The Thereminator

Sistema theremino
The Thereminator
Sistema theremino - Thereminator - 24 gennaio 2017 - Pagina 1
Indice generale
Il Thereminator
Il progetto del Thereminator
4
Schema elettrico
5
Componenti
Componenti da modificare secondo i gusti personali
7
Componenti che difficilmente richiedono variazioni
8
Componenti che non dovrebbero mai richiedere variazioni
9
Considerazioni varie
10
Test effettuati
Test di validazione del progetto
12
Test per verificare il funzionamento in condizioni estreme
13
La documentazione del sistema Theremino
Altri progetti interessanti
14
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Il Thereminator
Il Thereminator è un timer con tempo casuale, utilizzabile nel gioco “Passa la bomba” o altri simili
giochi da tavolo.
Alcuni esempi di questi giochi sono visibili in questi video di YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=SW-WvLGjC_k
https://www.youtube.com/watch?v=UeFWj17zNJk
I tempi che si usano normalmente in questi giochi sono da 30 a 120 secondi o, in alcuni casi, da 15
a 120 secondi. Il Thereminator è però molto flessibile e può essere modificato per ottenere tempi
anche notevolmente diversi da questi.
Per maggiori informazioni su questo temporizzatore e per seguire la storia della sua progettazione,
leggere il seguente thread:
http://www.electroyou.it/forum/viewtopic.php?f=1&t=67250
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Il progetto del Thereminator
Questo timer è stato progettato appositamente senza far uso di microcontrollori per permettere la
costruzione “fai da te” con tecniche completamente analogiche.
Con un PIC si sarebbero potuti risparmiare metà dello spazio e metà del tempo, nonché ottenere
suoni migliori. Ma si sarebbe perso il piacere fondamentale della elettronica, che è combinare i
componenti fino a fargli fare quel che si vuole.
E oltretutto in questo progetto si possono cambiare i tempi semplicemente sostituendo un
resistore, in modo molto intuitivo e rilassante. Senza bisogno di firmware, computer,
programmatori di PIC e bootloader, che a volte sono dispettosi e fanno perdere un mucchio di
tempo.
-----Tutti i componenti sono facilmente reperibili e lo sbroglio del circuito stampato è stato eseguito
completamente a passo 2.54 millimetri per facilitare la costruzione su basetta mille fori.
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Schema elettrico
Nel prototipo sono state effettuate due variazioni rispetto a questo schema.
Modificato C6 da 4.7 nF a 1 nF per sperimentare un suono più acuto che potrebbe ricordare
una sirena. Qui è questione di gusti ma in tutti i casi il suono ottenibile senza un processore
è sempre piuttosto brutto.
Aggiunto un diodo Schottky SMD da 2 ampere tra positivo e negativo di alimentazione,
sulla faccia inferiore del PCB, vicino a C11. Il diodo evita di bruciare il 40106 nel caso si
collegasse la pila al contrario per errore. Questa soluzione evita la caduta di tensione che si
avrebbe con un diodo in serie. Il diodo in parallelo interviene solo in caso di errore,
limitando a una frazione di volt la tensione inversa e proteggendo efficacemente il 40106.
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Componenti
Note per i componenti
C1, C2, C3, C4, C7, C8, C9, C11 - Tensione minima di 10 Volt, meglio se 16 o 25 volt.
C2, C3, C4, C5, C6, C8 - Se si dispone di un capacimetro è bene misurarli prima di saldarli sul
circuito. Si consiglia quindi di scartarli se la loro capacità fosse di oltre il 10% maggiore o minore di
quella specificata.
CD40106 (o 74C14) - I CMOS prodotti da alcuni costruttori hanno una isteresi notevolmente
diversa dai normali 3 Volt. In questi casi tutti i tempi diventerebbero maggiori o minori del
normale. Sostituire il 40106 con un altro dello stesso costruttore non risolverebbe il problema. In
genere vanno tutti bene tranne qualche versione della Texas. Esistono anche differenze nelle
versioni di uno stesso costruttore a seconda della estensione finale ("nessuna estensione" oppure
"B" oppure "BE"). Questo non vuol dire che tali integrati funzionino male ma solo che si
dovrebbero ritoccare tutti i tempi. Quindi, per evitare di modificare i componenti che determinano
frequenze e tempi, è bene procurarsi integrati di due o tre costruttori, decidere per alcune versioni
e poi usare sempre le stesse.
Gli altri componenti sono elencati nelle prossime pagine, partendo da quelli che più facilmente
potrebbero richiedere variazioni e spiegando gli effetti che si potrebbero ottenere variandone il
valore.
