Woodworking on Schallberts Blog

AnywhereAmps - Alpha

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Mobiler Instrumentenverstärker/Combo-Prototyp basierend auf Shelly13. AnywhereAmps Alpha zeichnet sich durch einen geringen Stromverbrauch und eine kleine Stellfläche aus. Er ist als sehr tragbarer Vollbereichs-Übungsverstärker mit einem Gesamtgewicht von nur 3,1 kg konzipiert. Er verfügt über eine einstellbare Verstärkung und eine 9V DC-Versorgung für externe Effektpedale.

Projekt-Statistiken

Schwierigkeit: Amateur 3/5
Kosten: ~170€
Zeitaufwand: 10h

Impressionen

Impressionen vom Einsatz meines AnywhereAmp Alpha.

Alpha kann auch aufrecht gespielt werden, ideal in kleinen Räumen

9V Spannungswandler für Bodeneffektpedale

Minimalistische Bedienelemente: Ein/Aus Schalter, Verstärkung, 6,3mm Klinke Eingang, 9V Ausgang

31cm Durchmesser, 9l Volumen

Akku auf der Rückseite montiert, zum Abnehmen nach oben ziehen, Restkapazität leicht ablesbar

Vor- und Endstufe sind übereinander angeordnet

Klangbeispiele

Bass samples

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Hauptsächlich höhere Töne

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Hart angeschlagen

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Leersaiten & Flageoletts

Alle Beispiele aufgenommen mit dem H4n von Zoom, Bass: Ibanez SR1500PD gebaut 1992, Tonblende auf Hals-Pickups, Lautstärke-Potentiometer voll aufgedreht.

Abmessungen

Trommelkessel: 12 "x6". Die Gesamthöhe beträgt etwa 17 cm, die Breite 30 cm und die Tiefe (ohne Batterie) 32 cm. Das umschlossene Volumen inkl. Verstärker und Lautsprecher beträgt ~9l. Ich verwende geschlossenes Gehäusedesign.

Sound Hardware

Lautsprecher: 4" Basslautsprecher und zwei Piezo-Hochtöner
Class D-Verstärker mit 30W Leistung (gebrückt)
14,4V Li-Ion Werkzeugakku
Alle empfindlichen Teile befinden sich im Inneren des Gehäuses
Speziell angefertigter Vorverstärker mit 0...27dB einstellbarer Verstärkung

Simulation

Die Simulation zeigt, dass die Lautstärke des ~9l gedämpften Gehäuses perfekt zu dem gewählten 4" Lautsprecher passt. Sie reicht bis auf 44Hz hinunter (F#1, ein Ganzton oberhalb der tiefsten offenen Saite eines (4-Saiter) Basses, E1). Es gibt druckvolle Bässe bei noch guter Präzision. Der Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad von nur 78 dB/W/m, so dass die zu erwartende Maximallautstärke bei der Leistungsaufnahme eher gering ist und der Lautsprecher früh an seine Auslenkungsgrenzen kommt.

Vorverstärker im Eigenbau

Der von mir gewählte Class-D-Verstärker benötigt einen Line-Pegel-Eingang, so dass ich einen Vorverstärker in mein Design einbauen musste, um eine ausreichende Lautstärke aus der Endstufe zu erhalten. Selbst die billigsten Vorverstärker wie dieser von Art Pro Audio würden das Design erheblich verteuern. Sie bringen recht viel auf die Waagen und benötigen recht viel Energie, vor allem, wenn es sich um Röhrenvorverstärker handelt. Sie haben oft spezielle Anforderungen an die Eingangsspannung (z. B. nur Wechselstrom). Außerdem würde sich ihr Design nicht in meins einfügen.

Also beschloss ich, selbst eine Verstärkerstufe mit geringem Stromverbrauch aus möglichst wenigen Bauteilen zu entwickeln. Hier klicken um die technischen Details zu überspringen

Spannungsschienen

Da der Vorverstärker Wechselspannungssignale verstärken soll, ich aber nur eine Batteriespannungsschiene zur Verfügung habe, musste ich mir zunächst überlegen, wie ich ein virtuelles Massepotenzial schaffen kann, das den Nullpunkt des Signals für die Verstärkungsstufe darstellt. Glücklicherweise gibt es eine Menge Design-Richtlinien darüber, wie man den Verstärker mit einer einzigen Spannungsquelle betreibt, so dass ich nicht bei Null anfangen musste.

Verstärkungsstufe

AnywhereAmps Alpha sollte ein Mehrzweck-Instrumentencombo sein, so dass ein breiter Verstärkungsbereich zur Verfügung stehen sollte, um alles von einer passiven Gitarre bis zu einem Line-Level-Keyboard auf Spannungspegel zu bringen, mit denen die Endstufe umgehen kann. Deshalb habe ich mich für einen 0-27dB Verstärkungsbereich entschieden und als Widerstände für die Rückkopplungsschleife 10kOhm und ein 250kOhm logarithmisches Potentiometer gewählt.

Schaltungssimulation

Ich habe LTspice von Analog Devices verwendet um zu simulieren, wie sich diese Schaltung bei einem typischen Audiosignal zwischen 20Hz und 20kHz verhalten könnte. Aus meinem Studium erinnere ich mich daran, dass mich ein so genannter Bode-Plot am meisten interessieren müsste. Dieser kann sowohl Amplitude als auch Phasenlage über der Frequenz in einer doppelt-logarithmischen Skala darstellen. Praktischerweise bietet LTspice eine solche Funktion. Wie man sieht, bleibt der Ausgang des Vorverstärkers - grün - bis in den 10kHz-Bereich flach und die Phase verschiebt sich nur geringfügig, während das Eingangssignal - blau - ~27dB darunter bleibt.

