Heathkit SB-104:

Die Umrüstung des SB-104 erfolgte sehr viel weitergehend als diejenige des SB-104A. Hier wurden Verbesserungen eingeführt, die den SB-104 möglichst auf einen aktuell brauchbaren technischen Stand bringen sollten.

Die Umrüstmaßnahmen wurden allerdings so umfangreich, dass ich sie im Folgenden leiterplattenweise darstelle. Auslöser für den Umbau war die bekannt geringe Großsignalfestigkeit des originalen Empfängers. Nach dessen Umrüstung erfolgte der Einsatz eines Festspannungsreglers für die Bordspannung. Dann wurde der driftende Analog-VFO durch einen DDS-Baustein ersetzt. Die Anzeige mit Gasentladungselementen musste einer solchen mit 7-Segment-LED-Anzeigen weichen. Dann wurde der mangelhafte Treiber und nach dem Ausfall des Netzgeräts die Endstufe modernisiert. Schließlich gab es fast an jeder Baugruppe etwas zu ändern, am Schluss vor allem wegen des hohen Verzerrungsgehalts des Sendesignals. So ist mittlerweile ein fast neuer Transceiver im alten Gehäuse entstanden.

Leiterplatte A: Frequenzzähler:

Am Frequenzzähler wurden keine Modifikationen vorgenommen; lediglich die Anzeige wurde durch eine Platine mit LED-7-Segmentanzeigen ersetzt (siehe Heathkit-Shop und meine Umrüstung des SB-104A). Den Hochspannungswandler (Converter) kann man nach dieser Modifikation stilllegen.

Leiterplatte B: Modulationsverstärker mit VOX und Sende/Empfangsumschaltung:

Aus Gründen der Strombelastung wurde Transistor Q207 gegen einen 2N2907 ausgetauscht und Q2 entfernt. Hier habe ich einen LM-338 zur Stabilisierung der internen Bordspannung von 11 V eingesetzt. Auch bei der höheren Belastung im Rx-Fall gibt die Spannung jetzt nicht mehr nach.

Leiterplatte C: Sendemischer und Vortreiber:

Fast alle Filter, vor allem aber diejenigen für die höheren Bänder sind wegen des Einsatzes von Festbauelementen nicht optimal angepasst und liegen nicht immer auf der korrekten Mittenfrequenz. Hier habe ich alle Filter gewobbelt und teilweise mit Trimmern anstelle der Festkondensatoren sauber abgeglichen. Die Reflexionsdämpfung sollte wenigstens immer 10 dB betragen. Den Saugkreis am Ausgangspin 24 habe ich durch einen größeren Ringkern mit 4.7 uH und die Parallelschaltung aus C348 und C349 durch einen Festkondensator mit 470 pF ersetzt. Der Kreis hat jetzt eine so hohe Güte, dass er den Durchlass im 80-m-Band nicht mehr beeinträchtigt. Der Ausgangspegel beträgt auf allen Bändern +8 dBm (+/-1 dB). Trotz der Überarbeitung ist die Gesamtselektion etwas knapp, sodass die Forderung, Nebenwellen wenigstens 40 dB zu unterdrücken, teilweise nur mit wenig Reserve erfüllt wird. Den Basisspannungsteiler von Q303 habe ich so modifiziert, dass bei Vollaussteuerung die ALC auf maximal 100 W Ausgangsleistung begrenzt.

Leiterplatte D: Quarzoszillatoren und Sende-Premixer:

Um den ersten Medium-Level-Mischer im Empfänger mit korrektem Oszillatorpegel ansteuern zu können, wurden durch Ändern der Basisvorwiderstände der einzelnen Oszillatoren alle Ausgangspegel auf gleiche Höhe gebracht. Dann wurde Q407 durch einen 2N3866 erstezt. Das Ausgangssignal für den ersten Rx-Mischer (Pin 2) ist jetzt nach C441 über einen FET-Sourcefolger ausgekoppelt. Der ist auf der Platinenrückseite freitragend installiert.

