O que são transformadores de microfone e qual é a sua função?
Alguns microfones têm saídas acopladas a transformador, enquanto outros são considerados sem transformador. Alguns microfones têm até transformadores no meio de suas cadeias de sinal em vez de em suas saídas.
O que é um transformador de microfone?
Um transformador de microfone é um dispositivo elétrico passivo que isola fisicamente dois circuitos enquanto mantém uma relação elétrica entre os circuitos. Os transformadores de microfone têm duas bobinas condutoras(uma para cada circuito) enroladas em torno de um núcleo magnético comum. Ajustam tensão, corrente e impedância.
Neste artigo, discutiremos o papel do transformador em microfones, bem como microfones que usam transformadores e aqueles que não usam.
O que é um transformador?
Quando ouvimos o termo transformador, muitas vezes pensamos em transformadores de energia que fornecem eletricidade a nossos edifícios a partir de linhas de energia.
Os transformadores de potência que fornecem aos nossos edifícios tensões de rede reguladas suportam tensões e correntes muito mais altas do que os transformadores de saída de microfone, mas ambos são projetados com os mesmos princípios.
Transformadores são dispositivos eletromagnéticos passivos que transferem energia de um circuito para outro por acoplamento indutivo.
Basicamente, cada circuito tem seu próprio fio condutor que envolve um núcleo magnético comum. Isso efetivamente acopla os dois circuitos.
Circuitos acoplados indutivamente, como aqueles em transformadores, são configurados de modo que uma mudança na corrente através dos condutores de um circuito induz uma tensão nas extremidades dos condutores do outro circuito.
Os transformadores mais simples, comuns em microfones acoplados a transformadores, são feitos de dois circuitos. Cada circuito tem um fio condutor, conhecido como enrolamento, que envolve o núcleo magnético do transformador.
Normalmente, o enrolamento primário é conectado ao circuito que apresenta o sinal de saída da cápsula do microfone, enquanto o enrolamento secundário é conectado ao circuito de saída do microfone.
Aqui está um diagrama simples de um transformador:
- P = enrolamento primário: o enrolamento primário fica na lateral da cápsula do microfone. Isso não significa necessariamente que está no mesmo circuito que a cápsula do microfone. Em vez disso, significa que o enrolamento está entre o transformador e a cápsula, e não entre o transformador e a saída do microfone. O enrolamento primário pode ser pensado como a «entrada» do transformador, transportando o sinal do microfone da cápsula para o transformador.
- S = enrolamento secundário: o enrolamento secundário está no lado de saída do microfone. Isso significa que o enrolamento está entre o transformador e a saída em vez de entre o transformador e a cápsula. O enrolamento secundário pode ser pensado como a «saída» do transformador. À medida que o sinal passa pelo enrolamento primário, o transformador efetivamente produz um sinal proporcional, mas alterado, através do secundário.
- MC = Núcleo Magnético Comum: Para que o acoplamento indutivo funcione, precisamos de indução eletromagnética. A voltagem através do enrolamento primário causa um campo magnético variável dentro do núcleo magnético que então induz uma voltagem através do enrolamento secundário.
Basicamente, uma tensão no enrolamento primário(devido em última análise à cápsula do microfone) causa uma mudança no campo magnético do núcleo magnético. Essa mudança no campo magnético então induz uma tensão no enrolamento secundário. Tudo isso é devido à indução eletromagnética.
Observe que os transformadores só passam corrente CA e bloqueiam a corrente CC. Isso é conhecido como isolamento DC. Uma corrente contínua não é, por definição, uma corrente alternada. Portanto, não produziria um campo magnético variável que é necessário para a indução eletromagnética induzir uma tensão no outro enrolamento secundário.
Também é importante observar que a potência de entrada do transformador(no primário) e a potência de saída do transformador(no secundário) são as mesmas(exceto pelas perdas de conversão). Vou repetir isso mais tarde quando discutirmos transformadores elevadores, transformadores redutores e os papéis dos transformadores nos microfones.
