Was sind Mikrofonübertrager und welche Funktion haben sie?
Einige Mikrofone haben transformatorgekoppelte Ausgänge, während andere als transformatorlos gelten. Einige Mikrofone haben sogar Transformatoren in der Mitte ihrer Signalkette statt an ihren Ausgängen.
Was ist ein Mikrofontransformator?
Ein Mikrofontransformator ist ein passives elektrisches Gerät, das zwei Stromkreise physisch isoliert und gleichzeitig eine elektrische Beziehung zwischen den Stromkreisen aufrechterhält. Mikrofontransformatoren haben zwei leitende Spulen(eine für jeden Stromkreis), die um einen gemeinsamen Magnetkern gewickelt sind. Sie passen Spannung, Strom und Impedanz an.
In diesem Artikel besprechen wir die Rolle des Transformators in Mikrofonen sowie Mikrofone, die Transformatoren verwenden, und solche, die dies nicht tun.
Was ist ein Transformator?
Wenn wir den Begriff Transformator hören, denken wir oft an Leistungstransformatoren, die unsere Gebäude mit Strom aus Stromleitungen versorgen.
Die Leistungstransformatoren, die unsere Gebäude mit geregelten Netzspannungen versorgen, verarbeiten viel höhere Spannungen und Ströme als Mikrofonausgangstransformatoren, aber sie sind beide nach denselben Prinzipien konstruiert.
Transformatoren sind passive elektromagnetische Geräte, die Strom durch induktive Kopplung von einem Stromkreis zum anderen übertragen.
Grundsätzlich hat jeder Stromkreis seinen eigenen leitenden Draht, der sich um einen gemeinsamen Magnetkern wickelt. Dies koppelt effektiv die zwei Schaltungen.
Induktiv gekoppelte Schaltkreise, wie z. B. in Transformatoren, sind so konfiguriert, dass eine Stromänderung durch die Leiter eines Schaltkreises eine Spannung an den Leiterenden des anderen Schaltkreises induziert.
Die einfachsten Übertrager, die bei übertragergekoppelten Mikrofonen üblich sind, bestehen aus zwei Kreisen. Jeder Stromkreis hat einen leitenden Draht, bekannt als Wicklung, der sich um den Magnetkern des Transformators wickelt.
Normalerweise ist die Primärwicklung mit dem Schaltkreis verbunden, der das Ausgangssignal der Mikrofonkapsel darstellt, während die Sekundärwicklung mit dem Ausgangsschaltkreis des Mikrofons verbunden ist.
Hier ist ein einfaches Diagramm eines Transformators:
- P = Primärwicklung: Die Primärwicklung befindet sich seitlich an der Mikrofonkapsel. Dies bedeutet nicht zwangsläufig, dass es sich im selben Stromkreis wie die Mikrofonkapsel befindet. Es bedeutet vielmehr, dass die Wicklung zwischen dem Transformator und der Kapsel und nicht zwischen dem Transformator und dem Mikrofonausgang liegt. Die Primärwicklung kann man sich als „Eingang“ des Transformators vorstellen, der das Mikrofonsignal von der Kapsel zum Transformator überträgt.
- S = Sekundärwicklung: Die Sekundärwicklung befindet sich auf der Ausgangsseite des Mikrofons. Das bedeutet, dass die Wicklung zwischen Transformator und Ausgang statt zwischen Transformator und Kapsel liegt. Die Sekundärwicklung kann man sich als „Ausgang“ des Transformators vorstellen. Wenn das Signal durch die Primärwicklung läuft, erzeugt der Transformator effektiv ein proportionales, aber verändertes Signal durch die Sekundärwicklung.
- MC = Common Magnetic Core: Damit die induktive Kopplung funktioniert, benötigen wir elektromagnetische Induktion. Die Spannung an der Primärwicklung verursacht ein sich änderndes Magnetfeld innerhalb des Magnetkerns, das dann eine Spannung an der Sekundärwicklung induziert.
Grundsätzlich bewirkt eine Spannung in der Primärwicklung(bedingt durch die Mikrofonkapsel) eine Änderung des Magnetfeldes des Magnetkerns. Diese Magnetfeldänderung induziert dann eine Spannung über der Sekundärwicklung. All dies ist auf elektromagnetische Induktion zurückzuführen.
