Vahvistimet

Elektroniset vahvistimet eli ”ampeerit” ovat laitteita, jotka lisäävät signaalin tehoa. Niitä käytetään kaikessa radiosta tietokoneisiin. Vahvistimien ymmärtäminen on avainasemassa, jos haluat sähköinsinööriksi tai vain oppia virittämään audiojärjestelmääsi. Tuhannet insinöörit ovat vuosien varrella parantaneet vahvistinsuunnittelua, ja tässä mainitaan vain muutama heistä. Vahvistinsuunnittelun ala on valtava, joten käsittelemme tässä vain joitakin perusasioita ja annamme linkkejä sivuille, joilla käsitellään yksityiskohtaisemmin tämän aiheen osa-alueita.

1.) Miten ne toimivat ja perusteet
2.) Tehovahvistimet
3.) Kaiuttimien ja soittimien vahvistimet
4.) Transistorivahvistimet
5.) Putkivahvistimet ja niiden toiminta
6.) 3 Putkivahvistimen malli

1.) Miten ne toimivat

Yksinkertaisimmillaan vahvistin ottaa heikon signaalin ja lisää siihen virtalähteestä saatavaa tehoa tehdäkseen siitä lähtöpäässä suuremman.

Kaksi perusesimerkkiä vahvistimen tarpeesta:

Audio – Thomas Edison ja Emile Berliner kehittivät hiilimikrofonin. Tasavirta kulkee kahden metallilevyn välissä, joiden välissä on hiiltä, toinen näistä levyistä on kalvo, joka värähtelee, kun ääniaallot osuvat siihen. Levyjen välisen etäisyyden muuttuminen muuttaa vastusta, ja näin ollen ulostulopäässä on tasavirtasignaali, joka muuttuu vaihtovirraksi, kun se moduloituu.
Ongelma: mikrofonin ulostulopäässä on heikko signaali, koska mikrofonin toimintaan tarvitaan pieni tasajännite. Nyt meidän on otettava tämä heikko signaali ja joko lähetettävä se pitkän matkan yli (kuten puhelinjärjestelmä) tai laitettava se kaiuttimeen. Tähän tarvittiin vahvistimia.

Radio – Kun Alexanderson, Fessenden, Hull ja muut kehittivät puheradiolähetyksen ja radan, he tarvitsivat keinon ottaa tyhjiöputkien havaitsemat heikot radioaallot ja vahvistaa signaalia niin, että se voisi syöttää virtaa kaiuttimeen. Vahvistimia (kuten triodi-tyhjiöputkea) tarvittiin myös ottamaan vastaan heikkoja audio- ja videosignaaleja (televisio) ja muuttamaan signaali joko megawatin signaaliksi (lähetintä varten) tai muutamaksi watiksi vastaanottimen päässä olevan kaiuttimen voimanlähteeksi.

Vahvistus – sanalla vahvistus kuvataan vahvistimen kykyä moninkertaistaa voima. Vahvistuksen mittaamiseksi on mitattava tulo- ja lähtöteho. Desibelejä käytetään vahvistuksen mittaamiseen yhtälöiden avulla. Vahvistus on logaritminen, joka mitataan 10:n potenssilla. Voit laskea vahvistimen vahvistuksen käyttämällä yhtälösarjaa, joka löytyy tältä wiki-sivulta >

Oskillaattorit – kun vahvistin kytketään suodattimeen ja sitten takaisin omaan tuloonsa, luodaan lineaarinen oskillaattori. Oskillaattoreita käytetään kelloissa, radiossa, televisiossa,suodattimissa ja monissa muissa asioissa. Niitä käytetään piirien virittämiseen, ja ne ovat tärkeitä välineitä, jotta asiat toimisivat. Lisää oskillaattoreista >

2.) Tehovahvistimet

Signaaliketjussa tehovahvistimella tarkoitetaan loppuvahvistinta. Tehovahvistinvoi tehostaa signaalia korkealle tasolle käytettäväksi antennin, magnetronin (tutka), kaiuttimen tai pitkien etäisyyksien tiedonsiirtojohdon/kuidun syöttämiseen.

Tehovahvistimissa on luokkia, jotka kuvaavat sitä, kuinka paljon sinimuotoista signaalia vahvistetaan. Vahvistin voidaan suunnitella kytkettäväksi pois päältä puolen jakson ajaksi, mikä muuttaa läpi tulevaa aaltomuotoa.
Luokat (analogiset): Luokat (digitaaliset): A, B, AB, CC: D, E, F, G, S, T
Lue lisää luokista täältä.

Alla: Vasemmalla: Varhaisen mikroaaltouunin magnetronin putkivahvistin. Suuret sylinterimäiset hopeiset ja keltaiset laitteet ovat kondensaattoreita.
Alhaalla: Oikealla: moderni puolijohdevahvistin magnetronille.

