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Se trataba de un teclado capaz de reproducir en tres canales cintas pregrabadas accionadas con ambas manos: con la izquierda se podían seleccionar 18 ritmos diferentes y con la derecha otros tantos instrumentos (Mellotron MKII). Exteriormente no se diferenciaba demasiado de un piano convencional, y al principio se encajaban en un elegante mueble de madera.
Tecla liberada.
Tecla pulsada. La cinta avanza reproduciendo el sonido.
El mellotron fue uno de los primeros teclados eléctricos y puede considerarse como el antecedente directo del sampler, pues utiliza loops (bucles) de cinta para crear sonidos. El mellotron permite reproducir muestras (samples) de sonido pre-grabado en una cinta. Cada tecla está asociada a una cinta magnética de casi 1 cm de ancho que tiene una duración aproximada de 8 segundos. El músico, al presionar una tecla, hace circular su cinta correspondiente, que recorre un ingenioso sistema en forma de W, y reproduce el sonido pregrabado que contiene diversos instrumentos (de cuerda, orquestales, coro polifónico, flautas, etc). Podían agregarse nuevos sonidos.
Pese a las limitaciones de duración en las muestras, bucles o loops (8 segundos), el sonido del mellotron, inconfundible, un tanto imperfecto y artificial, propició su abundante uso en los conciertos y grabaciones de rock progresivo sinfónico en los años 1970. Ni siquiera los más versátiles y compactos sintetizadores lograron hacerlo desaparecer, aunque quedó en un segundo lugar a partir de la aparición de teclados electrónicos, a mediados de los 70.