Beachten Sie, dass Transformatoren nur Wechselstrom durchlassen und Gleichstrom blockieren. Dies wird als DC-Trennung bezeichnet. Ein Gleichstrom ist per Definition kein Wechselstrom. Daher würde es kein sich änderndes Magnetfeld erzeugen, das für die elektromagnetische Induktion erforderlich ist, um eine Spannung über der anderen/sekundären Wicklung zu induzieren.
Es ist auch wichtig zu beachten, dass die Leistungsaufnahme des Transformators(auf der Primärseite) und die Leistungsabgabe des Transformators(auf der Sekundärseite) gleich sind(mit Ausnahme der Umwandlungsverluste). Ich werde dies später wiederholen, wenn wir über Aufwärtstransformatoren, Abwärtstransformatoren und die Rolle von Transformatoren in Mikrofonen sprechen.
Allgemeine Gleichungen für Mikrofontransformatoren
Nachdem wir nun die Grundlagen von Mikrofontransformatoren behandelt haben, schauen wir uns einige konkrete Berechnungen an, die wir mit Transformatoren durchführen können. Dies wird uns im nächsten Abschnitt über die Rolle von Transformatoren in Mikrofonen helfen.
Hier sind einige Transformatorformeln mit Erklärungen. Beachten Sie, dass dies ideale Formeln sind und natürlich auftretende Umwandlungsverluste nicht berücksichtigen.
Leistungsformel für Transformatoren
Wie oben erwähnt, sollte in idealen Situationen(ohne Umwandlungsverluste) die Leistung in der Primärwicklung eines Transformators gleich der Leistung in der Sekundärwicklung sein:
Pp = Ps _
P = Leistung
Dies geschieht unabhängig vom Windungsverhältnis zwischen den beiden Wicklungen.
Es ist nützlich zu beachten, dass die Leistung gleich dem Produkt aus Spannung und Strom ist:
P = ich ⋅ V
Ich = Strom V = Spannung
Schauen wir uns vor diesem Hintergrund an, wie die Auswirkung eines Transformators auf Spannung und Strom berechnet wird.
Spannungsformel für Transformatoren
Die Anzahl der Windungen in einer leitenden Spule ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Spannung, die elektromagnetisch über die Spule induziert werden kann. Alles andere gleich, eine Spule mit mehr Windungen wird eine große Spannung darüber induziert.
Transformatoren haben einen gemeinsamen Magnetkern und die Wicklungen bestehen fast immer aus dem gleichen leitfähigen Material mit der gleichen Stärke. Das Windungsverhältnis wird dann zu einem kritischen Teil der Gleichung.
Hier ist die Formel zur Berechnung der Spannungsdifferenz über einem Transformator:
Vs =(Ns / Np ) ⋅ Vp
V s = Spannung in der Sekundärwicklung V p = Spannung in der Primärwicklung N s = Windungszahl in der Sekundärwicklung N p = Windungszahl in der Primärwicklung
Wie wir hier sehen können, hat die Sekundärspule eine höhere Spannung als die Primärspule, wenn die Sekundärspule mehr Windungen als die Primärspule hat.
Eine andere Möglichkeit, dies zu schreiben, ist:
Vs / Vp = Ns / Np _
Zur Erinnerung: Diese Formel gilt für ideale Umstände und berücksichtigt keine Umwandlungsverluste.
Aktuelle Formel für Transformatoren
Bisher wissen wir, dass Transformatoren die Leistung von einer Wicklung zur anderen nicht ändern. Wir haben auch besprochen, dass die Wicklung mit mehr Windungen eine höhere Spannung haben wird.
Wenn also P = I ⋅ V, dann würde eine Erhöhung der Spannung eine proportionale Verringerung des Stroms bedeuten. Genau das passiert in Transformatoren.
Hier ist die Formel zur Berechnung der Stromdifferenz in einem Transformator:
Ich s =(N p /N s) ⋅ Ich p
I s = Strom durch die Sekundärwicklung I p = Strom durch die Primärwicklung N p = Anzahl der Windungen in der Primärwicklung N s = Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung
Wenn die Sekundärwicklung mehr Windungen als die Primärwicklung hat, hat sie auch weniger Strom als die Primärwicklung.
