Permette di suonare le 7 note base, ciascuna corrispondente a un pulsante, con un circuito basilare basato sull’immancabile 555.
Realizzare il proprio primo strumento musicale è qualcosa cui molti sperimentatori elettronici danno una certa importanza, sia per dilettarsi sia per far giocare i più piccoli. Pochi componenti, magari un circuito integrato dedicato o generico, possono dare molte soddisfazioni e permettere di suonare in modo sufficiente per muovere i primi passi tra note e spartiti.
Un esempio è il 555, integrato molto popolare del quale proponiamo qui una delle sue molteplici e sorprendenti trasformazioni. Dimostra ancora una volta come questo intramontabile circuito integrato sia probabilmente il più poliedrico.
Vedremo come inserirlo in una semplice rete di resistenze e condensatori, dotandolo di un altoparlante e sette pulsanti normalmente aperti. In questo modo si trasforma in un’elementare tastiera elettronica, piano oppure organo che sia, con cui suonare le prime melodie.
Il progetto è rivolto a tutti, anche a chi è alle prime armi: lo abbiamo pensato con componenti tradizionali, da montare su un comune circuito stampato a singola faccia. Vediamo dunque come è stato realizzato, analizzando lo schema elettrico del circuito.
Come funziona il 555 in configurazione astabile
Troviamo l’immancabile e versatile 555 in una configurazione canonica, quella da multivibratore astabile. Sebbene la rete di temporizzazione sia costellata di pulsanti e resistenze apparentemente in eccesso, e l’uscita veda un altoparlante magnetodinamico disaccoppiato da un condensatore elettrolitico, l’integrato lavora proprio da multivibratore astabile secondo lo schema convenzionale.
Per comprenderlo, vediamo innanzitutto come è fatto il 555 e come farlo funzionare in condizione astabile, con l’uscita (piedino 3) che commuta ciclicamente la propria condizione logica. Lo schema a blocchi interno in Fig. 1 mostra due comparatori con riferimento di tensione ottenuto da un partitore a scala di tre resistenze. Quello superiore ha l’ingresso non invertente collegato al piedino di Threshold (THR, il 6), mentre quello inferiore ha l’input invertente portato all’esterno tramite il pin 2 (TRIG), che fa da trigger.
Il partitore di tensione fornisce il riferimento per l’operazionale superiore all’ingresso invertente e per quello inferiore al non invertente. Il nodo tra la prima e la seconda resistenza del partitore (alimentato, come gli altri stadi interni, dal piedino 8) viene portato all’esterno tramite il piedino 5 (CV, Control Voltage). Questo permette di alterare le tensioni di riferimento dei comparatori e quindi di controllare con una tensione esterna la frequenza di lavoro, in configurazione astabile, oppure la durata degli impulsi in quella da timer monostabile.
Nella configurazione astabile, abbassando la tensione sul piedino 5 si accorcia il periodo di commutazione dell’uscita e si incrementa la frequenza generata. Viceversa, lasciando salire la tensione fino al livello caratteristico (a vuoto) o incrementandola, si allunga il periodo e si riduce la frequenza. Per gli scopi di questo progetto non serve gestire il piedino 5, anche se sarebbe possibile aggiungere un potenziometro di “pitch” per variare la tonalità delle note durante l’esecuzione.
Non utilizzando il piedino 5, filtriamo il partitore corrispondente con il condensatore C1, per un funzionamento più stabile del 555 e note a frequenza costante. Le uscite dei comparatori interni entrano una nel RESET (comparatore superiore) e una nel SET (comparatore inferiore) di un flip-flop di tipo RS. La sua uscita diretta (Q) va a livello alto quando il SET è alto, oppure a zero logico se il SET è a circa zero volt; l’uscita RESET ha il comportamento opposto.
Il flip-flop ha anche un’uscita complementata (/Q), inversa rispetto a Q; nel 555 è collegata, tramite una resistenza, alla base di un transistor NPN configurato ad open collector, con l’emettitore a massa e il collettore al piedino DISCH (Discharge, 7). L’uscita diretta Q è invece collegata al piedino OUT (3) tramite un buffer interno push-pull, capace di erogare fino a 200 mA — sufficienti per pilotare il piccolo altoparlante nella nostra applicazione.
