"CEZARY" Hi-Fi: budowa gramofonu DIY

 

    Czy samodzielna budowa gramofonu opłaca się? Finansowo absolutnie nie. Dla własnego rozwoju? Zdecydowanie tak. Czy każdy może się podjąć tego zadania? Raczej nie: potrzeba zaplecza warsztatowego, w tym także dość zaawansowanych i drogich maszyn jak tokarka, czy drukarka 3D,  a także sporych umiejętności manualnych i inżynierskiej smykałki. A jeżeli jeszcze podejmiemy się budowy własnego sterownika, to i wiedza z dziedziny elektroniki, czy programowania też się przyda.

    Także zanim podejmiemy się tego niełatwego i obarczonego sporym ryzykiem porażki zadania warto zastanowić się czego oczekujemy i jaki mamy możliwości.

    Ja się podjąłem i poniżej przedstawiam w dość skrótowej formie kilkumiesięczną historię budowy własnego gramofonu. Pomijam tu szczegóły budowy i programowania sterownika, bo to temat na oddzielny, i to spory, artykuł.

     Podczas budowy gramofonu nie ucierpiał żaden sprawny polski sprzęt. Wszelkie części zostały pozyskane oddzielnie.

   1. Założenia.

    Przystępując do realizacji projektu przyjąłem następujące założenia: 

• gramofon ma być ciężki: masywna plinta i solidny talerz
• możliwość wymiany ramienia: wydzielony wymienny moduł w plincie do mocowania ramienia
• budowa oparta o wybrane części z polskich gramofonów
• opracowanie własnego modułu sterującego zapewniającego wysoką stabilność obrotów
• zasilanie z zasilacza zewnętrznego
  

2. Dobór komponentów i pierwsze prototypy.

    Dlaczego zdecydowałem się na części z polskich gramofonów? Po pierwsze dlatego, że wychowałem się na nich, mam rozeznanie i sentyment. Po drugie, można wśród nich znaleźć prawdziwe perełki, jak choćby wyważane talerze. Który z obecnie produkowanych modeli z półki konsumenckiej ma taki talerz? Żaden. Może wśród sprzętów z półki Hi-End za grube pieniądze by się znalazł. Rozwiązania konstrukcyjne ramion też uważam za dobre, tyle że tu bywa różnie z jakością wykonania, czasem trzeba coś poprawić.

    Jako dawca napędu posłużył gramofon Daniel. Z tego modelu wykorzystałem silnik, łożysko z podtalerzykiem i talerz. Pierwsze ramię to R8A, tanie i dostępne. Tak narodził się ten potworek:

    Ten prototyp posłużył do wstępnego sprawdzenia, czy ramię pasuje do talerza oraz do stworzenia wsadu do mikrokontrolera sterującego. Kto trochę siedzi w temacie, na pewno zauważy Arduino :) Testy prototypu przeszły pomyślnie, udało się opracować system sterowania, testy odsłuchowe też wypadły dobrze. Podjąłem decyzję o kontynuacji projektu.

3. Plinta. 

    Od plinty zależy bardzo wiele. To ona w dużej mierze determinuje własności soniczne naszego gramofonu eliminując drgania i rezonanse.

    W nowoczesnych konstrukcjach często stosowany jest MDF, i ja także zdecydowałem się na ten materiał. Brałem też pod uwagę lite drewno, ale zdobycie dobrego, sezonowanego, surowca jest bardzo trudne. Poza tym drewno zawsze może wykazać tendencję do zmiany wymiarów, czy wypaczania się w zależności od zmian temperatury, czy wilgotności powietrza. MDF jest wolny od tych wad, tani, dostępny, łatwy do obróbki i świetnie tłumi i amortyzuje drgania.

    Moja plinta ma grubość 50mm i jest sklejona w dwóch płyt 18mm i jednej 12mm obustronnie formirowanej drewnem dębowym, co daje 14mm grubości.  Brzegi są oklejone może mało szlachetnym materiałem - sosną, ale wyglądają dobrze.