Op-Amp Auswahl

Tja. Ich habe dieses Design auf meinem Steckbrett mit einem Mehrzweck-Operationsverstärker den ich herumliegen hatte, aufgebaut. Das klappte… nicht besonders gut. Als ich einen Funktionsgenerator am Eingang anschloss und am Ausgang des LM324 eine Sinuswelle erwartete, erhielt ich am Ausgang überhaupt keine Sinuswelle, sondern einen Halbsinus mit einigen Stufen und entladungsähnlichen Kurven um 0, gefolgt von einem negativen Halbsinus… Nach einiger Suche fand ich heraus, dass dies “Übergabeverzerrung” genannt wird und durch die asymmetrische Ausgangsstufe dieses speziellen Operationsverstärkertyps verursacht wird. Ich konnte den Effekt ein wenig reduzieren, indem ich einen höheren Laststrom am Ausgang anlegte. Aber letztendlich wollte ich einen Operationsverstärker nehmen, der für meine Audioanwendung ohne Rail-to-Rail-Fähigkeit und mit höherem Rauschabstand besser geeignet war. Zum Glück gibt es einige Seiten zu diesem Thema wie Cicfy Research’s Op-Amp shootout. Unter Abwägung eines vernünftigen Stückpreises und der Verfügbarkeit bei meinem Elektronikhändler habe ich mich für den NE5532P entschieden. Das folgende Video zeigt, was ich mit der aktualisierten Op-Amp-Auswahl erreicht habe.

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Sinuswelle am Vorverstärker

Schaltungsentwurf

Ich wollte, dass meine Platine so wenig Platz wie möglich beansprucht, während die Leiterbahnen für die Gleichspannungsversorgung wie ein Rahmen an den Außenseiten der Platine liegen. Die linke Hälfte der Platine ist für die Erzeugung des virtuellen Massepotentials zuständig, während die rechte Hälfte den Verstärkungsteil übernimmt. Das Design ist minimalistisch und verwendet nur vier Widerstände und drei Kondensatoren.

Einen tieferen Einblick in die Technik erhalten Sie in meinen Design-Überlegungen.

Klangqualität

Der AnywhereAmps Alpha ist im Leerlauf absolut leise, selbst bei voll aufgedrehter Verstärkung ist nur ein leichtes Zischen der Hochtöner zu vernehmen. Kein Brummen, kein Kratzen beim Drehen des Gain-Reglers. Dank des weiten Gain-Bereichs von 0dB für Line-Pegel wie Keyboards, Preamp-Instrumente, Mobiltelefone und bis zu +27dB für passive Bässe oder Gitarren-Direkteingänge funktioniert er mit jedem Instrument. Die maximale Lautstärke ist in Ordnung, obwohl die tiefen Töne zu früh “abflachen”, was den nutzbaren Lautstärkebereich z.B. für Orgeln und 5-saitige Bässe einschränkt. Für Frequenzen im Bassbereich bei hoher Lautstärke kommt es immer noch auf die Physik an - je größer, desto besser. Einige Klangbeispiele finden Sie oben.

Zusammenfassung

Für das Gehäuse habe ich bei Cube Personal Drums einige rohe Tom-Tom-Kessel in Sondergröße bestellt. Das Bohren und vor allem das Fräsen einer gekrümmten Oberfläche von Hand erwies sich als schwierig, und die Tatsache, dass ich keine richtige Holzwerkstatt besitze und die ganze Arbeit auf dem Balkon meiner Wohnung erledigte, machte es nicht einfacher. Aber nach ca. 10 Stunden inkl. Löt- und Elektronikarbeiten habe ich jetzt mehr als nur eine super-portable Instrumentenkombination.

Es ist ein Möbelstück.

Ich werde viel darüber spielen. Außerdem motiviert mich der gute Klang mehr denn je, den nächsten Schritt zu tun und die Wiedergabe des Tieftonbereichs mit einem weiteren, größeren Prototyp zu verbessern.

Vorteile:

Ich mag das Design.
Passt in Standard-Tom-Taschen!
Leichtgewicht, 3.1kg inkl. Batterie, 2.6kg ohne
Ladezustand der Batterie kann auf einen Blick abgelesen werden
Verdeckte Bedienelemente: Vermeidet ungewollte Bedienung
Noch robuster: Die gesamte Elektronik und das Lautsprecherchassis sind im Inneren montiert
Inklusive “9V, 1.6A”-Stromversorgungsbuchse für Effekte, Pedale, etc.
Klingt gut für jedes Instrument, da es fast das gesamte hörbare Frequenzspektrum wiedergibt
Läuft >20h mit einer Batterieladung (14,4V, 4Ah) als Übungsverstärker bei moderater Lautstärke
Läuft >3 Stunden mit einer Batterieladung bei maximaler Lautstärke

Unvollkommenheiten:

Zu klein für Subbass-Wiedergabe.
Keine automatische Stummschaltung beim Ein- und Ausschalten des Verstärkers -> Pop-Noise
Natürlich nicht genug Lautstärke, um ein Schlagzeug oder ein Plugged-Band-Setup zu bedienen.
Sieht komisch aus mit den großen Batteriepacks auf der Rückseite. Die Verwendung eines “Flat Pack” wäre schön

AnywhereAmps Alpha: DIY Replik

Eigenbau? Klar, gern. Unten ist die Schritt-für-Schritt-Anleitung verlinkt! AnywhereAmps Alpha DIY Anleitung

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Alpha live!