Il negativo di alimentazione, cioè la massa di riferimento del 555, corrisponde al piedino 1, mentre al piedino 4 (RST) è connesso il reset del flip-flop, che permette di resettare forzatamente il circuito applicando un livello logico basso dall’esterno. Nel circuito, il 555 è configurato come astabile: troviamo un resistore tra i piedini 4, 8 e 7, uno tra 7 e 2,6, e un condensatore tra questi ultimi e massa.
La resistenza inserita tra i pin 4, 8 e 7 (che chiamiamo Ra) può essere scelta dal pulsante premuto, fra S1 e S8, che permettono di suonare le note di un’ottava più un DO: rispettivamente DO, RE, MI, FA, SOL, LA, SI, DO alto. L’ottava scelta è quella a destra dell’ottava centrale della tastiera del classico pianoforte a 88 tasti. Per semplificare il circuito non abbiamo previsto i semitoni, cioè i tasti “neri” del pianoforte.
Il ciclo di carica e scarica che genera il suono
Per capire come il circuito produce i suoni, analizziamo il funzionamento del 555 immaginando che al momento dell’alimentazione tutti i condensatori siano scarichi. Trascurando C2, che si carica quasi subito senza alterare significativamente l’attività dei comparatori, la condizione iniziale vede i piedini 2 e 6 a circa zero volt e l’uscita del comparatore inferiore a livello alto. Questo determina il livello logico alto sull’ingresso SET del flip-flop e sull’uscita Q, mentre la /Q si porta a zero logico, lasciando interdetto il transistor collegato al DISCH e il condensatore libero di caricarsi.
A questo punto C2 inizia a caricarsi attraverso la corrente che fluisce nella serie R1-Ra (la resistenza inserita dai pulsanti), finché la tensione tra le sue armature supera quella di soglia del comparatore inferiore, pari a 1/3 della tensione applicata al piedino 8. A quel punto l’uscita del comparatore si porta a zero logico e libera il SET del flip-flop, la cui uscita resta comunque alta finché la tensione su C2 non supera i 2/3 della tensione di alimentazione, soglia di commutazione del comparatore superiore.
Quando questo accade, l’uscita del comparatore superiore va a livello alto e resetta il flip-flop: l’uscita diretta passa a zero logico, mentre la /Q va a livello alto e manda in saturazione il transistor collegato al piedino 7, che scarica C2 attraverso Ra. La situazione rimane questa finché la tensione su C2 non scende sotto la soglia di commutazione del comparatore inferiore: a quel punto l’uscita torna a livello alto e setta di nuovo il flip-flop, riportando Q a 1 logico e /Q a zero.
Il condensatore riprende quindi a caricarsi, perché il piedino 7 torna a comportarsi come un circuito aperto, fino a raggiungere di nuovo 2/3 della tensione tra i piedini 1 e 8: il ciclo ricomincia. Per effetto di questo comportamento, l’uscita OUT resta a livello alto per il tempo che serve a C2, in carica, per passare da 1/3 a 2/3 della tensione di alimentazione, e a livello basso per il tempo in cui C2, scaricandosi, passa da 2/3 a 1/3.
I tempi dipendono dai valori di R1 e della resistenza inserita fra il piedino 7 e i piedini 2, 6 in base al pulsante premuto; da essi varia la frequenza generata dall’U1, che vale:
f = 1,44 / C2 (R1 + 2Ra)
Il calcolo della frequenza delle note
Dallo schema elettrico notiamo che Ra dipende dalla resistenza complessiva inserita dai pulsanti: può essere la sola R5 se si preme S8, oppure la somma di R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8 ed R9 se si preme S1. Il circuito è infatti disegnato con una scala di resistenze bypassabile dai pulsanti, in alternativa alla soluzione più immediata con tanti resistori in parallelo, uno per pulsante.
Questa tecnica permette, se vengono premuti più pulsanti insieme, di suonare sempre e solo la nota di frequenza più alta tra quelle corrispondenti. Ad esempio, premendo insieme S8 ed S5, il circuito suona la nota di S8, perché quel pulsante cortocircuita il resto della rete di temporizzazione alla sua sinistra. Con la soluzione a rami paralleli, invece, premendo più tasti sarebbero uscite note intermedie dal parallelo delle resistenze: la nostra soluzione assicura che lo strumento sia perfettamente monofonico.
