Elektroniputkilla toimivan kitaravahvistimen tutkiminen
AALTO-YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Koneenrakennustekniikan laitos Ari Viitala Elektroniputkilla toimivan kitaravahvistimen tutkiminen: tyyppitapauksena VOX AC30 Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 11.6.2010 Työn valvoja: Professori Matti Karjalainen Työn ohjaaja: Tekniikan tohtori Jyri Pakarinen AALTO-YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU Ari Viitala Tekijä: DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Työn nimi: Elektroniputkilla toimivan kitaravahvistimen tutkiminen: tyyppitapauksena VOX AC30 Päivämäärä: 11. kesäkuuta 2010 Tiedekunta: Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Laitos: Koneenrakennustekniikan laitos Professuuri: S-89 Akustiikka ja äänenkäsittelytekniikka Työn valvoja: Professori Matti Karjalainen Työn ohjaaja: Tekniikan tohtori Jyri Pakarinen Sivumäärä: 88 Elektroniputki1 on läpi vuosikymmenten säilyttänyt arvostetun asemansa etenkin ammattitason kitaravahvistimien aktiivisena komponenttina. Suosiolle on esitetty useita eri syitä, mutta yleisimpänä kuitenkin pidetään putkivahvistimen luonnostaan miellyttävää ääntä, mistä kuulee usein käytettävän termejä kuten lämmin ja rikas. Putkivahvistimien huonoihin puoliin lukeutuu pääasiassa se, että ne ovat tyypillisesti selvästi suurempia, raskaampia ja kalliimpia kuin vastaavat transistorivahvistimet. Putket ovat myös kuluvia ja mekaanisesti melko herkkiä komponentteja. Lisäksi yhdestä putkilla toimivasta kitaravahvistimesta saatava soundien2 kirjo on yleensä melko suppea, joten jos kitaristi haluaa enemmän vaihtelevuutta soundiin, hänen täytyy käyttää useampia vahvistimia. Edellä mainitut seikat ovat luoneet markkinat simuloiville ja mallintaville vahvistimille, joilla pyritään putkivahvistimen sointiin ilman kyseisen vahvistintyypin haittapuolia. Tietotekniikan kehityksen myötä erityisesti digitaalinen signaalinkäsittely eli DSP (Digital Signal Processing), on noussut merkittäväksi mallinnustekniikaksi. Tämän diplomityön tavoitteena on tuottaa tutkimustuloksia putkivahvistimien soundiin vaikuttavista tekijöistä kitaravahvistinmallinnusta varten, mutta myös yleisesti koota aiheesta tietoa yksiin kansiin. Tavoitteeseen on tarkoitus päästä sekä teoriaa tutkimalla että käytännön mittauksia tekemällä ja tuloksia analysoimalla. Mittauksia tehdään erilliselle ECC83/12AX7kaksoistriodille sekä työtä varten rakentamalleni VOX AC30 -kitaravahvistimelle. 1 Yleensä käytetään vain sanaa putki. Ks. avainsanat. 2 Soundi/saundi (sound) on hyvin vakiintunut sana alalla eikä parempaa suomenkielistä vastinetta käytännössä ole. Toisinaan käytetään myös sanaa sointi (tone). Avainsanat: Kitaravahvistin, (elektroni)putkivahvistin, epälineaarisuus, särö, soundi, sointi. i (elektroni)putki, AALTO UNIVERSITY SCHOOL OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Ari Viitala Author: ABSTRACT OF THE MASTER’S THESIS Name of the Work: Examination of Vacuum Tube Guitar Amplifier: VOX AC30 as a Type Case Date: June 11, 2010 Faculty: Faculty of Engineering and Architecture Department: Department of Engineering Design and Production Professorship: S-89 Acoustics and Audio Signal Processing Supervisor: Professor Matti Karjalainen Instructor: Jyri Pakarinen D.Sc. (Tech.) Number of Pages: 88 Through the recent decades, the vacuum tube3 has retained its appreciated status as an active component especially in professional level guitar amplifiers. Several reasons have been stated to contribute to the popularity. However, the most commonly reason has been the naturally pleasant sound of a tube amplifier. Terms like warm and rich are frequently used to describe it. The main disadvantages of tube amplifiers are typically greater size, mass and price compared to a corresponding solid state amplifiers. Tubes also wear out and are mechanically rather sensitive. In addition, the palette of sounds from a single tube amplifier is usually quite narrow. Hence, if a guitar player wants more variability, he/she has to use several amplifiers. Due to the aforementioned issues, markets for simulating and modeling amplifiers have arisen. These amplifiers strive to achieve the tone of a tube amplifier without its disadvantages. Along with the development of information technology, especially Digital Signal Processing a.k.a. DSP has become a remarkable modeling technique. The main target of this thesis is to examine the factors that affect the sound of a tube amplifier, and thus produce results for guitar amplifier modeling. The methods to achieve this goal are examining the theory and accomplishing certain measurements, and finally analyzing these results. These measurements are done to a separate ECC83/12AX7 double triode and to VOX AC30 guitar amplifier which I have built for this thesis. 3 Generally only the word tube is used. See keywords. Keywords: Guitar Amplifier, (Vacuum) Tube Amplifier, (Thermionic) Valve Amplifier, (Vacuum) Tube, Electron Tube, (Thermionic) Valve, Nonlinearity, Distortion, Sound, Tone. ii Alkusanat Tämä diplomityö on tehty Aalto-yliopiston teknillisen korkeakoulun Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunnalle. Vahvistimen rakennus ja mittaukset suoritettiin Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitoksen tiloissa. Ensimmäisenä haluan kiittää professori Matti Karjalaista (1946 – 2010) ja tekniikan tohtori Jyri Pakarista erittäin mielenkiintoisesta tutkimusaiheesta. Heidän kanssaan käymistä lukuisista keskusteluista ja saamistani neuvoista oli suuresti apua työn kirjoittamisessa. Samalla kiitän Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitosta diplomityön rahoituksesta. Kiitän myös ystäviäni tuesta ja diplomityötä koskevasta palautteesta, sekä Mikko Kankaanpäätä (Uraltone Amplification Oy) teknisestä avusta. Lopuksi erityisen lämpimän kiitoksen tahdon osoittaa vanhemmilleni, jotka ovat tukeneet minua kaikki nämä vuodet. Espoossa kesäkuun 11. päivänä 2010 Ari Viitala iii Sisällysluettelo Diplomityön tiivistelmä ................................................................................................. i Abstract of the Master’s Thesis .................................................................................... ii Alkusanat ..................................................................................................................... iii Sisällysluettelo ............................................................................................................. iv Symboli- ja lyhenneluettelo ......................................................................................... vi 1 JOHDANTO ......................................................................................................... 1 1.1 Tutkimuksen taustaa ....................................................................................... 1 1.2 Tutkimuksen tavoitteita .................................................................................. 2 1.3 Tutkimusmenetelmistä ja työn sisällöstä........................................................ 2 2 VAHVISTIMET ................................................................................................... 4 2.1 Yleistä vahvistimista ...................................................................................... 4 2.2 Jako käyttötarkoituksen mukaan .................................................................... 7 2.3 Vahvistinasteet ............................................................................................... 7 2.3.1 Esivahvistin ........................................................................................... 8 2.3.2 Päätevahvistin ....................................................................................... 8 2.4 Virtalähde ....................................................................................................... 9 2.5 Lähtö- ja tuloimpedanssin merkitys ............................................................. 10 2.5.1 Impedanssisovituksen vaikutuksista ................................................... 11 2.5.2 Heijastusilmiö ..................................................................................... 13 2.6 Särö, soundi ja kuulon toiminta.................................................................... 14 2.6.1 Harmoninen särö ................................................................................. 14 2.6.2 Keskeismodulaatiosärö ....................................................................... 15 2.6.3 Transienttisärö..................................................................................... 16 2.6.4 Vaihesärö ............................................................................................ 16 2.6.5 Blokkaussärö ....................................................................................... 17 2.6.6 Ylimenosärö ........................................................................................ 17 2.6.7 Katsaus äänen miellyttävyyteen ja työn lähdeviitteisiin ..................... 18 3 ELEKTRONIPUTKIVAHVISTIMET............................................................... 21 3.1 Yleistä elektroniputkivahvistimista .............................................................. 21 3.2 Historiaa ....................................................................................................... 22 3.3 Triodi ............................................................................................................ 22 3.4 Pentodi .......................................................................................................... 26 3.5 Toimintaluokat ............................................................................................. 28 3.5.1 Toimintapiste ja bias ........................................................................... 29 3.5.2 A-luokka ............................................................................................. 30 3.5.3 AB-luokka ........................................................................................... 31 3.5.4 B-luokka.............................................................................................. 32 3.6 Vahvistintopologiat ...................................................................................... 33 3.6.1 Single-Ended ....................................................................................... 33 3.6.2 Double-Ended / Push-Pull / vuorovaihekytkentä................................ 34 3.7 Audiomuuntajat ............................................................................................ 36 3.7.1 Audiomuuntajan tehtäviä ja ominaisuuksia ........................................ 36 3.7.2 SE- ja vuorovaihekytkennän muuntajien eroja ................................... 39 3.7.3 Muuntajien epäideaalisuuksia ............................................................. 39 3.8 Elektroniputkien ominaisuuksista yleisesti ja vertailua transistoreihin ....... 40 iv 4 KITARAVAHVISTIN VOX AC30 ................................................................... 42 4.1 Yleistä elektroniputkilla toimivista kitaravahvistimista ............................... 42 4.2 Särön muodostaminen kitaravahvistimissa .................................................. 43 4.3 AC30 historiaa ja tekniikkaa yleisesti .......................................................... 44 4.4 AC30 esivahvistin ........................................................................................ 45 4.5 AC30 katodiseuraaja .................................................................................... 49 4.6 AC30 sävynsäädinpiiri ................................................................................. 50 4.7 AC30 vaiheenkääntäjä.................................................................................. 51 4.8 AC30 päätevahvistin .................................................................................... 53 4.9 AC30 virtalähde ........................................................................................... 57 4.9.1 Käyttö- ja suojahilajännitteet .............................................................. 58 4.9.2 Hehkujännitteet ................................................................................... 60 4.10 AC30 rakentaminen ja käytännön vaikutus äänenlaatuun ....................... 61 4.10.1 Rakenteesta yleisesti ........................................................................... 61 4.10.2 Häiriösuojaus ...................................................................................... 62 4.10.3 Käyttöturvallisuus ja maadoitus.......................................................... 64 4.10.4 Komponentit ja johdotus ..................................................................... 65 4.10.5 Komponenttien paikat ......................................................................... 66 5 MITTAUKSET................................................................................................... 67 5.1 ECC83/12AX7-triodin erillismittaus ........................................................... 67 5.2 AC30 päätevahvistimen mittaukset .............................................................. 69 5.2.1 Magnitudivastemittaukset ................................................................... 72 5.2.2 Amplitudipyyhkäisymittaukset ........................................................... 73 5.2.3 Sinipurskemittaukset ........................................................................... 78 6 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET ....................................................... 80 LÄHDELUETTELO .................................................................................................. 83 v Symboli- ja lyhenneluettelo Latinalaiset aakkoset a A B C es E Eak Egk Egk Eh f fa fy f1 f–3dB F g gm I Ia Ia Ig Ik Is j k L N p P Pa Pin Pout q r R Ra Rch Rg [F] [V] [V tai J] [V] [V] [V] [V] [Hz] [Hz] [Hz] [Hz] [Hz] [N] [S] [A] [A] [A] [V] [V] [A] [H] [Pa] [W] [W] [W] [W] [m3/s] [ȍ] [ȍ] [ȍ] [ȍ] Anodi Amplitudi Bulb eli lamppu Kapasitanssi/kondensaattori Vaihtojännitelähde Tasajännitelähde tai energia Tasajännitelähde anodin ja katodin väliselle jännitteelle Tasajännitelähde hila–katodi -jännitteelle Tasajännitelähde biasjännitteelle eli tasajänniteosalle Tasajännitelähde hehkujännitteelle Taajuus Alarajataajuus (–3 dB) Ylärajataajuus (–3 dB) Perustaajuus/moodi –3 dB rajataajuus Voima Ohjaushila Transkonduktanssi Virta Anodivirta Anodin tasa/lepovirtaosa eli toimintapiste Hilavirta Katodivirta Suojahilavirta Imaginääriyksikkö Katodi Induktanssi/kela Käämin kierroslukumäärä Paine Teho Anodihäviöteho Sisääntuleva teho Ulostuleva teho Tilavuusvirta Jarruhila Resistanssi/vastus Anodivastus Latausresistanssi Hilavuotovastus vi Ri Rk RL s t T1 T2 u uAC uin uL uout us U Ua Ua Uak UB UE Ug Ugk Ugk Uin Uk Uk Uout Ur URo Us v V VR X XC XL Z ZS ZL ZLN Zin Zout [ȍ] [ȍ] [ȍ] [s] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [V] [m/s] [ȍ] [ȍ] [ȍ] [ȍ] [ȍ] [ȍ] [ȍ] [ȍ] [ȍ] [ȍ] Putken sisäinen vastus Katodivastus Kuormaresistanssi yleisesti Suojahila Aika Ulostulon audiomuuntaja eli päätemuuntaja Verkkomuuntaja Vaihtojännite Rippelijännite Sisääntuleva vaihtojännite Kuorman yli vaikuttava vaihtojännite Ulostuleva vaihtojännite Sisäisen impedanssin yli vaikuttava vaihtojännite Jännite Anodijännite Anodin lepo/tasajänniteosa Anodi–katodi -jännite Käyttö/syöttöjännite Jännitelähteen lähdejännite Hilan jännite Hila–katodi -jännite Hilan ja katodin välinen tasajänniteosa eli biasjännite Sisääntuleva jännite Katodin jännite Katodin lepo/tasajänniteosa Ulostuleva jännite Jarruhilan jännite Vastuskuorman yli mitattu jännite Suojahilan jännite Nopeus Elektroniputki tai jännitemittari Säätövastus (Variable Resistor) Reaktanssi Kapasitiivinen reaktanssi Induktiivinen reaktanssi Impedanssi Sisäinen impedanssi Kuormaimpedanssi Pääteputkien näkemä kuormaimpedanssi Tulo/ottoimpedanssi Lähtö/antoimpedanssi vii Kreikkalaiset aakkoset ȝ IJg ij Ȧ [s] [rad] [rad/s] Jännitevahvistuskerroin Ryhmäviive Lähdön ja tulon välinen vaihe-ero Kulmataajuus Lyhenteet AC DAQ DC DCR DE DSP ECC83 EL84 EQ FFT GZ34 HiFi HI-Z LO-Z OTL RCA RMS SE T&I SL USB VAC 6BQ5 12AX7 [ȍ] [V] Alternating Current, viittaa käytännössä vaihtosähköön Data Acquisition eli datan/tiedonkeruu Direct Current, viittaa käytännössä tasasähköön Tasavirtaresistanssi Double-Ended eli vuorovaihekytkentä Digital Signal Processing eli digitaalinen sign. käsittely Eräs kaksoistriodi, 12AX7:n eurooppalainen merkintätapa Eräs pentodi, 6BQ5:n eurooppalainen merkintätapa Equalizer eli taajuuskorjain/sävynsäädinpiiri Fast Fourier Transform eli nopea Fourier-muunnos Eräs tasasuuntaajaputki High Fidelity eli korkea toistokyky Korkean impedanssin sisääntulo Matalan impedanssin sisääntulo Output Transformerless eli päätemuuntajaton Radio Corporation of America Root Mean Square eli neliöllinen keskiarvo Single-Ended Tason ja impedanssin sovituslaite Universal Serial Bus Vaihtojännite Eräs pentodi, EL84:n amerikkalainen merkintätapa Eräs kaksoistriodi, ECC83:n amerikkalainen merkintätapa viii 1 JOHDANTO Tässä luvussa käydään lyhyesti läpi diplomityön taustaa, tavoitteita sekä tutkimusmenetelmiä ja työn sisältöä. 1.1 Tutkimuksen taustaa Audiovahvistimia toteutetaan käytännössä kahdella tekniikalla; transistoreilla tai putkilla, sekä toisinaan näiden yhdistelmillä. Putki on yli 100 vuotta vanha keksintö, ja se on sähkökitaran ja vahvistimen yhteisen historian alusta asti säilyttänyt arvostetun asemansa etenkin ammattitason kitaravahvistimien aktiivisena komponenttina [1, s. 3-5]. Kitaravahvistinvalmistajat havaitsivat aikanaan, että vaikka transistorit keksimisensä (v. 1948) jälkeen yleistyivät voimakkaasti kaikkialla elektroniikassa, kitaristit jatkoivat putkivahvistimien suosimista. Tälle on esitetty erilaisia syitä: ennen transistorin vallankumousta putkitekniikka oli ainoa olemassa oleva ratkaisu vahvistaa audiosignaalia sähköisesti, ja tällä tekniikalla luotiin myös ensimmäiset sähkökitarasoundit. Etenkin rock ’n’ roll musiikin tultua suosioon 1950ja 60-luvuilla, on arveltu, että putkivahvistimilla luodusta kitarasoundista tuli eräänlainen standardi, edelläkävijä, minkä ajatellaan olevan yksi syy putkilla toimivien kitaravahvistimien suosiolle. Yleisempänä syynä kuitenkin pidetään tämän vahvistintyypin luonnostaan miellyttävää ääntä, mistä kuulee usein käytettävän termejä kuten lämmin ja rikas [1, s. 4-1], [2], [3], [4]. Nämä äänelliset syyt ja myös erot transistorivahvistimiin johtuvat pääasiassa siitä, kuinka vahvistin käyttäytyy toiminnan siirtyessä epälineaariselle alueelle. [5, s. 54], [6, s. 275], [3, s. 1] Putkivahvistimilla on yleisesti ottaen kuitenkin myös useita haittapuolia. Aivan ensimmäisenä, ne ovat tyypillisesti selvästi suurempia, raskaampia ja kalliimpia kuin vastaavat transistorivahvistimet. Putket ovat lisäksi kuluvia komponentteja ja mekaanisesti melko herkkiä rikkoontumaan. Putkivahvistimen soundi on yleensä myös melko suuresti riippuvainen äänenvoimakkuudesta ja eräänlaisena haittapuolena voidaan pitää sitäkin, että yhdestä putkilla toimivasta kitaravahvistimesta saatava soundimaailma ei tavallisesti ole kovin monipuolinen. Viimeksi mainittu tarkoittaa sitä, että jos kitaristi haluaa enemmän vaihtelevuutta, hänen täytyy käyttää useampia vahvistimia [5, s. 58], [7]. Toisaalta nykyään on myös kehitetty erilaisia tekniikoita, joilla yhdestä putkilla toimivasta kitaravahvistimesta voidaan saada laaja kirjo eri soundeja [8]. Eräs tällainen on niin sanottu tehon skaalaus (Power Scaling), jolla pyritään vähentämään juuri soinnin ja äänenvoimakkuuden riippuvuutta toisistaan. Kolikolla on kuitenkin kääntöpuolensa, sillä yleensä kaikenlainen lisätekniikka kasvattaa myös laitteen hintaa. Edellä mainitut seikat ovat luoneet tarpeen simuloiville ja mallintaville kitaravahvistimille, joilla pyritään putkivahvistimen soundiin ilman mainittuja haittapuolia. Tietotekniikan kehityksen myötä erityisesti digitaalinen signaalinkäsittely eli DSP (Digital Signal Processing) on noussut merkittäväksi mallinnustekniikaksi. Tällaisessa vahvistimessa eriytetään fyysisesti signaalia vahvistava ja prosessoiva osa. Haasteena mallinnuksessa on se, kuinka signaalia tulisi prosessoida, jotta vahvistinmalli kuulostaisi oikealta. Putkivahvistimen toiminnan siirryttyä epälineaariselle alueelle ilmiöt saattavat olla hyvinkin monimutkaisia. Kokonaisuutena katsoen koko audioketju (sähkökitara – vahvistin – kaiutin) on täynnä sekä lineaarista että epälineaarista säröä synnyttäviä komponentteja, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Esimerkiksi sisääntulevan 1 signaalin amplitudin kaksinkertaistaminen ei välttämättä kaksinkertaista ulostulevan signaalin amplitudia, minkä lisäksi tämä signaali saattaa olla prosessoitunut vaikeasti ymmärrettävällä tavalla. Jotta vahvistinmallia voidaan kehittää yhä paremmaksi, tulee vastaavasti ymmärtää yhä tarkemmin putkivahvistimen sisällä olevia elektronisia piirejä, komponentteja ja yksittäisiä elektronisia ilmiöitä. [9] 1.2 Tutkimuksen tavoitteita Diplomityön päätavoitteena on tuottaa tutkimustuloksia digitaalista vahvistinmallinnusta varten siitä, kuinka ja mitkä eri tekijät vaikuttavat putkilla toimivan kitaravahvistimen soundiin. Näitä tekijöitä ovat muun muassa hilavirran vaikutus, biasjännitteen muutokset kuormituksen aikana, päätevahvistimen särökäyttäytyminen sekä yleensäkin kaikenlaiset epälineaariset ilmiöt. Toiseksi työn tavoitteeksi on muodostunut koota yleisesti tietoa putkilla toimivista kitaravahvistimista, koska etenkin suomen kielellä aiheesta on hyvin vähän kirjallisuutta. Nämä kaksi tavoitetta myös tukevat toisiaan. 1.3 Tutkimusmenetelmistä ja työn sisällöstä Diplomityön teoriatutkimus pohjautuu pääasiassa alan kirjallisuuteen, tieteellisiin julkaisuihin sekä osaksi myös Internetin tarjontaan. Käytännön tutkimusta on tehty mittaamalla erillistä ECC83/12AX7-triodia sekä työtä varten rakentamaani VOX AC30 -kitaravahvistinta, ja näitä mittaustuloksia analysoimalla. Putkivahvistimien äänellisiä perussyitä ymmärretään nykyään kokonaisuutena melko hyvin, ja tässä diplomityössä siis tutkitaan tyypillisen putkilla toimivan kitaravahvistimen soundiin vaikuttavia tekijöitä. Näitä tekijöitä tullaan peilaamaan myös ihmiskuulon toimintaan, samalla huomioon ottaen, että tutkimusaihe on muutoinkin hyvin subjektiivinen. Audioketjun muillakin osilla on luonnollisesti suuresti vaikutusta soundiin, joten myös niiden merkitystä tullaan osaltaan käsittelemään. Tämä johtaa periaatteessa siihen, että vastaavasti akustiikkakin täytyisi huomioida, mutta tutkimusaihe on rajattu tarkastelemaan pääasiassa vahvistimen vaikutusta. Kaikkea ei luonnollisesti voida käsitellä kovin yksityiskohtaisesti, joten lukija ohjataan tarvittaessa etsimään lisätietoa lähdeviitteiden kautta. Työn rakenne on hierarkkinen. Luvussa 2 kerrotaan vahvistimista yleisellä tasolla ja elektroniikkaan perehdytään pintapuolisesti. Luvussa 3 alue rajataan elektroniputkivahvistimiin sekä niille ominaisiin piirteisiin ja komponentteihin. Elektroniikkaa käsitellään lukua 2 syvällisemmin. Luku 4 keskittyy putkivahvistimien toiminnan selvittämiseen piirikaaviotasolla VOX AC30 kitaravahvistimen toimiessa tyyppitapauksena. Elektroniikkaa tarkastellaan yhä enemmän nimenomaan soundin ja äänenlaadun kannalta. Luku 5 käsittelee diplomityötä varten tehtyjä mittauksia ja niistä saatuja tutkimustuloksia. Luvussa 6 diplomityö summataan kokonaisuutena. Seuraavassa on lisäksi joitakin työhön liittyviä huomioita. Lukijalla oletetaan olevan perustiedot akustiikasta ja signaalinkäsittelystä sekä sähkötekniikasta ja elektroniikasta. Työssä jännitteiden arvot ovat aina suhteessa maapotentiaaliin (0 V), ellei toisin mainita. 2 Tässä vaiheessa on syytä myös erottaa käsitteet elektronivirta, jonka suunta on negatiivisesta positiiviseen, sekä sähkövirta (usein pelkkä virta), jonka suunta on päinvastainen. Putkivahvistimien tapauksessa toisinaan mielellään käsitellään elektronivirtaa, etenkin putken toimintaa kuvattaessa. Jännite- ja virtasuureita merkitään isolla kirjaimella, kun viitataan yleisesti tasasähköosaan. Suureet ovat alleviivattu, jos erityisesti halutaan korostaa tasasähköosaa. Toisinaan raja on hieman häilyvä milloin näin tulisi tehdä, mutta eräs tällainen on esimerkiksi putken biasjännite. Jännite- ja virtasuureita merkitään pienellä kirjaimella, jos viitataan ainoastaan vaihtosähköosaan. Vahvistimella tarkoitetaan tässä työssä elektronista, analogista audiovahvistinta ellei toisin mainita, kuten myös putkella tarkoitetaan elektroniputkea. Vastaavasti komponentilla tarkoitetaan elektronista komponenttia, ellei erikseen kerrota kyseessä olevan muunlainen komponentti. ECC83/12AX7 on kaksoistriodiputki, mutta toisinaan puhutaan vain triodista tai putkesta – tapauksesta riippuen mikä on sopivaa. Lähdeviitteen ollessa lauseen tai virkkeen sisällä, viitataan nimenomaiseen lauseeseen tai virkkeeseen. Viitteen ollessa kappaleen lopussa pisteen jälkeen, viitataan kyseiseen kappaleeseen. Edelleen, jos viite on erotettu tyhjällä rivillä kappaleesta, viitataan edellä olevaan lukuun. Työssä esiintyy jonkin verran myös englanninkielisiä nimityksiä ja termejä, kuten in ja out, osaksi selkeyden ja osaksi vakiintuneen käytännön vuoksi. Työn kirjoittaja ei myöskään ota vastuuta, jos tätä diplomityötä käytetään ohjeellisena lähteenä esimerkiksi vahvistinrakennuksessa tai muussa yhteydessä. 