AnywhereAmps - Alpha 1.1

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Mobiler Instrumenten-Verstärker/Cabinet-Kombi-Prototyp Version 1.1, entwickelt aus AnywhereAmps Alpha.

Projekt-Statistiken

Schwierigkeit: Amateur 3/5
Kosten: ~200€ plus Batteriesystem
Zeitaufwand: 3h

Aktualisierungen gegenüber Alpha 1.0:

Hinzufügen einer Stromüberwachungsschaltung, um sowohl den Verstärker als auch das Akkupack vor abnormalen Spannungen / Strömen zu schützen
Integrierter Ein/Aus-Schalter im Potentiometer
Geringere Komplexität durch Verwendung eines hocheffizienten Breitbandlautsprechers anstelle eines 2-Wege-Systems mit 3 Lautsprechern
Hinzufügen eines hocheffizienten Abwärtswandlers zur Erzeugung einer 9-V-Effektspannungsschiene
Geringere Bauzeit durch Verwendung einer kundenspezifischen Leiterplatte mit Vorverstärker, Abwärtswandler und “Power Supervisor”
Reduzierte Bauzeit, da Großteil der Holzarbeiten an eine Portalfräse (CNC¹) ausgelagert werden konnte
Einschaltknackgeräusche eliminiert durch Hinzufügen eines RC-Filters zum Standby-Eingang der Endstufe

Bauvarianten

Um den Klang meines Prototyps weiter zu verfeinern, habe ich dieses Mal verschiedene Varianten gebaut. Ich habe die Chassis ausgetauscht und den Klang bewertet:

Alpha 1.0: 30W gebrückter Verstärker, 4" Bass und 2x Piezo-Hochtöner: HiFi-ähnlicher Sound mit druckvollen Bässen und klaren Höhen, limitiert in der maximalen Lautstärke
Alpha 1.1 v1: 30W gebrückter Verstärker, 4" PA-Treiber, gute Lautstärke und hohe Präsenz, aber unterrepräsentierte Bässe und Höhen
Alpha 1.1 v2: 30W gebrückter Verstärker, 4" PA-Treiber und Passivmembran, satte Bässe aber etwas dumpf in den Höhen

Meine eigene Platine für Vorverstärker und Zusatzfunktionen

Die AnywhereAmps 1.1 PCB bietet neben dem reinen Vorverstärker plus Tiefpass und Hochpass für Bi-Amping noch einige Zusatzfunktionen. Die Details sind in den folgenden Abschnitten beschrieben.

Power Supervisor

Ich habe eine Power Supervisor-Schaltung hinzugefügt, um zu verhindern, dass die Batterie komplett leer gezogen wird. Außerdem wollte ich die Risiken durch Kurzschlüsse und andere Fehlerzustände, die die Batterie beschädigen könnten, verringern. Die Integration dieser Technologie funktionierte auf Anhieb (was ich nicht erwartet hatte). Der einzige Nachteil ist, dass der Verstärker bei einer Entladung der Batterie auf z. B. 10 % manchmal neu startet, wenn die Versorgungsspannung unter die Auslösespannung des Überwachungsgeräts fällt. Da die Batteriespannung wieder ansteigt, wenn die Last abfällt, schaltet er sich eine Sekunde später wieder ein.

Dies ist eindeutig ein unerwünschtes Verhalten und muss in einem weiteren, verbesserten Prototyp behandelt werden. Ein weiterer Punkt, der diesen Folgeprototypen notwendig macht, ist die Tatsache, dass ich in meinen zukünftigen Entwürfen keine Batterien des Werkzeugherstellers verwenden darf wie hier diskutiert.

9V Abwärtswandler

Zur Erzeugung von zusätzlichen 9V für Geräte wie Effekte, Looper usw. verwende ich einen Schaltregler. Ich wollte das Rauschen reduzieren, indem ich einen “leisen” Schaltregler wählte. Der von mir gewählte Regler wurde für Anwendungen im Automobilbereich entwickelt und hat die Induktivitäten in seinem Gehäuse integriert. Von Nachteil ist, dass der Baustein kaum von Hand gelötet werden kann. Außerdem ist er sehr teuer.

Der Wandler schaltet sich ein, wenn ein Gerät in die entsprechende Buchse eingesteckt wird, so dass es keinen Standby-Strom gibt. Er arbeitet leise (aber nicht ganz rauschfrei) und bietet mehr als genug Leistung für die Anwendungen, die ich bisher habe - ein Looper, ein Kompressor und ein Tuner können problemlos parallel betrieben werden.

Holzbearbeitung

Ich habe ein Portalfräsmaschinen-Set gekauft, um die Holzbearbeitung für AnywhereAmps zu delegieren. Ich wollte weniger Zeit für Sägen und Schleifen aufwenden und die Verarbeitungsqualität sowie die Wiederverwendbarkeit verbessern. Aber um die manuelle Holzbearbeitung durch eine mehr oder weniger automatisierte Bearbeitung zu ersetzen, musste ich zunächst meine Pläne in die digitale Welt übertragen.