Premendo il pulsante S8 si suona la nota più acuta, il DO superiore, la cui frequenza — considerando Ra=R5 — è pari a:
f = 1,44 / 0,1µF (1 kΩ + 2×10 kΩ) = 685,7 Hz
Premendo invece S1 si inseriscono tutte le resistenze, la cui somma (Ra) vale 23 kΩ: si ottiene così la frequenza più bassa, corrispondente al DO iniziale dell’ottava:
f = 1,44 / 0,1 µF (1kΩ + 2×23 kΩ) = 306,4 Hz
Con gli altri pulsanti si passa per valori intermedi, teoricamente ognuno a 1/8 della distanza tra i due DO, perché la distanza tra note uguali di un’ottava corrisponde al doppio della frequenza. Abbiamo dovuto aggiustare leggermente le frequenze in base ai valori di resistenza disponibili nella serie E24, arrivando ai valori riportati in Tabella 1, con la frequenza di ciascuna nota.
Dalla forma d’onda al duty-cycle
L’onda generata dal 555 è praticamente quadra, almeno nelle note in cui la resistenza inserita fra i piedini 7 e 2-6 è nettamente superiore a R1. Gli impulsi diventano più larghi rispetto alle pause man mano che il tasto premuto è più vicino a S8, perché la durata dell’impulso vale:
th = 0,693 (R1+Ra) C2
mentre la pausa dura:
tl = 0,693 x Ra x C2
e coincide con la fase in cui il piedino DISCH scarica il condensatore C2. Il duty-cycle (dc) di un’onda rettangolare è pari al rapporto fra impulso e periodo:
dc = th / T
Poiché il periodo T è la somma di th e tl, e th dipende dalla somma di R1 ed Ra, maggiore sarà quest’ultima, più il duty-cycle si avvicinerà al 50%.
Stabilito come funziona il 555, il segnale del piedino OUT alimenta la bobina mobile dell’altoparlante LS1, accoppiato tramite il condensatore elettrolitico C4 posto in serie. C4 non serve tanto a bloccare la componente continua — il 555 astabile non ha mai l’uscita costantemente alta — quanto a simulare una forma d’onda alternata ai capi dell’altoparlante.
Quando OUT è a livello alto, nel condensatore fluisce corrente diretta verso la bobina di LS1; quando OUT commuta a zero, il condensatore si scarica attraverso l’altoparlante, generando un flusso di corrente inverso. La corrente alternata ha fronti di salita e discesa esponenziali, per via della carica e scarica di C4, che smorza le armoniche capaci di alterare la timbrica delle note con un’onda rettangolare pura. L’alimentazione si applica ai morsetti + e – PWR e raggiunge i piedini di alimentazione del 555, filtrata dal condensatore ceramico C1 per eliminare eventuali disturbi.
Realizzazione pratica
Il kit completo di tutti i componenti è disponibile nello shop di Futura Elettronica.
Il PCB ha la sagoma di un pianoforte, da ottenere dopo aver inciso e forato il circuito stampato. Si può ritagliare con cesoie da lattoniere o un seghetto da traforo, rifinendo poi il bordo con carta vetrata via via più fine.
Ottenuto il PCB, si dispongono i pochi componenti occorrenti, tutti per montaggio tradizionale (THT, a foro passante): niente SMD da maneggiare. Si inizia con le resistenze e lo zoccolo per il 555, da orientare come indicato nel piano di montaggio, quindi si passa ai pulsanti e ai condensatori, partendo da quelli non polarizzati e finendo con l’elettrolitico C4, che ha una polarità da rispettare.
Si monta infine la morsettiera bipolare da c.s. a passo 5 mm e si inserisce il 555 nel proprio zoccolo, allineando il riferimento sulla parte alta del corpo alla tacca dello zoccolo, verificando che nessun piedino si pieghi sotto il corpo durante l’operazione. Con un corto spezzone di piattina rosso-nera di piccolo diametro si collegano i contatti di uscita + e – LS1 ai terminali dell’altoparlante, rispettando la polarità; con del silicone sigillante o colla a caldo si fissa l’altoparlante al fondo del PCB, evitando che tocchi le piste.
A questo punto il circuito è pronto: non richiede alcuna taratura né operazioni preliminari. Si può iniziare subito a suonare.