3 2 VAHVISTIMET Tässä luvussa käydään läpi audiovahvistimien perusteita, vaatimuksia ja rajoitteita yleisellä tasolla putkilla toimivien kitaravahvistimien hengessä. Luvussa 2.6 tutustutaan myös kuulon toimintaan sekä alan kirjallisuuteen. 2.1 Yleistä vahvistimista Voidaan sanoa, että ihmisellä on läpi historian ollut tarve toistaa suurempia äänenvoimakkuuksia kuin akustisesti on saavutettavissa. Audiotaajuisen äänisignaalin vahvistaminen suoraan on kuitenkin ongelmallista, joskaan ei mahdotonta [10, s. 1-45]. Sen sijaan äänen muuntaminen sähköiseksi signaaliksi, tämän vahvistaminen ja toistaminen kaiuttimesta suuremmalla äänenvoimakkuudella on verraten helppoa, etenkin nykyään. Triodi-putken keksiminen v. 1907 [1, s. 3-5] mahdollisti ensimmäistä kertaa signaalin sähköisen vahvistamisen. Sittemmin dynaamisen kaiuttimen keksiminen v. 1924 [11, s. 461 – 475] mullisti koko audiotekniikan kehityksen, koska sillä pystyttiin toistamaan ja tuottamaan suuria äänenvoimakkuuksia sähköisesti. Näin luotiin pohja esimerkiksi äänentoistolaitteille ja sähkökitaralle. Vahvistimella tarkoitetaan yleisesti laitetta tai piiriä, jonka kautta sisääntuleva pieni teho Pin pystyy hallitsemaan ulostulevan suuren tehon Pout määrää. Tämä esitetään kuvassa 1; pienellä teholla Pin pystytään muuttamaan säätövastuksen VR arvoa, jolla taas voidaan hallita akulta tulevan virran I määrää ja täten tuulettimen tehoa Pout. Teho on aikaan verrannollinen suure ja täten edellinen määrittely tarkoittaa myös, että vahvistimella voidaan kasvattaa signaalin amplitudia (ks. kuva 2). Kuva 1. Vahvistimen yleinen toimintaperiaate; pienellä teholla Pin voidaan muuttaa säätövastuksen VR arvoa ja siten virran I ja suuren tehon Pout määrää. Tuuletin toimii tasavirtamoottorilla. Säätövastuksen VR voidaan ajatella olevan yksinkertainen vahvistinpiiri. 4 Vahvistamisen käsite sen sijaan on hieman mutkikkaampi kuin vahvistimen käsite. Yleisesti ottaen vahvistamisella viitataan signaalin amplitudin kasvattamiseen, mutta peruskäsitykseen täytyy kuitenkin sisältyä aina se oletus, että signaalin kokonaisteho kasvaa eli Pout > Pin. Esimerkiksi muuntaja ei tästä syystä ole vahvistin, vaikka sillä voidaankin kasvattaa jännitesignaalin amplitudia. Vahvistamisesta puhuttaessa tyypillistä on verrata ulostulevan ja sisääntulevan jännitesignaalin suhdetta: µ= u out , u in (2.1) missä ȝ tarkoittaa jännitevahvistuskerrointa. Usein verrataan myös ulostulevan virtasignaalin ja sisääntulevan jännitesignaalin suhdetta, mikä on nimeltään transkonduktanssi. Vahvistimien yhtälöihin palataan tarkemmin luvussa 3. Kuvassa 1 esiintyvä säätövastus VR voisi olla esimerkiksi riittävällä tehonkestolla varustettu potentiometri. Jos tämän vastuksen arvoa pystytään muuttamaan sähköisesti (kuitenkin Pin < Pout), komponenttia sanotaan aktiiviseksi eli vahvistuskykyiseksi. Aktiivinen komponentti voi siis ainoastaan vähentää tasavirran määrää, mutta epäsuorasti kasvattaa vaihtosähkön tehoa. Audiokäytössä aktiivisia komponentteja ovat pääasiassa [12, s. 201]: • • • Transistorit, jotka voidaan edelleen jakaa kahteen pääryhmään; bipolaarija kanavatransistoreihin (mm. MOSFET). Transistorit ovat nykyään erittäin yleisiä audiokäytössä ja ne perustuvat puolijohteiden, kuten pii ja germanium (vanhemmissa laitteissa), toimintaan. Elektroniputket, joiden toiminta perustuu elektroniemissioon kuumasta kappaleesta. Integroidut piirit eli IC-piirit, kuten operaatiovahvistimet. Integroiduissa piireissä transistorit, vastukset, kondensaattorit ym. ovat pakattu yhdeksi kokonaisuudeksi, jolla säästetään tilaa. Yhteistä näille komponenteille on, että ne voivat päästää sähkövirtaa läpi vain yhteen suuntaan eli ne toimivat siis myös diodeina. Erityyppisiä audiovahvistimia ovat pääasiassa siis transistori- ja elektroniputkivahvistin. Signaalien vahvistumista havainnollistetaan kuvassa 2 yksinkertaisella elektronisella vahvistinpiirillä. Kyseessä on niin sanottu A-luokan (luku 3.5.2) SE-kytkentä (luku 3.6.1). Aktiivisena komponenttina tässä tapauksessa toimii triodi-putki (luku 3.3), mitä symboli V esittää. Kuvan 2 signaalimuodot voitaisiin vastaavasti piirtää myös kuvaan 1. Jännitelähde E saa virran kulkemaan vastuksen R ja putken läpi anodilta (a) katodille (k) ja aina maahan asti. Putken läpi kulkeman virran määrää hallitaan ohjaushilalle (g) tulevalla jännitteellä Uin. Kyseessä voidaan siis ajatella olevan jänniteohjattu virtalähde. Käytännössä sisääntuloon kulkee aina jonkin verran virtaa, jolloin putken läpi kulkeman virran ohjaus vaatii myös hieman tehoa Pin. Kuvasta 2 nähdään, että anodilla (a) olevan jännitesignaalin amplitudi on suurempaa kuin hilalla olevan (g) vastakkaisvaiheisen jännitesignaalin amplitudi. Jännitevahvistus on mahdollista vain, koska jännitelähteen ja putken välissä on vastus R, jota ilman jännite Ua olisi sama kuin jännite UE. Tästä syystä ulostuleva teho Pout on sulkeissa, koska jännitevahvistuksessa vastus R ei ole kuorma (vrt. kuvan 1 tuuletin). Jännitteet jakautuvat Kirchhoffin jännitelain mukaisesti putken (muuttuvan) vastuksen ja vastuksen R suhteessa. Sisääntulevaa virtasignaalia ei ole piirretty kuvaan, mutta 5 käytännössä se on selkeästi pienempää kuin ulostuleva virtasignaali. Virtasignaali vahvistuisi ilman vastusta R, joskaan silloin ei olisi kuormaa, mihin tämä vahvistunut virta hyödynnettäisiin. [9], [6, s. 42]. Kuten kuvissa 1 ja 2 esitetään, vahvistin sisältää karkeasti ottaen kaksi peruslohkoa: 1. Vahvistinpiiri 2. Virtalähde Kokonaisuutena asia voidaan ajatella niin, että sisääntuleva signaali moduloi epäsuorasti virtalähteestä otettua jännitettä ja/tai virtaa. Virtalähde (luku 2.4) antaa yleensä tietynsuuruista tasajännitettä vahvistinpiirille, koska aktiiviset komponentit tarvitsevat oikein toimiakseen ennen kaikkea vakiojännitteitä. Virtalähde on sähköteknisessä mielessä siis tasajännitelähde. Kuva 2. Jännite- ja virtasignaalien vahvistuminen elektronisella vahvistimella. Sisääntuleva jännitteen Uin kasvattaminen vähentää putken vastusta: täten piirin virta Ia kasvaa ja jännite Ua laskee. R tarkoittaa vastusta ja E jännitelähdettä. Selitys signaalin Uin negatiivisuudelle selviää luvussa 3. Aktiivisten komponenttien lisäksi vahvistimissa tarvitaan myös passiivisia komponentteja, joita ovat muun muassa vastukset, kondensaattorit, kelat ja muuntajat. Näitä käytetään muun muassa seuraavanlaisiin tehtäviin: • • • Aktiivisen komponentin toimintapisteen asetukseen (luku 3.5.1) Vahvistimen signaaliominaisuuksien määrityksiin, joita ovat esim. lähtöja tuloimpedanssi (luku 2.5) sekä tehovahvistus ja siirtofunktio. Vahvistimen virtalähteissä ym. epäsuorasti vahvistimeen liittyvissä kokonaisuuksissa asettamaan jännite- ym. arvot halutunlaisiksi. 6 2.2 Jako käyttötarkoituksen mukaan Vahvistimien perustarkoitus on siis vahvistaa signaalia, mutta käytännössä ne myös aina muokkaavat alkuperäistä signaalia. Se, onko tämä tarkoituksellista vai ei, jakaa vahvistimet osaltaan ainakin kahteen luokkaan: 1. Äänentoisto eli HiFi/Hi-Fi (High Fidelity, suomeksi: korkea toistokyky/luonnonmukaisuus/todenmukaisuus) -vahvistimiin, jotka pyrkivät pitämään signaalin aaltomuodon muuttumattomana. Toisin sanoen vahvistimen tulisi käyttäytyä lineaarisesti, ainoastaan signaalin tehon kasvaessa. Särö, kohina ja kaikki muu ylimääräinen ovat epätoivottavia. 2. Ääntä muokkaaviin eli ns. soundia luoviin vahvistimiin. Särö, vääristymät magnitudivasteessa ym. ovat usein täysin tarkoituksenmukaisia. Kitaravahvistimet kuuluvat käytännössä poikkeuksetta tähän ryhmään. Toisaalta myös HiFi-vahvistimissa käytetään usein ainakin sävynsäätimiä, joilla eri taajuuksien suhteellisia voimakkuuksia voidaan muuttaa. On täysin eri asia jo suunnittelun kannalta, pyritäänkö signaali pitämään mahdollisimman alkuperäisen kaltaisena vai muokataanko sitä tietoisesti. Joidenkin vahvistimien voidaan myös ajatella olevan jostain näiden väliltä. Tällaiseksi voitaneen laskea ainakin mikrofoni-esivahvistimet, akustisen kitaran vahvistimet sekä kosketinsoittimille tarkoitetut vahvistimet, mitkä tapauksesta riippuen pyrkivät olemaan joko neutraaleja tai värittäviä. Lisäksi HiFi-ihanteesta voidaan erottaa se, pyritäänkö täydelliseen toistotarkkuuteen vai henkilökohtaisten mieltymysten maksimoimiseen. Nämä kaksi eivät välttämättä ole aina lainkaan sama asia. [13, s. 217] Edellä olevan kahtiajaon tarkoitus on estää sekaannusten syntymisen. Äänentoistovahvistimissa esimerkiksi magnitudivasteen suoruus, harmonisen särön määrä ja muut objektiiviset arvot kertovat paljon vahvistimen äänenlaadusta. Äänentoistovahvistimien piirejä voidaan myös suunnitella hyvin pitkälle matemaattisella laskennalla, jopa ilman empiirisiä kuulokokeita. Soundia luovien vahvistimien suhteen asia on lähes päinvastainen; mitatut arvot eivät välttämättä kerro paljoakaan, ja suunnittelu perustuu pitkälti kokemusperäiseen tietoon ja kuuntelukokeisiin. Yhteistä molemmille vahvistintyypeille kuitenkin on, että loppujen lopuksi kuulo ratkaisee onko lopputulos onnistunut vai ei. Tätä aihepiiriä käsitellään osaltaan luvussa 2.6. 2.3 Vahvistinasteet Vahvistinasteella tarkoitetaan yhden tai useamman aktiivisen komponentin ja siihen liittyvien passiivisten komponenttien muodostamaa kokonaisuutta [12, s. 201]. Esimerkiksi kuvan 2 piiriä voidaan myös pitää vahvistinasteena. Audiovahvistin sisältää yleensä useita vahvistinasteita muun muassa siitä syystä, että yksi aste ei useinkaan pysty tyydyttämään tarvittavaa vahvistuksen määrää. Yleisin ratkaisu on kytkeä vahvistinasteita sarjaan. Jos jokaisen aktiivisen komponentin vahvistus on m ja sarjaan kytketään n komponenttia, on kokonaisvahvistus täten mn. Toinen ratkaisu on vahvistinasteiden rinnankytkentä, jolloin vahvistukset summautuvat, eli edellisessä tapauksessa kokonaisvahvistus olisi n·m. Tähän aiheeseen palataan tarkemmin luvussa 4.2. 7 Kokonaisuutena katsoen tyypillisellä audiovahvistimella vahvistetaan sekä jännitettä että virtaa [9]. Toisinaan kuitenkin yhdessä asteessa vahvistetaan enemmän toista näistä suureista. Esimerkiksi putkivahvistimen ensimmäisessä vahvistusasteessa (esivahvistin) vahvistetaan ennen kaikkea jännitettä, kun taas viimeisessä vahvistusasteessa (päätevahvistin) virtaa. Nimitykset esivahvistin ja päätevahvistin ovat myös hieman moniselitteisiä puhekielessä. Esimerkiksi HiFi-sovelluksissa esivahvistimella tarkoitetaan tyypillisesti kokonaan erillistä laitetta sävynsäätimineen, jonka merkittävin tehtävä ei välttämättä edes ole vahvistaminen. Toisinaan esivahvistimella taas tarkoitetaan vahvistimen sisäistä astetta. Sama koskee päätevahvistinta. Vahvistimet sisältävät tyypillisesti muitakin asteita kuin esija päätevahvistin, mutta nämä ovat kaksi oleellisinta kokonaisuutta ymmärtää. [14, s. 169 – 170] 2.3.1 Esivahvistin Esivahvistimen tehtävät riippuvat suuresti sovelluskohteesta, mutta yleisesti ottaen sen päätehtävä on vahvistaa heikko signaali vahvemmaksi ja sopivaksi seuraavalle vahvistusasteelle [14, s. 119]. Heikkotasoinen signaali on myös alttiimpi vakiosuuruisille häiriöille kuin vahvempi signaali, mistä syystä heikko signaali tulee vahvistaa mahdollisimman aikaisessa vaiheessa, jotta kytkeytyneitä häiriöitä ei vahvistettaisi myöhemmissä asteissa. Putkilla toimivissa kitaravahvistimissa särön ja soundin muodostaminen nousee esivahvistimen toiseksi tärkeäksi tehtäväksi. Tässä sovelluksessa esivahvistin on tärkeässä asemassa [1, s. 4-1], koska sitä kuormitetaan pääsääntöisesti päätevahvistinta enemmän. Tähän asiaan perehdytään tarkemmin myöhemmissä luvuissa. Esivahvistin toimii myös impedanssin sovittajana lähteelle ja seuraavalle asteelle. Esimerkiksi jännitesignaaleilla korkea tuloimpedanssi on usein optimaalinen. Impedansseista ja sovituksista kerrotaan tarkemmin luvussa 2.5. Näiden lisäksi esivahvistimella sovitetaan myös signaalitaso sopivaksi. Lähteen signaalitaso saattaa vaihdella voimakkaasti riippuen lähteestä ja voi toisinaan olla voimakkaampaa kuin esivahvistimesta saatava jännitetaso. Esimerkiksi CDsoittimella antotaso voi olla jopa 2 VRMS. [14, s. 120 ja 169] Esivahvistimet toimivat lähes poikkeuksetta A-luokan SE-kytkentänä, koska se on yksinkertainen tapa toteuttaa esivahvistinaste. Kyseessä ei vielä ole suuria tehoja, joten hyötysuhteella ei ole ratkaisevaa merkitystä. A-luokan kytkentä ei myöskään tuota ylimenosäröä (luku 2.6.6), vaikka äänenlaadun kannalta tällä on yleensä merkitystä enemmän HiFi-vahvistimissa. Toimintaluokkia ja vahvistintopologioita käsitellään luvussa 3. 2.3.2 Päätevahvistin Päätevahvistimen tärkein tehtävä on vahvistaa signaali teholtaan sellaiseksi, että sillä on mahdollista kuormittaa kaiutinta riittävän äänenvoimakkuuden saavuttamiseksi [14, s. 189]. Päätevahvistin toimii tyypillisesti AB-toimintaluokassa. Toimintaluokalla on merkitystä yleisesti sekä äänenlaadun että hyötysuhteen kannalta, ja tätä aihetta tarkastellaan luvussa 3.5. Kitarakäytössä päätevahvistimella on vaikutusta myös soundiin, erityisesti kun sitä kuormitetaan raskaasti. Tehovahvistuksen lisäksi päätevahvistimen tehtävänä on impedanssisovitus kaiutinkuormalle (luku 2.5). Tällä sovituksella voidaan vaikuttaa ulostulevaan tehoon, mutta myös vahvistimen sointiin. Tätä näkökulmaa käsitellään tarkemmin AC30:n päätevahvistinta koskevassa luvussa 4.8. 8 2.4 Virtalähde Virtalähteen tehtävä on tarjota riittävästi sähkötehoa vahvistimelle, jotta se voi toimia oikein. Kuten luvussa 2.1 todettiin, virtalähde on piiriteoreettisesti yleensä ennen kaikkea tasajännitelähde, vaikkakin joihinkin piirin toimintoihin kelpaa myös vaihtojännite. Sähkötehoa tarvitaan yleensä seuraaviin tehtäviin: 1. 2. 3. 4. Aktiivisten komponenttien käyttöjännitteeseen Aktiivisten komponenttien biasjännitteeseen Putkien katodien lämmitykseen Mittareihin, merkkivaloihin yms. Putken katodin hehkulangan lämmitykseen tarvittava sähköteho voi olla joko vaihtotai tasajännitettä. Sen sijaan syöttö- ja biasjännitteen täytyy olla tasajännitettä sekä putkien että transistoreiden tapauksessa. Tämä jännite on Suomessa muodostettava 230 V / 50 Hz -verkkojännitteestä (kuva 3). Kuva 3. Virtalähteen lohkokaavio käyttöjännitteen luomiseksi kokoaaltotasasuuntauksella sekä teoreettiset jännitemuodot 1 – 4. Huomaa, että muunnossa jännitettä voidaan myös nostaa, kuten usein tapahtuu putkivahvistimen tapauksessa. Käyttöjännitteen muodostamista varten verkkojännite muunnetaan ensin sopivalle tasolle (kuva 3: kohdat 1-2). Putkien tapauksessa jännitettä joudutaan tyypillisesti nostamaan. Tämän jälkeen vaihtojännite tasasuunnataan joko puoliaalto- tai kokoaaltotasasuuntauksella. Kuvan 3 kohdassa 3 on kyseessä kokoaaltotasasuuntaus. Lopuksi signaali suodatetaan tasajännitteen luomiseksi. Käytännössä suodatettu signaali sisältää aina jonkin verran ns. rippelijännitettä, jonka taajuus kokoaaltotasasuuntauksessa on kaksi kertaa verkkotaajuus. Rippeliä ei siis tule sekoittaa verkkohurinaan, vaikkakin ne ovat kytköksissä toisiinsa [7, s. 2-4]. Käyttöjännite voidaan tapauksesta riippuen myös vakavoida aktiivisesti [6, s. 249], jolloin se vaihtelee vain hyvin vähän kuormituksen mukaan. HiFi-vahvistimissa vakavointi on yleistä, mutta kitaravahvistimissa harvinaista. Tämän syitä tutkitaan luvussa 4.9, jossa perehdytään muutoinkin tarkemmin virtalähteen tekniseen toteutukseen. 9 2.5 Lähtö- ja tuloimpedanssin merkitys Syöttävän laitteen lähtöimpedanssilla (tai anto/ulostuloimpedanssi) ja vastaanottavan laitteen tuloimpedanssilla (tai otto/sisääntuloimpedanssi), sekä etenkin näiden keskinäisellä suhteella on vaikutusta esimerkiksi siirtyneeseen tehoon, jännitteeseen, magnitudivasteeseen ja siten myös soundiin [15, s. 76 – 77]. Syöttävä lähde voi olla esimerkiksi sähkökitara ja vastaanottava laite kitaravahvistin. Taulukossa 1 impedanssien arvoja ja pareja on lueteltu enemmän. Impedanssia ei tule sekoittaa resistanssiin, joka tarkoittaa tasavirtavastusta. Impedanssin arvo riippuu yleensä taajuudesta ja tästä syystä sillä on merkitystä audiotekniikassa muutoinkin kuin ainoastaan lähtö- ja tuloimpedanssien kannalta. Esimerkiksi kondensaattori on yksi vahvistimien peruskomponenteista ja sen impedanssi vaihtelee taajuuden funktiona, koska se on perustaltaan reaktiivinen komponentti. Taajuusriippuvuudesta on sekä etua että haittaa, mihin palataan myöhemmissä luvuissa. Impedanssin käsitteen selventämiseksi määritellään aluksi kapasitiivinen reaktanssi: XC = 1 , 2πfC (2.2) missä f on taajuus ja C on kapasitanssi. Määritellään seuraavaksi induktiivinen reaktanssi, joka on: X L = 2πfL , (2.3) missä L on induktanssi. Sähköinen impedanssi on: ZE = U = R + jX , I (2.4) missä U = jännite, I = virta, R = resistanssi ja X = reaktanssi. Yhtälöstä 2.4 nähdään, että impedanssi on kompleksiluku, joka koostuu resistiivisestä ja reaktiivisesta osasta. Resistiivinen osa on siis se, joka voi suoraan kuluttaa tehoa. Reaktiivisen osan kasvattaminen vaihtovirtapiirissä ei suoraan lisää tehonkulutusta, mutta samalla jännitteellä piirin virta kasvaa, joka resistanssin läpi kulkiessaan muuttuu tehoksi. Reaktiivisesta osasta johtuvaa virrankulutusta ja sen yli vaikuttavaa jännitteen tuloa kutsutaan loistehoksi, ja todellisuudessa kulutettua tehoa pätötehoksi. Näiden termien tarkemmasta määrittelystä voi lukea lisää esimerkiksi lähteestä [6]. Impedanssista puhutaan usein vaihtovirtavastuksena, mutta se ei ole sama asia. Vaihtovirtavastus liittyy suoraan johtimien pyörrevirtailmiöön: resistanssi kasvaa taajuuden kasvaessa [6, s. 155]. Tästä syystä esimerkiksi muuntajilla tasavirtaresistanssi (DCR) ei yleensä ole sama kuin vaihtovirtaresistanssi. Konduktanssi ei myöskään aina ole resistanssin käänteisluku [6, s. 155]. Sähköisellä impedanssilla on analogia esimerkiksi sekä akustisen että mekaanisen impedanssin kanssa. Akustinen impedanssi määritellään äänenpaineen (p) ja tilavuusvirran (q) suhteena. Mekaaninen impedanssi määritellään vastaavasti voiman (F) ja nopeuden (v) suhteena. 10 Taulukko 1. Tyypillisiä lähtö- ja tuloimpedansseja. [16], [17], [18], [19] ja [20] Lähde (O) Kuorma (I) Dynaaminen mikrofoni Shure SM58 300 ȍ Sähkökitaran mikrofoni Stratocaster Vintage Pickup 24,5 kȍ (1000 Hz) Transistorivahvistimen ulostulo Yamaha AX-592 0,033 ȍ Putkivahvistimen ulostulo VOX AC30 8ȍ CD-soitin Cary CDP1 220 ȍ Esivahvistimen sisääntulo Api 512C 1500 ȍ Kitaravahvistimen sisääntulo VOX AC30 (HI-Z) 1 Mȍ Kaiutin (nimellisimpedanssi) 8ȍ Kaiutin (nimellisimpedanssi) 8ȍ Transistorivahvistimen sisääntulo Yamaha AX-592 47 kȍ Suhde (I/O) 5 41 240 1 210 Vahvistimien lähtö- ja tuloimpedanssit ovat usein hyvin resistiivisiä, jolloin niitä voidaan approksimoida reaalilukuvakioilla [6, s. 396]. Sen sijaan kitaran pickupmikrofonin ja kaiuttimen impedanssit ovat selkeästi enemmän reaktiivisia. Äänentoistosovelluksissa lähtö- ja tuloimpedanssit sekä näiden keskinäiset suhteet ovat usein tarkasti määriteltyjä [9]. Muun muassa HiFi-vahvistimen lähtöimpedanssin tulee lähes poikkeuksetta olla mahdollisimman pieni. Sen sijaan soundin luomisessa lähtö- ja tuloimpedanssin suhde voi tarkoituksella olla melkein mitä tahansa. Fysiikan lait kuitenkin rajoittavat osaltaan impedanssien mielivaltaisia arvoja. Näitä asioita käsitellään seuraavaksi. 2.5.1 Impedanssisovituksen vaikutuksista Audiokäytössä matalan lähtöimpedanssin ja korkean tuloimpedanssin rajapinta on usein optimaalinen [6, s. 396], [9]. Tätä kutsutaan jännitesovitukseksi ja sen suosiolle on useita syitä: • • • Monet tärkeät aktiivikomponentit kuten elektroniputki ja MOSFETtransistori toimivat luonnostaan jänniteohjattuina [6, s. 41 – 43] Ohjaus ei vaadi tehoa, jos aktiivista komponenttia ohjataan pelkällä jännitesignaalilla ilman virtasignaalia. Tällöin ei siis kuormiteta lähdettä. Lähtöimpedanssin ollessa matala, lähde ei vaikuta merkittävästi taajuusriippuvaisen kuorman (kuten kaiutin) magnitudivasteeseen. Lähteen tehoa ei tällöin myöskään tuhlata tähän sisäiseen vastukseen, mitä lähtöimpedanssin resistiivinen osa on. Käytännössä sisääntuloon kuitenkin kulkee virtaa aina jonkin verran, koska tuloimpedanssit ovat äärellisiä. Tehoja siirrettäessä virran määrä yleensä kasvaa ja toisinaan optimaalisempaa onkin, että lähtöimpedanssin arvo on mahdollisimman lähellä tuloimpedanssin arvoa. Jos nämä impedanssit ovat toistensa liittolukuja, tätä kutsutaan tehosovitukseksi. Teho siirtyy tällöin kuormaan parhaiten tämän rajapinnan 11 yli [6, s. 182 – 183]. Audiokäytössä ei kovin usein tule vastaan tilanteita, jossa tätä sovitusta tavoiteltaisiin puhtaasti. Eräs poikkeus kuitenkin on ainakin putkivahvistimen pääteasteen ja päätemuuntajan välinen sovitus. Tätä aihetta tarkastellaan AC30:n päätevahvistimen tutkimista koskevassa luvussa 4.8. Syy miksi impedanssien keskinäisellä suhteella on suuresti merkitystä, selviää kun tutkitaan kuvan 4 korvauskytkentää. Kyseinen piiri on Théveninin ekvivalentti. • • • Katkoviivalla merkitty alue tarkoittaa lähdettä, käytännössä esimerkiksi vahvistinta tai mikrofonia. es on kuvitteellinen vaihtojännitelähde (ts. sähkömotorinen voima) ja ZS lähteen sisäinen impedanssi, käytännössä lähtöimpedanssi (Zout). ZL on kuormaimpedanssi, käytännössä esimerkiksi kaiutinkuorma tai vahvistimen tuloimpedanssi (Zin). Kuva 4. Théveninin ekvivalentti lähtö- ja tuloimpedanssin mallintamiseksi. Katkoviivalla merkitty alue on syöttävä lähde, es = kuvitteellinen vaihtojännitelähde, Zs = lähteen sisäinen impedanssi ja ZL = kuormaimpedanssi. Kuva perustuu osittain lähteen [21] kuvaan 8-12, s. 199. Otetaan esimerkki vahvistin–kaiutin -parista. Annetaan Zs:lle arvo 0,01 ȍ (tyypillinen lähtöimpedanssi transistorivahvistimelle) ja ZL:lle 8 ȍ (tyypillinen nimellinen tuloimpedanssi kaiuttimelle) ja es = 10 V (tyypillinen arvo päätevahvistimelle). Tulo/lähtöimpedanssisuhde on nyt siis 800. us = Zs 0,01Ω 10V ≈ 0,0125 V es = 0,01Ω + 8Ω Zs + ZL (2.5) uL = ZL 8Ω es = 10V ≈ 9,988 V ZL + Zs 8Ω + 0,01Ω (2.6) Tarkastellaan seuraavaksi mitä käytännön merkitystä keskinäisillä impedansseilla on. Kaiuttimen impedanssi ZL vaihtelee taajuuden funktiona ja yhtälöä 2.6 tarkastelemalla huomataan seuraavaa: Jos jännitteen es arvo on vakio ja lähtöimpedanssi Zs suurempi kuin 0, kuorman yli vaikuttava jännite vaihtelee taajuuden funktiona. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että mitä suurempi 12 vahvistimen lähtöimpedanssi on, sitä enemmän kaiuttimen magnitudivasteen kuopat ja huiput korostuvat [22], [23, s. 25 – 26]. Jännitteenjakoyhtälöistä 2.5 ja 2.6 nähdään, että lähteen syöttämä jännite jakautuu vahvistimen lähtöimpedanssin Zs ja kaiuttimen tuloimpedanssin ZL suhteessa. Käytännössä vahvistimen lähtöimpedanssi on hyvin resistiivinen, joten mitä suurempi lähtöimpedanssi on, sitä enemmän (pätö)tehoa tuhlataan vahvistimen sisällä. Vastaavasti mitä pienempi sisäinen vastus on, sitä enemmän jännitettä saadaan varsinaisen kuorman yli. Kaiutin on kuorma, mutta se voi muuttua myös lähteeksi, koska kartion liike ei lakkaa välittömästi kun ohjaava signaali loppuu. Mitä matalampi vahvistimen lähtöimpedanssi on, sitä vähemmän kaiutinkartio tuottaa liikkuessaan jännitettä ja sitä nopeammin kartion liike vaimenee. Tästä syystä tulo/lähtöimpedanssin suhdetta kutsutaan myös vaimennuskertoimeksi. 2.5.2 Heijastusilmiö Tarkastellaan kuvaa 5. Kun ääniaalto etenee ilmassa (impedanssi Z1) osuen esimerkiksi veteen (impedanssi Z2), tiedetään että osa äänestä heijastuu takaisin toisen osan läpäistessä rajapinnan. Kuva 5. Heijastusilmiö. rajapinnassa. Impedanssierot vaikuttavat aaltojen etenemiseen Vastaava ilmiö tapahtuu myös sähköisissä piireissä, kun esimerkiksi kahden laitteen tai vahvistinasteen välillä on impedanssiero. Tällöin syntyy edestakaisia sähköisiä heijastuksia. Riippuen piirin topologiasta, ilmiöllä saattaa olla monimutkaisia ja haitallisia vaikutuksia. Yleensä heijastukset tulevat ongelmaksi kuitenkin vasta pitkillä etäisyyksillä (siirtojohdot) tai taajuuden ollessa hyvin suuri. Audiovahvistimien sisällä heijastukset eivät useinkaan ole ongelma, mutta ilmiö on kuitenkin hyvä tietää. [6, s. 90] 13 2.6 Särö, soundi ja kuulon toiminta Jotta putkivahvistimenkin soinnin syitä voidaan ymmärtää ja tutkia, täytyy ensin ymmärtää ainakin perusteet ihmiskuulon toiminnasta. Tässä luvussa asiaa käsitellään tiivistetysti, mutta alan kirjallisuuteen ja tarjontaan tehdään pienimuotoinen katsaus luvussa 2.6.7. Särön käsite on syntynyt äänentoiston myötä, koska siten on muodostunut käsitys, mitä vääristymiä alkuperäiseen toistettavaan signaaliin voi ylipäätään syntyä. Säröksi voidaan kutsua sitä osuutta tai mitä tahansa vääristymää uudelleen tuotetusta signaalista, mikä ei esiinny alkuperäisessä signaalissa. Särö ei siis aina tarkoita karheutta äänessä, vaan se voidaan havaita myös ”lämpimänä” äänenvärinä [1, s. 41], [13, s. 150]. Kaksi luonteeltaan erityyppistä vääristymää ovat [13, s. 149]: a) lineaarinen vääristymä (esim. magnitudivaste- tai ryhmäviivevirhe) b) epälineaarinen vääristymä eli varsinainen särö. Lineaarinen vääristymä tarkoittaa signaalikomponenttien amplitudi ja/tai aika/vaihesuhteiden muuttumista, mutta uusia taajuuskomponentteja ei kuitenkaan synny. Tämä havaitaan äänenvärin muutoksina. Epälineaarinen vääristymä taas voi synnyttää aivan uusia taajuuskomponentteja. Tätä särötyyppiä tarkasteltaessa on syytä muistaa, että myös kuulojärjestelmä sisältää monia epälineaarisuuksia. [13, s. 149]. Kuten jo aiemmin luvussa 2.2 todettiin, kitaravahvistimissa signaalia ”vääristetään” tietoisesti tavoitellun soundin saavuttamiseksi. Teknisessä mielessä särö ja soundi tarkoittavat hyvin samaa asiaa, näkökulmasta riippuen. Säröä voi syntyä audioketjun missä tahansa komponentissa [24, s. 458]. Seuraavissa luvuissa 2.6.1 – 2.6.6 tarkastellaan muutamaa yleistä särötyyppiä, joiden merkitystä peilataan tämän työn tulevissa luvuissa. 