estratto - Il sito di Mrttg

Introduzione
Un amico che sta iniziando con le valvole, come con tutte le cose
nuove è un attimo disorientato... si parte con un apparecchio basico
in kit... e poi si iniziano con piccole modifiche.
Si approfondisce la materia e si comincia a fare qualche piccolo
progetto fino ad arrivare al traguardo ambizioso di dimensionarsi un
intero apparecchio.
Sai che orgoglio nel mostrare la tua creatura ad amici e parenti “l’ ho
progettato e realizzato io”, gli apparecchi valvolari affascinano
tutti... e che fatica tenere lontani I bambini.
Per sviluppare i propri progetti si inzia ad usare piccoli programmi
come Tubecad, SEcad. Questi programmi per regioni di semplicità d’
uso impiegano un serie circuiti predefiniti, se vogliamo provare
qualcosa di diverso occorre passare a uno spice. Discutendo di
queste cose l’ amico mi chiede “ esiste un libro che spieghi come
simulare I circuiti valvolari?”
“ Per le mie conoscenze non esiste, ci sono tanti articoli su riviste
blog e forum ma nulla di organico”.
Come risolvere questo problema?
Scriversi un manuale adatto allo scopo!!
Dopo alcuni giorni di riflessioni si pianifica un manuale con queste
caratteristiche:
○ taglio pratico con situazioni legate alla pratica costruttiva
○ fornire i file per provare quanto esposto
○ avere una buona bibliografia di riferimento per indirizzare sull’
uso basico dei vari programmi
○ trattare solo programmi essenziali e usabili da chiunque
I programmi trattati principalmente saranno i seguenti:
○ LTSpice per simulazione generale di apparecchiature valvolari e
le loro alimentazioni
○ OPT Designer per la progettazione dei trasformatori di uscita
○ Curve Captor per ricavare i modelli spice dei dispositivi a vuoto
(ad esclusione dei pentodi)
1
Di programmi ne esistono diversi, questi li ho scelti attraverso anni
di pratica; le nozioni sono comunque applicabili ad altri programmi
simili.
La teoria verrà usata quando serve, comunque verrà fornita una
bibliografia ragionata. La teoria sulle valvole risale agli anni 20 ed è
stata sviscerata da ogni angolazione, le risorse disponibili sono
enormi. Questo libro non vuole sostituirsi ad un buon testo base, che
troverete elencati nel par. 6.2.
La simulazione non può sostituire alla sperimentazione al banco di
un apparecchio; serve a rifinire il progetto e ad evitare errori
grossolani.
La simulazione non sostituisce ad una profonda conoscenza dei
dispositivi e delle circuitazioni! Questa conoscenza va acquisita
progressivamente studiando e sperimentando a banco e ascoltando.
Vi aiuta a realizzare progetti decenti e ben funzionanti
elettricamente; dopo è una vostra scelta quale tipo di condensatore
usare; quale soluzione circuitale... quale trasformatore di uscita
usare.
Pensandoci è sorprendente come persone con le preparazioni più
svariate prese dalla passione valvolare impari ad usare i software più
variegati:
○ Autocad LT o derivati per le meccaniche
○ DesignSpark Mechanical per i contenitori in 3D e le disposizioni
componenti
○ progammi di grafica (anche vettoriale) per disegnare i pannelli
○ Eagle per fare gli schemi elettrici e circuiti stampati
○ Spice per simularli
○ una pletora di piccoli programmi come Tubecad, SEAmp, PSU
Queste persone sono da ammirare per la costanza e la volontà, senza
parlare dello sforzo per imparare la tecnica valvolare, saldare... fare
prototipi sul tavolaccio...
2
Studio e apprendimento
Al libro potete dare una veloce scorsa per farvi un idea dei contenuti
e vedere se trovate qualcosa da usare subito nelle vostre
realizzazioni. Purtroppo per fissare i concetti occorre praticare.
Conviene partire da un circuito semplice studiarsi il testo e poi
provare a simularlo, introducendo variazioni e osservare i risultati.
