|
Deze 'gouwe ouwe' kwamen wij tegen toen wij ons eigen tijdschrift 'Populaire Electronica' gingen indexeren voor publicatie op dit blog. Dit apparaatje vinden wij een van de origineelste die wij ooit hebben ontworpen en vandaar dat wij het met plezier herpubliceren met een nieuw printje. |
Het principe van de 'Carbo-phone'
Een defecte schuifpotentiometer bracht ons op het idee
Alles begon toen wij een schuifpotentiometer op een print moesten vervangen. Bij de vervanging van dit onderdeel werd de behuizing volledig gesloopt. Toen ons oog viel op de koolbaan in die potmeter zagen we in een flits het idee achter deze schakeling. Waarom zou een orgeltje altijd bespeelbaar moeten zijn met toetsen, die door het indrukken de waarde van een weerstand in een oscillator veranderen? Waarom zou zo'n toonbepalende oscillator niet opgebouwd kunnen worden met de naakte koolbaan van een schuifpotmeter, waarbij de tonen gekozen worden door met een metalen, afgeronde stift over deze baan te strijken? Dat het idee omgezet kon worden in een bruikbaar stukje speelgoed bewijst de onderstaande foto.
 |
| Het prototype van dit leuk stukje speelgoed. (© 2021 Jos Verstraten) |
Een orgeltje met vijf octaven
Om het geheel wat meer mogelijkheden te geven hebben we na de oscillator een IC-tje geschakeld dat de frequentie van het signaal van de oscillator in vier stappen door 16 deelt. U krijgt dan vijf volledige octaven ter beschikking. Door middel van drukknoppen kunt u kiezen welke octaaf u ten gehore wenst te brengen. Omdat de uitgangen van de oscillator en de vier uitgangen van de zestiendeler ook gemengd kunnen worden, kunt u door het gelijktijdig indrukken van twee of meerdere drukknoppen gecombineerde tonen opwekken.
De schakeling heeft een ingebouwd versterkertje waarop u een miniatuur luidsprekertje van 150 Ω kunt aansluiten. Bovendien is een uitgang voorzien waarop een wisselspanning van ongeveer 300 mV verschijnt, zodat u het orgeltje ook kunt aansluiten op een versterker.
Het apparaatje wordt gevoed uit vier 1,5 V batterijen.
Iets over muziek
Muziek is opgebouwd uit noten. Deze noten worden gekenmerkt door hun toonhoogte of frequentie, uitgedrukt in Hz. Noten worden gegroepeerd in octaven, die ieder twaalf noten bevatten. Op het toetsenbord van een piano of orgel kunt u deze groeperingen van twaalf noten gemakkelijk terugvinden.
In de muziektheorie duidt men de noten niet aan door middel van hun frequentie, maar door middel van een lettercode. De laagste noot van een octaaf krijgt de notatie C of c, de hoogste de notatie B of b.
Tussen de noten van de verschillende octaven bestaat een zeer opmerkelijk verband in frequentie. Het is namelijk zo dat de frequentie van eenzelfde noot uit een hoger octaaf exact het dubbele is van de frequentie van de noot in het basis octaaf.
Naast de code ter onderscheiding van de verschillende noten in een octaaf, moet men ook nog een code invoeren waaruit u het octaaf kan afleiden waarin een bepaalde noot ligt. Dit doet men door het toevoegen van accenten aan de lettercode van de noten.
De zeer lage noten worden aangeduid door de letter als hoofdletter te schrijven en vooraf te laten gaan door een 1 of 2 accenten. De hoge tonen worden aangeduid door de letter klein te schrijven en te laten volgen door 1 tot en met 4 accenten.
Als u dus een lijstje opstelt van bijvoorbeeld alle c-noten, van zeer laag in toon tot zeer hoog, dan ziet dat er als volgt uit:
''C - 'C - C - c - c' - c'' - c''' - c''''
Nu we toch etiketjes aan het opplakken zijn, de twaalf noten in een octaaf hebben de volgende code:
c - cis - d - dis - e - f - fis - g - gis - a - ais - b.
