A finalidade de um microfone é converter sons em sinais elétricos, para que estes sinais elétricos possam ser usados nos circuitos eletrônicos como amplificadores, gravadores, transmissores etc. O microfone é um dos mais antigos transdutores criados pelo homem, e também dos mais usados atualmente. Veja neste artigo como funciona este dispositivo e como usar os diversos tipos existentes.
As ondas sonoras consistem em vibrações mecânicas de um meio natural e se propagam com uma velocidade que depende de diversos fatores, entre eles a natureza do meio.
Assim, no ar, estas ondas são de compressão e descompressão e se propagam em condições normais a uma velocidade de aproximadamente 340 metros por segundo.
Evidentemente, por serem ondas mecânicas, elas não podem excitar diretamente os circuitos eletrônicos, daí a necessidade de termos um dispositivo intermediário que faça sua conversão em eletricidade.
Este dispositivo é um transdutor eletro-acústico denominado microfone. Este arito é uma atualização e revisão do artigo original. Feita em 2012 esta revisão definitiva, mostra tipos de microfones que não mais são comuns, mas como tem finalidade didática algumas observações importantes foram acrescentadas.
Podemos dizer que o microfone funciona de modo "inverso" ao alto-falante: enquanto o alto-falante recebe os sinais elétricos de um amplificador e os converte em som (energia acústica), o microfone recebe os sons e os converte em energia elétrica.
Para que possamos usar um microfone de maneira eficiente num aparelho eletrônico, na gravação de música, reprodução, transmissão de voz ou num intercomunicador, ele deve ter algumas características próprias bem definidas que são:
a) Fidelidade
A fidelidade significa a capacidade do microfone em produzir um sinal elétrico que tenha as mesmas características dos sons originais, ou seja, intensidade, frequência e forma de onda.
Dependendo do tipo, o microfone pode ser mais sensível para os sons de determinadas frequências o que nos leva a um uso específico. Por exemplo, um microfone mais sensível aos sons de médias frequências é apropriado a transmissão da palavra falada.
b) Sensibilidade
A sensibilidade está relacionada com a capacidade que o microfone tem de trabalhar com sons muito fracos. Dependendo do uso, podemos ter microfones mais ou menos sensíveis. Esta sensibilidade é dada em termos de nível de sinal de saída.
c) Diretividade
Conforme a construção do microfone, ele pode ter mais facilidade em captar os sons provenientes de determinadas direções. Isso determina a diretividade do microfone que pode ser representada por meio de um gráfico.
Na figura 3 damos alguns exemplos dos gráficos de diretividade.
Em (a) temos um microfone unidirecional, ou seja, um microfone que capta os sons somente de uma direção. Este tipo de microfone é muito usado em estádios ou num teatro pelo apresentador, onde apenas uma pessoa deve ser ouvida. Em (b) temos um microfone onidirecional (ou omnidirecional), ou seja, que tem a mesma sensibilidade para os sons que chegam de todas as direções.
TIPOS DE MICROFONES
Diversos são os tipos de microfones que encontramos nas aplicações práticas e que diferem tanto quanto 1as características elétricas como também segundo o princípio de funcionamento.
Temos então os seguintes tipos de microfone (alguns pouco usados atualmente, mas cujo conhecimento é importante por motivos históricos):
a) carvão
Este, sem dúvida, é o tipo mais antigo, já que os primeiros microfones que existiram utilizavam finos grãos de carvão numa caixinha com um diafragma, conforme mostra a figura 4.
O diafragma consiste numa membrana de metal, plástico ou outro material flexível que faz contacto direto com os grãos de carvão na caixinha.
A resistência apresentada pelo dispositivo, entre os terminais A e B, depende do grau de compressão dos grãos de carvão.
Desta forma, o som ao incidir no diafragma, movimenta-o de modo que ele passe a comprimir e distender os grãos de carvão, variando assim a resistência entre os pontos A e B.
O microfone de carvão apresenta uma baixa impedância, e como ele não gera energia elétrica, é necessário usar um circuito com uma fonte de energia, normalmente uma pilha, conforme mostra a figura 5.
A variação da resistência do microfone com a incidência do som faz com que varie a corrente no enrolamento primário do transformador. Induz-se então no secundário de alta impedância do transformador um sinal cuja forma de onda e frequência correspondem ao som captado.
Os microfones de carvão encontram aplicações em telefonia ainda onde a voz humana deve ser transmitida, já que apresentam uma resposta melhor nas médias frequências.
b) Microfone dinâmico
Este tipo de microfone ‚ formado por uma bobina presa a um diafragma que a movimenta no campo magnético de um imã permanente, conforme mostra a figura 6.
Trata-se praticamente de um alto-falante funcionando "ao contrário". Num alto-falante comum, quando a bobina é percorrida por uma corrente que corresponde a um sinal de áudio, é criado um campo magnético e consequentemente aparece uma força que movimenta o cone para frente e para trás, produzindo assim as ondas de compressão e descompressão do ar que formam o som.
Se o som incidir no diafragma, ele movimenta o conjunto inclusive a bobina móvel no campo do imã de modo a ser induzida uma corrente cujas características correspondem a este som.
Pequenos alto-falantes, por este motivo, podem funcionar como microfones, bastando que se fale nas suas proximidades ou que eles sejam apontados para a fonte sonora. No entanto, como não são fabricados para esta finalidade, eles apresentam algumas deficiências quando funcionam como microfones.
