Utilizar un micrófono electret

Habíamos publicado en esta entrada los pasos a la hora de registrar una señal, concretamente una señal sonora. Habíamos planteado más o menos estos:
  1. Crear la señal en las mejores condiciones: adecuar el experimento y el entorno circundante para maximizar la señal útil y minimizar otras señales y el ruido.
  2. Captar la señal generada lo mejor posible. Un buen micrófono, con una respuesta adecuada a lo que queremos, tanto en frecuencia como en presión sonora.
  3. Transferir la señal utilizando canales poco ruidosos (conductores apantallados).
  4. Cuidar la electrónica para no amplificar señales no deseadas.
  5. Preparar los filtros y procesado posterior. IMPORTANTE: hay que captar la señal entera y después, sólo después filtrarla y procesarla. Si primero la procesamos perdemos sin remedio la señal original y con ella matices que más tarde podríamos necesitar.
  6. Utilizar un medio de registro de calidad apropiada, ya sea en soporte físico o electrónico.

Vamos a ocuparnos en esta entrada del punto 2: utilizar un micro adecuado y bien preparado. Le prestaremos especial atención a las cápsulas del tipo electret, cuya relación calidad/precio es de lo mejorcito del mercado.



Cuando decimos el micro adecuado, igual que la chispa adecuada, debemos pensar que, de la amplia variedad disponible, conviene usar el que mejor se ajuste a lo que queremos captar. Un micro piezoeléctrico por ejemplo no nos servirá para la voz, pero será nuestra única opción para grabar ultrasonidos. Un micro de carbon responde justo en las frecuencias de la voz, sin embargo su sensibilidad es pobre. Uno de condensador es mejor, pero necesitamos un voltaje extra y un circuito complicado para que funcione.

Lo bueno del micrófono electret es que tiene las ventajas del de condensador, y la electrónica requerida es muy básica. Ventajas:
  • Para empezar es barato y fácil de encontrar.
  • Buena respuesta en frecuencia en todo el rango audible (casi plana en algunos modelos).
  • Está preamplificado internamente luego entrega una señal bastante alta en comparación.
  • Es resistente.
  • Se alimenta con una tensión de entre 2 y 12V, fácilmente disponible.
  • Poco ruidoso.
  • Muy sensible.

Sin embargo tiene un par de inconvenientes:
  • Saturación a alto volumen. El preamplificador interior se satura cuando recibe una presión sonora alta, por ejemplo si hablamos cerca. Cosa que con otros micrófonos no es tan fácil que pase. Este inconveniente lo solucionaremos con una modificación más adelante.
  • Baja respuesta en tonos altos. Esto lo hace inservible para ultrasonidos -al menos las cápsulas habituales-. A veces esto también una ventaja, porque al no captar esas interferencias inaudibles no necesitamos tampoco filtrarlas.

Direccionalidad

Cuanto más ángulo abarca la recepción más señales captaremos y también más ruido. Si queremos captar una señal concreta y no otras lo mejor es usar un micro direccional. De lo contrario si la señal es débil puede perderse entre el ruido ambiente. Convertir de forma casera un micro omnidireccional en otro direccional es fácil. Claro que no obtendremos los mismos resultados con uno comercial.

Hay dos maneras:
  • Blindando todas las direcciones salvo la que nos interesa. Es decir metiendo el micro dentro de un tubo. Impedimos que el sonido entre por los laterales y por detrás. Mientras más largo y ancho más potencia sonora captaremos de la dirección en la que apunte. Por la geometría del tubo se producen ecos y resonancias en determinadas frecuencias. No deseamos eso, para evitarlo en lo posible se hacen unos cortes o estrías transversales. Para no captar el soplido del viento se recubre con esponja la entrada del tubo así como parte del interior.
  • Añadiendo un reflector. Si ponemos una pantalla por detrás evitamos captar lo que haya a la espalda a la vez que reflejamos lo que provenga del frente y mejoramos su recepción. Habitualmente se usa un reflector que además concentre todo lo reflejado en un punto. Tal propiedad es típica de las parábolas. Al igual que con el tubo, mientras mayor sea el diámetro del reflector, y por tanto su área, mayor intensidad sonora vamos a captar.