Hierbij is de c de laagste toon en de b de hoogste toon.
Bij een normaal orgel is er een toets voor iedere noot. Bij de 'Carbo-phone' is dat natuurlijk niet het geval. Het 'klavier' bestaat immers uit een ononderbroken koolbaan waarop de verschillende noten verspreid liggen. Om toch enige overeenkomst met een normaal orgel te houden, hebben we het schakelingetje zó uitgevoerd dat het volledige bereik van de af te tasten koolbaan ongeveer overeenkomt met één octaaf van een normaal orgel. Voor wie thuis is in de muziekterminologie: de basis toonreeks gaat van b'' tot c'', in frequentie uitgedrukt van 990 Hz tot en met 528 Hz.
Van het ene naar het andere octaaf
Zoals reeds geschreven kunt u van dit octaaf overgaan naar een lager door de frequentie van het opgewekte signaal door twee te delen. De frequentie van de toon c' is immers exact de helft van de frequentie van de toon c''. Nu is het elektronisch erg eenvoudig een frequentie door twee te delen. In de 'Carbo-phone' worden vier tweedelers achter elkaar geschakeld zodat in totaal vijf octaven ter beschikking staan. De octaven worden gekozen door het indrukken van drukknoppen. In frequenties uitgedrukt kunt u dus noten met frequenties van 990 Hz tot en met 32 Hz opwekken.
Het blokschema
Het blokschema van het apparaatje is getekend in de onderstaande figuur. Het hart van de schakeling is een RC-oscillator, een schakeling die een signaal genereert met een door de waarde van een condensator en een weerstand bepaalde frequentie. Het zal ondertussen wel duidelijk zijn dat bij de 'Carbo-phone' de frequentie wordt bepaald door de weerstand van een min of meer lang stuk van de koolbaan van een schuifpotmeter in de schakeling op te nemen. Dat de onderdelen van de oscillator zo worden gekozen dat aan de uitgang een signaal ontstaat met een frequentiebereik van één octaaf zal ook geen kreten van verbazing tot gevolg hebben.
Het enige dat verder nodig is, zijn vier trappen die de frequentie van het door de RC-oscillator opgewekte signaal telkens door twee delen. Aan de uitgangen van de delertrappen staan dus signalen met respectievelijk de halve, de vierde, de achtste en de zestiende fractie van de basisfrequentie ter beschikking.
Dit is het volledige toonopwekkende gedeelte. Nu moeten die tonen ook nog hoorbaar worden. Vandaar een toetsenbordje met vijf drukknoppen en een versterkertje. Door het indrukken van een of meerdere drukknoppen komen de originele of de gedeelde noten (of een combinatie van beide) op de ingang van de versterker en worden hoorbaar in het ingebouwde luidsprekertje. Bent u niet tevreden met dat kleine piepertje dan kunt u op een uitgang van de ingebouwde mini-versterker een grotere broer aansluiten.
 |
| Het blokschema van de 'Carbo-phone'. (© 2021 Jos Verstraten) |
Het schema van de 'Carbo-phone'
De RC-oscillator
De oscillator bevat geen onbekende schakelingen, want het schemaatje van de onderstaande figuur is overbekend. In de originele publicatie in 'Populaire Electronica' werd de bekende schmitt-trigger SN7413 toegepast, die als oscillator wordt gebruikt, in combinatie met een emittervolger rond de transistor T1.
Nu is de SN7413 al lang 'obsolete' en nauwelijks nog te vinden. Gelukkig heeft ElectraBreda er nog voldoende in voorraad en ook bij Budgetronics staan zij nog op de site. Ook op eBay zijn er een heleboel aanbieders die dit oeroude IC nog kunnen leveren.
De frequentie van de opgewekte toon wordt bepaald door de condensator C1 en door de weerstanden R2 en R3. De weerstand R3 is de koolbaan van een 10 kΩ lineaire schuifpotmeter. De weerstand R2 beperkt het frequentiebereik tot dat van één octaaf. De waarde van C1 is verantwoordelijk voor het gekozen octaaf.
