La guía completa de micrófonos de condensador Electret
¿Alguna vez ha utilizado un micrófono en un dispositivo electrónico? en el estudio o en las películas, es muy probable que fuera un micrófono de condensador electret. Estos micrófonos son comunes en nuestro día a día y vale la pena conocerlos.
¿Qué es un micrófono de condensador electret? Un ECM es un tipo de transductor de micrófono de condensador, lo que significa que funciona según principios electrostáticos. Las cápsulas de micrófono de condensador funcionan esencialmente como condensadores y requieren una carga, que se suministra casi permanentemente mediante material electret (un acrónimo de eléctrico e imán) en la cápsula.
En esta guía completa, definiremos con más detalle los micrófonos de condensador electret (ECM), observando sus características de diseño; cómo trabajan ellos; sus aplicaciones y, por supuesto, algunos ejemplos de micrófonos electret.
¿Qué es un micrófono de condensador electret?
Un micrófono de condensador electret, como su nombre indica, es un tipo de micrófono de condensador.
La principal diferencia entre un ECM y un micrófono de condensador «normal» es el método en el que la cápsula de condensador del micrófono está polarizada (cargada).
Como veremos en la siguiente sección ¿Cómo funcionan los micrófonos de condensador Electret? Las cápsulas de condensador actúan como condensadores de placas paralelas y requieren una carga fija en sus placas para funcionar correctamente.
El voltaje de polarización que causa una carga fija a través de las placas generalmente se suministra por medios externos (generalmente a través de alimentación fantasma o una fuente de alimentación externa con FET y condensadores de tubo, respectivamente).
Sin embargo, existe otro método para suministrar las placas con una carga fija y es, como probablemente habrá adivinado, la adición de material electret en el diseño de la cápsula.
Por lo tanto, los micrófonos de condensador electret utilizan material electret en sus diafragmas para mantener una carga “casi permanente” en sus placas. Esto libera recursos para que los métodos de alimentación se puedan utilizar de forma más eficaz para alimentar los convertidores de impedancia, las placas de circuito impreso y otros componentes activos dentro del micrófono.
¿Qué es el material Electret?
Entonces, ¿qué es este material electret mágico, cargado permanentemente que hemos estado discutiendo?
El material electret es cualquier material dieléctrico que tenga una carga eléctrica casi permanente o polarización dipolar. Estos materiales generan campos eléctricos internos y externos permanentes y se pueden utilizar de forma eficaz para cargar otros componentes eléctricos, como los condensadores.
Como se mencionó, el término «electret» proviene de electroestático e imán. Los electretos son esencialmente el equivalente electrostático de un imán permanente.
Los materiales electret suelen tener una alta resistencia eléctrica y estabilidad química y mantendrán su carga eléctrica durante largos períodos de tiempo (en cientos de años).
Los electretos se fabrican típicamente fundiendo material dieléctrico y permitiendo que este material se solidifique mientras se encuentra en un fuerte campo electrostático. Las moléculas polares se alinean naturalmente dentro de este campo electrostático mientras el material se funde y permanece en esta posición a medida que el material se endurece, produciendo un sesgo electrostático permanente.
En los micrófonos, el material electret es típicamente plástico de politetrafluoroetileno (PTFE) en forma de película o en forma de soluto.
Un poco de historia sobre los condensadores Electret
Los primeros micrófonos de condensador electret eran toscos, de hecho. El primer micrófono electret fue diseñado en 1920 (por Yoguchi de Japón) pero no fue hasta 1961 que los micrófonos electret se pudieron usar de manera efectiva en productos listos para el mercado.
Más específicamente, fue el micrófono electret de lámina que fue inventado en 1961 por James West y Gerhard Sessler en Bell Laboratories.
El primer micrófono electret temprano fue producido en 1938 por la Compañía Bogen y fue conocido como Velotron sin voltaje. Desafortunadamente, en este momento, la tecnología de electret era tosca (por decir lo menos), y aunque estos micrófonos funcionaban, no pasó mucho tiempo antes de que el material de electret comenzara a perder su carga y lo hiciera ineficaz.
El primer micrófono de condensador electret que llegó al mercado con éxito fue el Sony ECM-22P en 1968.
Incluso en los primeros días de los micrófonos electret disponibles comercialmente, la tecnología era irregular en el mejor de los casos. De hecho, en estos tiempos, el término «verdadero condensador» surgió para diferenciar los micrófonos de condensador polarizados externamente superiores de sus contrapartes electret.
La tecnología Electret ha recorrido un largo camino desde entonces y hoy se encuentra en muchos micrófonos de condensador de estudio de calidad profesional e incluso en micrófonos de medición.
