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18dB EMS-VCF-Clone

LINDHOF-MODULAR EMS VCF 18dBMir wurde ein Schaltplan an Herz gelegt. Es soll sich hierbei um einen 18dB EMS VCF handeln. Mir ist der Ursprung dieser Schaltung jedoch nicht bekannt und es befinden sich auch keine weiteren Informationen auf dem Schaltplan.

Da die Schaltung schon fast primitiv wirkt, und ich über die EMS Synthesizer gehört habe, daß sie im Vergleich zu anderen Synthesizern ihrer Zeit einen recht einfachen Schaltungsaufbau hatten, kann es sich also um einen EMS VCF handelt Der einfache Schaltungsaufbau ist kein Nachteil, den die technischen Unterschiede zu einem ideale Filter, den es ja nicht gibt, machen ja auch den klanglichen Charakter eines Filters aus.

Alles klar, dachte ich, und machte mich an den Aufbau meines Clones. Im folgenden werden meine Erfahrungen und Erkenntnisse beschrieben, die ich mit dem Aufbau dieser Schaltung gesammelt

Der Prototyp :

Die ganze Schaltung ist auf einer 1/2 einseitigen EURO-Platine aufgebaut worden.

 

Kapitel 1 : (Die Unterlagen)

Hier der original Schaltplan in zwei Größen.

Schaltplan klein / Schaltplan groß

Der kleiner Schaltplan eignet sich gut zur Darstellung auf dem Bildschirm.

Zur besseren Übersicht wurde ein neuer Schaltplan gezeichnet, der die Funktionsweise deutlicher darstellt.

Den neuen Schaltplan gibt es hier.

Kapitel 1: (Der erste Versuch)

Ich habe zur original Schaltung eine Platine entwickelt. Diese Platine war auf die schnelle entwickelt, mit vielen Drahtbrücken. Es wurden die original Transistoren verwendet und alle Widerstände hatten 1% Tol. Die Dioden wurden durch 1N4148 ersetzt, denn die 1N914 ist oft als Äquivalent angegeben ?! Die Kondensatoren in der Kaskade sind keramisch! Eine Paarung von T2 und T3 wurde nicht vorgenommen, denn die Transistoren lagen nicht in ausreichender Stückzahl vor. Die Dioden wurden nach Multimeter gepaart.

Diese Schaltung hatte keine Funktion !!!

Es ist kein Ausgangssignal vorhanden ! Das Eingangssignal ist links von der Kaskade vorhanden, recht fehlt es gänzlich !???

Kapitel 2:(Der zweite Versuch)

Da nach diversen Tests und Versuchen keine Funktion der Schaltung ersten Platine einstellte, habe ich mich entschlossen eine komplette Neuentwicklung vorzunehmen. Damit wollte ich Fehler in der Umsetzung zur Platine ausschließen die durch den undokumentierten, recht wilden Aufbau entstanden sind.

Für die neue Platine gelten die gleichen Bestückangaben wie bei der ersten Platine, nur das die Kondensatoren durch Folien-Typen ersetzt wurden. Die Platine ist diesmal optimiert und hat auch Löcher für die Frontplattenmontage und ein Anschluß für das Bussystem, welches die Betriebsspannung und die CV-Spannung liefert.

Leider zeigte die Platine die selbe Funktion wie die erste Platine, nämlich keine !!!

Kapitel 3:(Der entscheidende Tip)

Durch eine sehr interessante Mail von Frank Springer, in der er die allgemeine Funktion der Schaltung beschrieb und auch sehr konkrete Lösungsvorschläge gab, konnte den "Geheimnissen" auf die Spur gekommen werden.

Mir wurde von jemanden berichtet, der diese Schaltung schon mehrfach vergeblich aufzubauen versucht hat. Dabei sollen sich die Transistoren TR1 und TR4 sehr heiß werden, was darauf hindeuten könnte, das der Arbeitspunkt von TR4 nicht sinnvoll eingestellt sein kann.

