Órgão / sintetizador analógico incrível usando apenas componentes discretos: 10 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Sintetizadores analógicos são muito legais, mas também muito difíceis de fazer.

Então, eu queria fazer um o mais simples possível, para que seu funcionamento fosse facilmente compreensível.

Para que funcione, você precisa de alguns subcircuitos básicos: Um oscilador simples com frequência de oscilação selecionável por resistor, algumas teclas e um circuito amplificador básico.

Se você usar alguns pads condutores em vez de botões para as teclas, você pode fazer sua versão do muito legal

Estilofone!

Neste instrutível aprenderemos como fazer e como funciona.

O instrutível é destinado a entusiastas de eletrônica iniciante a intermediário.

Etapa 1: Ferramentas necessárias

Você precisará de um ferro de solda e algumas placas de prototipagem ou pode montá-lo na placa de ensaio.

Se você for um pouco mais avançado, fornecerei arquivos para gravar seu próprio PCB.

Etapa 2: começando com um oscilador

O coração do sintetizador é um circuito Multivibrador Astable feito com um amplificador operacional. Na internet você encontrará derivações muito longas e detalhadas de seu funcionamento, mas tentarei explicar seu funcionamento de uma forma mais simples.

O oscilador consiste em alguns resistores e um capacitor.

O circuito comparador op-amp é configurado como um gatilho Schmitt que usa feedback positivo fornecido pelos resistores R1 e R2 para gerar histerese. Esta rede resistiva é conectada entre a saída do amplificador e a entrada não inversora (+). Quando Vo (tensão de saída) está saturado no barramento de alimentação positivo, uma tensão positiva é aplicada à entrada não inversora de amplificadores operacionais. Da mesma forma, quando Vo está saturado no barramento de alimentação negativo, uma tensão negativa é aplicada à entrada não inversora dos amplificadores operacionais.

Esta tensão carrega e descarrega lentamente o capacitor na entrada (-) através do resistor Rf. Digamos que comecemos com a saída do amplificador operacional na tensão de saturação positiva (+ Vsat). O capacitor está sendo carregado e sua tensão (Vc) está aumentando lentamente. Nesse meio tempo, R1 e R2 formam um divisor de tensão com sua saída de tensão (Vdiv) em um valor estável em algum lugar entre a tensão de saturação de saída (+ Vsat) e 0V. Quando a tensão do capacitor excede a tensão do divisor de tensão R1 e R2, o op-amp inverte seu estado para tensão de saturação negativa (-Vsat). Em seguida, o capacitor está sendo descarregado através do resistor Rf até que sua tensão (Vc) seja inferior à tensão dos divisores R1 e R2 (Vdiv). Em seguida, ele muda novamente seu estado para o estado inicial (+ Vsat). E assim por diante.

Na verdade, isso produz a voltagem de saída de voltagem de onda quadrada do oscilador e, se for da frequência correta, produz um tom audível.

Etapa 3: Calculando as frequências

A frequência do oscilador pode ser calculada através da equação na imagem acima.

Você pode afinar este sintetizador como quiser.

Eu queria afiná-lo na escala de Dó maior - todas as teclas brancas do piano. Desta forma, não há tons "errados" e é fácil de brincar para as crianças.

Então eu pesquisei online a lista de frequências para os tons específicos e decidi afinar a coisa de C4 a C5.

Fiz os cálculos para o resistor necessário. Fiz fantasia e calculei com Matlab (Octave).

Para o divisor de resistor R1 e R2 eu escolhi resistores de 22k ohm, para o capacitor eu escolhi um limite de 100nF.

Aqui está o código se você tiver preguiça de fazê-lo manualmente com uma calculadora. Ou você pode simplesmente usar a equação invertida para o cálculo manual do resistor.

R1 = 220e3; R2 = 220e3;

lambda = R1 / (R1 + R2);

C = 100e-9;

f = [261,63 293,66 329,63 349,23 392 440 493,88 523,25]; % lista de frequências

R = 1./ (f. * 2. * C. * log ((1 + lambda) / (1-lambda)))

Aqui estão os resultados:

C4 = 17395 ohm

D4 = 15498 ohm

E4 = 13806 ohm

F4 = 13032 ohm

G4 = 11610 ohm

A4 = 10343 ohm

B4 = 9215 ohm

C5 = 8697 ohm

É claro que eu precisava arredondar os valores para os valores de resistor mais próximos. Usei a série de resistores E12 padrão, que é a mais encontrada na caixa de peças de hobby. Como a série de resistores E12 é bastante grosseira, usei 2 resistores em série para cada valor para chegar mais perto da resistência desejada e o sintetizador ficará mais afinado desta forma.

