Der Client

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Funktionsbeschreibung und Bauanleitung 

Letzte Änderung: 05. Mai 2023

Haupt­be­stand­teil des Clients ist ein Raspberry Pi mit einer USB-Sound­karte. Mit einem kleinen Audio­ver­stär­ker wird ein Laut­sprech­er betrieben, das Mikrofon kann direkt an die Sound­karte an­ge­schlos­sen werden. Die weiteren Bau­grup­pen sind eine 5-V-Spannungs­ver­sorgung und eine An­steu­er­ung für die LED auf der Front­plat­te.

Der Schaltplan

Die Elektronik des Clients ver­teilt sich auf zwei Platinen, die Haupt­platine mit Strom­ver­sor­gung und Audio­ver­stär­ker und die Front­pla­ti­ne mit Anzeige- und Be­dien­ele­men­ten.

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Hauptplatine des Clients

Um den Client mit einer in der Funk­tech­nik üblichen 12-V-Spannung ver­sorgen zu können, ist ein Schalt­regler für 5 V vor­gesehen. Es wird ein LM2576 ver­wendet. Im Gegensatz zum LM2596, der im Server ver­wendet wird, schaltet er langsamer und braucht deshalb bei gleicher Leistung eine größere Spule. Da der LM2596 aber beim Bau der Clients nicht mehr lieferbar war, mußte auf den langsameren LM2576 umgestellt werden. Da die beiden ICs pin­kompa­tibel sind, kann bei Ver­fügbarkeit auch der Schalt­regler aus dem Server aufgebaut werden.

Ein Brücken­gleich­rich­ter am Ein­gang sorgt für Ver­polungs­sicher­heit der Schaltung. Wenn der Ein­gangskondensator C1 deutlich ver­größert wird, ist auch ein Betrieb an Wech­sel­spann­ung möglich.

Der Laut­sprech­er­ver­stärker ist der bekannte LM386, der die Standard­beschaltung aus dem Datenblatt erhält. Die Wider­stän­de R1 und R2 fassen das Stereo­signal der Sound­karte zusammen, und mit dem Trimmer RV1 kann der Signal­pegel angepaßt werden, so daß bei voll auf­gedreh­ter Laut­stärke an der Front­plat­te ein möglichst lautes Signal ertönt, ohne zu über­steuern.

Das Mikrofon ist an einer RJ 45-Buchse mit ICOM-Pin­belegung an­ge­schlos­sen. Das Mikrofon­signal wird direkt zur Sound­karte weitergereicht. Das Hand­mikro­fon braucht eine Vor­spann­ung (eigentlich 8 V) die ebenfalls (wenn auch nur 5 V) von der Sound­karte auf dem Ring des Klinken­steckers zur Ver­fügung gestellt wird. Die PTT-Taste wird direkt vom Raspberry Pi an einem GPIO-Pin aus­gewertet.

Die USB-Ver­bindung der Sound­karte zum Raspberry Pi findet nicht auf der Platine statt und ist daher im Schalt­plan nicht ein­ge­zeich­net.

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Frontplatine des Clients

Auf der Front­plat­te müssen 14 LED, zwei Taster und ein Dreh­geber an­ge­steu­ert werden. Um jetzt nicht eine Unmenge von Leitungen von der Haupt­platine auf die Front­platine führen zu müssen, werden die LED von einem Schiebe­register, bestehend aus U4 und U5, angesteuert. Die beiden 74HC595 sind kaskadiert. Über die Leitungen „led_data“ und „led_shift“ wird der gewünschte LED-Zustand in die Schiebe­register geschoben und mit „led_latch“ auf die Aus­gänge gegeben. Die LED werden über die 150-Ω-Wider­stände mit etwa 9 mA Strom ver­sorgt. Nur die blaue LED bekommt einen eigenen Wi­der­stand nach 5 V; zum einen deswegen, weil sie mit einer Vor­wärts­spannung von deutlich über 3 V nicht aus der 3,3-V-Ver­sorgung gespeist werden kann, zum anderen, weil sie im Gegensatz zu den anderen LED „superhell“ ist und mit einem deutlich kleineren Strom (ca. 0,25 mA) beschickt werden muß, um nicht fürch­ter­lich zu blenden.

