Guía completa de micrófonos de condensador de electreto

Cuando se trata de tecnología de audio, los micrófonos de condensador de electreto (ECM) representan una solución clásica, pero resistente para la captura de sonido, ya que ofrecen fiabilidad y adaptabilidad en un amplio espectro de aplicaciones. Mientras que los micrófonos MEMS han ganado protagonismo por su diseño fácil de integrar y su tamaño compacto, los ECM mantienen su relevancia en los diseños electrónicos gracias a sus diversas configuraciones de montaje, su amplia gama de patrones direccionales y su versatilidad acústica.

En este artículo se examinan los principios de funcionamiento de los ECM y se analizan sus circuitos internos y su respuesta direccional, desde patrones omnidireccionales para captar el sonido ambiente hasta configuraciones unidireccionales para aislar el sonido. También se estudian parámetros de rendimiento críticos, como la sensibilidad, la relación señal/ruido (SNR) y la respuesta en frecuencia, para orientar la selección de los componentes adecuados.

Conceptos básicos sobre el micrófono de condensador de electreto

Los micrófonos de condensador de electreto (ECM), también conocidos como micrófonos de condensador, funcionan utilizando un electreto, un material ferroeléctrico que está permanentemente cargado eléctricamente o polarizado. La alta resistencia eléctrica y la estabilidad química del electreto garantizan que la carga incorporada permanezca intacta durante cientos de años sin deterioro significativo. El término "electreto" tiene su origen en la combinación de "electrostático" e "imán", reflejando el proceso por el cual una carga estática se incrusta en el material. Esto se consigue alineando las cargas estáticas en el electreto, de forma análoga a como se alinean los dominios magnéticos para crear un imán.

Esta propiedad inherente ofrece una ventaja significativa en el diseño de micrófonos. A diferencia de los micrófonos de condensador tradicionales, que requieren un voltaje de polarización externo para funcionar, la carga estática incorporada del electreto elimina esta necesidad. Esta simplificación reduce la complejidad del diseño de circuitos y permite a los ECM funcionar con eficacia en aplicaciones compactas y de bajo consumo, lo que los convierte en una opción atractiva para diversos sistemas de audio.

El principio de funcionamiento de un micrófono de condensador de electreto se basa en que el diafragma funciona como una placa de un condensador y la placa posterior como la otra. Cuando las ondas sonoras hacen vibrar el diafragma, la distancia entre éste y la placa posterior cambia, lo que provoca variaciones en la capacitancia. Estos cambios se rigen por la ecuación de la capacitancia:

C = Q / V

Donde:

• Q = carga en culombios (permanece constante debido a la carga incorporada del electreto)
• C = Capacidad en faradios
• V = diferencia de potencial en voltios

Cuando la capacitancia (C) cambia debido al movimiento del diafragma, se produce una variación inversamente proporcional de la tensión (V) en el condensador, lo que genera una señal eléctrica que corresponde a las vibraciones sonoras.

Esta tensión variable se transmite a un transistor de efecto de campo (FET) dentro del micrófono, que amplifica la señal para mejorar la transmisión. Un condensador de bloqueo de CC en la etapa de salida elimina cualquier desplazamiento de CC no deseado, garantizando que la salida sea una señal de audio limpia. Este diseño sencillo pero eficaz convierte a los ECM en una opción fiable para captar el sonido en diversas aplicaciones electrónicas.

Figura 1: Principio de funcionamiento de un ECM. (Fuente de la imagen: Same Sky)

La estructura típica de un micrófono de condensador de electreto incluye varios componentes clave:

• Tela no tejida: Protege del polvo a la vez que permite el paso del sonido
• Caja: Encapsula y protege las piezas internas
• Anillo polar: Destaca el material electreto aplicado al diafragma
• Diafragma: Vibra en respuesta al sonido, alterando la capacitancia.
• Espaciador: Mantiene la distancia diafragma-placa posterior.
• Placa posterior: Forma el electrodo estacionario del condensador
• Base: Proporciona soporte estructural
• Anillo de cobre: Garantiza la conductividad y las conexiones eléctricas
• PCB: Aloja el FET y otros circuitos para la amplificación de la señal.

En las figuras siguientes se ilustra la estructura desmontada y montada de un ECM.