Equações gerais para transformadores de microfone
Agora que abordamos o básico dos transformadores de microfone, vamos ver alguns cálculos concretos que podemos fazer com transformadores. Isso nos ajudará na próxima seção sobre o papel dos transformadores nos microfones.
Aqui estão algumas fórmulas de transformadores com explicações. Observe que essas são fórmulas ideais e não levam em consideração as perdas de conversão que ocorrem naturalmente.
Fórmula de potência para transformadores
Como mencionado acima, em situações ideais(sem perdas de conversão), a potência no enrolamento primário de um transformador deve ser igual à potência no enrolamento secundário:
Pp = Ps_ _
P = Potência
Isso acontece independentemente da relação de espiras entre os dois enrolamentos.
É útil notar que a potência é igual ao produto da tensão pela corrente:
P = I ⋅ V
I = Corrente V = Tensão
Com isso em mente, vamos ver como calcular o efeito de um transformador na tensão e na corrente.
Fórmula de tensão para transformadores
O número de voltas em uma bobina condutora é um fator importante na determinação da tensão que pode ser induzida eletromagneticamente através da bobina. Tudo o mais igual, uma bobina com mais voltas terá uma grande tensão induzida através dela.
Os transformadores possuem um núcleo magnético comum e os enrolamentos são quase sempre feitos do mesmo material condutor com a mesma bitola. A razão de voltas, então, torna-se uma parte crítica da equação.
Aqui está a fórmula para calcular a diferença de tensão em um transformador:
Vs =(Ns / Np ) ⋅ Vp
V s = Tensão no enrolamento secundário V p = Tensão no enrolamento primário N s = Número de voltas no enrolamento secundário N p = Número de voltas no enrolamento primário
Então, como podemos ver aqui, se a bobina secundária tiver mais espiras que a primária, a bobina secundária terá uma tensão mais alta que a primária.
Outra maneira de escrever isso é:
V s / Vp = N s / Np
Como lembrete, esta fórmula é válida para circunstâncias ideais e não leva em consideração qualquer perda de conversão.
Fórmula atual para transformadores
Até agora sabemos que os transformadores não alteram a potência de um enrolamento para outro. Também discutimos que o enrolamento com mais espiras terá uma tensão mais alta.
Então, se P = I ⋅ V, então um aumento na tensão significaria uma diminuição proporcional na corrente. Isso é exatamente o que acontece em transformadores.
Aqui está a fórmula para calcular a diferença de corrente em um transformador:
I s =(N p /N s) ⋅ I p
I s = Corrente no enrolamento secundário I p = Corrente no enrolamento primário N p = Número de espiras no enrolamento primário N s = Número de espiras no enrolamento secundário
Se o enrolamento secundário tiver mais espiras que o primário, também terá menos corrente que o primário.
Outra maneira de escrever isso é:
I s /I p = N p /N s
Fórmula de impedância para transformadores
Outro valor elétrico importante que os transformadores afetam é a impedância.
Observe que não se trata da impedância do transformador em si, mas da diferença entre a impedância no circuito do enrolamento primário e no circuito do enrolamento secundário.
Substituindo resistência(uma quantidade DC) por impedância(uma quantidade AC) na Lei de Ohm, temos:
| Z | = V/I
| Z | = Impedância(absoluta)
Esta não é necessariamente uma substituição perfeita, mas leva à seguinte equação para a impedância do transformador:
Zs =(Ns / Np ) 2 ⋅ Zp
Z s = Impedância do enrolamento secundário Z p = Impedância do enrolamento primário N s = Número de voltas no enrolamento secundário N p = Número de voltas no enrolamento primário
Observe que chegamos à equação acima comparando o enrolamento secundário com o enrolamento primário para cada valor(Z, V e I) e depois trocando o Vs / Vp por Ns / Np e o Is / Ip = N p /N s.
Então, o que essa equação significa?
Se o enrolamento secundário de um transformador tiver mais espiras, ele terá uma impedância maior que o primário. Este valor de impedância será igual ao quadrado da razão de espiras multiplicado pela impedância do enrolamento primário.
