Mikrofonverstärker für Elektretkapseln

Ein Klatschschalter, eine Lautstärkeanzeige, ein Babyfon oder ein Sprachrekorder mit dem Mikrocontroller – alle beginnen mit einer Elektretkapsel. Die kleinen Mikrofone kosten wenige Cent und klingen erstaunlich gut. Ihr Ausgangssignal ist aber winzig: Normales Sprechen in einem Meter Abstand erzeugt nur rund 0,1 mV. Direkt am ADC eines Arduino wäre das weniger als ein Zehntel eines Messschritts.

Dazwischen gehört ein Vorverstärker. Hier baust du ihn mit einem Rail-to-Rail-Operationsverstärker an 5 V. Die Schaltung speist die Kapsel, verstärkt ihr Signal um den Faktor 101 und legt es auf die Mitte des ADC-Bereichs.

Schaltplan

• MK1, CMA-4544PF-W: eine Mikrofon-Kapsel mit 9,7 mm Durchmesser, Empfindlichkeit −44 dB bezogen auf 1 V/Pa, Stromaufnahme höchstens 0,5 mA. Der Anschluss mit Verbindung zum Gehäuse ist Masse.
• R1, 2,2 kΩ: der Arbeitswiderstand der Kapsel. An ihm entsteht die Signalspannung.
• R2, 100 Ω, und C1, 47 μF: ein RC-Tiefpass, der Störungen der 5-V-Versorgung von der Kapsel fernhält. C1 ist ein Aluminium-Elko.
• C2, 1 μF: der Koppelkondensator. Er trennt die Gleichspannung an der Kapsel vom Verstärkereingang.
• R3 und R4, je 100 kΩ: legen den Plus-Eingang auf 2,5 V.
• IC1A, MCP6002: ein Doppel-OPV mit Rail-to-Rail-Ein- und -Ausgang, 1,8 bis 6 V Versorgung und 1 MHz Verstärkungs-Bandbreite-Produkt. Die zweite Hälfte bleibt frei.
• R5, 100 kΩ, und R6, 1 kΩ: bestimmen die Verstärkung.
• C3, 10 μF: sorgt dafür, dass Gleichspannung nicht verstärkt wird.
• C4, 100 pF: begrenzt die Bandbreite nach oben und macht die Stufe unempfindlicher gegen Hochfrequenz.

So funktioniert die Schaltung

Die Kapsel. In einer Elektretkapsel bildet eine Membran mit einer dauerhaft geladenen Gegenelektrode einen Kondensator. Schall bewegt die Membran, die Kapazität ändert sich, und weil die Ladung fest ist, ändert sich die Spannung. Diese Spannung an einer hochohmigen Kapsel wäre kaum zu nutzen; deshalb steckt im Gehäuse ein JFET. Er wirkt wie eine Stromquelle, deren Strom der Schalldruck steuert. Der Strom fließt durch R1 und erzeugt dort die Signalspannung.

Die Speisung. Weil der JFET eine Stromquelle ist, landet jede Störung auf der Versorgung fast unverändert an der Kapsel – als würde sie verstärkt werden. Der Tiefpass aus R2 und C1 mit seiner Grenzfrequenz von 34 Hz dämpft das Rauschen eines USB-Netzteils bei 1 kHz bereits auf ein Dreißigstel.

Der Verstärker. C2 und die beiden 100-kΩ-Widerstände bilden einen RC-Hochpass, der das Signal auf 2,5 V hebt. Der OPV arbeitet als nichtinvertierender Verstärker. Für Wechselspannung ist C3 ein Kurzschluss, und die Verstärkung beträgt

Für Gleichspannung ist C3 offen, die Verstärkung ist 1. Die 2,5 V vom Eingang erscheinen deshalb unverändert am Ausgang – genau die Mitte des ADC. Ohne C3 würde der OPV auch die 2,5 V verhundertfachen und klebte an der Versorgung.

