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Elektronisches Musikinstrument
Ein elektronisches Musikinstrument benötigt im Tastsystem eine grosse Anzahl von Kontaktelementen, um beim Betätigen einer Manualtaste die ihr zugehörigen Tonfrequenzspannungen direkt oder indirekt zu schalten. Die Mindestzahl der erforderlichen Kontaktelemente ist das Produkt aus der Zahl der Manualtasten und der dem Manual zugehörigen Koppeln. An die Art der Kontaktelemente werden besondere Anforderungen hinsichtlich ihrer Betriebssicherheit und Schaltgeräuschfreiheit gestellt, ausserdem ist noch eine Beeinflussung der geschalteten Tonfrequenzspannung hinsichtlich deren Amplitude und Frequenzgang durch das Kontaktelement erwünscht, um sogenannte Einschwingvorgänge nachbilden zu können.
Ein elektronisches Musikinstrument mit 2 Manualen mit je 60 Tasten und mit je Manual 6 Koppeln arbeitet im Tastsystem mit insgesamt 720 Kontaktelementen. Aus diesem Beispiel ist ersichtlich, dass die Ausführungsart der Kontaktelemente im Tastsystem wesentlich den Gesamtaufwand für ein elektronisches Musikinstrument bestimmt. Aus diesem Grunde arbeiten elektronische Musikinstrumente fast ausnahmslos im Tastsystem mit metallischen Schaltkontakten, die als Ruhe- oder auch als Arbeitskontakte wirken. Metallische Schaltkontakte haben aber im Tastsystem eines elektronischen Musikinstrumentes schwerwiegende Nachteile, insbesondere durch ihre Störanfälligkeit infolge Korrosion der Kontaktflächen und durch die sich der getasteten Tonfrequenzspannung beim Tasten überlagernden impulsförmige Störspannung, die beim Tasten als Tastklick bezeichnete Störgeräusche verursacht. Werden z.
B. bei einer Elektronenorgel, bei der den einzelnen Koppeln voneinander unabhängige getrennte Klangfarben zugeordnet sind, 10 Manualtasten gleichzeitig betätigt und sind dabei 6 Koppeln, eingeschaltet, so werden gleichzeitig 60 metallische Kontakte geöffnet bzw. geschlossen, wobei jeder einzelne Kontakt einen Störimpuls erzeugt. Da es ausserdem physikalisch unmöglich ist, dass alle Kontakte sich zu genau dem gleichen Zeitpunkt schliessen bzw. öffnen, bilden die 60 Impulse eine Störimpulsfolge, die als Störgeräusch beim Tasten vor allem bei oberwellenreichen Registern stark in Erscheinung tritt. Es ist zwar möglich, dieses Störgeräusch durch sogenannte Klickfilter zu dämpfen, dies gelingt aber nur durch die gleichzeitige Be-
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gend aus diesen zusammensetzt.
Dies bedeutet aber den bewussten Verzicht auf die höheren Harmonischen der getasteten Tonfrequenzspannung und damit auf die Brillanz der erzeugten Klangfarben. Ausserdem ist es mit einem metallischen Schaltkontakt nicht möglich, die Amplitude und den Frequenzgang der mit ihm getasteten Tonfrequenzspannung direkt zu beeinflussen und damit Einschwingvorgänge nachzubilden die Toneinsätze sind hart und mit dem schon erwähnten Tastklick behaftet.
Man kann die metallischen Schaltkontakte durch Potentiometer ersetzen und damit vom Hub der Manualtasten die Amplitude der in diesem Falle geregelten Tonfrequenzspannung abhängig machen ; ausserdem würden nach diesem System die Tastklicks wegfallen. Diese Methode ist allerdings sehr aufwendig und allein schon aus mechanischen Gründen sehr schwierig zu realisieren. Zusätzlich könnten trotzdem noch Störgeräusche durch Korrosion der aufeinander schleifenden und Tonfrequenzspannung führenden Kontaktflächen des Potentiometers entstehen, weiterhin würden diese durch die sehr häufige Betätigung einem unzulässig hohen Versdueiss unterliegen.