Como siempre dependerá de lo que necesitemos en cada momento. Pero por dar unas cuantas ideas:
  • Un tubo de cartón. Es lo mejor para captar una señal que se produce relativamente cerca pero en un ambiente ruidoso.
  • Un paraguas. Perfecto para espacios abiertos, para registrar trinos de pájaros desde lejos sin alterarlos, por ejemplo o también conversaciones lejanas. Incómodo y poco discreto por otro lado. En esta web explican cómo fabricar uno.
  • La tapa de un cubo de basura. Versión más portatil que el paraguas. También da buenos resultados pero en este caso tendremos que poner nosotros el eje para sujetar el micro.
  • Un embudo. La típica trompetilla que sustituye al audífono. Da buen resultado en distancias cortas.
  • Una botella. Mi opción favorita, una botella de plástico sin fondo. Combina lo mejor del receptor parabólico con la direccionalidad del tubo. Sencilla de construir y de llevar. Sin embargo es muy fácil captar ruidos del mismo plástico. En esta web utilizan como reflector el de un flexo.

Todo eso contando, claro, que vamos a usar el micrófono para captar señales en el ambiente a través del aire. No es el único modo. Tal vez nos viniera mejor apoyar el micrófono contra un cuerpo sólido para obtener sonidos del interior -como en un fonocardiograma- o que se transmiten a través de él -como terremotos, o conversaciones de otra habitación-. Puede que también queramos oír sonidos que se propagan a través del agua -como un motor de barco, o el sonido de los delfines-. En esos casos habría que pensar en hacer nuestra sonda de otra manera para adaptarla a esas condiciones. Eso ya queda fuera de esta entrada.

Cómo conectar una cápsula electret

Hay decenas de páginas que explican cómo conectarla. Cuando compras una, a veces trae un papelito con el esquema. En esta imagen se ve bien (encontrada aquí):

En realidad un micrófono electret no necesita ningún tipo de alimentación. Lo que ocurre es que los que encontramos en las tiendas son micrófono electret preamplificados. Es ese preamplificador interno lo que hay que alimentar, sin él, la salida que entrega el micrófono sería muy pequeña y difícil de manejar. El diagrama superior no está simplificado, el preamplificador es así de sencillo. Consta sencillamente de un FET conectado como Common Source. Sólo que sin resistencia en la fuente. Esto último puede ser contraproducente, más abajo explico una modificación sencilla si nos trae problemas.

El valor de los componentes no es crítico.

Para el condensador se puede usar cualquier capacidad entre 220nF y 220µF, siempre que tengáis en cuenta que actúa como un filtro pasa-altos, y las frecuencias bajas se pueden perder si utilizáis capacidades muy bajas. Esto ya lo explicamos aquí.

En cuanto a la resistencia, la ganancia es directamente proporcional a su valor, pero al aumentarla también aumenta la capacidad interna del FET y limita por arriba la banda pasante. Por otro lado la impedancia de salida del micro va a ser igual a esta resistencia, y nos interesa que sea baja. Además cuando esta resistencia es alta, pasa menos tensión por el FET, así que se satura antes. Hay que alcanzar un valor de compromiso. Se suelen usar de entre 470Ω para alimentarlo con 5V y 2.200Ω para hacerlo con 12V. Si dudais, como regla general limitad la corriente a 1mA.

La tensión de alimentación no es que tengamos que calcularla, y en la mayoría de casos ni podemos elegirla. Pero debéis tener en cuenta que la tensión máxima que entrega el micro va en función de su alimentación. Es decir con tensiones de 5V el micro se va a saturar a volúmenes más bajos que si lo alimentamos con 12V. Para captar voz o señales muy débiles no será un problema. Pero para grabar otros sonidos más intensos quizá no nos sirva. La tensión máxima ronda los 20V.