Also, es paßt alles zusammen! Bei mir werden die zwei Transistoren mit den original Werten der Widerständen und original Bauteilen so heiß, daß der Tod eines Transistors unausweichlich ist. Dann ist der Strom durch das Filter unterbrochen und die Schaltung zeigt natürlich keine Funktion mehr (und ist auch nicht mehr warm).

Zur allgemeinen Verbesserung der Schaltung werden die Transistoren durch BC547C ersetzt und TR2 und TR3 gepaart. Desweiteren wird der OpAmp IC3 durch eine besseren (z.B.TL081) ersetzt. Hier handelt es sich um einen Ausgangsverstärker an den höhere Ansprüche gelten als bei der Steuerspannungsaufbereitung (IC1 & IC2).

Hier eine sehr gute und sehr ausführliche Beschreibung der Schaltung von Frank Fringer:

Die Schaltung verstehe ich folgendermaßen. Der eigentliche Filter besteht dabei aus den Dioden D3 bis D16, den Kondensatoren C2 bis C5, den Transistoren TR1 bis TR4 und den Widerständen R12 bis R19, die die Arbeitspunkte der Transistoren festlegen. Der Teil links davon bereitet die Steuerspannung auf und rechts befindet sich der Ausgangsverstärker, der das Signal phasenrichtig zusammensetzt, die Resonanz erzeugt und die Ausgangsimpedanz anpaßt.

(Das ganze entspricht im Prinzip der Moogkaskade, nur daß hier Dioden anstelle der Transistoren als veränderliche Widerstände verwendet werden.)

TR4 ist dafür verantwortlich, wieviel Strom durch das Filter, d.h. D3 bis D16 und TR1 bis TR4 fließt. Dieser Strom bestimmt die Filterfrequenz. Je mehr Strom fließt, desto höher die Frequenz, je kleiner der Strom, desto niedriger die Frequenz.

Damit überhaupt ein Signal übertragen werden kann, muß zumindest ein geringer Strom durch das Filter fließen. Andererseits darf der Strom auch nicht so groß werden, daß die Schaltung zerstört wird. Mir fällt auf, daß im Filterstromkreis zwischen positiver und negativer Betriebsspannung sich kein einziger ohmscher Widerstand befindet, sondern nur Halbleiterübergänge. Dadurch kann der Strom theoretisch beliebig groß werden. Außerdem wird die Schaltung dadurch recht instabil und schwierig zu handhaben.

Die ganze Verantwortung für den Strom hängt also an TR4 und daran, daß er sinnvoll angesteuert wird. Daher ist die Schaltung, die die Steuerspannung aufbereitet, auch entsprechend aufwendig. Die beiden Dioden D1 und D2 sollen zusammen mit den Spannungsteilern R8, R9 und R10, R11 den Bereich, in dem TR4 angesteuert werden kann, sinnvoll begrenzen. Das geschieht hier aber nur sehr halbherzig, da der Ausgangswiderstand R7 des Steuerspannungsverstärkers kleiner ist, als die der Spannungsteiler, wodurch die Steuerspannung zwar gebremst, aber nicht begrenzt wird.

Die Beobachtung, daß die Transistoren viel zu heiß werden, deutet darauf hin, daß TR4 permanent zu stark angesteuert wird. Auch der eingeschränkte Regelbereich ist ein Hinweis dafür.

Kapitel 4 : ( Genauere Berechnung/Simulierung )

Ich habe die Schaltung auch mit EWB simuliert, und habe einen maximalen Strom durch das Dioden-Ladder von 14mA berechnet bekommen. Leider kenne ich mich mit dem Programm noch nicht so gut aus, und das Problem mit der Wärme wird eventuell nicht mitberechnet. Bei mir wurde von einer Temperatur von 27 Grad ausgegangen, was ja nicht ganz richtig ist !!!

Außerdem hat mir der Test Fehlermeldungen bei den Dioden ausgegeben :
"Druchbruchstrom wurde auf 3.86635e-10 vergrößert, um Probleme mit der spezifizierten Sättigungstrom zu beseitigen"

Das sagt mir irgendwie nicht so viel, hat aber ersteinmal keinen weiteren Einfluß !???

