Permite tocar las siete notas básicas, cada una correspondiente a un botón, con un circuito básico construido en torno al omnipresente 555.
Construir el primer instrumento musical es algo que muchos experimentadores de la electrónica valoran, ya sea por gusto propio o para dejar que los niños jueguen. Unos pocos componentes, quizá un circuito integrado dedicado o de propósito general, pueden dar gran satisfacción y permitir tocar lo suficientemente bien como para dar los primeros pasos entre notas y partituras.
Un ejemplo es el 555, un integrado muy popular del que proponemos acá una de sus muchas transformaciones sorprendentes. Demuestra una vez más cómo este integrado atemporal es probablemente el más versátil de todos.
Veremos cómo ubicarlo en una red simple de resistencias y condensadores, equipándolo con un parlante y siete pulsadores normalmente abiertos. De esa forma se convierte en un teclado electrónico básico, sea piano u órgano, con el que tocar las primeras melodías.
El proyecto está dirigido a todos, incluidos quienes recién empiezan: fue diseñado con componentes tradicionales, para montarse sobre una placa de circuito impreso común de una sola cara. Veamos cómo se hizo, analizando el esquema del circuito.
¿Cómo trabaja el 555 en configuración astable?
Encontramos al omnipresente y versátil 555 en una configuración canónica, la de multivibrador astable. Aunque la red de temporización está salpicada de pulsadores y de resistencias aparentemente extra, y la salida ataca un parlante de bobina móvil desacoplado por un condensador electrolítico, el integrado funciona exactamente como un multivibrador astable según el esquema convencional.
Para entenderlo, veamos primero cómo está hecho el 555 y cómo hacerlo trabajar en modo astable, con la salida (pin 3) conmutando cíclicamente su estado lógico. El diagrama de bloques interno de la Figura 1 muestra dos comparadores con una referencia de tensión obtenida de un divisor formado por tres resistencias. El superior tiene su entrada no inversora conectada al pin de umbral (THR, pin 6), mientras que el inferior tiene su entrada inversora llevada hacia afuera por el pin 2 (TRIG), que actúa como disparador.
El divisor de tensión entrega la referencia al amplificador operacional superior en su entrada inversora y al inferior en su entrada no inversora. El nodo entre la primera y la segunda resistencia del divisor (alimentado, como el resto de las etapas internas, desde el pin 8) se lleva hacia afuera por el pin 5 (CV, tensión de control). Eso permite alterar las tensiones de referencia de los comparadores y, por lo tanto, controlar con una tensión externa la frecuencia de trabajo en configuración astable, o la duración del pulso en modo monoestable.
En configuración astable, bajar la tensión del pin 5 acorta el período de conmutación de la salida y aumenta la frecuencia generada. A la inversa, dejar que la tensión suba a su nivel característico (circuito abierto) o incrementarla alarga el período y reduce la frecuencia. Para los fines de este proyecto no necesitamos manejar el pin 5, aunque sería posible agregar un potenciómetro de tono para variar la altura de las notas mientras se toca.
Como no usamos el pin 5, filtramos el divisor correspondiente con el condensador C1, para una operación más estable del 555 y notas de frecuencia constante. Las salidas de los comparadores internos van una al RESET (comparador superior) y otra al SET (comparador inferior) de un biestable RS. Su salida directa (Q) pasa a nivel alto cuando SET está alto, o a cero lógico si SET está en aproximadamente cero volts; la salida de RESET se comporta de manera opuesta.
El biestable también tiene una salida complementada (/Q), inversa de Q; en el 555 está conectada, a través de una resistencia, a la base de un transistor NPN configurado como colector abierto, con el emisor a masa y el colector en el pin DISCH (descarga, pin 7). La salida directa Q, en cambio, está conectada al pin OUT (3) mediante un búfer interno de tipo push-pull, capaz de entregar hasta 200 mA, suficiente para atacar el pequeño parlante de nuestra aplicación.
La alimentación negativa, es decir la masa de referencia del 555, corresponde al pin 1, mientras que el pin 4 (RST) está conectado al reset del biestable, lo que permite reiniciar forzadamente el circuito aplicando un nivel lógico bajo desde afuera. En el circuito, el 555 está configurado como astable: encontramos una resistencia entre los pines 4, 8 y 7, otra entre 7 y los pines 2 y 6, y un condensador entre estos últimos y masa.
