Theremin

theremin

Tak za tenhle výtvor by si Lev Sergejevič zasloužil kreténské číslo in memoriam. Kreténštější hudební nástroj si snad ani nelze představit. A přesto nějaké vznikly. Ve skutečnosti soudruh Těrmen vytvořil ještě kreténštější hudební nástroje, ale ty upadly v zapomnění.

theremin

Já, jako správný Kretén, jsem se do stavby Thereminu pustil. A jak jinak než v lampách. Nicméně, použil jsem modernější lampy. Princip nástroje jsem zachoval, ale jednotlivé obvody jsem vyvinul vlastní na základě podkladů z různých zdrojů.

theremin

Princip je celkem jednoduchý. Nástroj má dvě antény k ovládání výšky tónu a hlasitosti. Přibližováním ruky, nebo jakékoli jiné části těla k anténě se mění kapacita mezi tělem a touto anténou. Změna této kapacity je u pravé prutové antény převáděna na výšku slyšitelného tónu a u levé smyčkové antény na jeho hlasitost. Realizace už není zdaleka tak jednoduchá. Změnou kapacity rozlaďujeme oscilátor, jehož signál dále zpracováváme. Generace elektroniků se snaží vymýšlet oscilátory s co největší stabilitou a my se tady najednou snažíme vyrobit velmi mizerný oscilátor, který by se snadno rozladil. Zmíněná změna kapacity je velmi malá, jsou to pouhé jednotky pikofaradů. Kmitočty, na kterých oscilátory pracují, se u Thereminu pohybují někde mezi dlouhými a středními vlnami. Klíčem k úspěchu je laděný LC obvod, který má velkou indukčnost a malou kapacitu, aby se i její malá změna na kmitočtu projevila. Jenže?

theremin

Použité indukčnosti

Velmi brzy zjistíme, že krásné výpočty indukčnosti a kapacity podle Thomsonova vztahu v praxi příliš nefungují. Přívody kondenzátorů mají indukčnost, cívky mají kapacitu, další kapacitu přidá okolí a celé to má odpor, který snižuje kvalitu laděných obvodů. Nezbývá nám, než opustit teorii a začít experimentovat. Rozebral jsem několik starých PC zdrojů a udělal pár pokusů s feritovými transformátory, které jsem z nich vydoloval. Tyto transformátory jsou zalité lepidlem a zdají se nerozebiratelné. Ale když jsem je na pár minut povařil ve vodě, lepidlo změklo a horké transformátory šly snadno rozebrat. K dosažení potřebných hodnot indukčností stačí na takovémto jádru navinout několik desítek závitů drátu, takže experimenty jsou celkem rychlé. Jádra těchto transformátorů jsou z materiálu, který zvládá kmitočty přes 1 MHz. To neplatí o tlumivkách, které se v PC zdroji také vyskytují a jejichž jádra vypadají na první pohled stejně, ale jsou z jiného materiálu, který potřebné kmitočty nezvládne. Pokud by někdo z vás měl náběh na kretenismus a chtěl nástroj podle tohoto popisu stavět, nechť se připraví na to, že bude muset hodnoty součástek v laděných obvodech a počty závitů cívek přizpůsobovat na základě experimentů. Představa, že by se beze změny hodnot podařilo vyrobit druhý kus, je naivní, vskutku Kreténská.

A teď už se dostanu k vlastní konstrukci nástroje.

Generování tónu

Obvody pro generování tónu tvoří dva identické oscilátory, naladěné v mém případě na kmitočet zhruba 380 kHz. Jeden oscilátor je naladěný pevně volbou součástek a nelze jej přelaďovat. Druhý oscilátor má k laděnému paralelnímu LC obvodu připojený ještě ladící kondenzátor, kterým je možné doladění kmitočtu, a další sériový LC obvod tvořený velkou indukčností a anténou, které v kombinaci s rukou virtuosa tvoří kapacitu. Před začátkem hry se při vzdálené ruce, kdy je kapacita mezi rukou a anténou nejmenší, naladí proměnlivý oscilátor na stejný kmitočet s pevným (referenčním) oscilátorem. Přibližováním ruky k anténě kapacita roste, kmitočet proměnlivého oscilátoru klesá.

oscilator

Každý oscilátor je postaven na jedné elektronce PCF802. Trioda slouží jako vlastní oscilátor, pentoda se svojí malou vstupní kapacitou, a tedy velkou vstupní impedancí, tvoří oddělení a snižuje výstupní impedanci obvodu. Experimentálně jsem se dostal u transformátoru k počtům 30 závitů u vinutí LC obvodu a 20 závitů u zpětovazebního vinutí na EI jádru s průřezem středního sloupku 5×5 mm. K tomuto obvodu je anténa připojena přes indukčnost vyrobenou z velkého transformátoru z PC zdroje. Na jádro jsem navinul asi 80 závitů a trafo jsem doladil pomocí vzduchové mezery. Je to velmi pracný proces. Teprve když jsem to měl hotové, začal jsem pracovat na ovládání hlasitosti a přišel jsem na elegantnější řešení.