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Componenti da modificare secondo i gusti personali
R1 - Determina la casualità. Con 10 k la frequenza del "casualizzatore" è alta (più di un ciclo al
secondo) per cui barare è praticamente impossibile. Volendo si potrebbe aumentare questo resistore
anche di dieci o cento volte. Il tempo aumenterebbe di molto e quindi si indebolirebbe la sicurezza.
Approfittarne sarebbe comunque piuttosto difficile e un aspirante baro dovrebbe essere veramente
abile per riuscire a premere il pulsante in un intervallo di tempo a lui favorevole.
R2 - Determina la parte variabile del tempo casuale. Con 1.2 mega questo tempo varia da 0 a 90
secondi in modo casuale. Aumentando la sua resistenza questo tempo aumenta e viceversa
diminuendola.
R3 - Determina il tempo fisso che viene aggiunto a quello variabile. Con 470 k questo tempo è di
circa 25 secondi. Aumentando la resistenza questo tempo aumenta e viceversa.
C5 - Determina la frequenza del tick-tack. Diminuendo la capacità la frequenza aumenta.
C6 - Determina la frequenza del rumoraccio finale. Diminuendo la capacità la frequenza aumenta.
Nello schema questo valore è 4.7 nF e produce una frequenza minore dei 250 Hz inizialmente
proposti. Probabilmente questo condensatore sarà da sostituire a seconda dei gusti personali e anche
della cassa armonica creata dal contenitore.
R5 - Determina la durata del rumoraccio finale. Con 470 k il tempo è di alcuni secondi. Questo
valore approssima i 4 o 5 secondi delle richieste iniziali. Sarebbe però consigliabile abbreviare
questo tempo a circa un secondo. Un tempo breve sarebbe sufficiente per un buon effetto e farebbe
notare di meno la scarsa qualità della esplosione.
R7 - Determina la frequenza di lampeggio dei led. Abbassando la resistenza la frequenza aumenta.
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Componenti che difficilmente richiedono variazioni
Questi componenti sono da modificare solo in casi speciali. Qualora si volessero cambiare
di molto le frequenze o compensare gli effetti prodotti sui tempi e le frequenze da integrati
con isteresi notevolmente diversa dai normali 3 Volt.
C2 - Determina (insieme a R1) la frequenza del "casualizzatore" e anche (insieme a R2) la parte
variabile del tempo casuale. Il valore di 100 uF è una buona base e non si dovrebbe avere la
necessità di modificarlo a meno di voler cambiare di molto ambedue le frequenze.
C3 - Determina (insieme a R3) la parte fissa del tempo casuale (30 secondi). Il valore di 47 uF è
una buona base e non si dovrebbe avere mai la necessità di modificarlo.
C4 - Determina (insieme a R5) la durata della "esplosione" finale. Il valore di 10 uF è una buona
base e non si dovrebbe avere mai la necessità di modificarlo.
R6 - Determina sia la frequenza del tick-tack che quella del rumoraccio finale. Diminuendo R6
queste due frequenze aumentano.
C7 - Determina il tono del tick-tack e della pernacchia finale. Aumentandolo si inviano più bassi
all'altoparlante che però essendo molto piccolo non li renderebbe. Quindi l'unico effetto sarebbe di
aumentare il consumo di corrente. Diminuendo C7 si ottiene un suono con meno bassi. Il valore di
100 uF sembra un buon compromesso.
C8 - Determina (insieme a R7) la frequenza di lampeggio dei led. Diminuendo la capacità la
frequenza aumenta.
C9 - Determina la durata della coda di luminosità dei led. Aumentando la capacità si ottiene un
lampeggio meno piacevole e si consuma di più. Diminuendola si ottengono lampi più brevi e
minore luminosità apparente. Il valore di 100 uF è un buon compromesso e dovrebbe andare sempre
bene.
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Componenti che non dovrebbero mai richiedere variazioni
C1 - Memorizza lo stato di "pulsante premuto" per almeno un secondo (tempo di ripetizione
dell'oscillatore della casualità che lo rinfresca periodicamente). Il suo valore può variare in un range
molto vasto, senza produrre malfunzionamenti. Il valore di 1 uF determina una ottima sicurezza di
funzionamento e non vi è nessun motivo di modificarlo.
R4 - Determina la corrente di base del transistor T1, il quale commuta tra la frequenza del tick-tack
e quella del rumoraccio finale. Cambiando il suo valore non si ottiene nessuna variazione del
funzionamento. La stabilità di commutazione è tale che si dovrebbe scendere molto al di sotto dei
mille ohm, o salire verso i 10 mega, per ottenere variazioni del funzionamento.
D1..D7 - Qualunque diodo simile ai classici 1N4148 e 1N916 potrebbe andare bene.
T1 - Qualunque transistor PNP può andare bene. Attenzione che non tutti hanno la disposizione dei
piedini di tipo CBE.