El interior de la cápsula

Decía que el amplificador era solamente un FET. He desmontado una cápsula electret y aquí veis sus partes:



  • A. Cubierta metálica. Protege y aisla el dispositivo.
  • B. Arandela aislante. Se interpone entre las partes D y E para separarlas eléctricamente.
  • C. Estructura de plástico. Da forma al interior.
  • D. Material electret. Es una de las placas del condensador. Se trata de un dieléctrico al que se le han incorporado cargas fijas. De esa forma no necesitamos una tensión adicional para alimentar el condensador, sino que utilizamos un material que está cargado de forma permanente. Su marco está en contacto con la cubierta metálica.
  • E. Placa de metal. La otra placa del condensador. Por su parte de arriba está enfrentada al electret mientras que por abajo conecta con la puerta del FET.
  • F. FET. Es un 2SK596, abajo os dejo el datasheet. Parece que está diseñado en concreto para este uso.
  • G. Placa de circuito impreso. Ahí van soldados los cables, y también el FET. Observad que el terminal superior corresponde al drain, y inferior al source. Y este último tiene una pista que va a la carcasa exterior. De ahí deducimos que el FET está configurado como common source.

Dijimos que el marco de D (que va a la cubierta y esta a tierra) y E (la puerta del FET) están separados por un aislante B. Ahora bien como ningún aislante es perfecto, lo podemos ver como una resistencia de un valor muy muy alto. Entonces pasa una pequeña corriente a su través, que conecta la puerta con la tierra. Esa va a ser nuestra tensión de polarización IG.

Adaptación para sonidos muy intensos

El que las cápsulas estén preamplificadas es una ventaja para registrar sonidos débiles, pero son inservibles para sonidos intensos porque el amplificador se satura y entrega una señal distorsionada. No obstante hay varias cosas que podemos hacer si necesitamos usarla para sonidos fuertes. Esta lista va encaminada a reducir la ganancia del FET. Ampliamos el rango dinámico a costa de no preamplificar las señales débiles.

  1. Aumentar la tensión de alimentación. Con un sonido fuerte la salida del micrófono puede ser fácilmente de 1V. Alimentarlo con 1.5V o 2V es claramente insuficiente en este caso. Hay un límite máximo de 20V que no podemos superar porque el micro dejaría de funcionar correctamente.
  2. Disminuir la resistencia en serie. Con un mayor paso de corriente es más difícil que el FET se sature. Como efecto colateral, reducir la resistencia también reduce la ganancia. Por supuesto hay un límite también. Porque el amplificador es muy básico, no tiene resistencia de realimentación ni degeneración del drenador.
  3. Modificar la conexión del FET. Se trata de cortar la pista de la parte G que habíamos nombrado antes. Para que el source ya no vaya conectado a masa. Así podemos reconectar el FET para que está conectado en drenador común, no hay amplificación pero a cambio la zona de trabajo es mucho más lineal. En esta imagen que sigue, obtenida de http://sound.westhost.com/project58.htm, veis a qué me refiero y en la web tenéis más explicaciones.
Es todo por ahora. Si os ha interesado el tema podéis encontrar mucha más información buscando un poco. En esta página he encontrado un interesante artículo sobre micrófonos http://sound.westhost.com/articles/microphones.htm.

Aquí el datasheet del 2SK596.

25 comentarios:

  1. Me parece muy completo el documento y era justo lo que estaba buscando toda la semana para mi proyecto, creo que a muchas personas les puede servir, espero que lo encuentren como yo; agradezco enormemente al autor de este documento por su valor para muchos en el mundo del diseño electrónco

    ResponderEliminar
  2. Muy bueno!! me sirvió para mi proyecto! Gracias!