Am Transistor T4 fallen nach meinen Berechnungen ca. 18V ab, was mit dem Strom von 14mA eine Leistungsaufnahme von 250mW ergibt. Kleinsignaltransistoren verkraften maximal 300mW unter günstigen Bedingungen. Eine Erwärmung ist also garantiert.

Eine Funktion der Originalschaltungs sehe ich in der Simulation gegeben, wenn sich die Halbleiter nicht so stark erwärmen würden.

Die gewonnene Kenntnis: Den Strom unter einem Wert halten, bei dem die Erwärmung einen höheren Stromfuß verursacht würde, der wiederum eine noch höhere Temperatur zur Folge hätte, usw.

Kapitel 5 : (Der Versuch am Objekt)

Als primärer Punkt der Versuchsreihe geht es nun um den Strom durch das Filter.

Als erstes ist es sehr wichtig eine Zerstörung der Transistoren vorzubeugen. Ein Multimeter zwischen +15V und dem Kollektor von Tr1 hilft den Strom im Auge zu behalten, und notfalls "abzuschalten".

Es ist aufgefallen, daß es keine Trimmpotis zum Abgleich der Steuerspannungscharakteristik gibt. Das deutet darauf hin, daß diese Schaltung im Werk mit Festwiderständen abgeglichen wurde.

Um einen Einfluß auf den Stromfluß zu haben wurde R12 durch ein Trimmer mit 47k ersetzt. Jetzt wurde der Trimmer von seinem maximalsten Wert langsam verkleinert und dabei der Stromfluß durch das Filter beobachtet.

Ich habe mich bei meinen ersten Versuchen erst einmal an die 14mA aus der Schaltungsberechnung gehalten. Leider ist dieser Strom aber das ist zu hoch !!! Der Strom steigt dann unhaltbar bis zum Exodus des Transistors Tr4.

Bei mir ist bis zu einem Strom von 1,5mA durch das Dioden-Ladder möglich, ohne daß sich die Transistoren merklich heiß wurden. Leider stelle ich immer noch eine leichte Schwankung des Stroms fest.

Leider habe ich keine Prüfung der Cutoff-Frequenz durchgeführt. Ich habe mich ausschließlich mit dem Strom beschäftig !!!

Mit einer Vergrößerung von R12 läßt sich also der Stromfluß auf ein verträgliches Maß senken. Die Auswirkungen auf den Regelbereich sind hier noch nicht untersucht worden.

Kapitel 6 : (Zusammenhang von Filterfrequenz und Strom)

Der nächste Schritt ist , einen Zusammenhang von Filterfrequenz und Strom zu finden. Vielleicht reicht ja der einstellbare Strombereich schon aus, um die Frequenz zu steuern.

Die Grundfunktion des Filters ist aber schon einmal geben !!!

Jetzt muß nur noch eine Frontplatte hergestellt werden, und endlich ist der EMS VCF fertig.

Hier will ich mich noch einem für die Tips und Anregungen bei Frank Springer und Matthias Stockbedanken.

Weitere Filter-Module mit unterschiedlichen Funktionen:

Formant-Pro 12dB-Multimode-VCF
Formant 24dB-Multimode-VCF
Steiner-VCF
18dB-Lowpass-VCF
Formant-Pro 24dB Moog Kaskarde
Formant Resonance-Filter-Modul  

Quelle:

Schaltplan unbekanter Herkunft. Könnte ein EMS Filter sein!

Zusätzliche Informationen & Interessantes zum Modul:

Weitere Informationen zu diesem Modul, zu dem Modularsynthesizer und zu allgemeinen Grundlagen ergänzen das bisher Beschiebene.

Verwendete Patch/Messkabel mit 4mm "Bananenstecker"
Informationen zum internen Synthesizerbus
Gehäusetechnik - 19" Modularbaugruppenträger
Geschichte und Funktionsweise von Klangsynthese