Eine andere Möglichkeit, dies zu schreiben, ist:
Ich s / Ich p = N p / N s
Impedanzformel für Transformatoren
Ein weiterer wichtiger elektrischer Wert, den Transformatoren beeinflussen, ist die Impedanz.
Beachten Sie, dass es hier nicht um die Impedanz des Transformators selbst geht, sondern um die Differenz zwischen der Impedanz im Primärwicklungskreis und im Sekundärwicklungskreis.
Wenn wir den Widerstand(eine Gleichstromgröße) durch die Impedanz(eine Wechselstromgröße) im Ohmschen Gesetz ersetzen, erhalten wir:
| Z | = V/I
| Z | = Impedanz(absolut)
Dies ist nicht unbedingt eine perfekte Substitution, führt aber zu der folgenden Gleichung für die Transformatorimpedanz:
Zs =(Ns / Np ) 2 ⋅ Zp
Z s = Impedanz der Sekundärwicklung Z p = Impedanz der Primärwicklung N s = Windungszahl der Sekundärwicklung N p = Windungszahl der Primärwicklung
Beachten Sie, dass wir zu der obigen Gleichung gekommen sind, indem wir die Sekundärwicklung mit der Primärwicklung für jeden Wert(Z, V und I) verglichen und dann Vs / Vp gegen Ns / Np und Is / Ip = N p /N s ausgetauscht haben.
Was bedeutet diese Gleichung?
Wenn die Sekundärwicklung eines Transformators mehr Windungen hat, hat sie eine höhere Impedanz als die Primärwicklung. Dieser Impedanzwert ist gleich dem Quadrat des Windungsverhältnisses multipliziert mit der Impedanz der Primärwicklung.
Wenn die Sekundärwicklung eines Transformators weniger Windungen hat, hat sie eine niedrigere Impedanz als die Primärwicklung. Diese Impedanz ist wiederum gleich dem Quadrat des Windungsverhältnisses multipliziert mit der Impedanz der Primärwicklung. In diesem Fall ist das Quadrat des Windungsverhältnisses kleiner als eins.
Allgemeine Arten von Mikrofontransformatoren
Nachdem wir nun wissen, wie Transformatoren funktionieren, schauen wir uns die Arten von Transformatoren an, die in Mikrofonen zu finden sind, und die Rolle, die sie spielen.
Lassen Sie uns zunächst anmerken, dass Mikrofontransformatoren Audiotransformatoren sind und im hörbaren Frequenzbereich von 20 Hz bis 20.000 Hz arbeiten. Der Transformator mit der schlechtesten Qualität kann kleinere Bereiche als diesen haben. In diesem Bereich funktionieren geeignete Audiotransformatoren.
Bei der Erörterung der Rolle, die ein Transformator in einem Mikrofon spielt, ist es wichtig zu wissen, dass es verschiedene Arten von Transformatoren gibt, die im Mikrofondesign verwendet werden. Diese Arten von Transformatoren sind:
Aufwärtstransformator
In dem oben gezeigten Diagramm beschreiben wir einen Aufwärtstransformator.
Ein Aufwärtstransformator dient zum Erhöhen oder «Hochsetzen» der Spannung von der Primär- zur Sekundärwicklung. Dies erfordert, dass die Sekundärwicklung mehr Windungen hat(wie oft sich der Draht um den Magnetkern wickelt) als die Primärwicklung.
Wenn alles andere gleich ist, wird bei einem leitenden Draht mit mehr Windungen eine höhere Spannung induziert, wenn er der gleichen Änderung im Magnetfeld ausgesetzt wird.
Im obigen Diagramm haben wir die Primärwicklung(Kapselseite) links und die Sekundärwicklung(Ausgangsseite) rechts.
Wenn die Wechselspannung(Mikrofonsignal) von der Kapsel an die Primärwicklung angelegt wird, erzeugt sie ein sich änderndes Magnetfeld im Magnetkern. Dieses sich ändernde Magnetfeld ist dann beiden Wicklungen gemeinsam. Da die Sekundärwicklung mehr Windungen hat, ist die darüber induzierte Spannung größer als die Spannung über der Primärwicklung.