2.6.1 Harmoninen särö Harmonista säröä aiheutuu järjestelmän epälineaarisuuksista. Esimerkiksi putken ylikuormittuessa signaali saattaa leikkautua kuvan 6 mukaisesti, ja samalla syntyy harmonisia kerrannaistaajuuksia perustaajuuden lisäksi. Aktiivisten komponenttien tapauksessa leikkautumisen terävyyteen vaikuttaa muun muassa komponentin dynaaminen ominaiskäyrä (ks. esim. kuva 12) sekä mahdollinen negatiivinen takaisinkytkentä, joka tyypillisesti terävöittää leikkautumista [1, s. 6-18]. Viimeksi mainittu taas lisää korkeiden harmonisten komponenttien osuutta. Ihminen ei havaitse kovinkaan hyvin pientä määrää harmonista säröä, koska monet musiikilliset äänet sisältävät luonnostaan harmonisia kerrannaistaajuuksia [9]. 14 Kuva 6. Harmoninen särö ja sen muodostama taajuusspektri. Kuvaajien vaakaakselilla on taajuus ja pystyakselilla taajuuskomponentin amplitudi desibeleinä. Lihavoidut luvut ovat parillisia harmonisia kerrannaistaajuuksia. Perinteinen kokonaisharmonisen särön (THD, Total Harmonic Distortion) mittaus ei ole kovin hyvä indikaattori kertomaan esimerkiksi HiFi-vahvistimen äänenlaadusta – puhumattakaan putkivahvistimista, koska ensinnäkään se ei ota huomioon kuinka häiritsevänä tai miellyttävänä kuulo pitää eri kerrannaistaajuuksia tai muita häiriöitä. Sen lisäksi THD-mittauksissa järjestelmää syötetään ainoastaan yhdellä siniääneksellä, kun musiikki tai muu äänitapahtuma sisältää yleensä runsaasti taajuuskomponentteja samanaikaisesti. Äänenlaadun kannalta mielekkäämpää on mitata esimerkiksi keskeismodulaatiosäröä, jota käsitellään seuraavaksi. [13, s. 150] 2.6.2 Keskeismodulaatiosärö Keskeismodulaatiosäröä syntyy järjestelmän epälineaarisuuksista vastaavasti kuten harmonistakin säröä. Erona kuitenkin on, että sisääntulevia taajuuskomponentteja on nyt kaksi tai useampia. Nämä taajuudet synnyttävät paitsi harmonisia kerrannaisia, myös alkuperäisten taajuuksien ja niiden harmonisten summa- ja erotustaajuuksia, jotka ovat yleensä musikaalisesti epäharmonisissa suhteissa alkuperäisiin taajuuksiin (kuva 7). [24, s. 459] Kuva 7. Keskeismodulaatiosärö ja syntyvät taajuuskomponentit. Harmonisia kerrannaistaajuuksia syntyy myös (vrt. kuva 6), vaikkakaan niitä ei ole suoranaisesti merkitty kuvaan. Kuvaajien vaaka-akselilla on taajuus ja pystyakselilla taajuuskomponentin amplitudi desibeleinä. 15 Keskeismodulaatiosärömittauksilla pystytään selittämään hyvin audiojärjestelmien, vahvistimien tai vaikkapa kaiuttimien eroja, vaikka esimerkiksi niiden magnitudivasteet ja harmoniset säröarvot olisivat identtisiä [3], [8, s. 2-9]. Tähän palataan osaltaan AC30:n mittauksia käsittelevässä luvussa 5. 2.6.3 Transienttisärö Transienttisäröä esiintyy, kun jokin komponentti ei pysty vastaamaan tarpeeksi nopeasti signaalin vaihteluihin, esimerkiksi lyömäsoittimia tai muita teräviä iskuääniä toistettaessa. Sitä vastoin viulun (pois lukien alun transientti) tai muun vakaan äänen toistoon tämä särö ei vaikuta [24, s. 459]. Esimerkiksi kaiuttimessa tätä särötyyppiä voi aiheutua, jos mekaanista resonanssia ei ole vaimennettu tarpeeksi hyvin ja vahvistimissa taas takaisinkytkennästä johtuvasta aikaviiveestä. Signaalin vääristyminen voi joissakin tapauksissa olla siis myös aikariippuvaa. Tätä kutsutaan myös nimellä TIM-särö (Transient Intermodulation Distortion) eli transienttikeskeismodulaatiosärö. [13, s. 151]. Kyseinen särötyyppi on nimensä mukaisesti eräänlainen transienttisärön ja keskeismodulaatiosärön risteymä. TIM– särömittaukset kertovat myös hyvin audiojärjestelmien eroista [9]. 2.6.4 Vaihesärö Fourier-muunnos signaalista tuottaa kompleksisen spektrin, johon sisältyy sekä magnitudi- että vaihekäyttäytyminen. Tyypillisesti esitetään vain magnitudivaste – tai kansanomaisemmin taajuusvaste. Vaihelineaarisessa vahvistimessa ulostulon ja sisääntulon välisen vaihe-eron tulisi olla suoraan verrannollinen taajuuteen, eli niin sanotun ryhmäviiveen tulisi olla vakio. Ryhmäviive määritellään seuraavasti: τg = − dϕ , dω (2.7) missä ij on lähdön ja tulon välinen ero radiaaneina, ja Ȧ kulmataajuus. Reaktansseista johtuen ryhmäviive ei kuitenkaan yleensä ole vakio, ja tätä kutsutaan vaihesäröksi. Signaalin eri taajuuskomponentit näyttävät viivästyvän erisuuruisen ajan. Todellisuudessa varsinaista (merkityksellistä) fyysistä viivettä ei ole – ellei kyseessä ole siirtolinjat tai muut pitkät etäisyydet – vaan ainoastaan signaalien taajuuskomponenttien vaihekulmat muuttuvat. Eli kun signaali syötetään vahvistimen tuloon, näkyy vaste välittömästi myös lähdössä. Kuulo on melko epäherkkä tälle särötyypille, mutta tutkimus on osoittanut, että toisinaan vaiheella tai vaihemuutoksilla on selkeä vaikutus kuulohavaintoon. Vaihesäröllä onkin syy-yhteys transienttisärön kanssa; jotta transientit toistuvat tarkasti, täytyy myös ryhmäviiveen olla pieni [25, s. 12]. Yleensä vaihesärö havaitaan silloin, kun signaalin aikakäyrämuoto muuttuu selkeästi myös visuaalisesti. Usein vaihevaste jätetään kuitenkin pois, koska kuulon vaihe-epäherkkyys on usein riittävä oletus. Toisaalta on kuitenkin hyvä pitää mielessä, että tästä johtuen signaalin spektri ei ole yksikäsitteinen, vaan kahdella erilaisella signaalilla voi olla sama spektri. [13, s. 49 ja 147], [24, s. 487] 16 2.6.5 Blokkaussärö Tämä särötyyppi liittyy suoraan putkilla toimiviin vahvistinasteisiin ja aihetta käsitellään myös muun muassa luvussa 4.8. Blokkaussäröä (kuva 8) voi aiheutua kun vahvistinasteet ovat kytketty kapasitiivisesti – eli kondensaattorilla – toisiinsa. Suuri positiivinen transientti syötettävän putken hilalle aiheuttaa hilavirtaa (ks. kuva 44), joka lataa kytkentäkondensaattorin. Transientin negatiivinen puolijakso yhdessä kondensaattorin varauksen kanssa vetää hila–katodi -jännitteen voimakkaasti negatiiviseksi, ja tämä aiheuttaa kuormassa piikin, jota kutsutaan blokkaussäröksi [26]. Toisin sanoen, blokkaussärön syntyyn johtaa biasjännitteen suuri negatiivinen siirtymä ja tilanteen hidas palautuminen normaaliksi [27, s. 146]. Blokkaussäröstä puhutaan yleensä pääteputkien yhteydessä, mutta sitä voi esiintyä muissakin vahvistinasteissa. [8, s. 3-92 – 3-93] Kuva 8. Blokkaussärö (digitaalisesti mallinnettu tilanne ilmiöstä). Ylimmässä kuvassa on sisääntulosignaali, keskimmäisessä kuvassa hila–katodi -jännite ja alimmassa kuvassa 8 ȍ vastuskuorman yli mitattu jännite. Kiinteä viiva kuvaa tilannetta, kun asteet ovat yhdistetty kondensaattorilla toisiinsa, ja katkoviiva tilannetta, kun kondensaattoria ei ole (oikosulku). Kuva on lainattu ja muokattu lähteestä [26]. 2.6.6 Ylimenosärö Ylimenosäröä voi syntyä ainoastaan vuorovaihekytkennässä ja tyypillisesti matalalla signaalitasolla [9], [27, s. 143]. Ylimenosärön ymmärtäminen vaatii ensin siis toimintaluokkien (luku 3.5) ja vuorovaihekytkennän (luku 3.6.2) sisäistämistä. Kyseisen särön voidaan katsoa johtuvan kahdesta syystä: ensinnäkin putkien ominaiskäyrät eivät ole suoria ja tällöin siirtymäalueella esiintyy kuvan 9 mukaista epälineaarisuutta. Toiseksi putkien vuoronvaihdossa saattaa olla epäjatkuvuuskohta, jolloin kumpikaan putki ei johda. Ylimenosärön määrittely pätee luonnollisesti myös transistorivahvistimille. 17 Kuva 9. Ylimenosärö ja sen syntytapa vuorovaihekytkennässä. Säröä aiheutuu dynaamisten ominaiskäyrien epälineaarisuuksista ja/tai ulostulevan virran epäjatkuvuudesta. Kuva on lainattu ja muokattu lähteestä [21, s. 564]. Ylimenosärö on pääasiassa toimintaluokan B ongelma, ja säröä voidaankin pienentää merkittävästi, kun pysytään toimintaluokassa AB [21, s. 564 – 565]. A-luokassa tätä särötyyppiä ei synny lainkaan, koska aktiiviset komponentit johtavat koko ajan. Myös ylimenosärö voi johtaa blokkaussäröön [27, s. 143 – 145]. 2.6.7 Katsaus äänen miellyttävyyteen ja työn lähdeviitteisiin Äänenlaatua käytetään terminä lähinnä äänentoiston yhteydessä, mutta sille on paikkansa myös soitinmaailmassa. Äänenlaatu on käsitteenä melko laaja, mutta myös hieman moniselitteinen. Kitaravahvistimien yhteydessä soundi tarkoittaa hyvin samaa asiaa, vaikkakaan kohinoiden tai muiden häiriötekijöiden korrelaatio soundin hyvyyteen ei liene niin ilmeistä. Äänenlaatua mitataan ensisijaisesti subjektiivisilla kuuntelukokeilla tai epämuodollisilla kuulohavainnoilla [13, s. 200]. Kun kyseessä on ihmiskuulon toiminta, kaikki tulokset eivät välttämättä aina ole täysin johdonmukaisia. Esimerkiksi äänenvoimakkuuden on todettu vaikuttavan havaittuun äänenlaatuun, vaikka signaalimuoto ja muut parametrit pysyisivät samana [8, s. 216]. Kokeiden tai havaintojen lopputulokseen vaikuttaa moni muukin tekijä kuin pelkkä kuulokokemus. Tällaisia ovat muun muassa henkilön mielentila, vireys, muistissa olevat kokemukset, kulttuurillinen tausta sekä yleensäkin henkilökohtaiset asiat ja mielipiteet. Myös muut aistit – erityisesti näköaisti – voivat muuttaa ratkaisevasti tulkintaa kuultavasta äänestä [13, s. 200]. Äänenlaadun mittaamiseen on kehitetty myös niin sanottuja auditorisia malleja, jotka mallintavat ihmiskuulon toimintaa. Tällaisista malleista on se hyöty, että esimerkiksi putkivahvistimenkin soinnin syitä pystytään mahdollisesti osittain tutkimaan ilman varsinaisia kuuntelukokeita. [28] 18 Kuten edellä todettiin, epälineaarisuudet lisäävät signaalin spektriin uusia taajuuskomponentteja. Asian tekee kuitenkin hieman mutkikkaammaksi se, että esimerkiksi kitaran tapauksessa jo yksi kieli soidessaan sisältää luonnostaan useita harmonisia taajuuskomponentteja, puhumattakaan kaikkien kuuden kielen soidessa samanaikaisesti. Kyseessä on siis laajakaistainen ääni, jonka harmonisten komponenttien taajuudet ylittävät audioketjusta todennäköisesti ainakin kaiuttimen taajuuskaistan. Tällöin epälineaarisen särön vaikutus saattaa olla samankaltainen kuin lineaarisenkin särön, jolloin ainoastaan harmonisten voimakkuussuhteet muuttuvat. Tällöin epälineaarinen särö pääasiassa siis vain värittää ääntä. Kuuntelukokein on todettu, että kuulo pitää yleisesti tietynlaisia spektrin jakaumia ja taajuuskomponenttien painotuksia mielekkäämpinä kuin toisia, mihin vaikuttavat myös taajuuskomponenttien väliset suhteet (intervallit) sekä erotukset. Tyypillisimpänä esimerkkinä näistä lienee, että parillisten ja matalan kertaluvun epälineaarisuuksien (erityisesti toinen harmoninen) on todettu kuulostavan paremmalta kuin parittomien ja korkean kertaluvun särökomponenttien [1, s. 6-16], [13, s. 150], [29, s. 81]. Parilliset harmoniset tarkoittavat, että perustaajuuteen on lisätty oktaaveittain harmonisia kerrannaisia; voidaan hyvin kuvitella, että esimerkiksi pianosta soitetut yhtäaikaiset sävelet C3, C4 ja C5 kuulostavat harmonisilta keskenään. Tässä vaiheessa on myös hyvä ymmärtää, että kuulokokemuksen kannalta pelkkä (yhden aikaikkunan) taajuusalueessa tarkastelu ei aina kuitenkaan ole mielekästä. Ensinnäkin luonnolliset vahvistettavat signaalit – kuten laulu ja sähkökitara – eivät käytännössä koskaan ole stationäärisiä (tarkasti ottaen mikään reaalimaailman signaali ei ole täysin stationäärinen), joten taajuusjakauma muuttuu ajan funktiona. Tällaiset signaalit sisältävät esimerkiksi transientteja ja muita dynaamisia eli ajallisia muutoksia, jotka toisinaan määräävät pitkälle monen soittimen luonteen ja tunnistettavuuden. Muun muassa pianon ääntä on vaikea tunnistaa pianoksi ilman alun transienttia [24, s. 317]. Kuulo on erityisen herkkä reagoimaan äänessä tapahtuviin muutoksiin. Toisekseen, jos tutkitaan vahvistimen vaikutusta soundiin, ovat kyseessä yleensä epälineaariset ilmiöt, mikä ei-stationääristen signaalien kohdalla mutkistaa tilannetta entisestään. Lineaarisessa järjestelmässä magnitudivaste määrittäisi kylläkin koko siirtofunktion. Unohtamatta aikakäyttäytymistä, signaalin esittäminen taajuuskomponenttiensa avulla on usein kuitenkin varsin havainnollista sekä kuulon että täten myös vahvistintutkimuksen kannalta [13, s. 35]. [9] H. Helmholtz luokitteli v. 1877 äänet spektrin mukaan seuraavanlaisesti [24, s. 136]: 1. Yksinkertaiset äänet, kuten äänirauta ja tietyt urkupillit, kuulostavat pehmeältä ja miellyttävältä, ilman havaittua karheutta. 2. Soitinäänet, joiden alimmat harmoniset ovat voimakkaita, kuten piano, käyrätorvi ja lauluääni, kuulostavat rikkaammilta ja musikaalisemmilta kuin yksinkertaiset äänet. Edelleen, jos korkeat harmoniset ovat poissa, äänenlaatu on miellyttävä ja pehmeä. 3. Soitinäänet, jotka sisältävät vain parittomia harmonisia, kuten klarinetti ja tietyt urkupillit. Nämä kuulostavat ontoilta/kumeilta ja runsaasti harmonisia sisältäessään, nasaalilta. Kun perustaajuus on hallitseva, äänenlaatu on rikas ja jos perustaajuus ei ole vahva, äänenlaatu on heikko. 4. Monimutkaiset äänet, joiden ylimmät harmoniset (yli 6. tai 7.) ovat voimakkaita. Äänenlaatu havaitaan karheana ja terävänä. 19 Tämän kaltaisista luokituksista ei voida kuitenkaan suoraan vetää johtopäätöksiä, miksi jonkin vahvistimen soundi kuulostaa paremmalta kuin toisen, koska soundin miellyttävyys on usein myös hyvin subjektiivinen asia. Ne antavat kuitenkin hyvää suuntaa spektrejä tulkittaessa. [24, s. 140], [13, s. 132 ja 70 – 71] Edellä kuvailtiin erilaisia särötyyppejä ja niiden merkitystä kuulon kannalta. Näitä referoidaan mahdollisuuksien mukaan työn seuraavissa luvuissa. Otetaan seuraavaksi lyhyt katsaus kitaravahvistimia koskevan tutkimuksen lähteisiin. Tämä siitä syystä tässä vaiheessa, että epälineaariset ilmiöt ovat olennainen osa tätä diplomityötä, mutta toisaalta myös, jotta lukija voi jatkossa ymmärtää paremmin työn seuraavia lukuja. Lähteet voidaan jakaa karkeasti esimerkiksi seuraavanlaisesti: 1. HiFi/äänentoistovahvistimien suunnittelu. Etenkin vanhempi kirjallisuus pitää kaikenlaisia signaalin vääristymiä usein hyvin epätoivottavina, eikä asiaa käsitellä yleensä subjektiivisena kokemuksena. Esimerkkeinä mainittakoon lähteet [30], [31], [52] ja [32]. 2. Kitaravahvistimen suunnittelu. Näissä lähteissä asiaa tarkastellaan lähes puhtaasti subjektiivisesta näkökulmasta, mutta soundin/äänen miellyttävyyttä ei yleensä pyritä selittämään sen syvällisemmin kuulon toiminnalla. Esimerkkeinä tästä ovat TUT-kirjasarja [24], [7], [33], [34] ja [8] sekä Richard Kuehnelin teokset [35] ja [27]. 3. Putkivahvistimien soundin/äänenlaadun perussyiden tutkinta. Nämä lähteet käsittelevät aihetta ihmisen kuulon toiminta huomioiden. Esimerkkeinä lähteet [2], [3], [68] ja [22]. 4. Kuulon (fysiologia ja psykoakustiikka) toiminnan tutkinta. Tämä tieteenala tarkastelee, miksi ihminen pitää jotain ääntä tai äänitapahtumaa miellyttävämpänä kuin toista. Aihetta käsitellään esimerkiksi lähteissä [24], [13], [28], [36], [37], [38] ja [39], joista osa lähestyy asiaa myös erityisesti musiikin näkökulmasta. 5. Putkivahvistimien (matemaattinen) analysointi. Pääasiallinen tarkoitus tällä on tuottaa tutkimustuloksia vahvistinmallinnusta ja modernia vahvistinsuunnittelua varten. Esimerkkeinä tästä aihepiiristä lähteet [26], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49] ja [50]. Käytännössä rajat eivät ole näin jyrkkiä kuin edellä on lueteltu, vaan menevät toisinaan hyvinkin limittäin. Esimerkiksi vanhemmassa äänentoistokirjallisuudessa on poikkeuksia, joissa asiaa tutkitaan myös kuulon kannalta. Tästä esimerkkinä on lähde [25]. HiFi-lähteitä voi myös hyödyntää monellakin tapaa kitaravahvistintutkimuksen kannalta. Häiriösuojauksessa ja muissa vastaavissa eitoivotuissa ilmiöissä pätevät samat fysiikan lait kuin kitaravahvistimissakin, eikä laitteen käyttötarkoituksella ole tässä suhteessa niin suurta merkitystä. Vastaavasti vahvistimien perustoiminta on luonnollisesti yhteistä kaikille. Särön välttelyn voi kääntää myös tavoitelluksi ilmiöksi, koska kirjallisuus kertoo usein särön syntytavoista ja tyypeistä, kuten lähteet [30] ja [41], joista jälkimmäinen tarkastelee harmonisen särön esiintymistä putkivahvistimissa. Kolmantena tulee raskaan matematiikan puoli, jota tämä kirjallisuus sisältää usein varsin runsaasti. Tästä voi olla hyötyä juuri esimerkiksi vahvistinanalyysiä ja -mallinnusta ajatellen. 20 3 ELEKTRONIPUTKIVAHVISTIMET Tässä luvussa tutustutaan putkivahvistimen toiminnan perusteisiin tarkastelemalla putken ominaisuuksia, vaatimuksia ja rajoitteita. Putkivahvistin on elektronisen vahvistimen alatyyppi, joka käyttää putkia aktiivisina komponentteina. 3.1 Yleistä elektroniputkivahvistimista Putkien toiminta perustuu elektroniemissioon kuumasta kappaleesta, mitä kutsutaan englannin kielellä termillä Edison Effect [31, s. 273]. Yksinkertaisin putki joka voi toimia vahvistimena on triodi (kuvat 10 ja 11). Se sisältää kolme elektrodia; anodin (+), katodin (–) ja niiden välissä olevan (ohjaus)hilan. Kun katodia kuumennetaan, sen ympärille muodostuu niin sanottu elektronipilvi. Tämän jälkeen anodin ja katodin välille luodaan tyypillisesti useamman sadan voltin tasajännite, joka kiihdyttää nämä elektronit voimakkaasti anodille. Katodin ja anodin välillä kulkevaan elektronivirran määrään voidaan vaikuttaa hilan ja katodin välisellä jännitteellä; jo pieni jännitteenmuutos saa aikaa merkittävän muutoksen virrassa [35, s. 4]. Kaikki edellä mainitut elektrodit ovat lasikuvun tai muun vastaavan sisällä tyhjiössä. Tällöin katodi pystyy tällöin emittoimaan enemmän elektroneja [33, s. 11]. Elektroniemissio kuumasta kappaleesta tarkoittaa, että elektroniputki toimii myös diodina, eli virta voi kulkea vain toiseen suuntaan. [51, s. 86]. Triodin toimintaan palataan vielä tarkemmin luvussa 3.3. Putket tarvitsevat toimiakseen siis sähköenergiaa katodin lämmitykseen sekä korkean käyttöjännitteen. Nämä vaatimukset yksistään vaikuttavat suuresti koko vahvistimen suunnitteluun ja piiritopologiaan: 1. Virtalähteen tehosta suuri osa muuttuu lämmöksi putkissa sekä katodin lämmityksen että anodihäviötehon muodossa. Lämpökuorma täytyy myös huomioida suunnittelussa, koska monelle komponentille kuumuus on hyvin vahingollista. 2. Virtalähteen tulee tuottaa korkeaa tasajännitettä putkien käyttöjännitteeksi, mikä esimerkiksi rajoittaa kondensaattoreiden, vastusten ja muiden komponenttien soveltuvaa joukkoa. 3. Ulostulossa tarvitaan audiomuuntajaa, jolla suuri jännite/impedanssi lasketaan ja virtaa kasvatetaan. Tämä mahdollistaa kaiuttimen kuormittamisen. 4. Korkeiden käyttöjännitteiden takia myös sähköturvallisuuteen on kiinnitettävä erityistä huomiota. Putkivahvistimia voidaan toteuttaa myös ilman päätemuuntajaa (Output TransformerLess eli OTL), mutta tämän kaltaisiin erikoisuuksiin tässä työssä ei huomautusta enempää keskitytä. Lähdeluettelon lähteistä suurin osa luonnollisesti käsittelee enemmän tai vähemmän putkia ja putkivahvistimia. Esimerkiksi lähde [52] RCA: Electron Tube Design on koko alan eräänlainen perusteos (päivitetty versio), joka sisältää varsin syvällistä ja matemaattisluonteista tietoa. 21 3.2 Historiaa Elektroniputken kehityshistorian juurten voidaan katsoa ulottuvan vuoteen 1874 asti [1, s. 3-1]. Tuolloin Torontossa lääketiedettä opiskeleva Henry Woodward patentoi ensimmäisen hehkulangalla toimivan lampun. Valitettavasti hänellä ei ollut tarpeeksi mielenkiintoa kehittää keksintöään pidemmälle, saatikka alkaa valmistaa niitä. 18 kuukautta myöhemmin vuonna 1875 hän myi osuuden patentistaan T. A. Edisonille, joka onnistui kehittämään lampun paljon paremmaksi. Hän kehitti hehkulampun lähes täysin sellaiseksi kuin vielä tänä päivänäkin käytämme. Vuonna 1883 Edison huomasi seuraavan ilmiön tutkiessaan vasta kehittämäänsä hiililangalla toimivaa hehkulamppua; jos lasikuvun sisälle asetettiin hehkulangan ohelle kylmä metallilevy, elektronit kulkivat kuumasta hehkulangasta kylmään elektrodiin, kun metallilevy oli positiivinen verrattuna hehkulankaan [53, s. 147]. Aluksi luultiin, että elektronit kulkevat lasikupuun jääneen kaasun tai hiililangasta irtaantuvien hiukkasten välityksellä, mutta nykyään tiedetään että asia ei ole näin. Elektronit virtaavat sitä paremmin mitä täydellisempi tyhjiö on. [54, s. 348], [1, s. 3-1] Vaikka Edison oli jo kehittänyt elektroniputken toimintaperiaatteen, ei hän loppujenlopuksi saanut asiasta sen enempää selville. Englantilainen J. A. Fleming sai joitakin Edisonin elektrodeilla varustettuja lamppuja testattavakseen ja oivalsi v. 1885 ensimmäisenä, että putki toimii yksisuuntaisena johtimena. Myöhemmin v. 1904 hän ymmärsi, että Edisonin keksinnöllä voidaan myös tasasuunnata vaihtovirtaa. Yhdysvaltalainen keksijä Lee de Forest oli ilmeisen tietoinen Edisonin ja Flemingin esityöstä, mutta ei viitannut näihin millään tavalla esitellessään omia versioita putkidiodista. Forest kuitenkin teki yhden elektroniikan ja audiotekniikan historian merkittävimmistä keksinnöistä, kun hän sijoitti lampun sisään kolmannen elektrodin. Aluksi tämä elektrodi toimi vain ilmaisijana, mutta myöhemmin hän havaitsi, että elektrodin jännite vaikutti putken läpi kulkevan virran voimakkuuteen [53, s. 147], [54, s. 347]. Tätä ennen piensignaaleja ei ollut mahdollista vahvistaa lainkaan. [1, s. 3-5]. Elektroniputkea kehitettiin näihin aikoihin muutoinkin voimakkaasti usean eri tutkijan toimesta. [53, s. 147], [54, s. 345 – 348] Ensimmäiset putkilla toimivat kitaravahvistimet perustuivat RCA:n kehittämiin piireihin. Perinteikkäin ja maineikkain valmistaja näistä lienee Fender, joka alkoi valmistaa vahvistimia kyseisellä nimellä v. 1947. [55, s. 15], [56, s. 15] 3.3 Triodi Triodi (kuvat 10 ja 11) on hyvin yleinen esivahvistinputki. Käytännössä lasikuvun alla on aina kaksi triodia, jolloin puhutaan ”kaksoistriodista”. Luvun 3.1 alussa esiteltiin triodin toimintaperiaate jo pääpiirteissään, joten käsitellään asiaa hieman yksityiskohtaisemmin. Tarkastellaan kuvaa 10 (vrt. myös kuva 2). Hilalle tuotava signaali saa siis hetkellisiä (tasa)jännitearvoja tietyissä rajoissa. Jos hila saa positiivisia arvoja suhteessa katodin jännitteeseen, hila alkaa vetää elektroneja puoleensa anodin ohella. Tämä tarkoittaa, että alkaa kulkea ns. hilavirta, jolloin hilan impedanssi laskee, eikä anodivirran ohjaus tapahdu enää yhtä puhtaasti jännitteellä. Käytännössä tämä virta saavuttaa mitattavan arvon jo silloin, kun hilan jännite on noin 1 – 1,5 V katodin jännitettä alhaisempi [53, s. 158]. Hilavirta aiheuttaa epälineaarisuutta ja rajoittaa siten putken vahvistusta ja dynamiikkaa, vaikkakin tapauksesta riippuen tällä ilmiöllä saattaa olla myös positiivinen vaikutus vahvistimen sointiin. Toisaalta hilavirta taas voi johtaa 22 blokkaussärön syntyyn (luku 2.6.5). Hilan jännite suhteessa katodiin pyritään kuitenkin yleisesti ottaen pitämään pääpiirteissään negatiivisena, joten hilalle luodaan negatiivinen tasajännitepiste suhteessa katodiin, minkä ympärillä sisääntuleva jännite voi vaihdella. Hila–katodi -jännitteen ollessa nolla volttia, anodivirran ajatellaan olevan suurimmillaan, ja jollain tietyllä hila–katodi -jännitteen negatiivisella arvolla anodivirta lakkaa kokonaan [1, s 3-6]. Tämä on selitys myös kuvan 2 sisääntulojännitteen negatiiviselle arvolle, ja aihetta käsitellään tarkemmin luvussa 3.5.1. Kuva 10. Triodi-putken sähköinen symboli, elektrodien nimet sekä näiden keskinäiset jännitteet ja virrat. Anodivirtaa (Ia) hallitaan ohjaushilan ja katodin välisellä jännitteellä (Ugk). Kuva perustuu osittain lähteen [51] kuvaan 1, s. 4. Kuvassa 11 esitetään triodi-putken tyypillinen mekaaninen rakenne, suurta kantaa lukuun ottamatta. Triodin lisäksi muita putkityyppejä ovat muun muassa tetrodi ja pentodi [1, s. 3-9 – 3-10]. Pentodia tarkastellaan seuraavassa luvussa, koska se on yleinen päätevahvistinputki. Kuva 11. Triodi-putken mekaaninen rakenne. Kuva perustuu lähteen [51] kuvaan 1, s. 4. 