Die Taster und der Dreh­geber werden ganz ge­wöhn­lich direkt von einem GPIO-Pin des Raspberry Pi bedient.

Der Aufbau

Bevor man mit dem Auf­bau beginnt, stelle man sicher, daß alle benötigten Materialien vor­handen sind. Neben der oben be­schrie­ben­en Schaltung wird ein Gehäuse mit Strom­ver­sor­gung und Mikrofon benötigt. Weiter unten im Abschnitt Material sind alle benötigten Teile und gege­benen­falls die Dateien zu ihrer Erstellung aufgeführt.

Bestücken der Platine

Nachdem die Platine vom Hersteller des Ver­trauens geliefert wurde, muß sie erst einmal in Haupt- und Front­platine zersägt werden. Als Breite für den Säge­spalt sind 2 mm vor­gesehen.

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Zersägen der Platine

Eines der zu be­stückenden Bauteile ist die USB-Sound­karte. Die muß aber erst aus ihrem Gehäuse befreit werden und mit Löt­bein­chen und einem An­schluß für ein Flach­band­kabel ver­sehen werden.

Das Entlöten des USB-Steckers ist nicht ganz einfach. Der Stecker ist mit zwei Laschen befestigt, die durch die Platine durch­ge­steckt sind und auf der Unter­seite ver­dreht, so daß der Stecker mechanisch fest sitzt. Die Laschen sind nicht ver­lötet. Zuerst werden diese Laschen mit einer Zange gerade gebogen, so daß sie später leicht aus der Platine gezogen werden können. Unten in Teil­bild (a) ist die untere Lasche noch im Ori­gi­nal­zu­stand, die obere ist bereit gerade gebogen. In Teilbild (b) sind beide Laschen gerade gebogen. Wenn das geschehen ist, kann der USB-Stecker von der Ober­seite her abgelötet werden. Wer einen klassischen, breiten Löt­kol­ben und keine Löt­sta­tion hat, kann die Löt­spit­ze quer über die Pins halten und dann alle Pins gleichzeitig entlöten. Dabei ist darauf zu achten, daß die beiden SMD-Bauteile direkt neben dem Stecker (L1 und R8) nicht mit entlötet werden.

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Entlöten der USB-Steckers. (a) Lösen der Befestigungslaschen des USB-Steckers. Unten Originalzustand, oben Lasche gedreht. — (b) Beide Laschen gedreht, USB-Stecker frei — (c) Lötkolben quer über die Pins.

An die Stelle des USB-Steckers wird eine Stecker­leiste gelötet, um später ein Flach­band­kabel an­zu­schlie­ßen. Pin 1 wird markiert. Außerdem werden zwei Stütz­bein­chen an die Befestigungs­löcher des USB-Steckers gelötet. An die Kontakte der beiden 3,5-mm-Klinke-Buchsen werden Löt­bein­chen gelötet. Die Schritte sind im folgenden Bild gezeigt.

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Vorbereitung der USB-Sound­karte. (a) Originalzustand — (b) Gehäuse entfernt — (c) USB-Stecker entfernt — (d) Flach­band­stecker und Draht­beinchen angelötet, von oben … (e) Backbord … (f) Steuerbord.

Es sollte möglich sein, auch eine andere als die hier gezeigte USB-Sound­karte zu ver­wenden. Die Vor­be­rei­tung zum Einlöten sollte ähnlich möglich sein. Zur Sicherheit sind die Lötpads für die Audioein- und -ausgänge auf der Platine in ver­schiedenen Abständen vor­handen.

Auch am Raspberry Pi müssen ein paar Vor­ar­bei­ten durch­ge­führt werden. Zuerst erfolgt eine mechanische Bearbeitung: die vier Be­festi­gungs­löcher werden von 2,57 mm auf 3 mm aufgebohrt. So kann der Raspberry Pi später mit M3-Schrauben befestigt werden.

Als nächstes wird der USB-Anschluß für die Sound­karte vor­bereitet. Dazu wird an die USB-Buchse, die auf der Unterseite der Platine unten rechts liegt (siehe Bild), ein Flach­band­ka­bel angelötet und mit einer Buch­sen­lei­ste ver­sehen. Das Flach­band­ka­bel ist etwa 12 cm lang. Auch hier wird Pin 1 des Steckers markiert.