Diese Spannungserhöhung wird begleitet von einer weiteren Erhöhung der Impedanz zusammen mit einer proportionalen Abnahme des Stroms.
Trafo herunterstufen
Ein Abwärtstransformator ist im Wesentlichen ein umgekehrt verdrahteter Aufwärtstransformator. Seine Primärspule hat mehr Windungen als seine Sekundärspule.
Im obigen Diagramm haben wir die Primärwicklung(Kapselseite) links und die Sekundärwicklung(Ausgangsseite) rechts.
Die von der Mikrofonkapsel erzeugte Wechselspannung wird schließlich über die Primärwicklung angelegt. Diese Spannung induziert im Magnetkern des Transformators ein magnetisches Wechselfeld. Dies wiederum induziert eine kleinere Spannung über der Sekundärwicklung(weil die Sekundärwicklung weniger Windungen hat).
Diese Spannungsabnahme wird begleitet von einer noch stärkeren Abnahme der Impedanz zusammen mit einem proportionalen Anstieg des Stroms.
Isolationstransformator
Der weniger bekannte Trenntransformator hat ein Windungsverhältnis von 1:1 und ist so ausgelegt, dass er die Spannung, den Strom oder die Impedanz der Primär- und Sekundärwicklung nicht beeinflusst. Sein Zweck besteht vielmehr darin, die Hauptkomponenten und Schaltungen des Mikrofons(einschließlich der Kapsel) elektrisch vom Ausgangsanschluss des Mikrofons zu isolieren.
Es ist wichtig zu beachten, dass alle Transformatoren so wirken, dass sie zwei Stromkreise isolieren. Obwohl zwischen den beiden Wicklungen eines Transformators eine elektromagnetische Beziehung besteht, befindet sich jede Wicklung in einem eigenen isolierten Stromkreis.
Diese Trenntransformatoren wurden entwickelt, um Gleichstrom zu blockieren und Mikrofone zu schützen, ohne das Mikrofonsignal am Ausgang zu beeinträchtigen.
Die Rolle von Transformatoren in Mikrofonen
Schauen wir uns abschließend die vielen Rollen von Transformatoren im Mikrofondesign an:
- Verhindert, dass Gleichspannung(einschließlich Phantomspeisung) in empfindliche Mikrofonkomponenten eindringt
- Gleichen Sie unsymmetrische Audiosignale aus
- Stellen Sie die Ausgangsimpedanz des Mikrofons ein
- Passen Sie die Ausgangsspannung des Mikrofons an(Signalstärke)
- Färben Sie das Ausgangssignal des Mikrofons
Ein kurzer Hinweis zur Färbung: Transformatoren fügen einem Mikrofonsignal häufig eine leichte Verzerrung hinzu, insbesondere wenn das Windungsverhältnis groß ist. Dies ist auf natürliche Unvollkommenheiten in den Drahtleitungen und Magnetkernen sowie auf natürlich auftretende Umwandlungsverluste bei elektromagnetischer Induktion zurückzuführen.
Es ist wichtig zu beachten, dass Transformatoren in Mikrofondesigns nicht immer notwendig sind. Hochwertige Transformatoren sind teuer, und billige Transformatoren wirken sich nachteilig auf das Mikrofonaudio aus.
Viele dynamische Tauchspulmikrofone verzichten aus Kostengründen darauf. Diese Mikrofone sind normalerweise langlebig genug, um Transformatoren zu umgehen.
Viele Hersteller von Kondensatormikrofonen haben sich billigeren transformatorlosen Ausgangsschaltungsdesigns zugewandt, die Transistoren verwenden, um die gleichen Funktionen wie Transformatoren auszuführen.
Schauen wir uns damit einige gängige Mikrofontypen an, die Transformatoren in ihren Designs verwenden:
Dynamische Mikrofontransformatoren mit beweglicher Spule
Aufwärtstransformatoren werden manchmal am Ausgang dynamischer Mikrofone mit beweglicher Spule platziert, um ihre relativ schwachen Mikrofonsignale zu verstärken. Diese Mikrofonsignale können die erhöhte Impedanz leisten, die mit einer erhöhten Spannung einhergeht.