Figura 2: Despiece de un ECM. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Figura 3: Vista ensamblada de un ECM. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Direccionalidad ECM o patrones polares

Los micrófonos de condensador de electreto están disponibles en varios patrones direccionales o polares, que definen cómo captan el sonido desde distintas direcciones. La direccionalidad es una especificación crítica y debe elegirse en función de la aplicación y los requisitos de uso. Los patrones direccionales ECM más comunes son omnidireccional (Figura 4), unidireccional (Figura 5) y cancelación de ruido (Figura 6).

Figura 4: Patrón polar omnidireccional. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Los micrófonos omnidireccionales captan el sonido desde todas las direcciones, por lo que son ideales para aplicaciones como la grabación de grupos de vocalistas o la realización de conferencias telefónicas. El patrón de captación del sonido se ilustra normalmente en un diagrama, en el que 0° representa la parte frontal del micrófono y la intensidad del sonido se traza radialmente de 0° a 360°. Si bien son versátiles, estos micrófonos tienen un inconveniente: no distinguen entre los sonidos deseados y el ruido ambiente, por lo que a menudo captan y amplifican los sonidos ambientales.

Figura 5: Patrón polar unidireccional. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Los micrófonos unidireccionales están diseñados para captar el sonido principalmente desde una dirección, lo que reduce los ruidos de fondo no deseados, como conversaciones, chasquidos del teclado o crujidos de papel. Esto los hace ideales para aplicaciones vocales o del habla, donde aislar la fuente de sonido deseada es fundamental. El patrón unidireccional más común, que se muestra en la figura 5, presenta una amplia zona de captación con un rechazo máximo a 180° fuera del eje.

Figura 6: Patrón polar de cancelación de ruido. (Fuente de la imagen: Same Sky)

Un micrófono con supresión de ruido, o micrófono bidireccional, está diseñado para filtrar el ruido ambiente mientras se centra en la fuente de sonido deseada, lo que lo hace ideal para entornos ruidosos. Estos micrófonos cuentan con al menos dos puertos de sonido: uno orientado hacia el sonido deseado y otro hacia ruidos más lejanos. Los sonidos cercanos crean un mayor gradiente de presión a través del diafragma, lo que se traduce en una mejor captura del audio deseado. El efecto de proximidad se ajusta para garantizar una respuesta de frecuencia plana para los sonidos cercanos al puerto frontal, mientras que los sonidos procedentes de otros ángulos experimentan una reducción significativa de medios y graves. Las aplicaciones más comunes son los centros de llamadas, los auriculares para helicópteros y los sistemas de comunicación para pilotos de carreras.

Especificaciones clave de ECM

Aparte de la direccionalidad del ECM, aquí hay algunos parámetros adicionales a tener en cuenta durante la selección de componentes:

• Reducción de sensibilidad: Pérdida de ganancia que se experimenta al disminuir la tensión de alimentación del micrófono.
• Sensibilidad: Mide lo bien que un micrófono detecta el sonido. La alta sensibilidad capta los sonidos más silenciosos o distantes con menos amplificación, lo que reduce el ruido. Esta propiedad ayuda a determinar la idoneidad para aplicaciones como la grabación de música o el uso en entornos ruidosos.
• Relación señal/ruido (SNR): Representa la relación entre el sonido deseado (por ejemplo, voz o música) y el ruido de fondo captado por el micrófono, lo que indica la claridad general del audio.
• Estilos de montaje: Pin de PCB, conductores con o sin conector, y tipos de terminales son las configuraciones más comunes para el montaje de ECM. Las configuraciones de los terminales pueden definirse además como de montaje en superficie para soldadura por reflujo o almohadillas de soldadura para soldadura manual.

Conclusión:

Los micrófonos de condensador de electreto siguen siendo indispensables en la tecnología de audio moderna, ya que ofrecen una captura precisa del sonido y capacidades direccionales versátiles. Su fiabilidad y adaptabilidad los hacen esenciales en diversas aplicaciones, mientras que comprender su funcionamiento y especificaciones clave ayuda a los usuarios a seleccionar el micrófono adecuado para sus necesidades. Explore la gama completa de micrófonos y servicios de diseño de audio de Same Sky para obtener soluciones personalizadas.