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Dernière mise à jour : 26/06/2011

theremax_boitier_montage_002g Une "copie" du Theremax de PAIA, placée dans un ancien coffert de rangement d'un chalet pour enfants. Le boitier étant assez volumineux, j'en ai profité pour intégrer un petit ampli BF, et je compte également mettre un pack d'accus, ce qui donnera à l'instrument, sa pleine autonomie.
Q1 Pour ceux qui éprouvent des difficultés à faire fonctionner leur Theremax, j'ai fais quelques relevés d'oscillo (formes d'ondes) et de tensions en divers endroits "stratégiques" du montage. A comparer avec ce que donne votre platine.

Présentation

Le deuxième Theremin que j'ai décidé de réaliser est le Theremax, décrit sur le site PAiA. Pour plus d'informations concernant le principe général de cet instrument, merci de vous reporter à la description (sommaire) donnée à la page Theremin - Présentation.

Theremax de PAIA

Le Theremax requiert des transformateurs spécifiques, modèle 42IF110 ou 42IF110-RC (je suppose que le suffixe -RC signifie ROHS Compliant). Comme je n'étais pas le seul à rechercher ce genre de transfos, j'en ai commandé 2 x 100 pour une commande groupée  ;-).

42IF110 42IF110 - Boite de 100

Vous pouvez vous procurer ces transfos aux Etats-Unis chez Mouser ou en Allemagne chez Musikding.

Schéma(s)

Pour permettre une description détaillée plus claire du montage de PAIA, j'ai décidé de scinder le schéma en plusieurs sous-parties. Les schémas ci-dessous représentent donc exactement la même chose que le schéma mis à disposition par PAIA, seul la représentation physique des composants sur le schéma (placement) diffère. Quand une partie d'un bout de schéma doit être reliée à une partie d'un autre bout de schéma, la liaison est matérialisé par un petit rond avec une lettre ou un nom (rond plein, le trait qui lui est attaché ne rentre pas dedans). Les points qui doivent être reliés à une partie extérieure du circuit imprimé (potentiomètres, antenne, etc) sont représentés par un rond où le trait qui lui est attaché entre dedans. Cette façon de montrer les fonctions présente un avantage de taille : certaines parties du montage peuvent être ignorées pendant la phase de réalisation et de mise au point, sans que le fonctionnement général ne soit mis en cause. La liste du matériel fait l'objet d'une page à part, qui est la page Theremin 002 - Liste du matériel.

Descriptif des diverses parties
Vous trouverez ci-après le descriptif de fonctionnement des divers étages du Theremax. Les éventuelles modifications proposées par d'autres bidouilleurs ou par moi-même y seront rapportées.

Relevés de tension / courbes oscilloscope
Sauf mention contraire, toutes les valeurs indiquées entre paranthèses et en violet sur les schémas, sont des tensions mesurées avec un voltmètre en calibre 2,00V continu ou 20,0V continu. Les photo des écrans d'oscilloscope prenant un peu de place, j'ai préféré les mettre sur une page séparée, que voici.

Oscillateurs "Pitch"