    ResponderEliminar
  3. Una forma que encontre para limitar la saturacion de sonidos intensos fue utilizar una capsula electreto mas grande y un filtro de 470 microfaradios por 16 volts, esto limito la entrada de frecuencias sin perder detalles de la audicion

    ResponderEliminar
  4. amigo necesito una ayuda por que eh estado vuscando por internet y no consigo en concreto algo que me pueda funcionar necesito hacer un proyecto de microprocesadores donde el tema es hacer un digitalizador de voz pero paso a paso, no importa si es mas costoso o lleva mas trabajo pero no consigo nada acerca de eso, me podrias dar una mano?

    mi correo es: d.gutierrez.unefa@gmail.com
    y te felicito por tu blog

    ResponderEliminar
  5. Hola Daniel.

    En primer lugar me gustaría pedirte con toda educación que cuidaras en lo posible las reglas del lenguaje escrito.

    Dicho esto, con "digitalizador de voz" imagino que hablas de una grabadora digital o un aparato similar. En tal caso necesitas, evidentemente saber usar un micrófono y también algo de DSP.

    Puedes empezar buscando en Google DSP (Procesamiento Digital de Señales) para averiguar cómo transformar una señal analógica en una digital.

    Luego también te será necesario saber manejar un ADC y un DAC (hay integrados que lo traen todo junto y más cosas que se llaman CoDecs, nunca los he usado pero yo diría que no son fáciles de usar).

    Una vez que tienes esto hay que almacenar las muestras en una memoria. Y luego el proceso inverso para reproducirlas.

    Te deseo éxito con tu proyecto, aunque si admites mi opinión, yo empezaría por algo un poco más sencillo para coger práctica.

    ResponderEliminar
  6. Un acosa más, no me acordaba de la referencia pero la he conseguido encontrar.

    Si no quieres liarte con DSP y micros, hay algunos integrados que ya hacen esa función desde hace bastante tiempo, por ejemplo el ISD2590 (datasheet en Google) graba hasta 120 segundos, todo en memoria interna y con muy pocos componentes.

    Y si quieres un ejemplo sencillo ya hecho con microcontrolador, mira esta nota de aplicación de Texas Instruments: http://focus.ti.com/lit/an/slaa123/slaa123.pdf

    Hay mucha información buscando por "Solid state voice recorder".

    ResponderEliminar
  7. Muy bueno. Soy radiaficionado, y voy a experimentarlo. Gracias.-

    ResponderEliminar
  8. Hola.
    Tengo unas preguntillas jefe :D. He hecho un micro electret, con la conexion convecional que muestra la pagina de elliott sound, aunque la resistencia de 10k en paralelo no la he puesto. Sabes si es necesario?
    Cierto es, que lo que diga elliott sound va a misa xD antes miraba mucho su pagina, los profes de electronica la recomendaban.

    Una cosa mas, lo he alimentado con 3v y la resistencia en serie la he dejado de 2k2. Deberia dejarla asi o aumentarla?

    Y por ultimo, no entiendo lo que has puesto de que si abres la pista G del electret, la zona de trabajo sera mas lineal quitando el amplificador interno que lleva. A que te refieres con esto? Es mejor o algo?

    Gracias de antemano

    ResponderEliminar
  9. hola que tal tengo una pregunta a serca de un microono de condensador en este video muestra como se construye uno de estudio http://www.youtube.com/watch?v=1pMVTqN36-Y
    mi pregunta es si la membrana de oro va con la parte conductora del mirando para el lado de afuera o para el lado de adentro o sea para la parte con augueros ,o sea si toco la membrana esta parte es la que tiene depositado el oro , tendras algun email para contactarte .

    ResponderEliminar
  10. @Raul, la página de elliott sound es muy buena, no me extraña que os la recomendaran.