T2 - Sarebbe meglio un BC337 perché sopporta più corrente (800 mA continui). Ma in sua
mancanza, e considerando che non stiamo costruendo un pacemaker, si possono usare altri transistor
con minore corrente massima, ad esempio BC547 e simili (da 100 mA continui).
T3 - Sarebbe meglio un BC327 perché sopporta più corrente (800 mA continui). Ma in sua
mancanza, e considerando che non stiamo costruendo un pacemaker, si possono usare altri transistor
con minore corrente massima, ad esempio BC557 e simili (da 100 mA continui).
C10 e C11 - Filtrano la tensione di alimentazione e sarebbero da sostituire solo se difettosi.
TRIM1 - Con un trimmer lineare si ottiene una comoda regolazione. Se si preferisce lo si può
sostituire con un piccolo potenziometro e tre piccoli fili che vanno al PCB. Fare attenzione a non
scambiare il centrale con l'estremo alto, funzionerebbe lo stesso ma la regolazione sarebbe meno
lineare.
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Considerazioni varie
Cambiare il suono finale
Non potendo utilizzare un micro-controllore il suono finale della esplosione è poco realistico.
Sarebbe interessante sperimentare delle variazioni. Ad esempio alzare notevolmente la frequenza
del segnale finale per simulare una specie di sirena al posto della esplosione.
Diminuire la tensione di alimentazione
Questa potrebbe essere una variazione interessante che tra l'altro permetterebbe di utilizzare le
versioni HC del 40106 (con sigla 74HC14). Queste versioni hanno una tensione massima di
alimentazione di 6 volt ma forniscono maggiore corrente sulle uscite per cui sia i segnali sonori che
i Led rimangono abbastanza potenti anche da 4.5 volt in su.
Un problema dei 74HC14 è però che tutti i tempi sono circa dimezzati e le frequenze raddoppiate
per cui si dovranno modificare i valori di alcuni componenti.
Per alimentare una versione da 4.5 volt si potrebbe utilizzare un porta-pile per tre pile stilo (AA) o
mini-stilo (AAA). Oppure si potrebbe utilizzare un Power Bank da 5 volt, ricaricabile dalle prese USB
del computer.
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Test effettuati
Se si ha abbastanza esperienza e si conoscono bene i modelli che si utilizzano, le simulazioni con
LTspice sono altrettanto affidabili dei test reali. Ma naturalmente è difficile convincere qualcun
altro, che un progetto funzionerà realmente come previsto, senza provarlo con un prototipo.
Per cui ecco il prototipo e, nelle prossime pagine, la lista dei test effettuati.
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Test di validazione del progetto
Collegato il prototipo ad un alimentatore variabile e verificati i limiti della tensione di
alimentazione. Da 4 volt a 15 volt il funzionamento è stabile e usabile in tutte le funzioni.
Provato con una pila da 9 volt nuova e con una quasi completamente scarica. Con pila
scarica il suono finale si riduce di frequenza, ma il tick-tack rimane praticamente invariato,
sia come volume che come frequenza. Comunque il funzionamento è assicurato in tutti i
casi.
Sotto i 4 volt i led non si accendono più e l'altoparlante suona più piano, ma i suoni
funzionano ancora bene e i tempi sono ancora ragionevolmente giusti. La fine del
funzionamento avviene a meno di 3 volt. Questo dimostra la grande stabilità del circuito ma
potrebbe anche essere utile per continuare a giocare anche con batteria completamente
scarica.
Consumo in standby: meno di 400 uA a 9 volt e circa 900 uA a 15 volt. Per cui se lo si
dimentica acceso il giorno dopo la batteria non è da buttare, ma ancora carica dal 95% al
99%, a seconda della batteria usata. Con batterie da 9 volt ricaricabili al litio da 1000 mAh
potrebbe stare acceso tre mesi. Con batterie da 9 volt normali almeno un mese.
Consumo medio mentre suona e fa lampeggiare i led intorno ai 10 mA. Quindi
considerando un minuto di lavoro per volta la batteria dovrebbe durare dai 2000 ai 6000
turni di gioco.
Nessuna variazione significativa dei suoni e dei tempi anche scaldandolo con il saldatore ad
aria calda fino a circa 100 gradi.
Intermittenza dei led con effetto di dissolvenza molto gradevole e anche migliore di quello
che c'era da attendersi dalle simulazioni. La coda di smorzamento asintotica da un effetto
migliore e più "tecnologico" di un semplice lampeggio alternato.
Provati integrati di diversi costruttori e i tempi sono risultati abbastanza simili tra loro. Si
consiglia però di ottimizzare i tempi a proprio gusto e poi di non cambiare costruttore,
perché nei data sheet stessi le soglie di trigger cambiano, da un costruttore all'altro, e
anche di molto.