Ein weiterer Lösungsweg für die Kontaktelemente des Tastsystems eines elel, tronischen Mnsikinstru-
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mentes besteht darin, an Stelle von metÌlllischen SchaltkontaktenHalbleiterbauelemente, z. B. Germanium- dioden, als Kontaktelemente einzusetzen. Die Schalterwirkung der Dioden wird durch die Polaritätsumtastung einer an den Dioden liegenden Vorspannung und durch die dadurch bedingte starke Innenwiderstandsänderung dieser erreicht, wobei im nichtgetasteten Zustand die hochohmig den Dioden zugeführte Tonfrequenzspannung durch den dann niedrigenlnnenwiderstand der Dioden auf das erforderliche Mass gesenkt wird.
Nach diesem Prinzip kann die Polaritätsumtastung der Dioden über Zeitkonstantenglieder erfolgen und damit auf einfache Art eine Nachbildung von Einschwingvorgängen erreicht werden. Zur Erzielung der erfor4erlichenRegelsteilheit der galvanischen Trennung des Gleichspannungstastkreises vom Tonfrequenzkreis und einer hochohmigen Dimensionierung des zur Nachbildung der Ausgleichsvorgänge erforderlichen Zeitkonstantengliedes macht sich die Steuerung der Polaritätsumtastung der Vorspannung der Dioden durch eine Elektronenröhre erforderlich, wobei das Zeitkonstantenglied vorzugsweise am Steuergitter liegt und durch eine Gittervorspannungsänderung eine Anodenstromänderung bewirkt wird.
Durch geeignete Schaltungsdimensionierungen polt sich die Vorspannung der im A node nkreis der Elektronenröhre liegenden Dioden gemäss der Zeitfunktion des im Gitterkreis liegenden Zeitkonstantengliedes um. Diese Methode hat den Nachteil eines hohen Aufwandes an elektrischen Bauelementen, man benötigt je Taste des Manuals eine Elektronenröhre und zu deren Gittervorspannungstastung über das Zeitkonstantenglied einen metallischen Schaltkontakt, die Anzahl der erforderlichen Dioden entspricht der Zahl der sonst benötigten metallischen Schaltkontakte. Ein weiterer Nachteil ist, dass dereinmal eingestellte Ausgleichsvorgang gemäss der Zeit- funktion des Zeitkonstantengliedes starr verläuft.
Eine individuelle Steuerung und Beeinflussung des Einschwingvorganges während der Betätigung einer oder mehrerer Manualtasten und dabei unabhängig voneinander geht damit als charakteristisches Wesenselement der Instrumentalmusik verloren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bisher gebräuchlichen Tastsysteme von elektronischen Musikinstrumenten völlig zu vermeiden. Der die gestellte Aufgabe erfüllende erfindungsgemässe Lösungsweg ist folgender :
Es ist bei Gasentladungsröhren bekannt, ihr ionisierbares Medium durch äussere hochfrequente Wechselspannungsfelder zu ionisieren. Dabei wird das'Gasentladungsgefäss für die an seinen Elektroden liegen-
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Spannung selbst aufrechterhalten, zur Entionisierung ist es daher erforderlich, den geschalteten Stromkreis zu unterbrechen. Weiterhin kann der Zündeinsatz von gasgefüllten Gleichrichterröhren bekanntlich durch Verändern eines auf dieselbe einwirkendenHF-Spannungsfeldes beeinflusst werden.
Darüber hinaus ist es. bekannt, bei Gasentladungsröhren mittels innerhalb oder ausserhalb angebrachter Hilfselektroden durch Anlegen entsprechender Potentiale an dieselben den Stromdurchgang zu beeinflussen. Bekannte Anwendungen sind Tyratrons mitKalt-oder Glühkathode, gasgefüllte Gleichrichterröhren und Elektrcnenblitzröhren.
Erfindungsgemäss werden nun bei einem elektronischen Musikinstrument mit zur Steuerung bzw. Einschaltung der Tonfrequenzspannungen durch Betätigung von Manualtasten od. dgl. veränderbaren Widerständen bzw. Schaltern als regelbare Widerstände bzw. Schalter Gasentladungsröhren vorgesehen, über deren Elektroden die von Tonfrequenzgeneratoren gelieferten, unterhalb der Zünd- und Brennspannung liegenden Tonfrequenzspannungen geführt sind, wobei jede Gasentladungsröhre innerhalb eines Wechselspannungsfeldes liegt, durch das sie ionisierbar ist, wobei zur Veränderung des Ionisationsgrades der Gasentladungsröhre zwischen dieser und den das Wechselspannungsfeld zuführenden, ausserhalb der Gasentla- dungsröhre liegenden Elektroden ein von einer Manualtaste od. dgl. verstellbarer, insbesondere schwenkbarer Schirm vorgesehen ist.