23 Putkilla on yksinkertaisesta toimintaperiaatteesta huolimatta paljon erilaisia ominaisuuksia, jotka sekä kertovat niiden toiminnasta ja soveltuvuudesta, mutta myös rajoittavat niiden käyttöä. Kuva 12. ECC83/12AX7-triodin ominaiskäyriä. Vasen kuvaaja: vaaka-akselilla hila–katodijännite ja pystyakselilla anodivirta eri anodi–katodi -jännitteiden arvoilla. Oikea kuvaaja: vaaka-akselilla anodi–katodi -jännite ja pystyakselilla anodivirta. Tässä käyräparvi syntyy kun hila–katodi -jännitteellä on eri vakioarvo joka käyrän tapauksessa. [57] Putkivalmistajat julkaisevat putkista datalehtiä, joista löytyy tietoa sekä kuvaaja- että taulukkomuodossa. Niistä saatavat tiedot ovat välttämättömiä suunnittelussa, jotta putki toimisi oikein, eikä sallittuja raja-arvoja ylitetä. Kuvassa 12 esitetään ECC83/12AX7-triodin staattisia ominaiskäyriä, jotka saadaan suorittamalla tasavirtojen- ja jännitteiden mittauksia suoraan elektrodien navoilta. Kuvan 12 vasemmasta kuvaajasta nähdään kuinka jännitteenmuutos hilalla saa aikaan anodivirran muutoksen. Tätä kutsutaan transkonduktanssiksi ja se määritellään seuraavasti: gm = ∆I a , ∆U gk (3.1) missä ǻIa on pieni muutos anodivirrassa ja ǻUgk pieni muutos hila–katodi jännitteessä. Koska mitataan yhtä putkea ilman ympärillä olevaa piiriä, pätevät seuraavat yhtälöt: ǻIa = ǻIak ja ǻUg = ǻUgk. Transkonduktanssi kertoo siis lähtövirran ja tulojännitteen suhteen, mutta sitä voidaan pitää myös eräänlaisena vahvistuksena [6, s. 396]. Kuvan 12 oikeasta kuvaajasta voidaan havaita putken anodivirran muutokset, kun anodi–katodi -jännitettä muutetaan eri hila–katodi -jännitteiden vakioarvoilla. Tästä voidaan määrittää putken sisäinen (vaihtovirta)vastus: 24 Ri = ∆U ak , ∆I a (3.2) missä ǻUak on pieni muutos anodivirrassa. Kuten yhtälön 3.1 tapauksessa, myös tässä pätevät ǻUa = ǻUak ja ǻIa = ǻIak. Sisäinen vastus mitataan kuvan 12 oikean kuvaajan ominaiskäyristä. Kun putki kytketään vahvistimeksi, riippuvat sen kautta kulkevien vaihtovirtojen arvot olennaisesti myös ympärillä olevista kytkentäkomponenteista. Erityisesti anodivaihtovirran ia riippuvaisuus hila- ja anodijännitteistä määräytyy anodipiirin impedanssin Za mukaan [30, s. 25]. Kaikkiaan kuvasta 12 voidaan havaita, että putki käyttäytyy tietyillä alueilla hyvin lineaarisesti. Eräs huomionarvoinen asia on myös, että hila–katodi -jännitteen nollakohdassa ei ole anodivirran epäjatkuvuuskohtaa, vaikka ominaiskäyrien kuvaajat eivät tyypillisesti ulotukaan kyseisen jännitteen positiiviselle puolelle. Siirtymä on käytännössä pehmeä, ja tämä on eräs putkivahvistimien soinnin tekijä. Tähän palataan vielä myöhemmin muun muassa hilavirran käsittelyn yhteydessä. Negatiiviseksi anodivirta sen sijaan normaaliolosuhteissa ei voi muuttua, kuten jo aiemmin todettiin. Anodivirran määrä kuitenkin vähenee tässäkin tapauksessa asteittain ennen tätä ehdotonta nollakohtaa. Tämä havaitaan kuvan 12 vasemmasta kuvaajasta. [3, s. 6 – 7] Datalehtien taulukoista nähdään suoraan esimerkiksi mihin anodivirta asettuu tietyllä sallitulla käyttöjännitteellä ja piirin vastusarvoilla (taulukko 2). Näiden merkitys selviää AC30:n esivahvistinta käsittelevässä luvussa 4.4. Taulukossa 3 esitetään ECC83/12AX7-triodin tyypillisiä arvoja, ja siitä nähdään esimerkiksi että hilan jännite on tyypillisesti 2 V alhaisempi kuin katodin jännite. Taulukko 2. ECC83/12AX7-triodin operatiivisia numerotietoja. Ra tarkoittaa anodivastusta, Rg hilavastusta, Rk katodivastusta ja UB käyttöjännitettä. [57] UB = 250 400 250 400 250 400 V Ra = 47 47 100 100 220 220 kȍ Rg = 150 150 330 330 680 680 kȍ Rk = 1,2 0,68 1,5 0,82 2,7 1,2 kȍ Ia = 1,18 2,45 0,86 1,72 0,48 1,02 mA Taulukko 3. ECC83/12AX7-triodin tyypillisiä arvoja. Ri tarkoittaa putken sisäistä vastusta. [57] Uak (V) Ugk (V) Ia (mA) gm (mA/V) Ri (kȍ) ȝ 250 –2 1,2 1,6 62,5 100 Luvussa 2.3 todettiin, että kokonaisuutena katsoen tyypillisellä audiovahvistimella vahvistetaan tehoa, mutta vahvistuksia käsitellään kuitenkin usein jännitemuotoisina. Putken tapauksessa jännitevahvistuskerroin on muotoa: µ= ∆U ak ∆U gk 25 (3.3) Putket jaetaan vahvistuskertoimen mukaan matalavahvisteisiin (ȝ 10), keskivahvisteisiin (10 < ȝ < 100) ja korkeavahvisteisiin (ȝ 100). Esimerkkinä käytetty ECC83/12AX7-triodi on taulukon 3 mukaisesti korkeavahvisteinen putki. Käytännön piireissä vahvistus on kuitenkin pienempi [1, s. 3-8]. Taulukko 4. ECC83/12AX7-triodin rajoittavia arvoja. Pa tarkoittaa anodihäviötehoa, jota syntyy elektronien osuessa suurella nopeudella anodiin. [57] Uak (V) Pa (W) Ia (m A) Ugk (V) Rg (Mȍ) Uk (V) Rk (kȍ) 300 1 8 –50 2,2 180 150 Oleellista tietoa putkesta ovat myös rajoittavat arvot, joita ei tule ylittää. Näitä arvoja on lueteltu taulukossa 4. Putkilla on edellä kerrottujen ominaisuuksien lisäksi myös elektrodien välisiä kapasitansseja, jotka tietyissä tapauksissa rajoittavat niiden käyttökelpoista taajuuskaistaa sekä sitä myöten myös signaalin nousunopeutta. Nämä kapasitanssit ovat verrannollisia putken vahvistuskertoimeen, jolloin niitä kutsutaan Miller-kapasitansseiksi (Miller Capacitance), ja tästä johtuvaa taajuuskaistan yläpäätä rajoittavaa ilmiötä vastaavasti Miller-efektiksi (Miller Effect) [35, s. 61 65]. 3.4 Pentodi Pentodi (kuva 13) on yleinen päätevahvistinputki, mutta toisinaan sitä käytetään myös esivahvistimissa [27, s. 5]. Triodiin verrattuna pentodissa on ohjaushilan lisäksi suojahila ja jarruhila. Suojahilan tehtävä on kiihdyttää elektroneja niiden matkalla katodilta anodille, ja jarruhilan tarkoitus on estää elektroneja kimpoamasta takaisin anodilta. Jarruhila on yleensä kytketty suoraan katodiin, mutta se voidaan kytkeä myös selkeästi matalampaan jännitteeseen. [1, s. 3-10] Kuva 13. Pentodin sähköinen symboli, elektrodien nimet sekä näiden keskinäiset jännitteet ja virrat. Pentodissa on triodiin verrattuna lisäksi suojahila ja jarruhila. Kuva perustuu osittain lähteen [27] kuvaan 2-2, s. 6. 26 Suojahila pienentää ohjaushilan ja anodin välistä kapasitanssia, jolloin käyttökelpoinen taajuuskaista kasvaa. Jarruhila pienentää edelleen tätä kapasitanssia, mutta myös aiheuttaa pentodille tyypillisen ominaiskäyrästön (kuva 14), joka muistuttaa MOSFET- transistorin vastaavaa käyrästöä. [33, s. 1-46] Kuva 14. EL84/6BQ5-pentodin ominaiskäyrästö (vrt. kuvaan 12). Pystyakselilla on anodivirta ja vaaka-akselilla anodijännite. Kuvaan on piirretty myös suurimman sallitun anodihäviötehon (Pa) käyrä. [58] Pentodit ovat luonteeltaan jänniteohjattuja virtalähteitä, mutta triodiksi kytkettynä niillä voi olla jopa 300 – 400 luokkaa oleva jännitevahvistus [33, s. 1-47]. Pentodin huonoihin puoliin lukeutuu se, että suojahilan ja anodin väliset resistanssi- ja jännitesuhteet ovat kriittisiä; pienikin muutos optimisuhteista saattaa romuttaa kaikki hyvät puolet. Toiseksi, pentodin synnyttämät häiriöt ovat selkeästi suuremmat kuin triodissa. Näiden lisäksi pentodissa on käytännössä vain yksi vahvistusaste lasikuvun alla, kun triodissa on kaksi astetta. [33, s. 1-47] Taulukko 5. EL84/6BQ5-pentodin tyypillisiä arvoja. ȝg2/g1 tarkoittaa jännitevahvistuskerrointa. [58] Uak (V) Ugk (V) Us (V) Ia (mA) Is (mA) gm (mA/V) Ri (kȍ) 250 –7,3 250 48 5,5 11,3 40 ȝg2/g1 19 Taulukosta 5 nähdään, että EL84/6BQ5-pentodin tyypillinen anodivirta on huomattavasti suurempi kuin ECC83/12AX7-triodin (taulukko 3) samalla anodijännitteellä. Tästä syystä pentodista saadaan myös ulostulotehoa selvästi enemmän. 27 Taulukko 6. EL84/6BQ5-pentodin rajoittavia arvoja. [58] Uak (V) Pa (W) Ps (W) Ik (mA) Ugk (V) Rg (Mȍ) 300 12 2 65 –100 1 Uk (V) 100 Anodivirran kasvun myötä suurin sallittu anodihäviöteho (taulukko 6) tulee entistä merkittävämmäksi myös lämmöntuoton kannalta. Tämä täytyy huomioida esimerkiksi komponenttien paikkoja valittaessa, jotta lämmöntuotto ei aiheuta toimintahäiriöitä tai tuhoa komponentteja kokonaan. 3.5 Toimintaluokat Toimintaluokat ovat yhteisiä myös transistorivahvistimille, mutta tekninen toteutus ja nimitykset poikkeavat putkien vastaavista. Esimerkiksi hilaa vastaa kanta BJTtransistorissa. Luokkien ymmärtäminen vaatii myös ensin aktiivisen komponentin – eli tässä tapauksessa putken – perustoiminnan ymmärtämistä. Toimintaluokkia tarkastellaan myös AC30:n tutkimusta koskevassa luvussa 4. Aiemmin on todettu, että aktiiviset komponentit voivat päästää virtaa läpi vain yhteen suuntaan, joten virta voi saada ainoastaan positiivisia arvoja. Ohjaava signaali sitä vastoin voi saada periaatteessa sekä negatiivisia että positiivisia arvoja. Tämä ristiriita tekee toimintaluokat tarpeellisiksi. Vahvistimet jaetaan toimintaluokkiin sen perusteella kuinka suuren osan täydestä 360 asteen jaksosta aktiivinen komponentti johtaa (kuva 15) [31, s. 331]. Audiokäytössä vahvistimen tärkeimmät toimintaluokat ovat A, AB ja B sekä keskimmäisen alaluokat AB1 ja AB2, jotka liittyvät ainoastaan putkivahvistinsovelluksiin. AB1-luokassa hilavirtaa ei esiinny missään vaiheessa ja AB2-luokassa osan 360 asteen jaksosta [59], [1, s. 6-5 – 6-6]. Näiden lisäksi on olemassa esimerkiksi luokat C ja D, mutta niiden sovellukset ovat muun muassa radiotaajuuksien vahvistamisessa, matkapuhelimissa ja TV-lähettimissä [32, s. 1230]. Paperilla katsoen toimintaluokkien määrittely on suhteellisen yksiselitteistä, mutta käytännössä määrittely on tulkinnanvaraisempaa, kuten seuraavissa aliluvuissa tullaan huomaamaan. Signaalin voimakkuus vaikuttaa myös toimintaluokkiin, koska esimerkiksi korkealla signaalitasolla A-luokan vahvistin muuttuu käytännössä ABluokan vahvistimeksi. Kuva 15. Toimintaluokkien määrittely. Kukin tapaus tarkoittaa yksittäisen aktiivisen komponentin johtavuutta täydestä 360 asteen jaksosta. 28 Kuvasta 15 voidaan myös nähdä, että ainoastaan A-luokan vahvistin voidaan toteuttaa yhdellä aktiivisella komponentilla, koska audiosovelluksissa täysi 360 asteen jakso vaaditaan käytännössä aina. AB- ja B-luokan vahvistimissa täysi jakso toteutetaan vuorovaihekytkentänä, jota käsitellään luvussa 3.6. 3.5.1 Toimintapiste ja bias Toimintapisteellä tarkoitetaan sitä ulostulon lepo/tasavirtapistettä Ia dynaamiselta ominaiskäyrältä (ks. kuva 12, vasen kuvaaja), jonka ympärillä ulostulovirta voi vaihdella sisääntulojännitteen funktiona. Esimerkiksi kuvassa 17 tämä esitetään putken tapauksessa. Alaraja ulostulovirralle on 0 ampeeria, koska virta ei voi kulkea kuin yhteen suuntaan. Yläraja virralle on kohta, jossa dynaaminen ominaiskäyrä leikkaa Ia -akselin. Lepovirta Ia asetetaan sopivan suuruisella tasajännitteellä/hilaetujännitteellä Ugk, jota kutsutaan biasjännitteeksi ja toimintaa vastaavasti biasoinniksi [6, s. 281]. Biasjännitteellä viitataan ainoastaan hilan ja katodin väliseen tasajänniteosaan. Absoluuttinen jännite maahan nähden ei ole oleellista. Biasjännite voidaan luoda (kuva 16): a) Vastuksilla, jolloin astetta kutsutaan katodibiasoiduksi (cathode bias tai self bias). Kytkentä hakee itse biasjännitteensä. b) Erillisestä jännitelähteestä (fixed bias), jolle kovin virallista suomenkielistä vastinetta ei liene olemassa, mutta kutsuttakoon astetta vakiojännitebiasoiduksi. Biasjännitettä voidaan kontrolloida myös aktiivisesti, mutta tällaiset erikoisuudet jätetään lähdekirjallisuuden varaan [8, s. 6-14]. Kuva 16. Biasjännitteen Ugk luonti ja toimintapisteen eli lepovirran Ia asetus (a) vastuksilla sekä (b) erillisestä jännitelähteestä Egk. Biasjännite viittaa ainoastaan tasajänniteosaan, kuten muutkin kuvan alleviivatut jännitteet. Myös vastaavasti lepovirta viittaa vain tasavirtaosaan. Vrt. kuviin 2 ja 28. Tarkastellaan ensin toimintapisteen asetusta vastuksilla (kuva 16 a). Anoditasavirta kulkee putken läpi maahan asti, ja katodivastuksesta johtuen katodin jännite on käyttötilanteessa suurempi kuin nolla volttia. Hila taas on sidottu maapotentiaaliin hilavuotovastuksella Rg, jonka arvo on tyypillisesti 1 Mȍ. Näistä johtuen, hilan tasajännite on katodin tasajännitettä alhaisempi. Koska kytkentä hakee itse 29 biasjännitteensä, voidaan esimeriksi kuluneita putkia vaihtaa uusiin varsin vapaasti. Katodibiasointia käytetään yleensä esivahvistinasteissa sekä suhteellisen matalatehoisissa päätevahvistinasteissa [27], kuten VOX AC30:ssä. Toimintapisteen asetus erillisestä jännitelähteestä Egk (kuva 16 b) toteutetaan käytännössä siten, että hilalle luodaan negatiivinen tasajännite vahvistimen virtalähteestä. Katodi on tässä tapauksessa maapotentiaalissa, joten hilan jännite on katodin jännitettä alhaisempi. Koska biasjännite ei ole juurikaan riippuvainen kytkennästä – mikä viittaa myös kyseisin biasoinnin nimitykseen – vaatii tämä biasointitapa yleensä biasjännitteen tarkistuksen/muutoksen putkien vaihdon yhteydessä. Lepovirta tarkoittaa käytännössä sitä, että aktiivisen komponentin läpi kulkee aina virtaa, vaikka ohjaavaa signaalia ei olisikaan. Kyseinen tasavirtakomponentti on usein erotettava vahvistinasteiden – tai vaikka päätevahvistimen ja kaiutinkuorman – väliltä. Tämä tehdään kapasitiivisella (kondensaattori) tai induktiivisella (muuntaja) kytkennällä. Tähän palataan AC30:n vahvistinpiirejä tarkastelevassa luvussa 4, jossa otetaan myös tarkemmin kantaa eri biasointitapojen etuihin ja haittoihin. 3.5.2 A-luokka A-luokassa biasjännite luodaan sellaiseksi, että lepovirta Ia asettuu suurin piirtein puoleen väliin dynaamista ominaiskäyrää (kuva 17). HiFi-sovelluksissa oleellista on lineaarisuus, jolloin tämä piste valitaan likimain keskeltä ominaiskäyrän suoraa osaa. Toiminta on putken osalta tällöin lineaarista niin kauan kuin signaali pysyy tällä suoralla osalla ominaiskäyrää. Kitaravahvistinkäytössä lineaarisuus harvemmin on tarkoituksenmukaista, jolloin toimintapiste voidaan valita vapaammin. Sisääntulevan signaalin kasvaessa tarpeeksi alkaa tapahtua leikkautumista, mutta tällöin siirrytään periaatteessa myös teknisesti toimintaluokkaan AB. Kuva 17. A-toimintaluokan määrittely. Sisääntuleva jännite peilautuu ulostulevaksi virraksi dynaamisen ominaiskäyrän mukaisesti. Ugk on hilan ja katodin välinen jännite, Ugk on biasjännite, Ia on anodivirta ja Ia toimintapiste. Kuva perustuu lähteen [31] kuvaan 12.63, s. 331. 30 A-luokassa lepovirta on suuri ja keskimäärin vakio. Suuresta lepovirrasta johtuen Aluokan hyötysuhde on aina vähemmän kuin 50 %, [1, s. 6-3] mutta käytännössä 20 % luokkaa [31, s. 331]. Huono hyötysuhde nousee rajoittavaksi tekijäksi etenkin kun vaaditaan paljon ulostulotehoa. Virtalähteen tehosta suurin osa menee hukkalämmöksi, mikä tarkoittaa käytännössä sitä, että koko vahvistin tulee suuremmaksi, raskaammaksi ja kalliimmaksi kuin paremmalla hyötysuhteella toteutetulla kytkennällä. Näistä johtuen A-luokan vahvistimia on käytännössä saatavilla ainoastaan noin 20 W tehoihin asti [1, s. 6-3], [12, s. 204]. A-luokka voidaan toteuttaa joko SE- tai vuorovaihekytkentänä (ks. luku 3.6). Aluokan SE-vahvistinasteita käytetään tyypillisesti esivahvistimissa (kuten myös VOX AC30), koska ne ovat yksinkertaisia toteuttaa, eikä hyötysuhteella ole suurta merkitystä piensignaalitasolla. Aktiivisen komponentin ollessa aina johtavassa tilassa myöskään ylimenosäröä (luku 2.6.6) ei synny. 3.5.3 AB-luokka AB (kuva 18) on selvästi yleisin toimintaluokka audiotehovahvistimissa [9]. Toimintapiste asetetaan siten, että kytkentä toimii pienillä ohjauksilla A-luokassa ja suuremmilla B-luokassa. Koska lepovirta voidaan asettaa huomattavasti pienemmäksi kuin A-luokassa, myös keskimääräinen hyötysuhde (n. 40%) on parempi. Kuva 18. Toimintaluokan AB määrittely. Sisääntuleva signaali peilautuu ulostulevaksi virraksi. Kuva perustuu lähteen [31] kuvaan 12.67, s. 332. Toimintaluokka AB on ominaisuuksiltaan siis luokkien A ja B välistä. Selitys tälle on se (kuva 18), että ohjaussignaalin ollessa riittävän pientä, ulostulon virtasignaalin negatiivinen puolijakso ei leikkaannu osuen vaaka-akseliin kuten kuvassa, vaan pysyy ehjänä. Täten vahvistin toimii A-luokassa. Ohjauksen kasvaessa toimintapiste 31 saattaa myös liikkua enemmän B-luokan suuntaan [30, s. 109] eli dynaamista ominaiskäyrää alaspäin. Tämä riippuu esimerkiksi biasointitavasta, ja tätä aihetta tullaan käsittelemään myös luvussa 4. AB-luokka toteutetaan käytännössä aina vuorovaihekytkentänä, jolloin putket johtavat hetken yhtä aikaa. Tällöin ylimenosäröä (luku 2.6.6) ei synny yhtä merkittävästi kuin B-luokassa. Pienenä huomautuksena mainittakoon, että Douglas Self on esittänyt AB-luokan tuotavan enemmän säröä kuin B-luokka, johtuen jatkuvista yhtäkkisistä vahvistuksen muutoksista toiminnan eläessä luokkien A ja B välillä [23, s. 21]. Tämä lienee kuitenkin myös hieman tulkinnanvarainen asia. 3.5.4 B-luokka B-luokassa (kuva 19) aktiivinen komponentti johtaa 180 astetta täydestä kierroksesta. Toimintapiste on asetettu dynaamisen ominaiskäyrän alapolvekkeeseen siten, että ilman tulosignaalia ohjattavaa virtaa (Ia) ei kulje teoriassa lainkaan. Käytännössä esiintyy kuitenkin aina heikko lepovirta [30, s. 33] ja tästä syystä puhdasta B-luokkaa ei oikeastaan edes ole, koska lepovirta tarkoittaa siirtymistä luokkaan AB tai A. Kuva 19. Toimintaluokan B määrittely. Kuva perustuu lähteen [31] kuvaan 12.65, s. 332. Toimintaluokalla B saavutetaan suuri hyötysuhde, joka on teoriassa jopa 78,5 % (tarkka arvo ʌ/4) [32, s. 1238], mutta käytännössä hyötysuhde on noin 40 – 60 % [31, s. 332]. B-luokka toteutetaan käytännössä aina vuorovaihekytkentänä (luku 3.6.2). Audiosovelluksissa B-luokkaa ei juurikaan käytetä puhtaasti, johtuen suuresta ylimenosäröstä (luku 2.6.6), jota syntyy kun putket vaihtavat vuoroa 180 asteen kohdalla. Vastaavaa pehmeää siirtymää putkien vuoronvaihdossa ei ole kuten ABluokassa. 32 Olemattoman lepovirran ja suuren hyötysuhteen ansioista B-luokalle löytyy kuitenkin sovelluksensa. Sitä käytetään pienitehoisissa kannettavissa laitteissa, esimerkiksi transistoriradioissa, ja toisaalta siellä, missä tarvitaan erittäin suuria äänitaajuustehoja, kuten suurissa kaiutinlaitteistoissa ja radiolähettimien modulaattoreissa. Edellytyksenä kuitenkin on, että äänenlaadulle (HiFi) ei tällöin aseteta kaikkein suurimpia vaatimuksia [30, s. 108]. 3.6 Vahvistintopologiat Vahvistintopologiat ovat vastaavasti yhteisiä kaikille vahvistintyypeille, kuten toimintaluokatkin. Topologioiden sovelluskohteiden syiden ymmärrys sitä vastoin vaatii ensin toimintaluokkien ymmärtämistä, joiden alustukseen kuuluu aktiivisen komponentin – tässä tapauksessa putken – perusteiden sisäistäminen. Vahvistimilla on kaksi perustopologiaa; Single-Ended (SE) ja Double-Ended (DE), joista jälkimmäinen on yleisemmin tunnettu ns. Push-Pull -kytkentänä eli suomeksi vuorovaihekytkentänä [1, s. 6-2]. 3.6.1 Single-Ended Single-Ended (SE) tarkoittaa vahvistinta tai vahvistinastetta, jossa on yksi aktiivinen komponentti ulostulossa [31, s. 331]. Ei liene kuitenkaan väärin kutsua myös rinnankytkettyjä putkia samalla nimellä, jotka eivät siis toimi vuorovaihekytkentänä. Kuvassa 20 SE-topologia esitetään A-toimintaluokan pääteasteena (sitä voisi myös kutsua pelkäksi push tai pull-periaatteeksi). Kuva 20. SE-topologian toimintaperiaate. Yhdellä aktiivisella komponentilla (putki) voidaan saada aikaiseksi täysi 360 asteen jakso, eli kyseessä on tässä tapauksessa toimintaluokka A. Vrt. kuviin 2 ja 16. SE-vahvistin toimii käytännössä aina A-luokassa, mutta ei kuitenkaan ole suora analogia sille. SE-vahvistimen voi siis toteuttaa myös esimerkiksi B-luokassa, mutta kuten todettua, tällaisella harvemmin on suoraa käyttöä audiosovelluksissa. Vastaavasti A-luokan vahvistimen voi toteuttaa vuorovaihekytkentänä, millaisia myös toisinaan näkee audiovahvistimissa. 33 3.6.2 Double-Ended / Push-Pull / vuorovaihekytkentä Kun vaaditaan tehoja kymmenistä wateista aina useampiin kilowatteihin, käytetään yleensä kahta aktiivista komponenttia vuorovaihekytkennässä, mistä englanninkielinen Double-Ended nimitys tulee [31, s. 331]. Joissakin tapauksissa tulevat kyseeseen myös aktiivisten komponenttien rinnankytkennät ja yleensäkin useamman putken yhdistelmät [30, s. 76], [1, s. 6-3]. Esimerkiksi VOX AC30 päätevahvistinaste on toteutettu vuorovaiheisesti toimivana kahden putken rinnankytkentänä. Yhteensä siinä on siis neljä pääteputkea. Kuva 21 esittää B-luokan vuorovaiheista kytkentää. Kummankin putken hilalle tulee yhtä aikaa samanlainen, mutta vastakkaisvaiheinen signaali. Putki johtaa virtaa ainoastaan toiseen suuntaan, joten puolijaksot leikkautuvat pois kuvan mukaisesti. Aktiiviset komponentit toimivat vuoronperään ja kun nämä puolikkaat summataan, saadaan aikaiseksi täysi 360 asteen jakso. Mekaniikassa analogia tälle voisi olla resiina. Kuva 21. Vuorovaihekytkennän toimintaperiaate, joka on tässä tapauksessa idealisoitu B-luokka. Vuorovaihekytkentä putkilla toteutettuna vaatii kaksi vastakkaisvaiheista ohjaussignaalia. Nuolen osoittama signaalin epäjatkuvuuskohta on ylimenosäröä (luku 2.6.6). Vuorovaihekytkennän hyötysuhde ei luonnostaan ole parempi kuin SE-vahvistimen, mutta mahdollisuus käyttää toimintaluokkia A ja AB tekee hyötysuhteesta käytännössä paremman. A-luokan vuorovaiheisella vahvistimella ei varsinaisesti saavuteta parannusta hyötysuhteessa, mutta kytkennällä on symmetroiva vaikutus (kuva 22), joka vähentää parillisia harmonisia särökomponentteja [30, s. 112]. 34 Kuva 22. A-luokan vuorovaiheinen kytkentä ja sen symmetroiva vaikutus; yhteinen aalto 1+2 on sinimuotoisempi kuin aallot 1 ja 2 erikseen. Sisääntulevia signaaleja on todellisuudessa kaksi kappaletta, mutta kääntämällä putken 2 ominaiskäyrä vastakkaiseksi, toiminta voidaan kuvata tällä tavalla. Kuva perustuu lähteen [30] kuvaan 60, s. 101. Kuvissa 22 ja 23 esiintyy vain yksi sisääntulosignaali, mutta todellisuudessa signaaleja on kaksi kappaletta, kuten kuvassa 21 asia esitetään. Kääntämällä ominaiskäyrät vastakkaisiksi, toimintaa voidaan kuvata yhdellä sisääntulosignaalilla. AB-luokan vuorovaihekytkennässä (kuva 23) dynamiikkaa on selkeästi enemmän kuin A-luokan vuorovaihekytkennässä. Violetti alue kuvaa tilannetta, kun putket johtavat yhtä aikaa, ja oranssi väri, kun vain toinen putki johtaa. Peilaamalla tämä kohta dynaamisiin ominaiskäyriin, voidaan päätellä, että putket vaihtavat vuoroa pehmeästi. Tämän takia AB-luokassa ei juurikaan synny ylimenosäröä. Ulostuleva virta peilautuu vastaavasti kuten aiemmissakin kuvissa, mutta on luonnollisesti hieman erimuotoista kuin esimerkiksi A-luokan vuorovaihekytkennässä. 35 Kuva 23. AB- ja B-luokan vuorovaihekytkentöjen johtavuudet. Violetti väri kuvaa sitä kun molemmat putket johtavat yhtä aikaa, ja oranssi, kun vain toinen putki johtaa. Signaalit peilautuvat vastaavasti kuin kuvissa 17 – 19 ja summautuvat yhteen kuten kuvissa 21 ja 22. B-luokan vuorovaihekytkennässä dynamiikkaa on enemmän verrattuna A- ja ABluokkiin. Ongelmaksi saattaa kuitenkin muodostua ylimenosärö (luku 2.6.6). Kuvasta 23 nähdään, että B-luokassa vastaavaa katvealuetta ei ole kuten AB-luokan tapauksessa. 3.7 Audiomuuntajat Tässä luvussa tarkastellaan audiomuuntajia, joita käytetään lähes poikkeuksetta etenkin putkivahvistimen ulostulossa, jolloin niitä kutsutaan yleensä nimellä päätemuuntaja tai ulostulomuuntaja. Aluksi käydään läpi ideaalisen muuntajan ominaisuuksia ja lopuksi epäideaalisuuksia. Tarkempaa tietoa muuntajista löytyy esimerkiksi lähteistä [30], [33], [60], [27], [61], [62] ja [63]. [27, s. 158], [30, s. 138] 3.7.1 Audiomuuntajan tehtäviä ja ominaisuuksia Audiomuuntajan tärkeimmät tehtävät putkivahvistimen ulostulossa ovat: 1. Muuntaa suuri jännite / pieni virta suureksi virraksi / pieneksi jännitteeksi 2. Laskea putkien korkeaa lähtöimpedanssia (luku 2.4) 36 Näiden lisäksi muuntaja erottaa korkean tasajännitteen ulostulosta. Tämä tarkoittaa, että kaiuttimen riski rikkoontua on pienempi, mutta toisaalta se lisää myös sähköturvallisuutta. Audiomuuntajaa käytetään toisinaan myös vahvistimen sisääntulossa matalaimpedanssisten lähteiden (esim. dynaaminen mikrofoni) tapauksessa [6, s. 399], mutta harvemmin kitaravahvistimissa. Muuntajan perusperiaatteet loi Michael Faraday jo vuonna 1831, mutta silti se on yksi vähiten ymmärretyistä komponenteista modernissa elektroniikassa [1, s. 6-28]. Kuva 24. Muuntajan rakenne sekä keskinäiset suureet. Kuva on lainattu ja muokattu lähteestä [64]. Ideaalisessa muuntajassa (kuva 24) vaihtojännite, vaihtovirta ja impedanssi muuntuvat seuraavan yhtälön mukaisesti [21, s. 550], [1, s. 6-28]: N 1 u1 i 2 = = = N 2 u 2 i1 Z1 Z2 (3.4) Symbolien merkitykset selviävät vastaavasti kuvasta 24. Nimellisimpedanssit ja käämien kierrosluvut löytyvät usein muuntajan datalehdestä. Putkivahvistimen tyypillinen käämien kierroslukusuhde N1/N2 on noin 15 [65], [8, s. 6-11, kuva 6-15]. Muuntajan nimellisimpedanssit eivät välttämättä ole samoja kuin todellisen piirin impedanssit, koska operointitilanteessa impedanssit määräytyvät piirin, kuorman ja putken ominaisuuksien mukaan [1, s. 6-29]. Muuntajien datalehdissä ilmoitetaan perustietojen lisäksi yleensä myös magnitudivaste, joka on voimassa tietyllä teholla. Muuntaja pystyy siirtämään suurempaakin tehoa, mutta tällöin taajuuskaista kapenee ja vastaavasti pienemmällä teholla levenee (kuva 25). 37 Kuva 25. Muuntajan läpi päästämä teho on verrannollinen taajuuskaistaan. Vaakaakselilla on taajuus ja pystyakselilla muuntajan välittämä teho. fa tarkoittaa –3 dB alarajataajuutta ja fy –3 dB ylärajataajuutta. Kuva perustuu lähteen [34] kuvaan 3-8, s. 3-10. Vahvistimen lähtöimpedanssi, minkä esimerkiksi kaiutin näkee, määritellään seuraavasti [1, s. 6-31]: 2 Z out §N · Z = 2 Ri = ¨¨ 2 ¸¸ Ri , Z1 © N1 ¹ (3.5) missä Ri on putken sisäinen vastus. Kuorma, minkä putki näkee on [1, s. 6-31]: 2 Z LN §N · Z = 1 Z L = ¨¨ 1 ¸¸ Z L , Z2 © N2 ¹ (3.6) missä ZL on kuorma, joka on tyypillisesti siis kaiutin. Kirjallisuudessa tosin näkee usein käytettävän suuretta RL, mutta se on sikäli hämäävä, että tyypillinen dynaaminen kaiutin ei ole pelkkä resistiivinen vastus. Tehosovituksessa kuormaan siirtyvä teho on suurimmillaan, kun lähde- ja kuormaimpedanssi ovat toistensa liittolukuja. [6, s. 182 – 183]. Esimerkiksi VOX AC30 -päätevahvistinasteen putkien yhteinen lähtöimpedanssi on noin 4 kȍ. Kun tämän lisäksi tunnetaan kaiuttimen nimellisimpedanssi, voidaan yhtälöä 3.5 noudattamalla tarvittaessa likimain maksimoida kuormaan siirtyvä teho. Tämä tehosovitus tarkoittaa vain siis vahvistimen pääteasteen ja muuntajan välistä sovitusta. Kitaravahvistimista löytyy takapaneelista usein impedanssinvalintakytkin, jonka tarkoitus on juuri edellä mainittu tehosovitus. Se ei kuitenkaan aina ole tarpeellista, ja kytkimen eri asennoilla voidaankin vaikuttaa vahvistimen soundiin. Tämä kuitenkin edellyttää muuntajan laadukasta rakennetta, eli pääasiassa sitä, että käämeillä on riittävä lämmönkesto ja sähköinen eristys [1, s. 6-31]. Yhtälöitä 3.5 ja 3.6 tarkastelemalla on myös ilmeistä, että ne ovat sidoksissa toisiinsa; siirtyvä teho muuttuu vaihtamalla putkityyppiä ja/tai kuormaresistansseja. 