Подключение и согласование
В настоящее время в малогабаритных транзисторных радиопередающих устройствах применяются микрофоны различных типов, но чаще всего разработчики отдают предпочтение динамическим, конденсаторным и электретным микрофонам. При этом выбор микрофона осуществляется с учетом его технических характеристик и параметров, основными из которых являются чувствительность, номинальный диапазон частот, характеристика направленности, модуль полного электрического сопротивления, а также масса, габаритные размеры и т. п. Для конденсаторных микрофонов не менее важной характеристикой является уровень эквивалентного звукового давления.
При подключении микрофона к входу следующего каскада, например, к входу микрофонного усилителя, помимо определенных электрических параметров самого микрофона (импеданс и напряжение) следует учитывать входные характеристики нагрузки (входное сопротивление и чувствительность, например, микрофонного усилителя). Поскольку в паспортных данных чувствительность микрофона указывается для так называемого режима холостого хода (без нагрузки), то входное сопротивление следующего каскада должно быть в 5–10 раз больше, чем модуль полного электрического сопротивления микрофона.
Так называемые низкоомные катушечные динамические микрофоны, чувствительность которых составляет обычно от 1 мВ/Па до 3 мВ/Па, чаще всего имеют выходное сопротивление в пределах от 50 Ом до 200 Ом и обеспечивают формирование выходного напряжения величиной от нескольких милливольт до 25 мВ. Поэтому при использовании такого микрофона следующий каскад должен иметь соответствующую чувствительность (не хуже 0,5 мВ) и сравнительно высокое входное сопротивление (не менее 1 кОм). Если же чувствительность, например, микрофонного усилителя будет хуже, то для согласования можно использовать микрофонный трансформатор.
Высокоомные катушечные динамические микрофоны, имеющие чувствительность до 10 мВ/Па при выходном сопротивление около 47 кОм, обеспечивают формирование выходного напряжения величиной до нескольких десятков милливольт. Подключаемый к выходу таких микрофонов каскад должен иметь чувствительность не хуже 5 мВ и входное сопротивление не менее 100 кОм. Некоторые типы высокоомных катушечных динамических микрофонов имеют встроенный согласующий трансформатор, а соответствующий переключатель позволяет пользователю выбрать величину выходного сопротивления (низкоомный или высокоомный выход).
Необходимо отметить, что существуют катушечные динамические микрофоны, в которых можно выбрать и так называемое среднее значение выходного сопротивления (от 400 Ом до 5000 Ом). Чувствительность таких микрофонов обычно составляет от 3 мВ/Па до 5 мВ/Па при максимальном выходном напряжении до 50 мВ. Совместно со среднеомными динамическими микрофонами следует использовать микрофонный усилитель с чувствительностью не хуже 3 мВ и входным сопротивлением от 4 кОм до 25 кОм.
Ленточные электродинамические микрофоны, чувствительность которых составляет 0,1 мВ/Па, имеют выходное сопротивление около 200 Ом и обеспечивают формирование выходного напряжения величиной от нескольких милливольт до 10 мВ. Подключаемый к выходу таких микрофонов каскад должен иметь чувствительность не хуже 0,3 мВ и входное сопротивление не менее 1 кОм.
Широко применяемые в транзисторных микропередатчиках электретные конденсаторные микрофоны, имеющие чувствительность от 1 мВ/Па до 10 мВ/Па при выходном сопротивление от 600 Ом до 3 кОм, обеспечивают формирование выходного напряжения величиной до 100 мВ. Поэтому следующий каскад должен иметь чувствительность от 0,5 мВ до 5 мВ при входном сопротивлении от 4,7 кОм до 15 кОм.
Особого внимания заслуживают схемотехнические решения, используемые при разработке цепей подключения электродинамического или электростатического микрофона к входному каскаду микрофонного усилителя.
Схемы подключения динамического микрофона не отличаются особой сложностью и в самом простом варианте выглядят так, как показано на рис. 1.1. Параллельно выводам динамического микрофона ВМ1 может быть подключен конденсатор С1 емкостью около 100 пФ, обеспечивающий подавление высокочастотных сигналов (рис. 1.1б).
