|
Dit is een echt 'kijk-zelf-maar-hoe-groot-het-wordt' orgeltje. Iedere toets heeft een eigen printje met tiptoets, alle printjes worden 'draadloos' aangesloten op één basis print. |
Het idee achter dit orgeltje
Eén printje per toets
Iedere toets zit op een klein printje, 2,0 cm bij 9,5 cm, waarop één IC'tje en wat weerstanden en condensatoren. De helft van het printje bestaat uit niets meer dan een koperen vlakje, de tiptoets. Raakt u deze toets aan dan wekt het printje één toontje op. U kunt een heleboel van deze printjes naast elkaar op een aluminium plaat monteren. U moet alleen drie koperen vlakjes aan de randen van de printjes met een soldeerklodder doorverbinden, zie de rode bolletjes in de onderstaande figuur.
Het orgeltje is bijna klaar! Naast de toets printjes komt nog een bijna even klein basis printje, dat de gestabiliseerde voeding voor de oscillatoren verzorgt en een klein eindversterkertje bevat. Het geheel wordt gevoed uit een 12 Vdc netstekker voeding, dus absoluut veilig voor kinderen.
 |
| Het principe van dit kijk-zelf-maar-hoe-groot-het-wordt orgeltje. (© 2021 Jos Verstraten) |
Kijk-zelf-maar-hoe-groot-het-wordt
Hoe klein, hoe groot? U bepaalt het zelf! Dit is een écht 'kijk-zelf-maar-hoe-groot-het-wordt' orgeltje! Zeker niet het goedkoopste zelfbouw orgeltje dat te bedenken valt, maar zonder meer een erg leuk idee en bovendien kunt u, omdat iedere toets haar eigen oscillator heeft en alle oscillatoren gemengd worden, akkoorden aanslaan, iets dat bij de meeste simpele elektronische orgeltjes absoluut onmogelijk is.
Het printje voor de aanraaktoets
Het principe van de schakeling
Iedere toets bestaat uit niets meer dan een simpel CMOS-oscillatortje en een schakeling die het aanraken van het koperen toetsvlakje detecteert en deze actie omzet in een stuurspanning voor een poort die het signaal van de oscillator al dan niet doorkoppelt naar de uitgang. Alle uitgangen worden resistief gemengd over 100 kΩ weerstandjes en deze menglijn wordt nadien in de basis print aangeboden aan een inverterende sommeerversterker met virtueel massapunt.
Een bedradingsloos ontwerp
Het leuke van het systeem is dat er helemaal geen bedrading bij komt kijken. Aan de randen van de printjes bevinden zich drie koperen vlakjes: een voor de +9 V voeding, een voor de massa en een voor de menglijn. Als u alle printjes naast elkaar monteert staan ook de koperen vlakjes tegenover elkaar en kunt u deze nadien met wat soldeer doorverbinden. Ieder printje heeft een twintig-slagen instelpotentiometertje voor het afregelen van de noot van het printje. Ondanks de eenvoud van de schakeling is de stabiliteit (in de veronderstelling dat u een goed gestabiliseerde voeding gebruikt) opmerkenswaardig. Ook na uren is de frequentie met minder dan 1 Hz verlopen.
Schema van de toets print
De onderstaande figuur geeft het volledig schema van één toets. Het hart van de schakeling is een viervoudige schmitt-trigger NAND-poort van het type CD4093BE. De derde poort is op de overbekende manier als oscillator geschakeld waarbij de frequentie wordt bepaald door de waarde van de componenten C2, R3 en R4. Het uitgangssignaal van de oscillator wordt aangeboden aan één ingang van de vierde poort. Zolang de spanning op de tweede ingang 'L' is zal de poort sperren en is de uitgang 'H'. Deze positieve spanning wordt geblokkeerd door de condensator C3 en de weerstand R5. Er wordt geen signaal via weerstand R6 aan de menguitgang aangeboden.
De twee overige poorten van het IC worden gebruikt voor het detecteren van het aanraken van de toets. De twee ingangen van poort N1 liggen via een zeer hoge weerstand R1 aan de massa. In rust is de uitgang van deze poort dus 'H'. Zoals uit de grafieken onder het schema volgt zal dan ook punt C 'H' zijn. De condensator C1 wordt immers opgeladen via de weerstand R2 en de diode D1 spert. Uitgang D van poort N2 is 'L' en poort N4 spert.