38 3.7.2 SE- ja vuorovaihekytkennän muuntajien eroja SE-vahvistimessa päätemuuntaja on periaatteeltaan kuvan 24 kaltainen. Käyttöjännite kytketään ensiökäämin alapäähän ja putken anodi yhdistetään yläpäähän (tai toisin päin) käämiä. Tästä johtuen SE-kytkennän muuntajaa rasittaa ensiökäämissä alati kulkeva tasavirta ja siitä johtuva tasavirtamagnetointi. Nämä ovat asioita, jotka täytyy ottaa huomioon muuntajaa valittaessa tai sitä suunniteltaessa. Lisäksi tasavirtamagnetointi tekee vaihtovirtakuormitettavuuden epäsymmetriseksi, mikä aiheuttaa voimakasta parillisten harmonisten kasvamista. Vuorovaihekytkennässä muuntajan ensiökäämi sen sijaan on jaettu kahteen osaan, ja käyttöjännite tuodaan näiden käämien keskelle (ks. esim. kuva 36). Vuorovaihekytkennällä kuormitus on symmetrisempää, etenkin mitä lähempänä toimintaluokkaa A pääteaste toimii (vrt. VOX AC30). Tästä tullaan myös mielenkiintoiseen lopputulokseen, kun verrataan vaikkapa SE-kytkentäistä ja vuorovaiheisena toimivaa A-luokan pääteastetta; SE-kytkennässä parilliset harmoniset lisääntyvät ja vuorovaiheisessa vähenevät muuntajan vaikutuksesta. [30, s. 138]. Putkisoundin syitä kuulee toisinaan selitettävän lähes yksinomaan parillisilla harmonisilla [66, s. 200], [57]. 3.7.3 Muuntajien epäideaalisuuksia Todellinen muuntaja on varsin epäideaalinen komponentti. Esimerkiksi muuntajan magneettiset ominaisuudet aiheuttavat hystereesi- ja pyörrevirtailmiöitä, mitkä näkyvät käytännössä resistansseina, joiden arvot vaihtelevat muuntajan kuormitusvirran mukaan. Näiden lisäksi muuntaja sisältää hajakapasitansseja ja induktansseja, joiden määrään vaikuttaa muun muassa muuntajan koko sekä käämien paksuus ja eristys. Nämä reaktanssit taasen rajoittavat muuntajan taajuuskaistaa. Ilman kuormaa muuntajan alarajataajuus määräytyy ensiökäämin induktanssin ja ylärajataajuus hajainduktanssien mukaan. Kuorman kanssa alarajataajuutta rajoittaa edelleen ensiökäämin induktanssi, mutta ylärajataajuutta rajoittaa nyt hajainduktanssit sekä ensiö- ja toisiokäämin väliset kapasitanssit. Hajainduktanssien määrä pienenee mitä tiiviimmin muuntaja käämitään. Lisäksi epälineaarisia vääristymiä syntyy yleensä etenkin pienellä signaalitasolla, koska tällöin pääteputkien näkemä tuloimpedanssi pienenee. Muuntajan magnetoimisvirran amplitudien suurentuessa, sydänaineen magneettinen epälineaarisuus aiheuttaa pääasiassa parittomia harmonisia särökomponentteja. Vuorovaihekytkentäisen päätemuuntajan ensiökäämin puolikkaat eivät käytännössä myöskään ole täysin identtisiä, mikä aiheuttaa epäsymmetriaa. [1, s. 6-29], [30, s. 138] 39 3.8 Elektroniputkien transistoreihin ominaisuuksista yleisesti ja vertailua Putkivahvistimien äänellisiä syitä ja eroja transistorivahvistimiin lienee pohdittu niin kauan kuin viimeksi mainittuja on ollut olemassa. Näistä esimerkkeinä mainittakoon lähteet [1, s. 4-1], [67], [2], [22], [3], [68] ja [56]. Näiden kaltaisten lähteiden sisältöön on kuitenkin aina syytä suhtautua tietyllä varauksella, sillä lopputulokseen saattaa vaikuttaa suuresti myös tekijän asenne ja yleensäkin subjektiiviset näkemykset. Asiaa ei myöskään auta se, että äänellisten syiden ymmärrys vaatii tietämystä laajalta alueelta, ja tiedon puute taas on omiaan lisäämään putkivahvistimiin liittyvää mystiikkaa. Näitä asioita käytiin osaksi läpi myös luvussa 2.6. Transistorit eivät varsinaisesti kuulu tämän työn sisältöön, mutta koska ne ovat vaihtoehto elektroniputkille, on niitäkin syytä lyhyesti käsitellä. Aivan aluksi on huomioitava, että äänellisiä eroja selitettäessä transistoreja ei ole kovinkaan mielekästä vertailla suoraan putkiin. Näiden aktiivisten komponenttien ympärillä olevan piirit ja passiivisten komponenttien tyypit poikkeavat usein suuresti toisistaan. Esimerkiksi kuten todettua, putkivahvistimissa käytetään lähes poikkeuksetta audiomuuntajia etenkin ulostulossa, joita taas transistorivahvistimissa ei näe juuri koskaan. Äänellisiin perussyihin otetaan kantaa kuitenkin vasta loppuyhteenvedossa eli luvussa 6, jolloin lukijalle on muodostunut parempi käsitys aiheesta. Seuraavassa on listausta elektroniputken eduista ja haitoista yleisesti [2, s. 29]. Putkien etuja lyhyesti verrattuna transistoreihin: • • • • • • Erittäin lineaarisia ilman negatiivista takaisinkytkentää Robusteja sähköisille ylijännitteille ja kuormille, kuten myös EMCpulsseille Korkeiden käyttöjännitteiden takia dynamiikka on laaja Ominaisuudet eivät riipu juuri lainkaan lämpötilasta, mikä yksinkertaistaa putken biasointia huomattavasti Sisäiset kapasitanssit eivät vaihtele käyttöjännitteiden mukaan Edellisistä kohdista johtuen piirit ovat yksinkertaisia, mikä helpottaa myös muun muassa huoltoa Putkivahvistimet myös leikkaavat tyypillisesti pehmeämmin saturaatiotilanteessa eli epälineaariselle alueelle siirryttäessä. Näiden lisäksi putkivahvistinpiirien kapasitiiviset kytkennät voidaan toteuttaa matalakapasitanssisilla kondensaattoreilla, verrattuna vastaavantehoiseen transistorivahvistimeen. Tämä johtuu putkien korkeista tulo- ja lähtöimpedansseista, koska rajataajuus määräytyy seuraavan yhtälön mukaisesti: f − 3dB = 1 , 2πRC (3.7) missä C on kapasitanssi. Jos resistanssi R on suurempi, voi kapasitanssi C vastaavasti olla pienempi samaa rajataajuutta tavoiteltaessa. 40 Korkeiden käyttöjännitteiden takia virtalähteen kondensaattorit voivat myös olla kapasitanssiltaan vastaavantehoista transistorivahvistinta pienempiä, mihin on pääasiassa syynä kondensaattorin energiayhtälö: E= 1 CU 2 2 (3.8) Sama energia voidaan siis varata selkeästi pienemmällä kapasitanssilla, jos jännite on suuri. Käytännössä edellä mainitut tekijät rajoittavat kondensaattorien tyyppivalikoimaa. Esimerkiksi elektrolyyttikondensaattorit ovat tyypillisesti kooltaan huomattavasti pienempiä verrattuna vastaaviin muovieristeisiin kondensaattoreihin. Putkivahvistimen toimintaluokka on myös usein A tai AB, mikä pienentää ylimenosäröä. Tällä on tosin enemmän merkitystä HiFi-vahvistimissa. Putkivahvistimissa usein käytetty audiomuuntaja ulostulossa myös suojaa kaiutinta vikatilanteissa, koska se ei päästä tasavirtaa läpi. Transistoreihin verrattuna putkien haittapuoliin lukeutuvat pääasiassa: • • • • • • Huono hyötysuhde, johtuen pitkälti katodin lämmityksestä Korkea jännite ja impedanssi vaativat audiomuuntajaa ulostuloon Suuri koko Eivät kestä hyvin kolhuja Tyypillisesti hintavampia kuin transistorit Kuluvia komponentteja Huono hyötysuhde tarkoittaa, että virtalähteen verkkomuuntajan tulee kyetä antamaan enemmän tehoa. Kaikki luetellut kohdat yhdessä johtavat yleisesti ottaen siihen, että putkivahvistin on tyypillisesti suurempi, raskaampi ja kalliimpi kuin vastaava transistorivahvistin. Putkilla toisinaan myös mikrofonisuus on ongelma, mikä tarkoittaa tilannetta, kun putki reagoi mekaaniseen värähtelyyn vahvistaen sitä [69, s. 10 – 11]. Transistorit ovat lähes kaikella tapaa vastakohtaisia verrattuna edellä lueteltuihin putkien ominaisuuksiin, niin hyvässä kuin pahassa, joten transistoreiden ominaisuuksia ei tässä ole syytä luetella erikseen. Eräs huomionarvoinen asia on, että vaikka transistorit eivät kulu käytössä, ne voivat kuitenkin menettää ominaisuuksiaan vanhetessaan. Yli 20 vuotta vanhoihin vahvistimiin voi myös olla vaikeaa löytää enää korvaavia transistoreja. [2], [9] 41 4 KITARAVAHVISTIN VOX AC30 Tässä luvussa perehdytään syvemmin putkitekniikalla toimivien kitaravahvistimien elektroniikkaan ja piiritopologioihin tutkimalla VOX AC30 -kitaravahvistinta, sekä käytännössä että teoriassa. Tätä työtä varten rakennettu AC30 on tehty alkuperäisen, vuodelta 1960 olevan piirikaavion mukaisesti, ja se sisältää lisäksi v. 1961 julkaistun Top Boost -osan. Kyseinen vahvistin ei kuitenkaan sisällä itsessään kaiuttimia eikä tremolopiiriä, vaikkakin virtalähde on mitoitettu kyseinen piiri huomioiden. Joidenkin komponenttien arvot poikkeavat hieman alkuperäisistä, ja ne ovat merkitty seuraavissa luvuissa esitettyihin piirikaavioihin. 4.1 Yleistä elektroniputkilla toimivista kitaravahvistimista Tavanomainen putkilla toimiva kitaravahvistin, jolla voi ajaa kaiutinkuormaa sisältää tyypillisesti: 1. Useampi esivahvistinaste, joita on yleensä 2-4, jotta saadaan riittävästi vahvistusta ja säröä [33, s. 1-43] 2. Sävynsäätimet, joilla vaikutetaan ulostulevan signaalin taajuustasapainoon ja äänenväriin 3. Vaiheenkääntäjäaste, jos päätevahvistinaste toimii vuorovaihekytkentänä. Tällä asteella yhdestä signaalista tehdään kaksi toisiinsa nähden vastakkaisvaiheista signaalia, joilla vuorovaihekytkennän putkiparia (tai useampaa paria) ohjataan. 4. AB-luokassa toimiva päätevahvistinaste 5. Audiomuuntaja ulostulolle 6. Virtalähde Tarvittavasta vahvistuksen määrästä antaa viitettä se, että tyypillinen sähkökitaran piikkijännite on noin 100 mV, ja maksimijännite kaikki kuusi kieltä yhtäaikaa voimakkaasti soitettuna on enemmän kuin 1 V [3, s. 3]. Markkinoilla olevista tuhansista vahvistinmalleista ja sadoista valmistajista voisi kuvitella, että erilaisia piirejä toteuttaa putkivahvistin on rajaton määrä. Periaatteessa näin onkin, mutta lähempi tarkastelu kuitenkin osoittaa, että useimmat vahvistimet ovat toteutettu hyvin samoilla peruspiireillä ja putkityypeillä. Kevin O’Connor listaa kirjassa The Ultimate Tone volume 3 erilaisia perusesivahvistinpiirejä olevan 5 ja päätevahvistinpiirejä 3 kappaletta [7, s. 1-1]. Näistä syntyy siis 15 peruskombinaatiota, mistä vahvistinta voidaan alkaa suunnittelemaan tarkemmin. Esivahvistimen merkitys soundiin koko audioketju (kitara – vahvistin – kaiutin) huomioon ottaen, on usein hyvin merkittävä. Etenkin alle 100 W vahvistimissa, joissa päätevahvistin harvemmin joutuu raskaasti kuormitetuksi, esivahvistimella saattaa O’Connorin mukaan olla jopa yli 50 % vaikutus lopulliseen soundiin [1, s. 41]. Vaikka perusesivahvistinpiirejä on vain muutama ja piireissä käytetään hyvin usein ECC83/12AX7-kaksoistriodia, kaikki eivät silti kuulosta lainkaan samalta. Putken ympärillä olevat vastukset ja kondensaattorit sekä näiden arvot ja tyypit määrittelevät pitkälle millaiselta piiri kuulostaa [1, s. 4-1]. Luonnollisesti myös komponenttien laatu vaikuttaa soundiin [55, s. 112 – 132]. Voidaankin todeta, että pelkkä piirikaavio ei useinkaan kerro koko totuutta vahvistimen soinnista. Tätä näkökulmaa tarkastellaan lähemmin VOX AC30:n rakentamista koskevassa luvussa 4.10. 42 4.2 Särön muodostaminen kitaravahvistimissa Luvussa 2.6 todettiin, että särö ei aina tarkoita rosoisuutta, vaan se voi olla vain havaittua lämpöä äänessä. Tässä luvussa käsitellään kuitenkin pääasiassa selkeästi havaittavaa säröä ja sen muodostamista. Hyvältä kuulostavan särön muodostaminen on erittäin laaja aihepiiri jo itsessään, koska lopputulokseen tunnetusti vaikuttavat vahvistimen lisäksi sekä soittaja, soittajan mieltymykset, instrumentti, kaiutin, mahdolliset efektipedaalit ja jopa välikaapelit [35, s. 56]. Koko audioketju sisältää useita lineaarista ja epälineaarista säröä aiheuttavia komponentteja, kuten kitaran pickup-mikrofonit, vahvistimen putket, kondensaattorit, audiomuuntaja(t) sekä kaiutin/kaiuttimet. Triodi tuottaa pääasiassa parillisia harmonisia ja tämän voidaan katsoa olevan eräs syy sen suosiolle instrumenttivahvistimien esivahvistimissa [1, s. 6-16]. Pentodin taas sanotaan tuottavan suhteessa enemmän parittomia harmonisia [25, s. 10]. Parillisten harmonisten korostumiseen johtavat epäsymmetriat, kuten muun muassa mittauksia käsittelevässä luvussa 5.2.2. asia tullaan havainnollistamaan [41], [22]. Soundin muodostamisen aihepiiriä kannattaa peilata esimerkiksi luvussa 2.6 esitettyihin asioihin. Seuraavassa on listausta putkivahvistimien esivahvistimissa käytetyistä tekniikoista särön muodostamiseksi [1, s. 5-12]: 1. Vahvistinasteen optimointi. Kun esimerkiksi putken ympärillä olevat vastuskomponentit valitaan oikein, voidaan puhtaan signaalin dynamiikkaa rajoittaa, ja näin ollen ulostuleva signaali säröytyy helpommin. 2. Useamman vahvistinasteen sarjaan- tai rinnankytkentä. Tällä tavalla signaalia saadaan hyvin helposti yliohjattua, koska esimerkiksi sarjaankytkennässä vahvistus kertaantuu jokaisessa asteessa. Ks. luku 2.3. 3. Signaalin rajoittaminen esimerkiksi diodeilla niin, että signaali leikkautuu, kun tietty jännitteen kynnysarvo ylitetään. Viimeksi mainittu ei tosin ole kovin tyypillinen tapa ainakaan vanhemmissa kitaravahvistimissa. Merkittävä ero sarjaan- ja rinnankytkennän välillä on, että sarjaankytkennässä kohina kasvaa samassa suhteessa, kun taas rinnankytkennässä se pienenee vahvistuksen neliöjuuressa. Ennen pääteastetta voidaan myös käyttää niin kutsuttua Master Volume -potentiometriä, joka sallii esivahvistimen kuormittamisen ilman suurta päätevahvistimen ulostulotehoa. Huomionarvoista yleisesti on se, että sama kokonaisvahvistus voidaan saavuttaa eri määrällä vahvistinasteita, mutta tällöin särö todennäköisesti kuulostaa erilaiselta. Tämä pätee myös ns. puhtaaseen soundiin (clean), koska jokainen aste tuottaa signaaliin lisää harmonisia taajuuskomponentteja [33, s. 1-39]. Vastaavasti edellisen listan kohta 1 voidaan kääntää niin päin, että yksittäiset asteet mitoitetaan mahdollisimman suurta vahvistusta ajatellen, jolloin tarvitaan vähemmän vahvistusasteita sarjaan tai rinnan. Tällaisilla tekniikoilla voidaan vaikuttaa paljon vahvistimen lopulliseen soundiin [33, s. 1-44]. Näihin aiheisiin palataan tarkemmin luvussa 4.4. Kaikkiaan voidaan todeta, että särön ja soundin luominen sekä sitä myöten koko kitaravahvistimen suunnittelu on paljon ns. perinnetiedon, kokemuksen ja kuulon varassa. 43 4.3 AC30 historiaa ja tekniikkaa yleisesti Voidaan todeta, että AC30 on hyvin maineikas kitaravahvistin. Ensimmäinen versio siitä julkaistiin vuonna 1959. Vahvistinta ovat käyttäneet vuosien saatossa monet tunnetut artistit ja yhtyeet; muun muassa Brian May (The Queen), The Beatles ja The Shadows, eikä sen suosio ole edelleenkään hiipunut. Pääteasteessa (luku 4.8) AC30 käyttää neljää katodibiasoitua EL84/6BQ5-pentodia ja muissa asteissa katodibiasoituja ECC83/12AX7-kaksoistriodeja. AC30:stä liikkuu myös monia myyttejä; esimerkiksi päätevahvistinastetta näkee toisinaan väitettävän A-luokassa toimivaksi, mutta tämä ei kuitenkaan pidä paikkaansa [7, s. 10-1]. Nimellinen ulostuloteho on mallinimen mukaisesti 30 W. Vahvistimesta on tehty myös useita teknisesti toisistaan poikkeavia versioita vuosikymmenien aikana – jopa transistoritekniikkaan perustuvia. [7, s. 10-3], [70] Tätä työtä varten rakennettu AC30 on toteutettu pitkälti ensimmäisen version mukaisesti, joka sisältää lisäksi vuonna 1961 julkaistun Top Boost -osan. Tämä osa koostuu ECC83/12AX7 -kaksoistriodiasteesta, toisen puoliskon toimiessa katodiseuraajana (luku 4.5) ja toisen vahvistajana. Kuvassa 26 esitetään vahvistimen korkean tason lohkokaavio, jonka voidaan todeta olevan tyypillinen tuon ajan kitaravahvistimelle. Vahvistin sisältää kaksi kanavaa: Normal (normaali) ja Bright (kirkas). Alkuperäisessä AC30:ssä Bright:n tilalla lukee Brilliant. Sisääntuloja on todellisuudessa neljä kappaletta, koska molemmille kanaville on sekä matalan (LOZ) että korkean (HI-Z) impedanssin sisääntulot. Bright-kanavan sisääntulon signaali kulkee esivahvistinasteen jälkeen katodinseuraajan ja sävynsäädinpiirin (EQ, luku 4.6) kautta vaiheenkääntäjälle (luku 4.7). Normal-kanavan kautta kulkevasta signaalista katodinseuraaja ja sävynsäädinpiiri jäävät pois. Tämä nähdään myös kuvan 27 piirikaaviosta, joka vastaa tarkalleen tätä työtä varten rakennettua vahvistinta. Kuva 26. VOX AC30 Top Boost -kitaravahvistimen korkean tason lohkokaavio. 44 Kuva 27. VOX AC30 Top Boost -piirikaavio ilman tremolopiiriä. Joidenkin komponenttien ja tasajännitteiden arvot poikkeavat hieman alkuperäisestä. Nämä on merkitty kaavioon. 4.4 AC30 esivahvistin AC30:ssä kummallekin kanavalle on oma esivahvistinasteensa (kuva 28). Teknisesti määriteltynä esivahvistinaste on A-luokassa toimiva katodibiasoitu ns. yhteiskatodikytkentä (common cathode). Kytkennän nimitys tulee siitä, että katodi on sidottu signaalimaahan, joten se on yhteinen sekä sisääntulo-, että ulostulopiirille [1, s. 4-2]. Ohjaava signaali syötetään hilalle ja ulostulo otetaan anodilta. Koska käyttöjännitteen (kuva 28: UB1) ja anodin välissä on anodivastus, vahvistetaan ennen kaikkea jännitettä (vrt. kuva 2). Vahvistinputkena käytetty ECC83/12AX7kaksoistriodi (V1) on hyvin yleinen esivahvistinputki pääasiassa korkean jännitevahvistuksensa (µ = 100) takia. Tarkastellaan aluksi yhden asteen toimintaa yksinkertaistettuna, joten hilan impedanssia pidetään äärettömänä eli siinä ei kulje virtaa. Yhden kanavan anodivastuksen (R8 tai R9) arvo on 220 kȍ ja katodivastuksen (R7) 1,5 kȍ, joista molemmat ovat varsin tyypillisiä arvoja. Käyttöjännite (UB1) on tyhjäkäynnillä noin 291 V, joka jakautuu Kirchhoffin lakien mukaisesti anodivastuksen, putken ja katodivastuksen kesken. Tällöin katodin jännitteeksi tulee noin 1,6 V ja anodin 45 jännitteeksi noin 170 V. Katodin jännite tarkoittaa, että biasjännite on –1,6 V, eli sisääntulevan signaalin positiivisella puolijaksolla on tämän verran tilaa laajeta ennen kuin hila alkaa tulla positiiviseksi katodiin nähden. Tällä tavalla putken toimintapiste on asetettu vastuksilla (luku 3.5.1). Sisääntulevan signaalin negatiivisen puolijakson dynamiikan voi päätellä kuvan 12 vasemmasta kuvaajasta. Kuva 28. AC30 esivahvistin. Tasajännitearvot ovat empiirisesti mitattuja ilman ohjaavaa signaalia. Vrt. kuvaan 16 (a). Katodivastuksen käytöllä – ja sitä myöten katodibiasoinnilla – on myös tiettyjä teknisiä haittapuolia. Katodivastus vähentää putkesta saatavaa tehoa ja jännitevahvistusta juuri syystä, että osa tehosta hukkuu tähän vastukseen [1, s. 4-3]. Lisäksi putki on periaatteessa ainoa komponentti, jonka vastusarvo muuttuu sisääntulevan signaalin funktiona, ja tästä johtuen on ilmeistä, että katodibiasoidussa asteessa myös biasjännite elää vastaavasti. Näistä syistä katodivastuksen rinnalla käytetään usein ohituskondensaattoria, jolla pyritään poistamaan edellä mainittuja haittoja. Taajuuden kasvaessa tämä kondensaattori pienentää katodin ja maan välistä impedanssia ja eliminoi siten katodibiasoinnista johtuvaa tehonlaskua ja biasjännitteen siirtymää [26, s. 4]. Toisaalta suurilla signaaleilla voi kuitenkin edelleen tapahtua biasjännitteen muutoksia putken epälineaarisuuden takia. Lisäksi ohituskondensaattorin vaikutuksesta putken transkonduktanssi vaihtelee suuresti, mikä osaltaan kasvattaa särön määrää. Kondensaattorin lisääminen tekee myös mistä tahansa piiristä taajuusriippuvaisen. On kuitenkin muistettava, kuten yleensäkin, että vahvistimen soinnin kannalta tällaisia tekijöitä ei voida suoraan pitää negatiivisena tai positiivisena asiana. Lasketaan seuraavaksi esimerkin vuoksi katodivastuksen R7 (1,5 kȍ) ja ohituskondensaattorin C1 (25 ȝF) rinnankytkennän –3 dB alarajataajuus AC30 esivahvistimelle (yhtälö 3.7): fa = 1 1 = ≈ 4,2 Hz 2ʌRC 2 ⋅ ʌ ⋅1500 Ω ⋅ 25 ⋅10 − 6 46 Toisin sanoen, tällä taajuudella kondensaattorin impedanssi on yhtä suuri kuin katodivastuksen impedanssi, joka on käytännössä siis lähes puhtaasti resistiivinen audiotaajuuksilla [35, s. 178 – 179]. Ohituskondensaattorin jännitekeston tulee olla vähintään kaksi kertaa oletetun biasjännitteen verran. Katodibiasointi soveltuu yksinkertaisuutensa vuoksi esivahvistintasteisiin ja muihin suhteellisen matalatehoisiin sovelluksiin. Suuritehoisiin vahvistinasteisiin katodibiasointi on usein liian huono ratkaisu, mitä näkökulmaa tarkastellaan AC30 päätevahvistinta koskevassa luvussa 4.8. [1, s. 6-6], [9], [27, s. 40] Kuva 29. Putken tasajännite anodilla eli lepopiste Ua asetetaan anodivastuksella siten, että se on noin puolet käyttöjännitteestä. Tällöin ulostulosignaalilla on tarpeeksi ”tilaa” molempiin suuntiin leikkautumatta. Kuva perustuu lähteen [1] kuvaan 4-3, s. 4-4. Tarkastellaan seuraavasi anodin tyhjäkäyntijännitteen merkitystä. Tämä jännite mitoitetaan siten, että se on noin puolet käyttöjännitteestä. Tällöin ulostulevalla signaalilla on tilaa laajeta riittävästi molempiin suuntiin (kuva 29), vaikkakaan käytännössä signaalin leikkautuminen ei ole näin jyrkkää [1, s. 4-4]. Yläraja kuvassa 29 on siis kohta, jossa putki on lakannut johtamasta, ja alaraja, jossa hila on muuttumassa positiiviseksi katodiin nähden, eli putken vastus on tällöin pienimmillään. Symmetria ja maksimivahvistus eivät kuitenkaan välttämättä aina ole tavoittelemisen arvoisia asioita. Suurella signaalitasolla tämän kaltaiset epäsymmetriat synnyttävät parillisia harmonisia taajuuskomponentteja, mikä tilanteesta riippuen voi vaikuttaa myös positiivisesti vahvistimen sointiin [22]. Ja vaikka anodin tyhjäkäyntijännite olisikin tasan puolet käyttöjännitteestä, niin triodin ominaiskäyrät ovat tyypillisesti joka tapauksessa epäsymmetrisiä. Kytkentäkondensaattoreiden C2 (470 pF) ja C3 (47 nF) tehtävä on estää tasavirran kulku piirin ulkopuolelle. Arvot valitaan vastaavasti yhtälön 3.7 mukaisesti vaaditun alarajataajuuden perusteella [30, s. 60], mutta myös kapasitanssin kasvattamiselle yleisesti on rajoituksensa. Tätä aihetta käsitellään luvussa 4.10.4. Perehdytään seuraavaksi kanaviin/sisääntulopiireihin. LO-Z -sisääntulon impedanssi on 136 k ja HI-Z -sisääntulon 1 M. Arvojen muodostuminen selviää kuvaa 28 paremmin kuvasta 30. Vastukset luovat siis tuloimpedanssien arvot, mutta niiden 47 tarkoitus on myös pitää sisääntulevan signaalin tasajännitepiste maapotentiaalissa, kuten toimintapistettä käsittelevässä luvussa 3.5.1 kerrottiin. Osa signaalista luonnollisesti johtuu maahan, etenkin matalaimpedanssisen sisääntulon tapauksessa. Tästä syystä korkeaimpedanssinen sisääntulo antaa tyypillisesti helpommin säröä. Sisääntulojen soveltuvuus riippuu myös sähkökitaran lähtöimpedanssista (ks. luku 2.5); esimerkiksi Humbucker-mikrofonin lähtöimpedanssi poikkeaa yleensä yksikelaisen (single coil) mikrofonin lähtöimpedanssista. Sähkökitaroiden elektronisista ominaisuuksista voi lukea lisää muuna muassa lähteestä [35]. Kuva 30. Korkea- (HI-Z) ja matalaimpedanssinen (LO-Z) sisääntulo. Vasemman kytkennän tuloimpedanssi on 1 M ja oikeanpuoleisen 136 k. 68 k sarjavastusten (R1 – R4) eräs tehtävä on suodattaa audiokaistan ulkopuoliset taajuudet (esim. radiotaajuudet) pois. Tämä on mahdollista, koska kyseinen vastus muodostaa yhdessä hila–anodi -kapasitanssin kanssa alipäästösuodattimen. Nämä vastukset pyrkivät myös estämään samaisesta kapasitanssista johtuvaa mahdollista oskillointia, jota pidetään haitallisena ilmiönä [1, s. 4-8], [35, s. 61] Esivahvistinasteen komponenttien ja käyttöjännitteiden arvoilla voidaan vaikuttaa suuresti piiristä saatavaan vahvistukseen, taajuuskäyttäytymiseen, maksimilähtöjännitteeseen, sekä ennen kaikkea siihen, miltä piiri kuulostaa – vaikka putki olisi sama. Esimerkiksi anodivastuksen arvon kasvattaminen lisää jännitevahvistuksen määrää, mutta vastaavasti putken läpi kulkema virta – ja siten transkonduktanssi – vähenee. Käyttöjännitteiden, kytkentäkondensaattorin ja myös katodin ohituskondensaattorin merkitystä tarkastellaan vielä erikseen päätevahvistinta koskevassa luvussa 4.8. Kahdella viimeksi mainitulla kondensaattorilla on merkitystä etenkin blokkaussärön (luku 2.6.5) ehkäisyssä. Tästä säröstä puhutaan yleensä enemmän nimenomaan päätevahvistimien yhteydessä. [27, s. 146] Putken ominaiskäyrästöistä on suuresti hyötyä vahvistuksen määrää ja muita objektiivisia arvoja suunniteltaessa. Useissa lähteissä myös näytetään kuinka käyrästöjä voidaan hyödyntää tässä mielessä. Esimerkkeinä tästä ovat lähteet [30] ja [35]. Todellisessa operointitilanteessa käyttöjännitteisiin ja virtoihin vaikuttaa myös muun muassa kyseisen kaksoistriodin toinen puoliskon, koska senkin läpi kulkee virta, vaikka sitä ei ohjattaisikaan. 48 4.5 AC30 katodiseuraaja Katodiseuraaja (cathode follower) on piiri, jossa ohjattava signaali tuodaan hilalle, mutta ulostulosignaali otetaan katodilta. Piirin nimi tulee siitä, että ulostulojännite seuraa sisääntuloa erittäin tarkasti, eli kyseessä voidaan ajatella olevan paikallinen negatiivinen takaisinkytkentä [60, s. 452]. Katodinseuraajan tärkeimmät ominaisuudet ovat: • Korkea tuloimpedanssi ja pieni tulokapasitanssi • Matala lähtöimpedanssi • Vahvistus on aina pienempi kuin yksi Katodinseuraajalla ei siis pystytä vahvistamaan signaalia, mutta matalan lähtöimpedanssin takia sille löytyy sovelluksensa, koska se voi toimia puskurina vahvistinasteen ja kuorman välillä. Katodiseuraajan tyypillinen sovelluskohde on ajaa passiivista sävynsäädinpiiriä, kuten myös AC30:n tapauksessa tapahtuu. Sävynsäädinpiirin impedanssi vaihtelee taajuuden mukaan, joten se myös kuormittaa edellistä astetta vaihtelevasti. Tämä tekee magnitudivasteen ennakoitavuudesta ja laskemisesta vaikeampaa. Asiaa voidaan helpottaa, kun kuormaa syötetään matalasta lähtömpedanssista. Tällä ei ole niin suuresti merkitystä kitaravahvistimissa, mutta 1950-luvulla HiFi-sovellukset vaikuttivat myös kitaravahvistimien suunnitteluun [33, s. 1-48]. AC30:n katodiseuraaja on toteutettu ECC83/12AX7-kaksoistriodilla, joista toinen puolisko toimii jännitevahvistajana (kuva 31). Kuva 31. VOX AC30 katodiseuraaja. Kytkennän ulostulosignaali otetaan katodilta, jolloin signaalin vaihe on teoriassa sama kuin sisääntulosignaalilla. Kaksoistriodin vasen puolisko toimii vahvistajana, joten se ei kuulu määritelmään. Tasajännitearvot ovat empiirisesti mitattuja ilman ohjaavaa signaalia. 