Toen ik laatst een microfoonmontage ontwierp, greep ik zonder nadenken naar een electret condensatormicrofooncapsule. Om precies te zijn bestelde ik er een pakje van, deze kleine cilindervormige microfoons zijn van extreem hoge kwaliteit voor hun relatief kleine prijs.
Maar pas bij het plaatsen van de bestelling kreeg ik voor het eerst in mijn leven een gedachte: Wat IS nu eigenlijk een electret condensatormicrofoon?
Een condensatormicrofoon is eenvoudig genoeg uit te leggen. Het is een condensator gevormd uit een zeer dunne geleidende plaat die fungeert als het diafragma, gemonteerd voor een andere geleider, meestal een stuk gaas. Geluidsgolven brengen het membraan in trilling, en deze trillingen veranderen de capaciteit tussen membraan en gaas.
Als die capaciteit wordt opgenomen in een RC-kring met een zeer hoge impedantie en er wordt een hoge spanning op gezet, wordt er een vrijwel constante lading op geplaatst. Aangezien de lading constant blijft, veroorzaakt het veranderen van de capaciteit een kleine spanningsschommeling die kan worden opgevangen als het audiosignaal van de microfoon. Condensatormicrofoons die op deze manier zijn gebouwd kunnen van zeer hoge kwaliteit zijn, maar hebben wel een hoogspanningsvoeding nodig om de lading te leveren en een versterker om het geluid te bufferen en te versterken.
De electret condensatormicrofoon die ik voor een paar centen heb gekocht is een condensatormicrofoon, dus waarom is er geen hoogspanningsvoeding? Het antwoord komt van het materiaal waaruit het membraan bestaat, een electret is een materiaal dat een permanente lading draagt zonder dat er een hoogspanningsbron nodig is om die lading in stand te houden. De electretmicrofoon werkt op precies dezelfde manier als elke andere condensatormicrofoon, maar de permanente lading op zijn electretmembraan is voldoende om er een opvraagbare spanning over te produceren. Het kapsel bevat een FET als buffer met hoge impedantie om een bruikbare uitgang te verkrijgen met een gelijkstroomvoeding van een enkele AA-cel.
Dus de vraag beantwoord te hebben wat een electret-condensatormicrofoon is, blijft er nog een meer fundamentele vraag over: wat is een electret? Het kan toch niet zo zijn dat een materiaal voor onbepaalde tijd een elektrische lading vasthoudt, dat is toch magie? Een zoektocht op het web levert een aantal mensen op die er zo over lijken te denken, want het lijkt erop dat electrets een menigte van “alternatieve denkers” hebben die op zoek zijn naar middelen om die statische lading te oogsten als een bron van gratis energie. Het is duidelijk dat er enige zinvolle informatie nodig is, en daarvoor gaan we naar de vele scheikunde- en natuurkundedocenten die hun cursusmateriaal online hebben gezet.
Dipolen, hoe werken ze?
Een dipool, in chemische zin, is een molecuul dat een verschil in elektrische lading tussen zijn verschillende delen bezit. Aan de ene kant kan zich een functionele groep bevinden met een overvloed aan elektronen, terwijl zich aan de andere kant een groep kan bevinden met een tekort aan elektronen. Een vaak genoemd voorbeeld van een molecuul met deze eigenschap is water, het vormt een V-vormig H-O-H molecuul waarbij de zuurstof op zijn punt een grotere negatieve lading heeft en de hydrogenen op zijn punten een grotere positieve.
Een vaste stof die bestaat uit moleculen die dipolen bevatten heeft geen statische lading, omdat die dipolen in een willekeurige volgorde zijn gerangschikt, zodat er geen ladingsgradiënt optreedt. Maar als alle moleculen in een vaste stof zo zouden kunnen worden uitgelijnd dat hun dipolen in dezelfde richting lopen, dan zouden hun negatieve en positief geladen uiteinden rug-aan-rug worden gerangschikt. Denk aan hen als een beetje als een grote stapel miniatuurbatterijen in reeks, met de kant van het materiaal aan welke hun negatieve polen richten rijk aan elektronen worden en dat aan welke hun positieve polen richten deficiënt wordend in them.
Het is belangrijk om te benadrukken nochtans dat de batterijanalogie slechts in zoverre werkt om te helpen visualiseren hoe de dipolen richten om een verenigde ladingsgradiënt tot stand te brengen, en niet om een indruk te geven van zich te gedragen alsof zij een echte batterij waren. Voor een elektretmateriaal om een blijvende last te bezitten moet het ook een isolatie zijn, want als het een elektrogeleider was zou de last eenvoudig leiden en zou zelf neutraliseren. Er kan dus geen stroom vloeien uit een electret materiaal, en de vrije-energiedromen van onze alternatieve denkers op het web moeten onvermijdelijk op niets uitlopen.
Electret DIY
Nu we weten wat een electret materiaal is, moet de volgende vraag van elke zichzelf respecterende Hackaday lezer zijn: “Hoe kan ik er een maken?”. Het antwoord daarop is verrassend eenvoudig, en u zult blij zijn er een te horen die u zelf kunt maken. Een vaste stof met moleculen met een dipool wordt gesmolten, afgekoeld en gestold in aanwezigheid van een groot elektrisch veld. Deze beschrijving van het maken van een electret, geschreven door onze eigen , moet u op weg helpen in uw goed uitgeruste keuken, ervan uitgaande dat uw keuken is uitgerust met een 30 kV voeding.
Een grote verscheidenheid van materialen kan worden gebruikt om electrets te produceren, met inbegrip van een groot aantal algemeen verkrijgbare polymeren. Er zijn ook in de natuur voorkomende elektrets, waarvan kwarts een voorbeeld is, en natuurlijke stoffen waarvan ze kunnen worden gemaakt, zoals carnaubawas, bijenwas en colofonium. Deze PDF heeft een lijst van enkele van de materialen en in het bijzonder van de polymeren (blz. 5).
Als u besluit om zelf een electret materiaal te maken, afgezien van het met veel moeite namaken van een microfoon van een paar cent, wat voor nut zou u er dan van kunnen hebben? Een zoektocht op Google Patents levert overwegend akoestische toepassingen op, met een lange lijst van microfoons, transducers, en gehoorapparaten. Er zijn echter ook een paar andere toepassingen, bijvoorbeeld een luchtfilter waarin de lading van de elektret voldoende is om geladen stofdeeltjes in de luchtstroom op te vangen. Er zijn passerende vermeldingen online van hun vroegere gebruik als scherpstelelementen voor CRT-schermen, en de Wikipedia electret pagina vermeldt hun gebruik in fotokopieerapparaten, maar geen van deze toepassingen hebben veel andere informatie. Misschien is het het beste om te kijken op thuis electret fabricage als een van die curiosa die je zou kunnen gewoon proberen omdat je can.
Als je een electret met succes te maken zouden we smeken u om het te schrijven en het voor te leggen aan onze tips line.
Electret microfoon capsules beelden in banner: Engineer’s Garage.