Рис. 1.1. Принципиальные схемы подключения электродинамического микрофона к входному каскаду микрофонного усилителя
Для согласования выходного сопротивления динамического микрофона с входным сопротивлением микрофонного усилителя в состав схемы иногда включается специальный согласующий резистор R1 так, как показано на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Принципиальные схемы подключения электродинамического микрофона и согласующего резистора к входному каскаду микрофонного усилителя
Резистор R1 может включаться последовательно (рис. 1.2а) или параллельно (рис. 1.2б) микрофону ВМ1. Величина сопротивления этого резистора и вариант его включения выбираются в зависимости от параметров примененного динамического микрофона и входных характеристик микрофонного усилителя, и может составлять от десятков ом до десятков килоом. Необходимо отметить, что при параллельном включении резистор R1 препятствует возможному самовозбуждению микрофонного усилителя при отключении микрофона от входного каскада.
Одной из особенностей электростатических (конденсаторных) микрофонов является сравнительно большое выходное сопротивление, поэтому в их состав включается специальный согласующий каскад, который также обеспечивает и усиление сигнала. Питание этого каскада осуществляется от внешнего источника постоянного напряжения, поэтому схемы включения таких микрофонов имеют определенные особенности. В транзисторных микропередатчиках для подключения электростатического (конденсаторного) микрофона к входному каскаду микрофонного усилителя чаще всего используются схемотехнические решения, изображенные на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Принципиальные схемы подключения электростатического (конденсаторного) микрофона к входному каскаду микрофонного усилителя
При использовании электретных микрофонов отечественного производства с тремя гибкими выводами (проводами) синий провод подключается к положительной шине цепи питания, красный провод – к шине корпуса («минус» цепи питания), а белый провод должен быть подключен к входу микрофонного усилителя.
Конструктивной особенностью многих типов электретных микрофонов является наличие не трех, а всего лишь двух выводов или контактных площадок. При использовании таких микрофонов схемы его подключения будут выглядеть так, как изображено на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Принципиальные схемы подключения электретного микрофона с двумя выводами к входному каскаду микрофонного усилителя
Электретные микрофоны: что это такое и как подключить?
Электретные микрофоны стали одними из самых первых – они были созданы в 1928 году и по сей день остаются важнейшими электретными приборами. Однако если в прошлом использовались восковые термоэлектреты, то в наши дни технологии существенно продвинулись вперед.
Остановимся подробнее на особенностях таких микрофонов и их отличительных характеристиках.
Что это такое?
Электретные микрофоны считаются одним из подвидов конденсаторных устройств. Визуально они напоминают небольшой конденсатор и отвечают всем современным требованиям к мембранным устройствам. Обычно изготавливаются из поляризованной пленки с нанесенным на нее тончайшим слоем металла. Такое покрытие представляет собой одну из граней конденсатора, вторая при этом выглядит как твердая плотная пластина: звуковое давление действует на колышущуюся диафрагму и тем самым вызывает изменение характеристик емкости самого конденсатора.
Устройство электронного слоя предусматривает статичное покрытие, оно выполняется из самых качественных материалов с высокими акустическими и механическими характеристиками.
Как и любое другое устройство, электретный микрофон имеет свои достоинства и недостатки.
К преимуществам такой техники относят ряд факторов:
- имеют низкую себестоимость, благодаря чему такие микрофоны и считаются одними из наиболее бюджетных на современном рынке;
- могут применяться в качестве устройств для проведения конференций, а также устанавливаться в бытовых микрофонах, персональных компьютерах, видеокамерах, а также в домофонах, приспособлениях для прослушивания и мобильных телефонах;
- более современные модели нашли свое применение в производстве измерителей качества звучания, а также в оборудовании для вокала;
- потребителям доступны как изделия с разъемами типа XLR, так и устройства с разъемом 3,5 мм, а также проводными клеммами.
Как и многие другие установки конденсаторного типа, электретная техника характеризуется повышенной чувствительностью и продолжительной стабильностью. Такие изделия отличаются высокой стойкостью к повреждениям, ударам и воздействию воды.
Впрочем, не обошлось и без недочетов. Минусами моделей стали некоторые их особенности:
- они не могут использоваться для каких-то больших серьёзных проектов, так как подавляющее большинство звукорежиссеров считает такие микрофоны худшим из предлагаемых вариантов;
- так же, как и типовым конденсаторным микрофонам, электретным установкам необходим дополнительный источник подпитки – хотя в данном случае будет вполне достаточно только 1 В.
Электретный микрофон довольно часто становится элементом общей системы визуального и звукового мониторинга.