De uitgang van de eerste schmitt-trigger stuurt de tweede in het IC aanwezige poort. Nodig is dat niet, u kunt even goed de uitgang van de eerste schakeling als uitgang gebruiken. Omdat er tóch een tweede triggerpoort aanwezig is, hebben we die als buffer tussen de oscillator en de delers geschakeld.
De frequentiedelers
In de onderstaande figuur is het al even eenvoudige schema van de delers getekend. De vier tweedelers zitten in één IC, een familielid van de reeds bekende SN7413. In de originele publicatie werd hiervoor een SN7493 gebruikt. Ook die is 'obsolete' maar u kunt deze zonder problemen vervangen door een SN74LS93N.
Intern zitten er in dit IC vier flip-flop's, die als frequentie tweedeler zijn geschakeld. De vier interne flip-flop's zijn volledig identiek. Het enige verschil is dat van de eerste en de tweede zowel de ingang als de uitgang naar buiten zijn gevoerd, terwijl van de derde en de vierde alleen maar de uitgang bereikbaar is.
Door deze schakelwijze heeft het IC veel toepassingen, waar hier echter geen gebruik van wordt maken. Wat natuurlijk wel moet gebeuren, is de uitgang van de eerste flip-flop doorverbinden met de ingang van de tweede, want dit is intern niet het geval. Vandaar dan ook de verbinding tussen Auit en Bin. Alle vier de schakelingen staan dan in serie. Op de uitgang Auit van de eerste flip-flop staat een signaal ter beschikking staat waarvan de frequentie gelijk is aan de helft van de frequentie van het signaal Ain op de ingang. Op de uitgang Buit van de tweede flip-flop staat dan weer een signaal waarvan de frequentie gelijk is aan de helft van zijn ingangssignaal. Dit ingangssignaal is de uitgang van de eerste flip-flop, dus zal op uitgang B een vierde van de frequentie van het signaal op de ingang overblijven. De twee volgende flip-flop's werken uiteraard volledig identiek.
Het IC heeft twee reset aansluitingen. Door middel van deze ingangen is het mogelijk het deelproces te onderbreken. Als deze ingangen worden verbonden met de voedingsspanning zullen de spanningen op de vier uitgangen van de flip-flop's gelijk worden aan nul. Voor de meeste toepassingen van dit IC is dit een welkome schakeltechnische mogelijkheid. In deze toepassing kopen we er echter niets voor, vandaar dat die twee ingangen met de massa worden verbonden.
De versterker
Het versterkerschema, getekend in de onderstaande figuur, is al even eenvoudig als de rest van dit orgeltje.
De uitgang van de oscillator en de vier uitgangen van de delers worden door middel van gelijke weerstanden R4 tot en met R8 aan vijf drukknopjes aangeboden. Deze weerstanden zijn zeer noodzakelijk. Als zij er niet waren dan zouden, bij gelijktijdig indrukken van verschillende schakelaars, twee of meerdere uitgangen van de delers met elkaar verbonden worden, wat het IC niet zo leuk vindt. Hoewel door het invoeren van deze weerstanden er een verzwakking van het signaal optreedt, moet u deze zonder meer in de schakeling opnemen.
Alle drukknoppen worden met elkaar verbonden. Dit punt is de ingang van de versterker. Door de spanningsdeler R9 en R10 wordt van het signaal een gedeelte naar buiten gevoerd, via een scheidingscondensator C2. Op deze uitgang, waar een spanning van ongeveer 300 mV ter beschikking staat, kunt u een LINE-ingang van een versterker aansluiten.
De in de 'Carbo-phone' ingebouwde versterker heeft geen enkele pretentie. Zijn taak is gewoon het hoorbaar maken van het signaal in een klein 150 Ω luidsprekertje. De versterker, opgebouwd rond de transistoren T2 en T3, is dan ook niets anders dan een darlington schakeling. Het signaal dat op de basis van T2 wordt aangeboden, wordt eerst stroomversterkt in deze halfgeleider. De stroom die daarvan het gevolg is stuurt rechtstreeks de basis van de half-vermogen transistor T3. Met zo'n forse basisstroom kan deze halfgeleider een luidsprekertje van 150 Ω best aan.
