O guia completo para microfones condensadores de eletreto

No que diz respeito à tecnologia de áudio, os microfones condensadores de eletreto (ECMs em inglês) representam uma solução clássica, mas robusta para a captação de som, proporcionando confiabilidade e adaptabilidade num vasto espetro de aplicações. Embora os microfones MEMS ganharam proeminência devido ao seu design de fácil integração e dimensões compactas, os ECMs mantêm a sua relevância nos projetos eletrônicos, graças às suas diversas configurações de montagem, padrões direcionais abrangentes e versatilidade acústica.

Este artigo examinará os princípios operacionais dos ECMs, explorando os seus circuitos internos, bem como a resposta direcional, desde padrões omnidirecionais para uma ampla captação de som ambiente até configurações unidirecionais para um isolamento de som focado. Os indicadores críticos de desempenho, como a sensibilidade, a relação sinal/ruído (SNR) e a resposta em frequência, também são exploradas para orientar a seleção adequada dos componentes.

Noções básicas sobre microfones condensadores de eletreto

Os microfones condensadores de eletreto (ECMs), também conhecidos como microfones de capacitor, funcionam utilizando um eletreto — um material ferroelétrico que está permanentemente carregado ou polarizado eletricamente. A alta resistência elétrica e a estabilidade química do eletreto garantem que a carga incorporada permaneça intacta por centenas de anos sem deterioração significativa. O termo "eletreto" tem origem na combinação de "eletrostático" e "magneto," refletindo o processo pelo qual uma carga estática é incorporada no material. Isto é conseguido através do alinhamento das cargas estáticas no eletreto, de forma análoga à forma como os domínios magnéticos são alinhados para criar um ímã.

Esta propriedade inerente oferece uma vantagem significativa no design de microfones. Ao contrário dos microfones condensadores tradicionais, que requerem uma tensão de polarização externa para funcionar, a carga estática incorporada no eletreto elimina essa necessidade. Esta simplificação reduz a complexidade do projeto do circuito e permite que os ECMs funcionem eficientemente em aplicações compactas e de baixa potência, tornando-os uma escolha atrativa para uma variedade de sistemas de áudio.

O princípio de funcionamento de um microfone condensador de eletreto baseia-se no fato de o diafragma funcionar como uma placa de um capacitor, com a placa posterior servindo como a outra. Quando as ondas sonoras fazem vibrar o diafragma, a distância entre o diafragma e a placa posterior altera-se, levando a variações na capacitância. Estas alterações são regidas pela equação da capacitância:

C = Q / V

Onde:

• Q = carga em coulombs (permanece constante devido à carga incorporada no eletreto)
• C = capacitância em farads
• V = diferença de potencial em volts

À medida que a capacitância (C) muda devido ao movimento do diafragma, há uma variação inversamente proporcional na tensão (V) através do capacitor, gerando um sinal elétrico que corresponde às vibrações sonoras.

Esta tensão variável é então alimentada a um transistor de efeito de campo (FET) dentro do microfone, que amplifica o sinal para uma melhor transmissão. Um capacitor de bloqueio CC no estágio de saída remove qualquer compensação CC indesejada, assegurando que a saída é um sinal de áudio limpo. Este design simples, mas eficaz, faz dos ECMs uma escolha confiável para a captação de som em várias aplicações eletrônicas.

Figura 1: Princípio de funcionamento de um ECM. (Fonte da imagem: Same Sky)

A estrutura típica de um microfone condensador de eletreto inclui vários componentes fundamentais:

• Manta acústica: Protege contra poeira e permite a passagem do som
• Invólucro: envolve e protege as peças internas
• Anel polar: Destaca o material de eletreto aplicado ao diafragma
• Diafragma: Vibra em resposta ao som, alterando a capacitância
• Espaçador: Mantém a distância entre o diafragma e a placa posterior
• Placa posterior: Forma o eletreto fixo do capacitor
• Base: Fornece suporte estrutural
• Anel de cobre: Assegura a condutividade e as conexões elétricas
• PCI: abriga o FET e outros circuitos para amplificação do sinal

A estrutura desmontada e montada de uma ECM é ilustrada nas figuras abaixo.

