Vahvistin (elektroninen) – määritelmä, toiminta ja tyypit

Tutustu elektronisten vahvistimien määritelmään, toimintaperiaatteeseen ja tyyppeihin — äänen vahvistuksesta autojen tehostimiin: selkeä opas ominaisuuksista, impedanssista ja vääristymistä.

Sana vahvistin (joskus myös amp) viittaa yleensä elektroniseen vahvistimeen. Elektroniset vahvistimet tekevät radiosta tai sähköisestä soittimesta (kuten sähkökitarasta tai sähköbassokitarasta) tulevasta signaalista kovemman ja voimakkaamman. Vahvistimia on myös piilotettu mihin tahansa elektroniseen laitteeseen, joka tuottaa ääntä kaiuttimilla. Tällaisia ovat esimerkiksi televisiot, radiot, tietokoneet ja mp3-soittimet.

Elektronisen vahvistimen kaltaisia laitteita valmistetaan konetekniikassa. Moottoriajoneuvojen ohjaus- ja jarrutehostimissa käytetään mekaanisia vahvistimia, jotka moninkertaistavat kuljettajan käyttämän voiman määrän.

Vahvistimien kyky käyttää matalaimpedanssisia kaiuttimia voi vaihdella. Tyypillinen impedanssi on 8 ohmia.

Luokittelu voidaan tehdä virtahäviön perusteella, kun vahvistin on päällä mutta ei saa signaalia. Esimerkki: A-luokan vahvistin vie enemmän virtaa ilman signaalia kuin B-luokan vahvistin, mutta A-luokan vahvistimessa on pienempi särö.

On myös useita vääristymätyyppejä.

Määritelmä ja perustoiminta

Elektroninen vahvistin ottaa vastaan pienen sähköisen signaalin (esim. jännite tai virta) ja tuottaa siitä ulostuloon suuremman amplitudin säilyttäen signaalin muodon mahdollisimman lineaarisena. Perusosat ovat yleensä:

• tuloaste (input/preamp) — vastaanottaa ja esivahvistaa signaalia;
• vahvistusasteet — kerrostettuja transistori- tai putkivahvistimia, jotka antavat tarvittavan vahvistuksen;
• lähtöaste (power amp) — tuottaa riittävän tehon kaiuttimelle tai seuraavalle vaiheelle;
• virtalähde — tarjoaa vakaat jännitteet ja virrat vahvistimen käyttöön;
• suodatus- ja suojapiirit — estävät häiriöitä, oikosulkuja ja ylikuumenemista.

Vahvistinluokat ja niiden ominaisuudet

Vahvistinluokituksella viitataan usein siihen, miten lähtöaste toimii ja kuinka paljon energiaa kuluu hukkaan lämmöksi:

• A-luokka — läpivirtaukset aina päällä, erittäin lineaarinen ja pieni särö, mutta tehotehokkuus huono (paljon lämpöä).
• B-luokka — kaksi kytkentäelementtiä vuorottelevat puolijaksoissa, parempi hyötysuhde mutta voi aiheuttaa rajakohdan (crossover) säröä.
• AB-luokka — kompromissi A:n ja B:n välillä; yleinen kotikäytössä, kohtuullinen hyötysuhde ja alhaisempi crossover-särö.
• C-luokka — käytetään pääasiassa RF-lähetyksessä (korkea hyötysuhde, sopii kantataajuusmoduloiduissa sovelluksissa, ei lineaarinen audioon).
• D-luokka (kytkin- tai digitaalivahvistimet) — erittäin tehokkaita, lähtö kytketään pulssimuotoisesti ja suodatetaan takaisin analogiseksi; yleisiä PA- ja subwoofer-vahvistimissa sekä kannettavissa laitteissa.
• Lisäksi on luokkia G, H (monitasoiset virtalähdearkkitehtuurit) ja hybridiratkaisuja sekä putki- (valve/tube) että transistoripohjaisia vahvistimia.