○ LTSpice si potrebbe partire da questo circuito, provando a variare
il punto di lavoro vedi par. 1.4
○ Curve Captor ricavare la curva della 83 seguendo le istruzioni
passo passo vedi par. 2.1
○ OPT seguendo passo passo questo esempio al par. 3.1 di cui
verranno forniti I file o il CD nella pubblicazione cartacea
I link ai file li troverete in questa pagina, con indicazione di come si
usano e struttura della directory. Cosi risulta più pratico gestire le
revisioni che verranno messe in successione, per rimanere aggiornati
basta iscriversi alla pagina con un feed RSS oppure via mail.
3
Come è organizzato il libro?
Il libro è suddiviso in 5 parti
Parte 1 LTSpice
Dopo una veloce introduzione e alcuni cenni storici ci immergiamo
nella pratica. Vedremo la gestione delle librerie e come costruire il
modello di un trasformatore di uscita. Inizieremo un progetto di un
preamplificatore di tipo SRPP; verificandolo e imparando a ricavare
la THD.
Parte 2 Curve Captor
Vedremo una prima semplice applicazione ricavando il modello della
83. Dopo saliamo come complicazione ricavando il modello della
6H8 e della GM70. Capiremo come usare la retta di carico per
verificare la distorsione nei triodi.
Parte 3 OPT
Spiegheremo in modo molto dettagliato come usare questo bel
programma. Progetteremo un TU partendo da un articolo su una
rivista. Dimensioneremo un trasformatore da 9 k adatto alla GM70 e
alla 845.
Parte 4 Alimentatori
Progetteremo un alimentatore con la GZ34 con le curve di Shade e
lo verificheremo con LTS. Analizzeremo anche il filtraggio LC e
RC. Infine vedremo la progettazione di un alimentatore completo
per GM70 con verifiche finali.
Parte 5
Analizzeremo e simuleremo una varietà di amplificatori:
○ Radford STA35 Woodside e il suo interessante sfasatore
○ 65 W di KT88 GEC
○ SE di 6N1-EL84 cinese
○ Progettazione di un SE didattico di EL84
○ Cubetto 300B kit
Parte 6
Conclusioni, bibliografia e appendici
4
Abbreviazioni e convenzioni
Elenco delle abbreviazioni e convenzioni tipografiche usate nel testo
○ AC componente alternata
○ CHF Costruire HiFi
○ DC componente continua
○ LT Linear Technology
○ LTS Ltspice
○ MJ Morgan Jones, Valve Amplifier (2003)
○ NFB feedback negativo
○ OPT Designer Assistant
○ PP push-pull
○ PPP push-pull parallelo
○ RDH4 Radiotron Designer’s Handbook (1955)
○ TA trasformatore di alimentazione
○ THD Total Harmonic Distortion distorsione armonica totale
○ TU trasformatore di uscita
○ UL ultralineare nella tecnica valvolare
5
1 LTSpice
1 LTSpice
1.1 Un Poco di Storia
1.2 Come imparare ad usare LTS
1.3 Librerie
1.4 Modellare i trasformatori
1.5 SRPP di 6H8
1.5.1 Alimentatore
1.5.2 SRPP di 6H8 preamplificatore completo
1.6 Simulare laTHD
1.7 Modellamento di un tubo stabilizzatore OD3
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13
13
14
14
18
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27
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2 Curve Captor
2 Curve Captor
2.1 Costruire il modello della 83
2.2 Costruire il modello della 6H8
2.3 GM70 punto di lavoro
2.4 EL84 PP a triodo
33
33
41
43
47
3 OPT
3 OPT Designer
3.1 OPT uso
3.2 OPT FAQ
3.3 Progetto trasformatore per GM70
3.4 OPT uso con LTSpice
6
49
50
66
88
94
4 Alimentatori
4 Alimentatori
4.1 Caratteristiche alimentatore
4.2 Uso delle curve fornite dal costruttore
4.3 Uso delle curve di Shade
4.4 Calcolo delle correnti
4.5 La corrente nei secondari
4.6 Simulazione con LTS
4.7 Filtraggio LC
4.8 Filtri RC
4.9 GM70 alimentatore analisi
4.9.1 Analisi alimentazione anodica
4.9.2 Impedenza di uscita alimentatore
4.9.3 Risposta al carico impulsivo
4.9.4 GM70 filamenti
4.9.5 Filamenti driver
4.9.6 Realizzazione pratica alimentatore
97
99