Computer Aided Design

Ich wählte FreeCAD als Konstruktionswerkzeug, um Zeichnungen zu erstellen. Die Arbeit damit habe ich in einigen posts dokumentiert und meinen Arbeitsablauf z.B. hier weiter verbessert. Meine erste Skizze zur Herstellung sah so aus.

Mit der Aufteilung der Holzplatte war ich noch nicht ganz zufrieden. Ich fand die Beine zu lang und habe noch einige Stunden in die Verfeinerung des Entwurfs investiert, um weniger Platz zu benötigen, da die Kapazität meiner Portalfräse begrenzt ist.

Computer Aided Manufacturing

Als ich fertig war, exportierte ich die Skizzen als *.dxf-Dateien (Drawing Interchange File Format (DXF), 1982 von AutoDesk eingeführt. Es wurde schließlich zum Industriestandard für den Austausch von 2D-Zeichnungen) und öffnete sie in meinem CAM-Werkzeug, um Werkzeugwege zu definieren, den XY-Nullpunkt und die Z-Tiefe pro Durchgang festzulegen.

G-Code

Am Ende erhält man G-Code-Dateien, die so nachbearbeitet waren, dass sie zur Maschine passten, mit einer geschätzten Bearbeitungszeit von 32 Minuten pro Exemplar. Ich verwendete nur drei Werkzeuge: einen 6-mm-Fräser für die Ausschnitte, einen 2-mm-Fräser für kleinere Löcher und Strukturen und ein Gravierwerkzeug für Fasen und das Logo. Ich teilte die Arbeit in drei Aufträge auf:

job00_clamping, um Löcher und Senkungen zu schneiden, damit das Werkstück am Maschinenbett befestigt werden kann
job01_nesting, um alle Ausschnitte zu fertigen und Gravuren auf dem Verstärkerträger zu machen, aber Anbindungen stehen zu lassen, damit sich die Teile nicht losreißen
job02_finishing, der das Logo auf die (bereits gefärbte) Oberseite graviert und Fasen hinzufügt, wo es nötig ist

Für die Endbearbeitung musste ich die CAD- und CAM-Dateien aktualisieren, damit sie eine gespiegelte (und um -90° gedrehte) Ansicht des Werkstücks liefern. Dies ermöglicht das zweiseitige Fräsen mit demselben XY-Nullpunkt und den exakt gleichen Seiten, die den Anschlag berühren, um minimale Toleranzen zu erzielen.

Nacharbeit

Ich musste noch ein wenig Handarbeit leisten, z. B. Gewindebohrungen abschleifen, Wachs für eine bessere Oberfläche auftragen, und einige Löcher für Streben und Ständer schneiden, die meine CNC nicht fertigen konnte.

Mit der CNC habe ich Adapter für meine Handoberfräse hergestellt, damit sie über die gebogene Oberfläche des Zylinders gleiten kann. Auf diese Weise konnten die Löcher, die ich zuvor für die Lautsprecher geschnitten hatte, richtig abgeschrägt werden.

Außerdem ließ ich von der CNC eine Halterung für das Gehäuse im 3D-Modus anfertigen (mit *.STL-Dateien). Auf diese Weise wird der Kessel an seinem Platz gehalten, wenn ich mit meiner Handbohrmaschine Löcher für die Lautsprecher bohre. Übrigens: 3D-Fräsungen brauchen viel Zeit, da die Nachbearbeitung in kleinen Schritten erfolgt, um eine glatte Oberfläche zu erhalten.

Das Bohren von Löchern mit einem Durchmesser von mehr als 100mm von Hand lässt keine gute Oberflächenqualität auf der Innenseite des Gehäuses zu und die Handhabung des riesigen Bohrers ist immer noch eine Qual. Leider ist meine CNC nicht in der Lage, diese Aufgabe für mich zu übernehmen, daher wird das wohl weiter ein manueller Prozess bleiben.

Eindrücke

Eindrücke meines AnywhereAmps Alpha V1.1

Battery attached and switched on

Front view, initial version of speaker protective grille

A view from below shows the passive radiator, extending the speaker's low-end

Preparing final assembly

A view inside: Ampcarrier and circuits

Allowing the wax to dry before final assembly

Computerized Numerical Control ↩︎

AnywhereAmps - Alpha 1.2

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Alpha 1.2 v1: 2x15W bi-amped, 2x3.2" Hochmitteltöner, 8" Subwoofer: Sehr gut balancierte, trockene Bässe und gute Höhen, in den Mitten etwas zu kräftig, die höchsten Höhen dafür etwas stumpf. Sehr hohes Gewicht.
Alpha 1.2 v2: 2x15W bi-amped, 4" PA Treiber, 5.5" passive membrane, 2x piezo tweeters: Sehr ausgeglichener Sound mit guten Lautstärkereserven, dafür ziemlich aufwendig in der Herstellung

I’ll continue writing here once I selected the best variant.

CNC 'Opferplatte'

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Was ist eine ‘Opferplatte’?

Eine ‘Opferplatte’ ist ein Brett, was auf dem Maschinenbett befestigt und zumeist abgeplant wird. Auf ihm wiederum werden dann die Werkstücke befestigt. Es nennt sich Opferplatte, weil die Fräser beim Durchfräsen des Werkstückes meist einige Zehntel Millimeter tiefer in das Material tauchen als es stark ist, um jegliche Fasern sicher zu trennen und die Werkstückunterseite nicht auszufransen.

