Wie funktioniert eine Theremin-"Antenne"?

Dass Theremins Überlagerungsmischer verwenden, hat nichts mit HF zu tun. Die „Antennen“ sind keine Antennen im klassischen HF-Sinne. Die Kapazitätserklärung ist korrekt.

Kondensatoren und Theremin 'Antennen'

Der einfachste Kondensatortyp ist ein Plattenkondensator . Das bedeutet, dass der Kondensator aus zwei Metallplatten besteht, die durch ein Material namens Dielektrikum getrennt sind. Die Gleichung für die Kapazität eines solchen Kondensators lautet C=εA/d, wobei ε die Permittivität des Dielektrikums ist (ε≈8,8541878176..×10^−12 F/m für Luft).

Wenn Sie ein Theremin bedienen, ist Ihre Hand eine Platte (Ihre Hand ist effektiv geerdet), die Antenne ist die andere und die Luft zwischen den beiden ist das Dielektrikum. Wenn Sie Ihre Hand bewegen, variieren Sie die Kapazität zwischen Masse und der Antenne. Beide Hände wirken auf beide Antennen, da sie wie zwei parallele Platten wirken und die Gesamtfläche vergrößern.

Die beiden Antennen stehen im rechten Winkel, da dies den Einfluss Ihrer linken Hand auf die rechte Antenne verringert und umgekehrt. Wenn Sie beispielsweise Ihre Hand über der Volumenantenne auf und ab bewegen, behält sie einen relativ konstanten Abstand von der Pitch-Antenne bei, daher ist ihr Beitrag zur Gesamtkapazität konstant (und gering).

Theorie der Arbeitsweise

Hinweis/Update: Eine ausführlichere Beschreibung des Oszillators finden Sie in der Antwort von FredM .

Beide Antennenkondensatoren sind Teil zweier unterschiedlicher, komplexer aktiver LC-Oszillatoren . Das „L“ bezieht sich auf Induktoren, die Energie in einem Magnetfeld speichern; das „C“ bezieht sich auf Kondensatoren, die Energie in einem elektrischen Feld speichern. In einem LC-Oszillator fließt Energie ständig zwischen den beiden hin und her und ändert sich von elektrischem Potential zu magnetischem Potential.

Die Frequenz des Tonhöhenoszillators liegt jenseits der Audiofrequenzen und kann daher nicht direkt verwendet werden. Das Theremin hat einen dritten Oszillator, der mit einer festen Frequenz arbeitet. Die Ausgänge des Tonhöhenoszillators und des festen Oszillators werden in einen Heterodyn - Mischer eingespeist, was zu einem Ausgang führt, der die Summen- und Differenzfrequenzen der beiden Eingänge enthält. Die Summenfrequenz ist noch höher als das Originalsignal, ist also unbrauchbar und wird herausgefiltert . Das resultierende Signal ist eine einzelne Frequenz (plus Harmonische ) im Audiobereich.

Die Frequenz des Lautstärkeoszillators wird verwendet, um zu steuern, wie stark das Audiosignal verstärkt wird. Wenn Sie Ihre Hand bewegen, ändert sich die Frequenz, also ändert sich die Verstärkung des Verstärkers und damit die Ausgangslautstärke.

Es gibt einige Verwirrung, da es zwei gängige Topologien mit Thereminen gibt, aber in beiden Fällen ist der Abstandssensor rein kapazitiv (elektrisch / elektrostatisch, nicht in nennenswertem Maße magnetisch oder elektromagnetisch).

Die beiden Haupttopologien sind (a) ein LC-Schwingkreisoszillator mit einem in Reihe geschalteten L, das mit der Antenne verbunden ist und einen Reihenresonanzkreis bildet. Die Antenne L ist viel größer als der Tank L, und der Tank C ist viel größer als die Antenne C. Änderungen an der Antenne C werden durch die LC-Resonanz so "umgewandelt", dass diese Änderungen verursacht werden (aufgrund der jeweiligen Abstimmungen von die Antennen- und Tankbetriebsfrequenzen) in eine "virtuelle" variable Induktivität, die über den Tankinduktor gesehen wird - während der Antennenresonator auf Kapazitätsänderungen reagiert, wird die Tankfrequenz (Oszillatoren) durch variable Induktivität gesteuert - und die beiden interagieren miteinander andere auf komplexe Weise, die die musikalische Linearität verbessert.

(b) Die andere übliche (minderwertige) Topologie besteht darin, dass der Tankkondensator direkt parallel zur Antennenkapazität liegt und die Oszillatorfrequenz eine einfache LC-Funktion und extrem nichtlinear ist.

Beispiele für Topologie (a) sind alle von Lev Termen entworfenen Theremins, alle von Bob Moog entworfenen Theremins. Beispiele für Typ (b) sind Jaycar / Silicon Chip Theremins und der meiste einfache Müll, den man im WWW findet.

Es gibt auch andere, weniger verbreitete Topologien ...

Übrigens ist das "Schema" oben auf dieser Seite die schlechtestmögliche Art von Topologie vom Typ "b".

Während ich glaube, dass die erste Erklärung die "einfache" ist, denke ich, dass die zweite Erklärung sehr sinnvoll ist. Wie @Kortuk in seinem Kommentar feststellte, arbeiten Sie im "Nahfeld" -Bereich der Antenne. Dies ist die Region, die sich nicht ganz so verhält, wie Sie es erwarten würden, wenn Sie Ihre Berechnungen auf die Standard-Fernfeld-Antennenstrahlungsmuster stützen würden.

Im Nahfeld gibt es ein reaktives Nahfeld und ein resistives Nahfeld. Im reaktiven Nahfeld werden E- und H-Felder ständig aufgebaut und zusammengebrochen, ohne dass die Energie die Antenne verlässt, es wird nur zwischen den beiden verschiedenen Feldtypen gewechselt. Indem Sie Ihre Hand in die Nähe der Antenne halten, stehlen Sie effektiv etwas von der Energie, die sich in diesen Feldern befindet.

Ich denke, ein guter Vergleich wäre ein Paar Induktoren mit einer gewissen gegenseitigen Induktivität. Die Gegeninduktivität der zweiten Induktivität bewirkt die gemessene Induktivitätsänderung auf der ersten. Dasselbe passiert mit der Antenne. Indem Sie Ihre Hand nahe an die Antenne halten, nehmen Sie einen Teil der Leistung aus den E- und H-Feldern, die sich in der Region abwechseln, und ändern so die Menge an Induktivität / Kapazität, die der LC-Schwingkreis sieht, und verstimmen die Oszillator.