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Leiterplatte E: 2. ZF mit Quarzfiltern und SSB-Generierung:

Diese Baugruppe zählt zu den kritischsten des ganzen Geräts. Vor allem ist weder der Empfangs- noch der Sendepfad großsignalfest. Q601 produziert mehr Intermodulation als das gesamte Rx-Frontend! Auch der unmittelbar angeschlossene Q602 trägt dazu bei. Der Sendepfad zeigt einen IM-Abstand von bestenfalls 30 dB - und das in den Vorstufen! Hier wären 50 dB ein noch akzeptabler Wert. Alle Umschaltdioden für die Filter, also dort wo im Empfangsfall das breitbandige Signalspektrum mit höchstem Pegel auftritt und im Sendefall keine IM erzeugt werden darf, werden mit viel zu geringen Strömen geschaltet. In der Schaltung sieht man außer den eingeschleiften Pin-Schaltern auch die Änderungen an den Verstärkerstufen, vor allem zur Stromerhöhung und Isolation.

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Unter dem SSB-Filter links sieht man den neuen Eingangsverstärker mit der - aus IM-Gründen - massiven Ringkerndrossel als Arbeitswiderstand und rechts vom CW-Filter das kleine Zusatzboard mit einem MMIC (MAR-1) zur Kompensation der geringeren HF-Verstärkung. So läuft die Regelung wieder im richtigen Pegelbereich: der Regelumfang reicht für max. 6 dB NF-Abfall von etwa -100 dBm bis >0 dBm. Die beiden Pin-Diodenschalter sind auf der Platinenrückseite installiert.

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Der 2.-ZF-Verstärker (vorher Q601) ist jetzt mit zwei ausgemessenen und parallel geschalteten Junction-Fets hochintermodulationsfest (IPE3 = +29 dBm) und die Drosseln bzw. Widerstands-Drossel-Kombinationen lassen durch die Seriendioden zu den zu schaltenden Filtern rund 30 mA Schaltstrom fließen. Das SSB-Filter war sehr schlecht angepasst bei einem Ripple von rund 6 dB. Mit der neuen Beschaltung ist der Ripple im Durchlassbereich etwa 2 dB. Der Eingangs-IP3 des Verstärkers wird allerdings nicht erreicht, wenn die Basis des Emitterfolgers (Q602) für den Sendepfad permanent angeschlossen bleibt. Allein die Basis/Emitterdiode verursachte so viel IM3, dass sich der IP von +29 dBm auf +14 dBm verschlechterte. Daher musste eine Schaltdiode eingeschleift werden, die im Empfangsfall den Sendepfad sperrt. Dann stimmt auch die Rx-IM. Dasselbe gilt für den Sendepfad. Die generierte SSB hat einen sehr schlechten IM-Abstand, wenn dem Ausgang von Q604 die Basis von Q603 angeschaltet bleibt. Auch hier ist eine sende-/empfangsabhängige Trennung mit einer Pin-Diode vorgesehen. Ohne weitere Linearisierung im Sendepfad der ZF-Karte, außer der Stromerhöhung in Q602, erhält man so bereits eine Verbesserung des IM-Abstands um mehr als 15 dB. Allerdings wird dieser durch die weiteren Verstärkerstufen und vor allem durch die neue PA so weit reduziert, dass der Gesamt-IM-Abstand des Senders nur mit sehr sorgfältiger Einstellung der Mic-Gain befriedigend ausfällt. Ohne einen zu hohen Modulationspegel erreicht man nicht nur die 100-W-PEP-Ausgangsleistung, sondern auch einen IM-Abstand von knapp 30 dB (bezogen auf PEP).

Leiterplatte F: 2. ZF mit Regelverstärker, AGC und NF:

Da bei meinem Gerät der Effekt auftrat, dass beim Loslassen der PTT-Taste die AGC so angeregt wurde, dass bei langer AGC-Zeitkonstante der Rx für einige Sekunden blockiert war, habe ich mir das geräteinterne Timing etwas näher angeschaut. Das Problem konnte durch Versorgung der Rx-ZF und des AGC-Verstärkers (Pin 3) aus der Spannung +11 V Rx anstatt +11 V gelöst werden. Die +11 V Rx werden bei der Einschaltung noch um einige Millisekunden verzögert.