3.) Kaiuttimien ja musiikkisoittimien vahvistimet Kaiuttimien ohjaamiseen käytettävät vahvistimet ottavat mikrofonin, radiovastaanottimen, television tai muun laitteen tuottaman pienen määrän signaalia ja muuttavat sen voimakkaaksi signaaliksi, joka riittää ohjaamaan kaiuttimista löytyviä voimakkaita sähkömagneetteja. Audiovahvistinpiirit koostuvat: Kondensaattoreista: suodatinkondensaattorit, kytkentäkondensaattorit resistoreista vakuumiputkista tai transistoreista Rekisteröintilaitteet – muuntaa vaihtovirran tasavirraksi. Voivat olla piidiodeja tai putkisuuntaajaa Diodit ja putkisuuntaaja Vahvistinpiirit sähkömagneettisten kaiuttimien käyttämiseksi olivat varhaisen äänitekniikan insinöörien suurin haaste. Vaikka kaiuttimesta tehtiin ensimmäiset teoriat jo 1870-luvulla, kesti yli 40 vuotta ennen kuin ensimmäinen toimiva kaiutin oli valmis kaupalliseen myyntiin. Syynä tähän on se, että oli kehitettävä muuta teknologiaa, kuten tyhjiöputkia ja kehittynyttä matematiikkaa sähköpiirejä varten, jotta saatiin aikaan audiovahvistin, joka todella tuotti musiikkia ja ääntä vastakohtana karkeille laitteille, jotka saivat kaiuttimen tuottamaan rumaa ja hallitsematonta surinaa. C.W. Rice ja E.W. Kellogg toteuttivat ensimmäisenä C.W. Rice ja E.W. Kellogg. Oikealla: ensimmäinen toimiva kaiuttimen prototyyppi (1921) ja sen vahvistin, joka vei kokonaisen kaapin.

Video: Sähköinsinööri Corbin Irvin esittelee klassisen putkivahvistimen osiaEdison Tech Centerissä:

4.) Transistorivahvistimet Transistoreilla on ”transresistanssi”, mikä tarkoittaa, että puolijohteet, joista ne on valmistettu, voivat muuttaa vastusarvoja. Transistoreja voidaan käyttää sekä kytkimenä että vahvistimena. Transistorilla on kolme johtoa: tulo (kollektori), jännite (pohja) ja lähtö (emitteri). Transistori kytkimenä: Kun käytät sitä kytkimenä, syöttämällä virtaa ”pohja”-johtimeensallii virran virran virrata tulosta (kollektori) lähtöön (emitteri), kun lopetat virran syöttämisen, se toimii kuin avoin kytkin ja signaali ei virtaa kollektorista emitteriin. Kun tätä käytetään kytkimenä, transistorin sanotaan olevan ”kylläinen”, koska sen läpi virtaa suurin mahdollinen jännitemäärä, jota se voi käsitellä. Ajattele tätä yksinkertaisena ”on” tai ”off” -kytkimenä, jossa ei ole puolivälivaihtoehtoja. Transistori vahvistimena: Tämä sulkee ”kytkimen”, jolloin signaali pääsee kulkemaan laitteen läpi. Tämän positiivisen jännitteen lisääminen laitteeseen on laitteen ”biasointia”. Kun heikko tulosignaali kulkee sen läpi, se voimistuu biasin vaikutuksesta, mikä lisää lähtösignaalia. Tämä on hyvä, mutta ei oikeastaan tee suurta vahvistusta. Kaksi transistoria: Kun laitamme kaksi transistoria yhteen, voimme saada yhden toimittamaan hieman vahvistetun AC-signaalin seuraavan perusjohtoon, jolloin voimakkaampi signaali voi virrata toisen transistorin läpi ja tehdä dramaattisempia muutoksia toisessa transistorissa. AC-aaltomuoto säilyy alkuperäisenä signaalina, se on vain voimakkaampi. Voit siis kuvitella, että venttiilin toiselle puolelle (kollektoripuolelle) on kertynyt suuri määrä veden painetta, joka vain odottaa, että se pääsee ryntäämään putkea pitkin, sinun tarvitsee vain kääntää nuppia ja tehdä pieniä säätöjä emäspuolella, ja ovi aukeaa osittain tai kokonaan. Vesi pursuaa tai vain tihkuu läpi. Näin saamme pienestä ponnistuksesta (weaksignal) ohjattua vakavan määrän tehoa.

