Musical DRSSTC

Zuerst einmal klingt der Gedanke, einer DRSSTC die Musikwiedergabe beizubringen, unglaubwürdig und schier unmöglich. Da eine solche Spule mit immensen Strömen im Primärkreis betrieben wird, bleibt für analoge Signale kein Platz. Als Modulatorsignal in die Spule eingespeist, würde das einem Todesurteil gleich kommen. Die Belastung wäre einfach zu groß.

Also, was machen?

Findige Tüftler in aller Welt haben verschiedene Methoden getestet, die es zumindest ermöglichen, einer DRSSTC verschiedene Töne zu entlocken, gleich einem Piezo Piepser, denn viel musikalischer sind solche Spulen einfach nicht.

Da das hochfrequente Signal der Spule, welches auf die Brücke gelangt, in kleinen Paketen zwischen 100 und 300µS geliefert wird, hat man nicht sehr viel Spielraum, dort zu modulieren. Was man aber tun kann, ist die sogenannte Off Time, also die Zeit, die zwischen den Pulsen liegt, zu modulieren, und zwar mittels Midi Signalen oder auf dem analogen Weg, wie ich es getan habe. (Um dem Text folgen zu können, und die Zusammenhänge zu verstehen, sollte man sich schon ein wenig mit Teslaspulen und deren Funktion befasst haben. Für alle, die sich noch einlesen müssen, empfehle ich, sich vorher die Funktionsweise einer DRSSTC durchzulesen)

Dazu habe ich mich einer einfachen Schaltung bedient, die ich auch zuvor schon für andere Zwecke eingesetzt habe, und nun meinen Bedürfnissen anpassen konnte.

Da das Umwandeln seines Lieblingsstückes für den DRSSTC Gebrauch nicht sinnvoll ist, müssen wir uns mit der rohen Melodie begnügen, die entweder als Midi Datei vorliegt oder in Kleinarbeit von Hand bearbeitet werden muss.

Es gibt zwar mittlerweile Programme für Microcontroller, die ein Midi Signal in Echtzeit verarbeiten und in Pulsen auswerten, die direkt zum Treiben einer DRSSTC benutzt werden können, jedoch erschien mir diese Methode viel zu komplex. Demnach bleiben wir beim guten alten analogen Signal.

Eine DRSSTC wird im Normalbetrieb mit etwa 120-200Hz (off Time) betrieben. Die Zeit zwischen den Pulsen beträgt also 1/200=0,005S = 5mS

Diese 5mS entsprechen dem charakteristischen surrenden Geräusch, welches wir beim Betrieb einer solchen Spule hören. Dreht man die off time höher, verkürzt sich der Abstand zwischen den Pulsen und der Ton erscheint höher.

Die Idee, einer Spule mit dieser Technik Töne zu entlocken ist einfach genial und auch genial einfach.

Nur, wie bringt man seinem Modulator bei, mittels eines Eingangssignals genau das zu tun?

Wie genau ich es gemacht habe, werde ich anhand einiger Beispiele und Diagramme erklären.

Oben abgebildet sehen wir die Frequenzen in Hz, die denen der Tonleitern entsprechen. Natürlich gibt es auch bei diesen Spulen extreme Einschränkungen, was die Spielbarkeit der höheren Oktaven mit einschließt. Schuld daran ist das Verhältnis von On Time zu Off Time.

Eine Verhältnismäßigkeit von maximal 10% sollte eingehalten werden.

Das bedeutet, dass die höchste spielbare Note, die eine solche Spule ohne Schaden übersteht, maximal dem 10fachen der eingestellten On time entsprechen darf.

schauen wir uns zum Verständnis doch einmal ein weiteres Diagramm an.

Diese Simulation stellt ein Signal mit 10% Duty Cycle dar. Die Pulse, die 200µS lang sind, entsprechen in etwa der Pulslänge, mit der eine normale DRSSTC arbeitet. In dieser An Periode wird die Hochfrequenz übermittelt, also die Frequenz, mit der die Spule auf Resonanz gehalten wird. Manche Spulen kommen mit kurzen Pulsen aus, manche brauchen aufgrund ihrer Größe oder eines unausgeglichenen Schwingkreises längere Pulse.