Raakt u nu de tiptoets aan dan zal er 50 Hz inductiespanning uit uw lichaam in de schakeling worden geïntroduceerd. De positieve toppen van dit signaal laten poort N1 omklappen, de uitgang wordt 50 keer per seconde 'L'.
Als de uitgang 'L' is zal diode D1 gaan geleiden en de condensator C1 onmiddellijk via de lage uitgangsweerstand van de poort ontladen.
Als de uitgang weer gedurende ongeveer 10 ms 'H' wordt zal de diode sperren en de condensator weer gaan opladen via de vrij hoge weerstand R2. De tijdconstante van de laadkring is echter zo groot dat de spanning over de condensator kleiner blijft dan de drempel van de schmitt-trigger ingangen van poort N2. De uitgang D blijft dus 'H' zolang u de toets aanraakt en dit hoge signaal opent poort N4. De pulsen van de oscillator belanden via poort N4, condensator C3 en weerstand R6 op de menguitgang.
 |
| Het volledig schema van één orgel toets. (© 2021 Jos Verstraten) |
Over de toegepaste componenten
Per toets hebt u dus vijf vaste weerstanden, drie condensatoren, een diode, een CD4093BE en een instelpotentiometertje nodig. Weerstanden, condensatoren en dioden kosten tegenwoordig vrijwel niets. De CD4093BE kost ongeveer 35 cent bij Nederlandse postorderbedrijven. Als u tientallen toetsen wilt bouwen is het verstandig de blik naar het oosten te wenden en bijvoorbeeld dit IC per tien stuks te bestellen bij een van de vele aanbieders die op AliExpress adverteren. Daar kost dit IC slechts € 0,58 voor tien stuks.
Een heel andere kostenpost zijn de instelpotentiometers. In het prototype zijn hiervoor 20-slagen cermet trimmers van Bourns toegepast, zie de onderstaande foto. Deze onderdelen zijn prijzig, zij kosten namelijk € 1,45 per stuk. Zij zijn echter écht noodzakelijk als u prijs stelt op een beetje zuivere tonen. Identieke trimmers zijn echter ook te koop van Chinese origine, bijvoorbeeld bij Reichelt en dan betaalt u er slechts € 0,25 per stuk voor. De code van deze onderdelen is TSR-3006P.
 |
| De instelpotentiometers van het type TSR-3006P. (© 2021 Jos Verstraten) |
De waarde van de frequentiebepalende weerstanden R3 en R4 is voor alle toetsen hetzelfde. Alleen de waarde van de condensator C2 is afhankelijk van de noot die u wenst te spelen en kan worden afgeleid uit de onderstaande tabel.
 |
| De waarde van de condensator C2 voor de diverse noten. (© 2021 Jos Verstraten) |
Bouw van de schakeling
Het printje voor één toets is voorgesteld in de twee onderstaande figuren. Over de bouw van zo'n printje valt eigenlijk niets te verduidelijken, de illustraties zeggen alles. Let wel op de drie draadbruggetjes die u als eerste moet solderen.
 |
| Het printje voor één toets. (© 2021 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling. (© 2021 Jos Verstraten) |
Het printje voor de basis schakeling
Het principe
De basis print bevat een eenvoudig eindversterkertje en een al even eenvoudige gestabiliseerde voeding voor de toets printjes. Een echte voeding zit er niet op omdat het de bedoeling is het orgeltje te voeden uit een netstekker voeding van 12 Vdc. Het gebruik van zo'n ding heeft twee voordelen. Op de eerste plaats kunt u, als u er de moeite voor over hebt, het orgeltje inbouwen in een eigentijds zeer plat kastje. De totale hoogte kan tot 2,5 cm worden beperkt. Op de tweede plaats, en dat is veel belangrijker, wordt het orgeltje hierdoor kinderveilig. Wij zelf vinden het nooit zo'n geruststellend idee als apparaatjes waarmee kinderen kunnen stoeien (en knoeien) de netspanning bevatten!