Figura 2: Vista explodida de um ECM. (Fonte da imagem: Same Sky)

Figura 3: Vista de um ECM montado. (Fonte da imagem: Same Sky)

Padrões polares ou de direcionalidade do ECM

Os microfones condensadores de eletreto estão disponíveis em vários padrões direcionais ou polares, definindo a forma como captam o som de diferentes direções. A direcionalidade é uma especificação crítica e deve ser escolhida com base nos requisitos da aplicação e do uso. Os padrões direcionais mais comuns do ECM são omnidirecionais (Figura 4), unidirecionais (Figura 5) e com cancelamento de ruído (Figura 6).

Figura 4: Padrão polar omnidirecional. (Fonte da imagem: Same Sky)

Os microfones omnidirecionais captam o som de todas as direções, o que os torna ideais para aplicações como a gravação de grupos de vocalistas ou a realização de chamadas em conferência. O padrão de captação do som é normalmente ilustrado num diagrama, em que 0° representa a frente do microfone e a intensidade do som é representada radialmente de 0° a 360°. Embora versáteis, estes microfones têm uma desvantagem: não conseguem distinguir entre os sons desejados e o ruído ambiente, captando e amplificando frequentemente os sons do ambiente.

Figura 5: Padrão polar unidirecional. (Fonte da imagem: Same Sky)

Os microfones unidirecionais foram concebidos para captar o som principalmente de uma direção, reduzindo o ruído de fundo indesejado, como conversas, cliques no teclado ou o farfalhar de papéis. Isso os torna ideais para aplicações vocais ou de fala, nas quais isolar a fonte sonora desejada é fundamental. O padrão unidirecional mais comum, apresentado na Figura 5, apresenta uma ampla área de captação com rejeição máxima a 180° fora do eixo.

Figura 6: Padrão polar de cancelamento de ruído. (Fonte da imagem: Same Sky)

Um microfone com cancelamento de ruído, ou microfone bidirecional, foi concebido para filtrar o ruído ambiente, enquanto se concentra numa fonte de som desejada, o que o torna ideal para ambientes ruidosos. Estes microfones possuem pelo menos duas portas de som: uma orientada para o som desejado e outra para o ruído mais distante. Os sons próximos criam um maior gradiente de pressão através do diafragma, resultando numa melhor captação do áudio pretendido. O efeito de proximidade é ajustado para garantir uma resposta de frequência com patamar para sons próximos da porta frontal, enquanto os sons de outros ângulos sofrem uma redução significativa dos médios e graves. As aplicações mais comuns incluem centros de atendimento telefônico, fones de ouvido para helicópteros e sistemas de comunicação para pilotos de automóveis de corrida.

Principais especificações do ECM

Além da direcionalidade do ECM, aqui estão alguns parâmetros adicionais a ter em mente durante a seleção de componentes:

• Redução da sensibilidade: A perda de ganho registada quando a tensão de alimentação do microfone diminui.
• Sensibilidade: Mede a eficácia com que um microfone detecta o som. A alta sensibilidade capta sons mais silenciosos ou distantes com menos amplificação, reduzindo o ruído. Esta propriedade ajuda a determinar a adequação para aplicações como a gravação de música ou a utilização em ambientes ruidosos.
• Relação sinal/ruído (SNR): Representa a relação entre o som desejado (por exemplo, fala ou música) e o ruído de fundo captado pelo microfone, indicando a clareza geral do áudio.
• Estilos de montagem: Os pinos da PCI, os fios condutores com ou sem conetor e os tipos de terminais são as configurações mais comuns para a montagem do ECM. As configurações dos terminais podem ainda ser definidas como montagem em superfície para solda por refluxo ou pads de solda para soldagem manual.

Conclusão

Os microfones condensadores de eletreto continuam a ser indispensáveis na tecnologia de áudio moderna, oferecendo uma captação de som precisa e capacidades direcionais versáteis. A sua confiabilidade e adaptabilidade os tornam essenciais em diversas aplicações, enquanto a compreensão do seu funcionamento e das suas principais especificações ajuda os usuários a selecionar o microfone certo para as suas necessidades. Explore a gama completa de microfones e serviços de projetos de áudio da Same Sky para obter soluções sob medida.