Mikrofon

In deinem Smartphone stecken drei oder vier Mikrofone, jedes kleiner als ein Reiskorn. Ein Laptop hat zwei über dem Bildschirm, ein smarter Lautsprecher sechs oder sieben im Kreis. Auf der Bühne steht ein dynamisches Gesangsmikrofon, im Tonstudio ein großes Kondensatormikrofon, und im Bastelkasten liegt eine kleine Elektretkapsel mit zwei Lötpunkten. All diese Bauteile tun dasselbe: Sie wandeln winzige Druckschwankungen der Luft in eine elektrische Spannung. Wie klein diese Spannung ist, überrascht die meisten – und davon hängt ab, wie du das Mikrofon anschließen musst.

Aufbau und Funktionsweise

Jedes Mikrofon hat eine Membran, die dem Schalldruck folgt. Die Bauarten unterscheiden sich darin, wie sie die Bewegung der Membran in eine Spannung übersetzen.

• Dynamisches Mikrofon (Tauchspule): An der Membran hängt eine leichte Spule, die im Spalt eines Dauermagneten schwingt. Nach dem Induktionsgesetz entsteht in ihr eine Spannung, die der Geschwindigkeit der Membran folgt. Es braucht keine Versorgung, ist robust und verträgt hohe Schallpegel. Das Prinzip ist das eines umgekehrten Lautsprechers.
• Kondensatormikrofon: Die Membran ist eine hauchdünne, leitend beschichtete Folie vor einer festen Gegenelektrode. Beide bilden einen Kondensator von einigen Pikofarad. Schwingt die Membran, ändert sich der Abstand und damit die Kapazität. Wird der Kondensator mit einer festen Ladung vorgespannt, folgt die Spannung nach U = Q / C der Abstandsänderung (siehe Kondensator im Gleichstromkreis). Studiomikrofone erzeugen die Vorspannung aus der 48-V-Phantomspeisung.
• Elektretmikrofon: ein Kondensatormikrofon, dessen Membran oder Gegenelektrode aus einem Elektret besteht – einem Kunststoff mit dauerhaft eingefrorener Ladung. Eine externe Vorspannung entfällt. Weil die Kapsel nur wenige Pikofarad hat und damit extrem hochohmig ist, sitzt direkt dahinter ein JFET als Impedanzwandler. Er braucht eine kleine Versorgung über einen Arbeitswiderstand.
• MEMS-Mikrofon: Membran und Gegenelektrode sind als Mikrostruktur in Silizium geätzt (siehe MEMS). Daneben sitzt im selben Gehäuse ein ASIC, der die Kapazitätsänderung verstärkt und entweder als Analogspannung oder gleich digital ausgibt. Der Schall gelangt durch ein kleines Loch im Gehäuse oder in der Platine zur Membran.
• Piezo-Mikrofon: Eine Piezokeramik erzeugt bei Verformung direkt eine Spannung (siehe Thermoelektrik und Piezo-Effekt). Als Körperschall-Tonabnehmer an Gitarren und als Klopfsensor verbreitet, für Sprache selten.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist ein Kreis mit einem senkrechten Strich an einer Seite, der die Membran andeutet; die Anschlüsse gehen davon ab. Beim Elektretmikrofon zeichnen viele Schaltpläne zusätzlich ein Pluszeichen am Versorgungsanschluss, weil die Kapsel gepolt ist: Ein Anschluss ist mit dem Gehäuse und Masse verbunden, der andere führt zum Drain des JFET. Mehr Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Kennwerte

Der Schalldruck wird in Pascal gemessen. 1 Pa entspricht einem Schalldruckpegel von 94 dB SPL – das ist sehr laut, etwa wie ein Rasenmäher aus nächster Nähe. Normale Sprache in 1 m Abstand liegt bei etwa 60 dB SPL. Wie Pegel und Druck zusammenhängen, steht unter Schallpegel und Dezibel.

Die Empfindlichkeit in dBV/Pa rechnest du so in eine Spannung um:

Die Pegelumrechnung zwischen Spannungsverhältnis und Dezibel kannst du hier ausprobieren:

Bei digitalen MEMS-Mikrofonen gibt das Datenblatt die Empfindlichkeit in dBFS an: den Pegel bei 94 dB SPL bezogen auf den größten darstellbaren Wert. Am Beispiel des TDK ICS-43434 (I²S-Ausgang, 24 Bit, 1,65–3,63 V, etwa 0,55 mA): −26 dBFS bei 94 dB SPL bedeutet, dass der volle Zahlenbereich bei 94 + 26 = 120 dB SPL erreicht ist.