Het blokschema
In de onderstaande figuur ziet u het 'blokschema' van de basis print. Blokschema tussen aanhalingstekens, want de meeste 'blokken' bestaan uit slechts enige onderdelen. De menglijn van de toets printjes wordt eerst aangeboden aan een kring die met een mondvol 'drempelschakeling' wordt genoemd. Deze schakeling filtert de zeer vervelende inschakel klikken die ontstaan hij het aanraken van een toets uit het signaal en houdt de achtergrondruis tegen. Zoals bekend oscilleren de generatoren van de toets printjes vrijlopend. Nu wordt dit signaal wel door een poort gesperd als u de toets niet aanraakt. Maar toch zorgen parasitaire koppelingen in de schakeling ervoor dat er enige tientallen millivolt doordringen tot de menglijn. Als u een heleboel printjes naast elkaar hebt staan zorgen deze parasitaire signaaltjes voor een continu achtergrondgeluid hetgeen zeer storend is. Vandaar dat er in de ingangskring een netwerkje is opgenomen dat deze stoorsignalen de weg naar de eindversterker verspert.
Nadien volgt de mengversterker met 'virtueel nulpunt', hetgeen wil zeggen dat de menglijn wordt aangeboden aan één ingang van een operationele versterker waarvan de tweede ingang op wisselspanningsgebied aan de massa ligt. De signaalingang zoekt dan ook het nulpunt op en de menging ontstaat doordat ieder ingeschakeld toets printje een wisselstroompje naar de op-amp stuurt.
Deze stromen worden bij elkaar opgeteld en omgezet in een uitgangsspanning die de eindversterker stuurt. Dit is niets meer dan een darlington met een luidspreker van 4 Ω tot 8 Ω als belasting. Door een terugkoppeling tussen de luidspreker uitgang en de mengversterker werkt dit eenvoudige versterkertje prima voor vermogens tot 0,5 W. Dat is écht meer dan genoeg voor dit soort toepassingen. Als laatste blok bevat de basis print een zenerdiode die de +12 V spanning van de netstekker voeding omvormt tot een stabiele +9 V voor de toets printjes.
 |
| Het blokschema van de basis print. (© 2021 Jos Verstraten) |
Het praktisch schema
De onderstaande figuur toont het volledig schema van de basis print. De twee dioden D1 en D2 vormen de drempelschakeling. Deze dioden hebben een zeer hoge weerstand voor kleine signalen en deze eigenschap vormt, samen met de relatief lage ingangsweerstand van de mengversterker (R6), een soort van spanningsafhankelijke verzwakker.
Voor zeer kleine ingangsspanningen is de weerstand van de dioden zeer groot. Hoe hoger echter de ingangsspanning, hoe kleiner de dynamische weerstand van de dioden wordt en hoe meer signaal er over weerstand R2 ontstaat. Weliswaar hebben silicium dioden ook een niet te verwaarlozen parasitaire capaciteit, maar deze is blijkbaar toch te klein om de pulsvormige stoorsignalen die ontstaan als de toongenerator printjes omschakelen van sperren naar geleiden (en vice versa) door te koppelen naar de ingang van de op-amp.
Het hoogdoorlaat filter is al even eenvoudig. De kleine condensator C2 en de ingangsweerstand van de mengversterker R6 zullen alle signalen met een lage frequentie genadeloos de toegang ontzeggen.
Omdat er geen symmetrische voeding ter beschikking staat moet de operationele versterker met een klein instelkringetje op de helft van de beschikbare voedingsspanning worden ingesteld. Dat gebeurt met de twee even grote weerstanden R3 en R4. Op hun knooppunt staat de helft van de beschikbare spanning, ontkoppeld met C3. Deze gelijkspanning wordt via de weerstand R5 aangeboden aan de niet-inverterende ingang van de op-amp. Op dit punt staat dus geen signaalspanning, een belangrijk gegeven voor het begrijpen van 'virtuele massa'. Het te versterken signaal komt via weerstand R6 op de inverterende ingang terecht. Nu streeft een teruggekoppelde op-amp er steeds naar het spanningsverschil tussen beide ingangen gelijk aan nul te maken. Op de eerste plaats wil dit zeggen dat u, zonder signaal op de inverterende ingang, een identieke gelijkspanning meet als op de niet-inverterende ingang. De uitgang van de schakeling is via de terugkoppel weerstand R8 ook met de inverterende ingang verbonden.