Como eles são dispositivos de baixa impedância, normalmente devem ser usados com um transformador que eleve sua impedância como o da figura 7, ou ainda ligados em circuitos adaptadores de impedância com transistores na configuração de base comum.
c) Microfones piezoelétricos
Os microfones de cristal ou cerâmicos operam aproveitando as propriedades piezoelétricas de determinadas substâncias como, por exemplo, o Sal de Rochelle ou as cerâmicas como o titanato de bário.
Estas substâncias, ao sofrerem deformações mecânicas, geram tensões elétricas proporcionais.
Assim, basta que um cristal de uma substância como estas seja acoplado a um diafragma para que as ondas sonoras captadas produzam forças mecânicas que fazem o cristal gerar sinais elétricos.
Na figura 8 temos um exemplo de microfone deste tipo.
Este microfone usa o Sal de Rochelle, sendo por isso, denominado "microfone de cristal". Se bem que seja muito sensível, fornecendo sinais relativamente intensos que podem excitar diretamente os amplificadores, o microfone de cristal ‚ muito sensível ao calor e umidade. Por este motivo atualmente ele praticamente não é mais usado, sendo substituído pelos microfones cerâmicos que são mais robustos e praticamente não são afetados pelo calor e umidade.
d) Microfone de eletreto
Existem substâncias denominadas eletretos que apresentam propriedades elétricas interessantes.
Quando submetidas a uma deformação mecânica estas substâncias carregam-se de eletricidade estática, manifestando tensões elétricas proporcionais entre suas faces, de um modo algo semelhante aos cristais piezoelétricos, conforme mostra a figura 9.
Estas substâncias podem ser moldadas de modo a formarem os diafragmas de um microfone e ligadas diretamente à comporta (gate) de um transistor de efeito de campo (FET).
Desta forma, a corrente controlada pelo transistor vai variar segundo as ondas sonoras que incidem no diafragma, fornecendo na sua saída um sinal já amplificado, conforme mostra a figura 10.
Os microfones de eletreto são muito sensíveis e pequenos, pois o transistor de efeito de campo já atua como um préamplificador.
Nos tipos de dois terminais devemos prever a polarização do transistor por de um resistor, sendo feitas as conexões mostradas na figura 11.
Nos tipos de três terminais, as conexões externas para seu uso são as mostradas na figura 12.
Veja que, para que o transistor de efeito de campo funcione é preciso haver uma fonte de energia externa, daí a necessidade da polarização externa.
IMPEDÂNCIA E NÍVEL DE SINAL
Os microfones apresentam características elétricas que devem ser levadas em conta quando os usamos.
Uma primeira característica, de grande importância, é a impedância que nos informa de que modo o microfone se comporta eletricamente e como ele entrega o sinal elétrico em sua saída.
Um microfone só pode transferir todo o sinal elétrico que ele gera ao circuito externo, quando sua impedância for igual a da entrada do circuito externo, ou seja, houver um "casamento de impedâncias" conforme mostra a figura 13.
Se ligarmos um microfone que tenha uma impedância elevada numa entrada de menor impedância de um amplificador, poderemos ainda ter o seu funcionamento, mas ocorrem perdas, porque o os microfones de impedância mais alta normalmente também fornecem um sinal de maior intensidade.
Isso não ocorre com um microfone de baixa impedância: se o ligarmos à uma entrada de impedância mais alta de um amplificador não haverá excitação, pois seu nível de sinal também é insufiuciente.
A segunda informação importante é, portanto a intensidade do sinal fornecido pelos microfones que é indicada em milivolts (mV) ou microvolts (uV).
Microfones dinâmicos de baixa impedância fornecem sinais da ordem de microvolts enquanto que os microfones cerâmicos e de cristal fornecem sinais na faixa de 100 mV a 500 mV.
Para que os microfones funcionem bem com amplificadores comuns, na maioria dos casos são necessários circuitos adaptadores denominados casadores de impedâncias ou préamplificadores.
Os casadores de impedância simplesmente modificam a impedância segundo o sinal é entregue ao circuito externo a partir de um microfone, já o préamplificador também altera sua intensidade.
PRÉAMPLIFICADORES
A finalidade de um preamplificador é tanto aumentar a intensidade do sinal fornecido por um microfone para que ele possa excitar um amplificador como também casar suas características de impedância de modo a se obter o rendimento desejado.
Na figura 14 temos um exemplo simples de preamplificador para microfones de baixa impedância (8 a 200 ?) utilizando apenas um transistor.
Com este circuito, até mesmo um alto-falante comum, ou um microfone dinâmico de gravador ou de outra aplicação podem ser usados com amplificadores que exigem entradas da ordem de 200 a 500 mV.
Na figura 15 temos um circuito preamplificador com transistor de efeito de campo para microfones pouco sensíveis de impedância mais elevada, permitindo assim sua utilização com amplificadores comuns.
Finalmente, na figura 16 temos um circuito de um mixer (misturador) que, ao mesmo tempo em que amplifica os sinais de diversos microfones os mistura para entregar numa saída comum e depois a um amplificador.
Para este circuito a alimentação pode ser feita com pilhas comuns ou bateria, já que o consumo é muito baixo. Muitos outros circuitos como este podem ser encontrados no site nas seções Banco de Circuitos e Circuitos Simulados.