Leiterplatte G: HF-Selektion mit erstem Mischer, 1. ZF, und 2. Mischer:

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So sieht die originale RX-HF-Platine des SB-104 aus. Rechts sieht man die Eingangsbandfilter mit einer zusätzlichen Reihe an Transformationsgliedern. Links oben ist der erste Mischer, dann folgt das abgleichbare Bandfilter auf der 1. ZF und links unten ist der 2. Mischer. Beide Mischer sind mit Dual-Gate-Mosfets bestückt mit hoher Verstärkung und extrem schlechten IM3-Eigenschaften. Da die Umschaltdioden der Eingangsbandfilter mit viel zu geringen Strömen geschaltet werden ist auch der IP2 miserabel.

Da man diese Platine nicht so einfach umrüsten kann wie die der A-Variante habe ich gleich ein völlig neues Frontend entworfen.

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Rechts sieht man das dreikreisige, breite Sperrfilter für die 1. ZF, dann folgen nach links die fünf Bandpässe für die Bänder 80 m bis 10m. In der Mitte oben ist der erste Mischer, ein Medium-Level-Mixer, abgeschlossen mit einem breitbandigen, intermodulationsfesten FET-Verstärker. Unter dem Mischer sieht man den Verstärker für die HFO-Ausgangssignale. Links oben ist der Sperrpol für die 2. ZF, darunter das steilflankige, 500 kHz breite 1. ZF-Filter. Darunter der 2. Mischer für eine LO-Leistung von 17 dBm, ebenfalls abgeschlossen durch einen FET-Verstärker. Abgeglichen wird nicht mit Trimmern, sondern durch Verschieben der Windungen auf den Ringkernen. Das spart eine Menge Platz. Da die Filter auf max. flache Durchlasskurve entworfen sind, lassen sie sich nicht einfach auf Maximum abgleichen. Das geht nur durch Wobbeln auf Durchlass und beste Reflexionsdämpfung, z. B. mit einem der neuen Netzwerktester.

Hier die Schaltung:

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Nach einer verbesserten Vorselektion und ZF-Sperren hoher Güte habe ich zwei Medium-Level-Mischer mit +13 dBm bzw. +17 dBm LO-Leistung eingesetzt. Die Folgeverstärker mit einer extrem breitbandigen Eingangsimpedanz von reell 50 Ohm haben einen Eingangs-IP3 von +22 dBm und sollen einen Gesamt-RX-IPE3 von besser +17 dBm gewährleisten. Das wäre eine IPE3-Verbesserung von 29 dB!

Der 2. LO-Verstärker ist neu. Er muss das Ausgangssignal des VFO hochverstärken. Die Schaltung ist oben zu sehen. Der Einfachkeit halber wurde ein kleines MMIC eingesetzt. Da dieses MMIC angeblich bis 5 GHz funktioniert, besteht die Gefahr von hochfrequenten Schwingungen. Um solche zu unterbinden habe ich am Ausgang ein Boucherot-Glied (47 Ohm/4,7 pF) angebracht. So läuft der Verstärker stabil und macht hinreichend Leistung.

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Bei 100 mA Stromaufnahme liefert der LO-Verstärker 2 ein Ausgangssignal von +20 dBm, das nach 3 dB Dämpfung mit +17 dBm am 2. Mischer anliegt. Die Platine wurde "schnell" gefräst...

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Diese Schaltung zeigt diverse Ergänzungen, die im Zusammenhang mit der Aufrüstung notwendig wurden. Die 11-V-Rx-Einschaltung ist eigentlich Bestandteil des Empfängerboards. Dort habe ich sie jedoch vergessen und daher separat aufgebaut. Ein Problem entstand durch die jetzt wesentlich höhere Stromaufnahme im Empfangsfall. Die relativ weiche 11-V-Stabilisierung schwankte daher zwischen Empfang und Senden um etwa 0,4 V. Das reichte aus, um zwischen Senden und Empfang einen Frequenzversatz des VFO von rund 150 Hz entstehen zu lassen.