La resistencia insertada entre los pines 4, 8 y 7 (que llamamos Ra) puede elegirse mediante el botón presionado, entre S1 y S8, que permiten tocar las notas de una octava más un do agudo: do, re, mi, fa, sol, la, si y do agudo, respectivamente. La octava elegida es la que está a la derecha de la octava central de un teclado clásico de 88 teclas. Para simplificar el circuito no incluimos los semitonos, es decir las teclas negras del piano.
El ciclo de carga y descarga que genera el sonido
Para entender cómo el circuito produce sonidos, analicemos el funcionamiento del 555 imaginando que al encender todos los condensadores están descargados. Ignorando C2, que se carga casi de inmediato sin alterar significativamente la actividad de los comparadores, la condición inicial deja los pines 2 y 6 en aproximadamente cero volts y la salida del comparador inferior en nivel alto. Eso fija un nivel lógico alto en la entrada SET del biestable y en la salida Q, mientras que /Q pasa a cero lógico, dejando apagado el transistor conectado a DISCH y al condensador libre para cargarse.
En ese punto C2 comienza a cargarse a través de la corriente que circula por la serie R1-Ra (la resistencia insertada por los botones), hasta que la tensión entre sus placas supera el umbral del comparador inferior, igual a un tercio de la tensión aplicada al pin 8. Ahí la salida del comparador pasa a cero lógico y libera el SET del biestable, cuya salida de todos modos permanece alta hasta que la tensión en C2 supera dos tercios de la tensión de alimentación, el umbral de conmutación del comparador superior.
Cuando eso ocurre, la salida del comparador superior pasa a nivel alto y resetea el biestable: la salida directa cae a cero lógico, mientras /Q sube y satura el transistor conectado al pin 7, que descarga C2 a través de Ra. Esa situación se mantiene hasta que la tensión en C2 cae por debajo del umbral de conmutación del comparador inferior: en ese momento la salida vuelve a nivel alto y setea de nuevo el biestable, devolviendo Q a uno lógico y /Q a cero.
El condensador entonces vuelve a cargarse, porque el pin 7 regresa a comportarse como un circuito abierto, hasta alcanzar nuevamente los dos tercios de la tensión entre los pines 1 y 8: el ciclo se reinicia. Como resultado de este comportamiento, la salida OUT permanece alta el tiempo que le toma a C2, mientras se carga, ir de un tercio a dos tercios de la tensión de alimentación, y baja durante el tiempo en que C2, mientras se descarga, va de dos tercios a un tercio.
Los tiempos dependen de los valores de R1 y de la resistencia insertada entre el pin 7 y los pines 2 y 6 según el botón presionado; de ellos varía la frecuencia generada por U1, que es:
f = 1,44 / [C2 x (R1 + 2Ra)]¿Cómo se calcula la frecuencia de cada nota?
Del esquema notamos que Ra depende de la resistencia total insertada por los botones: puede ser solo R5 si se presiona S8, o la suma de R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8 y R9 si se presiona S1. El circuito está diseñado, de hecho, con una escalera de resistencias que los botones pueden puentear, como alternativa a la solución más inmediata de muchas resistencias en paralelo, una por botón.
Esta técnica permite que, si se presionan varios botones juntos, siempre suene solo la nota de mayor frecuencia entre las correspondientes. Por ejemplo, al presionar S8 y S5 a la vez, el circuito toca la nota de S8, porque ese botón cortocircuita el resto de la red de temporización a su izquierda. Con la solución de ramas en paralelo, en cambio, presionar varias teclas produciría notas intermedias por el paralelo de las resistencias: nuestra solución asegura que el instrumento sea perfectamente monofónico.