Tehdäksesi operaatiovahvistimen käytät useita transistoreja yhdessä vastusten ja kondensaattoreiden kanssa, tällä tavalla voit vahvistaa erilaisia taajuuksia. Soveltamalla laitteeseen sekä negatiivisia että positiivisia jännitteitä voit saada vahvistimen luomaan jopa 12 volttia(+) 12 voltilla(-), näin saat tarpeeksi tehoa, jotta kaiutin toimii. On 1000 tapaa suunnitella näitä piirejä, mutta voit aloittaa muutamalla perusmallilla.

Kondensaattoria käytetään ennen transistoria: Transistorivahvistimet käyttävät kondensaattoria ennen transistorin sisääntuloa mikrofonista tulevan DC-signaalin ”keskittämiseksi”. Mikrofonitresonoivat, mikä luo negatiivista ja positiivista DC-energiaa. Ne käyttävät myös ”biasia”, mutta eri syystä kuin transistorit. Mikrofonin bias jännittää laitetta ja asettaa 0 db 0-jännitteen yläpuolelle. Useimmissa mikrofoneissa oleva bias edellyttää, että sille syötetään noin 2 volttia, mutta se voi olla erilainen.Kondensaattori ennen transistoria tuo 2 voltin biasin alas todelliseen 0:aan ja poistaa siten DC-offsetin.Transistori tarvitsee tätä toimiakseen.

Komplikaatiot: Vahvistinpiirin luominen monimutkaistuu esimerkiksi signaalikohinan vuoksi. Suosittelemme, että aloitat yksinkertaisten vahvistimien rakentamisen sarjoista, jotta saat perusasiat hallintaan. Sen jälkeen voit viritellä tehokkaampia ja kalliimpia järjestelmiä.

Opi rakentamisen kautta:
Rakenna omat vahvistimet ja efektipedaalit (on saatavana yksinkertaisia sarjoja) >
Vintage Vacuum Tube Amp Kits (täysikokoiset kitaravahvistimet, joissa on kaiuttimet) >

Yllä: Triodissa hehkulanka lämmittää katodia, katodi ja verkko kytketään vaihtovirtasignaaliin. Kohdassa (1.) ristikko on negatiivisesti varautunut ja hylkii elektroneja, mahdollisesti jopa estää niitä kokonaan pääsemästä katodille. Kohdassa (2.) ristikko ei ole negatiivisesti varautunut ja elektronit kulkevat vapaasti kaarevalle ulommalle levylle, joka on katodi. Huomautus: Osat (1.) ja (2.) eivät tapahdu samanaikaisesti, vaan ne näytetään yhdessä vain tässä kuvassa.

5.) Tyhjiöputkien käyttäminen vahvistamiseen Triodin tulo vuonna 1906 mullisti puhelimen ja radion. Vahvistamiseen käytettiin monenlaisia tyhjiöputkia, ja osa niistä on käytössä vielä nykyäänkin. Putkivahvistimissa voidaan käyttää tetrodeja, triodeja ja pentodeja tyhjiöputkia signaalin vahvistamiseen. Triodivahvistin: Tässä putkessa on keskellä kuuma katodi, jota ympäröi metalliverkko, jonka ympärillä on anodi. Katodi emittoi elektroneja, ja tyhjiössä elektronit virtaavat vapaasti ritilän läpi anodille. Kiihdyttämällä ritilää negatiivisesti hylkäät enemmän elektroneja, mikä tarkoittaa, että vähemmän elektroneja pääsee kulkemaan ritilän läpi anodille. Jos otatheikon audiosignaalin (vaihteleva jännite) ja asetat sen verkkoon, päästät enemmän virtaa verkkoon positiivisten piikkien aikana ja vähemmän negatiivisten piikkien aikana, jolloin voit vahvistaa signaalia huomattavasti. Putkivahvistimien huono puoli on se, että ne kuluttavat enemmän virtaa ja tilaa kuin transistorit.Kuuma katodi putkessa on tehty volframi- ja toriumhehkulangasta. Tämä hehkulanka, aivan kuten hehkulamppu, palaa loppuun muutaman tunnin kuluttua ja putki on vaihdettava. Kun vahvistin liitetään kaiuttimeen, vahvistimen käyttäytyminen muuttuu. Kaiutinimpedanssi muuttuu kuorman muuttuessa, ja tämä vaikuttaa koko järjestelmään. Edut transistoreihin nähden: Kitaristit väittävät, että putkivahvistimen ääni on parempi kuin transistoripohjaisten vahvistimien. Putkivahvistinjärjestelmissä on epälineaarinen clipping ja enemmän toisen asteen harmonista säröä, tästä aiheesta on paljon yksityiskohtaisia artikkeleita. Kitaristeille suunnitelluissa solid state -vahvistimissa käytetään nykyään currentfeedback-piirejä lähtöimpedanssin kasvattamiseksi, jolloin kaiuttimista saadaan samanlainen ääni kuin putkivahvistimessa.