Wilt u een maximum aan signaal uit een versterker halen, dan is het noodzakelijk dat de uitgang op de helft van de voedingsspanning wordt ingesteld. Dan immers, kan het signaal maximaal positief en negatief uitdijen.
De uitgang van deze versterker is de weerstand R13. Over deze weerstand moet dus de helft van de voedingsspanning ontstaan. De spanningsdeler R11/R12 zet de basis van T2 op zo'n gelijkspanning dat aan die eis wordt voldaan.
Door middel van de scheidingscondensator C3 wordt het signaal van het orgel op de basis van T2 gezet. De basisspanning van die halfgeleider gaat op het ritme van dit signaal variëren, de emitterstroom van T2 volgt en dus ook de stroom in de basis van T3 (dat is immers dezelfde!). Het gevolg is dat ook de stroom door T3 gaat variëren op het ritme van het orgelsignaal en dus ook de spanning over de weerstand R13.
Dit signaal wordt via de scheidingscondensator C4 aan de luidspreker aangeboden.
Het volledig schema
Het volledig schema van de 'Carbo-phone' is getekend in de onderstaande figuur. Naast de deelschema's van de vorige figuren bevat dit schema niets meer dan een batterij B1, een aan/uit-schakelaar S1 en de diode D1.
De schakeling verbruikt slechts 70 mA stroom, batterijvoeding is dus mogelijk. Wél zo veilig voor een stukje speelgoed! De batterij is samengesteld uit vier 1,5 V type AAA cellen. Die kunt u in een handige batterijhouder plaatsen. De gebruikte TTL-IC's mogen echter niet meer dan 5,5 V hebben. Vandaar dat de diode D1 is tussengeschakeld die voor een verlaging van de voedingsspanning met ongeveer 0,6 V zorgt.
De schuifpotentiometer
Dit hele project is afhankelijk van de beschikbaarheid van een koolbaan van een schuifpotentiometer. In het prototype werd een lineaire schuifpot van 10 kΩ van het merk Radiohm, zie de onderstaande figuur, opengebroken en de koolbaan werd er voorzichtig uit verwijderd. De koolbaan wordt met twee kleine schroefjes op de print geschroefd. Het lichaam van de koolbaan rust op de rand van de print, zodat het fragiele baantje toch voldoende mechanische sterkte meekrijgt.
De print
Het printje voor de schakeling is slechts 6,0 cm bij 7,0 cm groot en voorgesteld in de twee onderstaande figuren. Het bestukken zal wel geen problemen opleveren. Let op de twee draadbruggetjes!
 |
| Het schema van de RC-oscillator. (© 2021 Jos Verstraten) |
De frequentiedelers
In de onderstaande figuur is het al even eenvoudige schema van de delers getekend. De vier tweedelers zitten in één IC, een familielid van de reeds bekende SN7413. In de originele publicatie werd hiervoor een SN7493 gebruikt. Ook die is 'obsolete' maar u kunt deze zonder problemen vervangen door een SN74LS93N.
Intern zitten er in dit IC vier flip-flop's, die als frequentie tweedeler zijn geschakeld. De vier interne flip-flop's zijn volledig identiek. Het enige verschil is dat van de eerste en de tweede zowel de ingang als de uitgang naar buiten zijn gevoerd, terwijl van de derde en de vierde alleen maar de uitgang bereikbaar is.
Door deze schakelwijze heeft het IC veel toepassingen, waar hier echter geen gebruik van wordt maken. Wat natuurlijk wel moet gebeuren, is de uitgang van de eerste flip-flop doorverbinden met de ingang van de tweede, want dit is intern niet het geval. Vandaar dan ook de verbinding tussen Auit en Bin. Alle vier de schakelingen staan dan in serie. Op de uitgang Auit van de eerste flip-flop staat een signaal ter beschikking staat waarvan de frequentie gelijk is aan de helft van de frequentie van het signaal Ain op de ingang. Op de uitgang Buit van de tweede flip-flop staat dan weer een signaal waarvan de frequentie gelijk is aan de helft van zijn ingangssignaal. Dit ingangssignaal is de uitgang van de eerste flip-flop, dus zal op uitgang B een vierde van de frequentie van het signaal op de ingang overblijven. De twee volgende flip-flop's werken uiteraard volledig identiek.
