Cosa sono i trasformatori microfonici e qual è la loro funzione?

Alcuni microfoni hanno uscite accoppiate a trasformatore, mentre altri sono considerati senza trasformatore. Alcuni microfoni hanno anche trasformatori nel mezzo delle loro catene di segnali invece che alle loro uscite.

Cos’è un trasformatore per microfono?

Un trasformatore per microfono è un dispositivo elettrico passivo che isola fisicamente due circuiti mantenendo una relazione elettrica tra i circuiti. I trasformatori microfonici hanno due bobine conduttrici(una per ogni circuito) avvolte attorno a un nucleo magnetico comune. Regolano tensione, corrente e impedenza.

In questo articolo, discuteremo il ruolo del trasformatore nei microfoni, così come i microfoni che utilizzano trasformatori e quelli che non lo fanno.

Cos’è un trasformatore?

Quando sentiamo il termine trasformatore, pensiamo spesso a trasformatori di potenza che forniscono ai nostri edifici l’elettricità proveniente dalle linee elettriche.

I trasformatori di alimentazione che forniscono ai nostri edifici tensioni di rete regolate gestiscono tensioni e correnti molto più elevate rispetto ai trasformatori di uscita microfonici, ma sono entrambi progettati secondo gli stessi principi.

I trasformatori sono dispositivi elettromagnetici passivi che trasferiscono potenza da un circuito all’altro mediante accoppiamento induttivo.

Fondamentalmente, ogni circuito ha il proprio filo conduttore che si avvolge attorno a un nucleo magnetico comune. Questo accoppia efficacemente i due circuiti.

I circuiti accoppiati induttivamente, come quelli nei trasformatori, sono configurati in modo tale che una variazione di corrente attraverso i conduttori di un circuito induca una tensione ai capi dei conduttori dell’altro circuito.

I trasformatori più semplici, comuni nei microfoni accoppiati a trasformatore, sono costituiti da due circuiti. Ogni circuito ha un filo conduttore, noto come avvolgimento, che avvolge il nucleo magnetico del trasformatore.

Normalmente l’avvolgimento primario è collegato al circuito che presenta il segnale di uscita della capsula microfonica, mentre l’avvolgimento secondario è collegato al circuito di uscita del microfono.

Ecco un semplice diagramma di un trasformatore:

• P = avvolgimento primario: l’avvolgimento primario è sul lato della capsula microfonica. Ciò non significa necessariamente che si trovi sullo stesso circuito della capsula del microfono. Significa piuttosto che l’avvolgimento si trova tra il trasformatore e la capsula piuttosto che tra il trasformatore e l’uscita del microfono. L’avvolgimento primario può essere pensato come l’»ingresso» del trasformatore, che trasporta il segnale del microfono dalla capsula al trasformatore.
• S = avvolgimento secondario: l’avvolgimento secondario si trova sul lato di uscita del microfono. Ciò significa che l’avvolgimento si trova tra il trasformatore e l’uscita invece che tra il trasformatore e la capsula. L’avvolgimento secondario può essere considerato come l’»uscita» del trasformatore. Quando il segnale passa attraverso l’avvolgimento primario, il trasformatore produce effettivamente un segnale proporzionato ma alterato attraverso il secondario.
• MC = Common Magnetic Core: Affinché l’accoppiamento induttivo funzioni, abbiamo bisogno dell’induzione elettromagnetica. La tensione attraverso l’avvolgimento primario provoca un campo magnetico variabile all’interno del nucleo magnetico che quindi induce una tensione attraverso l’avvolgimento secondario.

Fondamentalmente, una tensione nell’avvolgimento primario(dovuta in definitiva alla capsula del microfono) provoca un cambiamento nel campo magnetico del nucleo magnetico. Questo cambiamento nel campo magnetico induce quindi una tensione attraverso l’avvolgimento secondario. Tutto ciò è dovuto all’induzione elettromagnetica.

Si noti che i trasformatori passano solo la corrente CA e bloccano la corrente CC. Questo è noto come isolamento CC. Una corrente continua, per definizione, non è una corrente alternata. Pertanto non produrrebbe un campo magnetico variabile necessario affinché l’induzione elettromagnetica induca una tensione attraverso l’altro avvolgimento/secondario.

È inoltre fondamentale notare che la potenza assorbita dal trasformatore(sul primario) e la potenza erogata dal trasformatore(sul secondario) sono le stesse(ad eccezione delle perdite di conversione). Lo ripeterò più avanti quando discuteremo dei trasformatori step-up, dei trasformatori step-down e dei ruoli dei trasformatori nei microfoni.