49 Edellä mainittujen ominaisuuksien lisäksi katodiseuraajalla on muitakin hyviä puolia. Se vaimentaa tehokkaasti käyttöjännitteen rippelijännitettä, ja sisääntuleva jännitesignaali voi olla amplitudiltaan erittäin suuri – jopa käyttöjännitteen verran, ilman että tapahtuu leikkaantumista. Kytkennässä ei myöskään esiinny Miller-efektiä ja sen vahvistus (ts. vaimennus) säilyy stabiilina, vaikka putken ominaisarvot ja/tai käyttöjännite vaihtelisivat [60, s. 454]. Katodinseuraajan lähtöimpedanssi VOX AC30:ssä käytetylle ECC83/12AX7kaksoistriodin yhdelle puoliskolle lasketaan seuraavalla yhtälöllä [31, s. 326]: Z out = 10 6 10 6 = = 625 Ω g m 1600 ȝS (4.1) Arvo on matala putkelle, mutta vielä liian korkea esimerkiksi kaiutinkuorman ajamiseen. 4.6 AC30 sävynsäädinpiiri Taajuustasapainoa voidaan muuttaa lisäämällä piiriin reaktiivisia komponentteja. Passiivisissa sävynsäädinpiireissä käytetään usein kondensaattoreiden ja vastusten sarjaan- ja rinnankytkentöjä. Eri taajuudet vaimentuvat ja korostuvat yhtälön 3.7 mukaisesti. AC30:n sävynsäädinpiiri sisältää diskantin (treble) ja basson (bass) säätömahdollisuudet. Kuva 32. VOX AC30 diskantin ja basson sävynsäädinpiiri (EQ). Kuvissa 33 ja 34 esitetään AC30:n sävynsäädinpiirin simuloituja vasteita, jotka saatiin käyttämällä LTspice-tietokoneohjelmaa. Piiriä syötettiin nollalähtöimpedanssista (ts. ideaali jännitelähde) ja vasteet mitattiin äärettömään tuloimpedanssiin, eli kuvaajat eivät tässä suhteessa vastaa aivan todellisuutta, mutta antavat viitettä kuinka sävynsäädinpiiri käsittelee signaalia. Sävynsäädinpiiriä ja sen simulointia on käsitelty myös lähteessä [71]. 50 Kuva 33. VOX AC30 sävynsäädinpiirin vasteiden (LTspice) simulointi, asetusten ollessa basso = 0,01 ja diskantti = 0,99. Kiinteä viiva on magnitudivaste ja katkoviiva vaihevaste. Kuva 34. VOX AC30 sävynsäädinpiirin vasteiden simulointi LTspice-tietokoneohjelmalla asetusten ollessa basso = 0,99 ja diskantti = 0,01. Kiinteä viiva on magnitudivaste ja katkoviiva vaihevaste. 4.7 AC30 vaiheenkääntäjä Vuorovaiheisen pääteasteen ohjaamiseen tarvitaan kaksi samansuuruista, mutta toisiinsa nähden vastakkaisvaiheista jännitesignaalia. Vanhin tapa tehdä tämä on käyttää muuntajaa, mutta kitaravahvistimissa näin ei ole tehty juuri enää 1940-luvun jälkeen. Nykyään tähän tehtävään käytetään putkea eli aktiivista piiriä ja sen eri variaatioita. Muuntajat ovat tähän tekniikkaan verrattuna kalliita ja ne poimivat myös herkemmin häiriösignaaleja. [1, s. 6-9] AC30:ssä käytetty vaiheenkääntäjä (kuva 35) perustuu differentiaaliparin toimintaan ja piiristä käytetään englanninkielistä nimitystä Schmitt Splitter [7, s. 10-7]. Ulostulosignaalit otetaan anodeilta vastaavasti kuten esivahvistinasteessakin. Kaksoistriodin (ECC83/12AX7) katodit ovat sidottu yhteen ja katodeilta maahan kulkeva virta on likimain vakio; kun sisääntuleva jännitesignaali esimerkiksi pienentää vasemman puoliskon läpi kulkevaa anodivirtaa, täytyy oikean puoliskon anodivirran kasvaa, ja tällöin myös jännitteet muuttuvat vastaavasti. Anodeilta otettavat ulostulosignaalit ovat täten toisiinsa nähden vastavaiheisia. Kaksoistriodin oikean puoliskon hila on AC- maadoitettu, eikä se siis näytä ohjaavan anodivirtaa 51 vastaavalla tavalla kuin esimerkiksi esivahvistinkytkennässä. Anodivirran kulkuun vaikuttaa kuitenkin hilan ja katodin keskinäinen jännite, eikä hilan absoluuttinen jännite maahan nähden. Kuva 35. VOX AC30 vaiheenkääntäjä ja alipäästösuodatinpiiri Tasajännitearvot ovat empiirisesti mitattuja ilman ohjaavaa signaalia. (CUT). Vaiheenkääntöpiirin muilla komponenteilla on vastaavat tehtävät kuin muissakin vahvistinasteissa. Vastus R19 asettaa hilan negatiivisemmaksi katodiin nähden, ja tässä tapauksessa hilan jännite on jopa 20 V katodia alhaisempi. Sisääntuleva jännitesignaali voi täten olla hyvinkin suuri, ilman että ulostulossa näkyy signaalin leikkautumista. Koko piiri niin sanotusti kelluu vastuksen R20 yläpuolella, ja jotta sen läpi kulkeva virta olisi mahdollisimman vakio, täytyy sisääntulossa olla kondensaattori C9 estämässä tasavirran kulku ulos piiristä. Käytännössä vastuksen R20 läpi kulkeva virta ei ole aivan vakio, eikä siis tarkasti kummankin putken katodivirtojen summa. Sisääntuleva signaali vaikuttaa hieman tähän virtaan, jolloin myös vastusten R17 ja R18 läpi kulkee pieni tasavirta. Seurauksena on epätasapaino ulostulevien signaalien kesken. Tällä on kuitenkin merkitystä lähinnä vain HiFi-vahvistimissa, koska myös tämän tyyppinen epäsymmetria aiheuttaa lopulta parillisten harmonisten kerrannaistaajuuksien lisääntymistä. Tämänkin voidaan katsoa olevan eräs syy, miksi differentiaalivahvistin löytyy vaiheenkääntäjänä lähes kaikista vuorovaiheisesti toimivista kitaravahvistimista [1, s. 6-16]. 52 Vaiheenkääntöpiirin ja päätevahvistinasteen välillä on myös alipäästösuodatinpiiri (kuva 35: CUT), joka sisältää säätövastuksen VR5 ja kondensaattorin C13. Koska kondensaattorin impedanssi laskee taajuuden kasvaessa, seurauksena on vastavaiheisten korkeataajuisten signaalien osittainen kumoutuminen, minkä määrään voi vaikuttaa kyseisellä säätövastuksella. 4.8 AC30 päätevahvistin AC30 päätevahvistinaste (kuva 36) toimii vuorovaihekytkentänä toimintaluokassa AB (luvut 3.5.3 ja 3.6.2). Pääteputkina on kaksi paria EL84/6BQ5-pentodeja (V4 V7), jotka ovat katodibiasoituja kuten edellisten asteiden ECC83/12AX7kaksoistrioditkin. Putkiparilla tarkoitetaan vierekkäin olevia putkia (kuva 36). Päätevahvistimen voi tehdä SE-periaatteella kuten esivahvistimenkin, jolloin toimintaperiaate on kuvan 20 kaltainen. Tällöin vaiheenkääntäjäpiiriä ei myöskään tarvita. Toisin kuin aiemmissa asteissa, päätevahvistimessa tarvitaan lisäksi audiomuuntajaa (T1) ulostulossa (luku 3.7). Hilaetuvastuksen (R25 – R28) tehtävistä kerrottiin jo esivahvistinta käsittelevässä luvussa 4.4, mutta päätevahvistimen yhteydessä blokkaussärön (luku 2.6.5) estäminen tulee tämän vastuksen yhdeksi konkreettiseksi tehtäväksi, muiden ohessa. Suurempiarvoinen vastus on tässä mielessä parempi, mutta haittapuolena on diskanttien vaimentuminen [27, s. 146]. Vastusten oskillointia estävä vaikutus (eli stabiilius) nousee myös esille, etenkin jos vahvistin sisältää useita vahvistusasteita ja negatiivista takaisinkytkentää [7, s. 2-25]. Vastuksilla R23 ja R24 on sama tehtävä kuin aiemmissakin asteissa eli pitää hilojen tasajännite maapotentiaalissa, mutta myös näillä voidaan vaikuttaa blokkaussäröön; pienempi arvo vähentää tätä ongelmaa, mutta samalla edellinen aste kuormittuu enemmän vähentäen jännitevahvistusta. Käyttämällä pienempää kytkentäkondensaattoria, matalat äänet vaimenevat enemmän, mutta samalla biasjännitteen palautumisaika (recovery time) nopeutuu, mikä saattaa vähentää blokkaussäröä [27, s. 146]. Tarkastellaan seuraavaksi piirin toimintaa. Käyttöjännite päätevahvistimelle (UB4) tulee virtalähteeltä ulostulon audiomuuntajan T1 ensiökäämin keskelle. Virta kulkeutuu tästä pisteestä kummallekin putkiparille niiden johtavuuden mukaan. Johtavuutta – ja siten putken läpi kulkemaa virtaa – taas ohjaa vaiheenkääntäjältä tulevat toisiinsa nähden vastakkaisvaiheiset signaalit IN+ ja IN-. Esimerkiksi ohjaussignaalin IN- pienentäessä putkien V4 ja V5 läpi kulkevaa anodivirtaa Ia7+8, täytyy putkien V6 ja V7 anodivirran Ia9+10 vastavuoroisesti kasvaa ohjaussignaalin IN+ vastavaiheisuuden takia. Muuttuva anodivirta synnyttää ulostulomuuntajan T1 ensiökäämissä N1 vaihtovirran, joka peilautuu toisiokäämiin N2. Tällaisessa kytkennässä anodivastuksia ei tarvita, koska nyt ohjataan virran määrää eli vahvistetaan ennen kaikkea tehoa. 53 Kuva 36. VOX AC30 päätevahvistin, joka on katodibiasoitu AB-luokan vuorovaihekytkentä. Tasajännitearvot ovat empiirisesti mitattuja ilman ohjaavaa signaalia. Putkien jännitearvoja mitattiin ainoastaan V4:sta, mutta arvot olivat hyvin lähellä toisiaan jokaisen putken tapauksessa. Kuvassa 36 esiintyvistä jännitearvoista voidaan laskea, että pääteputkien anodi– katodi -jännite on tyhjäkäynnillä 321 V – 9,6 V = 311,4 V, joka ylittää kyseiselle putkelle sallitun raja-arvon (taulukko 6). Kaikkien neljän putken yhteinen katodivirta on noin 9,6 V / 50 = 0,192 A, josta yhden putken katodivirraksi tulee 48 mA. Anodivirta on likimain yhtä paljon kuin katodivirta, mistä voidaan laskea anodihäviötehon olevan 311,4 V x 48 mA § 15 W. Myös tämä on enemmän kuin putkelle on sallittu (taulukko 6). Raja-arvojen ylittämiset johtavat muun muassa putkien nopeampaan kulumiseen, mutta niillä on vaikutusta myös vahvistimen soundiin. Käydään tätä asiaa läpi seuraavaksi yleisesti ja jatketaan siitä mihin esivahvistinta koskevassa luvussa 4.4 jäätiin. Käyttöjännitteen kaksinkertaistaminen kasvattaa putken läpi kulkemaa virtaa samassa suhteessa, vaikkakaan jännitevahvistukseen sillä ei ole suurta merkitystä [1, s. 4-1 – 4-6]. Käyttöjännitteen arvolla on kuitenkin suuri vaikutus vahvistimen sointiin useastakin syystä. Ensinnäkin suurella käyttöjännitteellä voidaan saavuttaa suurempi signaalin nousunopeus, mihin vaikuttaa luonnollisesti myös esimerkiksi kaikenlaiset reaktanssit. Nousunopeudella taas on merkitystä soundin kannalta siksi, koska signaalin alukkeella ja muilla dynaamisilla muutoksilla on suuresti vaikutusta havaittuun kuulokokemukseen, kuten luvussa 2.6 kerrottiin [7, s. 2-21]. Signaalin nousunopeuden myötä tullaan myös transienttisärön käsitteeseen (luku 2.6.3), jos vahvistin ei pysty vastaamaan signaalin nopeaan muutokseen. Yleisesti ottaen matalan käyttöjännitteen vahvistimet eivät vahvista korkeita taajuuksia yhtä paljon kuin korkean käyttöjännitteen vahvistimet. Matalasta käyttöjännitteestä johtuen signaali myös säröytyy helpommin, ja tällaisten vahvistimien sanotaan kuulostavan yleisesti pehmeämmiltä ja lämpimämmiltä. Ensimmäiset kitaravahvistimet toimivat 54 matalalla käyttöjännitteellä, mikä on eräs syy niille ominaiseen sointiin. [7, s. 2-21], [56, s. 15 – 16] Pääteputkien toimintapiste (luku 3.5.1) asetetaan yhteisellä katodivastuksella R33 (50 ), jolloin hila on tyhjäkäynnillä noin 10 volttia negatiivisempi kuin katodi. Pääteasteessa katodivastuksen lämmöntuottoon tulee myös kiinnittää huomiota. Kyseisen katodivastuksen tuottama sähköinen lämpöteho lasketaan seuraavasti: 2 PR 33 = Uk4 (10V)2 = = 2W R33 50Ω (4.2) Katodivastuksen tehonkeston voi myös alimitoittaa siten, että vastus toimii ikään kuin sulakkeena, jos virta kasvaa liikaa [34, s. 3-8]. Katodibiasoinnin toteutusta käsiteltiin aiemmin myös AC30:n esivahvistinta tarkastelevassa luvussa 4.4. Käydään asiaa läpi vielä päätevahvistimen tapauksessa, koska tällöin painotetaan eri asioita. Katodibiasointi on yksinkertainen tapa biasoida vahvistin, ja huolimatta esimerkiksi putkien vaihdon helppoudesta, sitä ei yleensä käytetä suuritehoisissa vahvistimissa. Eräs tärkeä syy tälle on se, että korkeatehoisissa vahvistimissa myös biasjännite on yleensä korkea, mikä katodibiasoinnilla toteutettuna vaatisi suuriarvoista katodivastusta. Virtalähteen tulisi siis kyetä antamaan yhä enemmän tehoa ja korkeamman käyttöjännitteen, jotta kyseiseen vastukseen hukattu jännite ja teho kompensoitaisiin. Ylimääräisistä komponenteista ja muista katodibiasoinnin huonoista puolista päästään eroon käyttämällä vakiojännitebiasointia (luku 3.5.1). Siinä biasjännite ei myöskään muutu signaalin funktiona, kuten katodibiasoinnissa tapahtuu. Edellä mainituista asioista johtuen on ilmeistä, että biasointitapa vaikuttaa myös vahvistimen soundiin. Yleisesti ottaen katodibiasoitu vahvistinaste muun muassa tuottaa vähemmän parittomia harmonisia kuin vakiojännitteellä biasoitu aste. [1, s. 6-62] Suojahilavastukset R29 – R32 (100 ) mitoitetaan siten, että niissä syntyy sopiva jännitehäviö oikean suojahilajännitteen aikaansaamiseksi [30, s. 61]. Suojahilavastukset ovat alkuperäisessä AC30:ssä Kevin O’Connorin mukaan alimitoitettuja, mikä saattaa johtaa suojahilojen ylikuumentumiseen ja lisätä putkien lämpökarkaamisen riskiä. Viimeksi mainittu taas voi hajottaa putken. O’Connor suosittelee 1 k ja 1 W tehonkestoisia vastuksia suojahilalle. Oleellista on myös se, että suojahilavastusten tulee olla tulenkestäviä (flameproof) vikatilanteiden varalta [7, s. 10-3 – 10-4]. Suojahilavastuksen läpi ei normaalisti kulje kovin paljon virtaa, mutta vastuksella on merkitystä myös vahvistimen soinnin ja kitaristin tunteman ns. kosketusvasteen (touch response) kannalta. Suojahilavastuksella voidaan vaikuttaa erityisesti 3. harmonisen särökomponentin määrään [27, s. 272 – 273]. Tutkitaan seuraavaksi päätemuuntajaa ja sen mitoitusta. Kahden EL84/6BQ5-parin lähtöimpedanssi on noin 4 k [7, s. 10-8]. A-luokassa teoreettinen maksimiteho olisi tällöin 2 x Pa eli 24 Wrms [7, s. 10-3], [34, s. 3-5]. Katodin ohituskondensaattori C14 (250 µ) päästää kuitenkin lävitseen ylimääräistä vaihtovirtaa ja tekee kytkennästä AB-luokan (vuorovaiheisen) päätevahvistimen. Tällöin teho on noin 30 W. Sopiva päätemuuntaja on esimerkiksi Hammond 1750V (taulukko 7). 55 Taulukko 7. Hammond 1750V audiomuuntajan tietoja. DCR tarkoittaa tasavirtaresistanssia. [65] Kierroslukujen suhde (N1/N2) Induktanssi DCR (N1) DCR (N2) Magnitudivaste Impedanssi (N1) Impedanssi (N2) Tehonsiirto 15,93 (16 ȍ) 240 V, 70 Hz => 90,95 H (avoin piiri) 138 ȍ ±20 % 0,72 ȍ ±20 % 70 Hz – 15 kHz (±1 dB) @ 30 W 4000 ȍ (346,4 V) 8 ȍ (15,49 V) / 16 ȍ (21,9 V) 30 W Lasketaan seuraavaksi vahvistimen lähtöimpedanssi, joka yhtälön 3.5 mukaan on Z out = Z2 8Ω Ri = ⋅ 4000Ω = 8Ω Z1 4000Ω Vastaavasti putkien näkemä kuormaimpedanssi yhtälön 3.6 mukaan on Z LN = Z1 4000Ω RL = ⋅ 8Ω = 4000Ω Z2 8Ω Soundia haettaessa päätemuuntajan valinta ja lähtöimpedanssi voidaan kuitenkin tehdä suhteellisen vapaasti. Juuri tällaiset vapausasteet antavat vahvistimelle sille ominaisen luonteen, jolloin se voi olla esimerkiksi kuormariippuvainen, soiden selkeästi eri tavalla eri kaiutinta käytettäessä [1, s. 6-1]. Aina tulee kuitenkin huolehtia, että esimerkiksi muuntajalle sallittuja jännitteitä ja muita raja-arvoja ei ylitetä. Muuntajaa sekä syötetään vaihtelevasta impedanssista, mutta myös kuormitetaan kaiuttimen vaihtelevalla impedanssilla. Muuntaja ja kaiutin ovat kumpikin voimakkaasti reaktiivisia, ja muutoinkin varsin epäideaalisia, komponentteja. Muuntajan osalta tätä aihetta käsiteltiin luvussa 3.7. Voidaan hyvin kuvitella, että tarkemman analysoinnin kannalta ilmiöt käyvät monimutkaiseksi esimerkiksi tilanteessa, jossa vahvistinta syötetään soittamalla kitaran kaikki kuusi kieltä kerralla, suurella vahvistimen ulostuloteholla. Päätemuuntajan vaikutuksesta vahvistimen soundiin on myös eriäviä mielipiteitä; Esimerkiksi Bruce Rozenblit, Transcent Sound Co:n omistaja sekä Bill Whitlock, Jensen Transformers Inc.:n hallintoneuvoston puheenjohtaja, pitävät ulostulomuuntajaa putkivahvistimen soundin merkittävimpänä tekijänä [2, s. 27]. On kuitenkin syytä huomioida, että esimerkiksi Whitlockin yritys valmistaa audiomuuntajia, joten tällaisiin mielipiteisiin on syytä suhtautua varauksella. Vuorovaihekytkennän yhteydessä kuulee usein mainittavan putkien sovituksesta keskenään, mikä tarkoittaa että vastakkaiset putkiparit olisivat arvoiltaan ja ominaisuuksiltaan täsmälleen samanlaisia. Todellisuudessa tällaista symmetriaa on vaikea toteuttaa jo muun muassa siksi, koska ulostulomuuntajan ensiökäämin puolikkaat eivät yleensä ole täysin symmetrisiä keskenään. Ja vaikka tällainen tasapaino onnistuttaisiin kaikin puolin saavuttamaan, putkien arvot muuttuvat eri tahdissa niiden kuluessa ja ikääntyessä. Ennen kaikkea etenkään kitaravahvistimissa täydellistä tasapainoa ei ole juurikaan järkeä edes tavoitella, koska kuten jo aiemmin 56 todettua, tämänkaltaiset epäsymmetriat aiheuttavat parillisten harmonisten lisääntymistä. Esimerkiksi Fender ei koskaan ole käyttänyt sovitettuja putkia vahvistimissaan. [1, s. 6-32], [7, s. 2-17 – 2-18], [27, s. 92 – 93] 4.9 AC30 virtalähde Virtalähteen (kuva 37) perusta on toteutettu Hammond 290MX -verkkomuuntajalla (T2) ja GZ34 -putkitasasuuntaajalla (V8). Suodatuksessa käytetään kahta elektrolyyttikondensaattoria (C18 ja C19) sekä kuristinta (L1). Tällaista suodatinpiiriä kutsutaan pii-suodattimeksi, koska se muistuttaa piirikaaviosta katsottuna Kreikan ʌ-kirjainta. Kaikkiaan AC30:n virtalähde on piiriltään tyypillinen verrattuna muihin sen aikakauden kitaravahvistimiin. Virtalähdettä pidetään usein vain energianlähteenä itse vahvistinpiirille, mutta myös se on eräs tekijä vahvistimen soundin kannalta. Verkkomuuntaja mitoitetaan ensisijaisesti siten, että vaaditut jännitearvot toteutuvat. AC30:n tapauksessa käyttöjännitteen tulee tasasuuntauksen ja suodatuksen jälkeen olla noin 320 V. Tämän lisäksi virranantokyky tulee huomioida, joka vaikuttaa siihen, kuinka vakaana käyttöjännite pysyy kuormituksen muuttuessa. Tämän jännitteen eläminen kuormituksen mukaan taas kompressoi signaalia hieman vastaavalla tavalla kuin muutkin epälineaarisuudet. Verkkomuuntajan virrananto/tehonsiirtokykyä rajoittavat samat tekijät kuin audiomuuntajankin (luku 3.7.3) tapauksessa, kuten sydänaineen kyllästyminen [1, s. 2-5], [27, s. 68], [34, s. 2-25] Kuva 37. VOX AC30 virtalähde. Kuvassa näkyvät komponenttien arvot ovat todellisia, ja tasajännitteet empiirisesti mitattuja ilman ohjaavaa signaalia. Teoreettiset ja alkuperäiset arvot on kerrottu kuvassa 27. 57 Standby-kytkimen off-asento katkaisee kuvan 37 mukaisesti vahvistinputkien käyttöja suojahilajännitteet, mutta ei kuitenkaan hehkujännitettä. Tällä kytkimellä pyritään muun muassa estämään täyden käyttöjännitteen tuomista anodin ja vielä kylmän katodin välille. Viimeksi mainittu voi käytännössä tapahtua kuitenkin vasta, kun myös tasasuuntausputki on lämmennyt ja tullut siten toimintakykyiseksi. Standbykytkimen tarpeellisuus on muutoinkin toisinaan hieman kyseenalaista. 4.9.1 Käyttö- ja suojahilajännitteet Verkkojännite 230 V nostetaan 286 volttiin verkkomuuntajalla T2, jonka jälkeen jännite kokoaaltotasasuunnataan (kuva 3) putkella V8. Toisiokäämin keskikohta on maadoitettu (0 V) ja käämi on täten jaettu kahteen osaan. Elektronivirran kulkiessa toisiokäämissä ylöspäin, ainoastaan alempi tasasuuntausputken anodi (kuva 37: piste 6) johtaa virtaa katodilta maahan toisiokäämin keskikohdan kautta. Vastaavasti elektronien kulkiessa toisiokäämissä alaspäin, vain ylempi anodi johtaa. Näin tapahtuu koska elektronivirta ei voi kulkea putkessa kuin katodilta anodille [34, s. 24 – 2-6]. Tasasuunnattu jännite suodatetaan kondensaattorilla C18, ja näin päätevahvistimen käyttöjännite UB4 on muodostettu. Tämä jännite sisältää runsaasti rippeliä (kuva 38), mutta päätemuuntajan eri puolikkaissa hurinat ja rippelit kumoutuvat osittain [30, s. 112]. Käytännössä puolikkaat eivät ole täysin identtisiä, joten täydellistä kumoutumista ei siis tapahdu. Rippelin määrään vaikuttaa kondensaattorin kapasitanssin ja latausjännitteen lisäksi myös virtalähteen sisäisen resistanssin eli latausresistanssin Rch, ja kuormaresistanssin RL suhde Rch/RL. Latausresistanssi koostuu johtojen, tasasuuntausputken ja muuntajan käämityksien yhteisistä resistansseista, joiden summa on yleensä suhteellisen pieni. Kuormaresistanssi taas muodostuu käyttöjännitteen ja maan välisestä resistanssista. Edellä mainitun suhteen Rch/RL täytyy olla suuri, jotta kondensaattori latautuu nopeasti ja purkautuu hitaasti. Käytännössä kuormaresistanssi on muutamia tuhansia ohmeja, kun latausresistanssi on joitakin satoja ohmeja. Suuri Rch/RL -suhde kertoo, että suodatinkondensaattoreihin varattu energia pysyy suhteellisen vakiona. Samainen latausresistanssi vaikuttaa osaltaan siis myös koko virtalähteen virranantokykyyn, joten mitä suurempi kyseinen resistanssi on, sitä enemmän muun muassa käyttöjännite vaihtelee kuormituksen mukaan. Kuva 38. Kokoaaltotasasuunnattu ja kapasitiivisesti suodatettu verkkojännite. Tasasuuntauspulssien välillä kondensaattorin energia laskee ja tämä aiheuttaa ns. rippelijännitettä, jonka taajuus on sama kuin tasasuunnatun jännitteen taajuus. 58 Putkille V1 – V3 ja pääteputkien suojahiloille jännitettä täytyy suodattaa lisää, joka tapahtuu kuristimella L1 ja kondensaattorilla C19. Kyseinen kuristin on siis kela, joka toimii alipäästösuodattimena. Lasketaan seuraavaksi esimerkkinä kuinka rippeli vähenee tällaisessa kytkennässä [1, s. 2-4], [34, s. 2-8]. Määritellään aluksi kapasitiivinen reaktanssi seuraavasti: XC = 1 1 = ≈ 80,8Ω , 2 ʌf 1 C 2 ⋅ ʌ ⋅100 ⋅19,7ȝ (4.3) missä f1 on rippelin perustaajuus tasasuuntauksen jälkeen, joka on kaksi kertaa verkkotaajuus eli Suomessa 100 Hz. Määritellään tämän jälkeen induktiivinen reaktanssi: X L = 2ʌfL = 2 ⋅ ʌ ⋅100 ⋅ 30H ≈ 18,8 kΩ Rippelijännitteen mukaisesti: perustaajuuden komponentti vaimenee (4.4) seuraavan u ACout XC 80,8Ω = = = 4,3 ⋅10 −3 , u ACin X C + X L 80,8Ω + 18,8kΩ yhtälön (4.5) missä uACout on kytkennän läpi päässyt rippelijännite ja uACin sisääntuleva rippelijännite. Desibeleiksi muunnettuna rippeli vaimentuu noin 47 dB. Samankaltaiseen lopputulokseen voitaisiin päästä pelkillä suuremmilla suodatinkondensaattoreilla, mutta kondensaattorit olivat kalliita aikana jolloin AC30 on alun perin suunniteltu. Nykyään näin ei enää ole, joten suodatusta voidaan tarvittaessa edullisesti lisätä kondensaattoreilla. Kevin O’Connorin mukaan perussääntö kapasitanssi/virta -suhteelle on 2 mF/A [7, s. 10-7]. AC30:n tapauksessa keskimääräinen virta on noin 200 mA, joten tätä sääntöä noudattaen 400 µF kapasitanssi olisi sopiva riittävän tasaisen käyttöjännitteen aikaansaamiseksi. Rippelin vähentämiseksi on olemassa muitakin tehokkaita keinoja, kuten käyttöjännitteen aktiivinen vakavointi regulaattoreilla [1, s. 2-8]. Tällainen kuitenkaan harvemmin on tarpeellista etenkään päätevahvistimelle, mutta esivahvistin saattaa hyötyä siitä [1, s. 2-5]. On kuitenkin huomattava, että kaikki tällaiset suodatuskeinot vaikuttavat todennäköisesti myös vahvistimen sointiin. Esimerkiksi suodatinkondensaattoreiden kapasitanssia kasvattamalla etenkin matalien taajuuksien suhteellinen osuus saattaa kasvaa ulostulossa – riippuen luonnollisesti alkuperäisestä tilanteesta [34, s. 2-26]. AC30 pääteaste toimii korkealla biasjännitteellä luokassa AB, jolloin keskimääräinen virrantarve vaihtelee jonkin verran tyhjäkäynniltä täyteen ulostulotehoon, joten suodatinkondensaattoreiden kapasitanssin kasvattamisella ei tässä suhteessa pitäisi olla suuresti merkitystä vahvistimen soinnin kannalta [7, s. 10-7]. Virtalähteen kondensaattoreiden kapasitiivinen reaktanssi (yhtälö 2.2) on matala signaalitaajuuksille tietyn kriittisen taajuuden yläpuolella. Tämän taajuuden alapuolella kondensaattoreiden impedanssi kasvaa, ja suurempi osa signaalijännitteen vaihtelusta näkyy käyttöjännitelinjassa. Tällöin signaalin sanotaan moduloivan virtalähdettä, mikä saattaa aiheuttaa ongelmia, jos kaksi korkeavahvisteista vahvistinastetta on kytketty samaan käyttöjännitteeseen. Tämä voi johtaa matalataajuiseen värähtelyyn eli ns. moottoriveneäänen syntyyn. Ilmiön estämiseksi 59 on olemassa kaksi keinoa: ensimmäinen on suodatinkondensaattoreiden kapasitanssin lisääminen. Toinen on vahvistinasteiden käyttöjännitteiden erotus toisistaan vastus–kondensaattori -pareilla (kuva 39). Näiden parien alarajataajuuden (yhtälö 3.7) tulee olla ainakin 10 kertaa alhaisempi kuin matalimman vahvistettavan signaalitaajuuden. Komponenttien arvot voidaan optimoida vastusten yli tapahtuvien käyttöjännitehäviöiden ja komponenttien hintojen perusteella. Kondensaattoreiden lisääminen piiriin tarkoittaa aina kuitenkin myös muun muassa ryhmäviiveen (yhtälö 2.7) lisääntymistä. [7, s. 2-11], [1, s. 2-6 – 2-7] Kuva 39. Vahvistinasteiden käyttöjännitteiden erotus vastus–kondensaattori pareilla. Tällä tavalla eri vahvistinasteiden väliset signaalit eivät pääse vaikuttamaan keskenään yhtä paljon ja johtamaan tätä kautta ongelmiin, kuten kuultavaan matalataajuiseen värähtelyyn. Putkella toteutetun tasasuuntauksen sanotaan antavan enemmän periksi jännitteen vaihteluille kuin puolijohteilla toteutetun kytkennän. Ilmiötä kutsutaan englannin kielen termillä sagging, ja sillä on vahvistimen ulostulosignaalia kompressoiva vaikutus. Vastaavasti kuten suodatuskondensaattoreiden tapauksessa, on tälläkin ilmiöllä enemmän merkitystä vahvistimissa, joiden keskimääräinen virrantarve vaihtelee selkeästi. Näin ollen tasasuuntaajasta johtuvaa kompressointia ei pitäisi tapahtua merkittävästi AC30:n tapauksessa. [7, s. 10-5] 4.9.2 Hehkujännitteet Hehkujännitettä tarvitaan putkien katodin lämmitykseen, jotta elektroniemissio voi tapahtua. Pääte- ja esivahvistinputkien hehkujännite (kuva 37: piste 9) on tyypillisesti 6,3 VAC (mitattu 6,0 VAC). Jos tämä vaihtojännite syötetään sellaisenaan katodeille, verkkohurina vahvistuu putkissa liiaksi. Tästä syystä toision hehkukäämi balansoidaan maadoittamalla sen keskikohta, jolloin käämin päiden jännitesignaalit ovat teoriassa yhtä suuria, mutta vastakkaisvaiheisia. Seurauksena tästä on verkkohurinan kumoutuminen. Käytännössä keskikohta ei ole aivan toisiokäämin puolivälissä, jolloin jonkinasteista tästä johtuvaa hurinaa saattaa esiintyä. Ilmeinen ratkaisu ongelman poistamiseksi olisi käyttää tasajännitettä hehkuille, mutta tälle harvemmin on tarvetta [1, s. 2-13]. Putkitasasuuntaaja tarvitsee vastaavasti hehkujännitteen, jonka arvo virallisesti on 5 VAC. Tätä jännitettä ei kuitenkaan tarvitse balansoida, koska kyseinen putki ei vahvista mitään, eikä sen läpi kulje hyötysignaali. [1, s. 2-1] 60 4.10 AC30 rakentaminen ja käytännön vaikutus äänenlaatuun Käytännön toteutuksella on vaikutusta vahvistimen soundiin ja äänenlaatuun, kuten myös luvun 4 alussa todettiin. Komponenttien tyypit, osien/toimintalohkojen sijoittelu ja näiden keskinäiset etäisyydet sekä häiriösuojaus vaikuttavat kaikki lopputulokseen, kuten myös komponenttien ja työn laatu. Tässä luvussa käytännön merkitystä ja toteutusta käsitellään tiivistetysti, mutta muun muassa lähteistä [7], [35], [27] ja [72] löytyy enemmän tietoa aiheesta. Piirikaaviosta siirtyminen käytännön toteutukseen vaatii aina kompromissien tekoa, missä on hyvä ottaa huomioon myös huoltoystävällisyys, eli pääasiassa komponenttien vaihtamisen helppous. Rakentamani AC30 ei ole esimerkki täydellisesti rakennetusta vahvistimesta. 