Das kleine Telephonmuseum
Die Mikrophon-Manufaktur Wie im Kapitel “Mikrophone” bereits angemerkt, waren Apparate bis in die 1970-er Jahre mit Kohlekörner-Mikrophonkapseln ausgerüstet. Ältere Kapseln waren altersschwach bis tot, machten allenfalls ein extrem chrosendes Geräusch. Jüngere Modelle waren abgesehen vom körnigen Geräusch akustisch noch recht brauchbar. Alle jedoch hatten unmögliche elektrische Eigenschaften. Je nach Mass des Schüttelns und der Orientierung in der Gravitation war die Klemmenspannung zwischen 2 und 7 Volt. Die Kapsel DKO48 arbeitet bei stabilen 5 V, aber sie passt von den Abmessungen her nicht in ältere Ausgaben des Hasler-Hörers, und schon gar nicht in antike Hörnchen-Hörer. Abgesehen davon, dass ihre Beschaffung von Zufallstreffern abhängt. So war Eigenitiative gefragt. Elektrische Rahmenbedingungen Das Mikrophon ist ein Zweipol. Von der Telephon-Schaltung, entsprechend der Speisung aus der “Zentrale”, stehen in seinem Stromkreis ca. 10 bis 12 mA Gleichstrom zur Verfügung. Der Spannungs- abfall (Klemmenspannung des Mikrophons) sollte 10 V keinesfalls überschreiten, ideal sind Werte zwischen 5 und 6 Volt. Diesen Werten ist das Sprachsignal überlagert. Dessen paarhundert Millivolt an 200 bis 600 Ω (von Telephonschaltung und Anschlussleitung) geben genug Leistung für die Übertragung. Moderne Mikrophonelemente liefern hingegen 2 bis 20 mV, und das bei recht hohem Innenwiderstand. Es braucht also Verstärker und/oder Impedanzwandler. Im Folgenden sind drei verschiedene Lösungen gezeigt. 1. Elektret-Kapsel mit MOS-FET Der MOS-FET ist ein Transistor mit besten Eigenschaften. Sein Verstärkungs- faktor (Ausgangsstrom pro Eingangsspannung) ist bei weitem gross genug. Die einzige Schwierigkeit ist das Zusammenfinden der Arbeitspunkte der Elektret-Kapsel und der Gate-Spannung des FET. So ein MOS-FET beginnt sanft zu leiten bei 1.5 .. 3.5 V Gate-Spannung, jedoch sind die Toleranzen hoch. Man muss die Bauteile individuell ausmessen bzw. aussuchen. Eine Elektret-Kapsel arbeitet ab rund 2 V, aber auch hier sind die Unterschiede gross, abgesehen davon, dass ihr Innenwiderstand je nachdem für diesen Arbeitspunkt mehr oder weniger Strom fordert. Hat man die zueinander passenden Elemente gefunden, ist die Schaltung denkbar einfach. Mit passenden Widerständen regelt sich die Mikrophon-Klemmenspannung automatisch auf die rund 5 Volt; der Kondensator sorgt für die signalmässige Entkopplung der Elektret-Speisung vom Output der Schaltung. Die Diode über den Klemmen macht falsche Polung beim Anschluss unschädlich. 2. Elektret-Kapsel mit angebautem Vorverstärker Auf dem Markt der Bastlerszene gibt es sogenannte “Breakout”-Module. Ein derartiges Subsystem enthält beispielsweise eine Elektret-Kapsel, einen Verstärker und die elektronische Beschaltung drumherum, alles mikro- miniaturisiert. Es bleibt also noch die Anpassung an die Rahmenbedingungen für unser Mikrophon. Die Speisung des Moduls beträgt 275 μA bei 3.3 V. Das lässt sich problemlos von den 5 Volt der Mikrophon-Klemmen abzweigen. Die Signalausgangsspannung ist mit rund 500 mV gross genug, der Innenwiderstand hingegen viel zu gross. Deshalb kommt ein normaler Bipolar-Transistor zum Einsatz. Weil gleichstrommässig die Ausgangsspannung des Moduls bei 1.65 V liegt (genau die halbe Speise- spannung Vcc), muss der Emitter des Transistors auf ca. 0.9 V hochgelegt werden. Das ergibt sich mit den rund 10 mA Strom am 100 Ω Widerstand. Zur Einstellung des Arbeitspunktes der ganzen Schaltung, und damit auch der Klemmenspannung des Mikrophons, dient ein Trimmer bei der Speisung des Elektret-Moduls. 3. MEMS-Mikrophon-Kapsel mit angebautem Vorverstärker Auch ein MEMS-System ist als Breakout-Modul erhältlich. Es arbeitet mit rund 4.5 V Betriebsspannung und ist bei einem Stromverbrauch von 120 μA sehr sparsam. Im Gegensatz zum Elektret-Modul ist der Gleichspannungs- ausgang nicht so schön definiert. Deshalb verwenden wir den AC-Ausgang und leiten den direkt auf die Basis des Bipolar-Transistors. Dafür müssen wir nun für den Arbeitspunkt des Transistors ein klein wenig Strom liefern. Den beziehen wir vom 10 kΩ-Trimmer über einen 100 kΩ Widerstand. Auch hier lässt sich die Klemmenspannung des Mikrophons schön einstellen.