellen, der in der Lage ist, das Ausgangssignal der Kapsel ohne signifikante Verschlechterung zu empfangen(was der Fall wäre, wenn der Eingang niederohmig wäre).

Der JFET wird von einer externen Quelle versorgt(typischerweise Phantomspeisung oder DC-Vorspannung). Dadurch werden die Source-Drain-Anschlüsse effektiv so eingerichtet, dass elektrischer Strom durch sie fließen kann. Dieser Strom hat eine relativ niedrige Impedanz und kann durch den Rest des Mikrofons und den endgültigen Ausgang des Mikrofons geleitet werden.

Der Strom zwischen Source und Drain kann als Ausgang des JFET(Impedanzwandler) betrachtet werden. Die «Ausgangs»-Wechselspannung hat, wie wir vermuten können, eine viel niedrigere Impedanz als das «Eingangssignal».

Das „Eingangssignal“ moduliert im Wesentlichen den Strom des „Ausgangssignals“. Daher kann ein Signal mit hoher Impedanz, das zu den Gate-Source-Anschlüssen des JFET geht, das Signal mit niedriger Impedanz an der Drain-Source effektiv modulieren. Hier kommt die Impedanz ins Spiel.

Beachten Sie, dass JFETs auch eine Art Pseudoverstärkung zwischen Eingang und Ausgang bieten können.

Mehr Schaltungen und Mikrofonausgang

Abhängig vom jeweiligen Elektret-Kondensatormikrofon kann es zusätzliche Schaltungen geben, damit das Mikrofonsignal durchgelassen wird, bevor es das Mikrofon verlässt.

Diese Schaltungen können die folgenden Komponenten enthalten(sind aber nicht darauf beschränkt):

Hochpassfilter
Passive Dämpfungsgeräte(PADs)
Verstärker
Analog-Digital-Wandler

Stromversorgung der aktiven Komponenten eines Elektret-Kondensatormikrofons

ECMs haben Kapseln, die dauerhaft geladen sind und keine externe Vorspannung benötigen, um eine feste Ladung an ihre Platten anzulegen.

Allerdings sind Elektret-Kondensatormikrofone immer noch aktive Mikrofone. Ihre Impedanzwandler benötigen Strom(von außen bereitgestellt), um ordnungsgemäß zu funktionieren, genau wie die im vorherigen Abschnitt erwähnten Komponenten.

Bei ECMs in Studio- und Messqualität ist die bevorzugte Stromversorgungsmethode im Allgemeinen Phantomspeisung, die +48 VDC an Pins 2 und 3(relativ zu Pin 1) des symmetrischen Audiokabels anlegt, das mit dem Mikrofon verbunden ist.

Bei Klappen-ECMs und anderen Miniatur-ECMs ist die bevorzugte Stromversorgungsmethode häufig DC-Bias. Bei dieser Methode werden +5 VDC entlang des Audioleiters einer unsymmetrischen Leitung gesendet und normalerweise von dem drahtlosen Sender geliefert, an den das Lav-Mikrofon angeschlossen ist.

In Verbrauchergeräten, die üblicherweise Elektretmikrofone verwenden, werden die Mikrofone von der gleichen Batterie, Stromversorgung oder Netzstromversorgung gespeist, die den Rest des Geräts mit Strom versorgt.

Unter Berücksichtigung all dieser Informationen sollte das folgende vereinfachte Diagramm eines ECM sinnvoll sein:

Anwendungen von Elektret-Kondensatormikrofonen

Am Anfang dieses Artikels habe ich erwähnt, dass Elektret-Kondensatormikrofone eines, wenn nicht das am häufigsten verwendete Mikrofon auf der Erde sind.

Schauen wir uns dazu einige typische ECMs an:

Messmikrofone
Studio-Kondensatormikrofone
Filmmikrofone(Richtrohrmikrofone, Lavaliermikrofone etc.)
Unterhaltungselektronik(Laptops, Handys etc.)
Professionelle medizinische Geräte(z. B. Hörgeräte)

Anwendungen für die oben genannten Mikrofontypen reichen von Telefonanrufen bis hin zu Blockbuster-Filmaudio; Rekorde brechen, um Menschen mit Hörbehinderungen zu helfen.

Beispiele für Elektret-Kondensatormikrofone

Um wirklich etwas über Elektret-Kondensatormikrofone zu lernen, sollten wir uns einige Beispiele ansehen:

M50 Erdarbeiten

Das Earthworks M50 ist ein hervorragendes Messmikrofon mit Elektret-Kondensatorkapsel. Es hat einen breiten Frequenzgang von 5 Hz bis 50.000 Hz(der Bereich des menschlichen Gehörs, den die meisten EMVs zu reproduzieren behaupten, beträgt nur 20 Hz – 20.000 Hz).

Dieses Mikrofon sagt uns, dass Elektretmikrofone mit dem richtigen Design leistungsstarke, unglaublich genaue Wandler sein können.

DPA 4006A

Das DPA 4006A ist insgesamt ein erstklassiges Mikrofon(nicht nur im Vergleich zu anderen Elektret-Kondensatormikrofonen).

Dieses Stabmikrofon arbeitet fast so genau wie ein Messmikrofon, wird aber nicht so vermarktet. Vielmehr ist das 4006A als Referenzmikrofon für eine präzise und detaillierte Tonproduktion im Studio konzipiert.

Ritt NT1-A

Das Rode NT1-A ist eines meiner Lieblingsmikrofone. Ich würde dieses Mikrofon als «Prosumer»-Produkt bezeichnen, da es irgendwo zwischen professionellem Spitzenniveau und vollwertigem Verbraucherniveau angesiedelt ist. Ich habe dieses Mikrofon in meiner Karriere als Toningenieur persönlich bei vielen professionellen Projekten eingesetzt.

Sanken COS-11D

Das Sanken COS-11D ist ein Lavalier-Mikrofon nach Industriestandard für Film, Fernsehen und andere projizierte Medien.

Dieses Mikrofon hat eine Miniatur-Elektret-Kondensatorkapsel und arbeitet mit DC-Vorspannung.

Challenge Electronics CEM-C9745JAD462P2.54R

Das Challenge Electronics CEM-C9745JAD462P2.54R ist eines von vielen Beispielen für preiswerte ECMs auf dem heutigen Markt(es ist auch ziemlich kompliziert). Diese Projekt-ECMs mit kleinem Pin-Typ würden dem sehr ähnlich sein, was wir in der Unterhaltungselektronik erwarten würden.

iPhone(2008)

Das ursprüngliche iPhone verwendete ein ECM mit einem unmittelbaren ADC, um Audio aufzunehmen und zu übertragen. Spätere Modelle wurden mit MEMS-Mikrofonen entwickelt.

Mit der wachsenden Popularität und Entwicklung von MEMS-Mikrofonen entscheiden sich viele Hersteller von Verbrauchergeräten für MEMS-Mikrofone gegenüber ECMs. MEMS-Mikrofone sind viel kleiner und billiger zu bauen und übertreffen ECMs in gewisser Weise(insbesondere in Verbrauchergeräten wie Mobiltelefonen).