За счет компактных размеров и высокой гидростойкости их можно установить почти везде. В комбинации с миниатюрными камерами они оптимально подходят для того, чтобы вести наблюдение за проблемными и труднодоступными местами.
Устройство и характеристики
Электретные конденсаторные устройства в последние годы все чаще устанавливаются в бытовых микрофонах. Они имеют довольно широкий диапазон воспроизводимых частот – от 3 до 20000 Гц. Микрофоны такого вида дают выраженный электрический сигнал, параметры которого в 2 раза больше, чем у традиционного угольного устройства.
Современная радиопромышленность предлагает пользователям электретные микрофоны нескольких видов.
МКЭ-82 и МКЭ-01 – по своим габаритам они идентичны угольным моделям.
МК-59 и их аналоги – их допускается устанавливать в самый обычный телефонный аппарат без его переделки. Электретные разновидности микрофонов намного дешевле, чем стандартные конденсаторные, потому радиолюбители отдают предпочтение именно им. Российские производители также наладили выпуск большого ассортимента электретных микрофонов, среди которых максимальное распространение получила модель МКЭ-2. Это устройство односторонней направленности, предназначенное для использования в катушечных магнитофонах первой категории.
Отдельные модели пригодны для монтажа в любую радиоэлектронную технику — МКЭ-3, а также МКЭ-332 и МКЭ-333.
Такие микрофоны обычно изготавливаются в пластиковом корпусе. Для фиксации на лицевой панели предусмотрен фланец, подобные устройства не допускают сильной тряски и силовых ударов.
Пользователи часто задаются вопросом о том, какой микрофон (электретный либо же традиционный конденсаторный) предпочтительнее. Выбор оптимальной модели зависит от каждой конкретной ситуации с учетом особенностей будущего использования оборудования и финансовых ограничений покупателя. Электретный микрофон намного дешевле конденсаторных емкостных, в то же время по качеству вторые значительно выигрывают.
Если говорить о принципе действия, то в обоих микрофонах он одинаков, то есть внутри заряженного конденсатора при малейших колебаниях одной либо нескольких обкладок возникает напряжение. Единственное различие заключается в том, что в стандартном конденсаторном микрофоне необходимая зарядка поддерживается при помощи непрерывного поляризующегося напряжения, которое подается в устройство.
В электретном устройстве предусмотрен слой специального вещества, которое представляет собой некий аналог постояннодействующего магнита. Оно создаёт поле без какой-либо наружной подпитки – таким образом напряжение, которое подается на электретный микрофон, предназначается не для того, чтобы зарядить конденсатор, а для поддержки питания усилителя на едином транзисторе.
В большинстве случаев электретные модели представляют собой компактные дешевые установки со средними электрозвуковыми характеристиками.
В то время как классические конденсаторные относятся к категории дорогостоящего профессионального оборудования с завышенными эксплуатационными параметрами и фильтром нижних частот. Их даже зачастую применяют при проведении акустических измерений. Параметры чувствительности конденсаторного оборудования гораздо ниже, нежели электретного, потому им непременно нужен дополнительный звукоусилитель со сложным механизмом подачи напряжения.
Если вы планируете использовать микрофон в профессиональной сфере, допустим, для записи песни или звучания музыкальных инструментов, то предпочтение лучше отдавать классическим емкостным изделиям. В то время как для любительского применения в кругу друзей и близких будет вполне достаточно электретных установок вместо динамических – они идеально работают в качестве конференц-микрофона и компьютерного микрофона, при этом могут быть поверхностными либо галстучными.
Принцип работы
Для того чтобы понять, что представляет собой устройство и механизм работы электретного микрофона, сперва нужно узнать, что представляет собой электрет.
Электрет – это особый материал, который обладает свойством долгое время находиться в поляризованном состоянии.
Электретный микрофон включает несколько конденсаторов, у них определённая часть плоскости выполняется из плёнки с электродом, эту плёнку натягивают на кольцо, после чего она подвергается действию заряженных частиц. Электрические частицы проникают внутрь плёнки на незначительную глубину – как следствие, в зоне возле него формируется заряд, который может работать довольно долгое время.
Пленка покрывается тонким слоем металла. Кстати, именно он используется как электрод.
