Theremin-Entwicklung  

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Das Theremin in Elexs

Vor einiger Zeit habe ich schon einmal ein Theremin gebaut. Es war noch nicht ganz perfekt, zeigte aber schon das Prinzip. Zwei HF-Oszillatoren und ein Mischer erzeugen einen Schwebungston. Die Tonhöhe wird durch Annähern mit der Hand verstellt. Die sonst in der HF-Technik nicht so gern gesehene Handkapazität verstimmt einen der beiden Oszillatoren. Die Schaltung wurde mit zwei Röhren ECF80 auf dem RT100 aufgebaut.

Jetzt hat Roger Leifert sich für Modul-Bus ein verbessertes Theremin gewünscht. Es soll wieder mit Röhren aufgebaut werden und in Aussehen und Funktion dem originalen Theremin möglichst ähnlich werden. Man soll es spielen können wie ein originales Theremin, und vor allem der Klang soll dem Original entsprechen.

Wir haben überlegt, dass es am besten ist, die ganze Entwicklung Schritt für Schritt als offenes Projekt durchzuführen. Um einzelne Stufen zu entwickeln und zu optimieren, möchte ich in zunächst JFETs verwenden, weil das einfacher ist und Triodenschaltungen sehr ähnlich ist. Wenn alles optimal läuft, wird zunächst ein FET-Theremin entstehen. Dann soll alles Stufe für Stufe in Röhren umgesetzt werden, wobei keine gefährlich hohen Spannungen eingesetzt werden sollen.



Der erste experimentelle Entwurf des  Theremins hatte zwar schon einen recht guten Klang, aber es fehlte die Lautstärkeantenne. Beim Original hat man links eine Bügelantenne. Wenn man die Hand annähert wird der Ton leiser und verschwindet sogar völlig.

Mein erster Gedanke war: Da nimmt man einfach einen Schwingkreis hoher Güte, der mit im Signalweg einer der beiden Oszillatoren liegt. Wird der Kreis kapazitiv verstimmt, nimmt die Amplitude ab. Ein Vorversuch mit HF-Generator und Oszilloskop zeigte aber, dass die Amplitudenänderung zu gering ausfällt. Außerdem kann man Probleme mit der Stabilität erwarten. Eine Änderung der Lautstärke könnte zugleich die Frequenz ändern. Ich kenne das Problem noch gut vom Senderbau im Amateurfunk. Ein CW-Sender hatte einen frei schwingenden VFO. Es war extrem schwierig, Rückwirkungen von der Sendeendstufe zu verhindern. Alles musste sorgfältig abgeschirmt und entkoppelt werden. Und man brauchte Zwischenstufen, ähnlich dem Buffer in der Theremin-Schaltung.

Ein Blick in die alten Theremin-Schaltungen zweigte dann einen ganz anderen Weg. Dort gab es einen dritten Oszillator, der ähnlich wie ein Dipmeter verwendet wurde. Das Grid-Dip-Meter wird verwendet um Resonanzfrequenzen zu messen. Ein Resonanzkreis in der Nähe der Oszillatorspule entzieht dem Oszillatorkreis Energie, sodass die Schwingungsamplitude geringer wird. Das sieht man dann an dem veränderten Gitterstrom. An der Resonanzstelle entsteht ein Dip, d.h. ein besonders kleiner Gitterstrom.



Dipmeter

Im Theremin wird die negative Gitterspannung des Oszillators verwendet, um die Verstärkung einer Regelröhre im NF-Zweig zu steuern. Damit umgeht man zugleich die Stabilitätsprobleme, denn die Dip-Frequenz und die NF liegen weit entfernt von den Überlagerungsoszillatoren. Bei einer Röhrenschaltung mit hoher Anodenspannung könnte der frei schwingende Oszillator eine Amplitude von mehr als 10 V erreichen. An einem hochohmigen Gitter-Ableitwiderstand von ca. 1 MOhm könnte man eine Gitterspannung von etwa -10 V erwarten. Wird ein zweiter Schwingreis lose angekoppelt und genau in Resonanz gebracht, dürfte die Amplitude und damit die negative Gitterspannung vielleicht bis auf 1 V absinken. Das wäre der Grundzustand für volle Lautstärke. Wenn dann jemand den passiven Resonanzkreis verstimmt oder dämpft, wird die negative Gitterspannung wieder stark ansteigen. Mit -10 V lässt sich eine NF-Röhre völlig sperren.



Der erste Versuch mit einem FET-Dipmeter wurde mit relativ großen Induktivitäten durchgeführt. Tatsächlich erreicht die Schaltung eine große Oszillatoramplitude und eine Ausgangsspannung von -4 V. Der Resonanzdip ist vorhanden, allerdings zu schwach. Insgesamt ändert sich die Spannung nur um 0,5 V. Außerdem ist ein Mitzieh-Effekt zu beobachten, der auch beim normalen Dipmeter auftritt. Die Amplitude ändert sich dann plötzlich an einer der Flanken des Dips. Die Handkapazität wirkt sich messbar aus, aber der Effekt ist noch zu klein. Es wird wohl nötig sein, mit höherer Frequenz, veränderter Kopplung und verschiedenen Dämpfungen zu experimentieren. Mit einem Widerstand von 330 k zwischen beiden Kreisen sollten Kopplung und Dämpfung erhöht werden, allerdings ohne großen Erfolg.