Pitch - HF

Cette section est composée de deux oscillateurs : un de fréquence variable (à gauche sur le schéma) et un de fréquence fixe (à droite sur le schéma), chaque oscillateur étant composé d'un transformateur FI de type 42IF110 associé à un transistor (montage oscillateur de type Hartley). Le fait d'approcher la main (ou certains objets) de l'antenne "Pitch" raccordée  au point P  provoque un désaccord de l'oscillateur variable (sa fréquence d'oscillation change quand la main s'approche de l'antenne). La fréquence de l'oscillateur fixe est quant à elle censée ne pas changer. Les deux fréquences (celle de l'oscillateur fixe et celle de l'oscillateur variable) sont mixées grace au mélangeur à diodes D2 à D5 (D3 et D5 seules dans certaines versions du Theremax), ce qui produit deux nouveaux signaux : un dont la fréquence est égale à la différence des fréquences des deux oscillateurs, et un autre dont la fréquence est égale à la somme des fréquences des deux oscillateurs. A noter qu'en sortie de ce mélangeur ne subsiste quasiment plus les signaux originaux. Un filtre passe-bas constitué du réseau R26 / C22 supprime la composante Somme, ne reste donc que la composante Différence. Cette dernière présente une fréquence audible quand les deux oscillateurs sont correctement réglés, c'est ce signal à fréquence Différence qui est utilisé par la suite comme source sonore principale. Prenons un exemple : l'oscillateur fixe délivre un signal de 795 KHz, et l'oscillateur variable délivre un signal de 792 KHz. Le signal Somme résultant est de 1587 KHz, il sera bloqué par le filtre passe-bas. Le signal Différence résultant (disponible au point X), est de 3 KHz, donc situé dans la bande audio, il sera conservé. Ce signal transite ensuite par un étage tampon / amplificateur centré sur le transistor Q8. Le condensateur C27 de 220pF contribue à atténuer encore un peu les fréquences très élevées de la composante Somme. 
Transistors testés avec succès sur la partie oscillateurs : BC108, BC171, BC172, BC183C, BC237, BC549, 2N3904, 2N3565. Je suis sûr que plein d'autres peuvent convenir.
Diodes testées avec succès pour le mélangeur : 1N34, 1N60, 1N70, 1N127, 1N198, 1N270, OA95.
Rôle de RV1 : ajustage fin du réglage de l'oscillateur variable, le réglage grossier étant assuré par la vis de réglage (noyau) du transformateur TR1.

Remarque : pour que les signaux Somme et Différence puissent naître en sortie des mélangeurs à diodes, il n'est pas nécessaire que l'amplitude des signaux mélangés soient supérieure au seuil de conduction des diodes. Même avec des signaux d'amplitude aussi faible que 150 mV, on obtient le signal attendu en sortie des mélangeurs. Il est certe faible (quelques mV) mais parfaitement exploitable après filtrage et amplification.

Oscillateurs "Volume"

Volume - HF

Le principe est exactement le même que celui de la section Pitch (voir ci-avant). La différence principale réside dans l'exploitation du signal Différence présent au point Y, qui servira à produire une variation de volume à travers un ampli commandé en tension (VCA).
Transistors testés avec succès sur la partie oscillateurs : les mêmes que ceux testés sur les oscillateurs de la section Pitch.
Diodes testées avec succès pour le mélangeur : les mêmes que celles testées sur le mélangeur de la section Pitch.
Rôle de RV2 : ajustage fin du réglage de la "sensibilité" de volume de l'oscillateur variable, le réglage grossier étant assuré par la vis de réglage (noyau) du transformateur TR3. Ce n'est pas un réglage de volume !

Remarque concernant les oscillateurs
Les oscillateurs Pitch et Volume, s'ils sont accordés sur des fréquences très voisines, sont susceptibles de s'auto-synchroniser : l'un se laisse "influencer" par l'autre et "s'accroche" à lui. Pour éviter ce phénomène, les oscillateurs doivent soit être blindés (encadrés d'une surface conductrice reliée à la masse), soit osciller à des fréquences suffisement distantes l'une de l'autre. Et dans tous les cas, l'alimentation de chaque oscillateur doit être suffisement découplée (cela est assuré ici par les réseaux R3/C4, R8/C8, R13/C12 et R17/C16). Si le phénomène se produit en continu, cela se traduit par l'abscence pure et simple de son en sortie audio. S'il se produit à certains moments, le son présente une instabilité ou des sauts ou coupures brusques.