Het zal nu duidelijk zijn dat de emitter van transistor T2 hetzelfde gelijkspanningspotentiaal voert als de twee op-amp ingangen. De ingang van de op-amp heeft op zich immers een zo goed als oneindige ingangsweerstand en bovendien vormt de condensator C2 een blokkade die niet door gelijkspanning kan worden genomen. Er vloeit geen gelijkstroom door R8, hetgeen betekent dat de inverterende ingang en de emitter van T2 op hetzelfde potentiaal staan, namelijk de helft van de voedingsspanning.
Voor wisselspanning ligt de zaak echter anders. De impedantie van C2 is voor de signaalfrequenties vrij laag en deze signalen belanden op de linker aansluiting van weerstand R6. De rechter aansluiting staat echter gegarandeerd op de helft van de voedingsspanning en deze spanning blijft constant, omdat dit ook de spanning is op de niet-inverterende ingang. Door R6 vloeit dus een wisselstroom waarvan de grootte wordt bepaald door het signaal op de ingang. Deze stroom kan alleen via R8 afvloeien. De op-amp heeft immers een zo goed als oneindig hoge ingangsimpedantie. Nu is R8 aanmerkelijk groter dan R6. De stroom die door beide weerstanden vloeit veroorzaakt over R8 een flinke spanningsval. De linker aansluiting van deze weerstand voert echter geen signaal, want deze is verbonden met de constante instelspanning op de inverterende ingang van de op-amp. U vindt het signaal terug op de emitter van T2, op de luidspreker uitgang van de versterker.
Kortom, de signalen van alle toets printjes worden niet alleen gemengd over R6, maar bovendien versterkt met een versterkingsfactor die wordt bepaald door de verhouding tussen R6 en R8.
De +9 V voor het voeden van de orgeltoetsen wordt opgewekt over zenerdiode D3. De stabiliteit van deze kring is groot genoeg om het frequentieverloop binnen aanvaardbare grenzen te houden. Voorwaarde is wel dat u een netstekker voeding gebruikt die een goed gestabiliseerde 12 Vdc levert.
 |
| Het volledig schema van de basis print. (© 2021 Jos Verstraten) |
Bouw van de schakeling
In de onderstaande twee figuren worden de twee zijden van de basis print voorgesteld. Voor instelpotentiometer R8 gebruikt u een 10 mm x 15 mm horizontale trimmer. Het gaatje P op de print boort u met een spiraalboor van 4 mm. U kunt dan, na de montage, de loper van de trimmer verdraaien door een smalle schroevendraaier door dit gaatje te steken. Deze past dan precies in het hart van de instelpotentiometer. Transistor T2 wordt gemonteerd op een minuscuul U-vormig koelprofieltje, waarvan de hoogte niet meer mag bedragen dan 7 mm. U moet alle elektrolytische condensatoren plat op de print monteren.
Als luidspreker kunt u gelijk welk miniatuurtype gebruiken met een impedantie tussen 4 Ω en 8 Ω en een vermogen van 1 W. Aan de netstekker voeding worden geen speciale eisen gesteld. Ieder gestabiliseerd 12 V type met een stroomcapaciteit van enige honderden mA is bruikbaar.
 |
| De lay-out van de basis print. (© 2021 Jos Verstraten) |
Het bouwen van het orgeltje
De eindmontage
Zoals reeds geschreven moet u de toets printjes op een plaatje aluminium monteren, met de koperzijde naar boven. Naast de toetsen moet u rechts op de aluminium plaat nog plaats reserveren voor de basis print, die 5 cm breed is. Een en ander volgt duidelijk uit de eerste figuur van dit artikel.
Verbind alle pad's van de +9 V, de GND en de menglijn met soldeer. Sluit de 12 V netstekker voeding en de luidspreker aan op de basis print. Let op de polariteit van de voeding! Meet met uw multimeter welke ader de plus voert en welke de min. Als u nu een van de toetsen aanraakt moet er een zachte welluidende toon te horen zijn.
Het afregelen
U kunt de toetsen afregelen door gebruik te maken van de frequentie meetfunctie die de meeste moderne multimeters hebben. Regel de frequentie af op de waarden die in de tabel, hoger in dit artikel, zijn vermeld. Het is niet noodzakelijk tijdens het afregelen voortdurend een toets aan te raken. De oscillatoren zijn immers vrijlopend en u kunt de frequentiemeter aansluiten tussen de massa en de uitgang van poort N3.
Het volume instellen
Met de instelpotentiometer R8 op de basis print kunt u het volume regelen.
Audio Amplifier Module Board 2x18W