Het IC heeft twee reset aansluitingen. Door middel van deze ingangen is het mogelijk het deelproces te onderbreken. Als deze ingangen worden verbonden met de voedingsspanning zullen de spanningen op de vier uitgangen van de flip-flop's gelijk worden aan nul. Voor de meeste toepassingen van dit IC is dit een welkome schakeltechnische mogelijkheid. In deze toepassing kopen we er echter niets voor, vandaar dat die twee ingangen met de massa worden verbonden.
 |
| Het schema van de frequentiedelers. (© 2021 Jos Verstraten) |
De versterker
Het versterkerschema, getekend in de onderstaande figuur, is al even eenvoudig als de rest van dit orgeltje.
De uitgang van de oscillator en de vier uitgangen van de delers worden door middel van gelijke weerstanden R4 tot en met R8 aan vijf drukknopjes aangeboden. Deze weerstanden zijn zeer noodzakelijk. Als zij er niet waren dan zouden, bij gelijktijdig indrukken van verschillende schakelaars, twee of meerdere uitgangen van de delers met elkaar verbonden worden, wat het IC niet zo leuk vindt. Hoewel door het invoeren van deze weerstanden er een verzwakking van het signaal optreedt, moet u deze zonder meer in de schakeling opnemen.
Alle drukknoppen worden met elkaar verbonden. Dit punt is de ingang van de versterker. Door de spanningsdeler R9 en R10 wordt van het signaal een gedeelte naar buiten gevoerd, via een scheidingscondensator C2. Op deze uitgang, waar een spanning van ongeveer 300 mV ter beschikking staat, kunt u een LINE-ingang van een versterker aansluiten.
De in de 'Carbo-phone' ingebouwde versterker heeft geen enkele pretentie. Zijn taak is gewoon het hoorbaar maken van het signaal in een klein 150 Ω luidsprekertje. De versterker, opgebouwd rond de transistoren T2 en T3, is dan ook niets anders dan een darlington schakeling. Het signaal dat op de basis van T2 wordt aangeboden, wordt eerst stroomversterkt in deze halfgeleider. De stroom die daarvan het gevolg is stuurt rechtstreeks de basis van de half-vermogen transistor T3. Met zo'n forse basisstroom kan deze halfgeleider een luidsprekertje van 150 Ω best aan.
Wilt u een maximum aan signaal uit een versterker halen, dan is het noodzakelijk dat de uitgang op de helft van de voedingsspanning wordt ingesteld. Dan immers, kan het signaal maximaal positief en negatief uitdijen.
De uitgang van deze versterker is de weerstand R13. Over deze weerstand moet dus de helft van de voedingsspanning ontstaan. De spanningsdeler R11/R12 zet de basis van T2 op zo'n gelijkspanning dat aan die eis wordt voldaan.
Door middel van de scheidingscondensator C3 wordt het signaal van het orgel op de basis van T2 gezet. De basisspanning van die halfgeleider gaat op het ritme van dit signaal variëren, de emitterstroom van T2 volgt en dus ook de stroom in de basis van T3 (dat is immers dezelfde!). Het gevolg is dat ook de stroom door T3 gaat variëren op het ritme van het orgelsignaal en dus ook de spanning over de weerstand R13.
Dit signaal wordt via de scheidingscondensator C4 aan de luidspreker aangeboden.
 |
| Het schema van de versterker. (© 2021 Jos Verstraten) |
Het volledig schema
Het volledig schema van de 'Carbo-phone' is getekend in de onderstaande figuur. Naast de deelschema's van de vorige figuren bevat dit schema niets meer dan een batterij B1, een aan/uit-schakelaar S1 en de diode D1.
