Päätevahvistin
Päätevahvistin on vahvistin, joka kykenee syöttämään kuormaan tehoa muutamista wateista useisiin satoihin watteihin. Äänitekniikassa tehovahvistimia kutsutaan päätevahvistimiksi tai pääteasteiksi. Päätevahvistin esimerkiksi vahvistaa kotiteatterijärjestelmissä radiovastaanottimen tai CD-soittimen signaalin niin suureksi, että signaalin teho kykenee tuottamaan kaiuttimilla halutun äänenvoimakkuuden.
.jpg.webp)
Päätevahvistimet on toteutettu joko transistoreilla tai elektroniputkilla. Transistoritoteutus yleistyi 1960-luvulla ja nykyään elektroniputkilla toteutettuja päätevahvistimia esiintyy lähinnä audio- eli äänikäytössä hifi- ja instrumenttipäätevahvistimina.
Päätevahvistin voi olla joko monofoninen tai stereofoninen. Monofoninen pääte syöttää tehoa yhteen kuormaan (kaiuttimeen) ja stereofoninen pääte kykenee syöttämään tehoa kahteen eri kuormaan (kaksi kaiutinta). Käytännössä stereopääte koostuu kahdesta monopäätteestä. Stereovahvistimelle tyypillisesti myös syötetään stereofonista signaalia ja kanavat on erotettu toisistaan mahdollisimman hyvin.
Koska kuormalle syötettävät tehot ovat suuria, on päätevahvistimen hyötysuhde oleellinen ominaisuus energiatehokkuuden kannalta. Hyötysuhteen lisäksi merkittäviä tekijöitä vahvistimen sovelluksesta riippuen ovat paino, fyysinen koko, tehontuottokyky, signaali-kohina -suhde, sekä lähtösignaalin säröttömyys.
Lepovirran mukainen luokittelu
Tehovahvistimet voidaan jakaa eri luokkiin piirin toimintaperiaatteen ja lepovirran mukaan.
- A-luokka Vahvistimen transistori tai elektroniputki johtaa koko ajan, joten vahvistimen hyötysuhde on heikko, korkeintaan 25 %. Signaalin särö on kuitenkin pieni. A-luokan vahvistimia käytetään pääasiassa esivahvistimissa ja muissa pientehosovelluksissa, mutta myös joissakin varsinaisissa tehovahvistimissa. Huonon hyötysuhteensa vuoksi tehokkaat A-luokan tehovahvistimet kuitenkin vaativat epäkäytännöllisen järeää jäähdytystä. A-luokan kytkentöjä käytetään yleisesti pienissä putkivahvistimissa edelleen.
- B-luokka Vahvistimessa 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 vahvistinluokka 1970-luvun lopusta alkaen.
- C-luokka Lähinnä radiotaajuuksilla toimivissa lähettimissä käytettävä vahvistintyyppi. Hyötysuhde on jopa 90 %, koska transistorit tai -putket toimivat lähestulkoon kytkimen tapaan. Signaalin 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 Vahvistimen transistorit toimivat kytkimien tapaan, jolloin hyötysuhde on parhaimmillaan jopa 95 %. Transistoreja 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 säröongelmista, mutta ominaisuuksia on saatu sittemmin parannettua.
Silta- ja sarjakytkentä
Tarvittaessa suurta tehoa yhteen kanavaan, voidaan stereovahvistimen kahden kanavan vahvistimet sillata tai kytkeä sarjaan. Tällöin stereovahvistimesta tulee monovahvistin, joka kykenee tuottamaan yhden kanavan tehoa suuremman tehon kuormaan.
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.
Rinnankytketty 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.