Tipos de micrófonos electret
Hay 3 formas principales en las que se agrega material de electret a un ECM para proporcionar la carga permanente. Estos 3 tipos de electret son:
- Electret de aluminio
- Electret trasero
- Electret delantero
¿Qué es un micrófono de condensador electret de lámina?
Un micrófono de condensador electret de lámina emplea una película de material electret como diafragma en lugar de tener una placa de diafragma distinta revestida con material electret (como un electret frontal). Los electrets de lámina son los micrófonos electret más comunes pero de menor calidad, ya que las películas electret funcionan mal como diafragmas.
¿Qué es un micrófono de condensador electret trasero?
Un micrófono electret trasero es un micrófono de condensador con una cápsula cargada permanentemente debido a que el material electret está fijado a su placa trasera fija. No tener material electret fijado en la placa frontal (diafragma) aumenta la precisión del diafragma y el electret es más duradero ya que está estacionario.
¿Qué es un micrófono de condensador electret frontal?
Un micrófono de condensador electret frontal es un micrófono electret sin placa posterior. Más bien, el condensador está formado por el diafragma y la superficie interior de la cápsula del micrófono. Una película de electret se fija a la cubierta frontal interior del micrófono y el diafragma se conecta a la entrada del FET.
Los dispositivos electrónicos de consumo y los ECM de grado de proyecto también vienen con diferentes tipos de conectores de salida. Éstos incluyen:
- Tipo pin
- Tipo de terminal
- Tipo de alambre
Los ECM de tipo clavija tienen clavijas conductoras para llevar la señal desequilibrada fuera del micrófono.
Los ECM de tipo terminal son un poco más flexibles y tienen sus terminales disponibles para conectarse a varios circuitos.
Los ECM de tipo cable tienen sus señales realizadas por un cable y se pueden colocar más lejos de sus PCB previstos.
¿Cómo funcionan los micrófonos de condensador Electret?
Ahora que entendemos qué son los micrófonos electret, echemos un vistazo más profundo a cómo funcionan.
Comenzaremos con un diagrama simple y básico de una cápsula de micrófono de condensador electret trasero y un convertidor de impedancia como referencia en esta sección:
Como ocurre con todos los micrófonos, los ECM tienen diafragmas que reaccionan con ondas de sonido externas (variaciones en la presión del sonido). Este movimiento del diafragma se convierte en una señal de micrófono coincidente que luego es emitida por el micrófono.
¡Pero hay mucho más que saber además de estos conceptos básicos!
Los principios electrostáticos detrás del transductor ECM
Primero, analicemos los principios electrostáticos que son la base de la funcionalidad ECM. Tenga en cuenta que estos principios son los mismos para todos los micrófonos de condensador.
Comenzaremos con el hecho de que la cápsula del micrófono de condensador es esencialmente un condensador de placas paralelas.
Este condensador está hecho de una placa frontal móvil (el diafragma/membrana de la cápsula) y una placa trasera fija (conocida simplemente como placa trasera).
Este capacitor debe mantener una carga constante entre el diafragma y la placa posterior para que funcione correctamente. Con los ECM, esta carga es suministrada por el material electret (ya sea en el diafragma, la placa posterior o en cualquier otro lugar del diseño de la cápsula).
Una vez que la cápsula tiene su carga fija, podemos usar la siguiente fórmula eléctrica para entender cómo funciona la cápsula:
V = Q • C
- V = voltaje a través de las placas.
- Q = carga eléctrica entre las placas.
- C = capacitancia del capacitor de placas paralelas.
La señal de audio del micrófono comienza como la variación de voltaje a través de las placas del condensador de la cápsula. Las señales de audio analógicas son, después de todo, voltajes de CA con frecuencias entre 20 Hz y 20.000 Hz.
El voltaje de CA del capacitor debe modificarse antes de que pueda salir efectivamente del micrófono, pero el transductor de cápsula es el comienzo de la señal del micrófono.
Entonces, al observar la fórmula anterior, vemos que, con una carga fija, cualquier cambio en la capacitancia producirá un cambio de voltaje inversamente proporcional. Esto significa que, para crear una señal de micrófono de voltaje de CA, necesitamos que la capacitancia del capacitor varíe hacia arriba y hacia abajo (oscile alrededor de su punto de ajuste).
¿Cómo se puede alterar la capacitancia dentro de una cápsula de micrófono de condensador? Echemos un vistazo a otra fórmula de capacitancia para averiguarlo:
C = ε 0 (A/d)
- C = capacitancia del capacitor de placas paralelas.
- A = área de las placas.
- ε 0 = constante dieléctrica.