6.) Kolmen putkivahvistimen esimerkki

Käytämme yksinkertaista kitaravahvistinta, jossa on kolme putkea, havainnollistamaan, miten signaali muutetaanheikosta 0,9 voltin signaalista voimakkaaksi signaaliksi, joka riittää antamaan virtaa suurelle kaiutinmembraanille. Grafiikkamme on yksinkertaistettu versio ”Doug-sedän” videoissa esitellystä Fender Champ-vahvistimesta. Katso 38-minuuttinen video, joka on lueteltu tässä alareunassa, jotta voit mennä syvemmälle, jos tarvitset. Alla olevissa kaavioissamme olemme jättäneet pois vastukset ja useimmat kondensaattorit, jotta voimme keskittyä vahvistuksen toimintaan.

Yllä olevassa grafiikassa näet asettelun, joka koostuu virtalähteestä (muuntajasta), joka on kytketty tasasuuntaajaputkeen ja kahteen muuhun putkeen. Muuntaja muuntaa seinästä tulevan 120 V:n jännitteen kolmeksi erilliseksi linjaksi. 6 V:n linja antaa virtaa vain kahden vahvistinputken hehkulangoille. Se pitää hehkulangat kuumina, jotta putket voivat toimia. 5 V:n linja menee tehotasasuuntaajalle ja lämmittää kyseisen putken. Toinen suurjännitelinja vie vaihtovirran tasasuuntaajalle, jossa se muunnetaan tasavirraksi katkaisemalla aaltomuodon negatiiviset puolet. Muualla järjestelmässä olevat vastukset ja muuntajat auttavat tasoittamaan tasavirtasignaalia ja poistamaan kaarevia kohoumia.

Kitarasignaali, jonka poimijat tuottavat, kytketään esivahvistimen triodiputken verkkoon. Putken anodille on syötetty erittäin voimakas150 voltin + DC. Joten tuo levy todella vetää kaikki lähellä olevat negatiiviset ionit (elektronit).putken keskellä olevalla katodilla on hyvin kuumaa stimuloiden paljon elektronien syntymistä, mutta ritilä on kuitenkin oletusarvoisesti negatiivisessa tilassa, estäen elektronien kulun anodin yli. Kitarasta tuleva vaihtovirtasignaali muuttaa ruudukkoa, jolloin miljoonat elektronit virtaavat toiselle puolelle kuviossa, joka jäljittelee kitaran aaltomuotoa.

Vaihtovirta seuraa nyt tasavirtajohtoa anodilta toiseen ruudukkoon (12AX7-putki) samassaputkessa. Kondensaattori estää tasavirran ja päästää vain vaihtovirtasignaalin läpi. Tämä signaali on nyt voimakkaampi kuin alkuperäisen kitarajousen signaali ja tämä 2. ristikko reagoi vielä voimakkaammin, jolloin äärimmäisempi vaihtovirta-aaltomuoto pääsee kulkemaan katodilta anodille.Signaali on siis vahvistettu kahdesti jo tässä esivahvistusputkessa.

Signaali esivahvistusputkesta johdetaan lopullisen putken levyille. Tämän ketjun viimeisessä putkessa on huikeat 320 volttia tasavirtaa, jossa on erittäin voimakas + varaus. Jälleen kerran verkko reagoi vaihtovirtaan, ja monet elektronit virtaavat sen yli samassa kuviossa kuin vaihtovirran aaltomuoto. Tämä vaihtovirtasignaali kulkee muuntajan ohi, joka muuttaa virran kaiuttimen käyttökelpoiseksi jännitteeksi. Normaalisti muuntajan kelan läpi kulkeva 320 volttia ei vaikuta muuntajan kaiutinpuoleen, koska tasavirta ei voi kulkea muuntajan läpi.

Video, täydellinen kuvaus tästä piiristä:
Kuten putkivahvistimet toimivat, piirin kuvaus – virtalähde (18 min) >
Ja tämän piirin kuvauksen 2. osa (20 min) Fenderin Champ-vahvistinta varten >

Video: Ensimmäinen kaiutinprototyyppi, tällä videolla esitellään tässä 1921prototyypissä käytetyt putket.

Vahvistintyypit:
Operatiiviset vahvistimet
Differentiaaliset vahvistimet
Isolaatiovahvistimet
Negatiivisen takaisinkytkennän vahvistimet
Instrumentaatiovahvistimet

Lisälukemista:
Transistoriteoria >
Operaatiovahvistimet >
Puolijohde-elektroniikka >
Radio >

Seuraavat aiheet:

Kaiuttimet	Vakuumiputket	Mikrofonit
Televisio	Sähkökitarat	Muutakin