Dimensionierung

1. Was liefert die Kapsel? Die Empfindlichkeit −44 dB bezogen auf 1 V/Pa bedeutet 10^−44/20 V/Pa ≈ 6,3 mV/Pa. Ein Schalldruck von 1 Pa entspricht 94 dB Schallpegel, etwa einem lauten Ruf aus kurzer Entfernung.

Alle Spannungen sind Effektivwerte.

2. Verstärkung wählen. Der Ausgang des MCP6002 kommt bis auf etwa 25 mV an die Versorgung heran, kann also um 2,5 V herum ±2,45 V schwingen, effektiv 1,73 V. Mit der Verstärkung 101 übersteuert der Verstärker erst ab 1,73 V / 101 ≈ 17 mV an der Kapsel – das sind 2,7 Pa oder 103 dB. Laute Geräusche in der Nähe kommen also unverzerrt an.

3. Grenzfrequenzen. Unten bestimmen R6 und C3 die Grenze: 1 / (2π · 1 kΩ · 10 μF) ≈ 16 Hz. Der Eingangs-Hochpass liegt mit 1 / (2π · 50 kΩ · 1 μF) ≈ 3,2 Hz weit darunter. Oben begrenzt der OPV selbst: 1 MHz / 101 ≈ 9,9 kHz. Zusammen mit C4 (1 / (2π · 100 kΩ · 100 pF) ≈ 16 kHz) ergibt sich:

4. Arbeitspunkt der Kapsel prüfen.

5. Auswerten. Das Programm misst den Spitze-Spitze-Wert über 50 ms und gibt ihn aus. So steuerst du eine LED-Pegelanzeige oder einen Klatschschalter:

void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  int minimum = 1023, maximum = 0;
  unsigned long start = millis();
  while (millis() - start < 50) {       // 50 ms Fenster
    int wert = analogRead(A0);
    if (wert < minimum) minimum = wert;
    if (wert > maximum) maximum = wert;
  }
  int ss = maximum - minimum;           // Spitze-Spitze in ADC-Schritten
  float mv = ss * 5000.0 / 1023.0;
  Serial.println(mv);                   // z. B. 1800 mV bei 94 dB
}

Bauteilliste

Varianten

Mehr Verstärkung für leise Quellen. Für Gespräche im Raum ist der Faktor 101 knapp; 13 mV sind nur wenige ADC-Schritte. Eine zweite Stufe mit der freien OPV-Hälfte und Verstärkung 10 löst das, ohne die Bandbreite zu opfern. Alternativ nimmst du einen schnelleren OPV wie den MCP6022 mit 10 MHz.

Lautsprecher dahinter. Soll das Signal hörbar werden, folgt eine Endstufe, etwa der Audioverstärker mit LM386 oder ein Kopfhörerverstärker.

Anti-Aliasing. Tastet der Mikrocontroller schneller ab, um Ton aufzuzeichnen, gehört vor den ADC zusätzlich ein RC-Tiefpass unterhalb der halben Abtastrate.

Typische Fehler

• Kapsel verpolt: Der Masseanschluss ist mit dem Gehäuse verbunden, oft an kleinen Lötbrücken zu erkennen. Verpolt liefert die Kapsel kein Signal, geht aber selten kaputt.
• Brummen und Pfeifen: Die Versorgung vom USB-Port ist verrauscht. Ohne R2 und C1 hörst du jede Aktivität des Computers. Prüfe auch, ob die Masse sternförmig verlegt ist.
• Ausgang klebt an 0 V oder 5 V: C3 fehlt oder ist kurzgeschlossen; dann verstärkt der OPV die 2,5 V mit.
• Signal verzerrt bei lauter Musik: Die Stufe ist übersteuert. Verkleinere R5 oder vergrößere den Abstand zur Schallquelle.
• Lange Leitung zur Kapsel: Ungeschirmte Leitungen fangen Brumm ein. Nimm abgeschirmtes Kabel und lege den Schirm nur an einem Ende an Masse.

Selbsttest