- d = distancia entre las placas.
En la fórmula anterior, tenemos dos constantes: la constante dieléctrica y el área de las placas (el diafragma móvil y la placa trasera estacionaria). El diafragma móvil, que reacciona a las variaciones en el nivel de presión sonora, permite cambios en la distancia entre las placas (d en la ecuación anterior).
Entonces, al mover el diafragma, alteramos la distancia entre las placas del capacitor.
De acuerdo con nuestra segunda ecuación, cualquier cambio en la distancia entre las placas del capacitor provoca un cambio proporcional en la capacitancia del capacitor/cápsula.
Según nuestra primera ecuación, cualquier cambio en la capacitancia provoca un cambio inversamente proporcional en el voltaje a través de las placas.
Como hemos comentado, un voltaje de CA a través de las placas es esencialmente nuestra señal de micrófono. Por lo tanto, a través de los principios electrostáticos mencionados anteriormente, cualquier onda de sonido en el diafragma del micrófono de condensador causa una señal de micrófono coincidente.
El Material Electret
Lo que realmente separa a los ECM de los micrófonos de condensador normales es el material electret. Como se mencionó anteriormente, el material electret permite una carga eléctrica fija a través del capacitor de placas paralelas. Esta carga fija, nuevamente, es necesaria para que las cápsulas ECM funcionen correctamente.
El transistor convertidor de impedancia
El elemento transductor y los principios electrostáticos que lo gobiernan son bastante inteligentes. Sin embargo, hay un gran problema con las cápsulas ECM (y las cápsulas de micrófono de condensador en general, para el caso).
Este problema es la impedancia extremadamente alta en la salida de la cápsula.
Es fundamental que la cápsula del condensador mantenga una impedancia muy alta para evitar que la carga almacenada en las placas se escape.
De manera similar, es esencial tener un convertidor de impedancia inmediatamente después de la cápsula para tomar de manera efectiva la señal de audio de la cápsula ECM. Con los ECM, este convertidor de impedancia generalmente tiene la forma de un JFET (transistor de efecto de campo de puerta de unión).
Un JFET es un dispositivo electrónico activo con tres terminales. Echemos un vistazo a un diagrama simple de un JFET seguido de una lista de sus terminales:
- S = fuente
- D = drenaje
- G = puerta
La señal de salida de alta impedancia de la cápsula se envía a la puerta del JFET donde crea un circuito con los terminales de la puerta de la fuente.
La puerta se puede considerar como una entrada de alta impedancia, capaz de recibir la señal de salida de la cápsula sin una degradación significativa (que sería el caso si la entrada fuera de baja impedancia).
El JFET se alimenta a través de una fuente externa (normalmente alimentación fantasma o polarización de CC). Esto configura efectivamente los terminales fuente-drenaje para que fluya corriente eléctrica a través de ellos. Esta corriente es de impedancia relativamente baja y se puede enviar a través del resto del micrófono y la salida final del micrófono.
La corriente entre la fuente y el drenaje se puede considerar como la salida JFET (convertidor de impedancia). El voltaje de CA «emitido», como podríamos adivinar, tiene una impedancia mucho más baja que la «señal de entrada».
La «señal de entrada» esencialmente modula la corriente de la «señal de salida». Por lo tanto, una señal de alta impedancia que va a los terminales de fuente de puerta del JFET puede modular eficazmente la señal de baja impedancia en la fuente de drenaje. Aquí es donde entra la impedancia.
Tenga en cuenta que los JFET también pueden proporcionar una especie de pseudoamplificación entre su entrada y salida.
Más circuitos y salida de micrófono
Dependiendo del micrófono de condensador electret en particular, podría haber circuitos adicionales para que la señal del micrófono pase antes de salir del micrófono.
Estos circuitos pueden incluir (pero no se limitan a) los siguientes componentes:
- Filtros de paso alto
- Dispositivos de atenuación pasiva (PAD)
- Amplificadores
- Convertidores de analógico a digital
Alimentación de los componentes activos de un micrófono de condensador Electret
Los ECM tienen cápsulas cargadas [prácticamente] permanentemente y no requieren un voltaje de polarización externo para aplicar una carga fija a través de sus placas.
Dicho esto, los micrófonos de condensador electret siguen siendo micrófonos activos. Sus convertidores de impedancia requieren energía (proporcionada por medios externos) para funcionar correctamente, al igual que los componentes mencionados en la sección anterior.
En los ECM de calidad de estudio y de medición, el método de alimentación preferido es generalmente la alimentación fantasma, que aplica +48 V CC en las clavijas 2 y 3 (en relación con la clavija 1) del cable de audio balanceado que está conectado al micrófono.