Modificati alcuni valori rispetto allo schema iniziale per rendere i tempi più piacevoli (ma
qui è tutta questione di gusti).
Verificato che si possono cambiare i valori indipendentemente per tutte le costanti di
tempo principali.
Modificata R4 da 470 ohm fino a 1 mega per eliminare completamente l'unico dubbio
possibile di dipendenza dal beta e quindi anticipare ogni obiezione futura. Funzionerebbe
anche con beta incredibilmente bassi (anche meno di 10) e nell'audio non si sente nessuna
variazione del timbro con variazioni della corrente di pilotaggio della base di T1, da molti
milliampere fino a pochi micro ampere.
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Test per verificare il funzionamento in condizioni estreme
Per confermare la solidità del progetto sono stati effettuati i test seguenti:
Collegati tre fili terminanti con coccodrilli al posto di T1 e provati tutti i transistor più
assurdi e inadatti che erano disponibili. Tra cui un 2955 (un enorme transistor di potenza in
TO3 da 15 ampere e 115 watt, complementare PNP del glorioso 2N3055). E anche un
D44H11 (HF fino a 50 MHz e 10 ampere), quest'ultimo selezionato per il minimo guadagno
(35 di Beta). Ma il massimo della cattiveria è stato un AF109 al germanio con hfe = 18. E in
tutti i casi la commutazione tra tick-tack e pernacchia ha continuato a funzionare
perfettamente.
Sostituito il 40106 con un 74C14 e l'unica differenza è stata una variazione delle frequenze.
Sostituito il 40106 con un 74HC14 e alimentandolo a 9 Volt. Quindi andando fuori da ogni
regola e superando del 50% i sei volt specificati nei suoi Maximum Absolute Ratings. E
anche in questo caso l'unica differenza è stata una variazione delle frequenze.
Lasciato il circuito per una notte in un congelatore a -25 gradi, in contenitore ermetico da
frigo. Estratto dal congelatore, collegato immediatamente alla pila e subito premuto il
pulsante. Il circuito ha fatto il suo ciclo senza problemi.
Ripetuto il test di cottura con il saldatore ad aria calda che faceva parte delle prime prove.
Ma questa volta con l'oscilloscopio collegato in vari punti di test e verificando di arrivare a
circa 100 gradi con il termometro a infrarossi. Ed anche in questo caso tutto Ok.
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La documentazione del sistema Theremino
Questo file è un esempio di documentazione in stile “Theremino System”, ma si tratta di un
giocattolo e quindi di un progetto molto semplice cui non abbiamo dedicato che poche ore.
Molti altri progetti del sistema theremino sono decisamente più interessanti. Per alcuni di essi
abbiamo passato settimane solo a scrivere la documentazione, sempre disponibile in due lingue
(italiano e inglese) e per i progetti più importanti anche in cinese e giapponese. E naturalmente per
ognuno dei progetti maggiori, oltre alla documentazione, abbiamo passato anche mesi per
progettare l'elettronica e testarla.
Consigliamo quindi di dare almeno una occhiata ai prossimi documenti, che abbiamo scelto tra i
tanti pubblicati sul sito Theremino System.
Altri progetti interessanti
Radio ricezione con tecniche SDR (Software Defined Radio)
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_SDR_Help_ITA.pdf
Musica
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/2012/03/ThereminHelp_ITA.pdf
Sensoristica
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_ADC24_ITA.pdf
Automazione
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_CNC_Help_ITA.pdf
Spettrometria della luce visibile, ultravioletta e infrarossa (UV, VIS and IR)
http://physicsopenlab.org/wp-content/uploads/2015/11/Spettrometro_ITA.pdf
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_Spectrometer_Technology_ITA.pdf
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_Spectrometer_Spectrums_ITA.pdf
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_Spectrometer_Construction_ITA.pdf
Fluorimetria
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_OilMeter_Help_ITA.pdf
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Theremino_OilMeter_TestMethods_ITA.pdf
Spettrometria dei raggi Gamma
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/GammaSpec_ITA.pdf
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/ThereminoMCA_Deconvolution_ITA.pdf
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/XRFSpec_ITA.pdf
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/ThereminoMCA_Help_ITA.pdf
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/ThereminoMCA_MinimizingFWHM_ITA.pdf
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/ThereminoMCA_PmtAdapters_ITA.pdf
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/ThereminoMCA_SignalConditioning_ITA.pdf
Misura della radioattività e del gas Radon
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/ThereminoGeiger_ProgramHelp_ITA.pdf
http://www.theremino.com/wp-content/uploads/files/Radon_IonChamberElectronics_ITA.pdf
http://www.theremino.com/files/Theremino_IonChamber_Pdf-Docs_V3.zip
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