Mise en forme "Pitch" - Réglage de timbre - Sortie Pitch / CV

Pitch
Pitch Out

Le comparateur U1:B (IC1:A sur le schéma original) est monté en trigger de Schmitt. Son rôle est de convertir en onde carrée, l'onde sinusoidale issue de la sortie de Q8 et transmise au travers de C30. Le réglage de timbre consiste à effectuer un mélange entre onde sinus et onde carrée, avec plus de sinus (potentiomètre R81 côté R39) ou plus de carré (potentiomètre R81 côté R40). La sortie mixée est transmise au circuit de contrôle de volume (VCA) via C36.  En même temps, l'onde carrée est transmise à un différentiateur constitué de C28/R24, chargé de transformer ce carré en impulsions. Ces impulsions sont ensuite intégrées grâce à D10/C24, afin de générer une tension dont l'amplitude est fonction de la fréquence de l'onde. En effet, comme chaque impulsion est de même largeur quelque soit la fréquence, une fréquence plus élevée se traduira par une tension plus élevée en sortie Pitch CV Out. Le transistor Q5 est monté en suiveur de tension (haute impédance d'entrée, faible impédance de sortie), son rôle est de tamponner C24 afin de ne pas trop le "charger".

Mise en forme Volume - Sortie Volume / CV

Volume
Volume CV Out

Le fonctionnement de cet étage est similaire à celui du Pitch, voir ci-avant.

Sortie Velocité / CV

Vel CV Out

Sortie Trigger / Gate

Trig Gate Out

Amplificateur commandé en tension (VCA)

VCA

Le VCA repose sur l'emploi de composants discrets, aucun circuit spécialisé n'est utilisé ici. Deux transistors (Q10 et Q11) sont montés en différentiel, le gain de l'étage est déterminé par le courant circulant au travers de Q12. La tension de commande de volume issue du curseur du potentiomètre R83 est ainsi mise à contribution, et est convertie en courant par R70. C'est ce courant qui determine le courant collecteur de Q12 et donc le gain de l'ensemble. Quand le courant augmente, le gain de Q10 et Q11 augmente en conséquence. Un AOP simple de type 748 se charge de convertir le différentiel en signal audio disponible sur une classique sortie asymétrique. Le condensateur de liaison C38 se charge de bloquer la tension continue présente en sortie de l'AOP.

Régulation alimentation

Alim

Le Theremax requiert une tension d'alimentation de 12V. Cette tension est abaissée et régulée grâce à la diode zener D1 de 8,2V. J'ai fait quelques essais avec différentes alimentations secteur (des non régulées et des régulées) et avec des piles (3 x 4V5). Ce qui est sûr, c'est qu'il est impératif que l'alimentation soit parfaitement régulée. Avec une alimentation imparfaitement stabilisée, le Theremax ne se comporte pas très bien. On n'entend pas forcement de la ronflette, mais on se rend compte que les réglages sont plus critiques et moins stables. Avec une de mes alimentations dite régulée, la partie volume du Theremax ne fonctionne quasiment pas. Ou alors quand j'arrive à trouver un point de réglage qui va bien, il ne dure que quelques minutes. Ayant intégré un ampli BF à mon boitier Theremax, et cet ampli n'acceptant pas plus de 12V d'alim, j'ai décidé d'alimenter le boitier sous 16V continus, et d'opérer deux régulations internes distinctes de 12V avec des LM317(une régul. pour le Theremax et une autre pour l'ampli BF).

Circuit imprimé

J'ai refait le typon du Theremax, en y apportant quelques modifications :
- présence de 4 diodes dans les deux parties mélangeurs (des oscillateurs RF). Deux versions de schéma de Theremax circulent en effet, et sur l'un des schémas il n'y a que deux diodes par mélangeur alors que pour l'autre schéma il y en a quatre. Comme j'ignore l'impact de cette modification, je prévoie les deux possibilités, sachant qu'il est facile de passer de l'une à l'autre avec une seule version de CI.. Selon les dires de David B. VanHorn, l'usage de 4 diodes est plus que préférable. Je tiens à signaler que j'ai eu entre les mains un Theremax à réparer, qui n'était pourvu que de deux diodes par mélangeur. Le temps du dépannage, j'ai ajouté deux diodes à chaque mélangeur pour faciliter la comparaison des signaux électriques avec mon Theremax. Sans avoir vraiment pris beaucoup de temps, j'en ai profité pour faire quelques comparaisons entre la version à deux diodes et la version à quatre diodes. Hônetement, je n'ai pas pû déceler de différences flagrantes, si ce n'est peut-être pour la section volume, qui réagit un peu différement, un peu plus "mollement". Mais comme ces comparaisons ont été un peu rapides et peu "professionnelles", je préfère laisser les quatres diodes en place.
- ajout de pastille sur les bandes de masse qui séparent chaque oscillateur, afin d'atténuer encore plus le cas échéant, le couplage entre ces derniers, par la mise en place d'une petite tôle verticale côté composants.