Equazioni generali per trasformatori microfonici

Ora che abbiamo coperto le basi dei trasformatori per microfoni, diamo un’occhiata ad alcuni calcoli concreti che possiamo fare con i trasformatori. Questo ci aiuterà nella prossima sezione sul ruolo dei trasformatori nei microfoni.

Ecco alcune formule del trasformatore con spiegazioni. Si noti che queste sono formule ideali e non tengono conto delle perdite di conversione naturali.

Formula di potenza per trasformatori

Come accennato in precedenza, in situazioni ideali(senza perdite di conversione), la potenza nell’avvolgimento primario di un trasformatore dovrebbe essere uguale alla potenza nell’avvolgimento secondario:

_Pp = Ps _{_}

P = Potenza

Ciò accade indipendentemente dal rapporto di spire tra i due avvolgimenti.

È utile notare che la potenza è uguale al prodotto di tensione e corrente:

P = I ⋅ V

I = Corrente V = Tensione

Con questo in mente, diamo un’occhiata a come calcolare l’effetto di un trasformatore su tensione e corrente.

Formula di tensione per trasformatori

Il numero di giri in una bobina conduttrice è un fattore importante nel determinare la tensione che può essere indotta elettromagneticamente attraverso la bobina. A parità di condizioni, una bobina con più spire avrà una grande tensione indotta ai suoi capi.

I trasformatori hanno un nucleo magnetico comune e gli avvolgimenti sono quasi sempre realizzati con lo stesso materiale conduttivo con lo stesso calibro. Il rapporto dei giri, quindi, diventa una parte critica dell’equazione.

Ecco la formula per calcolare la differenza di tensione attraverso un trasformatore:

Vs =(_Ns / _{Np )} ⋅ _Vp

V _s = Tensione nel secondario V _p = Tensione nel primario N _s = Numero di spire nel secondario N _p = Numero di spire nel primario

Quindi, come possiamo vedere qui, se la bobina secondaria ha più spire del primario, allora la bobina secondaria avrà una tensione maggiore del primario.

Un altro modo per scrivere questo è:

V _s /V _p = N _s / N _p

Ricordiamo che questa formula è valida in circostanze ideali e non tiene conto di alcuna perdita di conversione.

Formula corrente per trasformatori

Finora sappiamo che i trasformatori non alterano la potenza da un avvolgimento all’altro. Abbiamo anche discusso che l’avvolgimento con più spire avrà una tensione maggiore.

Quindi se P = I ⋅ V, allora un aumento della tensione significherebbe una diminuzione proporzionale della corrente. Questo è esattamente ciò che accade nei trasformatori.

Ecco la formula per calcolare la differenza di corrente in un trasformatore:

io _s =(N _p /N _s) ⋅ io _p

I _s = Corrente attraverso l’avvolgimento secondario I _p = Corrente attraverso l’avvolgimento primario N _p = Numero di spire nell’avvolgimento primario N _s = Numero di spire nell’avvolgimento secondario

Se l’avvolgimento secondario ha più giri del primario, avrà anche meno corrente del primario.

Un altro modo per scrivere questo è:

Io _s /Io _p = N _p /N _s

Formula di impedenza per trasformatori

Un altro importante valore elettrico che influenzano i trasformatori è l’impedenza.

Si noti che non si tratta dell’impedenza del trasformatore stesso, ma della differenza tra l’impedenza nel circuito dell’avvolgimento primario e il circuito dell’avvolgimento secondario.

Sostituendo resistenza(una quantità DC) per impedenza(una quantità AC) nella legge di Ohm, otteniamo:

| Z | = V/I

| Z | = Impedenza(assoluta)

Questa non è necessariamente una sostituzione perfetta, ma porta alla seguente equazione per l’impedenza del trasformatore:

Zs =(_Ns / _{Np )} ² ⋅ _Zp

Z _s = Impedenza dell’avvolgimento secondario Z _p = Impedenza dell’avvolgimento primario N _s = Numero di spire dell’avvolgimento secondario N _p = Numero di spire dell’avvolgimento primario

Si noti che siamo arrivati ​​all’equazione precedente confrontando l’avvolgimento secondario con l’ avvolgimento primario per ciascun valore(Z, V e I) e quindi scambiando Vs _/ Vp _con Ns _/ Np _{e Is} / _Ip = N _p / N _s.

Allora cosa significa questa equazione?

Se l’avvolgimento secondario di un trasformatore ha più spire, avrà un’impedenza maggiore rispetto al primario. Questo valore di impedenza sarà uguale al quadrato del rapporto spire moltiplicato per l’impedenza dell’avvolgimento primario.

Se l’avvolgimento secondario di un trasformatore ha meno giri, avrà un’impedenza inferiore rispetto al primario. Questa impedenza, ancora, sarà uguale al quadrato del rapporto delle spire moltiplicato per l’impedenza dell’avvolgimento primario. In questo caso, il quadrato del rapporto dei giri sarà minore di uno.