100
101
102
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109
111
112
112
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121
122
5 Applicazioni
5 Applicazioni dei programmi
5.1 Radford STA35 Woodside analisi
5.2 GEC 65W KT88
5.3 SE EL84-6N1 cinese analisi
5.3.1 Amplificatore
5.3.2 Alimentatore
5.3.3 Verifiche e varianti
5.3.4 Analisi dello stadio con 6N1
5.3.5 EL84 collegata a triodo
5.4 Mr84 Amplificatore Sperimentale
5.4.1 Dimensionamento
5.4.2 Single Ended Mode
5.4.3 Alimentatore per mR84
5.4.4 Conclusioni
5.5 Cubetto 300B
7
124
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131
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146
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5.5.1 Alimentatore
5.5.2 Tirando le somme
155
158
6 Conclusioni
6 Conclusioni
6.1 Conclusioni finali
6.2 Bibliografia
6.3 Biografia
162
162
163
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7 Appendici
7.1 Condensatori elettrolitici
7.2 Impedenza
7.3 Generatore di tensione
164
165
167
8
Parte 1
1 LTSpice
La simulazione è importante per lo studio di un circuito, permette di
fare verifiche non distruttive e valutazioni non facilmente eseguibili
con mezzi tradizionali. La prima domanda che verrà posta è perchè
non PSpice, Microcap o Multisim... per alcuni semplici motivi:
○ LTS è completamente “free”
○ gira su qualsiasi PC anche reperto
○ non ha limitazioni di sorta come numero di componenti e nodi
○ le versioni moderne di Eagle prevedono un interfaccia verso LTS
(visto che Eagle è molto diffuso dalla comunità audio)
○ viene estensivamente usato dalla comunità audio e sono
disponibili esempi e informazioni, come su Diyaudio:
http://www.diyaudio.com/
○ sono stati prodotti documenti anche in italiano
○ per i piú “sadici” gira facilmente su wine in sistemi Linux minimi
○ esiste un forum in inglese di alto livello, molto frequentato
○ esiste un bel libro in inglese edito da Wurth:
https://goo.gl/tHfKV2
L’ interfaccia inizialmente è un pochetto ostica... ma basta guardarsi
un paio di video per capirne l’ uso. L’ amatore di solito usa pochi tipi
di analisi in modo ricorsivo; usa librerie e circuiti pronti. A corredo
del libro verranno forniti diversi circuiti valvolari completi su cui
sbizzarrirsi con le simulazioni.
Spice nasce per simulare i circuiti integrati prima di realizzarli; è un
linguaggio di descrizione hardware legato alla struttura fisica dei
9
linguaggio di descrizione hardware legato alla struttura fisica dei
dispositivi. Nel caso dei tubi i modelli sono equazioni estratte dalle
curve caratteristiche e non hanno legame stretto con la fisica del
componente, quindi ad esempio non può modellare la corrente di
griglia.
Spice è semplicemente uno strumento come la calcolatrice e il
saldatore, dipende solo da come lo si usa. Ho visto amici digiuni di
elettronica simularsi esotiche circuitazioni ibride e costruirsi con
soddisfazione il proprio amplificatore. Si possono verificare le
circuiti trovati nel web e farsi un idea sul loro funzionamento senza
fare danni, e spendere soldi.
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Parte 3
3 OPT Designer
OPT Designer è un programma free scritto dall’ amico Yves
Monmagnon, che permette di simulare i trasformatori di uscita SE e
PP, lo trovate sul suo sito:
http://www.dissident-audio.com/OPT_da/Page.html
Il programma viene usato da Yves per dimensionare i suoi ottimi
trasformatori e anche per il noto TUU di Audiofaidatè.
La documentazione completa del TUU la trovate su questo sito:
https://sites.google.com/site/tuuadft/
L’ impiego di un simile programma non fa di voi dei progettisti di
trasformatori di uscita; occorre una notevole pratica e
determinazione.