Avertissement : le typon fourni par PAIA dans le document PDF qu'il met gracieusement à disposition sur son site (référencé 9505c) n'est pas parfaitement à l'échelle ! Si cela ne pose pas de problème pour les résistances, diodes, condensateurs et transistors, les circuits intégrés et les transfos quant à eux, ne pourront pas être placés ! Vous ne pouvez donc pas vous contenter d'imprimer tel quel ce typon sur un transparent !


Voici donc ci-dessous ce que cela donne. Je n'ai pas fait beaucoup d'efforts, je l'avoue (c'est dans ma nature). Vous noterez que le placement des composants est quasiment identique au placement adopté par PaiA.

Cote composants Cote Cuivre Inverse
02/05/2006 - 19h30

Attention ! Sur le typon mis à disposition avant le 02/05/2006, il manquait la résistance R64 sur le circuit imprimé. Mais comme le Theremax fonctionnait sans cette résistance, je ne m'en suis pas rendu compte ! Merci à Jean-Luc de me l'avoir signalé.

Typon au format PDF (echelle 1:1) et BMP 600 dpi (echelle 8:1) : paia_theremax_pcb.zip
Montage du Theremax sur circuit normal en fin de page.
Liste du matériel : Theremin 002 - Liste du matériel.

Prototype

Je suis parfois du genre un peu impatient. La légère refonte du circuit imprimé ne m'a pas empêché de démarrer un petit prototype, sur plaque d'expérimentation de type HF (avec plan de masse). J'ai ainsi monté chaque étage l'un après l'autre, en commençant par les oscillateurs HF, en continuant avec le VCA, puis en terminant par les étages spécifiques aux sorties "tension continue" (CV Volume, etc).

Theremax - Proto
01/10/2005 - 22:15

Transfos 42IF110 (ou 42IF110-RC) - Comme les pattes de ces transfos ne sont pas au pas normalisé de 2,54 mm, c'est la carcasse du transfo elle-même qui est soudée sur le CI. Les pattes de connexion des bobinages sont pliées à 90 degrés, et sont soudée directement aux composants. J'adopte ici la technique du "plus court possible", toujours hautement recommandé quand on commence à monter un peu en fréquence. Chaque oscillateur sera séparé de son voisin par une petite plaque de cuivre servant de blindage HF, afin de limiter tout risque d'auto-synchronisation entre eux.
Supports - J'ai monté les diodes 1N270 (germanium) et les transistors 2N3904 sur supports afin de pouvoir tester d'autres modèles (la photo précédente laisse apparaitre des transistors en boitier métallique, ce ne sont pas des 2N3904, mais des BC108, ça fonctionne aussi).
Potentiomètres - Les potentiomètres ne sont pas alignés sur un même côté du circuit, j'ai simplement voulu limiter la longueur des cablages.

Essais prototype
- Oscillateurs : fonctionnent tous. J'avais omis au départ de mettre les capas C6, C10, C18 et C14, et seuls les oscillateurs fixes fonctionnaient. J'ai donc mis des capas "normale" en attendant la réception de ma commande des capas "NPO".
- Mélangeur : ça fonctionne. J'obtiens bien en sortie un signal Somme et Différence, et après filtrage passe-bas, il ne reste que la Différence avec un résidu de Somme. Ce signal envoyé au petit ampli centré sur Q8 permet, malgré un niveau de sortie un peu trop faible à mon goût, d'écouter le résultat dans un HP (via un ampli BF bien sûr). Bref, je retrouve bien là le son caractéristique.

Montage sur CI traditionnel

Voici ci-dessous quelques photos destinées à montrer l'état d'avancement du montage.