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Raspberry Pi mit angelötetem USB-Kabel.

Bei der Be­stück­ung der Haupt­pla­tine bedürfen zwei Teile einer besonderen Aufmerksamkeit. Das ist zum einen die 40-polige Buch­sen­lei­ste für den Raspberry-Pi (J4). Hier wird zunächst nur ein Pin angelötet. Dann wird nochmal der korrekte Sitz geprüft und eventuell korrigiert. Die Buch­sen­lei­ste muß wirklich plan auf der Platine aufliegen; wenn sie schräg ist, läßt sich der Raspberry-Pi nur schlecht oder gar nicht auf der Platine befestigen.

Das zweite Bauteil unter be­son­der­er Beob­ach­tung ist der DC-DC-Wandler (U1). Auch er muß sehr gerade auf der Platine stehen; außerdem muß sich das Loch im Kühlfähnchen recht genau 18,4 mm über der Platine befinden. Es ist hilfreich, wenn das Gehäuse schon vor­bereitet ist, so kann man die Position am ent­sprech­enden Ge­häuse­loch justieren.

Die fertige bestückte Haupt­pla­tine ist unten zu sehen.

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Hauptplatine, fertig bestückt.

Bei der Be­stück­ung der Front­pla­ti­ne ist darauf zu achten, daß die LED mit ihren Ab­stand­hal­tern gerade auf der Platine sitzen. Auch hier ist es sinnvoll, zuerst nur einen Pin anzulöten und den Sitz noch einmal zu kon­trollieren. Der Wannen­stecker J6 muß auf der Rück­seite der Platine bestückt werden. Die fertige Front­pla­ti­ne sieht wie folgt aus.

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Frontplatine, fertig bestückt. Die gelbe Kappe für den Taster wird einfach aufgesteckt.

Das Gehäuse

Als Gehäuse kommt ein Kombi­na­tions­ge­häuse der Firma Fischer Elektronik zum Einsatz. Es besteht aus einer flachen Ober­schale, einer hohen Unter­schale und Front- und Rück­seiten­paar. Beim hier gezeigten Gerät ist als Ober­schale eine mit Flansch gewählt, so daß das Gerät unter ein Regal­brett montiert werden kann. Wer lieber ein Stand­gerät haben möchte, kann die entsprechende Ober­schale ohne Flansch wählen (ist in der Teile­liste als Alternative angegeben).

Außer der Ober­schale müssen alle Ge­häuse­teile bearbeitet werden. Am günstigsten ist es, wenn eine CNC-Fräse zur Ver­fügung steht. Dann können die im Abschnitt Material ver­linkten DXF-Dateien zur Bearbeitung ver­wendet werden. Die DXF-Dateien enthalten alle runden und eckigen Löcher. Lediglich Senkungen und Gewinde müssen von Hand nach­ge­ar­beitet werden.

Front- und Rück­seite sind vom Her­steller bereits mit den an­ge­senk­ten Löchern zur Befestigung am Gehäuse ver­sehen. Folg­lich müssen in der Front­plat­te nach dem Fräsen nur noch die Senkungen an den drei Be­festi­gungs­löch­ern für die Front­pla­ti­ne angebracht werden. Die fertig bearbeitete Front­plat­te ist hier zu sehen.

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Front­plat­te (Ansicht von außen), fertig bearbeitet, noch ohne Aufdruck.

Auf der Rück­seite ist das einzelne Loch links im Bild für die Be­festi­gung des DC-DC-Wandlers vor­gesehen. Es handelt sich um ein 2,5 mm Kernloch für ein M3-Gewinde. Das Gewinde muß also mit einem Ge­win­de­boh­rer noch gefertigt werden.

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Rückplatte (Ansicht von außen), fertig bearbeitet.

Die Boden­platte muß den Laut­sprecher aufnehmen. Dazu ist ein Laut­sprecher­gitter aus vielen Bohrungen entstanden. Die beiden einzelnen Löcher neben dem Laut­sprecher­gitter dienen der Be­festi­gung des Laut­sprechers. Alle Löcher auf der Boden­platte sind 2,5-mm-Löcher. Die beiden Be­festi­gungs­löcher erhalten von Hand ein M3-Gewinde.