    Wykorzystując fakt, że będę kleił plintę z warstw, wykonałem z wyprzedzeniem potrzebne wnęki i przepusty dla kabli:

 

Klejenie:

 

I efekt końcowy:

    Jak wspomniałem wyżej, konstrukcja gramofonu miała zapewniać możliwość wymiany ramienia na inny model. Na poniższym zdjęciu widać umieszczony w przeznaczonej do tego celu wnęce moduł przygotowany pod montaż ramienia R8A:

    Po zakończeniu prac stolarskich całość została zaimpregnowana olejem lnianym. Plinta posadowiona jest na kolcach antywibracyjnych, które umożliwiają też wypoziomowanie gramofonu.

4. Sterowanie.

    Zrezygnowałem z wykorzystania któregoś ze sterowników z polskich gramofonów ze względu na ich kapryśność i niestabilność. Zdecydowałem się na opracowanie własnego sterownika, a że programowanie nie jest mi całkiem obce, zdecydowałem się wykorzystać mikrokontroler Atmega 328P-U. Układ ten jest sercem Arduino UNO, co znacznie ułatwiło fazę prototypowania.

    Założenia dotyczące funkcjonalności sterownika były następujące:

• zdolność do badania stanu napędu: układ kalibruje się poprzez zliczanie ilości impulsów z tarczy tachometrycznej silnika przypadających na jeden obrót talerza
• dopuszczalne odchylenie prędkości obrotowej poniżej 0,5%, co daje +/- 6 ms/obrót przy prędkości 33,33 obr/min
• regulacja prędkości obrotowej silnika przez PWM taktowany z częstotliwością poza pasmem akustycznym. W praktyce z pewnych względów udało się uzyskać tylko 15,625 kHz, co nie do końca spełnia założenie, ale praca układu i tak jest niesłyszalna.
• zdolność do dynamicznego korygowania prędkości obrotowej w czasie pracy
• obsługa "lampki" stroboskopu - pomarańczowa dioda LED
  

    Algorytm sterujący jest programową implementacją regulatora proporcjonalno-całkująco-różniczkującego. Nie wchodząc zbyt daleko w szczegóły oznacza to tyle, że sterownik nie tylko dąży do utrzymania z góry założonej wartości obrotów, ale bada też trendy i ich dynamikę. Dzięki temu np. podczas rozpędzania talerza im bliżej jest założonej prędkości, tym wolniej zwiększa wypełnienie impulsów PWM i unika przekroczenia zadanej prędkości. Dobór parametrów pracy regulatora tak, aby uwzględnić zachowanie ciężkiego talerza o dużej bezwładności, napędzanego przez dość słaby silnik, było jednym z najtrudniejszych etapów projektu.

 

    Poniżej fotografie sterownika:

 

    Widok ogólny na układ sterowania. Widoczny sterownik, silnik, oraz czujniki optoelektroniczne: na tarczy tachometrycznej silnika oraz czujnik położenia talerza (odbiciowy):

 

    Ekranowane wiązki przewodów prowadzą do przycisków. Zakranowanie ich okazało się konieczne ze względu na elektrostatykę. Zdarzało się, że podczas zakładania, czy zdejmowania płyty z talerza praca sterownika ulegała zakłóceniom od wyładowań.

5. Prowadzenie masy i uziemienie, gniazda i okablowanie.

 

    Masa sygnałowa jest odseparowana od masy ramienia i talerza. Gramofon wymaga uziemienia w celu eliminacji przydźwięków i odprowadzania ładunków statycznych.

    Gniazda i kable sygnałowe to po prostu dobrej jakości produkty firm Neutrik (gniazda) i Klotz (kable). Kabelki ramienia zwykłe, z miedzi.

6. Ramię i wkładka.

 

    Dobór ramienia nieco ogranicza... pokrywa od któregoś z dj-skich modeli Reloopa, która zdeterminowała rozmiar plinty, a tym samym możliwość odsunięcia ramienia od talerza. Na chwilę obecną mam ramię o długości skutecznej ok. 9,5 cala i to jest niestety kres możliwości.