Ausgehend davon setzt sich die Dutycycle von 10% aus den Pulsen mit 200µS und der Länge der Pause bis zur nächsten ansteigenden Flanke zusammen. Die Pause (Off Time) dauert demnach 1,8mS

In Hz entsprechen 1,8mS = 1000/1,8= 555,55Hz Und das entspricht ziemlich genau einem Cis

Fährt man also seine DRSSTC auf 200µS On Time und will die 10% Hürde nicht überschreiten, so ist nach dem Cis der 2 ten Oktave Schluss mit Lustig.

Das hat einfache Gründe.

Je öfter und je enger diese Pulse gedrängt sind, desto häufiger wird der Primärschwingkreis einer DRSSTC zum Schwingen angeregt, und umso häufiger schalten die Igbts, mehr Wärme, eine höhere Belastung, somit höherer Stromverbrauch. Zudem kann es vorkommen, dass sich im Schwingkreis aufgrund zu nahe stehender Pulse die gedämpfte Schwingung überschneidet. Der Strom im Primärkreis kommt zu diesem Zeitpunkt überhaupt nicht mehr zum Erliegen, sondern schwingt harmonisch zwischen unterer und oberer Grenze, was fatale Folgen haben kann.

Modulation

Wollen wir nun unserem Modulator die Noten beibringen, so benötigen wir eine Quelle, die exake und vor allem gerade Töne erzeugen kann. Dies kann ein software Synthesizer oder ein Hardware Synthesizer sein. Der Versuch, die Pulse aus einer Musik CD zu erzeugen ist für den Gebrauch nicht von Vorteil. Die Modulation würde in einem chaotischen Durcheinander von Pulsen enden.

Von Vorteil ist es also, sich genau den Part eines Musikstücks zu nehmen, den man auch wiedergeben kann, also die Melodie. Mit meiner Methode ist es möglich, die Tonlänge, sowie die Lautstärke der einzelnen Töne durch die Pulslänge sowie die exakte Tonhöhe der einzelnen Noten in Pulse umzuwandeln, die einer DRSSTC zugeführt werden können und durch die Entladungen in hörbare Töne umgewandelt werden.

Hierzu werde ich ein weiteres Beispiel geben.

Auf diesem Bild kann man das Eingangssignal erkennen, aus welchem der später aufgeführte Modulator seine Tonhöhe, die Tonlänge und anhand der regelbaren On Time, intern die Lautstärke moduliert.

Der markierte Bereich ist etwa 2,154mS lang und entspricht 1000/2,154= 464Hz also einem Ais der ersten Oktave mit 2,16Hz Abweichung.

Diese Pulse wurden von mir in einem Musikprogramm erstellt, in dem es mir möglich war, einen Synthesizer zu verwenden, der Rechtecke ausgibt. Der Ton ansich dauert nur 65,034mS und entspricht somit einer 1/16tel Note, da 1000/65,034=15,376 beträgt, also grob 16 Anschläge pro Sekunde, rechnet man die kurzen Pausen zwischen jedem Anschlag hinzu.

Ein tiefer Ton zum Vergleich.

Die Länge der Note entspricht der auf dem ersten Bild. Es handelt sich hierbei auch um eine 1/16tel Note, jedoch mit einer viel groberen Struktur.

Die Länge einer Periode eines Impulses beträgt hier 8,66mS= 1000/8,66= 115,47Hz was einem F entspricht (116,41Hz) und nicht in meiner Tabelle aufgeführt ist. Nach meiner Tabelle läge dieses F auf der C-1 Oktave, also 2 Oktaven unter meiner Auflistung. Also ein sehr tiefer Ton. Umso verwunderlicher ist es, zu wissen, dass eine solche Spule sehr wohl tiefe Töne wiedergeben kann, also auch sogenannte “Baselines” wie man sie von Bassgitarren her kennt.

Da nun aber diese Rechteckimpulse viel zu lang sind, und in sich einer Duty Cycle von 50% entsprechen, also die Zeit in der das Rechteck auf einem High Potential steht, entspricht exakt der Zeit, in der das Rechteck auf Low, also 0 steht, benötigen wir eine Schaltung, die aus diesem Signal etwas Brauchbares formt.