Tipi generali di trasformatori per microfono

Quindi ora che sappiamo come funzionano i trasformatori, diamo un’occhiata ai tipi di trasformatori che si trovano nei microfoni e ai ruoli che svolgono.

Innanzitutto, notiamo che i trasformatori del microfono sono trasformatori audio e funzionano all’interno della gamma di frequenza udibile da 20 Hz a 20.000 Hz. Il trasformatore di qualità peggiore può avere intervalli più piccoli di questo. I trasformatori audio adeguati funzioneranno all’interno di questo intervallo.

Quando si discute dei ruoli che un trasformatore svolge in un microfono, è importante sapere che esistono diversi tipi di trasformatori utilizzati nella progettazione del microfono. Questi tipi di trasformatori sono:

trasformatore elevatore

Nello schema mostrato sopra, descriviamo un trasformatore step-up.

Un trasformatore elevatore è progettato per aumentare o «aumentare» la tensione dall’avvolgimento primario a quello secondario. Ciò richiede che l’avvolgimento secondario abbia più spire(il numero di volte in cui il filo si avvolge attorno al nucleo magnetico) rispetto al primario.

A parità di condizioni, un filo conduttore con più spire avrà una tensione più alta indotta attraverso di esso quando soggetto alla stessa variazione del campo magnetico.

Nel diagramma sopra, abbiamo l’avvolgimento primario(lato capsula) a sinistra e l’avvolgimento secondario(lato uscita) a destra.

Quando la tensione CA(segnale del microfono) dalla capsula viene applicata attraverso l’avvolgimento primario, produce un campo magnetico variabile nel nucleo magnetico. Questo campo magnetico variabile, quindi, è comune a entrambi gli avvolgimenti. Poiché l’avvolgimento secondario ha più spire, la tensione indotta ai suoi capi è maggiore della tensione ai capi del primario.

Questo aumento di tensione è accompagnato da un ulteriore aumento dell’impedenza insieme a una diminuzione proporzionale della corrente.

trasformatore di riduzione

Un trasformatore step-down è essenzialmente un trasformatore step-up cablato al contrario. La sua bobina primaria ha più giri della sua bobina secondaria.

Nel diagramma sopra, abbiamo l’avvolgimento primario(lato capsula) a sinistra e l’avvolgimento secondario(lato uscita) a destra.

La tensione alternata prodotta dalla capsula del microfono viene infine applicata attraverso l’avvolgimento primario. Questa tensione induce un campo magnetico alternato all’interno del nucleo magnetico del trasformatore. Questo, a sua volta, induce una tensione minore attraverso l’avvolgimento secondario(perché l’avvolgimento secondario ha meno spire).

Questa diminuzione della tensione è accompagnata da una diminuzione ancora maggiore dell’impedenza insieme a un aumento proporzionale della corrente.

trasformatore di isolamento

Il trasformatore di isolamento meno noto ha un rapporto spire 1:1 ed è progettato per non influenzare la tensione, la corrente o l’impedenza degli avvolgimenti primari e secondari. Piuttosto, il suo scopo è isolare elettricamente i principali componenti e circuiti del microfono(compresa la capsula) dal connettore di uscita del microfono.

È importante notare che tutti i trasformatori agiscono per isolare due circuiti. Sebbene esista una relazione elettromagnetica tra i due avvolgimenti di un trasformatore, ogni avvolgimento è nel proprio circuito isolato.

Questi trasformatori di isolamento sono progettati per bloccare la CC e proteggere i microfoni senza influire sul segnale del microfono in uscita.

I ruoli dei trasformatori nei microfoni

In chiusura, diamo un’occhiata ai molti ruoli dei trasformatori nella progettazione dei microfoni:

• Impedisce alla tensione CC(inclusa l’alimentazione phantom) di entrare in componenti sensibili del microfono
• Bilancia i segnali audio sbilanciati
• Regola l’impedenza di uscita del microfono
• Regola la tensione di uscita del microfono(intensità del segnale)
• Colora il segnale di uscita del microfono

Una breve nota sulla colorazione: i trasformatori spesso aggiungono una lieve distorsione al segnale del microfono, specialmente quando il rapporto di rotazione è elevato. Ciò è dovuto alle imperfezioni naturali nei conduttori dei fili e nei nuclei magnetici, nonché alle perdite di conversione naturali con induzione elettromagnetica.

È importante notare che i trasformatori non sono sempre necessari nei progetti di microfoni. I trasformatori di alta qualità sono costosi e quelli economici hanno effetti dannosi sull’audio del microfono.