Výstupní signály obou oscilátorů jsou přivedeny na vstup směšovače, který na svém výstupu poskytuje rozdílový kmitočet ve slyšitelném pásmu. Za směšovačem následuje zesilovač s napěťově řízeným zesílením (nebo spíše útlumem). Tento obvod je opět tvořen elektronkou PCF802. Trioda slouží jako směšovač a pentoda jako napěťově řízený zesilovač. Signál ze směšovače je přiváděn netradičně na její druhou mřížku. Na první mřížku je přiváděné stejnosměrné napětí mezi -6 a 0 volty. Změnou tohoto napětí lze měnit úroveň výstupního signálu od nuly do maxima. Ke katodovému odporu triody je paralelně připojen potenciometr, kterým je možno ovládat barvu tónu. Při poklesu hodnoty katodového odporu klesá záporné předpětí mřížky a trioda začíná zkreslovat.

mixer

Ovládání hlasitosti

Aby to celé vypadalo hezky, potřeboval jsem celý obvod ovládání hlasitosti postavit na jedné lampě PCF802. Obvod funguje, ale bohužel nemá takovou citlivost, jakou lze vidět u jiných nástrojů.

Trioda tvoří oscilátor, stejný jako v obvodech generování tónu. Abych ale dosáhl co největšího rozladění, zvětšil jsem v tomto oscilátoru indukčnost cívky. A to tak, že v LC obvodu už není použit žádný kondenzátor. Veškerou kapacitu tvoří obvod antény. Ta je připojena přímo. Ušetřil jsem tak velkou cívku, která je potřeba u řešení použitého pro generátor tónu. Trafo je stejné jako v oscilátorech generování tónu, ale vinutí LC obvodu má 95 závitů. Zpětovazební vinutí má 20 závitů. Obvod kmitá zhruba na 500 kHz. Signál z oscilátoru je přiveden na pentodu, která má v anodě laděný obvod naladěný trochu mimo kmitočet, na kterém pracuje oscilátor. Díky tomu se impedance tohoto obvodu výrazně mění při rozlaďování oscilátoru. Tato změna ovlivňuje amplitudu výstupního signálu. Cívka laděného obvodu má 65 závitů a zároveň tvoří primární vinutí transformátoru. Ten má dvě stejná sekundární vinutí se 40 závity. Napětí z nich je usměrněno a vyhlazeno.

volume control

Jeden sekundární obvod je připojen na napěťový dělič anodového napětí svým kladným pólem a záporný pól tvoří výstup. Výstupní napětí je tedy rozdílem napětí z děliče a usměrněného napětí z výstupu pentody. Celé je to naladěné tak, aby při vzdálené ruce tento rozdíl byl zhruba nulový a při přiblížení ruky k anténě klesal alespoň na -6 V.

Druhý sekundární obvod je zapojen obráceně na dělič pomocného záporného napětí. Ten by měl mít na výstupu nulové napětí při přiblížené ruce a záporné napětí při vzdálené ruce. Tento obvod umožňuje obrácený způsob ovládání hlasitosti a je oproti původnímu Thereminu navíc.

Výstupy obou těchto obvodů jsou připojeny na přepínač, kterým je možno zvolit režim ovládání hlasitosti. Střed přepínače je připojen na vstup směšovače.

Koncový zesilovač

amplifier

Koncový zesilovač je učebnicového zapojení. Je postaven na dvou elektronkách PCL86. Triody pracují v diferenciálním zapojení, kdy na jednu je přiveden přes potenciometr regulátoru hlasitosti signál ze směšovače a na druhou signál zpětné vazby ze sekundárního vinutí transformátoru. Pro maximální zjednodušení obvodu jsem doplnil napájecí zdroj o větev záporného napětí. Díky tomu mohou být řídící mřížky vstupních triod stejnosměrně vázány. Koncové pentody jsou zapojeny paralelně a pracují do upraveného napájecího transformátoru 230V/12V asi 20W. Jádro transformátoru jsem rozebral a přeskládal s mezerou, aby se zabránilo jeho stejnosměrnému přesycení. Důvodem je, že tohle trafo jsem měl doma, bylo zadarmo. Dolní kmitočet, kdy zesilovač pracuje nezkresleně na plný výkon, je asi 16 Hz, horní kmitočet je asi 8 kHz. Na HiFi zesilovač by to bylo málo, ale Theremin vyšší kmitočty vydávat nepotřebuje.

