Vahvistin

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

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.

Elektronisia vahvistimia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Elektroninen vahvistin on signaalia vahvistava laite, jota käytetään paljon kaikessa elektroniikassa, esimerkiksi äänen ja radiosignaalin vahvistamiseen. Alla on joitakin esimerkkejä elektronisten vahvistimien käyttötarkoituksista.

Operaatiovahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.

Instrumenttivahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

Viritinvahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Viritinvahvistin

Viritinvahvistimessa on radiovastaanotin sekä esivahvistin ja päätevahvistin samassa kotelossa.

Esivahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Esivahvistin

Esivahvistinta käytetään vahvistamaan signaalia sopivaksi käsittelyä varten. Esivahvistimia on muun muassa miksereissä ja instrumenttivahvistimissa. Esimerkiksi studioissa ääntä tallennettaessa käytetään usein erillisiä esivahvistimia.

Päätevahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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. Tarvittava tehon määrä lienee makuasia mutta liiasta tehonsyöttökyvystä ei periaatteessa pitäisi olla mitään haittaa joskin vahvistimen fyysiset mitat mukaanlukien paino, voivat kasvaa tehon määrän kasvaessa.

Päätevahvistin voi sijaita myös kaiuttimen yhteydessä, jolloin kyseessä on aktiivikaiutin.


Lepovirran mukainen luokittelu[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 1970-luvun lopusta alkaen.
  • C-luokka Lähinnä radiotaajuuksilla toimivissa lähettimissä käytettävä pääteastetyyppi. Hyötysuhde on jopa 90 %, koska 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.

Siltakytkentä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.

Sarjaankytketty pääteaste[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.

Differentiaalivahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Differentiaalivahvistimessa on kaksi sisääntuloa ja sen ulostulosignaali on verrannollinen sisääntuloihin tulevien signaalien erotukseen. Ulostulo voi olla differentiaalinen tai suhteessa referenssijännitteeseen – yleensä maahan. Operaatiovahvistin on eräänlainen differentiaalivahvistin.

Instrumentointivahvistin[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.lähde? Lisäksi niissä tulo- ja lähtöpuolet on joskus galvaanisesti erotettu toisistaan joko optoisolaattorin tai muuntajakytkennän avulla.

Vahvistimien historiaa[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 putkisärö voi jopa olla tavoiteltavaa.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Vahvistin.