Molti microfoni dinamici a bobina mobile ne fanno a meno per ridurre i costi. Questi microfoni sono generalmente abbastanza resistenti da bypassare i trasformatori.

Molti produttori di microfoni a condensatore si sono rivolti a progetti di circuiti di uscita senza trasformatore più economici che utilizzano i transistor per svolgere le stesse funzioni dei trasformatori.

Detto ciò, diamo un’occhiata ad alcuni tipi di microfoni comuni che utilizzano trasformatori nei loro progetti:

Trasformatori per microfono dinamico a bobina mobile

I trasformatori step-up sono talvolta posizionati all’uscita di microfoni dinamici a bobina mobile per aiutare a potenziare i loro segnali microfonici relativamente deboli. Questi segnali microfonici possono permettersi la maggiore impedenza che deriva dall’aumento della tensione.

Alcuni trasformatori colorano il segnale del microfono più di altri e tutti i trasformatori proteggono la testina dalla tensione continua.

Trasformatori dinamici passivi per microfono a nastro

I trasformatori step-up vengono sempre utilizzati alle uscite dei microfoni a nastro passivi. I diaframmi a nastro sono molto fragili e necessitano della protezione dell’alimentazione CC fornita dai trasformatori.

I trasformatori step-up aumentano la tensione di segnali microfonici a nastro relativamente deboli senza aumentare l’impedenza a livelli inutilizzabili.

Come con tutti i microfoni, alcuni trasformatori colorano il segnale del microfono più di altri.

Trasformatori dinamici attivi per microfono a nastro

I microfoni a nastro attivi avranno generalmente trasformatori step-up subito dopo i loro deflettori(diaframma/elemento).

Questi trasformatori step-up hanno spesso rapporti di rotazione più elevati e lavorano per aumentare il segnale del microfono(tensione) a scapito dell’aumento dell’impedenza.

Questi trasformatori proteggono anche il diaframma sensibile dall’alimentazione CC necessaria per far funzionare i circuiti attivi del microfono a nastro(in particolare il convertitore di impedenza).

Il convertitore di impedenza(FET) preleva il segnale di tensione/impedenza superiore dal trasformatore e riduce efficacemente l’impedenza a livelli utilizzabili senza abbassare la tensione del segnale. Alcuni convertitori di impedenza agiscono anche come pseudoamplificatori e aumentano ulteriormente la tensione del segnale.

Questi microfoni in genere hanno circuiti di uscita senza trasformatore.

Trasformatori per microfono dinamico a nastro attivo a tubo

I microfoni a tubo a nastro generalmente richiedono due trasformatori nel loro design.

Il primo trasformatore è un trasformatore step-up e agisce per:

• Aumentare il livello(tensione) del segnale del microfono relativamente debole dal diaframma a nastro. Questo viene fatto a scapito dell’aumento dell’impedenza, che il tubo a vuoto convertirà correttamente.
• Proteggere il diaframma del nastro da qualsiasi potenziale tensione CC che potrebbe danneggiarlo.

Il secondo trasformatore è un trasformatore step-down e agisce per:

• Ridurre ulteriormente l’impedenza a un livello utilizzabile professionale.
• Bilanciare il segnale del microfono dal tubo a vuoto.

Trasformatori per microfono a condensatore FET

Alcuni microfoni a condensatore a stato solido(in particolare i primi) utilizzano trasformatori step-down sulle loro uscite.

Questi trasformatori step-down agiscono per adattarsi correttamente all’impedenza di uscita del segnale del microfono.

Trasformatori per microfono a condensatore tubolare

I microfoni a condensatore a valvole in genere hanno uscite accoppiate a trasformatore step-down.

Questi trasformatori step-down regolano efficacemente l’impedenza del segnale a un livello utilizzabile. La potenza del segnale del tubo a vuoto può consentire la caduta di tensione inerente a un trasformatore step-down.

I trasformatori di uscita agiscono anche per bilanciare il segnale di uscita e proteggere il microfono dalla tensione CC che potrebbe entrare nei pin 2 e 3 del cavo audio(alimentazione phantom).

Domande correlate

Cos’è un amplificatore di classe A? Gli amplificatori di classe A sono considerati i migliori suoni e sono la classe di amplificatori più comune. Usano un singolo transistor di uscita e sono sempre accesi. Offrono un’eccellente linearità, alto guadagno e bassi livelli di distorsione del segnale se progettati correttamente.

Che cos’è l’adattamento di impedenza? L’adattamento di impedenza è la pratica di collegare una sorgente a un ingresso per il massimo trasferimento di potenza. L’impedenza di carico di un ingresso elettrico deve essere adeguatamente adattata all’impedenza del suono di un dispositivo di uscita. Con i microfoni, siamo più interessati a colmare l’impedenza per il massimo trasferimento di tensione.