Tesla-Kopplung



Ein Blick in alte Theremin-Schaltpläne zeigt eine Art Verlängerungsspule in der Antennenzuleitung. Bei genauer Betrachtung funktioniert das wie bei einem Tesla-Transformator.  Die "Verlängerungsspulen" haben eine Eigenresonanz auf der Arbeitsfrequenz und besitzen ein extrem großes L/C-Verhältnis. Außerdem besteht eine starke Kopplung zum Oszillator. Diesmal wird der Oszillator auf die Teslaspule abgestimmt, deren Resonanzfrequenz sich auch bei kleinsten Kapazitätsänderungen stark verändert.

Im Resonanzfall hat man an der Antenne eine mehrfach überhöhte HF-Spannung. Der Sekundärkreis saugt dabei viel Energie aus dem Oszillator, sodass dessen Amplitude stark einsinkt. Der Gitterspannungs-Dip reicht bis ca. -0,5 V. Bei starker Verstimmung oder Dämpfung bei direkter Berührung der Antenne fällt dieser Effekt weg, und die Gate-Spannung fällt um bis zu 2 V.  Die Resonanz ist gut einstellbar, es gibt keinen Mitzieheffekt mehr, und die Regelspannung ist ausreichend groß. So kann es funktionieren.






Vereinfachte Oszillator-Schaltung



Mit dieser veränderten Oszillator-Schaltung wird eine angezapfte Schwingkreis-Induktivität unnötig. Stattdessen arbeitet der Schwingkreis mit einem kapazitiven Spannungsteiler. Man kann über das Verhältnis der Teilkapazitäten die Impedanz auf der Gate- und Drain-Seite anpassen. Diesmal arbeitet der Oszillator bei ca. 1 MHz. Hier liegt auch die Eigenresonanz der beiden Verlängerungsspulen. wie bei den vorigen Versuchen steigt die Oszillator-Amplitude an, wenn der obere Kreis verstimmt oder gedämpft wird. Die Gate-Spannung sinkt dann bis auf -2 V.


Der Pitch-Oszillator



Der Pitch-Oszillator wurde ebenfalls nach der vereinfachten Oszillatorschaltung aufgebaut. Neu ist die "Verlängerungsspule" als Resonanzkreis.  Der Versuch sollte klären, ob man mit einer kleineren Induktivität auskommt, wenn man die Verlängerung in den Resonanzbereich der Arbeitsfrequenz bringt. Die Impedanz entspricht dann der einer sehr großen Induktivität. Damit erreicht man eine große Empfindlichkeit gegenüber kleinsten Kapazitätsänderungen an der Antenne.

Tatsächlich war der Versuch erfolgreich. Allerdings war die Frequenz von 950 kHz eher ungünstig, weil sie im Mittelwellenbereich liegt und weil bei einer relativ hohen Frequenz die nötige Stabilität nur schwer zu erreichen ist. Deshalb wurde eine tiefere Frequenz unter 500 kHz angestrebt, die auch im ersten Röhren-Theremin verwendet wurde.



Für die ersten Versuche wurde das Elektor SDR-Shield mit Standalone-VFO und LCD verwendet. Das Shield wird hier als Direktmischer verwendet und direkt mit einem aktiven Lautsprecher verbunden.  Es ersetzt damit den zweiten Oszillator und den Mischer im Theremin. Man kann die Überlagerungsfrequenz bequem und präzise einstellen und braucht erstmal nur den Pitch-Oszillator.  In dieser Form hat man sogar bereits ein erstes einfaches Theremin, allerdings noch ohne Volume Control.  Eine interessante Anwendung für das SDR-Shield.



Die veränderte Schaltung arbeitet nun bei 420 kHz und wieder mit einer einfachen Verlängerungsspule von 4,7 mH. Für diese Spule wurde eine Eigenresonanz bei 600 kHz gemessen. Insgesamt ist die Empfindlichkeit gegenüber der Handkapazität sehr gut, sodass man einen angenehmen Spielbereich von ca. 30 cm hat. Die Frequenzstabilität ist gut, und mit dem SDR-Shield ergibt sich bei schwacher Kopplung ein angenehmer Klang.
 
Der Oszillator wurde auch im Hinblick auf die endgültige Umsetzung mit Röhren konzipiert. Die Frequenz liegt nicht weit von 470 kHz, sodass der ursprüngliche Oszillator mit einem Keramikresonator verwendet werden könnte. Durch den Source-Widerstand von 1,5 k wird die Steilheit des FET verringert und kommt in den Bereich eine Röhre bei geringer Anodenspannung. Denkbar ist also, dass der Oszillator genauso mit einer Triode gebaut werden kann, wobei allerdings die Kathode direkt an GND liegen müsste.


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