Terre vierge, pas encore peuplée :

Theremax 001a Theremax 001c

Montage en premier des straps (devinez pourquoi en premier).

Theremax 002a

Montage des supports pour les circuits intégrés, transistors et diodes germanium (utilisation de barettes sécables pour les supports transistors et diodes).

Theremax 003a

Puis des résistances, de quelques diodes  :

Theremax 004a

Et puis le reste..., diodes germanium et transistors montés sur supports (pour les diodes Ge, les supports sont surtout destinés à limiter les risques de surchauffe lors du soudage).

Theremax 005a
Theremax 005b

Pas de cablage des divers jacks pour le moment (inutile en fait pour les tests).

Theremax 006a

Montage terminé, sous tests, il fonctionne.

Theremax 007a

Mais où sont passées les résistances R75, R76, R77, R78, R85 et R86 ?
L'oeil averti aura constaté que ces résistances ne sont pas sur le PCB. Elles sont soudées directement sur les potentiomètres.

la forme d'onde suivante est celle obtenue sur l'émetteur des transistors de quaque section oscillateur. Quelques centaines de mV, amplitude dépendant de la fréquence (elle-même de l'ordre de 900KHz lors de la photo de l'écran oscillo). Pour d'autres relevés, visitez donc la page Theremin 002 - Ecrans oscillo.

Theremax 007z

Plus qu'à mettre en boite et à régler correctement, parce que tel quel, pas facile à en jouer... Les échantillons sonores seront mis en ligne une fois l'engin entièrement fini.

Mise en boite...

Plusieurs solutions. Acheter tout l'ensemble mécanique de Paia, incluant boitier, antennes, boutons de potentiomètres, visserie. Soit se débrouiller avec ce que l'on a sous la main. Réalisation du coffret en bois, ou pourquoi pas, récupération d'un jouet en plastique ayant suffisement d'espace interne pour accueillir l'ensemble. Cette dernière solution peut sembler un peu "enfantine", mais en même temps, pourquoi pas... Cela peut être l'occasion de recycler quelque vieux jouet rendu inutile avec l'âge.

Premiere tentative de mise en boite : démontage d'un ancien démodulateur satellite en panne.

L'engin avant et pendant son démontage :

Montage boitier 001a
Montage boitier 001b

Fixation avec scotch du dessin du CI pour l'emplacement des trous :

Montage boitier 001cMontage boitier 001d

Et mise en place du CI et des potentiomètres. Résolution d'un problème causé par la mauvaise qualité du potentiomètre utilisé pour le réglage fin de la partie Oscillateur Pitch. Ca crachait et il était impossible de régler quoi que ce soit, d'où les sonorités bizarres que j'obtenais. J'ai remplacé tous les potentiomètres par des bons (ceux que j'avais utilisés pour le proto, voir photo du proto), j'obtiens bien à nouveau le son caractéristique du theremin. Ouf !

Montage boitier 001e

Test avec des antennes pour CB portable, une en vertical pour le pitch, l'autre en horizontal pour le volume (je mettrai les vraies antennes en temps voulu) :

Montage boitier 001f

Bah ça rend pas si mal que ça, en fait. Le réglage volume est bien plus souple, un vrai plaisir ! Je n'arrive pas encore à régler tout ça correctement et je trouve la distance de fonctionnement assez faible pour le moment (envron 40 cm), mais je met ça sur le compte des antennes et de l'environnement, pas vraiment adaptés il faut bien l'avouer (l'engin n'est pas du tout dégagé). En tout cas, ça prend tournure !

Un jour après...

Nouveau boitier, celui du démodulateur sat ne me plaisait pas assez, et le fait qu'il soit métallique ne convenait pas vraiment au Theremax. Il faut dire que j'ai retrouvé (tout à fait pas hazard) un support de CD audio, que je m'étais décidé de conserver pour un tout autre usage. Voici donc venue son heure...