Zudem können Werkstücke ohne viel Aufhebens direkt auf der Platte festgeschraubt werden. Ist die Platte einige Zeit in betrieb und droht, uneben zu werden, lässt sie sich meist noch ein paar weitere male abplanen und somit weiternutzen, bevor sie dann nach langem produktiven Einsatz erneuert werden muss.

Ein weiterer Vorteil der Opferplatte ist, dass selbst bei fehlerhaften Fräsbefehlen nicht direkt der teure Maschinentisch in Mitleidenschaft gezogen wird und zumeist sogar der Fräser diese Fehler überlebt.

Projekt-Steckbrief

Schwierigkeitsgrad: mittel 3/5
Kosten: ~60€
Zeitaufwand: ~6h

Zur Anleitung

Das Design verwendet Schlitze für Hammermuttern in verschiedenen Winkeln, um eine sehr flexible Aufspannung zu ermöglichen. Es umfasst auch einen Anschlag, der die Vorbereitung bei Fertigung aus mehreren Plattenrohlingen erleichtert: Der Werkstücknullpunkt liegt immer an der gleichen Stelle, und das Einspannen gegen den Anschlag genügt meist bereits, so dass kein Niederhalten in Z-Richtung erforderlich ist. Der Anschlag hat zwei Aussparungen: Eine zur Aufnahme des Werkzeuglängensensors und eine weitere am XY-Nullpunkt, um Werkzeugkollisionen beim schnellen Positionieren zu vermeiden.

Einfache Einstellung für fast jede CNC

Die Maße, die ich genommen habe, passen für eine Basicline 0607 Portalfräsmaschine. Da ich aber ein parametrisches CAD-Tool verwende, müssen nur die Abmessungen an Ihre Maschine angepasst und einige Zeichnungsfehler behoben werden, sodass eigene Entwürfe schnell von der Hand gehen sollten.

Die Idee

Wie bereits erwähnt, muss meine Opferplatte die folgenden Kriterien erfüllen:

Sie muss auf dem Grundrahmen der CNC-Maschine befestigt werden können (Hammermuttern / M5-Schrauben)
Befestigungspunkt in der Nähe des XY-Nullpunkts
T-Nuten für flexible Montage bei 0°, 22,5°, 45°, 67,5°, 90°
Anschlag, Schnellmontage auf der Opferplatte zur Vereinfachung des Spannens und Verbesserung der Wiederholgenauigkeit
Anschlag zur Aufnahme des Werkzeuglängensensors
Anschlag zur Bereitstellung eines Ausschnitts am XY-Nullpunkt
Soll auf der CNC, für die sie entwickelt wurde, herstellbar sein (bei Bedarf mehrstufig)

Entwurfsphase: CAD

Ich begann mit einer Maßtabelle in Freecad und ein paar leeren Skizzen.

Montage am Grundrahmen

In die Tabellenkalkulation habe ich zunächst die Abmessungen des Grundrahmens und des CNC-Verfahrbereichs sowie die Parameter der Einschlagmutter, der Unterlegscheibe und des Befestigungselements eingegeben. Ich maß die genauen Positionen der T-Muttern des Grundrahmens, an denen ich das Opferplatte befestigen wollte, und gab sie in die Kalkulationstabelle ein.

Danach öffnete ich die erste Skizze und zeichnete das Opferplatten-Rechteck, wobei ich die Abmessungen mit den Daten aus der Tabelle so hinzufügte, dass die Skizze “fully constrained” - also vollständig bestimmt ist. Ich fügte Konstruktionslinien hinzu (d. h. Linien, die in der endgültigen Zeichnung nicht zu sehen sind, aber dazu dienen, Zwangsbedingungen zu verankern, Linien zu zeichnen oder die Symmetrie innerhalb einer Zeichnung zu markieren), wo die Zentren der T-Muttern des Grundrahmens positioniert sind.

Weiter fügte ich konzentrische Kreise für Unterlegscheibensenkungen und Durchgangslöcher in gleichmäßigen Abständen hinzu. Sie werden später die Befestigungselemente und ihre Unterlegscheiben aufnehmen. Über ihre endgültige Position auf der Y-Achse habe ich noch nicht entschieden, da die T-Muttern der Opferplatte einige dieser Befestigungspunkte beeinträchtigen würden.

Die CNC-Bearbeitung für diese Skizze muss auf der “Oberseite” der Opferplatte durchgeführt werden.

Schlitze für T-Muttern und Befestigungspunkte für den Anschlag

Nun war es wieder an der Zeit, der Tabelle einige Daten hinzuzufügen: T-Nut-Parameter, Winkel, Randbreite wie folgt:

Zunächst musste ich auf dem Opferplatte Konstruktionslinien hinzufügen, um den Verfahrbereich der CNC zu markieren. Danach musste ich etwas Platz für den Anschlag reservieren. Erst dann konnte ich mit dem Zeichnen und Positionieren der T-Nuten beginnen, die jeweils unterschiedliche Winkel und Längen hatten, je nachdem, welchen Rand ich aus Stabilitätsgründen beibehalten wollte.

Jede T-Nut erhielt eine Symmetrie-Konstruktionslinie, um die herum zwei Rechtecke zur Markierung der Schlitz- und Falzschultern liegen.