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Bodenplatte (Ansicht von unten), fertig bearbeitet.

Bedrucken der Front­plat­te

Den Druck auf der Front­platte wird mit der Toner­transfer­methode auf­ge­bracht. Dazu wird zuerst der Front­platten­aufdruck spiegel­ver­kehrt mit einem Laser­drucker aus­gedruckt. Dann wird der Aus­druck mit der be­druckten Seite nach unten auf die Front­platte gelegt. Front­platte und Aus­druck werden erhitzt, wodurch der Toner schmilzt und auf der Front­platte haftet. Soweit die Theorie. Das Ver­fahren ist etwas ex­pe­rimen­tell, man findet im Netz aber ver­schiedene An­lei­tun­gen dazu. Im folgenden wird das hier ver­wendete Vor­gehen be­schrie­ben.

Der Aufdruck der Front­platte ist im Ab­schnitt Material als PDF-Datei ver­fügbar. Die Datei enthält eine Seite, auf der der Font­platten­auf­druck mehr­fach ab­ge­bil­det ist. Der Aus­druck erfolgt seiten­ver­kehrt auf Klar­sicht­folie für Laser­drucker (z. B. Zweckform¹ 3562 oder 3566). Wenn möglich, stelle man beim Drucker einen möglichst großen Toner­auftrag ein.

Die noch un­be­druckte Front­platte wird mit Aceton oder Iso­propan­ol gereinigt. Dann wird ein Front­platten­auf­druck aus­geschnitten und an zwei Ecken mit etwas Tesa­film auf der Front­platte befestigt. Der Aus­druck wird mit der bedruckten Seite nach unten, also direkt auf die Front­platte aufgelegt. Dadurch ist der Auf­druck jetzt seiten­richtig zu sehen.

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Front­plat­te mit aufgeklebter Folie.

Auf die so prä­pa­rier­te Front­platte wird ein Tuch gelegt, z. B. ein Trockentuch. Dann wird der Toner auf die Front­platte aufgebügelt. Das Bügel­eisen wird auf die heißeste Stufe gestellt (•••). Dann wird ein bis zwei Minuten mit leichter Bewegung und leichtem Druck auf der Stelle gebügelt. Das folgende Video zeigt die Bewegung.

Bügelbewegung beim Aufbügeln des Toners auf die Front­plat­te

Häufig ist es so, daß der Aufdruck auf der Front­platte nach dem Auf­bügeln noch sehr blaß ist. In diesem Fall kann man das Aufbügeln noch ein oder zwei mal wieder­holen. Stellen, die besonders wenig Toner aufgenommen haben (z. B. halbe oder fehlende Buchstaben) können vor­her noch einmal mit Aceton gereinigt werden; als Werkzeug empfiehlt sich ein Watte­stäbchen. Beim Auflegen einer neuen Folie muß darauf geachtet werden, daß sie exakt auf dem schon vor­handenen Aufdruck liegt. Das ist leicht zu erkennen, wenn die Schrift scharf erscheint und keinen „Schatten“ mehr hat.

Wenn der Aufdruck fertig ist, wird die Front­plat­te mit Klar­lack lackiert. Dadurch ist der Aufdruck geschützt und kann durch un­sanf­te Be­rüh­rung mit dem Finger­nagel nicht abgekratzt werden.

Einbau ins Gehäuse

Zuerst wird die Haupt­platine mit dem Laut­sprecher in die untere Gehäuse­schale eingebaut. Da der Laut­sprecher aus der Haupt­platine her­vor­ragt, müssen beide gleich­zeit­ig eingeschoben werden (Bild (a) unten). Der richtig po­si­tion­ierte Laut­sprecher ist in Bild (b) zu sehen. Die Ge­win­de­löcher in der Unter­schale sind durch die Aus­sparungen in der Haupt­platine direkt neben dem Laut­sprecher zu erkennen. Zum Fest­schrau­ben des Laut­sprechers empfiehlt es sich, zuerst die im Bild linke Schraube (im Loch in der Haupt­platine) ein­zu­drehen. Die Schraube wird noch nicht an­ge­zogen, der Schrau­ben­kopf sollte den Laut­sprecher noch nicht be­rühren. Jetzt wird die im Bild rechte Schraube (in der Aus­sparung der Haupt­platine) eingesetzt. Ja, das kann ziemlich fummelig sein, weil sie sehr nah am Laut­sprecher sitzt. Wenn sie im Gewinde gepackt hat, können beide Schrauben fest­ge­zogen werden. Der fertig ver­schraubte und an­geschlos­senen Laut­sprecher ist in Bild (c) gezeigt.