На незначительном удалении размещается ещё один электрод, который представляет собой миниатюрный металлический цилиндр, плоской частью он поворачивается к пленке. Полиэтиленовый мембранный материал создает определенные звуковые колебания, которые дальше передаются на электроды – и в результате образуется ток. Его сила ничтожно мала, поскольку выходное сопротивление имеет повышенное значение. В связи с этим и передача акустического сигнала осуществляется с трудом. Для того чтобы слабый по силе ток и повышенное сопротивление были согласованы друг с другом, в устройство монтируется специальный каскад, он имеет форму униполярного транзистора и располагается в небольшом капсюле в корпусе микрофона.
Функционирование электретного микрофона основано на способности разных типов материалов под действием звуковой волны менять свой поверхностный заряд, при этом все используемые материалы должны иметь повышенную диэлектрическую проницаемость.
Правила подключения
Так как электретные микрофоны отличаются довольно высоким выходным сопротивлением, то их без каких-либо проблем можно будет подводить к ресиверам, а также усилителям с входящим повышенным сопротивлением. Чтобы проверить усилитель на работоспособность, нужно просто подключить к нему мультиметр, а затем посмотреть на получившееся значение. Если в результате всех измерений рабочий параметр оборудования будет соответствовать 2-3 единицам, то усилитель смело можно использовать с электретной техникой. В конструкцию почти всех моделей электретных микрофонов обычно входит предусилитель, которые называют «преобразователь сопротивления» либо «согласователь импеданса». Его подключают к импортному трансиверу и мини-радиолампам, имеющим входное сопротивление около 1 Ом со значительным выходным сопротивлением.
Именно поэтому даже невзирая на отсутствие постоянной необходимости в поддержании поляризующего напряжения, подобные микрофоны в любом случае нуждаются во внешнем источнике электрического питания.
В целом схема включения выглядит следующим образом.
Для поддержания нормальной работы устройства важно подать на него питание с соблюдением полярности. Для трехвходного устройства типично соединение минуса с корпусом, в этом случае питание производится через плюсовой вход. Затем через разделяющий конденсатор, откуда и производится параллельное подключение ко входу усилителя мощности.
Двухвыходная модель питается через ограничительный резистор, также на положительный вход. Тут же снимается и выходной сигнал. Далее принцип тот же – сигнал идет на разделительный конденсатор, а затем на усилитель мощности.
Как подключить электретный микрофон, смотрите далее.
Микрофонный усилитель
Электретные микрофоны широко применяются в современной бытовой и специальной аппаратуре. Они отличаются компактными размерами и высоким качеством передачи звукового сигнала. Основным недостатком конструкции является очень слабый выходной сигнал и обязательная подача на капсюль поляризующего напряжения. Предварительный усилитель для микрофона может быть сделан на любой элементной базе. В самодельных конструкциях применяются как транзисторы, так и интегральные микросхемы. Схемы устройств отличаются количеством каскадов, наличием автоматической регулировки усиления и другими техническими решениями.
Усилитель для электретного микрофона
Микрофонный усилитель для микрофона используется для усиления слабых сигналов, величиной 0,1-15 mV до уровня 200-400 mV. Схема предусилителя для микрофона проста и включает в себя один или два каскада усиления и, при необходимости, цепи коррекции амплитудно-частотной характеристики микро. Основными параметрами конструкций являются следующие величины:
- Частотный диапазон
- Коэффициент нелинейных искажений
- Отношение сигнал/шум
- Коэффициент усиления
Хороший усилок для микро должен обеспечивать частотный диапазон от 20 Гц до 20 кГц с неравномерностью АЧХ не более ±1,5 дБ. Необходимая частотная коррекция осуществляется в дальнейших каскадах низкой частоты. Коэффициент гармоник во всём диапазоне частот не должен превышать 0,2%. Поскольку микрофонное устройство является первым каскадом, все внутренние шумы будут усиливаться низкочастотных трактом. Поэтому в схемах микрофонных усилителей используются самые малошумящие транзисторы и интегральные операционные усилители.
Микрофонный усилитель для электретного микрофона
Электретный микро при громком звуке, выдаёт на выходе порядка 10-15 mV, поэтому для усиления сигнала до уровня 400-600 mV может использоваться схема с одним или двумя каскадами. Конструкция может быть собрана на обычном или полевом транзисторе и интегральной микросхеме. Усилитель микрофона на одном транзисторе выполнен на малошумящем приборе с обратной проводимостью. Схема подходит для применения в звуковых трактах персональных компьютеров. Достоинством устройства является низковольтное питание и его можно питать от пальчиковой батарейки на 1,5 вольта. Величину конденсатора С3 можно изменять в указанных пределах.