Se o enrolamento secundário de um transformador tiver menos espiras, ele terá uma impedância menor que o primário. Esta impedância, novamente, será igual ao quadrado da razão de espiras multiplicado pela impedância do enrolamento primário. Neste caso, o quadrado da razão de espiras será menor que um.
Tipos gerais de transformadores de microfone
Agora que sabemos como os transformadores funcionam, vamos ver os tipos de transformadores encontrados nos microfones e as funções que eles desempenham.
Primeiro, vamos notar que os transformadores de microfone são transformadores de áudio e operam dentro da faixa de frequência audível de 20 Hz a 20.000 Hz. O transformador de pior qualidade pode ter faixas menores que essa. Os transformadores de áudio adequados funcionarão dentro dessa faixa.
Ao discutir as funções que um transformador desempenha em um microfone, é importante saber que existem diferentes tipos de transformadores usados no projeto de microfones. Esses tipos de transformadores são:
Transformador step-up
No diagrama mostrado acima, descrevemos um transformador elevador.
Um transformador elevador é projetado para aumentar ou «aumentar» a tensão do enrolamento primário para o secundário. Isso requer que o enrolamento secundário tenha mais voltas(o número de vezes que o fio envolve o núcleo magnético) do que o primário.
Tudo o mais sendo igual, um fio condutor com mais espiras terá uma tensão mais alta induzida através dele quando submetido à mesma mudança no campo magnético.
No diagrama acima, temos o enrolamento primário(lado da cápsula) à esquerda e o enrolamento secundário(lado de saída) à direita.
À medida que a tensão CA(sinal do microfone) da cápsula é aplicada ao enrolamento primário, ela produz um campo magnético variável no núcleo magnético. Este campo magnético variável, então, é comum a ambos os enrolamentos. Como o enrolamento secundário tem mais espiras, a tensão induzida nele é maior que a tensão no primário.
Este aumento na tensão é acompanhado por um aumento adicional na impedância juntamente com uma diminuição proporcional na corrente.
transformador abaixador
Um transformador abaixador é essencialmente um transformador elevador conectado no sentido inverso. Sua bobina primária tem mais voltas que sua bobina secundária.
No diagrama acima, temos o enrolamento primário(lado da cápsula) à esquerda e o enrolamento secundário(lado de saída) à direita.
A tensão CA produzida pela cápsula do microfone é finalmente aplicada ao enrolamento primário. Esta tensão induz um campo magnético alternado dentro do núcleo magnético do transformador. Isso, por sua vez, induz uma tensão menor no enrolamento secundário(porque o enrolamento secundário tem menos espiras).
Esta diminuição na tensão é acompanhada por uma diminuição ainda maior na impedância juntamente com um aumento proporcional na corrente.
transformador de isolação
O transformador de isolamento menos conhecido tem uma relação de espiras de 1:1 e é projetado para não afetar a tensão, corrente ou impedância dos enrolamentos primário e secundário. Em vez disso, sua finalidade é isolar eletricamente os principais componentes e circuitos do microfone(incluindo a cápsula) do conector de saída do microfone.
É importante notar que todos os transformadores atuam para isolar dois circuitos. Embora exista uma relação eletromagnética entre os dois enrolamentos de um transformador, cada enrolamento está em seu próprio circuito isolado.
Esses transformadores de isolamento são projetados para bloquear DC e proteger microfones sem afetar o sinal do microfone na saída.
Os papéis dos transformadores em microfones
Para encerrar, vejamos as muitas funções dos transformadores no design de microfones:
- Bloqueia a tensão DC(incluindo alimentação fantasma) de entrar em componentes sensíveis do microfone
- Equilibrar sinais de áudio desbalanceados
- Ajuste a impedância de saída do microfone
- Ajuste a tensão de saída do microfone(intensidade do sinal)
- Colorir o sinal de saída do microfone
Uma nota rápida sobre a coloração: os transformadores geralmente adicionam uma leve distorção ao sinal do microfone, especialmente quando a relação de espiras é grande. Isto é devido a imperfeições naturais nos fios condutores e núcleos magnéticos, bem como perdas de conversão que ocorrem naturalmente com indução eletromagnética.