Napájecí zdroje

K napájení nástroje jsem si nechal vyrobit toroidní transformátor na zakázku v osvědčené firmě JK-ELTRA. Transformátor má primární vinutí 230V a tři sekundární vinutí:

  • 1. žhavicí vinutí - 28 V / 0.8 A při zátěži
  • 2. anodové vinutí - 140V / 0.1 A při zátěži
  • 3. anodové vinutí - 140V / 0.1 A při zátěži

Napájecí zdroje jsou dva samostatné. Jeden poskytuje proud pro žhavení a druhý anodová napětí a záporné pomocné napětí.

supply

Zdroj žhavení má dvě větve. Každá je tvořena jednoduchým zdrojem konstantního proudu 300 mA s maximálním výstupním napětím něco málo přes 36 V. Jedna větev napájí čtyři lampy PCF802 zapojené v sérii. Druhá napájí dvě koncové lampy PCL86. Na jejím výstupu je ještě vřazen sériový odpor, aby celý úbytek napětí ve zdroji nevznikal na výkonovém tranzistoru a nebylo třeba použít větší chladič. Tohle vskutku kreténské řešení vzniklo postupně. Původně jsem totiž myslel, že na koncový zesilovač použiji lampy PCL805 a víceméně okopíruji konstrukci OTL zesilovače pro sluchátka. Ale z tohoto zapojení jsem nebyl schopen vyždímat rozumný výkon. Dvě lampy PCL805 by měly žhavicí napětí 36 V stejně jako čtyři lampy PCF802. Diody D3 a D4 jsou přichyceny k chladičům výkonových tranzistorů a slouží k tepelné kompenzaci obvodu.

supply

Zdroj anodových napětí poskytuje napětí zhruba 200 V pro koncový zesilovač, stabilizované napětí zhruba 160 V pro ostatní obvody a pomocné záporné napětí zhruba 200 V.

Mechanická konstrukce

Letmou montáž jsem dělat nechtěl. Dnes jsou přeci jenom součástky výrazně menší než v dobách, kdy tento způsob býval běžný. Na druhou stranu jsem chtěl mít do poslední chvíle volnost v rozmístění lamp a v experimentování s jednotlivými obvody. Proto jsem zvolil modulární řešení, kdy každá lampa má vlastní plošný spoj. Tohle řešení má z mého pohledu řadu výhod, nevýhodou je ovšem spousta drátů nutná k propojení jednotlivých modulů. Ale vzhledem k tomu, že jsem koncový zesilovač a obvod ovládání hlasitosti musel předělávat, modularita se vyplatila.

theremin

Je to hudební nástroj, v dnešní době již starobylý. A je elektronkový. Měl by tedy vypadat historicky. Zvolil jsem proto dřevěnou skříňku v kombinaci s leštěným nerezem. Skříňka je vyrobena z bukových prken a natřena a namořena šelakem s hnědým mořidlem. Dřevo tvoří obvodové stěny skříňky, vrchní část tvoří šasi, ve kterém jsou uchyceny obvody jednotlivých lamp, a spodní část tvoří plechové dno, na kterém je přichycen napájecí transformátor a napájecí zdroje. Plechové dno má vyvrtané větrací otvory, zrovna tak šasi. Aby se vnitřek skříňky chladil proudícím vzduchem, je ozdobný horní krycí plech na šasi přilepen na distančních podložkách (matky M8) a mezi ním a hranou dřeva je mezera. Ovládací prvky v přední části skříňky jsou přichyceny do plechu, který je do dřeva zapuštěn a překryt přilepeným ozdobným panelem. Na bocích skříňky jsou na povrchu přišroubovány plechy s průchodkami pro uchycení antén a na zadní stěně je na povrchu přišroubován plech s napájecím konektorem a pojistkovým pouzdrem.

theremin

Antény jsem vyrobil z nerezové kulatiny o průměru 8 mm. K ohnutí smyčkové antény jsem musel vyrobit ze dřeva kopyto, které jsem přitáhl svorkami ke stolu, a na něm s vynaložením dost velkého úsilí kulatinu vytvaroval. Ale výsledek stojí za to. Pro prutovou anténu jsem z mosazné kulatiny vyrobil úhlový nástavec.

Dokumentace k projektu je ke stažení ZDE

P15/1, K15 - prosinec 2006, naposledy aktualizováno: září 2015