4.10.1 Rakenteesta yleisesti Vahvistimelle tulee valita sopiva ja riittävän kookas (metallinen) kotelo. Kyseinen AC30 on rakennettu 432 x 254 x 76 mm alumiiniseen koteloon. Alumiini on kevyt materiaali, sitä on helppo työstää, mutta se suojaa samalla sähköisiä piirejä ulkoisilta häiriökentiltä. Alumiiniin ei indusoidu sähkömagneettiset kentät esimerkiksi virtalähteen muuntajasta, mikä voisi johtaa potentiaalieroihin kotelon eri osien välille ja siten häiriövirtojen syntyyn. Tällaisessa kotelossa sekä ulkoisen (kuva 40) että sisäisen (kuva 41) rakenteen ja komponenttien luonnolliset paikat määräytyvät pääosin häiriösuojauksen, komponenttien kokojen, lämmöntuoton ja -keston mukaan. Kuva 40. Tätä diplomityötä varten rakennetun AC30 -kitaravahvistimen ulkoinen rakenne. Etulevyssä vasemmalla lukien: Päävirtakytkin ja sen oikealla puolen standby-kytkin. Seuraavana sävynsäätimet (cut, bass ja treble) ja näiden oikealla puolen molempien kanavien (bright ja normal) äänenvoimakkuuksien säätimet. Oikeanpuolimaisena sisääntulot. 61 4.10.2 Häiriösuojaus Hyötysignaali tulee luonnollisesti suojata mahdollisimman hyvin kaikenlaisilta häiriöiltä, jotka voivat siirtyä: 1. Sähköstaattisesti eli kapasitiivisesti 2. Sähkömagneettisesti eli induktiivisesti 3. Galvaanisesti eli suoran sähköisen kontaktin kautta Viimeisin tapaus on sinänsä itsestäänselvyys, mutta on kuitenkin hyvä huomioida rakennettaessa, että esimerkiksi mikään johto ei pääse hankautumaan puhki ja osumaan runkoon. Galvaanisen kosketuksen kautta syntyvät häiriöt nousevat tärkeämmäksi kysymykseksi liitettäessä audiolaitteita toisiinsa, jolloin saattaa syntyä niin sanottuja maalenkkejä. Ne aiheuttavat potentiaalieroja laitteiden suojavaippojen kesken, mitkä voivat ilmetä kuultavana verkkohurinana. Potentiaalierojen syntymisen estämiseksi voidaan käyttää muun muassa suojaerotusmuuntajia. [73, s. 115 – 117], [74, s. 290 – 297] Hyötysignaaliin kytkeytyviä häiriöitä tulee sekä ulkoapäin (esim. kodin elektroniikkalaitteet) että vahvistimen sisältä (esim. muuntajan verkkohurina). Erityisesti heikot signaalit tulee suojata huolellisesti, koska ne ovat käytännössä aina alttiimpia häiriökenttien vaikutuksille kuin vahvat signaalit, kuten luvussa 2.3.1 todettiin. Sähkömagneettisesti siirtyviä häiriöitä voidaan lieventää seuraavilla keinoilla [30, s. 138]: 1. Asentamalla häiriölähde ja häiritty osa mahdollisimman kauaksi toisistaan 2. Sijoittamalla häiriölähde ja häiritty osa sellaiseen asentoon, jossa niiden keskinäinen häiriökytkentä on mahdollisimman pieni 3. Pienentämällä häiriökentän voimakkuutta 4. Suojaamalla häiritty osa häiriökentiltä Tarkastellaan aluksi vahvistimen ulkoista rakennetta (kuva 40) ja kuinka edellä mainittuja kohtia toteutetaan tässä tapauksessa. Verkkovirtapuoli on sijoitettu vasemmalle puolelle vahvistinta ja mahdollisimman etäälle heikoista signaaleista, jotka ovat oikealla puolella. Päätemuuntajan paras paikka ei tietyssä mielessä ole lähellä heikkoja signaaleja, koska sen läpi kulkee koko vahvistimen hyötyteho. Tällöin jonkinasteista takaisinkytkentää saattaa tapahtua. Kyseinen paikka on päätemuuntajalle kuitenkin vähiten huonoin vaihtoehto, koska se ei voi olla myöskään aivan verkkomuuntajan vieressä [7, s. 4-12]. Päätemuuntaja on koteloitu juuri syystä, että siihen ei kytkeytyisi häiriöitä, mutta myös jotta sen indusoima kenttä ei aiheuttaisi takaisinkytkentää. Muuntajat ja kuristin pyritään sijoittelemaan siten, että niiden keskinäiset sähkökentät vaikuttaisivat mahdollisimman vähän toisiinsa, jolloin verkkomuuntajan aiheuttaman häiriökentän kytkeytyminen signaaliin on vähäisempää [7, s. 4-13]. Esivahvistinputkien tulee olla mahdollisimman kaukana pääteputkista, sekä erityisesti tasasuuntausputkesta [35, s. 160]. [73, s. 115 – 117], [74, s. 290 – 297] Häiriösuojaus näkyy myös vahvistimen sisäisessä rakenteessa (kuva 41). Sisääntulevat signaalit kulkevat koaksiaalikaapeleita (kuvassa 41 vasemmalla olevat kaksi mustaa ja paksua johtoa) pitkin ECC83/12AX7-kaksoistriodin hiloille. Kyseisen kaapelityypin käytöllä signaali pyritään suojaamaan elektromagneettisilta häiriöiltä. Kaapelin metallivaippa on maadoitettu vain sisääntulojen puoleisesta 62 päästä, jotta ei syntyisi suljettuja lenkkejä, missä häiriövirrat pääsevät kulkemaan. Tosin mahdollisesti syntyvät potentiaalierot ovat kuitenkin selvästi pienempiä kuin esimerkiksi audiolaitteiden välillä. Koaksiaalikaapelin käyttö ei kuitenkaan aina ole itsestäänselvyys edes heikkojen signaalien kohdalla, koska kaapelin vaippa ja laitteen runko muodostavat yhdessä kondensaattorin, joka toimii alipäästösuodattimena [7, s. 3-8]. Toisesta päästä maadoitettu koaksiaalikaapeli voi lisäksi toimia myös antennina, poimien häiriöitä. Syntyvien häiriökenttien voimakkuutta voidaan pienentää muullakin tavalla kuin esimerkiksi koteloinnilla. Näin tehdään kiertämällä parikaapelille kaikki johdot, joissa kulkee suuria vastakkaissuuntaisia tasa- tai vaihtovirtoja. Ideaalitapauksessa kaapeleiden kiertymän kulma toisiinsa nähden on 90 astetta. Myös yksittäiset johdot tulee mahdollisuuksien mukaan asettaa keskenään suoraan kulmaan, jolloin niiden synnyttämät sähkökentät kytkeytyvät mahdollisimman vähän toisiinsa. Käytännössä vahvistimessa on kolme paikkaa, missä virrat ovat suuria; hehkujen johdot, verkkovirran johdot sekä päätemuuntajan ulostulon johdot. Tasasuuntaajalta lähtevät johdot tulisi vastaavasti kiertää parikaapelille, koska niissä kulkevien signaalien harmoniset komponentit saattavat yltää aina radiotaajuuksille asti. Nämä häiriöt saattavat aiheuttaa ongelmia kytkeytyessään takaisin virtalähteen muuntajan ensiökäämiin ja sieltä jälleen kaikkiin toisiokäämeihin. Tässä mielessä putkitasasuuntaaja on parempi ratkaisu, koska sillä on pehmeämmät jännite–virta käyrät kuin vastaavilla puolijohteilla. Myös tavanomainen laminoitu rautasydäminen muuntaja vähentää näiden häiriöiden kytkeytymistä, koska sen taajuuskaista on kapeampi kuin rengassydänmuuntajalla. [7, s. 2-8]. [7, s. 3-4]. Kuva 41. AC30 -kitaravahvistimen sisäinen rakenne. Numeroiden selitykset: 1) Suojamaa. 2) Ensimmäinen suodatinkondensaattori C18. 3) Toinen suodatinkondensaattori C19. 4) Pääteasteen katodivastus R33. 5) Impedanssin valintakytkin. Vrt. kuvaan 27. 63 Kuvassa 41 näkyvät parikaapelit: vihreä-valkoinen on vahvistinputkien hehkuille, musta-punainen on verkkovirran johto virtalähteen muuntajan ensiölle, sininenpunainen on virtalähteen muuntajan toisiolta tasasuuntaajalle putkien käyttöjännitettä varten, sininen-valkoinen on tasasuunnatulle käyttöjännitteelle, ja vihreä-musta tasasuuntaajan hehkulle. 4.10.3 Käyttöturvallisuus ja maadoitus Käyttöturvallisuuden kannalta ensisijaisen tärkeää on tiedostaa, että putkivahvistimet toimivat yleensä aina vaarallisen korkeilla jännitteillä. Täytyy siis ymmärtää kuinka mahdolliset vaaratilanteet syntyvät ja kuinka niitä voidaan välttää. Vahvistin tulee luonnollisesti suunnitella siten, että ainakaan normaalikäytössä vaaraa ei käyttäjälle aiheutuisi. Näin tehdään käyttämällä seuraavia keinoja: 1. Eristämällä korkeajännitteiset osat sähköisesti 2. Suojamaadoittamalla laitteen runko 3. Ohjeistuksella ja siten vahvistimen oikeanlaisella käytöllä Viimeksi mainittu on myös siinä mielessä oleellista, että muussa tapauksessa seuraavaksi käsiteltävät asiat menettävät suuresti merkitystään. Tarkastellaan aluksi listan ensimmäisenä mainittua kohtaa. Kaikki korkeajännitteiset osat – tai jotka voivat tulla sellaisiksi, eristetään sähköisesti. Tätä toteutetaan esimerkiksi johtimien sähköeristeillä, mutta myös siten, että suuri osa vahvistimen elektroniikasta on rungon sisällä. Tässä vaiheessa saattaa herätä kysymys, että mitä tapahtuu, jos esimerkiksi vahvistimen sisällä oleva verkkojohto rikkoontuu ja jännitteistää rungon. Tällainen vaaratilanne pyritään estämään yhdistämällä laitteen runko sähköverkon suojamaahan (kuva 40; piste 1) eli pitämällä runko maapotentiaalissa. Kyseisellä liitoksella vikavirta johdetaan pienen impedanssin kautta pois vahvistimen rungosta, jolloin sulake palaa katkaisten verkkojännitteen. Suojamaa ilmenee kolmantena johtimena verkkojohdon pistokkeessa. Ilman suojamaaliitosta sulake ei välttämättä edes pala, jos esimerkiksi ihminen koskee runkoon edellä mainitussa tilanteessa. Se on siis erittäin tärkeä yksityiskohta käyttöturvallisuuden kannalta, joten liitoksen laadusta tulee varmistua erityisesti. Sulakkeella pyritään ehkäisemään suuresta virrasta johtuvia vaara- ja vahinkotilanteita sekä vahvistimelle itselleen mutta myös vahvistimen ulkopuolelle. Oikean kokoinen sulake tulee asentaa vahvistimessa vähintään yhteen paikkaan: sisääntulevan verkkojännitteen ja päävirtakytkimen välille (kuva 37). AC30:n tapauksessa sulake sijaitsee verkkojännitejakin sisällä. Kyseinen jakki on kuvassa 41 pisteen 1 yläpuolella oleva musta osa. Muuta oleellista käyttöturvallisuuden näkökulmasta on luonnollisesti vahvistimen oikeanlainen ja riittävän laadukas rakenne. Siten myös johdotuksien ja komponenttien, kuten verkkojakin ja päävirtakytkimen, tulee täyttää nämä vaatimukset. Maapotentiaali on eräänlainen referenssi, johon piirin jännitteitä verrataan ja sekä hyöty- että häiriövirrat niin sanotusti maadoitetaan (pienen impedanssin kautta), jotta muodostuu suljettu virtapiiri. Käytännössä tämä potentiaali on laitteen runko. Maadoitusta vaativat pisteet ovat merkitty piirikaavioon (kuva 27). Näiden lisäksi ainakin koaksiaalikaapelin suojavaippa tulee maadoittaa toisesta päästä. Maadoituksessa voi käyttää monia eri tapoja [7, s. 2-14 – 2-16], mutta tätä työtä 64 varten rakennetun AC30:n piiri on maadoitettu runkoon ensimmäisen suodatinkondensaattorin C18 (kuva 41; osa 2) negatiivisesta päästä sekä sisääntulojakkien rungoista. Signaalien maadoituspisteen/pisteiden ja suojamaaliitoksen pisteen tulee myös olla fyysisesti eri paikoista runkoa, jotta mahdolliset vika/häiriövirrat pidetään niin sanotusti sähköisesti etäällä hyötysignaalista. O’Connor esimerkiksi suosittaa vähintään n. 7 mm. keskinäistä etäisyyttä [2-16]. [7, s. 2-2] 4.10.4 Komponentit ja johdotus Vastuksia, kondensaattoreita, putkia, muuntajia ja muita komponentteja on monen tyyppisiä ja laatuisia. Niiden merkitys vahvistimen sointiin ja äänenlaatuun ei useinkaan selviä juuri mitenkään piirikaaviosta. Tätä aihepiiriä käsitellään tarkemmin esimerkiksi lähteissä [35], [7], [63] sekä [72], joissa osassa otetaan kantaa myös eri valmistajien tuotteisiin. Putkivahvistimen piirielektroniikka koostuu lukumääräisesti pääasiassa vastuksista ja kondensaattoreista. Vastuksia on monen tyyppisiä (esim. hiilimassa ja metallikalvo), mutta hieman yleistäen voitaneen sanoa, että näistä kahdesta kondensaattoreiden kesken on enemmän eroja suorituskyvyn kannalta. Kondensaattorit sisältävät paljon muitakin merkityksellisiä arvoja kuin vain kapasitanssin, ja niiden eri tyypit poikkeavat toimintaperiaatteeltaan usein paljon toisistaan. Esimerkiksi elektrolyyttikondensaattoreilla (elko) sähköinen eriste muodostuu käyttöjännitteen luomasta oksidikerroksesta, kun taas joillakin kondensaattoreilla eriste on muovia (esim. polyesteri ja polypropyleeni). Elkoilla on ainutlaatuinen särömekanismi, ja useat klassiset vahvistimet, kuten Fender Champ, käyttävät niitä sekä virtalähteessä että signaaliteillä. Huomattavaa on myös, että komponenttien arvojen toleranssit saattavat toisinaan olla melko suuriakin. Muun muassa kondensaattoreilla on hyvin yleisesti 5 – 10 % toleranssi. Tätä diplomityötä varten rakennetussa AC30:ssä on käytetty elkoja virtalähteessä, katodien ohituskondensaattoreina sekä käyttöjännitteiden erotuksessa (kuva 39). Muut kyseisen vahvistimen kondensaattorit ovat pääasiassa polypropyleeni-eristeisiä, joita ovat kuvassa 41 vihreällä aluslevyllä näkyvät keltaiset ja oranssit komponentit. Putkista todettakoon lyhyesti, että myös niillä on luonnollisesti vaikutusta äänenlaatuun, joiden syyt eivät välttämättä selviä edes datalehdistä. Tilanne on vastaava muuntajien kohdalla. Komponentit voivat toimiessaan aiheuttaa myös kohinaa/häiriöitä signaaliin ja muun muassa hiilimassavastuksia vältetään toisinaan tästä syystä. Komponentin fyysisellä koolla on myös merkitystä. Tämä on eräs syy miksi esimerkiksi kytkentäkondensaattoreiden arvolla on yläraja. Suurempi koko voi johtaa 1) vuotovirran määrän kasvuun, mikä saattaa vaikuttaa biasjännitteeseen. 2) suurempaan kapasitanssiin kondensaattorin ja maan välillä, mikä taas yhdessä Miller-kapasitanssin (ks. luku 3.3) kanssa yhdessä saattaa vaimentaa korkeita taajuuksia. 3) blokkaussärön (luku 2.6.5) todennäköisempään esiintymiseen. Vastaavasti suurten esivahvistinputkien sanotaan kuulostavan pehmeämmiltä kuin pienten esivahvistinputkien [7, s. 4-12 ja 4-14]. Yksittäisen komponentin arvon voi myös yleensä jakaa tarvittaessa useamman komponentin kesken, kuten jo todettiin AC30:n katodivastuksen tapauksessa. Esimerkiksi useamman kondensaattorin rinnankytkennällä saavutetaan parempi transienttivaste ja tasaisempi impedanssi vs. taajuuskäyrä, joka myös ulottuu korkeammille taajuuksille [7, s. 2-14]. Tämä siitäkin huolimatta, että komponenttien yhteenlaskettu fyysinen koko saattaa kasvaa. 65 Johdotuksissa luonnollisesti ensisijaisen tärkeää on, että kyseinen johdin on tarkoitukseen soveltuva ja poikkipinta-alaltaan riittävä. Piirikaaviossa johdotus on vain pisteiden yhdistämistä keskenään, mutta käytännössä johtimilla voidaan vaikuttaa muun muassa hajakapasitanssien ja -induktanssien määrään, jotka taas prosessoivat signaalia omalla tavallaan. Kahden johtimen välillä on aina kapasitanssia, jonka määrään vaikuttavat johtimien pituudet, pinta-alat, eristeet sekä johtimien keskinäinen etäisyys. Vastaavasti jo yhdellä johtimella on induktanssia, joka määräytyy pääasiassa johtimen pituuden ja halkaisijan mukaan. Tulee myös huomioida, että vahvistimen runko ja komponenttien jalat ovat johtimia siinä kuin kaapelitkin. 4.10.5 Komponenttien paikat Komponenttien paikkojen tärkeyttä tarkasteltiin luvussa 4.10.2 häiriösuojauksen kannalta, mutta otetaan asiaan lyhyt katsaus vielä suorituskyvyn näkökulmasta. Edellisessä luvussa mainitut hajakapasitanssit ja -induktanssit ovat eräitä syitä, miksi komponenttien paikoilla ja keskinäisillä etäisyyksillä on merkitystä. Virtalähteen ensimmäisen suodatinkondensaattorin tulisi olla mahdollisimman lähellä virtalähteen muuntajaa (kuva 41, osa 2) [7, s. 2-12]. Toisen suodatinkondensaattorin (kuva 41, osa 3) hyvä paikka on lähellä piiriä, mitä se syöttää [7, s. 2-10, 2-12]. Katodivastus (kuva 41, osa 4) kuumenee selvästi vahvistinta käytettäessä, mikä tulee huomioida kyseisen vastuksen paikkaa valittaessa. Katodivastuksen arvon voi myös tarvittaessa jakaa esimerkiksi kahden (tai useamman) rinnankytketyn vastuksen kesken yksittäisen komponentin lämpökuorman pienentämiseksi. Oskilloinnin estämiseksi jokaisen hilaetuvastuksen tulisi olla mahdollisimman lähellä putken hilaa. Pitkä välietäisyys näiden välillä kasvattaa hajainduktanssin määrää, mikä on omiaan lisäämään piirin herkkyyttä oskilloinnille [27, s. 54]. Edellisten lukujen valossa tullaan muun muassa siihen päätelmään, että rakenteen väljyydellä on merkitystä muutoinkin kuin huoltoystävällisyyden kannalta. [7, s. 4-11 – 4-16], [2, s. 29], [35, s. 155 – 165], [72] 66 5 MITTAUKSET Tässä luvussa käydään läpi mittauksia, joita suoritettiin erikseen yhdelle ECC83/12AX7-kaksoistriodin toiselle puoliskolle sekä AC30 päätevahvistimelle/päätevahvistinosalle. Dataa käsiteltiin ja tutkittiin käyttämällä Matlab-tietokoneohjelmistoa. 5.1 ECC83/12AX7-triodin erillismittaus Erillisputken yhdelle puoliskolle tehtiin tavanomaisia tasajännitemittauksia, mutta myös hilavirran määrää mitattiin, koska siitä löytyy yleisesti vähän tietoa. Mitattu putki oli mallia Tung-Sol ECC803S, joka on laadukas kaksoistriodi. Mittausjärjestely on esitetty kuvassa 42. Jännitemittarilla on siis sama symboli (V) kuin putkella, eikä näitä tule sekoittaa keskenään. Kuva 42. ECC83/12AX7-triodin mittausjärjestely. Ympyrän sisällä oleva symboli A tarkoittaa virtamittaria ja V jännitemittaria. Jälkimmäinen symboli on siis sama kuin putkella, mutta kummatkin ovat niin vakiintuneita, ettei niitä ole syytä keinotekoisesti erottaa. Käytössä oli seuraavanlainen laitteisto: • • • • Fiskars FSS 500-0,2 stabiloitu tasajännitelähde (anodin käyttöjännite Uak, kun Uak > 20 V) Thurlby K1 Module (anodin käyttöjännite Uak, kun Uak = 20 V) Oltromix C40-08D (katodin hehkujännite) Thurlby PL 310 (Hilan ja katodin välinen jännite Ugk) • • • • Fluke 73 yleismittari (anodi–katodi -jännitteen Uak mittaus) Fluke 45 yleismittari (anodivirran Ia mittaus) Fluke 179 yleismittari (hila–katodi -jännitteen Ugk mittaus) Philips PM 2525 yleismittari (hilavirran Ig mittaus) 67 Jännitelähdettä merkitään siis symbolilla E ja mitattavaa jännitettä symbolilla U. Selvyyden vuoksi: Uak = Eak ja Ugk = Egk. Huomaa myös, että mitattaessa putkea suoraan elektrodien navoilta Uak = Ua ja Ugk = Ug. Kuvassa 43 esitetään ECC83/12AX7-triodin mitattuja anodivirtoja hila–katodi jännitteiden funktioina eri anodi–katodi -jännitteen vakioarvoilla. Vastaavia käyriä ei löytynyt kyseisen valmistajan (Tung-Sol) julkaisemana, mutta tätä kuvaa voi kuitenkin verrata kuvan 12 käyriin. Kuva 43. Anodivirta (Ia) hila–katodi -jännitteen (Ugk) funktiona eri anodi–katodi jännitteen (Uak) vakioarvoilla. Työn kannalta eräs oleellinen asia ovat hilavirran mittaukset, joiden tulokset esitetään kuvassa 44. Tästä voidaan nähdä muun muassa seuraavaa: 1) Hilavirtaa esiintyy havaittavasti jo ennen kuin hila–katodi -jännite on muuttunut positiiviseksi. Toisin sanoen, katodi pakkosyöttää elektroneja. 2) Hilavirrassa ei näy selkeää kasvupiikkiä kyseisessä jännitteen nollakohdassa. Ilmiönä tällä on osaltaan vaikutus signaalin pehmeään kompressoitumiseen, koska vaikka hila ajetaan hyvin positiiviseksi, niin hila–katodi -jännitteen muutos saa edelleen aikaan jonkinasteisen muutoksen anodivirrassa [3, s. 6]. Selkeää rajaa ei siis tule vastaan. Anodi–katodi -jännitteen kasvattaminen pienentää hilavirran määrää, koska suurempi osa elektroneista kulkeutuu tällöin suurempaa potentiaalia eli anodia kohti. 68 Kuva 44. Hilavirta hila–katodi -jännitteen funktiona eri anodi–katodi -jännitteiden vakioarvoilla. Hilavirran mittauksista on mahdollisesti hyötyä juuri blokkaussäröä (luku 2.6.5) tutkiessa ja siitä johtuvia ilmiöitä mallinnettaessa. 5.2 AC30 päätevahvistimen mittaukset Päätevahvistimesta mitattiin eri kuormilla (vastus/kaiutin) tavanomaiset magnitudivasteet, 1000 Hz amplitudipyyhkäisyn vasteet sekä 1000 Hz sinipurskeen vasteet eri mittauspisteistä, jotka esitetään kuvassa 45. Päätevahvistin sisälsi tässä tapauksessa siis myös vaiheenkääntäjäasteen. Mittausjärjestely on esitetty kuvassa 46. Mittaustuloksia saattaa jonkin verran vääristää muun muassa se, että vahvistimen virtalähteen suodatinkondensaattorit ovat aluksi täysin latautuneet ja purkautuvat osittain pyyhkäisyn/purskeen aikana, jolloin vahvistus laskee. Mittaukset suoritettiin tietokoneavusteisesti. Kaikkiaan dataa saatiin suuri määrä, josta vain osaa tarkastellaan tässä luvussa. 69 Kuva 45. AC30 päätevahvistinosan mittauspisteet B – Q. Herätesignaali syötettiin pisteeseen A, 100 k vastuksen kautta. Tämä vastus mallintaa esivahvistinpiirin lähtöimpedanssia. Huomaa, että vahvistinpiiri on katkaistu pisteestä R15, R16 ja C9 mittauksia varten. Vrt. kuvaan 27. Mittauksissa käytettiin seuraavanlaista laitteistoa ja ohjelmistoa: • • • • • • • • • Tason ja impedanssin sovituslaite (T&I SL), jonka piirikaavio esitetään kuvassa 47 Jännitelähde PP5007 em. sovituslaitteelle National Instruments NI USB-6216 datankeruulaite (NI-DAQ) HP Pavillion dv2000 kannettava tietokone, Windows XP käyttöjärjestelmä National Instruments LabView-ohjelmisto ja SignalExpress-moduli Apple MacBook Pro Fuzzmeasure-mittausohjelmisto Tehovastukset 8 ja 15 Kitarakaiutinkaappi LANEY GS112VE, 1x 12" Celestion 70 Eighty Speaker, 75W 70 Kuva 46. Päätevahvistimen mittausjärjestely. Kuvasta on jätetty pois virtalähteet ja verkkojännitteen syöttö. Mittauksissa käytettiin pääasiassa HP Pavillion-tietokonetta sekä NI-DAQ -laitetta ja ohjelmistoa, mutta magnitudivastemittauksista osa suoritettiin Apple MacBook Pro tietokoneella, sen sisäisillä muuntimilla ja FuzzMeasure-mittausohjelmistolla. Kuva 47. Tason/impedanssin sovituslaitteen (T&I SL) piirikaavio. Impedanssisovitusta tarvitaan, jotta mitattavaa pistettä ei kuormiteta, ja tasonsovitusta, jotta mittauslaitteisto ei rikkoonnu liian suuresta signaalista. Kummankin kanavan tuloimpedanssi on n. 9 M. Suunnittelu: Prof. Matti Karjalainen. 71 5.2.1 Magnitudivastemittaukset Kuvassa 48 esitetään AC30 -päätevahvistimen magnitudivaste eri kuormiin. Sisääntuleva signaali syötettiin siis pisteeseen A ja ulostuleva signaali mitattiin pisteestä K eli 8 ulostulosta. Kuvasta voidaan havaita esimerkiksi kuinka selkeästi kaiutinkuorma vaikuttaa vasteeseen. Resistiivisillä kuormilla vaste on hyvin lineaarinen noin välillä 100 Hz – 4 kHz. Kuva 48. AC30 päätevahvistimen magnitudivaste eri kuormiin matalalla signaalitasolla. Magnitudivasteita mitattiin myös muualta kuin vahvistimen ulostulosta, joista muutaman mittauspisteen vasteet esitetään kuvassa 49. Aivan ensimmäisenä voidaan havaita, että matalat taajuudet eivät ole vaimentuneita samalla tavalla kuten kuvassa 48 – edes 8 ulostulon (piste K) tapauksessa. Selitystä ilmiölle ei ole antaa tässä vaiheessa, mutta aiheeseen saatetaan palata jatkotutkimuksissa. Muutoin kuvasta 49 nähdään kuinka jännite vahvistuu tai vaimentuu eri pisteissä, ja toisaalta kuinka vähän päätemuuntaja vaikuttaa kaistan leveyteen. Huomionarvoista kuitenkin on, että molemmissa tapauksissa kyseessä on piensignaalitaso ja yhden taajuuskomponentin heräte, joten päätemuuntajan vaikutuksesta ei ole syytä vetää suuria johtopäätöksiä tämän perusteella. Pisteen I (ylemmän pääteputkiparin anodit) -käyrästä nähdään myös rippelijännitteen vaikutus 100 Hz kohdalla. 72 Kuva 49. AC30 päätevahvistimen magnitudivasteet eri mittauspisteistä (ks. kuva 47) mitattuna. Kuormana toimi 8 vastus. CUT-potentiometri oli tässä mittauksessa minimiarvossaan siten, että vaikutus vasteeseen oli mahdollisimman vähäinen. 5.2.2 Amplitudipyyhkäisymittaukset Amplitudipyyhkäisymittaukset suoritettiin syöttämällä pisteeseen A siniaaltoa, jonka taajuus on vakio, mutta jonka amplitudi kasvaa eksponentiaalisesti (kuva 50). Näistä mittauksista saatiin varsin paljon dataa, joista osaa havainnollistetaan kuvien avulla. Kuva 50. Amplitudipyyhkäisy (1000 Hz siniaalto) pisteeseen A. 73 Tietynlaiset epäsymmetriat voivat synnyttää suhteellisesti enemmän parillisia harmonisia kerrannaistaajuuksia ja aihetta on myös käsitelty aiemmin tässä työssä [1, s. 6-16], [22]. Tämä ilmiö havaitaan kuvista 51 – 53 (mittauspiste F). Positiivisen puolijakson leikkautuminen signaalin lopussa johtuu siitä, kun hilan jännite lähestyy ja ylittää katodin jännitteen. Tämä taas johtaa hilavirran syntyyn (vertaa esim. kuva 44). Kuva 51. Amplitudipyyhkäisyn (1000 Hz siniaalto) vaste pisteeseen F (ylemmän pääteputkiparin hilaetuvastuksen vasen puoli). Kuva 52. Amplitudipyyhkäisyn (1000 Hz siniaalto) vaste pisteeseen F (ylemmän pääteputkiparin hilaetuvastuksen vasen puoli) pyyhkäisyn lopusta. 