Vahvistin
Wikipedia
 |
Tähän artikkeliin tai osioon ei ole merkitty lähteitä tai viitteitä. Voit auttaa Wikipediaa lisäämällä artikkelille asianmukaisia lähteitä. Lähteettömät tiedot voidaan kyseenalaistaa tai poistaa. |
Vahvistin on laite, jossa pienitehoinen signaali ohjaa suurempaa tehoa. Useimmiten sanalla viitataan elektroniseen vahvistimeen vaikka vahvistin voi olla myös mekaaninen tai hydraulinen kuten esimerkiksi auton ohjaustehostin.
Sisällysluettelo |
[muokkaa] Elektronisia vahvistimia
Elektroninen vahvistin on signaalia vahvistava laite, jota käytetään paljon kaikessa elektroniikassa, esimerkiksi äänen ja radiosignaalin vahvistamiseen. Alla on joitakin esimerkkejä elektronisten vahvistimien käyttötarkoituksista.
[muokkaa] Operaatiovahvistin
Operaatiovahvistin on piiriteoriassa ideaalinen vahvistin, jonka avoimen silmukan vahvistus ja sisäänmenoimpedanssi ovat äärettömiä ja jonka vahvistus piirissä määräytyy pelkästään takaisinkytkentäkomponenttien arvoista. Käytännön kytkennöissä operaatiovahvistimen toiminnan toteuttaa tarkoitukseen suunniteltu mikropiiri, josta toimintansa mukaisesti myös käytetään nimitystä operaatiovahvistin.
[muokkaa] Instrumenttivahvistin
Instrumenttivahvistinta käytetään sähköisten soittimien kuten sähkökitaran tuottaman äänen vahvistamiseen. Vahvistimen tuottamaa ääntä on yleensä mahdollista muokata erilaisilla säätimillä. Instrumenttivahvistimia on kahden tyyppisiä: ns. combo sisältää sekä vahvistimen että kaiuttimen, suuremmissa vahvistimissa vahvistinosa ja kaiutinosa ovat yleensä erillisiä. Yleisin instrumenttivahvistin on kitaravahvistin
[muokkaa] Esivahvistin
Esivahvistinta käytetään vahvistamaan signaalia sopivaksi käsittelyä varten. Esivahvistimia on mm. miksereissä ja instrumenttivahvistimissa. Esimerkiksi studioissa ääntä tallennettaessa käytetään usein erillisiä esivahvistimia.
[muokkaa] Päätevahvistin
Päätevahvistin eli pääteaste syöttää tehoa kuormaan signaalin ohjaamana. Tyypillisin sovellus lienee äänentoistojärjestelmissä käytettävä vahvistin, jolla vahvistetaan mikseristä tai esivahvistimelta lähtevä signaali ennen sen toistamista kaiuttimista. Päätevahvistin voi sijaita myös kaiuttimen yhteydessä, jolloin kyseessä on aktiivikaiutin.
 |
Tätä artikkelia tai sen osaa on pyydetty parannettavaksi, koska se ei täytä laatuvaatimuksia. Voit auttaa Wikipediaa parantamalla artikkelia. Lisää tietoa saattaa olla keskustelusivulla. |
- Vahvistettava signaali on aina aaltomuotoista, jolloin sen luonteeseen kuuluu dynamiikka. "Jatkuvaa" signaalia ei ole olemassakaan yksittäistä siniaaltoa lukuun ottamatta.
- Äärimmäisen kompressoitu musiikki sisältää noin 9dB:n dynamiikka-alueen (RMS verrattuna piikkitehoon). Tällaisen materiaalin toisto vaatii vahvistimelta siis RMS. tehoa, joka on noin 10% maksimiarvosta.
- Jos signaalia ajetaan lisää vahvistin näyttää/kuulostaa "klippaavan" koko ajan. Tämä tilanne on perusajatus vahvistimen toiminnalle. 1/8 osa on periaatteessa suurin mahdollinen dynamiikka, mitä ilman jatkuvaa yliohjausta voidaan saavuttaa.
- Äärimmäinen muoto on 5dB:n dynamiikka, joka käytännössä seuraa jatkuvasta yliohjauksesta. Tässä tilanteessa vahvistin leikkaa signaalia saturaatiossa jatkuvasti. Käytännössä useimmat vahvistimet lakkaavat toimimasta muutamissa minuuteissa ja lämpösuoja sammuttaa ne. Parhaimmat vahvistimet täyttävät nämä vaativat kriteerit, mutta usein rimaa hipoen.