Микрофонный усилитель на одном транзисторе
Схема на полевом транзисторе обладает низким уровнем собственных шумов и обеспечивает коэффициент усиления порядка 20 дБ.Для этого потребовалось увеличить напряжение питания до 9 В, поэтому усилитель питается от батарейки типа «Крона» или от источника внешнего питания. При повторении данной схемы нужно помнить, что полевые полупроводниковые приборы боятся статического электричества, поэтому пайку транзистора нужно выполнять заземлённым паяльником и использовать антистатический браслет. Выводы транзистора перед пайкой нужно соединить между собой, обмотав их тонкой медной проволокой. Схемы микрофонных устройств на транзисторах имеют различные технические решения. Они бывают с несколькими каскадами, с автоматической регулировкой усиления и шумоподавлением.
В первом случае через резисторы R4 иR1 на электретный микрофон подаётся напряжение питания необходимое для его работы. Переменный сигнал в частоты с электродинамического прибора подаётся через конденсатор С3 на базу транзистора. Усилитель для динамического микрофона собирается на одном транзисторе обратной проводимости.
Транзистор ВС547 заменяется на КТ3102Е. Правильно собранная схема начинает работать сразу и не требует регулировки. Схема микрофонного усилителя на одном транзисторе не всегда может обеспечить требуемые параметры, поэтому на практике часто применяются схемы имеющие большее число каскадов.
К усилителю микрофона подключается электродинамический микрофон, но схема может быть доработана и для электретного устройства. Для этого электролитический конденсатор С2 меняется на обычный ёмкостью 4,7 мкФ, а в точку его соединения с микро подаётся питающее напряжение через резистор 2-3 кОм. Коэффициент усиления устройства достигает 200 в полосе частот от 40 Гц до 20 кГц. Применение транзисторов разной структуры позволило исключить переходной конденсатор между каскадами. Он обычно вносит заметные искажения в схемы усиления низкой частоты.
Схема микрофонного усилителя на микросхеме
Существует много конструкций микрофонного усилителя на микросхеме. Чаще всего в устройствах применяются операционные усилители, но имеются интегральные компоненты представляющие собой готовый микрофонный канал. Примером такой конструкции является специализированная малошумящая микросхема усилитель микрофонаMAX9814.Она имеет следующие параметры:
- Программируемый коэффициент усиления – 40, 50 и 60 дБ
- Гармонические искажения – 0,04%
- Встроенный источник питания для электретного микро – 2 В
- Температурный диапазон — +80- –40 0 С
- Имеется автоматическая регулировка усиления
Для самостоятельного повторения подойдут схемы на интегральных операционниках.
Схема собрана на отечественном ОУ 157УД2. Это микросхема с очень маленьким уровнем собственных шумов не критичная к напряжению питания.
Высококачественный канал предназначен для работы с электретными микрофона всех типов. В нём используется ОУ BA4558 или JRS4558. Конденсаторы С1 и С4 по 0,22 мкФ. Схема отличается высокой чувствительностью. Не требует регулировки и начинает работать сразу после подачи напряжения питания. В следующем устройстве используется микросхема для микрофона К538УН3Б.
Она очень простая, так как в ней отсутствуют резисторы и для её сборки потребуется только микросхема и четыре конденсатора. Напряжение питания можно снизить до 3 вольт без больших потерь усиления. При повторении конструкций нужно выполнять подключение усилителя микрофона экранированным проводом и экран соединить с корпусом устройства.
Усилитель с микрофонным входом
Низкочастотные конструкции, предназначенные для усиления сигналов звуковой частоты, всегда оборудуются одним или несколькими микрофонными входами. Это самые чувствительные входы звукового канала. При работе внешних звуковых устройств следует избегать подключения девайсов с большими уровнями выходного сигнала к микрофонным входам УНЧ. Это может вызвать отказ входных транзисторов или интегральных микросхем. Профессиональные устройства оснащены разъёмами XLRкоторые позволяют подавать фантомное питание на конденсаторные микрофоны.
Источник https://arsenal-info.ru/b/book/561762499/10
Источник https://stroy-podskazka.ru/mikrofony/elektretnye/
Источник https://dinamikservis.ru/mikrofony/mikrofonnyy-usilitel/