Al presionar el botón S8 suena la nota más aguda, el do alto, cuya frecuencia, considerando Ra=R5, es igual a:
f = 1,44 / [0,1 µF x (1 kΩ + 2 x 10 kΩ)] = 685,7 HzAl presionar S1, en cambio, se insertan todas las resistencias, cuya suma (Ra) es de 23 kΩ: eso da la frecuencia más baja, correspondiente al do inicial de la octava:
f = 1,44 / [0,1 µF x (1 kΩ + 2 x 23 kΩ)] = 306,4 HzLos demás botones recorren valores intermedios, teóricamente cada uno a un octavo de la distancia entre los dos do, porque la distancia entre la misma nota en octavas contiguas corresponde al doble de la frecuencia. Hubo que ajustar levemente las frecuencias para calzar con los valores de resistencia disponibles en la serie E24, llegando a los valores de la Tabla 1, con la frecuencia de cada nota.
De la forma de onda al ciclo de trabajo
La forma de onda generada por el 555 es prácticamente cuadrada, al menos para las notas donde la resistencia insertada entre los pines 7 y 2-6 es claramente mayor que R1. Los pulsos se vuelven más anchos respecto de las pausas a medida que el botón presionado se acerca a S8, porque la duración del pulso es:
th = 0,693 x (R1 + Ra) x C2La pausa, por su parte, coincide con la fase en que el pin DISCH descarga el condensador C2. El ciclo de trabajo de una onda rectangular equivale a la razón entre el pulso y el período. Como el período es la suma del tiempo en alto y el tiempo en bajo, y el tiempo en alto depende de la suma de R1 y Ra, mientras mayor sea esta última, más se acerca el ciclo de trabajo al 50%.
Ahora que entendemos cómo trabaja el 555, la señal del pin OUT alimenta la bobina móvil del parlante LS1, acoplada a través del condensador electrolítico C4 puesto en serie. C4 no es tan necesario para bloquear la componente continua, ya que el 555 astable nunca tiene la salida constantemente alta, sino más bien para simular una forma de onda alterna sobre el parlante.
Cuando OUT está alto, la corriente fluye hacia el condensador en dirección a la bobina de LS1; cuando OUT conmuta a cero, el condensador se descarga a través del parlante, generando un flujo de corriente inverso. La corriente alterna tiene flancos de subida y bajada exponenciales, debidos a la carga y descarga de C4, lo que amortigua los armónicos que podrían alterar el timbre de las notas con una onda cuadrada pura. La alimentación se aplica a los terminales + y - de PWR y llega a los pines de alimentación del 555, filtrada por el condensador cerámico C1 para eliminar cualquier ruido.
Construcción práctica
La placa tiene forma de piano, y hay que obtenerla después del atacado químico y del perforado. Se puede recortar con tijeras de hojalatero o con una sierra de marquetería, y luego terminar el borde con lija progresivamente más fina.
Una vez lista la placa, hay que disponer los pocos componentes requeridos, todos de tipo inserción (THT): ninguna pieza de montaje superficial que manipular. Se empieza por las resistencias y el zócalo del 555, orientados como muestra el plano de montaje, y luego se sigue con los botones y los condensadores, partiendo por los no polarizados y terminando con el electrolítico C4, que tiene una polaridad que respetar.
Finalmente se monta la regleta de tornillo de dos polos con paso de 5 mm y se inserta el 555 en su zócalo, alineando la marca de referencia de la parte superior del encapsulado con la muesca del zócalo, verificando que ningún pin se doble bajo el cuerpo durante la operación. Con un trozo corto de cable rojo y negro de diámetro pequeño, hay que conectar los contactos de salida + y - de LS1 a los terminales del parlante, respetando la polaridad, y fijar el parlante a la parte inferior de la placa con sellador de silicona o pegamento caliente, cuidando que no toque las pistas.
¿Por qué sigue siendo un buen primer proyecto?
Todo el instrumento se apoya en un integrado de ocho pines, ocho pulsadores, un puñado de resistencias de la serie E24 y dos condensadores. No hay firmware que compilar, ni cadena de herramientas que instalar, ni microcontrolador que programar: el comportamiento completo está determinado por los valores de los componentes, y eso lo vuelve un ejercicio directo para entender por qué una constante RC define una frecuencia audible.
Para un taller o un club de electrónica de la región, esa es la ventaja concreta: el 555 y los componentes de inserción están entre los más disponibles del mercado local, y un error de montaje se corrige con un soldador, no con un depurador.