    

    Pierwszym ramieniem było R8A:

 

    Obecnie w gramofonie pracuje modyfikowane ramię gramofonu G-620 Fryderyk, opisywane w artykule Modyfikacja łożyskowania ramienia gramofonu Bernard G-603/Fryderyk G-620. 

 

 

Fabryczną windę sterowaną krzywką od spodu zastąpiła winda uniwersalna mojego pomysłu i wykonania.

 

 

    Wkładka to Audio-Technica AT-VM95 zaopatrzona w igłę ze szlifem Shibaty.

7. Podsumowanie.

     

    Czy warto było? Zdecydowanie tak, choć był to jeden z trudniejszych projektów DIY jaki zrealizowałem.  Pracy było naprawdę dużo, ale odsłuch płyt z samodzielnie wykonanego gramofonu jest naprawdę satysfakcjonujący.

 

    Samodzielna konstrukcja pozwala na dowolny wybór komponentów, materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych, ogranicza nas tak naprawdę tylko wyobraźnia. Dodatkowo można "pożyczyć" sobie rozwiązania ze sprzętów Hi-End, jak choćby możliwość prostej wymiany ramienia bez przerabiania całej plinty.

 

    W międzyczasie wymieniłem talerz na pochodzący z modelu Bernard G-603, ciężki (2,5kg) i wyważany, najlepszy znany mi polski talerz, oprócz talerzy Fonomastera.

   

    Ostatnią zmianą była wymiana maty na dwustronna matę "soniczną" firmy VinylSpot oraz cienką matę antystatyczną z włókna węglowego tej samej firmy. Recenzję obu produktów zamieszczę w oddzielnym artykule.

 

Modyfikakcja wysokości ramienia w gramofonie GS-438 "Bernard"

 

 

 

    Jak wspominałem w artykule Ramię R8A i "wysoki" talerz, czyli gdzie tkwi pułapka w geometrii gramofonów Foniki?  wysokość ramienia R8A, stosowanego w gramofonach G-8010 i wywodzącej się z niego całej rodzinie modeli wyposażonych w "wysoki" talerz jest za mała. Skutkuje to ustawieniem ramienia pod skosem, co fabryka skorygowała odpowiednio ukształtowanym headshellem. Dopóki trzymamy się fabrycznej konfiguracji i unitrowskich wkładek MF wszystko jest w porządku. Schody zaczynają się momencie, gdy chcemy dokonać ulepszenia naszego gramofonu, poeksperymentować z wkładkami i headshellami, bądź mamy niekompletny gramofon, a oryginalne headshelle Foniki są drogie i trudno dostępne.

 

    Montaż prostego headshella spowoduje błędne ustawienie (azymut) igły. W najlepszym wypadku nie pozwoli nam wykorzystać pełni możliwości igły, w najgorszym może doprowadzić nawet do sytuacji w której wkładka będzie szorować po płycie, bądź zdolność śledzenia będzie tak zła, że igła będzie uciekać z rowka.

 

    Na poniższej fotografii widać wkadkę MF-100 zamontowaną na prostym headshellu. Wkładka prawie szoruje brzuchem po płycie. Bardziej podatna igła MF-104 w tej konfiguracji już nie da się użyć.

    Przy okazji serwisu gramofonu GS-438 w uzgodnieniu z właścicielem zdecydowaliśmy o przeprowadzeniu małego eksperymentu, polegającego na dokonaniu w pełni odwracalnej modyfikacji geometrii gramofonu.

    Celem było podniesienie ramienia tak, aby uzyskać wysokość jak najbardziej zbliżoną do optymalnej, a jednocześnie aby mieściło się pod oryginalną pokrywą. Po dokonaniu stosownych pomiarów ustaliłem, że będzie to 7mm.