De schakeling verbruikt slechts 70 mA stroom, batterijvoeding is dus mogelijk. Wél zo veilig voor een stukje speelgoed! De batterij is samengesteld uit vier 1,5 V type AAA cellen. Die kunt u in een handige batterijhouder plaatsen. De gebruikte TTL-IC's mogen echter niet meer dan 5,5 V hebben. Vandaar dat de diode D1 is tussengeschakeld die voor een verlaging van de voedingsspanning met ongeveer 0,6 V zorgt.
 |
| Het volledig schema van de 'Carbo-phone'. (© 2021 Jos Verstraten) |
De bouw van de 'Carbo-Phone'
De schuifpotentiometer
Dit hele project is afhankelijk van de beschikbaarheid van een koolbaan van een schuifpotentiometer. In het prototype werd een lineaire schuifpot van 10 kΩ van het merk Radiohm, zie de onderstaande figuur, opengebroken en de koolbaan werd er voorzichtig uit verwijderd. De koolbaan wordt met twee kleine schroefjes op de print geschroefd. Het lichaam van de koolbaan rust op de rand van de print, zodat het fragiele baantje toch voldoende mechanische sterkte meekrijgt.
 |
| Een schuifpotentiometer van het merk Radiohm. (© Gotron) |
De print
Het printje voor de schakeling is slechts 6,0 cm bij 7,0 cm groot en voorgesteld in de twee onderstaande figuren. Het bestukken zal wel geen problemen opleveren. Let op de twee draadbruggetjes!
 |
| Het printje voor de 'Carbo-phone'. (© 2021 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2021 Jos Verstraten) |
Omvormen tot een apparaatje
Uiteraard zal iedereen zo zijn eigen ideeën hebben over de inbouw van de print. Wij hebben het prototype ingebouwd in een kunststof kastje, waarvan een van de kanten schuin afloopt. Onze bedoeling bij het ontwerpen van de print was dat deze door de schuine wand naar buiten steekt, uiteraard met die kant waarop de koolbaan is gemonteerd. Bij dit kastje kan dit zonder meer. In de schuine wand wordt, op halve hoogte, een gleuf gezaagd en gevijld van 7 bij 0,5 centimeter.
De print wordt door middel van lange schroeven en afstandsbusjes op de bodemplaat van het kastje gemonteerd en wel op zo'n hoogte dat de koolbaan door de gleuf steekt. Achter de print, op de bodemplaat, is plaats voor de bevestiging van de batterijen. In de handel zijn hiervoor handige batterijhouders te koop.
In de achterzijde van de kast wordt een RCA-chassisdeel gemonteerd voor de verbinding naar de versterker.
In een van de zijkanten komt een klein gaatje waaruit de draad komt die verbonden wordt met de metalen aftast stift. De vijf drukknoppen en de aan/uit-schakelaar vinden een plaats op de bovenzijde van de behuizing. Daar kunt u ook het luidsprekertje monteren.
De verbindingen tussen de print en de schakelaars kunt u met soepele montagedraad uitvoeren. Ook de aansluiting van de stift vereist geen afgeschermde draad. De RCA-connector wordt wél met een stukje afgeschermde draad verbonden.
De 'strijkstok' van de 'Carbo-phone'
De stift van het prototype is een miniatuur meetklem die bij een spotgoedkope Chinese multimeter werd geleverd. Wel moet de scherpe punt van deze klem zorgvuldig worden afgerond worden. Scherpe punten slijpen zich in minder dan geen tijd door de dunne koollaag van de baan heen!
 |
| De bedrading binnen de 'Carbo-phone'. (© 2021 Jos Verstraten) |
Het bespelen van de 'Carbo-phone'
Het bespelen van de 'Carbo-phone' vraagt enige handigheid. U mist immers de ligging van de toetsen en moet de juiste toon steeds opzoeken. Het beste gaat het spelen als u met de linkerhand de behuizing vasthoudt en met de vingers van die hand de drukknopjes bedient, terwijl u met de rechterhand de koolbaan aanstrijkt.
VOLTCRAFT 8210 functiegenerator