Dann fügte ich Senkungen für Schraubmuttern hinzu, die später den Anschlag am Rand der Opferplatte halten werden. In ihrer Mitte sind Durchgangsbohrungen für die Befestigungselemente vorgesehen.

In einem letzten Schritt passte ich die Positionen der Löcher in der Skizze für die Grundrahmenbefestigung an, wo sie mit den Schlitzen für die T-Muttern kollidierten.

Die CNC-Arbeit für diese Skizze wird auf der “Unterseite” der Opferplatte ausgeführt - die Hammermuttern funktionieren nur, wenn sie von unten greifen.

Anschlag

Hier müssen nur noch einige weitere Daten in das Tabellenblatt eingefügt werden: Ellipsoidabmessungen für den XY-Nullpunktausschnitt, den Werkzeuglängensensor und die Breite des Anschlags auf der Y-Achse. Seine Abmessungen auf der X-Achse waren bereits durch den Verfahrbereich der Maschine vorgegeben.

Das Zeichnen des Anschlags war einfach, da ich mit dem Werkzeug “Kante verbinden” Positionen von Linien aus anderen Skizzen importieren konnte. Der Anschlag ist ein eigener “Job” mit einem eigenen physischen Teil auf der CNC, und er wird nur auf der Oberseite gefräst.

Planungsphase: CAM

Jetzt kam der schwierige Teil: Statt drei Jobs wie oben angegeben, brauchte ich eigentlich sechs. Das liegt daran, dass der Verfahrbereich der CNC kleiner ist als die Abmessungen der Opferplatte. Außerdem plante ich mit Rohlingen, die bereits die richtigen Umrissmaße hatten, damit ich sie auf die Maschine einpassen konnte.

Der erste Teil dieser Arbeit bestand darin, Senkungen und Löcher für das untere Ende der Opferplatten-Halterungen zu schaffen. Ich setzte den Nullpunkt ganz unten links auf der Maschine (X0, Y-max), damit ich sicher sein konnte, dass die relativen Koordinaten passen würden.

Für den oberen Abschnitt wurde das oberste Loch auf der linken Seite als XY-Referenznullpunkt verwendet, der in der vorherigen Arbeit erstellt wurde. Auf diese Weise konnte ich das Material flexibler einspannen.

Ich wiederholte diese Vorgehensweise für die beiden anderen Jobs.

Für die T-Nut Schlitze musste ich die Skizze spiegeln und mein Material um die Y-Achse drehen, da die Unterseite der Opferplatte hier bearbeitet werden musste. Das könnte man auch in CAM machen, aber ich zog es vor, für diese Aufgabe schnell wieder ins CAD zu wechseln.

Für all diese Arbeiten habe ich einen 6-mm-Holzfräser mit 2 Schneiden und einer Fräserlänge von 21mm verwendet. Da dies meine allerersten Schritte mit einer CNC waren, habe ich mit sehr konservativen Parametern für dieses Werkzeug geplant: S24000U/min, F2800mm/min, Z+=6mm, XY+=85%.

Ich habe den ersten Job sogar “in der Luft” ausgeführt, um sicherzugehen, dass ich alles richtig eingestellt hatte.

Ausführung

Ich war ratlos, als ich das Material endlich auf dem Maschinenbett hatte: Wo sollte ich das bloß einspannen? Die Seiten waren durch das Portal belegt, was sich ja bewegen würde. An der Rückseite der Maschine ist bereits die Kellerwand… Würde es also ausreichen, das Werkstück nur an der Vorderseite einzuspannen? Und da ich ganz durchfräsen wollte, sollte ich eine weitere Opferplatte unter meiner Opferplatte anbringen, damit ich nicht versehentlich in das Maschinenbett schnitt?

Ich beschloss, dass diese Einwände berechtigt seien, und wartete, bis das Wochenende vorbei war, um etwas Altholz und mehr doppelseitiges Klebeband zu kaufen.

So habe ich niedergehalten: Standard-Zwingen unten, doppelseitiges Klebeband oben. Hat sehr gut funktioniert.

Bevor ich den Rahmen endgültig auf der Opferplatte befestigte, habe ich ihn mit einer “Spiral”-Strategie abgeplant. Es genügte bereits Z=0,3mm tief zu fräsen. Dabei kam ein 14-mm-Planfräser bei einer Geschwindigkeit von nur 5500U/min zum Einsatz. Fast 30 Minuten vergingen während der Ausführung. Das Ergebnis war eine Oberfläche, die so glatt war wie die des Originalmaterials.

Bewertung

Zum Glück hat am Ende alles geklappt. Wie sauber der die Schnitte sind! MDF und scharfe Schaftfräser scheinen gut miteinander zu harmonieren. Hinweis: Für Arbeiten in MDF braucht man eine wirklich gute Absaugung, da bei der Bearbeitung atemberaubende Mengen an Staub entstehen.

Mit der Gesamtqualität bin ich sehr zufrieden. Jeder einzelne Befestigungspunkt an Maschinenbett und Anschlag passt, und der Werkzeuglängensensor sitzt gut in seiner Aussparung.

Es gibt zwei Dinge zu bemängeln: Der von mir verwendete Schaftfräser ist sehr laut und gibt ein unangenehmes kreischendes Geräusch von sich, dem ich sogar einen Blogbeitrag gewidmet habe. Zweitens habe ich mich in meinem CAM-Tool nicht ausreichend um die Fräsrichtung gekümmert. Auf diese Weise entschied sich das CAM-Tool, einen Durchgang im Gegenlauf und einen weiteren im Gleichlauf durchzuführen (der Schlitz war so breit wie das Werkzeug, für das CAM-Tool ist es also beides Gleichlauffräsen, nur die “Seite” des Werkzeugeingriffs ändert sich). Der Unterschied ist ein sehr kleiner, aber spürbarer Grat an der Kante des Anschlags.

