Elektret-Mikrofon

Das Elektretmikrofon oder genauer Elektret-Kondensatormikrofon ist eine alternative Bauart des Kondensatormikrofons.

Elektretmikrofonkapseln: billig, kompakt und robust

US Patent: Sessler&West Folien-Elektretmikofon

Elektretmikrofone sind mit 90 % Marktanteil die weltweit am häufigsten hergestellten und eingesetzten Mikrofone. Dank ihrer extrem kompakten Bauweise, des geringen Preises und der guten Signalqualität werden Elektretmikrofone in sehr großen Stückzahlen (weltweit etwa 2 Milliarden pro Jahr) hergestellt. Sie finden sich in praktisch jedem modernen Sprachkommunikationsmittel (Telefone, Recorder, HiFi- und Durchsagemikrofone). Wegen der geringen Größe der Kapsel eignen sie sich hervorragend für den mobilen Einsatz (Hörgeräte, Mobiltelefone).

Geschichte

Elektretmikrofone wurden erstmals in den 1920er Jahren in der Literatur erwähnt. Allerdings waren die damals vorgeschlagenen Elektretmaterialien wegen ihres raschen Ladungszerfalls als Elektrete nicht besonders gut geeignet und ließen sich auch nicht in den für eine relativ große Mikrofonkapazität erforderlichen dünnen Schichten herstellen. Deshalb war den damaligen Elektretmikrofonen kein dauerhafter Erfolg beschieden. Erst durch die Erfindung des Folien-Elektretmikrophons durch Gerhard Sessler und Jim West bei den Bell Laboratories im Jahre 1962^[1] konnten diese Schwierigkeiten überwunden werden. Dabei wurde als Elektretmaterial zunächst PET-Folie und kurz danach die heute noch fast ausschließlich benutzte dünne Teflon-Folie verwendet. Derartige Elektretmikrofone haben sich dann kommerziell durchgesetzt.

Aufbau

Der Aufbau eines Elektretmikrofons ist nah mit dem des Niederfrequenz-Kondensatormikrofons verwandt.

Beim Kondensatormikrofon ist eine wenige Tausendstel Millimeter dicke, elektrisch leitfähige Membran dicht vor einer – aus akustischen Gründen oft gelochten – Metallplatte elektrisch isoliert angebracht. Sobald eine elektrische Spannung angelegt wird (Polarisationsspannung), entsteht zwischen der Membran und der Platte ein Potenzialgefälle. Technisch betrachtet entspricht diese Anordnung einem Plattenkondensator, der eine messbare elektrische Kapazität besitzt. Die Kapazität C des Kondensators ist abhängig von der Plattenfläche A und dem Abstand d der Kondensatorplatten (ε ist das Produkt aus der materialspezifischen Dielektrizitätszahl ε_r und der Dielektrizitätskonstante ε₀ des Vakuums):

$C=\varepsilon { {A} \over {d} }$

Eintreffender Schall bringt die Membran zum Schwingen, wodurch sich der Abstand d der beiden Kondensatorfolien und damit auch die Kapazität des Kondensators verändert. Diese Kapazitätsschwankungen führen zu Spannungsschwankungen. Da die Membranauslenkung und nicht die Membrangeschwindigkeit zum Signal führt, ist das Kondensatormikrofon technisch betrachtet ein Elongationsempfänger, es wird als Niederfrequenz-(NF-)Kondensatormikrofon bezeichnet.

Der Vorteil des Elektretmikrofons gegenüber dem Kondensatormikrofon ist, dass es statt einer 48-Volt-Phantomspannungsquelle den Effekt einer dauerhaft elektrostatischen Polarisierung durch eine Elektretfolie als Kondensatorvorspannung nutzt.

Auf die der Membran gegenüberliegende Kondensatorplatte ist eine Elektretfolie aufgebracht, in der die Membranvorspannung sozusagen „eingefroren“ ist. Beim Back-Elektretmikrofon ist das Elektret feststehend und die Membran eine metallbedampfte leichtere Folie. Die Größe der Mikrofonkapsel liegt meistens zwischen zwei Millimetern und einem Zentimeter. Der Frequenzgang kann bei guten Elektretmikrofonen als Druckempfänger (Mikrofon mit Kugelcharakteristik) von 20 Hz bis 20 kHz gehen.

Da wegen des Elektrets keine hohe Kondensatormembran-Vorspannung benötigt wird, reicht eine Spannung von 1,5 Volt zur alleinigen Versorgung des Impedanzwandlers aus ^[2]. Dieser Impedanzwandler mit sehr hochohmigem Eingang ist in die Mikrofonkapsel integriert. Er wird fast immer mit einem Feldeffekttransistor (FET) realisiert, der einen Speisestrom von weniger als 1 Milliampere benötigt. Dabei wird eine Leistungs- und keine Spannungsverstärkung vorgenommen. Ein Elektretmikrofon kann nicht ohne Betriebsspannung für diesen eingebauten Verstärker betrieben werden. Diese wird in der Regel entweder durch eine im Gehäuse eingebaute Batterie oder durch Tonaderspeisung bereitgestellt.

Schaltbild einer dreipoligen Kapsel

Man unterscheidet zwischen zweipoligen und dreipoligen Kapseln. Dreipolige Kapseln werden vorzugsweise in Drainschaltung betrieben, siehe Bild, während zweipolige Kapseln in Sourceschaltung betrieben werden. Damit entfällt bei zweipoligen Kapseln eine Zuführung einer Betriebsspannung über den Stecker.
Während die dreipolige Variante geringen Klirrfaktor sichert, gibt die zweipolige Variante die Möglichkeit, über einen ebenfalls zweipoligen 3,5 mm-Klinkenstecker an die Soundkarte eines PCs angeschlossen zu werden. Deshalb findet man diese Variante als Standard bei Soundkarten.

In den letzten Jahren werden mehr und mehr Elektret-Messmikrofone eingesetzt. Diese besitzen aufwändige Vorverstärker mit bis zu 120 Volt Betriebsspannung, um bis zu 100 Volt (Spitze–Spitze) hohe Ausgangsamplituden liefern zu können. So liefert z. B. ein typisches 1/2-Zoll-Mikrofon bei einer Kennempfindlichkeit von 50 mV/Pa bei 0 dB gerade 1 µV, bei 120 dB 1 V, bei 140 dB 10 Volt Effektivwert, das sind etwa 30 Volt von Spitze zu Spitze.

Literatur

• Thomas Görne: Mikrofone in Theorie und Praxis. 8. Auflage. Elektor-Verlag, Aachen 2007, ISBN 978-3-89576-189-8.
• Helmuth Wilhelms, Dieter Blank, Hans Mohn: Elektro-Fachkunde 3 Nachrichtentechnik. 1. Auflage. B.G. Teubner Verlag, Stuttgart 1982, ISBN 3-519-06807-9.

Einzelnachweise

1. ↑ G. M. Sessler and J. E. West, Self-biased condenser microphone with high capacitance, Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 34 (1962), pp. 1787-1788
2. ↑ Michael Dickreiter, Handbuch der Tonstudiotechnik, 6. Auflage 1997, Band 1, Seite 174