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Einbau des Laut­sprech­ers unter der Hauptplatine.

Jetzt kann der Raspberry-Pi eingebaut werden. Nach dem Auf­stecken wird er mit vier Schrauben befestigt und auch die USB-Sound­karte wird mit dem Flach­band­kabel an­ge­schlos­sen.

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Fertig eingebauter und angeschlossener Raspberry-Pi.

Die Rück­wand des Gehäuses dient dem DC-DC-Wandler als Kühl­körper. Folg­lich muß selbiger dort elektrisch isoliert an­ge­schraubt werden. Dazu ist der Satz aus Glimmer­plätt­chen und Isolier­ring für das TO-220-Gehäuse vor­gesehen. Es wird ein kleiner Klecks Wärme­leit­paste auf die Rück­seite des DC-DC-Wand­lers gegeben. Dann wird das Glimmer­plätt­chen aufgesetzt, so daß der Klecks leicht platt­ge­drückt wird. Dann kommt ein zweiter Klecks Wärme­leit­paste auf die Glimmer­plätt­chen. Diese Situation ist im Bild unten links zu sehen. Jetzt kann die Rück­wand von außen an­ge­schraubt werden. Dann wird von innen der DC-DC-Wandler an die Rück­wand an­ge­schraubt. Dazu wird der Isolier­ring wie eine Unter­leg­scheibe auf die Schraube gesteckt. Der Isolier­ring hat einen Kragen, mit dem er genau in das Loch des TO-220-Gehäuses paßt. Der fertig montierte DC-DC-Wandler ist im Bild unten rechts zu sehen.

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Montage des DC-DC-Wandlers auf die Rückwand.

Die Montage der Front­plat­te gestaltet sich recht einfach. Drei Senk­kopf­schrau­ben werden durch die an­ge­senk­ten Löcher gesteckt und dann mit je einem 10-mm-Ab­stands­bolzen aus Kunststoff ver­sehen. Dann wird die Front­platine von hinten auf die Schrauben gesteckt; die LED, Taster und Dreh­geber sollten jetzt — eventuell mit etwas ge­schmei­di­gem wackeln — durch die Löcher der Front­plat­te gleiten. Der Sandwich wird mit Muttern fixiert. Zuletzt wird der Dreh­knopf auf den Dreh­geber aufgesetzt.

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Front­plat­te fertig montiert.

Nun kann die Front­plat­te am Gehäuse befestigt werden. Haupt- und Front­pla­ti­ne werden mit­ein­an­der mit einem 10-poliges Flach­band­ka­bel mit Buch­sen­lei­sten ver­bunden. Dazu wird ein etwa 15 cm langes Stück Flach­band­ka­bel ab­ge­schnit­ten und an den Enden jeweils eine Buch­sen­lei­ste mit Schneid­klem­men befestigt.

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Flachbandkabel im Zuschnitt und fertig montiert.

Als Stecker für die Strom­ver­sor­gung ist ein XLR-Stecker gewählt worden. Der Grund ist, daß einerseits XLR-Stecker sehr robust sind und andererseits die sonst üblichen Hohl­stecker aufgrund der un­glaub­lich­en Typen­viel­falt sowieso nie passen, wenn man noch ein geeignetes Steckernetzteil zur Hand hat. Bei uns im Club­heim haben wir die interne Norm, daß Plus auf Pin 1 und Minus auf Pin 2 liegt — wobei der Client mit seinem Brücken­gleich­rich­ter im Ein­gang ohnehin ver­pol­ungs­sicher ist.

Jetzt muß nur noch die Ober­schale auf­ge­setzt und mit dem Gehäuse ver­schraubt werden. Hier also ein letzter Blick ins Innere des Clients.

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Der Client von innen.

Das Mikrofon

Zuletzt wird noch ein Hand­mikro­fon benötigt, das einen RJ-45-Stecker in ICOM-Pin­be­le­gung hat.