Die Funktion der Gasentladungsröhren als Widerstand bzw. Schalter wird hiebei durch Ausnutzung folgender bekannter gasphysikalischer Erscheinung erreicht : Im nichtionisierten Zustand ist die Gasentladungsstrecke eines Gasentladungsgefässes nicht leitend, ihr Innenwiderstand ist demnach unendlich gross.
Wird nun die Gasentladungsstrecke eines Gasentladungsgefässes von einem Wechselspannungsfeld durchsetzt, dessen Frequenz höher ist als die entsprechende Entionisierungszeit des ionisierbaren Mediums und dessen Spannung so hoch ist, dass das das ionisierbare Medium durchsetzende Wechselspannungsfeld eine Ionisation desselben bewirkt, so wird die Gasentladungsstrecke des Gasentladungsgefässes leitend. Der Innenwiderstand der Gasentladungsstrecke des Gasentladungsgefässes ist dabei vorwiegend von der Grösse des das ionisierbare Medium durchsetzenden Wechselspannungsfeldes und der Art des ionisierbaren Mediums abhängig. Die zu schaltende Spannung wird dabei den Elektroden des Gasentladungsgefässes zugeführt.
Für die Erfindung ist Voraussetzung, dass die an den Elektroden des Gasentladungsgefässes liegende und zu schaltende Spannung sowohl unter der Zünd- als auch unter der Brennspannung des Gasentladungs-
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gefässes liegen muss, um die erfindungsgemässe Schaltfunktion des Gasentladungsgefässes zu erreichen. Die zu schaltende Spannung bewirkt also keine Ionisation des ionisierbaren Mediums und sie kann diese auch dann nicht aufrecht erhalten, wenn das das ionisierbare Medium durchsetzende und dadurch ionisierende Wechselspannungsfeld nicht mehr vorhanden ist. Der Innenwiderstand des Gasentladungsgefässes ist also nur von dem das ionisierbare Medium durchsetzenden und damit ionisierenden Wechselspannungsfeld abhängig
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Gasentladungsgefässes liegt.
Zusammenfassend festgestellt, ist also das Gasentladungsgefäss für die an seinen Elektroden liegende und zu schaltende Spannung nur so lange leitend, solange dessen ionisierbares Medium von dem es durchsetzenden Wechselspannungsfeld ionisiert wird. Durch Säuerung der Grösse des das ionisierbare Medium des Gasentladungsgefässes durchsetzenden, damit ionisierenden und damit leitend machenden Wechselspannungsfeldes kann der Innenwiderstand des Gasentladungsgefässes für die an seinen Elektroden liegende und zu schaltende Spannung gesteuert werden. Wirkt das Gasentladungsgefäss dabei schaltungstechnisch als Regelwiderstand in einem Spannungsteiler, so kann am Spannungsteilerpunkt die Grösse der geschalteten Spannung in Abhängigkeit vom Innenwiderstand des Gasentladungsgefässes geregelt werden.
Bei der Anwendung dieses Prinzips für das Tastsystem eines elektronischen Musikinstrumentes kann das Gasentladungsgefäss im einfachsten Fall beispielsweise eine Glimmlampe sein, die im nichtionisierten Zustand für die an ihren Elektroden liegende Tonfrequenzspannung als offener Arbeitskontaktwirkt.
Wird die Glimmlampe durch das sie durchsetzende Wechselspannungsfeld ionisiert, so wird sie leitend und schliesst den Tonfrequenzkreis. Weiterhin kann die Amplitude der Tonfrequenzspannung durch Steuerung des'Ionisationsgrades des Gasentladungsgefässes und damit dessen Innenwiderstandes nach dem Spannungsteilerprinzip geregelt werden. Hiebei ist ausserdem noch möglich, den Frequenzgang von Hochund Tiefpassgliedern zu ändern, wenn sie diesen schaltungstechnisch eingeordnet sind. Die Glimmlampe kann also durch Steuerung und Regelung ihres Ionisationsgrades für die an ihren Elektroden liegende und zu schaltende Tonfrequenzspannung als Schalt-oder als Regelorgan oder als Funktion beider wirken, wobei sich die Regelung sowohl auf die Amplitude als auch den Frequenzgang der geschalteten Tonfrequenzspannung erstrecken kann.