    Esa resistencia de 10k no suele ser necesaria. Y casi siempre no pasa nada si no la pones. Cuando detrás del micro pones un amplificador con entrada de muy alta impedancia, por ejemplo un operacional a FET, facilita una ruta de descarga para el condensador. Cuando el condensador es pequeño no hace falta, viene bien.

    La resistencia de alimentación no es crítica siempre y cuando no superes la corriente máxima que puede atravesar el FET. Y como el FET es distinto en cada micro pues nunca se sabe. 2k2 está bien, pero puedes probar otros valores si ves que captas mucho ruido o si se satura con sonidos altos.

    Y para terminar, la parte G es donde esta el mini circuito impreso. Es donde hay que cortar la pista que hay que cortar para conectarlo de otras formas como dice la pagina de elliott sound. La linealidad es importante, claro, Porque todo lo que no sea lineal distorsiona. Y con eso consigue que sea lineal durante un rango de intensidad más grande, para captar sonidos débiles y también fuertes.



    @Pablo, lo siento no sé la respuesta.

    ResponderEliminar
  11. dale igual muchas gracias de todas formas saludos

    ResponderEliminar
  12. Hola, solo quería decirte que este blog es una JOYA. La explicaciones son cristalinas.
    Saludos

    ResponderEliminar
  13. saludos, mi duda es la siguiente; como se conecta unmicrofono de tres terminales y uno de dos? cual esla diferencia ? creo se puede convertir uno de tres en dos ? pero no al reves o si?

    ResponderEliminar
  14. Si colocamos un pre a la salida con un potenciometro podemos manejar la salida ya sea para señales altas o bajas sin tocar la capsula.

    ResponderEliminar
  15. hola! ¿tenes idea donde puedo conseguir capsulas electret? hace rato que las vengo buscando y no consigo por ningun lado, ¿sabes de algun lugar donde las vendan? muchas gracias!

    corno.matias@hotmail.com

    ResponderEliminar
  16. en cualquier telefonono sea fijo o movil. o en los radioscasettes

    ResponderEliminar
  17. exelente tu informacion gracias amigo!!

    ResponderEliminar
  18. Felicitaciones por el estupendo informe, súper didáctico y claro, con información práctica además de teórica lo que da al informe un valor completo, muchas gracias por compartir su conocimiento invalorable, saludos desde Uruguay.

    ResponderEliminar
  19. Muchas gracias por la información. Un saludo

    ResponderEliminar
  20. Bueno, esto es una sorpresa.
    He trabajado por mas de 50 años en electronica y, por costumbre, alimentaba los electretos.
    Ahora, intrigado por el microfono que compre para la PC, me puse a investigar el porque no lleva alimentacion.
    Jamas imagine que tantos electretos que he cambiado en mi vida tuvieran un amplificador interno.
    Un abrazo!

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Me respondo solo: Excusenme por la falta de tildes, es que utilizo un teclado IBM americano del tiempo de....
      Ya se imaginan :-)

      Eliminar
  21. Hola, gracias por la información. Quiero comentarte que me he construido dos micros binaurales con cápsulas electret, y en ambos, aunque he llevado mucho cuidado en cuanto a soldaduras, suena un canal más que el otro. Uso una grabadora Tascam DR70D y monitorizo con unos auriculares nuevos Superlux. Las cápsulas son nuevas, compradas en dos tiendas especializadas.

    ResponderEliminar
  22. Hola buenas noches, yo tengo un problema serio, hago video en eventos sociales y el problema es que la camara que utilizo de video, en sonidos muy altos como lo es cuando tocan bandas o grupos musicales. El sonido de la camara lo capta muy saturado. Que tipo de microfono me recomiendan para solucionar este problema?

    ResponderEliminar
  23. Muy bueno! Ahora entendí bien cómo funciona una cápsula electret. Muchas gracias

    ResponderEliminar

Por favor, usa mayúsculas, minúsculas, puntos, comas, interrogaciones y todo eso. Muchas gracias.