É importante notar que os transformadores nem sempre são necessários em projetos de microfone. Transformadores de alta qualidade são caros e transformadores baratos têm efeitos prejudiciais no áudio do microfone.
Muitos microfones dinâmicos de bobina móvel dispensam eles para reduzir custos. Esses microfones geralmente são duráveis o suficiente para contornar transformadores.
Muitos fabricantes de microfones condensadores se voltaram para projetos de circuitos de saída sem transformador mais baratos que usam transistores para executar as mesmas funções dos transformadores.
Com isso, vejamos alguns tipos comuns de microfones que usam transformadores em seus projetos:
Transformadores de microfone dinâmico de bobina móvel
Transformadores elevadores às vezes são colocados na saída de microfones dinâmicos de bobina móvel para ajudar a aumentar seus sinais de microfone relativamente fracos. Esses sinais de microfone podem permitir o aumento da impedância que vem com o aumento da tensão.
Alguns transformadores colorem o sinal do microfone mais do que outros e todos os transformadores protegem o cartucho da tensão CC.
Transformadores de microfone de fita dinâmicos passivos
Os transformadores elevadores são sempre usados nas saídas de microfones de fita passivos. Os diafragmas de fita são muito frágeis e precisam da proteção de energia CC fornecida pelos transformadores.
Os transformadores elevadores aumentam a tensão de sinais de microfone de fita relativamente fracos sem aumentar a impedância para níveis inutilizáveis.
Tal como acontece com todos os microfones, alguns transformadores irão colorir o sinal do microfone mais do que outros.
Transformadores de microfone de fita dinâmicos ativos
Microfones de fita ativos geralmente terão transformadores elevadores logo após seus defletores(diafragma/elemento).
Esses transformadores elevadores geralmente têm relações de espiras mais altas e trabalham para aumentar o sinal do microfone(tensão) às custas do aumento da impedância.
Esses transformadores também protegem o diafragma sensível da energia CC necessária para operar os circuitos ativos do microfone de fita(principalmente o conversor de impedância).
O conversor de impedância(FET) recebe o sinal de tensão/impedância mais alta do transformador e reduz efetivamente a impedância para níveis utilizáveis sem diminuir a tensão do sinal. Alguns conversores de impedância até atuam como pseudo-amplificadores e aumentam ainda mais a tensão do sinal.
Esses microfones normalmente possuem circuitos de saída sem transformador.
Transformadores de microfone dinâmico de fita de tubo ativo
Microfones de tubo de fita geralmente requerem dois transformadores em seu projeto.
O primeiro transformador é um transformador elevador e atua para:
- Aumente o nível(tensão) do sinal de microfone relativamente fraco do diafragma de fita. Isso é feito à custa do aumento da impedância, que o tubo de vácuo converterá corretamente.
- Proteja o diafragma de fita de qualquer potencial tensão CC que possa danificá-lo.
O segundo transformador é um transformador abaixador e atua para:
- Reduza ainda mais a impedância para um nível profissional utilizável.
- Equilibre o sinal do microfone do tubo de vácuo.
Transformadores de microfone condensador FET
Alguns microfones condensadores de estado sólido(principalmente os primeiros) usam transformadores redutores em suas saídas.
Esses transformadores abaixadores agem para corresponder adequadamente à impedância de saída do sinal do microfone.
Transformadores de microfone condensador de tubo
Os microfones condensadores de tubo normalmente têm saídas acopladas a transformadores redutoras.
Esses transformadores abaixadores ajustam efetivamente a impedância do sinal para um nível utilizável. A força do sinal do tubo de vácuo pode permitir a queda de tensão inerente a um transformador abaixador.
Os transformadores de saída também atuam para equilibrar o sinal de saída e proteger o microfone da tensão CC que pode estar entrando nos pinos 2 e 3 do cabo de áudio(alimentação fantasma).
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