Con ECM de solapa y otros ECM en miniatura, el método de alimentación preferido suele ser la polarización de CC. Este método implica enviar +5 V CC a lo largo del conductor de audio de una línea no balanceada y generalmente es suministrado por el transmisor inalámbrico al que se conecta el micrófono lav.
En los dispositivos de consumo, que comúnmente usan micrófonos electret, los micrófonos funcionan con la misma batería, fuente de alimentación o red eléctrica que alimenta el resto del dispositivo.
Con toda esa información en mente, el siguiente diagrama simplificado de un ECM debería tener sentido:
Aplicaciones de los micrófonos de condensador Electret
Al principio de este artículo, mencioné que los micrófonos de condensador electret son uno, si no el más, de los micrófonos más utilizados en la Tierra.
Con eso, echemos un vistazo a algunos ECM típicos:
- Micrófonos de medida
- Micrófonos de condensador de estudio
- Micrófonos de película (micrófonos de escopeta, micrófonos de solapa, etc.)
- Electrónica de consumo (portátiles, teléfonos móviles, etc.)
- Dispositivos médicos profesionales (como audífonos)
Las aplicaciones de los tipos de micrófonos anteriores van desde llamadas telefónicas hasta audio de películas de gran éxito; golpear récords para ayudar a aquellos de nosotros con discapacidades auditivas.
Ejemplos de micrófonos de condensador electret
Para aprender realmente sobre los micrófonos de condensador electret, deberíamos echar un vistazo a algunos ejemplos:
Movimiento de tierras M50
El Earthworks M50 es un micrófono de medición excelente con una cápsula de condensador electret. Tiene una amplia respuesta de frecuencia que va desde 5 Hz hasta 50.000 Hz (el rango de audición humana, que la mayoría de los EMC pretenden reproducir es de solo 20 Hz – 20.000 Hz).
Este micrófono nos dice que los micrófonos electret, con el diseño adecuado, pueden ser de alto rendimiento y transductores increíblemente precisos.
DPA 4006A
El DPA 4006A es un micrófono de primera línea en general (no solo en comparación con otros micrófonos de condensador electret).
Este micrófono de lápiz tiene un rendimiento casi tan preciso como un micrófono de medición, pero no se comercializa de esa manera. Más bien, el 4006A se produce para ser un micrófono de referencia para una producción de sonido precisa y detallada en el estudio.
Rode NT1-A
El Rode NT1-A es uno de mis micrófonos favoritos. Consideraría este micrófono como un producto «prosumidor», ya que se encuentra en algún lugar entre el profesional de primera línea y el nivel de consumidor completo. Personalmente, he usado este micrófono en muchos proyectos profesionales en mi carrera como ingeniero de audio.
Sanken COS-11D
El Sanken COS-11D es un micrófono de corbata estándar de la industria para películas, televisión y otros medios proyectados.
Este micrófono tiene una cápsula de condensador electret en miniatura y funciona con voltaje de polarización de CC.
Challenge Electronics CEM-C9745JAD462P2.54R
El Challenge Electronics CEM-C9745JAD462P2.54R es uno de los muchos ejemplos de ECM económicos en el mercado hoy en día (también es bastante complicado). Estos ECM de proyecto de tipo pin pequeño serían muy similares a lo que esperaríamos encontrar en la electrónica de consumo.
iPhone (2008)
El iPhone original utilizaba un ECM con un ADC inmediato para grabar y transmitir audio. los modelos posteriores se han diseñado con micrófonos MEMS.
Con la creciente popularidad y el desarrollo de los micrófonos MEMS, muchos fabricantes de dispositivos de consumo están optando por los micrófonos MEMS en lugar de los ECM. Los micrófonos MEMS son mucho más pequeños y cada vez más baratos de construir y, de alguna manera, superan a los ECM (particularmente en dispositivos de consumo como teléfonos celulares).
Preguntas relacionadas
¿Qué es un micrófono FET?
Un micrófono FET es un micrófono activo de estado sólido que utiliza un FET (transistor de efecto de campo), a diferencia de un tubo de vacío, como su convertidor de impedancia. Los micrófonos FET suelen ser micrófonos de condensador, pero también pueden tener transductores dinámicos.
¿Qué es un micrófono activo?
Un micrófono activo es un micrófono que requiere energía para funcionar correctamente. Todos los micrófonos de condensador están activos y algunas dinámicas de cinta están activas. Los componentes activos dentro de los diseños de micrófonos incluyen convertidores de impedancia (tubos o FET), cápsulas polarizadas externamente y algunos componentes dentro de las placas de circuito impreso de un micrófono.