Einige Transformatoren färben das Mikrofonsignal stärker als andere und alle Transformatoren schützen den Tonabnehmer vor Gleichspannung.
Passive dynamische Bändchenmikrofon-Transformatoren
An den Ausgängen von passiven Bändchenmikrofonen werden immer Aufwärtstransformatoren verwendet. Bandmembranen sind sehr zerbrechlich und benötigen den von Transformatoren bereitgestellten Gleichstromschutz.
Aufwärtstransformatoren erhöhen die Spannung relativ schwacher Bändchenmikrofonsignale, ohne die Impedanz auf unbrauchbare Pegel zu erhöhen.
Wie bei allen Mikrofonen färben einige Transformatoren das Mikrofonsignal stärker als andere.
Dynamische aktive Bändchenmikrofon-Transformatoren
Aktive Bändchenmikrofone haben im Allgemeinen Aufwärtstransformatoren direkt nach ihren Schallwänden(Membran/Element).
Diese Aufwärtstransformatoren haben oft höhere Windungsverhältnisse und erhöhen das Mikrofonsignal(Spannung) auf Kosten einer höheren Impedanz.
Diese Transformatoren schützen auch die empfindliche Membran vor dem Gleichstrom, der zum Betrieb der aktiven Schaltung des Bändchenmikrofons(insbesondere des Impedanzwandlers) erforderlich ist.
Der Impedanzwandler(FET) nimmt das Signal mit höherer Spannung/höherer Impedanz vom Transformator und senkt die Impedanz effektiv auf nutzbare Pegel, ohne die Signalspannung zu senken. Einige Impedanzwandler wirken sogar als Pseudoverstärker und erhöhen die Signalspannung weiter.
Diese Mikrofone haben typischerweise eine transformatorlose Ausgangsschaltung.
Dynamische Mikrofontransformatoren mit aktivem Röhrenband
Bändchenröhrenmikrofone benötigen im Allgemeinen zwei Transformatoren in ihrer Konstruktion.
Der erste Transformator ist ein Aufwärtstransformator und dient dazu:
- Erhöhen Sie den Pegel(Spannung) des relativ schwachen Mikrofonsignals von der Bändchenmembran. Dies geschieht auf Kosten einer Erhöhung der Impedanz, die die Vakuumröhre korrekt umwandelt.
- Schützen Sie die Farbbandmembran vor potenzieller Gleichspannung, die sie beschädigen könnte.
Der zweite Transformator ist ein Abwärtstransformator und hat folgende Aufgaben:
- Reduzieren Sie die Impedanz weiter auf ein professionell nutzbares Niveau.
- Gleichen Sie das Mikrofonsignal von der Vakuumröhre ab.
FET-Kondensatormikrofon-Transformatoren
Einige Festkörper-Kondensatormikrofone(insbesondere frühe) verwenden Abwärtstransformatoren an ihren Ausgängen.
Diese Abwärtstransformatoren dienen dazu, die Ausgangsimpedanz des Mikrofonsignals richtig anzupassen.
Röhren-Kondensator-Mikrofon-Transformatoren
Röhren-Kondensatormikrofone haben typischerweise transformatorgekoppelte Abwärtsausgänge.
Diese Abwärtstransformatoren passen die Impedanz des Signals effektiv auf einen nutzbaren Pegel an. Die Signalstärke der Vakuumröhre kann den einem Abwärtstransformator innewohnenden Spannungsabfall berücksichtigen.
Die Ausgangstransformatoren dienen auch dazu, das Ausgangssignal auszugleichen und das Mikrofon vor Gleichspannung zu schützen, die möglicherweise in die Pins 2 und 3 des Audiokabels eingeht(Phantomspeisung).
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Was ist Impedanzanpassung? Impedanzanpassung ist die Praxis, eine Quelle mit einem Eingang für maximale Leistungsübertragung zu verbinden. Die Lastimpedanz eines elektrischen Eingangs muss genau auf die Schallimpedanz eines Ausgabegeräts abgestimmt sein. Bei Mikrofonen geht es uns eher um die Überbrückung der Impedanz für eine maximale Spannungsübertragung.