    Całość sprowadziła się do zaprojektowania i wykonania na drukarce 3D dwóch dystansów: pod postawę ramienia, i drugiego, przedłużającego pionową oś ramienia, tak aby zachować położenie elementów odpowiedzialnych za działanie funkcji auto-stop. Bazując na wykonanym do innego projektu szablonie papierowym zaprojektowałem dystans pod podstawę ramienia:

     Obawę budziła tylko kwestia podłączenia cięgła sterującego windą. Na szczęście okazało się, że wystarczy obrócić je o 180 stopni i wszystko pasuje idealnie.

    Poniżej kilka zdjęć wykonanych podczas pracy:

     I efekt końcowy:

     Delikatny skos pozostał, lecz grubszy dystans spowodowałby już problem ze zmieszczeniem ramienia pod pokrywą. Z racji faktu, że do tego egzemplarza gramofonu nie przewidujemy montażu bardziej zaawansowanych szlifów niż eliptyczny, można uznać że jest dobrze.

    Potwierdziły to zresztą wyniki testów gramofonu na płycie testowej, ramię nie tylko dało radę utrzymać igłę w rowku na najtrudniejszych ścieżkach 300Hz +18dB modulowanych horyzontalnie, ale stało się to przy braku zniekształceń sygnału. Czyli jak na "Bernarda" i krótkie ramię (ok. 8,7 cala długości skutecznej), jest to wynik znakomity. Co ciekawe, zmniejszyła się też siła skatingu blisko środka płyty.

    Oprócz tej modyfikacji gramofon przeszedł pełny serwis i regulację,  a ramię otrzymało polerowane miski łożysk. Także operacja udana, gramofon gra, właściciel zadowolony. Co nie powinno dziwić: Bernard zastąpił plastikowego Denona DP-200 USB.

Ramię R8A i "wysoki" talerz, czyli gdzie tkwi pułapka w geometrii gramofonów Foniki?

     Do napisania tego posta skłoniły mnie zdjęcia polskich gramofonów G-8010 i innych, wywodzących się z tego modelu, wystawianych na sprzedaż na portalach internetowych. Gramofony sprzedawane jako egzemplarze "po serwisie/przeglądzie/remoncie", nieraz za duże pieniądze, bywają wyposażone w nieoryginalne headshelle. Często są to popularne HS-10 i podobne a'la Technics.

     I tu właśnie tkwi tytułowa pułapka w geometrii. Przyglądając się bardziej wnikliwie powyższym zdjęciom, przedstawiającym headshell Foniki i HS-10 można zobaczyć, że coś się nie zgadza. Płaszczyzna montażu wkładki w HS-10 jest równoległa do osi ramienia, w headshellu Foniki natomiast rzuca się w oczy wyraźne odchylenie. Płaszczyzna montażu wkładki jest odchylona o ok. 3 stopnie. 

    Dlaczego? Wysokość ramienia R8A nie pasuje do wysokiego talerza, ramię jest za niskie. Być może było projektowane do współpracy z talerzami o niższym profilu. Poniżej zdjęcie z przymiarki ramienia R8A do talerza gramofonu Daniel:

    W efekcie zastosowania talerza o wysokim profilu rurka ramienia opuszczonego na płytę nie jest równoległa do jej powierzchni, lecz ustawia się pod wyraźnie widocznym skosem. Efekt zastosowania nieoryginalnego heashella w gramofonie Bernard GS-438 przedstawiają zdjęcia poniżej:

    Jak widać płaszczyzna montażu wkładki daleka jest od równoległości z powierzchnią płyty. O uzyskaniu poprawnego azymutu igły można w tym przypadku zapomnieć. Rozwiązania problemu są dwa: użyć oryginalnego headshella Foniki, który dzięki swojemu kształtowi koryguje skos, albo zwiększyć wysokość ramienia stosując dystans podnoszący podstawę ramienia o 7mm. Tak zmodyfikowane ramię mieści się pod pokrywą gramofonu GS-438:

    Nie pozwala to jeszcze uzyskać idealnej wysokości, ale dla mniej wymagających igieł o szlifie sferycznym bądź eliptycznym i wkładek Audio Techniki z serii VM95 pozwala uzyskać zadowalający efekt. Opis całej modyfikacji zamieszczam w oddzielnym artykule.