Ein kompletter Leitfaden für Elektret-Kondensatormikrofone

In der Audiotechnik sind Elektret-Kondensatormikrofone (ECMs) eine klassische und dennoch robuste Lösung für die Schallaufnahme, die sich durch Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit in einem breiten Spektrum von Anwendungen auszeichnet. Während MEMS-Mikrofone aufgrund ihres integrationsfreundlichen Designs und ihrer kompakten Bauweise an Bedeutung gewonnen haben, sind ECMs dank ihrer vielfältigen Montagekonfigurationen, ihrer breit gefächerten Richtcharakteristiken und ihrer akustischen Vielseitigkeit nach wie vor von Bedeutung für elektronische Designs.

In diesem Artikel werden die Funktionsprinzipien von ECMs betrachtet, wobei sowohl ihre interne Schaltung als auch ihr Richtverhalten untersucht werden, von omnidirektionalen Mustern für eine breite Erfassung des Umgebungsschalls bis hin zu unidirektionalen Konfigurationen für eine gezielte Schallisolierung. Kritische Leistungskennzahlen wie Empfindlichkeit, Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und Frequenzgang werden ebenfalls untersucht, um die Auswahl der richtigen Komponenten zu unterstützen.

Grundlagen zu Elektret-Kondensatormikrofonen

Elektret-Kondensatormikrofone (ECMs), auch Kondensatormikrofone genannt, arbeiten mit einem Elektret - einem ferroelektrischen Material, das permanent elektrisch geladen oder polarisiert ist. Der hohe elektrische Widerstand und die chemische Stabilität des Elektrets sorgen dafür, dass die eingebettete Ladung über Hunderte von Jahren ohne nennenswerten Zerfall erhalten bleibt. Der Begriff „Elektret“ setzt sich zusammen aus „Elektrostatisch“ und „Magnet“, der den Prozess widerspiegelt, durch den eine statische Ladung in das Material eingebettet wird. Dies wird durch die Ausrichtung der statischen Ladungen im Elektret erreicht, analog zu der Art und Weise, wie magnetische Domänen ausgerichtet werden, um einen Magneten zu erzeugen.

Diese inhärente Eigenschaft bietet einen erheblichen Vorteil bei der Entwicklung von Mikrofonen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kondensatormikrofonen, die zum Betrieb eine externe Polarisationsspannung benötigen, entfällt diese Notwendigkeit durch die integrierte statische Aufladung des Elektrets. Diese Vereinfachung reduziert die Komplexität des Schaltungsdesigns und ermöglicht es ECMs, in kompakten und stromsparenden Anwendungen effizient zu arbeiten, was sie zu einer attraktiven Wahl für eine Vielzahl von Audiosystemen macht.

Das Funktionsprinzip eines Elektret-Kondensatormikrofons beruht darauf, dass die Membran als eine Platte eines Kondensators fungiert, während die Rückplatte als die andere Platte dient. Wenn Schallwellen die Membran in Schwingung versetzen, ändert sich der Abstand zwischen Membran und Rückplatte, was zu Kapazitätsschwankungen führt. Diese Veränderungen werden durch die Kapazitätsgleichung bestimmt:

C = Q / V

Dabei gilt:

• Q = Ladung in Coulomb (bleibt konstant aufgrund der eingebetteten Ladung des Elektrets)
• C = Kapazität in Farad
• V = Potentialdifferenz in Volt

Da sich die Kapazität (C) aufgrund der Membranbewegung ändert, kommt es zu einer umgekehrt proportionalen Änderung der Spannung (V) am Kondensator, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird, das den Schallschwingungen entspricht.

Diese variierende Spannung wird dann einem Feldeffekttransistor (FET) im Mikrofon zugeführt, der das Signal zur besseren Übertragung verstärkt. Ein Gleichstromsperrkondensator in der Ausgangsstufe entfernt jeden unerwünschten Gleichstrom-Offset und stellt sicher, dass das Ausgangssignal ein sauberes Audiosignal ist. Dieses einfache, aber effektive Design macht ECMs zu einer zuverlässigen Wahl für die Erfassung von Schall in verschiedenen elektronischen Anwendungen.

Abbildung 1: Funktionsprinzip eines ECM. (Bildquelle: Same Sky)

Der typische Aufbau eines Elektret-Kondensatormikrofons umfasst mehrere Hauptkomponenten:

• Nicht gewebter Stoff: Schützt vor Staub und lässt den Schall passieren
• Gehäuse: Umhüllt und schützt interne Teile
• Polarer Ring: Beherbergt das auf der Membran aufgebrachte Elektretmaterial
• Diaphragma: Vibriert als Reaktion auf den Schall und verändert die Kapazität
• Abstandshalter: Hält den Abstand zwischen Membran und Rückplatte aufrecht
• Rückplatte: Bildet die stationäre Elektrode des Kondensators
• Sockel: Bietet strukturelle Unterstützung
• Kupferring: Gewährleistet Leitfähigkeit und elektrische Verbindungen
• Platine: Enthält den FET und andere Schaltungen zur Signalverstärkung

Die nachstehenden Abbildungen zeigen den zerlegten und den zusammengebauten ECM.

