Micrófonos de electret y transistores JFET
Figura . Un micrófono de electret (electret microphone) consiste en un capacitor que está permanentemente cargado por un electret (electret) y cuya capacitancia varía con la presión del aire. Este sistema se combina con un junction field-effect transistor (JFET), que amplifica las pequeñas variaciones de tensión convirtiéndolas en cambios de corriente medibles.
Los electret microphones (micrófonos de electret) son un tipo de micrófono capacitivo en el cual una de las placas del capacitor contiene un material dieléctrico permanentemente cargado, denominado electret. Este material actúa como una fuente de carga permanente, eliminando la necesidad de una fuente externa de polarización, como ocurre en los micrófonos capacitivos convencionales.
El funcionamiento se basa en que una de las placas del capacitor es un diafragma móvil que responde a las variaciones de presión sonora. Estas variaciones modifican la distancia entre las placas, cambiando la capacitancia del sistema. Como la carga se mantiene constante, la tensión varía según:
V(t) = Q / C(t)
De este modo, la señal acústica se convierte en una señal eléctrica. Si el diafragma se comporta como un sistema elástico lineal, su desplazamiento es proporcional a la presión sonora, lo que implica que la tensión generada también es proporcional a dicha presión.
Sin embargo, las variaciones de tensión generadas son extremadamente pequeñas. Por ello, el micrófono incorpora internamente un JFET (junction field-effect transistor), que amplifica estas pequeñas variaciones transformándolas en cambios de corriente más fáciles de medir externamente.
Los micrófonos de electret presentan múltiples ventajas: son económicos (del orden de centavos en grandes cantidades), compactos (típicamente de 6 a 9 mm de diámetro), poseen un amplio rango de frecuencia (aproximadamente de 20 Hz a 20 kHz) y pueden operar con tensiones de alimentación entre 2 V y 10 V. Además, suelen incluir blindaje metálico para evitar interferencias electrostáticas externas.
Transistores JFET en micrófonos de electret
En estos micrófonos se emplean JFETs en lugar de MOSFETs, principalmente debido a su menor ruido y a su capacidad de auto-polarización. En un JFET, la compuerta (gate) está conectada de manera que mantiene una tensión cercana a 0 V respecto a la fuente (source), gracias a una corriente de fuga muy pequeña.
Las variables eléctricas principales del JFET son:
- Vgs: tensión entre compuerta y fuente, controlada por el micrófono.
- Vds: tensión entre drenador y fuente.
- Id: corriente de drenador, controlada por Vgs.
El JFET opera mediante una unión polarizada en inversa que crea una región de agotamiento (depletion region). Al variar Vgs, cambia el espesor de esta región, modificando la sección conductora del canal y, por lo tanto, la corriente entre drenador y fuente.
Cuando Vgs se vuelve más negativo, la región de agotamiento se ensancha, reduciendo la corriente Id. De esta manera, pequeñas variaciones de tensión en la compuerta generan cambios medibles en la corriente.
El comportamiento del JFET puede analizarse en dos regiones:
- En la región lineal, la transconductancia gm = ∂Id/∂Vgs es aproximadamente proporcional a Vds.
- En la región de saturación, gm es aproximadamente proporcional a √Id, siendo prácticamente independiente de Vds.
En aplicaciones de micrófonos de electret, el JFET se utiliza típicamente en la región de saturación, ya que en esta condición la ganancia es más estable y menos sensible a variaciones de tensión, lo que mejora la calidad de la señal amplificada.
En resumen, el micrófono de electret combina un transductor capacitivo con un amplificador JFET integrado, logrando un dispositivo simple, económico y eficiente para la conversión de sonido en señales eléctricas.
Figura . Un micrófono de electret (electret microphone) requiere una fuente de tensión y una resistencia de polarización (bias resistor) para establecer la tensión continua adecuada sobre el micrófono y para convertir las fluctuaciones de corriente en fluctuaciones de tensión. La hoja de datos del CMA-4544PF-W supone que la resistencia RB es de 2.2 kΩ, aunque esta no necesariamente es la mejor elección.
La tensión de polarización (bias voltage) puede ajustarse con mayor precisión utilizando un amplificador de transimpedancia (transimpedance amplifier). El pequeño símbolo “+” junto al micrófono indica que el micrófono de electret está polarizado: el terminal “+” se conecta al drenador del transistor FET y debe estar a un potencial más alto que el terminal conectado a la fuente (en este caso, a tierra). El software Scheme-it no incluye símbolos de micrófonos polarizados, por lo que el signo “+” debe añadirse como etiqueta.
|