74 Kuva 53. Piste F (ylemmän pääteputkiparin hilaetuvastuksen vasen puoli): Amplitudipyyhkäisyn (1000 Hz siniaalto) vasteet taajuusspektrinä matalalla ja korkealla signaalitasolla 8 kuormaan. Kuva 54. Piste I (ylemmän putkiparin anodit): 1000 Hz siniaallon vastesignaalit matalalla ja korkealla signaalitasolla 8 kuormaan. Kuvassa 54 vasteet ovat mitattu pisteestä I eli ylemmän putkiparin anodeilta, ja kuormana toimi 8 vastus. Matalalla signaalitasolla havaitaan, että 100 Hz rippelijännitteen amplitudi on suurempi kuin hyötysignaalin amplitudi. Suurella signaalitasolla rippelikomponentin vaikutus pienenee, koska sen amplitudi on likimain vakiosuuruinen. Verrattaessa kuvan 54 (myös kuvat 55 ja 57) oikealla 75 alhaalla olevaa spektriä kuvaan 7, havaitaan, että kyseessä on keskeismodulaatiosärö (luku 2.6.2). Alemman putkiparin kuvaajat olivat likimain samanlaisia ja ne ovat tästä syystä jätetty pois. Kuva 55. Piste K (8 ulostulo): 1000 Hz siniaallon vastesignaalit 8 kuormaan matalalla ja korkealla signaalitasolla. Vasemmalla alhaalla olevasta kuvasta nähdään kuinka 100 Hz rippelijännite moduloi 1000 Hz ulostulosignaalia etenkin korkealla signaalitasolla. Päätemuuntajan symmetroiva vaikutus (ks. luku 3.6.2) nähdään esimerkiksi kuvasta 55 korkealla signaalitasolla. Vasteet ovat mitattu pisteestä K eli vahvistimen 8 ulostulosta ja kuormana toimi 8 vastus. Verrattaessa kuvaan 54, voidaan todeta, että vahvistimen ulostulossa rippelijännitteen suhteellinen osuus kasvaa korkealla signaalitasolla. Tämä johtuu virtalähteen suodatinkondensaattoreiden alimitoituksesta [7, s. 2-3]. Saman signaalin lähempi tarkastelu myös osoitti, että sen positiivinen ja negatiivinen puolijakso ovat hyvin symmetrisiä. Tällöin parilliset harmoniset eivät korostu (kuva 55). Kuva 56. Alkuperäisen VOX AC30 ulostulon spektri DAFX-kirjasta [75, s. 115]. Syöttösignaalina vastaavasti 1000 Hz siniaalto. Vertaa kuvaan 53. 76 Vertailun vuoksi kuvassa 56 esitetään aidon ja alkuperäisen VOX AC30:n taajuusspektri ulostulosta mitattuna. Kyseessä on nyt siis koko vahvistimen vaste. Lähde ei kerro mittausjärjestelystä sen tarkemmin, mutta kuvasta voidaan melko varmasti päätellä, että syöttösignaalina on vastaavasti 1000 Hz siniaalto. Kuvaa 56 verrattaessa työtä varten rakennetun AC30:n pääteasteen mittauksiin (kuva 55), havaitaan spektrien kvalitatiivinen samankaltaisuus. Vakiotaajuinen siniaalto on herätteenä yksinkertainen; se ei muun muassa kerro keskeismodulaatiosäröstä, mikä on eräs tärkeä tekijä soundien eroja selitettäessä [3]. Esimerkiksi Hamm ei huomioinut tätä tutkiessaan putki- ja transistorivahvistimien eroja [68]. Kuva 57. Piste K (8 ulostulo): 1000 Hz siniaallon vastesignaalit kaiutinkuormaan (8 nimellisimpedanssi) matalalla ja korkealla signaalitasolla. Päätevahvistinmittauksia tehtiin myös kaiutinkuormalla, mutta kuvia 55 ja 57 verrattaessa havaitaan vastaavasti, että yhden taajuuden siniaallon ollessa herätteenä, suuria eroja vastus- ja kaiutinkuorman välillä ei synny. 77 5.2.3 Sinipurskemittaukset Päätevahvistimelle syötettiin kuvan 58 kaltainen sinipurske, ja vasteita mitattiin vastaavista pisteistä (kuva 47) kuin edellisissäkin tapauksissa. Sinipurskemittauksissa vastetta tutkitaan tyypillisesti ainoastaan aika-alueessa. Kuva 58. Sinipurske pisteeseen A. Kuva 59. Sinipurskeen vasteet eri pisteisiin (ks. kuva 47). Vakavoimattoman virtalähteen jännite ei pysy vakiona kuormituksen mukaan, ja tämä havaitaan selvästi esimerkiksi pisteen M vasteesta (kuva 59); käyttöjännite tippuu jopa kymmeniä voltteja sinipurskeen aikana. Vahvistinasteiden käyttöjännitteiden erotuksessa käytetty vastus-kondensaattoriparin C17 – R36 eräs vaikutus nähdään pisteen P vasteesta: jännite pysyy huomattavasti vakaampana kuin pisteen M jännite. 78 Katodibiasoidussa vahvistimessa biasjännite muuttuu kuormituksen mukaan katodin ohituskondensaattorista huolimatta [27, s. 100]. Tämä ilmiö nähdään sekä pisteen F että pisteen H kuvaajista (kuva 59). Toisin sanoen, käyttötilanteessa vahvistimen toimintaluokka AB siirtyy lähemmäksi luokkaa B [27, s. 100]. Tähän voidaan vaikuttaa luonnollisesti esimerkiksi eriarvoisella ohituskondensaattorilla. Vahvistimen ulostulon kuvaaja (piste K) on jätetty pois, koska se ei tarjonnut enää merkittävää informaatiota verrattuna aiempiin kuvaajiin. Kuvaaja oli silmämääräisesti hyvin samannäköinen herätteen kanssa, rippelillä moduloituna. Mittauksista voidaan myös todeta, että keskimääräinen päätevahvistimen käyttöjännite (piste L) tippui noin 10 V, verrattaessa pyyhkäisyn alkua ja loppua. Jossain mielessä jännitetasojen tippuminen on ristiriidassa teoriassa esitettyjen (luku 4.9) asioiden kanssa vahvistimen keskimääräisestä virrantarpeesta, mutta toisaalta lähdemateriaalissa ei kerrottu lukuarvoja. Lisää kuvaajia ja muuta aiheeseen liittyvää löytyy jatkossa Internet-osoitteesta: http://www.acoustics.hut.fi/publications/papers/guitaramps 79 6 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET Diplomityössä tarkasteltiin putkilla toimivien kitaravahvistimien soundiin ja äänenlaatuun vaikuttavia tekijöitä. Tässä luvussa tulokset summataan. Pintapuolisesti katsottuna elektroniputkilla toimivat kitaravahvistimet ovat melko yksinkertaisia laitteita. Syvällisempi tarkastelu kuitenkin paljastaa aihepiirin valtavan laajuuden. Tähän vaikuttaa esimerkiksi se, että erilaisia variaatioita toteuttaa hyvältä kuulostava putkivahvistin on suuri määrä, ja putkivahvistimien eri yksityiskohtien merkityksistä vaikuttaa toisinaan edelleen olevan ristiriitaisia näkemyksiä jopa alaa vuosikymmeniä tutkineiden kesken. Tämä liittyy vahvasti aiheen subjektiiviseen ja inhimilliseen luonteeseen. Vaikka esimerkiksi ihmisen kuulon toiminnasta ymmärretään nykyään varsin paljon, ovat ihmiset kuitenkin aina yksilöitä myös muun muassa tietomäärältään ja mielipiteiltään. Nämä ovat syitä, minkä takia lähdemateriaalia tulee tutkia laajasti, jotta muodostuu riittävän objektiivinen käsitys aiheesta. Teoriatutkimus osoitti, että on olemassa suuri joukko erilaisia ilmiöitä ja tekijöitä, jotka vaikuttavat vahvistimen sointiin. Eräs usein esiin tuleva asia on, että monet teoreettiset epäideaalisuudet eivät välttämättä ole epäideaalisuuksia soundin kannalta. Tällainen on esimerkiksi putken toimintapisteen asetus siten, että signaali leikkautuu tietoisesti epäsymmetrisellä tavalla. Maininnan arvoinen asia on myös käyttöjännitteiden merkitys. Muun muassa matalalla käyttöjännitteellä toimivien vahvistimien sanotaan yleisesti ottaen kuulostavan pehmeämmältä ja lämpimämmältä kuin korkealla jännitteellä toimivien. Kolmantena esille voisi nostaa impedanssit aihepiirinä. Esimerkiksi päätemuuntajan ja kaiuttimen välistä relaatioita tutkittaessa tulee ymmärtää impedanssien kompleksisuus sekä se, että putkivahvistimilla on yleensä päätemuuntajasta huolimatta suhteellisen korkea lähtöimpedanssi. Muita maininnan arvoisia asioita ovat ainakin vahvistintopologioiden ja -luokkien sekä biasointitapojen vaikutukset soundiin. Parhaiten tällaisten merkityksistä ja eroista voisi kertoa kuuntelukokeiden jälkeen, mutta pelkän teoriankin perusteella voi todeta, että eri toteutustavoilla pystytään vaikuttamaan suuresti siihen, miltä vahvistin kuulostaa. Käytännön tutkimusta tehtiin mittaamalla erillistä ECC83/12AX7-triodia sekä VOX AC30 -päätevahvistinosaa. Lopuksi tuloksia analysoitiin muun muassa peilaamalla niitä edellä tutkittuun teoriaan. Triodin osalta tietoa saatiin lähinnä hilavirrasta sekä kuvaajia putken peruskäyristä, joita voidaan käyttää vaikkapa referensseinä verrattaessa putkivalmistajien julkaisemiin käyriin tai sellaisenaan vahvistinmallinnuksessa. Päätevahvistimen osalta nähtiin konkreettisesti esimerkiksi päätemuuntajan symmetroiva vaikutus; vaikka pääteputkipareilla syntyi parillisia harmonisia kerrannaisia, päätemuuntaja teki signaalin positiivisesta ja negatiivisesta puolijaksosta visuaalisesti lähes peilikuvia (vaihesiirto huomioiden) toisiinsa nähden. Mielenkiintoista oli havaita myös bias- ja muiden jännitetasojen ajallinen muuttuminen ja yleensäkin vahvistimen dynaaminen käyttäytyminen. Kuvaajista nähtiin selkeästi reaktiivisten komponenttien – eli tässä tapauksessa lähinnä kondensaattoreiden – vaikutus. Tällaisista tuloksista saa hyvää vertailupohjaa muun muassa arvioitaessa kuinka hyvin vahvistinmalli on onnistunut. Mittaukset opettivat yleisesti vahvistintutkimuksesta ja ennen kaikkea mitä jatkossa tulisi tutkia. 80 Tässä diplomityössä ei juurikaan keskitytty kertomaan miksi putkivahvistimen ääntä usein kuvaillaan miellyttäväksi, mutta pohditaan aihetta vielä lyhyesti: Luvussa 2.6.7 esitetään Helmholtzin äänenvärien luokitus signaalin taajuusspektrien mukaisesti. Luokitus on vanha, eikä se juuri millään tavalla ota kantaa äänen dynaamisiin ominaisuuksiin, joten luonnollisesti siihen tulee suhtautua riittävän objektiivisesti. Se kuitenkin antaa viitteitä äänen miellyttävyydestä. Erityisesti kohdassa 2 esitetyt asiat vaikuttavat tutuilta verrattuna siihen, kuinka putkivahvistimen ääntä toisinaan kuvaillaan. Mittausosiossa esitettyjä spektrejä voidaan vertailla näihin luokituksiin, ja spektreistä huomataan että alimmat harmoniset ovat usein voimakkaita. Jotta näin voi tapahtua, täytyy siirtymän epälineaariselle alueelle olla pehmeä ja jatkuva. Tällöin myös toistettavan signaalin taajuuskomponentit pääsevät paremmin vahvistimen läpi. Putken perustoiminta on eräs syy, miksi siirtymä ei ole terävä. Esimerkiksi triodin tapauksessa ominaiskäyrien ääripäät (ks. kuva 12 vasen kuvaaja) ovat todellisuudessa varsin kaarevia. Käyrien yläpäässä hilan asteittain johtavaksi tuleminen tarkoittaa pehmeää leikkautumista, ja kuinka pitkälle mennäänkään, niin jännitteenmuutosta hilalla vastaa periaatteessa aina muutos anodivirrassa, vaikka se olisi hyvin pienikin. Transistorilla ei esimerkiksi ole hilavirtaa vastaavaa ilmiötä, mikä rajoittaisi ulostulovirtaa samalla tavalla pehmeästi. Virran nollakohtaan siirtymisen jyrkkyys käyrästön alapäässä indikoi leikkautumista, mutta siirtymä tähän nollakohtaan on kuitenkin edelleen loiva. Putkilla toimivat kitaravahvistimet eivät tyypillisesti myöskään käytä negatiivista takaisinkytkentää – tai käyttävät vähän – ja tämänkin voidaan tietyssä mielessä katsoa olevan yksi osatekijä putkivahvistimien miellyttävälle äänelle. Negatiivinen takaisinkytkentä tekee ominaiskäyristä lineaarisempia, kuten myös vahvistimen toiminnasta, mutta siirtymä epälineaariselle alueelle tulee jyrkemmäksi. Tämä johtaa muun muassa siihen, että särökomponentit esiintyvät korkeammilla taajuuksilla. Ulostulon audiomuuntajaan eli päätemuuntajaan ei tässä työssä perehdytty juuri sen erityisemmin kuin muihinkaan osa-alueisiin. Mittaukset eivät nekään tuoneet mitään kovin merkityksellistä esille, joten päätemuuntajan vaikutuksesta ei voida vetää kovin raskaita johtopäätöksiä tässä vaiheessa. On kuitenkin ilmeistä, että kyseisellä muuntajalla on korvinkuultava vaikutus esimerkiksi tilanteessa, kun sen läpi yritetään siirtää enemmän tehoa kuin kyseisellä taajuuskaistalla on mahdollista. Tilanne on hieman vastaava myös virtalähteen kohdalla. Käytännön virtalähteillä on muun muassa sisäistä resistanssia ja etenkään kitaravahvistimissa käyttöjännitettä ei useinkaan ole vakautettu, vaan sen annetaan elää kuormituksen mukaan vapaasti. Ulostulosignaalin kannalta vaikutus on samankaltainen kuin muillakin epälineaarisuuksilla. Toisinaan putkivahvistimen äänellisiä syitä kuulee myös selitettävän muun muassa parillisilla harmonisilla. Se ei kuitenkaan yksistään ole kovinkaan perusteltua, koska esimerkiksi A-luokan vuorovaiheisella kytkennällä on signaalia symmetroiva vaikutus, joka kuten todettua, vähentää parillisia kerrannaistaajuuksia. Tässä mielessä myös esimerkiksi yksittäisen asteen tai putken ominaisuuksia tulee harkiten nostaa esille irti kokonaisuudesta. Putkisoundin syitä pohdittaessa täytyy myös muistaa, että kuulohavaintojen lopputulokseen saattaa vaikuttaa moni muukin asia kuin itse kuulokokemus, kuten luvussa 2.6.6 todettiin. Tällaisia ovat muun muassa visuaaliset tekijät, kuten putkien hehku, mutta myös putkivahvistimien yleinen statusarvo. Tämän ovat huomanneet myös monet valmistajat, jotka eivät panosta 81 niinkään äänenlaatuun, vaan tekevät laitteita halvalla ja toisinaan kyseenalaisilla teknisillä ratkaisuilla, luottaen putkien vetovoimaan. Yleisestikään ottaen putkilla toteutettu vahvistin ei missään tapauksessa ole aina tae hyvälle äänenlaadulle. Kaikkiaan työn tavoitteet täyttyivät varsin hyvin. Lähdemateriaalia löytyi myös riittävästi, vaikka vain osa niistä käsittelee suoraan putkilla toimivia kitaravahvistimia. Asioita olisi kuitenkin voinut toki tehdä toisinkin. Diplomityössä keskityttiin suhteellisen tasaisesti kaikkiin vahvistimen osa-alueisiin, ja tietyssä mielessä olisi ollut ehkä fiksumpaa tarkastella syvällisemmin esimerkiksi juuri ulostulon audiomuuntajan ja kaiuttimen välistä relaatiota. Vastaavasti piiriltään yksinkertaisempi ns. ikonivahvistin olisi saattanut olla viisaampi valinta, jolloin yksityiskohtiin olisi voinut perehtyä paremmin. Tällainen on esimerkiksi SEkytkennällä toimiva Fender Champ. Toisaalta vuorovaihekytkentä on etenkin nykyään yleisempi toteutustapa kitaravahvistimien pääteasteissa. Jossain vaiheessa alkoi myös kaivata käytännön kokeita sille, pitävätkö tietyt teoriassa esitetyt asiat paikkaansa, sekä vertailukohtia muun muassa mittaustuloksille. Olisi esimerkiksi ollut mielenkiintoista tutkia jonkin ’huonolta kuulostavan’ vahvistimen vasteita. Kirjoittajalla ei tosin ole täyttä käsitystä tällaisten tarpeellisuudesta, eli missä laajuudessa vahvistinmallinnuksessa kaikista asioista nykyään tiedetään. Tässä tullaankin jälleen työn aihealueen rajaamiseen järkeväksi ja edellä mainitun kaltaisten asioiden siirtämiseksi jatkotutkimuksia varten. Tämä diplomityö antaa referenssiä siitä, kuinka putkivahvistin käyttäytyy sekä viitteitä eri osa-alueiden merkityksistä. Kokonaisuutena katsoen putkivahvistimen soinnin syiden tutkimus on periaatteessa sekä audioelektroniikan, ihmiskuulon toiminnan että subjektiiviseen näkökulmaan vaikuttavien asioiden tutkimusta. Vahvistinmallinnus on toimintana suhteellisen objektiivista, mutta loppujenlopuksi kuitenkin korva kertoo onko lopputulos onnistunut vai ei. Jatkotutkimuksia tullaan tekemään Signaalinkäsittelyn ja akustiikan laitoksella, mutta työn kirjoittaja saattaa palata pohtimaan työn sisältöä ja aihepiiriä jälkeenpäin myös esimerkiksi omilla Internet-sivuilla. 82 LÄHDELUETTELO [1] K. O’Connor. The Ultimate Tone: Modifying and Custom Building Tube Guitar Amps. Power Press Publishing, Thunder Bay, Kanada, 368 sivua, 1995. [2] E. Barbour. The Cool Sound of Tubes. IEEE Spectrum, 35(8): s. 24 – 35, 1998. [3] T. E. Rutt. Vacuum Tube Triode Nonlinearity as Part of the Electric Guitar Sound. Audio Engineering Society; the 76th Convention, Preprint No. 2141 F5, New York, USA, 1984. [4] W. S. Bussey. Tubes Versus Transistors in Electric Guitar Amplifiers. IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing 6: s. 800 – 803, 1981, Internet: http://milbert.com/articles/tubes_vs_transistors_in_electric_guitar_amps, tarkistettu 15.4.2010. [5] J. Pakarinen. Modeling of Nonlinear and Time-Varying Phenomena in the Guitar. Väitöskirja, Teknillinen korkeakoulu, Espoo, Suomi, 244 sivua, 2008. [6] K. Silvonen. Sähkötekniikka ja elektroniikka. 3. korjattu painos. Oy Yliopistokustannus/Otatieto, Helsinki, Suomi, 511 sivua, 2003. [7] K. O’Connor. The Ultimate Tone volume 3: Generations of Tone. Power Press Publishing, Thunder Bay, Kanada, 304 sivua, 2002. [8] K. O’Connor. The Ultimate Tone volume 4: Advanced Techniques for Modern Guitar Amp Design. Power Press Publishing, Thunder Bay, Kanada, 417 sivua, 2006. [9] Keskusteluja prof. Matti Karjalaisen ja TkT Jyri Pakarisen kanssa. [10] N. H. Crowhurst. Basic Audio. John F. Rider Publisher Inc., New York, USA, 114 sivua, 1959. Internet: http://www.tubebooks.org/Books/crowhurst_basic_1.pdf, tarkistettu 8.5.2010 [11] C. W. Rice, E. W. Kellogg. Notes on the Development of a New Type of Hornless Loudspeaker. Transactions of the American Institute of Electrical Engineers 44: s. 461 – 475, 1925. [12] O. W. Pöyhönen. Sähkötekniikan käsikirja 3. Kustannusosakeyhtiö Tammi, Helsinki, Suomi, 579 sivua, 1979. [13] M. Karjalainen. Kommunikaatioakustiikka. Korjattu esipainos. Otamedia Oy, Espoo, Suomi, 237 sivua, 2000. [14] J. L. Hood. Audio Electronics. 2. painos. Newnes, Oxford, Iso-Britannia, 400 sivua, 1999. 83 [15] J. Alanko, E. Raitala, R. Söder, P. Teirikari. HiFi-stereo valintaopas 81. Radioliikkeiden Liitto ry, Helsinki, Suomi, 536 sivua, 1980. [16] Shure SM58 Vocal Microphone Specifications, Internet: http://www.shure.com/ProAudio/Products/WiredMicrophones/us_pro_SM58CN_content, tarkistettu 8.5.2010. [17] Api 512C Mic Pre Specifications. http://www.apiaudio.com/b512c.html, tarkistettu 11.2.2010. [18] Vintage '57/'62 Strat® Pickups. Internet: http://www.fender.com/products/search.php?partno=0992117000, tarkistettu 11.2.2010 [19] Yamaha AX-592 Stereo Amplifier Owner’s Manual. Internet: http://www2.yamaha.co.jp/manual/pdf/av/english/IntA/AX-892_e.pdf, tarkistettu 11.2.2010. [20] Cary CDP 1 CD-player Owner’s Manual. Internet: http://www.caryaudio.com/pdfs/manuals/CDP1.pdf, tarkistettu 11.2.2010. [21] J. Millman, C. C. Halkias. Electronic Devices and Circuits. McGraw-Hill, Inc., New York, USA, 752 sivua, 1967. [22] B. Santo. Volume Cranked Up in Amp Debate. Electronic Engineering Times, s. 24 – 35, 1994. Internet: http://www.trueaudio.com/at_eetjlm.htm, tarkistettu 12.2.2010. [23] D. Self. Audio Power Amplifier Design Handbook. 4. painos. Newnes, Oxford, Iso-Britannia, 468 sivua, 2006. [24] T. D. Rossing, F. R. Moore, P.A.Wheeler. The Science of Sound, 3. painos. Addison Wesley, San Francisco, USA, 783 sivua, 2002. [25] G. A. Briggs, H. H. Garner. Amplifiers: The Why and How of Good Amplification. Wharfedale Wireless Works, Bradford, Yorks, Englanti, 215 sivua, 1952, Internet: http://www.tubebooks.org/Books/Briggs_amplifiers.pdf, tarkistettu 8.5.2010. [26] J. Pakarinen, M. Karjalainen. Enhanced wave digital triode model for realtime tube amplifier emulation. IEEE Transactions on Audio, Speech, and Language Processing 18(4): s. 738 – 746, 2009. [27] R. Kuehnel. Vacuum Tube Circuit Design: Guitar Amplifier Power Amps. 3. painos. Pentode Press, Seattle, USA, 374 sivua, 2008. [28] M. Karjalainen. A New Auditory Model for the Evaluation of Sound Quality of Audio Systems. Proceedings of IEEE International. Conference Acoustics. Speech and Signal Processing, ICASSP-85, s. 608 - 611, Tampa, USA, 1985. 84 Internet: [29] W. A. Seathers. Tuning, Timbre, Spectrum, Scale. Springer-Verlag, Lontoo, Iso-Britannia, 345 sivua, 1998. [30] A. M. Kuusela. Äänitaajuisten jännitteiden vahvistimet. 1. painos, Kustannusosakeyhtiö Tammi, Helsinki, Suomi, 320 sivua, 1963. [31] H. M. Tremaine. The Audio Cyclopedia. 1. painos. Howard W. Sams & Co., Inc. & The Bobbs Merrill Co., Inc., Indianapolis, USA, 1269 sivua, 1959. [32] A. S. Sedra, K. C. Smith. Microelectronic Circuits. 5. painos. Oxford University Press, Inc., New York, USA, 1392 sivua, 2004. [33] K. O’Connor. The Ultimate Tone volume 5: Tone Capture. Power Press Publishing, Thunder Bay, Kanada, 277 sivua, 2004. [34] K. O’Connor. The Ultimate Tone volume 2: Systems Approach to Stage Sound Nirvana. Power Press Publishing, Thunder Bay, Kanada, 240 sivua, 1997. [35] R. Kuehnel. Vacuum Tube Circuit Design: Guitar Amplifier Preamps. 4. painos. Pentode Press, Seattle, USA, 224 sivua, 2007. [36] A. W. Rix, J. G. Beerends, D-S. Kim, P. Kroon, O. Ghitza. Objective Assessment of Speech and Audio Quality—Technology and Applications. IEEE Transactions on Audio, Speech, and Language Processing 14(6), s. 1890 – 1901, 2006. [37] P. Buser, M. Imbert. Audition. The MIT Press, Massachusetts, USA, 394 sivua, 1992. Alkuperäinen teos ilmestynyt ranskaksi samalla nimellä v. 1987. [38] B. C. J. Moore. Hearing. 2. painos. Academic Press Inc., San Diego, California, USA, 468 sivua, 1995. [39] W. J. Dowling, D. L. Harwood. Music Cognition. Academic Press Inc., San Diego, California, USA, 258 sivua, 1986. [40] R. Kuehnel. Circuit Analysis of a Legendary Tube Amplifier: The Fender Bassman 5F6-A. 3. Painos. Pentode Press, Seattle, USA, 293 sivua, 2009. [41] BBC. Harmonic Distortion and Negative Feedback in Audio-Frequency Amplifiers. 2. painos. Engineering Training Department, Iso-Britannia, 104 sivua, 1956. Internet: http://www.tubebooks.org/Books/bbc_feedback.pdf, tarkistettu 13.5.2010 [42] J. Scott, S. Roxenborg, A. Parker. Improved Triode Model. Audio Engineering Society 6th Australian Regional Convention, Preprint No. 4301, 1996. [43] C. Rydel, Simulation of Electron Tubes with Spice. Audio Engineering Society the 98th Convention, Preprint No. 3965, 1995. 85 [44] W. Sjursen. Improved Spice Model for Triode Vacuum Tubes. Journal of the Audio Engineering Society 45(12): s. 1082 – 1088, 1997. [45] W. M. Leach. Spice Models for Vacuum Tube Amplifiers. Journal of the Audio Engineering Society 43(3): s. 117 – 126, 1995. [46] W. M. Leach. Letters to the Editor: Comments on “Spice Models for Vacuum Tube Amplifiers”. Journal of the Audio Engineering Society 45(6): s. 488 – 496, 1997. [47] M. T. Abuelma’atti. Large-Signal Analysis of Triode Vacuum-Tube Amplifiers. Journal of the Audio Engineering Society 51(11): s. 1046 – 1053, 2003. [48] M. T. Abuelma’atti. Large-Signal Analysis of Class A Vacuum Triode Push–Pull Output Stage. Journal of the Audio Engineering Society 53(6): s. 509 – 517, 2005. [49] A. Kashuba. Ab Initio Model for Triode Tube. Journal of the Audio Engineering Society 47(5): s. 373 – 377, 1999. [50] K. Spangenberg. Current Division in Plane-Electrode Triodes. Proceedings of I. R. E. 28(5): s. 226 – 236, 1940. [51] J. Pakarinen, D. T. Yeh. A Review of Digital Techniques for Modeling Vacuum-Tube Guitar Amplifiers. Computer Music Journal 33(2): s. 85 – 100, 2009. [52] Radio Corporation of America (RCA), Electron Tube Division. Electron Tube Design. 1. painos. Harrison, New Jersey, USA, 943 sivua, 1962. [53] V. Ylöstalo. Radiotekniikan oppikirja. 2. painos. Kustannusosakeyhtiö Otava, Helsinki, Suomi, 250 sivua, 1942. [54] I. Lindell. Sähkötekniikan historia. Otatieto Oy, Helsinki, Suomi, 377 sivua, 1994. [55] A. Pittman. The Tube Amp Book. Päivitetty painos. Backbeat Books, San Francisco, USA, 379 sivua, 2007. [56] G. Weber. A Desktop Reference of Hip Vintage Guitar Amps. Kendrick Books, Kempner, Texas, USA, 503 sivua, 1994. [57] ECC83S/12AX7 datalehti, JJ-electronics. Internet: http://www.jjelectronic.com/pdf/ECC%2083%20S.pdf, tarkistettu 11.2.2010. [58] EL84/6BQ5 datalehti. JJ-electronics. Internet: electronic.com/pdf/EL84.pdf, tarkistettu 11.2.2010. [59] The Last Word on Class A. Internet: http://www.aikenamps.com/ClassA.htm, tarkistettu 11.2.2010. 86 http://www.jj- [60] J. Millman. Vacuum-tube and Semiconductor Electronics. McGraw-Hill, Inc., New York, USA, 644 sivua, 1958. [61] F. Langford-Smith. Radiotron Designer’s Handbook, 4. painos, Wireless Press, Harrison, New Jersey, USA, 1498 sivua, 1953, Internet: http://www.tubebooks.org/Books/RDH4.pdf, tarkistettu 8.5.2010. [62] R. Lee. Electronic Transformers and Circuits. Toinen painos. John Wiley & Sons, Inc., New York, USA, 349 sivua, 1955. Internet: http://www.tubebooks.org/Books/Lee_1955_Electronic_Transformers_and_C ircuits.pdf, tarkistettu 12.2.2010. [63] L. W. Matsch. Capacitors, Magnetic Circuits and Transformers. PrenticeHall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, USA, 350 sivua, 1964. Internet: http://www.tubebooks.org/Books/Matsch_capacitors.pdf, tarkistettu 8.5.2010 [64] Muuntajan kuva. Internet: http://fi.wikipedia.org/wiki/Tiedosto:Muuntaja3d.svg, tarkistettu 11.2.2010. [65] Hammond 1750V Audio Output Transformer Datasheet. Internet: http://www.hammondmfg.com/pdf/EDB1750V.pdf, tarkistettu 11.2.2010. [66] R. Denyer. The Guitar Handbook. 13. painos. Alfred A. Knopf Inc., New York, USA, 256 sivua, 1990. [67] T. Kyttälä. Solid-State Guitar Amplifiers, Julkaisematon käsikirjoitus, Suomi. 419 sivua, 2008. Internet: http://www.thatraymond.com/downloads/solidstate_guitar_amplifiers_teemu _kyttala_v1.0.pdf, tarkistettu 10.5.2010 [68] R. Hamm. Is There An Audible Difference? Journal of the Audio Engineering Society 21(4), 1973, Internet: http://www.milbert.com/tstxt.htm, tarkistettu 15.4.2010. [69] J. L. Hood. Valve and Transistor Audio Amplifiers. Newnes, Oxford, IsoBritannia, 208 sivua, 1997. [70] VOX History. Internet: 11.2.2010. [71] D. T. Yeh, J. O. Smith. Discretization of the ’59 Fender Bassman Tone Stack. Proceedings of the 9th International Conference on Digital Audio Effects (DAFx-06), Montreal, Kanada, 2006. Internet: http://www.dafx.ca/proceedings/papers/p_001.pdf, tarkistettu 19.5.2010 [72] Uraltone Amplification Oy. Teknistä infoa putkivahvistimista. Internet: http://www.uraltone.com/blog/?page_id=589, tarkistettu 12.4.2010. [73] E. Bloberg, A. Lepoluoto. Audiokirja. Audiovisuaalisen edistämiskeskus, Helsinki, 241 sivua, 2005. http://ari.lepoluo.to/audiokirja/, tarkistettu 19.5.2010 http://www.voxamps.com/history/, tarkistettu 87 kulttuurin Internet: [74] H. Haaranen, J, Holm, A. Koski, J. Lattu, U. Lähteenmäki, H. Marttila, H. Möller, A. Nupponen, P. Paukku. Äänentoistojärjestelmät. Sähkötieto ry, Espoo, Suomi, 324 sivua, 1994. [75] U. Zölzer. DAFX – Digital Audio Effects. John Wiley & Sons, Ltd., Chichester, Englanti, 554 sivua, 2002. 88
© Copyright 2024