Die Steuerung desionisationsgrades der Glimmlampen kann dabei vom Manualtastenhub abhängig gemacht werden.
Bei der Verwirklichung des erfindungsgemässenprinzipsim Tastsystem eines elektronischen Musikinstrumentes ergeben sich folgende Vorteile :
Völlige Freiheit von metallischen Schaltkontakten und damit von sich der getasteten Frequenzspannung überlagernden Storspannungen, individuelle Beeinflussbarkeit der Amplitude der getasteten Tonfrequenzspannung während jedes Zeitpunktes des Tastvorganges und damit in Verbindung mit der gleichzeitigen Beeinflussung des Frequenzganges derselben die Nachbildung von Ausgleichsvorgängen, äusserst geringe Störanfälligkeit bei minimalem Aufwand und Freiheit von einem grösseren mechanischen Verschleiss unterliegenden Bauteilen.
Ausserdem können noch zusätzlich die im Tastsystem eines elektronischen Musikinstrumentes erforderlichen Entkoppelungswiderstände eingespart werden, da bei geeigneter Dimensionierung des als Ionentastsystem zu bezeichnenden erfindungsgemässen Tastprinzips der sich bei der Ionisation des Gasentladunggefässes einstellende Innenwiderstand desselben die Funktion des sonst noch für jedes Kontaktelement einzeln erforderlichen Entkoppelungswiderstandes übernehmen kann.
Die Anzahl der für ein nach dem erfindungsgemässen Prinzip arbeitendes Tastsystem erforderlichen Gasentladungsgefässe, im einfachsten Fall übliche Glimmlampen, entspricht der Zahl der sonst erforderlichen Schaltkontakte.
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung herausgegriffen :
Die Fig. 1 zeigt die Anordnung und Funktion derBauelemente der erfindungsgemässen Schalt- und Regelanordnung bei gedrückter Manualtaste. Die Fig. 2 zeigt die Anordnung wie Fig. 1, jedoch bei Ruhe- stellung der Manualtaste. Aus der Fig. 3 ist die, Anordnung der funktionswichtigsten Bauteile gemäss Fig. 1 und Fig. 2 in der Draufsicht entnehmbar.
In der Zeichnung ist 1 eine Manualtaste, der bei drei vorgesehenen Koppeln die drei Glimmlam- pen 2,3 und 4 zugeordnet sind, deren Eingangselektroden hochfrequenzmässig über die Kondensatoren 5,6 und 7 an Masse liegen und ausserdem mit den ihnen zugehörigen Tonfrequenzgeneratorausgängen F, f und f1 verbunden sind. Die Ausgangselektroden der Glimmlampen werden mit den einzelnen Koppelsammelschienen 16', 8'und 4'verbunden. Die Koppelsammelschienen 16', 8'und 4'liegen ebenfalls hochfrequenzmässig über die Kondensatoren 8, 9 und 10 an Masse, weiterhin liegen sie zusätzlich noch über die
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Widerstände 11, 12 und 13 an Masse.
Die Glimmlampen 2, 3 und 4 bilden also im ionisierten Zustand mit diesen Widerständen pro Koppel einen Spannungsteiler, wobei die Spannungsteilerpunkte an den Koppelsammelschienen 16', 8'und 4'liegen. Die an den Eingangselektroden der Glimmlampen 2, 3 und 4 liegenden Tonfrequenzspannungen liegen sowohl unter der Zünd- als auch unter der Brennspannung der Glimmlampen 2, 3 und 4 und betragen beispielsweise zirka 5 V. Die Glimmlampen 2, 3 und 4 sind eine übliche Ausführung mit axialer Elektrodenanordnung, welche sich durch eine kleine Elektrodenkapazität auszeichnet.
In Höhe des freien Gasraumes zwischen den Glimmlampenelektroden befinden sich auf beiden Seiten im Abstand von zirka 3 mm zur Glimmlampenglaswandung zwei parallel geführte, gestreckte Drähte 14, die im folgenden als HF-Elektroden bezeichnet werden und die mit der HF-Sammelschiene 15 verbunden sind.