Abbildung 2: Explosionszeichnung eines ECM. (Bildquelle: Same Sky)

Abbildung 3: Zusammengebautes ECM. (Bildquelle: Same Sky)

ECM-Richtcharakteristik

Elektret-Kondensatormikrofone sind in verschiedenen Richtcharakteristiken erhältlich, die festlegen, wie sie den Schall aus verschiedenen Richtungen aufnehmen. Die Richtcharakteristik ist eine kritische Spezifikation und sollte auf der Grundlage der Anwendungs- und Nutzungsanforderungen ausgewählt werden. Die gängigsten ECM-Richtungsmuster sind omnidirektional (Abbildung 4), unidirektional (Abbildung 5) und geräuschunterdrückend (Abbildung 6).

Abbildung 4: Omnidirektionale Richtcharakteristik. (Bildquelle: Same Sky)

Mikrofone mit omnidirektionaler Richtcharakteristik fangen den Schall aus allen Richtungen ein und eignen sich daher ideal für Anwendungen wie die Aufnahme von Gesangsgruppen oder die Durchführung von Konferenzgesprächen. Das Schallabsorptionsmuster wird üblicherweise in einem Diagramm dargestellt, wobei 0° die Vorderseite des Mikrofons darstellt und die Schallintensität radial von 0° bis 360° aufgetragen wird. Diese Mikrofone sind zwar vielseitig, haben aber einen Nachteil: Sie können nicht zwischen gewünschten Tönen und Umgebungsgeräuschen unterscheiden und nehmen oft Umgebungsgeräusche auf und verstärken sie.

Abbildung 5: Unidirektionale Richtcharakteristik. (Bildquelle: Same Sky)

Unidirektionale Mikrofone sind so konzipiert, dass sie den Schall hauptsächlich aus einer Richtung aufnehmen und unerwünschte Hintergrundgeräusche wie Gespräche, Tastaturklicks oder Papierrascheln reduzieren. Dies macht sie ideal für Gesangs- oder Sprachanwendungen, bei denen die Isolierung der gewünschten Schallquelle entscheidend ist. Das gebräuchlichste unidirektionale Muster, das in Abbildung 5 dargestellt ist, weist einen breiten Empfangsbereich mit maximaler Abweisung bei 180° außerhalb der Achse auf.

Abbildung 6: Rauschunterdrückende Richtcharakteristik. (Bildquelle: Same Sky)

Ein Mikrofon mit Rauschunterdrückung oder ein bidirektionales Mikrofon ist so konzipiert, dass es Umgebungsgeräusche herausfiltert und sich gleichzeitig auf die gewünschte Schallquelle konzentriert, was es ideal für laute Umgebungen macht. Diese Mikrofone verfügen über mindestens zwei Schallöffnungen: eine für den gewünschten Schall und eine für weiter entfernte Geräusche. Nahe Geräusche erzeugen einen größeren Druckgradienten an der Membran, was zu einer besseren Erfassung des gewünschten Schalls führt. Der Nahsprecheffekt wird so eingestellt, dass ein flacher Frequenzgang für Geräusche in der Nähe der vorderen Öffnung gewährleistet ist, während Geräusche aus anderen Winkeln einen deutlichen Mitten- und Bassabfall erfahren. Zu den üblichen Anwendungen gehören Callcenter, Hubschrauber-Headsets und Kommunikationssysteme für Rennfahrer.

Wichtigste ECM-Spezifikationen

Abgesehen von der ECM-Richtcharakteristik gibt es noch einige weitere Parameter, die bei der Komponentenauswahl zu beachten sind:

• Empfindlichkeitsreduzierung: Der Verlust an Verstärkung, der auftritt, wenn die Speisespannung des Mikrofons sinkt.
• Empfindlichkeit: Misst, wie gut ein Mikrofon den Schall erkennt. Die hohe Empfindlichkeit erfasst leisere oder weit entfernte Geräusche mit geringerer Verstärkung und reduziert so den Lärm. Diese Eigenschaft trägt dazu bei, die Eignung für Anwendungen wie Musikaufnahmen oder den Einsatz in lauten Umgebungen zu bestimmen.
• Signal-Rausch-Verhältnis (SNR): Stellt das Verhältnis zwischen dem gewünschten Schall (z. B. Sprache oder Musik) und den vom Mikrofon erfassten Hintergrundgeräuschen dar und zeigt die allgemeine Audioqualität an.
• Montagearten: Leiterplattenstifte, Drahtleitungen mit oder ohne Stecker und Klemmen sind die gängigsten Konfigurationen für die ECM-Montage. Die Anschlusskonfigurationen können weiter definiert werden als Oberflächenmontage für Reflow-Löten oder Lötfahnen für Handlöten.

Fazit

Elektret-Kondensatormikrofone sind in der modernen Audiotechnik nach wie vor unverzichtbar, da sie eine präzise Tonaufnahme und vielseitige Richtmöglichkeiten bieten. Ihre Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit machen sie für verschiedene Anwendungen unverzichtbar, und das Wissen um ihre Funktionsweise und ihre wichtigsten Spezifikationen hilft den Benutzern, das richtige Mikrofon für ihre Bedürfnisse auszuwählen. Entdecken Sie die gesamte Palette an Mikrofonen und Audio-Designs von Same Sky für maßgeschneiderte Lösungen.