- Vaativin vahvistinta kuormittava tilanne on 1/3 jatkuvan tehon tarve. 1000W pääte antaisi näissä oloissa jatkuvasti 333W kaiuttimille. Jos samaisen vahvistimen hyötysuhde on esimerkiksi 50% tarkoittaa tämä käytännössä 666W jatkuvaa ottotehoa, joka 230V jännitteellä on vajaat 3A. 1000W vahvistin, joka soi täysillä, ottaa verkosta 666W. Jos hyötysuhde on parempi, vaikkapa 90%, on tehontarve enää 1,5A suuruinen.
- Jos äänenvoimakkuutta pudotetaan 3dB:tä laskee antoteho 500W ja ottoteho noin 0,35A. Jos äänenvoimakkuutta lasketaan edelleen 3dB:tä, se soisi jo huomattavasti hiljempaa, mutta tehoa kuluisi enää 250W ja siis vain 0,17A verkosta.
- Tehon lisäyksellä on vaikeaa korvata suuria puutteita, useimmiten jo 6dB herkemmät kaiuttimet soivat pienelläkin teholla kovempaa, kuin olisi mahdollista teholla kompensoida.
- Kotikuuntelussa tehon tarve on tyypillisesti 0,01- 100W, jolla yleisimmillä kaiuttimilla saavutetaan 80- 95dB:n äänenpaine.
[muokkaa] Siltakytkentä
Monissa stereopäätevahvistimissa eri kanavien vahvistimet voidaan kytkeä ns. siltakytkentään yhdeksi tehokkaaksi monofoniseksi vahvistimeksi. Kytkentä voidaan toteuttaa ohjaamalla kumpaakin kanavaa samalla monofonisella signaalilla ja kääntämällä toisen kanavan napaisuus. Siltakytkennässä vahvistimien maatasot on kytketty yhteen. Siltakytkennässä kuorma (kaiutin) kytketään vahvistimien lähtöjen väliin, jolloin kuormaan vaikuttava jännite on kaksinkertainen verrattuna yhden vahvistimen antamaan jännitteeseen.
Siltakytkennästä saatava teho riippuu kuorman impedanssista ja vahvistimen virranantokyvystä. Oletetaan esimerkin vuoksi, että käytettävissä on stereovahvistin, joka antaa 2 x 100 W tehon 2 x 8 Ω kuormaan. Tällöin kumpikin vahvistin antaa nimellistehollaan (Ohmin lain mukaisesti) 28,3 VRMS jännitteen omaan 8 Ω kaiuttimeensa ja kanavien yhteenlaskettu teho on 200 W. Jos vahvistimet sitä vastoin kytketään siltakytkentään, toinen kaiutin kytketään vahvistimen väliin ja toinen kaiutin jätetään pois käytöstä, kytkettyyn kaiuttimeen vaikuttaa 56,6 VRMS jännite, eli kaksinkertainen jännite alkuperäiseen tilanteeseen verrattuna. Kaksinkertainen jännite aiheuttaa myös kaksinkertaisen virran ja koska teho on jännitteen ja virran tulo tähän yhteen kaiuttimeen vaikuttaa nelinkertainen teho eli 400 W. Tämä sillä edellytyksellä, että vahvistin kykenee tuon kaksinkertaisen virran luovuttamaan ja kaiutin tämän tehon kestää. Esimerkkitapauksessa nämä ehdot toteutuvat, jos vahvistimelle luvattu pienin kaiuttimen impedanssi täydellä teholla on 4 Ω tai vähemmän ja kaiuttimen tehonkestoksi luvataan 400 W. Vahvistimen minimi-impedanssi on sillattaessa aina kaksinkertainen stereokytkentään verrattuna.
Siltakytkentä on tavanomainen tapauksissa, joissa käyttöjännite on rajoitettu, kuten esimerkiksi autovahvistimissa. Normaalikytkennässä 12 V jännitteestä saadaan korkeintaan 4,24 VRMS sinimuotoinen jännite, mikä antaa 4 Ω kuormaan vain 4,5 W tehon. Siltakytkennällä saadaan 18 W. Tätä suurempiin tehoihin autovahvistimessa pitää olla hakkurikytketty virtalähde.
[muokkaa] Sarjaankytketty pääteaste
Harvinaisempi kytkentä mahdollistaa stereovahvistimen kytkennän kahdeksi sarjassa toimivaksi monovahvistimeksi. Myös tämä kytkentä mahdollistaa tehon kasvattamisen. Sarjakytkennässä 2 x 100 W stereopääte (2 x 8 ohmia) kykenee antamaan 400 W tehon yhteen 8 ohmin monokuormaan, jos vahvistimille luvattu minimi-impedanssi stereokäytössä on 4 Ω tai alle. Sarjaankytkentä eroaa siltakytkennästä siten että toisen kanavan vaiheenkääntöä ei tarvita vaan vahvistimet kytketään kirjaimellisesti sarjaan. Tämä on mahdollista vain silloin kun vahvistimet on galvaanisesti erotettu toisistaan niin, että niiden maat eivät ole yhteydessä.