Es hat sich gezeigt, daß je nach USB-Sound­karte die 5-V-Spei­se­span­nung für das Mikro­fon der Be­las­tung nicht stand­hält und auf etwa 0,5 V zu­sam­men­bricht. Die Folge ist ein sehr leises Mikro­fon­sig­nal. Es läßt sich auf ein­fache Weise Ab­hilfe schaf­fen, indem man das Mikro­fon (Pin 1, icom_+8V) direkt aus der 5-V-Ver­sor­gung der USB-Schnitt­stelle ver­sorgt, an­statt vom Bias-Pin der Mikro­fon­ein­gangs (Kon­takt „Ring“ der Mikro­fon-Buchse.) Einen ent­sprech­en­den Umbau zeigt das fol­gende Bild.

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Gelbes Kabel: Vorspannung des Mikrofons direkt vom USB-Port.

Material

Die Unter­lagen zum Bau des OVF-Clients finden sich im Ver­zeich­nis Client im Down­load­ar­chiv. Für den Client sind die fol­gen­den Dateien ent­hal­ten:

Stückliste-BOM.ods

PCB:
    client-schaltplan.pdf
    client-pcb-front.png
    client-pcb-back.png
    client.kicad_pcb

Housing-Print:
    Front­plat­te-Druck.pdf
    Front­plat­te-Druck.fig

Housing-Front:
    Front­plat­te.pdf
    client-Eco1_User.dxf

Housing-Bottom:
    Boden-mit-Kreisen.pdf
    Boden-mit-Kreisen.dxf

Housing-Back:
    Rückwand.pdf
    Rückwand.kicad_pcb
    Rückwand-Edge_Cuts.dxf

Stückliste-BOM.ods — Diese Liste enthält alle Bau­teile für einen Client. Um die Be­schaf­fung zu er­leich­tern, ist — wo sinnvoll — eine Bestell­nummer von ↥Reichelt¹ an­ge­geben. Die Reichelt-Be­zeich­nung­en sind aus der Zeit der Prototyp-Ent­wick­lung, d. h. etwa September 2021. Zu diesem Zeit­punkt hat das Material für einen Client übrigens etwa 100 € gekostet. Es ist natürlich möglich, daß der ein oder andere Artikel so nicht mehr lieferbar ist. Es sollte aber möglich sein, Ersatz zu finden. Ich werde nicht die Zeit haben, diese Liste zu pflegen!

PCB — Dieses Ver­zeich­nis enthält die Dateien zur Er­stel­lung der Platine. Das Layout ist mit KiCad erstellt worden. Die gängigen Pla­tinen­her­stel­ler können KiCad-Dateien direkt ver­arbeiten. Ich habe meine Platinen bei ↥Aisler¹ machen lassen.

Housing-Print — Aufdruck für die Front­plat­te. Der Aufdruck ist mit XFig erstellt worden. Die PDF-Datei enthält den Fron­plat­ten­auf­druck in mehrfacher Aus­füh­rung und muß spiegel­ver­kehrt aus­ge­druckt werden.

Housing-Front — Fräsdaten für die Front­plat­te, entstanden aus der KiCad-Platine, Layer Eco1_User. Die PDF-Datei enthält eine Maß­zeich­nung für den Fall, daß man die dxf-Daten nicht direkt nutzen kann.

Housing-Bottom — Fräsdaten für die Boden­platte, also das Laut­sprech­ergitter mit Be­festigugns­löch­ern für den Laut­sprech­er. Die Position des Laut­sprech­ers ist ursprünglich auch aus dem KiCad-Platinen­layout ent­nommen und dann über ein Script erstellt worden.

Housing-Back — Fräsdaten für die Rückwand. Für die Rückwand ist eine eigene KiCad-Datei erstellt worden. Die PDF-Datei enthält wieder eine Maß­zeich­nung.

¹⁾ Ich nenne Firmen und meine Bezugs­quellen, um die Beschaf­fung für einen Nach­bau möglichst einfach zu machen. Ich habe zu keiner der Firmen eine besondere Ver­bin­dung und bekomme auch keinerlei Provision. Natürlich bekommt man alle Teile auch bei andern Händlern.