Montage boitier 001i

Montage boitier 001h

Montage boitier 001g

16/02/06 :
- j'ai changé les potentiomètres actuels par des "normaux", piste carbone axe 6 mm, avec boutons (ce sera plus facile à regler),
- j'ai fait des trous dans le couvercle (dessous du boitier) pour pouvoir ajuster le noyau des transfos HF sans avoir à ouvrir la boite,
- pour l'instant, j'utilise un trépied en plastique pour appareil photo, mais c'est assez instable.
Plus de raison maintenant pour ne pas faire quelques enregistrements audio...
Ah si, une raison : j'ai, comment dire, essayé de jouer un peu de cet instrument et... heu... j'ai encore des progrès à faire...
C'est à cause des antennes ? Aaaah, vous me rassurez !

Nouveau boîtier

Boîtier en plastique actuel et trépied appareil photo : trop instable pour une utilisation sans risque. Quand je sors l'instrument, mes enfants se disputent pour (en) jouer et il a failli à plusieurs reprise terminer en pièces détachées. J'ai donc décidé de changer d'emballage, au profit d'un nouveau en bois pour assurer à l'ensemble une rigidité supérieure.
06/11/2006
Désormais, mon Theremax va donc prendre place dans un coffret en bois, ancienne boite de rangement de structure en bois pour la construction d'un petit chalet d'enfant.

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Comme il y a de la place en rab, j'en profiterai pour intégrer un HP (taille moyenne) ou deux HP (petite taille), ainsi qu'un pack d'accus. L'engin pourra donc ainsi fonctionner de façon autonome.

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J'en profite pour virer les antennes CB, et mettre en place des antennes démontables, plus proches d'un point de vue physique, de celles du vrai Theremax de Paia. En passant, merci à Virtuel pour ses infos concernant la technique de montage des antennes. Merci aussi à mes parents et au plombier pour la chute du tuyau de cuivre 6/8 mm !

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Le HP et son petit ampli BF à base de LM386 associé :
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Sur un support clavier :
Theremax 002 - 002g

Nos invités n'y échappent généralement pas...

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Relation entre fréquence de sortie (note) et distance main - antenne

23/06/2011 : Claire, une élève préparant un sujet sur le Theremin m'a contacté pour savoir s'il était possible de faire quelques relevés pratiques avec un fréquencemètre, à mettre en face de formules mathématiques. Nous avons donc convenu d'un rendez-vous et en deux heures de temps nous avons tracé une courbe montrant l'évolution de la fréquence de sortie (note) en fonction de la distance séparant la main de l'antenne. Je précise que je n'ai jamais cherché à optimiser la courbe de variation de mon instrument, ce qui explique en grande partie les résultats obtenus.

Difficultés rencontrées
Le tracé d'une courbe dont l'un des axes est la distance main - antenne peut sembler trivial à première vue. Pourtant quelques difficultés ont assez rapidement surgit.
- Stabilité de la position de la main : pas évident du tout de rester avec une main parfaitement fixe pendant la mesure, surtout quand on s'en approche de près et que la moindre variation de position se traduit par un fort décalage de la note produite.
- Perturbation apportée par celui qui fait la mesure : le mètre utilisé était de type dépliant en bois et Claire était positionnée derrière moi. L'erreur de lecture de la distance sur le mètre était loin d'être constante mais on a fait comme on le sentait pour la minimiser au mieux.

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- Réception radio parasite : comme constaté une ou deux fois déjà, réception parasite forte et soutenue d'un programme radio en langue inconnue. Heureusement cette perturbation n'était pas constante et on a pu disposer de quelques bonnes minutes pour travailler tranquilement.
- Perturbation apportée par le fréquencemètre : la pire de toute sur notre installation ! Le theremin ne se sentait plus de joie, il laissait entendre des tas de sons mouvants et aigus dès qu'il était physiquement raccordé à l'appareil de mesure. La seule solution pour contourner le problème a été de placer un microphone dynamique en regard du HP et de le relier directement au fréquencemètre. Ainsi plus de liaison électrique directe entre les deux appareils (j'aurais pû aussi envisager l'emploi d'un transfo BF mais je trouvais l'idée du micro plus rigolote).

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Résultat des mesures
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