Schaltung

Die oben beschriebenen Tonfolgen mittels software zu generieren ist der schwierigste Punkt bei diesem Projekt. Ohne passende Software wird nichts aus einer “singenden Teslaspule”

Die Schaltung, die ich entwickelt habe und zu testzwecken zur Verfügung stelle, verfügt über einen Operationsverstärker, der als vorverstärker geschaltet ist. Somit ist es möglich ein low Level audiosignal zum Ansteuern zu verwenden, also das Signal aus einem Cd Player oder einem PC.

Das Audiosignal gelang durch einige Filter in den LM741 und wird dort verstärkt. weitergeleitet an die beiden BC 547 diedas Signal noch weiter verstärken und einem Schmitt Trigger gleich ein Rechtecksignal formen. Somit ist es auch zb möglich, mit Sinussignalen zu arbeiten.

Der wichtigste Part bei dieser Schaltung ist aber ganz sicher der NE555, der die Hauptaufgabe in dieser schaltung übernimmt, und zwar aus den ankommenden Rechtecksignalen Pulse zu erzeugen, die der Spule zugeführt werden können.

Das Signal in Grün liegt am Eingang des LM741 an und entspricht unserem Tonsignal in Rechteckform. Dieses Signal wird aufbereitet und verstärkt, invertiert und noch einmal invertiert, bevor es am Trigger Eingang des 555 landet. Nun geschieht folgendes. Wird der Trigger Eingang des 555 positiv gehalten, geschieht am Ausgang herzlich wenig, und der Oszillator ist sozusagen auf Standby. Bahnt sich nun aber ein Puls, oder eine ganze Folge von Pulsen durch die Schaltung, wird verstärkt und invertiert und nochmals invertiert, so zieht der 2te BC547 über den 10nF Kondensator den Trigger Eingang des 555 kurzzeitig gegen Masse. Dies veranlasst den 555 zu “triggern” und einen Puls von exakter Länge, bestimmt aus dem Poti und dem 22nF Kondensator zu generieren. Dieses Signal, welches am Ausgang des 555 dann anliegt, ist hier rot dargestellt. Der Abstand zwischen diesen Pulsen entspricht exakt dem Abstand des grünen Eingangssignals, in dem natürlich auch die wichtige Information “Tonhöhe” gespeichert ist. Alles, was wir mit dieser Schaltung nun getan haben ist den überflüssigen Teil des Rechtecksignals abzuschneiden. Die On Time (hier rot dargestellt) können wir mithilfe des Potis regeln und somit auch die Leistung der Spule bestimmen.

Je nach Tonhöhe und Abfolge der Eingangssignale, generiert diese Schaltung also die Pulse, die für unsere DRSSTC verwertbar sind.  

Akkorde

Kommen wir zu einem weiteren heiklen Thema.

Es kann zu Problemen kommen, wenn mehrere Noten gleichzeitig gespielt werden, wie es zb bei Akorden der Fall ist.

Da ein Rechtecksignal von sich aus nicht in der Lage ist, einen “akkordialen” Ton widerzugeben, wird die Information abwechselnd widergegeben. Dies macht aber der jeweilig verwendete Synthesizer auf verschiedenste Weise, weswegen die Ergebnisse hier stark differieren können. Mein Synthesizer verwendet eine Zwischenfrequenz, die abwechselnd beide Informationen über die Tonhöhe, also beide Noten abwechselnd in einer definierten wiederkehrenden Folge abspielt. Also wird für den X ten Teil der Note zb die Note A wiedergegeben, darauf folgt die Note F, dann wieder A dann wieder F. Die Frequenz dieses Wechsels zwischen beiden Noten kann eventuell im software Synthesizer eingestellt werden.

Durch meine Schaltung kann die DRSSTC mit keinem zu langen Puls beaufschlagt werden. Es kann allerdings durch diese Modulationsweise vorkommen, dass Töne nicht naturgetreu wiedergegeben werden, was aber an oben angedeutete, Beispiel liegen wird. Demnach sind Akkorde nicht zu empfehlen, aber durchaus möglich und nach einigen Tests eventuell auch sehr interesannt.

Meine DRSSTC7 und DRSSTC8 sind solche musikalischen Teslaspulen und wurden speziell für diesen Zweck entwickelt. Falls ihr euch dafür interessiert, schaut doch einfach in den Projekten bei den jeweiligen DRSSTCs vorbei, um mehr Infos und einige Videos zu finden.