C4 = 2,2k + 15k ohm D4 = 15k + 470 ohm

E4 = 8,2k + 5,6k ohm

F4 = 12k + 1k ohm

G4 = 4,7k + 6,8k ohm

A4 = 10k + 330 ohm

B4 = 8,2k + 1k ohm

C5 = 8,2k + 470 ohm

Etapa 4: O Esquema Concluído do Oscilador

Aqui está o esquema da parte do oscilador.

Com as teclas individuais, você seleciona a resistência desejada e o tom desejado é produzido.

Este esquema explica por que você obtém sons agudos ao pressionar várias teclas ao mesmo tempo. Ao pressionar várias teclas ao mesmo tempo, você conecta mais ramificações dos resistores em paralelo e os conecta efetivamente em paralelo, reduzindo a resistência total. A resistência mais baixa produz um tom mais agudo.

Etapa 5: o amplificador de alto-falante

O amplificador de alto-falante poderia ser feito ainda mais simples, mas decidi fazer um verdadeiro amplificador de classe AB.

O estágio consiste em transistores PNP e NPN, capacitores de acoplamento e dois resistores de polarização e diodos.

Muito básico, mas funciona bem.

Na frente do estágio do amplificador, coloquei um potenciômetro logarítmico (áudio) de 100k para ajustar o volume.

Como o potenciômetro sozinho no circuito desajustaria o oscilador (resistência adicional), coloquei um buffer de amplificador operacional na frente dele, que introduz alta resistência de entrada para o circuito na frente dele e baixa impedância para os circuitos depois isto.

Basicamente, um buffer é um amplificador com ganho de 1.

O opamp que estou usando é o TL072, que tem dois circuitos de amplificador, então isso é tudo de que precisamos.

Etapa 6: Material Auxiliar

No lado esquerdo da imagem estão os cabeçalhos do conector de entrada, onde você conecta a fonte de alimentação.

Eles são seguidos por dois diodos que protegem o circuito contra conexão acidental de uma fonte de alimentação com polaridade errada.

Também adicionei dois LEDs para indicar a presença de cada linha de energia.

Etapa 7: esquema completo

Aqui está o esquema acabado.

Etapa 8: a fonte de alimentação

O circuito requer fonte de alimentação simétrica.

Você precisa de + 12V e -12V (9V também funcionaria).

Usei uma fonte de alimentação antiga de uma impressora jato de tinta quebrada, pois ela tinha trilhos de + 12V e -12V (veja as fotos)

Mas você também pode fazer uma fonte de alimentação simétrica de + -12 V a partir de uma única fonte de 24 V usando o esquema acima.

Mas não se esqueça de montar um dissipador de calor no regulador 7812.

Ou você pode conectar em série duas fontes de alimentação isoladas de 12 V.

Etapa 9: o PCB

Se você gosta de gravar seus próprios PCBs, pode encontrar o arquivo para impressão aqui. Usei botões de pressão 10x10mm para as teclas.

Muitas pessoas queriam saber onde encontrar botões com uma boa tampa grande. Aqui eu consegui encontrar botões semelhantes que você pode usar para o teclado:

www.banggood.com/custlink/GvDmqJEpth

Eles também devem caber em uma placa de ensaio!

Este é o link de afiliado - você paga o mesmo preço que sem o link, mas eu recebo uma pequena comissão para poder comprar mais componentes para projetos futuros:)

Para o seletor de capacitor, soldei o cabeçalho para poder trocar rapidamente os capacitores.

Por outro lado, o circuito é simples o suficiente para que você possa montá-lo na placa de ensaio ou em uma placa de solda de prototipagem. Seria ainda mais fácil de mexer e trocar os componentes por diferentes efeitos.

Para o alto-falante, reciclei um alto-falante interno antigo do PC, fiz uma caixa simples impressa em 3D para ele.

Etapa 10: Pronto

Agora seu sintetizador está pronto e você deve tocar algumas músicas incríveis com ele!

Espero que você tenha gostado do instrutível. Fique à vontade para verificar meus outros vídeos instructables e do youtube!

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para spoilers sobre o que estou trabalhando atualmente, nos bastidores e outros extras!