Die Schaltung zeigt auch den zusätzlich in den Rx-Pfad eingefügten Verstärker nach dem Quarzfilter (und nach dessen Emitterfolger) mit einem MMIC. Dieser Verstärker gleicht an dieser Stelle die etwas geringere HF-Verstärkung im Frontend aus. Er dient der Verschiebung der AGC wieder in den richtigen Regelbereich.

Leiterplatte H: Endstufe:

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Die Endstufe musste neu aufgebaut werden, da die Transistoren der PA den Ausfall der Längstransistoren im Netzteil leider nicht überlebten. Ersatz für die Transistoren in originaler Bauform ist nicht mehr zu finden; daher ist der Aufbau einer etwas moderneren, einfachen Alternative sinnvoll. Hier die aktuelle Schaltung. Sie entspricht etwa der Motorola-Applikation AN762 und liefert mindestens 120 W bei 8 W maximaler Eingangsleistung. Bauteile zur PA wie Transistoren und Trafos kann man bei Communication Concepts erwerben. Ohne Gegenkopplung ist der IM-Abstand dieser PA nicht hinreichend. Möglicherweise sollte man eine etwas höhere Leistung vorsehen um das IM-Verhalten mit Gegenkopplung auf besser 30 dB trimmen zu können.

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PA und Vorspannungserzeugung sind direkt auf den Kühlkörper montiert. Die Bias-Erzeugung erfolgt einstellbar mit einer Stromquelle. Sie liefert den Strom durch eine Vorspannungsdiode, die thermisch mit dem Kühlkörper gekoppelt ist. Der Ruhestrom wurde auf höchsten IM-Abstand justiert. Die neue PA ist auf einer der geringen Fläche der Original-PA angepassten Leiterplatte untergebracht. Für einen einigermaßen ausgewogenen Frequenzgang und hinreichende Ausgangsleistung bei 28 MHz mussten die Bauteilewerte der Applikation angepasst werden.

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Leiterplatte J: Treiber:

Sowohl Vortreiber als auch Treiber und Endstufe des SB-104 arbeiten ursprünglich ohne Gegenkopplung. Das bedeutet, dass sie zwar eine hohe Verstärkung bieten, aber auch einen erheblichen Frequenzgang aufweisen. Da der Treiber im 10-m-Band bereits bei 2 W Ausgangsleistung in die Sättigung gerät, wurde er zuerst im Sinne hinreichender Intermodulationsfestigkeit und Ausgangsleistung überarbeitet.

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Das ist der neu aufgebaute, zweistufige Treiber. Er ist der DL-QRP-AG-PA nachempfunden, allerdings auf modifizierter, etwas entflochtener Platine mit originalen SB-104-Steckverbindern und um etwa 3 dB erhöhter Verstärkung. Er liefert mit der Ansteuerung aus dem Vortreiber mindestens 7 W (+1 dB) auf allen Bändern bei knapp 40 dB-IM-Abstand! Ausreichend für die neue PA und hinreichenden Regelumfang der ALC. Die neue Baugruppe beinhaltet nicht mehr die Umschaltung auf einen Treiberausgang. Auch die im Original dafür eingesetzten Dioden wurden bei teilweise mehr als 5 W Ausgangsleistung mit viel zu geringen Strömen geschaltet. Das hat auch die Empfänger-Großsignalfestigkeit massiv verschlechtert. Diesen Schaltungsteil habe ich daher bewusst weggelassen.