Mit dieser Opferplatte kann ich jetzt Platten bis zu einer Größe von 620 mm x 620 mm bearbeiten!

Nun, ein Manko ist noch der Werkzeuglängensensor. Er ragt in den Arbeitsbereich hinein, was ein Problem darstellt, wenn ich große Werkstücke bearbeiten will und Werkzeugwechsel geplant sind: In diesem Fall verwende ich Makros zur Messung der Werkzeuglänge, weshalb ich den Sensor nicht entfernen möchte. Als Iteration könnte ich den Anschlag so überarbeiten, dass er den Sensor vollständig umschließt.

Vielleicht.

Später.

MobFobAmp

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Ein zweiter Prototyp meines mobilen Instrumentenverstärkers, dieses mal mit klappbarem Design. 28l Box mit 17cm Tiefmitteltöner. 15W Verstärkerleistung. 7.3kg inkl. Akku. Geeignet für E-Bass, Akustikgitarre, E-Piano.

Projekt-Steckbrief

Schwierigkeitsgrad: herausfordernd 4/5
Kosten: ~140€ ohne Akku
Zeitaufwand: ~15h

Vorstellung

Ein paar Bilder von meinem mobilen, klappbaren Bassverstärker 'MobFobAmp'.

Benötigt zusammengeklappt extrem wenig Platz

Flaches Design, leicht zu tragen

28l Gehäusevolumen wenn ausgeklappt, geschlossenes Design

Durch eine Höhe von 53cm auch als Hocker verwendbar

17cm Bass-Mittenlautsprecher, 4Ah-Akkupack für lange Laufzeit

Ein Blick nach Innen

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MobFobAmp Soundbeispiel

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A/B/A Vergleich geschlossenes vs. offenes Gehäuse

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MobFobAmp und Piano, externer Vorverstärker, maximale Lautstärke

Alle Aufnahmen habe ich mit meinem Smartphone gemacht. Dennoch bringen sie den Klang des Verstärkers realistisch rüber.¹

“MobFoBamp”: Motivation

Um die Nachteile meines vorherigen Prototypen zu beheben, wollte ich es mal mit einem größeren Lautsprecher und mehr Volumen probieren. Leider macht einem so eine große Box ja das Tragen schwer, also dachte ich mir, wenn man quasi die Luft raus ließe für den Transport, wäre das nicht eine Lösung…?

Die Idee: Klappbox

Eine Klappbox ^[1]

In Anlehnung an das Konzept einer Faltbox, wie es hier gezeigt wird, beschloss ich, dass mein Combo zum einfachen Transport zusammenklappbar sein sollte. Ich entschied mich zunächst für eine geschlossene Konstruktion, damit ich mich nicht um die Berechnung von Lüftungsöffnungen, Resonanzfrequenzen und Gruppenlaufzeiten kümmern musste.

Ich musste mir Gedanken darüber machen, wie ich Lautsprecher und Elektronik integrieren konnte, ohne die Möglichkeit zu verlieren, das Gehäuse vollständig zusammenzulegen.

Abmessungen

Ich habe die Breite des Gehäuses so gewählt, dass es bei Bedarf bequem in meine Bass-Gigbag passt. Alle anderen Abmessungen ergaben sich von selbst - die Höhe musste mindestens doppelt so groß sein wie die Breite, damit der obere und untere Deckel im zusammengeklappten Zustand untergebracht werden konnte (aber nicht zu hoch, um die Steifigkeit nicht zu reduzieren). Die “Tiefe” musste kleiner sein als “0,5*Breite” - (Materialstärke + Scharnierdicke), sonst würde das Falten nicht funktionieren, weil die Seiten im Weg wären.

Sound-Hardware

Für den Leistungsverstärker habe ich mich für das Modul entschieden, das ich schon früher gekauft habe. Ich wählte einen 6,5-Zoll-Hi-Fi-Tieftöner (50W, 4Ohm) mit niedriger Resonanzfrequenz, passend zu meinem geschlossenen Gehäuse.

Simulation

Dann führte ich einige Simulationen durch, um herauszufinden, ob Gehäuse und Lautsprecher gut zusammenpassen würden.

Der geschätzte Qtc-Wert läge bei 0,63 anstelle des empfohlenen Wertes von 0,71 (optimale Sprungantwort), so dass das Gehäuse etwas überdämpft wäre und “straffer” klingen würde, aber im Vergleich zu einer optimalen Einstellung an Volumen am unteren Ende verlieren würde. Der Bau einer Box ist leider immer ein Kompromiss zwischen Klang, Leistung, Größe, Gewicht, Frequenzgang und Lautstärke, wobei ich Prioritäten setzen und bestimmte Attribute etwas vernachlässigen musste.

Ausprobieren

Als ich nach etwa 15 Stunden mit dem Bau des Gehäuses fertig war, war ich sehr erfreut zu sehen, dass es luftdicht schließt und solide und stabil steht. Für das Ausklappen brauchte ich weniger als 60 Sekunden, für das Zurückklappen in den ursprünglichen Zustand sogar weniger als 30 Sekunden. Da der Maximalpegel immer noch etwas niedrig war, fügte ich dem Setup ein Kompressorpedal hinzu, das einen Gain-Regler hatte, den ich als Vorverstärker verwenden konnte.