Bauformen

• Dynamische Mikrofone: im Griffgehäuse mit XLR-Stecker, für Bühne und Funk.
• Elektretkapseln: zylindrisch, 4 bis 10 mm Durchmesser, mit Lötflächen, Drähten oder Pins. Mit zwei Anschlüssen (Masse und Drain) oder drei (Source, Drain, Masse getrennt).
• Analoge MEMS-Mikrofone: SMD-Gehäuse von etwa 2,5 × 3,5 mm mit drei oder vier Anschlüssen; Schallöffnung oben (Top Port) oder unten durch ein Loch in der Platine (Bottom Port).
• Digitale MEMS-Mikrofone: gleiche Gehäuse mit PDM- oder I²S-Ausgang. Zwei Mikrofone können sich eine Datenleitung teilen; ein Auswahlpin legt fest, ob ein Mikrofon den linken oder rechten Kanal belegt.
• Mikrofonmodule: fertige Platinen mit Elektretkapsel und Verstärker oder mit MEMS-Mikrofon, für Bastelprojekte.

Typische Schaltungen

Elektretkapsel an einem Verstärker

Der JFET in der Kapsel arbeitet als Stromquelle, gesteuert von der Kapselspannung. Du schließt ihn über einen Arbeitswiderstand R_D an die Versorgung an und koppelst das Wechselsignal über einen Kondensator aus. Der Ruhestrom des JFET liegt je nach Kapsel bei 0,2 bis 0,5 mA. Damit der Transistor nicht in die Sättigung gerät, soll am Drain etwa die halbe Versorgungsspannung liegen:

Rauscht die Versorgung, rauscht das Mikrofon mit: Jede Störung auf U_B erscheint über R_D direkt am Ausgang. Ein RC-Filter aus 100 Ω und 10 µF vor dem Arbeitswiderstand hält Störungen eines Digitalteils fern.

MEMS-Mikrofon am Mikrocontroller

Digitale MEMS-Mikrofone schließt du direkt an Mikrocontroller mit I²S- oder PDM-Schnittstelle an, etwa einen ESP32 oder einen STM32. Sie brauchen nur Versorgung, einen Abblockkondensator von 100 nF und die Takt- und Datenleitungen. Der Analogteil mit Verstärker und ADC entfällt, und Störungen von der Platine können das Signal kaum noch erreichen. Analoge MEMS-Mikrofone liefern dagegen eine kleine Wechselspannung um eine Gleichspannung von etwa 0,8 V und brauchen wie die Elektretkapsel einen Verstärker (siehe AD- und DA-Wandler).

Auswahl und Praxistipps

Für Sprache in einem Mikrocontroller-Projekt ist ein digitales MEMS-Mikrofon heute die einfachste Wahl. Elektretkapseln sind billig, robust und für Analogschaltungen gut geeignet. Dynamische Mikrofone brauchen keinen Strom und vertragen hohe Pegel, liefern aber noch weniger Spannung und brauchen einen rauscharmen Vorverstärker.

Häufige Fehler:

• Elektretkapsel verpolt: Der Masseanschluss ist mit dem Gehäuse verbunden, oft an einer kleinen Leiterbahn auf der Rückseite zu erkennen. Verkehrt herum arbeitet der JFET nicht.
• Arbeitswiderstand vergessen: Ohne R_D fließt kein Strom durch den JFET, die Kapsel bleibt stumm.
• Bottom-Port ohne Loch: Ein Bottom-Port-MEMS-Mikrofon hört durch die Platine. Fehlt die Bohrung im Layout, oder deckt Lötstopplack sie ab, kommt kaum Schall an.
• MEMS-Mikrofon gewaschen: Wasser und Reinigungsmittel dringen durch die Schallöffnung ein und können die Membran verkleben. Verwende Typen, die für Waschprozesse freigegeben sind, oder bestücke danach.
• Zu wenig Verstärkung geplant: Wer mit Millivolt rechnet, ist enttäuscht. Plane 40 bis 70 dB Verstärkung für Sprache in normalem Abstand ein.

Selbsttest