Per approfondire la materia conviene:
○ studiare gli articoli di Callegari (vedi bibliografia al par. 6.2 ) in
modo approfondito; rifacendo “i conti” dei progetti presentati.
Sono la migliore e la più completa trattazione di mia conoscenza.
Un altra trattazione ottima la trovate su RDH4 cap. 5, un poco
ostica perchè usa le unità di misura del cgs magnetico.
○ trasferire il progetto su OPT e confrontare i risultati con quelli
ottenuti sulla carta
○ iniziare progettandosi trasformatori poco impegnativi e
progressivamente passare a progetti più performanti
○ trovare un avvolgitore che vi segua nelle vostre evoluzioni
Per la progettazione dei trasformatori esistono anche altri approcci:
11
○ il sito di Giunchi Fabrizio presenta un manuale interessante e un
programma:
http://digilander.iol.it/giunchifabrizio/
○ esistono alcuni fogli di calcolo basati sugli articoli di Callegari
○ programmi professionali per progettazione magnetica che
richiedono una ottima conoscenza dell’ elettromagnetismo per
produrre risultati decenti
Sui trasformatori esiste tutta una mistica, tenete conto che
apparecchi da migliaia di euro vengono prodotti usando Hammond,
o con trasformatori avvolti da aziende locali (che operano solo nel
settore professionale e non con i privati). Se non si trova un
avvolgitore in zona a chi rivolgersi?
Direi Raoli di Firenze:
http://www.raoli.it/index.php?option=com_content&view=article&id
=5&Itemid=120
Norse di Cremona che ha una grande disponibilità di materiali
particolari e grande competenza:
http://www.nor-se.com/pag/chisiamo.htm
12
Parte 4
4 Alimentatori
L’ alimentatore è una parte spesso trascurata e probabilmente
responsabile del 70% delle prestazioni finali di un apparecchio. Ne
parleremo in modo approfondito con diversi esempi applicativi, l’
argomento è un poco impegnativo... con un minimo di applicazione
otterrete alimentatori ben dimensionati e trasformatori che non
“ronzano”.
Gli alimentatori possono essere progettati fondamentalmente in due
modi:
○ per via analitica usando formule semplificate (esiste una analisi
matematica rigorosa che genera formule di difficile applicazione)
○ per via grafica usando le curve di Shade
○ simulandoli con LTS
Nelle varie applicazioni vengono usati giratori e stabilizzatori di
tensione, diversi esempi applicativi li trovate sul blog:
http://mrttg.net/blog/alimentatore-ht-manuale/
Il programma può essere usato in due modi fondamentali:
○ determinare le caratteristiche di un trasformatore fatto su misura
○ verificare il progetto usando un trasformatore commerciale
Hammond ha una vasta gamma di trasformatori e rende disponibili
le resistenze degli avvolgimenti (importanti per un accurata verifica
del progetto).
In genere conviene simulare l’ amplificatore anche in modo
grossolano per farsi un idea precisa degli assorbimenti. Nei datasheet
spesso si trovano gli assorbimenti dei tubi impiegati nelle
13
spesso si trovano gli assorbimenti dei tubi impiegati nelle
configurazioni SE e PP.
14
Come mai non usi PSU II? Per ragioni di praticità, una volta fatto il
circuito in LTS si possono fare tutte anche le analisi della risposta in
frequenza. Tutti i circuiti presentati si possono analizzare con PSU
ricordando che:
○ la tensione dei generatori ac in LTS va divisa per 1,41 e diventa la
tensione del vostro trasformatore
○ la simulazione va fatta su tempi di 10 s, per avere valori delle
correnti rms reali. Probabilmente PSU integra la corrente
transitoria all’ inizio dell’ analisi.
○ Usando questi tempi le correnti nel trasformatore sono
praticamente coincidenti con quelle trovate con LTS. Sotto
possiamo vedere in fig. 4.1 e 4.2 gli schemi fatti con PSU e LTS
sono perfettamente equivalenti. i file per le prove si chiamano
Test.