[muokkaa] Lepovirran mukainen luokittelu
Vahvistimet voidaan jakaa topologioihin toimintaperiaatteen mukaan. (lepovirta ja kytkentä.)
- A-luokka Pääteasteen transistori tai elektroniputki johtaa koko ajan, joten vahvistimen hyötysuhde on heikko, korkeintaan 25 %. Särö on kuitenkin pieni. A-luokan vahvistimia käytetään pääasiassa esivahvistimissa ja muissa pientehosovelluksissa, mutta myös joissakin varsinaisissa pääteasteissa. Huonon hyötysuhteensa vuoksi tehokkaat A-luokan päätevahvistimet kuitenkin vaativat epäkäytännöllisen järeää jäähdytystä. A-luokan kytkentöjä käytetään yleisesti pienissä putkivahvistimissa edelleen.
- B-luokka Pääteasteessa on kaksi transistoria (tai elektroniputkea), joista toinen johtaa vain positiivisen ja toinen negatiivisen puolijakson ajan. Signaalin ollessa nolla kumpikaan ei johda. Vahvistimella esiintyykin signaalin nollakohdan tuntumassa ylimenosäröä, joka aiheutuu signaalin vaihtumisesta transistorilta tai putkelta toiselle. Hyötysuhde on korkeintaan 78,5 %
- AB-luokka Kuten B-luokan vahvistin, mutta ylimenosäröä on pienennetty asettamalla transistorien toimintapiste niin, että pienellä signaalitasolla kumpikin transistori toimii A-luokassa ja signaalin kasvaessa toiminta on B-luokan mukaista. AB-luokka on ollut ylivoimaisesti yleisin vahvistintopologia 70- luvun lopusta alkaen.
- C-luokka Lähinnä radiotaajuuksilla toimivissa lähettimissä käytettävä pääteastetyyppi. Hyötysuhde on jopa 90 %, sillä päätetransistorit tai -putket toimivat lähestulkoon kytkimen tapaan. Särö on myös suuri, mutta käyttösovelluksissa sillä ei ole juurikaan merkitystä, sillä useimmiten C-luokan vahvistimen kuormana on viritetty resonanssipiiri, joka suodattaa harmoniset särökomponentit pois.
- D-luokka Päätetransistorit toimivat kytkimien tapaan, jolloin hyötysuhde on parhaimmillaan jopa 95 %. Päätetransistoreja ohjataan useimmiten pulssinleveysmoduloidulla (PWM) signaalilla, jonka taajuus on moninkertainen verrattuna korkeimpaan vahvistettavaan taajuuteen. Tällöin modulointitaajuus on helppo suodattaa pois yksinkertaisella alipäästösuotimella ja vahvistimesta saatava signaali on periaatteessa samanlainen verrattuna sille syötettyyn analogiseen signaaliin.
D-luokan merkittävimmät edut ovat keveys ja erittäin pieni lämmöntuotto. Kokonaisuudesta tulee huomattavan pieni ja tehokas. Aiemmin D-luokka on kärsinyt ongelmista äänenlaadussa, mutta ominaisuuksia on saatu sittemmin parannettua.
[muokkaa] Differentiaalivahvistin
Differentiaalivahvistimessa on esim. 2 sisääntuloa ja 1 ulostulo. Ulostulon signaali on verrannollinen sisääntulojen erotukseen. Operaatiovahvistin on eräänlainen differentiaalivahvistin.
[muokkaa] Instrumentointivahvistin
Instrumentointivahvistimet ovat säätötekniikassa ja teollisuuden prosessinohjauksessa käytettäviä vahvistimia, joita käytetään mittaus- ja ohjaussignaalien vahvistamiseen, esimerkiksi anturisignaalien vahvistamiseen. Instrumentointivahvistimilta vaaditaan usein hyviä tasavirtavahvistusominaisuuksia ja vähäistä kohinaa. Lisäksi niissä tulo- ja lähtöpuolet on joskus galvaanisesti erotettu toisistaan joko optoisolaattorin tai muuntajakytkennän avulla.
[muokkaa] Vahvistimien historiaa
Audiotekniikan varhaisina vuosina vahvistimet tehtiin elektroniputkia käyttäen. Monet hifi-harrastajat suosivat edelleen putkivahvistimia koska niiden tuottama särö kuulostaa joidenkin mielestä vähemmän häiritsevältä kuin puolijohdevahvistimien särö. Syynä tähän pidetään yleisesti putkikoneiden harmonista säröä ja suuremmilla voimakkuuksilla kevyttä kompressoitumista, joka nostaa yksityiskohtia pintaan. Samoja toimenpiteitä käytetään myös levyjen masteroinnissa.
Kitaravahvistimessa putkisäärö voi jopa olla tavoiteltavaa.