Hier nochmals Treiber und PA im eingebauten Zustand:

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Leiterplatte K: Oberwellenfilter mit Richtkoppler:

Von Gregor, DD4GB, habe ich eine Liste der offiziellen Nachrüstungen erhalten, nach denen ein SB-104 auf den Stand des SB-104A gebracht werden kann (außer dem Rx natürlich - der bekam eine neue Platine. Diese umfangreichen Umrüstungen sind hier NICHT dargestellt!). Einige dieser Umrüstungen habe ich noch durchgeführt, vor allem diejenigen im Sendepfad. Im Zuge dieser Umrüstung wurde Selbsterregung der Original-PA im 10-m-Band festgestellt. Bei den Nachforschungen zu diesem Effekt wurde zuerst das Oberwellenfilter gewobbelt: Pure Katastrophe! Alle Filter sind extrem schlecht angepasst! Da der völlig fehlangepasste 10-m-Tiefpass in Reihe zu allen anderen Filtern geschaltet ist, sind diese grundsätzlich fehlangepasst. Der Sender arbeitet damit selbst an einer perfekten Dummy immer in einen Fehlabschluss! Ich habe daher sämtliche Filter einem Redesign unterzogen, Kapazitäten umbestückt und etliche Spulen neu gewickelt. Der fehlende Tiefpass für 15 m wurde nachgerüstet (Bild). Die Schaltung zeigt die mittels Simulation errechneten neuen Werte der Filterkomponenten. Nach der Bestückung auf der Platine waren einige wenige Bauteilewerte zu optimieren.

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Die umgerüstete Filterplatine mit dem zusätzlichen 21-MHz-Oberwellenfilter (links, huckepack).

VFO:

Vor dem Einsatz eines integrierten Spannungsreglers für die internen +11 V, brachen diese zwischen Rx- und Tx-Betrieb um etwa 0,4 V ein (das neue Rx-Frontend hatte einen höherem Stromverbrauch). Das führte zu einem Frequenzsprung des VFO von fast 200 Hz zwischen Empfang und Senden! Zudem zeigte der originale VFO eine erhebliche Drift, die sich auch nach einer Stunde Betriebszeit nicht stabilisierte. Um nicht tagelange Versuche zur Temperaturkompensation unternehmen zu müssen, beschloss ich, einen DDS-VFO zu integrieren.

N4YG bietet DDS-Oszillator-Bausteine an, die u. a. auch in Heathkit-Geräten anstelle der analogen VFOs einsetzbar sind. Ich habe einen Bausatz bestellt und aufgebaut. Nachdem ein passender Encoder und ein 2-zeiliges Display angeschlossen wurden, konnte der Baustein in Betrieb genommen werden. Funktion und Kalibrierung waren einwandfrei. Hier eine erste Ansicht des zum Test vorbereiteten Moduls. Leider ist das Originalgehäuse des SB-104-VFOs zu klein für die Leiterplatte, sodass zuerst ein neues Gehäuse angefertigt werden musste.

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Das Display wird nur für die Kalibrierung verwendet. Eine exakte Frequenzeinstellung ist nicht erforderlich, da der SB-104 über eine hinreichend genaue Frequenzanzeige verfügt. Allerdings wird der VFO zwischen USB und LSB um 2,8 kHz geschiftet und diese Shift muss genau eingestellt werden, da sonst in LSB die angezeigte Frequenz nicht stimmt. Beim Aufbau des Bausatzes muss man etwas aufpassen, da der Baustein für die Heathkit-Röhrengeräte konzipiert ist und man bei der Versorgung aus 11 V beim SB-104 einige Änderungen berücksichtigen muss (siehe TenTec-Variante).

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Ein Blick ins neue Gehäuse des DDS-VFOs zeigt die Hauptplatine, einen Bandpass links und rechts die Anschlussbuchsen. Darüber einen Taster, mit dem durch das Menü im Servicefall getoggelt werden kann.

Hier links ist der dreikreisige Bandpass zu sehen. Er unterdrückt Nebenwellen und Seitenbandrauschen außerhalb des Abstimmbereichs von 5,0 MHz ... 5,5 MHz.