Die HF-Sammelschiene 15 liegt fest amAusgang eines für das ganze Tastsystem zentralen HF-Generators, welcher an die HF-Sammelschiene 15 eine Wechselspannung von 500 V mit einer Frequenz von zirka 100 kHz dauernd abgibt. Zwischen den Elektroden der Glimmlampen 2, 3 und 4 und den HF-Elektroden 14 befindet sich also ein dauerndes Wechselspannungsfeld, welches sie und damit ihr ionisierbares Medium dauernd durchsetzt und dessen Höhe ausreicht, um den freien Gasraum zwischen den Elektroden der Glimmlampen 2, 3 und 4 dauernd zu ionisieren.
Dadurch sind die an den Eingangselektroden der Glimmlampen 2, 3 und 4 liegenden Tonfrequenzspannungen F, fund f1 über den Innenwiderstand der Glimmlampen 2,3 und 4, der bei normalen Betriebsverhältnissen zirka 100 kOhm beträgt, und deren
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zwischen der äusseren Glaswandung der Glimmlampen 2, 3 und 4 und den HF-Elektroden 14 auf beiden Seiten ein :
nit Masse verbundener Blechstreifen eingeschoben, der mit 16 bezeichnet ist, so werden die Glimmlampen 2, 3 und 4 gegen die HF-Elektroden 14 abgeschirmt, das Wechselspannungsfeld kann die Glimmlampen 2, 3 und 4 und damit deren ionisielbares Medium nicht mehr durchsetzen, die Ionisation der Glimmlampen 2, 3 und 4 wird völlig aufgehoben, da. die an deren Elektroden liegende Tonfrequenzspannung von zirka 5 V diese nicht aufrechterhalten kann. In diesem Falle ist auch der Innenwiderstand
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2, 3und4wieder unendlich gross, diestellung derManualtaste 1 über den Taststössel 18 und des Tastschiebers 16 dient.
Es ist nun leicht einzusehen, dass die Grösse der Widerstände 11, 12 und, 13 die an den Koppelsammelschienen 16', 8'und 4'lie- gende Tonfrequenzspannung in Abhängigkeit vom Hub der Manualtaste 1 bestimmt. Die Grösse der Kondensatoren 8, 9 und 10 bestimmt weiterhin den Frequenzgang der Tonfrequenzspannungen F, fund f1 eben- falls in Abhängigkeit vom Hub der Manualtaste l, da sie in Verbindung mit dem Innenwiderstand der Glimmlampen pro Koppel 16,8 und 4 einen regelbaren Tiefpass bilden, dessen Grenzfrequenz mit zunehmendem Hub der Manualtaste 1 infolge des dann abnehmenden Innenwiderstandes der Glimmlampen 2, 3 und 4 nach oben hin verschoben wird.
Ausserdem ist durch die radiale Bewegung des Tastschiebers 16 infolge der einseitigen Befestigung der Blattfeder 17 dafür gesorgt, dass entsprechend der natürli- chenReihenfolge die höchste eingeschaltete Koppel immer zuerst erklingt, die Verzögerungszeit des Toneinsatzes der jeweils tieferen Koppeln ist dabei nur vom Anschlagstempo abhängig.
Beim Durchdrücken der Manualtaste 1 erklingt der ihr zugehörige Ton mit stetigem Steigen seiner Amplitude in Abhängigkeit vom Manualtastenhub, weiterhin steigt dabei stets sein Gehalt an Harmonisehen, allerdings unter der Voraussetzung, dass diese tongeneratorseitig vorhanden sind, und schliesslich setzen gleichzeitig die jeweils eingestellten Koppeln entsprechend ihrer natürlichen Reihenfolge ein.
Diese Vorgänge erfolgen dabei völlig trägheitslos und können dadurch individuell durch Wahl der entsprechenden Anschlags. art und des entsprechenden Anschlagstempos durchaus beherrscht werden.
Weiterhin besteht noch die Möglichkeit, die an den Glimmlampen 2, 3 und 4 liegenden Tonfrequenzspannungen zusätzlich durch Modulation des das Gasentladungsgefäss durchsetzenden Wechselspannungsfeldes zu beeinflussen, z. B. kann durch geeignete Amplitudenmodulation des zentralen HF-Generators eine Tremolo erzeugt werden, wobei dessen Stärke vom Modulationsgrad abhängig ist und durch dessen Steuerung beeinflusst werden kann.
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