Угольный микрофон один из первых типов микрофонов (рисунок 1). Преобразование акустического сигнала в электрический производится за счет изменения сопротивления микрофона. На рисунке 1 показана металлическая камера, в которую насыпан угольный порошок. С одной стороны эту камеру закрывает гибкая пластинка – мембрана, укрепленная на изоляторах; со всех остальных сторон камера закрыта наглухо. Камера и пластинка присоединены к источнику постоянного напряжения, создающего в цепи постоянный ток.

Предположим, на мембрану микрофона воздействует акустическая волна. Так как пластина мембраны делается достаточно тонкой, под действием звуковых волн, она начинает колебаться (рисунок 1б,в). При колебаниях пластинки будет изменяться сила ее давления на угольный порошок, отчего будет меняться сопротивление, оказываемое этим порошком электрическому току. Величина тока начнет меняться. В результате в цепи будет течь пульсирующий ток.

Работа угольного микрофона: а – на микрофон не воздействует звук; б – под действием звука мембрана вогнута – сопротивление уменьшилось, ток через микрофон возрос; в – под действием звука мембрана выгнута, сопротивление увеличилось, ток через микрофон уменьшился.

Угольный микрофон, обладая самой лучшей среди всех типов микрофонов чувствительностью, практически не требует усиления сигнала, сигнал с его выхода можно подавать непосредственно на высокоомный наушник или громкоговоритель. Однако угольный микрофон отличается плохой амплитудно-частотной характеристикой (он не воспринимает слишком низких и слишком высоких частот). Сейчас появились дешёвые и доступные полупроводниковые усилители, которые позволяют использовать микрофоны других типов. Поэтому, в современных устройствах угольные микрофоны практически не применяются.

В 1856 году француз Дю Монсель (Du Moncel) опубликовал результаты своих исследований, из которых следовало, что графитовые электроды обладают способностью отвечать значительным изменением электрического сопротивления при небольшом изменении площади соприкосновения проводников. Данное свойство стало основой для различных вариантов конструкций микрофонов.

Первый угольный микрофон построил американский изобретатель Эмиль Берлинер 4 марта 1877 года. Однако, развитие получил микрофон американского изобретателя Дэвида Юза (англ. David Hughes) в мае 1878 года. Микрофон Юза (рис.1) содержал угольный стержень с заострёнными концами, упиравшийся в две угольные же чашечки, и соединённый с подвижной мембраной. Площадь контакта угольного стержня с чашечками сильно менялась при колебаниях мембраны, соответственно менялось и сопротивление угольного микрофона, а с ним и ток в цепи. Микрофон Юза совершенствовался многими изобретателями. Весьма значительно усовершенствовал этот тип микрофонов Эдисон (в частности, он предложил использовать угольный порошок вместо угольного стержня, т.е. изобрёл новый вид угольного микрофона с угольным порошком). Автор наиболее прижившейся конструкции угольного микрофона — Энтони Уайт (1890).

Угольный микрофон практически не требует усиления сигнала, сигнал с его выхода можно подавать непосредственно на высокоомный наушник или громкоговоритель. Из-за этого свойства угольные микрофоны использовались до недавнего времени в телефонных аппаратах, их использование освобождало телефонный аппарат от дорогостоящих и дефицитных в то время полупроводниковых деталей либо громоздких, хрупких и энергоёмких усилителей на радиолампах. Классический телефонный аппарат с дисковым номеронабирателем обычно содержит угольный микрофон (однако, в аппаратах более поздних лет выпуска часто применяются динамические или электретные микрофоны, часто объединенные в единую конструкцию с усилителем, взаимозаменяемую с угольным микрофоном).

Капсюль типа МК-10 угольного микрофона: а — внешний вид; б — схема устройства; 1 — мембрана; 2 — подвижный электрод; 3 — слюдяная шайба; 4 — перфорированная металлическая крышка; 5 — корпус; 6 — пластмассовое кольцо; 7 — шайба; 8 — угольный порошок; 9 — неподвижный электрод.

При эксплуатации телефонных аппаратов второй и третьей групп сложности с угольными микрофонами часто наблюдается падение чувствительности. Это происходит вследствие спекания частичек угля, что вызывает нарушение чистоты звука и искажения в виде треска и помех. В настоящее время разработано множество схем для замены угольных микрофонов. Качество звука при этом повышается на порядок.

На рис. 1 приведена схема с использованием динамического микрофона МДМ-7. Усилитель в схеме выполнен трехкаскадным, транзисторы желательно отобрать с высоким коэффициентом усиления.

На рис. 3 приведена схема усилителя для конденсаторного микрофона МКЭ-3. Схема при повторении показала весьма устойчивую работу. На рис. 4 приведена схема усилителя для миниатюрного микрофона типа МКЭ-333Б («Сосна»), и, наконец, на рис. 2 показана схема, где в качестве усилительного элемента используется телефонный ключ 1014КТ1А. С микрофоном МКЭ-3 схема имеет чувствительность порядка 400...500 мВ/Па, что обеспечивает хорошую слышимость.

Схема замены угольного микрофона.

Схема замены угольного микрофона с использованием ключа КР1014КТ1А.

Микрофонные капсюли МК-10 (Рис.1,а) и МК-16 (Рис.1,б): 1,3- электроды, 2 - угольный порошок, 4 - мембрана, 5, 14 - латунный и фенопластовый корпуса, б - основание, 7,8 - крышки, 9, 13 - влагозащитная и капроновая прокладки (пленки), 10 -изолирующая втулка, 11-контакт, 12 - ободок.

Электрод 1 изолирован от корпуса шайбой и втулкой 10. Электрод 3, выполненный из тонкой латуни в виде пустотелой чашечки, укреплен в центре легкой металлической рупорообразной мембраны 4, края которой закреплены кольцом. Электрод 3 погружен в угольный порошок 2 (поверхность электрода, соприкасающаяся с угольным порошком, покрыта слоем палладия).
Между мембраной и угольным порошком находится эластичная плеика 9, которая крепится между двумя полыми цилиндрическими стаканчиками подвижного электрода вместе с мембраной. Сверху мембрана за-вальцована крышкой 8 с отверстиями для прохождения звуковых волн. Над крышкой 8 находитс вторая крышка 7, которая задерживает (конденсирует) влагу.

В микрофоне даже в горизонтальном положении сохраняется цепь прохождения тока от одного электрода к другому, так как почти весь объем камеры микрофона заполнен порошком, в который глубоко погружены электроды. Поэтому микрофонный капсюль МК-10 считается безобрывным, обладает удовлетворительной влагостойкостью и достаточной механической прочностью.