Fig. 4.1
Fig. 4.2
15
Parte 5
5 Applicazioni dei programmi
In questa sezione verranno mostrati alcuni progetti completi e analisi
di progetti esistenti. Si tratta di un capitolo molto corposo vediamo
gli argomenti trattati:
5.1 Radford STA35 Woodside analisi
Simulazione di un amplificatore molto performante per EL34, che
può essere utilizzato per altri tubi come 6550 e derivati.
5.2 GEC 65W KT88
Analisi di un amplificatore classico che può essere utilizzato con
KT88, KT77, KT66, 6550 e EL34.
5.3 SE EL84-6N1 cinese analisi
Studio di un semplice amplificatore cinese che può prestarsi
facilmente a modifiche.
5.4 Mr84 Amplificatore Sperimentale
Impostazione di un semplice amplificatore didattico con EL84 e
diverse varianti da sperimentare.
5.5 Cubetto 300B kit
Analisi di un SE con 300B
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5.5 Cubetto 300B analisi
Il Cubetto 300B kit è un progetto di Valvoleaudio, con l’ambizioso
proposito di proporre un amplificatore 300B bensuonante a prezzi
umani. Un altro vincolo di progetto è realizzare un apparecchio
compatto, per tenere buone le mogli che malsopportano i voluminosi
amplificatori valvolari, e per le case con poco spazio. Sulla 300B è
stato detto tutto e forse troppo, ogni giorno viene presentata una
nuova produzione o una variazione sul tema. Per le simulazioni
useremo il TUU con nucleo a C per la sua flessibilità e la possibilità
di avere diverse impedenze di carico.
Gli schemi completi del kit in pdf verranno forniti con i file da
scaricare.
Tab. 5.4
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Fig. 5.31
In fig. 5.31 vediamo sopra la distorsione di 2° armonica e sotto
quella di 3°, che con la tab. 5.4; ci serviranno per le valutare punto di
lavoro e carico.
Come punto di lavoro scegliamo Va = 320V e Ia = 60 mA. Da una
prima valutazione come impedenze di prova possiamo scegliere la
gamma 2,5-5 k e il TUU può coprire queste impedenze:
○ 5 k / 6,3 Ω configurazione B
○ 3,5 k / 6,3 Ω configurazione F
○ 2,6 k / 6,3 Ω configurazione ESE
La tab. 5.5 impedenze TUU contiene già I parametri spice ricavati,
con i quali costruire i modelli dei trasformatori (forniti con i file).
Tab. 5.5
18
Fig. 5.32
In fig. 5.32 vediamo le curve della 300B Electro Harmonix, con un
punto di lavoro 300 V-60 mA; il segnale di ingresso di 66 V al limite
della griglia positiva. Il carico usato è di 5 k, alto per questo punto di
lavoro, avremo bassa distorsione e maggiore fattore di smorzamento.
Fig. 5.33
Lo schema del kit lo vediamo in fig. 5.33 , il pilotaggio avviene con
due stadi a catodo comune in cascata (12AU7).
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Il triodo U3 ha un punto di lavoro di 120 V-3,2 mA e sul suo K per
mezzo di R3 e R15 può essere applicata NFB.
Il triodo U2 ha un punto di lavoro di 123 V-5,3 mA; la corrente Ia è
doppia rispetto allo stadio precedente. Tale corrente serve a pilotare
un carico complesso come la capacità di ingresso della 300B senza
problemi di “slewrate”.
R12 e C6 filtrano la tensione anodica dello stadio preamplificatore.
R7 è la resistenza di polarizzazione della 300B che potrete variare in
base alle vostre esigenze (nel kit sono previste due resistenze in
parallelo per avere flessibilità).
L’ assorbimento di corrente del singolo canale vale IL = IaU3 + IaU2 +
IaU1 = 3,2 + 5,3 + 60 = 68,4 mA arrotondiamo a 70 mA
###
5.5.1 Alimentatore
L’ alimentatore dovrebbe avere 370 V di uscita con 0,07 A di
assorbimento, lo schema che vediamo in fig. 5.34 è relativo ad un
solo canale (l’ altro è identico). La prima cella di filtraggio è di tipo
CRC; la seconda cella di filtraggio è di tipo CL, L1 viene realizzata
con un giratore.