Der Klang dieses Geräts ist erstaunlich. Straffe Bässe, warme Mitten und subtile, aber brillante Höhen passen sehr gut zum charakteristischen Klang der Bassgitarre. Die maximale Lautstärke ist begrenzt, aber sie reicht immer aus, um mit einer Akustikgitarre mithalten zu können. Ich benutze ihn ständig als Übungsverstärker.

Klangqualität

Der wichtigste Aspekt eines Combos ist sicherlich, wie er klingt. Durch das faltbare Design kann er in zwei verschiedenen Setups betrieben werden.

Geschlossen: Straffer und ausgewogener Klang, guter Tiefbass-Punch. Ohne Vorverstärker ist der maximale Pegel OK, um mit einer Akustikgitarre zu spielen
Belüftet: Unterer Deckel um 3cm geöffnet, wobei der Riegel das Gehäuse gegen die Bodenplatte drückt. Viel lauterer Klang mit ausgeprägten tiefen Mitten, weniger ausgewogen und etwas dröhnend, Maximalpegel auf dem Niveau von Piano gespielt f.

Ich bin sehr zufrieden mit der Klangqualität, die MobFobAmp bietet. Die Option, “offen” zu spielen, erhöht die Flexibilität und lässt den Sound wirklich hervorstechen (mit den oben erwähnten Nachteilen).

Ich habe auch einige Messungen durchgeführt, um zu sehen, wie nahe das Design an einen idealen Frequenzgang herankommt, indem ich etwas Weißes Rauschen an MobFobAmp schickte und dann den Tonausgang mit einem Mikrofon aufnahm. Zum Vergleich habe ich eine Spektrumanalyse im Frequenzbereich angezeigt. Eine vollkommen neutrale Tonausgabe würde die orangefarbene Linie bei 0 dB für das gesamte Spektrum treffen. {: .align-center} Man kann sehen, dass die -3dB-Grenze oder der nutzbare Frequenzbereich von 30Hz bis ~1.5kHz reicht.

Add-Ons

9V Spannungsversorgung für Pedalboard

Ich benutze einige Effektpedale beim Üben, und ich wollte sie auch benutzen können, wenn ich MobFobAmp mitnehme. Deshalb habe ich beschlossen, eine “+9V”-Versorgungsschiene mit Hohlstecker (Außen = +) an Bord zu haben. Also kaufte ich einen seit Jahrzehnten auf dem Markt befindlichen linearen Spannungsregler aus der 78xx-Serie namens 7809 in einem TO-220-Design, der bis zu 1,5A Strom bei 9V liefern kann und einen Eingangsspannungsbereich von 11-35V akzeptiert. Das Bauteil kann mit wenigen zusätzlichen Teilen verwendet werden, wie in der Abbildung rechts gezeigt. Auf diese Weise kann ich jetzt ein Pedalboard mit der Batterie des MobFobAmp betreiben!

Piezo-Hochtöner

Als ich zum ersten Mal einen Drumcomputer mit mobfobamp benutzt habe, hatte ich das Gefühl, dass die Höhen einfach nicht ausreichen. Während sie für einen E-Bass perfekt waren, klangen die Hi-Hat, die Becken und sogar die Snare des Drumcomputers dumpf und muffig. Also bestellte ich einen einfachen Piezo-Treiber, den ich parallel zum Hauptlautsprecher anschließen konnte - das funktioniert perfekt. Ich fügte einen “2W/320Ohm”-Widerstand in Reihe mit dem Treiber hinzu, um die Pegel für meine Ohren genau richtig einzustellen. Das Ergebnis ist großartig.

MobFobAmp Vorteile:

Zusammenklappbar auf sehr kompakte Maße
Geringes Gewicht: 7.3kg inkl. Batterie, 6.9kg ohne
Läuft >20h mit einer Akkuladung als Übungsverstärker und moderater Lautstärke
Läuft >3h mit einer Batterieladung bei maximaler Lautstärke
Klingt sehr gut für Bass, E-Piano oder Akustikgitarre
Tiefe Töne bis hinunter zu “B0” funktionieren gut und klingen druckvoll
9V DC Ausgang für Vorverstärker oder Effektgeräte
Kann im “Bass Reflex Mode” für mehr Tiefmitten betrieben werden

Zu verbessern:

Ohne Piezo-Hochtöner wirken die Höhen matt und gedämpft
Geringer Headroom der Endstufe: Wenn der externe Vorverstärker zu stark aufgedreht wird, verzerrt die Endstufe vor allem tiefe Töne, erst mit Flattern, dann mit dem typischen Klang der Transistorsättigung
Die chaotische Verkabelung des Prototyps ist immer noch anfällig für mechanische Beschädigungen, daher wäre ein zusätzliches Gehäuse für die Elektronik schön
Natürlich reicht die Lautstärke und Leistung nicht aus, um ein Schlagzeug oder eine Band zu beschallen.
Ein Schutzgitter für den Lautsprecher wäre schön

MobFobAmp - DIY Replica

Natürlich ist der Nachbau erwünscht! Unten ein Link zur Anleitung. Mobfobamp DIY-Anleitung

Piano gespielt von Feliks Weber ↩︎