Licht-Theremin

Ziel dieses Projektes ist es, ein kleines Gerät mit einer Funktion ähnlich eines Theremins zu bauen. Dabei soll die Funktion aber nicht über elektromagnetische Felder gesteuert werden, sondern aus Gründen der Einfachheit mit optoelektronischen Komponenten nachgebildet werden.

Das Projekt soll wie folgt ablaufen:

• Es wird eine Leiterplatte entworfen und angefertigt, die von den Workshopteilnehmern (wahrscheinlich nicht nur Kinder) „nur noch“ bestückt werden muss.
• Zu Beginn gibt es eine Einführung in das Löten und die Dinge, die dabei zu beachten sind (Lötkolben vorn heiß, heißer Lötkolben sieht aus wie kalter Lötkolben, etc.).
• Die zu lötende Schaltung wird kurz vorgestellt und die einzelnen Bauteile stark vereinfacht erklärt (Widerstand = „Strombremse“, Kondensator = Speicher/Filter, Transistor = elektronischer Schalter).
• Die Teilnehmer sollen die Bauteile unter Anleitung selbständig verlöten.
• Nach dem Zusammenbau wird denen geholfen, bei denen es nicht tut - dabei sollten die Teilnehmer (je nach Voraussetzungen) unter Anleitung selbst den Fehler suchen (Durchgangsprüfer benutzen)

Die wesentlichen Funktionen des Theremins sind eine berürungslose Regelung der Tonhöhe und der Lautstärke. Beim Licht-Theremin wird diese Funktion mittels Lichtschranken aus LEDs und Fotowiderständen nachgebildet.

Entsprechend setzt sich die Schaltung aus einem Teil zur Schwingungserzeugung und einem Teil zur Lautstärkeregelung zusammen.

Die zentrale Komponente ist ein Inverterbaustein vom Typ 4007 (U1 im Schaltplan). Dieser enthält drei Inverterstufen, von denen zwei die Schwingungen erzeugen und die dritte die Verstärkung zur Tonausgabe übernimmt.

Der Ausgang der zweiten Inverterstufe wird über einen Kondensator C1 verzögert in den Eingang der ersten Stufe rückgekoppelt. Dadurch gerät die Schaltung in Schwingung, da die Rückkopplung immer wieder den Zustand des ersten Inverters ändert. Der Kondensator kann sich darüber hinaus über die Widerstände R1 und LDR1 entladen, so dass die Kapazität von C1 und die Werte von R1 und LDR1 die Frequenz der Schwingung bestimmen. Um die Änderung des Entladewiderstandes und damit den Frequenzbereich einzugrenzen, ist mit dem Fotowiderstand LDR1 der Widerstand R1 in Reihe geschaltet. Ansonsten ändert sich die Frequenz sehr stark und das Gerät ist schwer „spielbar“.

Die von den ersten zwei Invertern erzeugte Schwingung wird mit dem Transistor Q1 in ihrer Amplitude gesteuert. R2 und LDR2 bilden dabei einen Spannungsteiler an der Basis des Transistors. Fällt Licht auf den Fotowiderstand LDR2, wird die Basis auf niedriges Potential gezogen und der Transistor sperrt - das Theremin verstummt. Wird LDR2 verdunkelt, schaltet der Transistor durch und am Kondensator C2 liegt ein Wechselsignal an. Dieses wird in die dritte Inverterstufe eingespeist, wobei der Kondensator den Gleichspannungsanteil des Signals abtrennt.

Durch den großen Kollektorwiderstand ist der Transistorverstärker nicht in der Lage einen niederohmigen Lautsprecher (SPK1, 8 Ohm) zu treiben. Dies übernimmt der dritte Inverter, der ohne weitere Widerstände zwischen Versorgungsspannung und Masse auskommt. Zur Verstärkung von Rechtecksignalen ist diese Anordnung ausreichend.

Abmessungen: 50mm x 50mm

Die Preise basieren auf einer angepeilten Stückzahl von 30 Stück.

Schaltplan und Layout wurden mit gEDA entworfen. Die relevanten Files liegen bei github.com:
https://github.com/HackspaceJena/light-theremin