I dati del generatore di tensione V1 sono derivati dal trasformatore
reale vedi par. 7.3.
Fig. 5.34
20
Fig. 5.35
Vediamo ora l’ andamento dell’ impedenza di uscita dell’
alimentatore in fig 5.35, vediamo che il picco di risonanza è sotto i
10 Hz.
Fig. 5.36
La risposta all’ impulso la possiamo vedere in fig. 5.36 e possiamo
facilmente desumere che la resistenza interna dell’ alimentatore è di
57 Ω.
21
Fig. 5.37
Sopra in fig. 5.37 possiamo vedere lo schema dell’ alimentatore
completo di giratore. L’induttanza equivalente vale circa L = C4 × R5
× R4 e con questi valori viene circa 48 H
La resistenza del circuito vale R = R4 × (1 + R3 / R5) con i valori del
circuito R = R4 × 2 = 20 Ω
Da ulteriori simulazioni il mosfet dissipa 730 mW quindi basta un
pads sullo stampato; R4 deve essere da 1 W.
A questo punto possiamo procedere con la costruzione del circuito.
22
5.5.2 Tirando le somme
Viene ora presentato lo schema completo di un canale dell’
amplificatore.
Fig. 5.38
Sopra in fig. 5.38 vediamo l’ alimentatore completo per un canale.
23
Il giratore verrà montato su una schedina a parte che possiamo
vedere in fig. 5.39.
Viene previsto anche un circuito per bias fisso regolabile con il
trimme RB2. Questo amplificatore può essere usato anche con tubi
diversi quali EL34, 6550, KT88 adeguando il trasformatore di uscita
e l’ alimentazione dei filamenti.
Fig. 5.39
24
Fig. 5.40
Sopra in fig. 5.40 vediamo lo schema completo dell’ amplificatore.
25
Sopra in fig. 5.40 vediamo lo schema completo dell’ amplificatore.
L’ alimentazione dei filamenti della 300B viene fatta in AC ed è
previsto il circuito di bilanciamento dell’ “hum”. Inoltre è previsto
un commutatore SW1 per passare da bias automatico a bias fisso. Nel
caso di bias fisso è prevista una resistenza da 1 Ω per misurare la
corrente nel tubo in fase di taratura.
La 300B è la “valvola” per eccellenza e questo kit permette di
sperimentare facilmente con questo tubo ad un prezzo umano. Inoltre
usando la sola scheda potete pilotare tutti I tubi che richiedono fino a
70 Vp di segnale di griglia quali EL34, KT88, KT90 ecc. Per tutti i
chiarimenti commerciali rivolgersi a Valvoleaudio.
26
6.3 Biografia
Chi sono, domanda difficile a cui rispondere. Il mio nome è Tiziano
(MrTTG su Audiofaidatè)
Da anni mi diletto con valvole e audio nei ritagli di tempo . In
passato mi sono occupato per oltre un decennio di amplificazioni
valvolari presso una primaria rivista elettronica. Negli anni d’ oro
dell’ hifi car con un cugino realizzavo impianti per amici esigenti
con altoparlanti di pregio (i preferiti erano SIARE) e crossover
complicatissimi . Dopo ho proseguito con le amplificazioni valvolari
per tutte le salse. Un giorno l’ amico Plovati di Audiofaidatè mi
contatta proponendo partecipare allo sviluppo di un trasformatore di
uscita universale da cui nasce il noto TUU; potetete seguirel’
evoluzione del progetto in questa discussione:
http://www.audiofaidate.org/forum/viewtopic.php?f=2&t=266
Da quel momento è nata la passione per la progettazione di
trasformatori, induttanze, alimentatori; mettendo in pratica quanto
appreso a scuola. Tutto questo usando i programmi presentati
LTSpice e OPT.
Audiofaidatè è un ottima fonte di idee per l’ autocostruzione e un
punto di incontro fra amici:
http://www.audiofaidate.org/forum/afdt.php
MrTTG
###
Salve,
Se siete interessati e volete rimanere aggiornati contattami a:
http://mrttg.net/blog/contact/
mRTTG
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