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Der Abstimm-Encoder hat 128 Schritte je Umdrehung. Er bietet eine sehr feinfühlige Abstimmung, wobei die Schrittweite bei schnellerem Drehen vergrößert wird, sodass man auch bequem übers Band drehen kann.

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So ist der neue VFO schließlich eingebaut. Funktioniert tadellos und man kann jetzt auch digitale Betriebsarten durchführen, da die Frequenzstabilität auch dafür bestens geeignet ist. Links unten sieht man übrigens die Steckerleiste für den Noiseblanker. Den habe ich ausgebaut, da er die Intermodulationseigenschaften des Empfängers nachteilig beeinträchtigt. Das VFO-Filterboard ist überflüssig und wurde ausgebaut.

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Der Noiseblanker wurde - wie die Umschaltung für den Treiberausgang - aus Intermodulationsgründen vollständig entfernt. Da bei Test-QSOs die Modulation als etwas dumpf beurteilt wurde, wurde die Ablage der Seitenbandquarze von +/-1,4 kHz auf +/-1,5 kHz erhöht. Dadurch verschiebt sich der Durchlassbereich des relativ schmalen Quarzfilters um 100 Hz zu höheren Audiofrequenzen. Um vorhandene HF-Einstreuungen vollständig zu unterdrücken, wurde die Beschaltung zur Betriebsart VOX entfernt. Schließlich blieben nur noch geringfügige, individuelle Änderungen übrig, wie die Anpassung der Lautstärkeregelung, des Mikrofonfrequenzgangs und der S-Meter-Anzeige.

Die Vergrößerung der SSB-Ablage von jetzt 1,5 kHz konnte ursprünglich nicht im DDS-VFO einprogrammiert werden, da sie in dieser Höhe original nicht vorkam. Ich habe daher N4YG gebeten, die Programmierung so zu ändern, dass man die Ablage innerhalb bestimmter Grenzen variieren kann. Er hat das getan und ich habe die neue Software getestet. Funktioniert einwandfrei!

Ergebnis:

Der IPE3 des Empfängers konnte um 27,5 dB verbessert werden (-12 dBm > +15,5 dBm), der IPE2 von etwa 40 dBm auf >95 dBm (!) und die Empfindlichkeit um 10 dB auf jetzt 0,4 uV bei SSB-Bandbreite (alles verglichen mit den Daten des originalen SB-104-Frontends!). Der Regelumfang blieb erhalten.

Der Sender arbeitet stabil, auch bei Fehlanpassung, und liefert auf allen Bändern 100 W Output. Obwohl die Linearität etwas knapp ist, wurde von weiteren Eingriffen abgesehen.

So hat der Transceiver nun, trotz Konzept mit erster breiter ZF, empfangsseitig die Qualität eines sehr guten Mittelklassetransceivers; das Sendesignal ist zumindest hinreichend verzerrungsarm, sehr gut verständlich und nicht zu breit. Damit ist der so verbesserte SB-104 uneingeschränkt im Lokal- und Dx-Betrieb einsetzbar.

Meine persönliche Einschätzung: Der SB-104 ist ein optisch außerordentlich ansprechendes Gerät und nach dem Umbau bietet er jede Menge Funkspaß. Das Original ist jedoch - sicherlich aus heutiger Sicht leicht zu behaupten - eine offensichtlich unter Zeitnot entstandene, schlecht entwickelte elektronische Krücke! Man muss schon eine Menge Zeit und Gehirnschmalz investieren, um aus diesem hässlichen (alten) Entlein etwas brauchbares, zeitgemäßes zu produzieren - aber es geht!

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Übrigens: Mit dem neuen Sprachprozessor mit Equalizer bietet der SB-104 jetzt auch noch eine weitergehend optimierte Modulation, die von den Gegenstationen durchweg sehr positiv beurteilt wird. Der Aufwand hat sich in jedem Fall gelohnt. Es macht richtig Spaß, mit dem "neuen" SB-104 völlig ungestört auf 40 m arbeiten und eine sehr gut verständliche, kräftige und unverzerrte Modulation produzieren zu können. Ich bin begeistert!

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