Mittarit ja ominaisuudet, joihin kannattaa kiinnittää huomiota

• Teho (W RMS) — kuinka paljon jatkuvaa tehoa vahvistin pystyy antamaan kaiuttimelle;
• Gain (dB) — kuinka monta desibeliä tulosignaali vahvistuu;
• Ensiö- ja lähtöimpedanssi — yhteensopivuus kaiuttimien ja lähdelaitteiden kanssa;
• Taajuusalue — kuinka laaja signaalin taajuusalue vahvistimella on (esim. 20 Hz–20 kHz audioon);
• THD (Total Harmonic Distortion) — harmoninen vääristymäprosentti, alhaisempi yleensä parempi;
• SNR (Signal-to-Noise Ratio) — signaali-kohinasuhde, suurempi arvo tarkoittaa puhtaampaa ääntä;
• Damping factor — kertoo, kuinka tiukasti vahvistin hallitsee kaiuttimen liikettä;
• Liitännät — RCA, XLR, jack, kaiutinterminaalit ja mahdollinen langaton tuki.

Vääristymät ja häiriöt

Vääristymät vaikuttavat äänenlaatuun ja ne voivat olla eri tyyppejä:

• Harmoninen vääristymä — lisätaajuuksia syntyy signaalin yläpuolelle;
• Intermodulaatiovääristymä (IMD) — kahden tai useamman taajuuden sekoittuessa syntyy ei-toivottuja komponentteja;
• Signaaliin kohdistuva leikkaus (clipping) — kun vahvistin yritetään ajaa yli sen maksimikyvyn, syntyy voimakasta säröä;
• Crossover-särö — esiintyy B/AB-tyypin vahvistimissa lähtöpuolijaksojen kytkentäkohtien vuoksi;
• Kohina — virtalähteestä, esivahvistinpiireistä tai huonosta suodatuksesta johtuva taustakohina.

Käyttökohteet

• Kotielektroniikka: stereo- ja kotiteatterivahvistimet.
• Instrumenttivahvistimet: esimerkiksi kitaravahvistimet, joissa usein on erillinen esivahvistin ja amp-ominaisuuksia (gain, EQ, efektiloops).
• PA- ja live-äänentoisto: korkeatehoiset vahvistimet ja monitorit.
• Studio- ja studiokaiuttimet: tarkka äänen toisto, alhainen THD ja hyvä SNR.
• RF-vahvistimet: radio- ja lähetyslaitteet, joissa vahvistettu signaali lähetetään antennille.
• Kuulokevahvistimet ja mobiililaitteet: pienempi teho, mutta tärkeä impedanssien ja herkkyyden näkökulmasta.

Impedanssi ja kaiuttimet

Kaiuttimien yleisimpiä impedansseja ovat 4, 6, 8 ja 16 ohmia. Vahvistimen tulisi olla yhteensopiva kaiuttimen impedanssin kanssa: liian pieni impedanssi voi ylikuormittaa vahvistimen ja aiheuttaa ylikuumenemista tai vaurioita. Joissain vahvistimissa mainitaan nimellisteho eri impedansseille (esim. 100 W @ 8 Ω, 150 W @ 4 Ω). Myös sillattavuus (bridging) ja kanavien yhdistäminen ovat yleisiä tapoja nostaa tehoa.

Suunnittelu, jäähdytys ja suojaus

Vahvistimet tuottavat lämpöä, joten jäähdytys (jäähdytyselementit, tuuletin) ja lämpösuoja ovat tärkeitä. Lisäksi yleisiä suojatoimenpiteitä ovat:

• oikosulkusuojat ja ylivirtasuojat;
• DC-suojaus kaiuttimille (suojaus tasavirralta, joka voisi vaurioittaa kaiuttimia);
• lämpötilakytkennät ja automaattinen virrankatkaisu ylikuumenemisen estämiseksi;
• pehmeä käynnistys (muting) estämään käynnistyskohinaa.

Valinta- ja käyttövinkkejä

• Vertaile nimellistehoa ja käytännön käyttötehoa (RMS), ja jätä riittävästi headroomia estämään clippingia.
• Huomioi THD ja SNR — erityisesti studiokäytössä alhainen THD ja korkea SNR ovat tärkeitä.
• Valitse vahvistin luokaltaan ja ominaisuuksiltaan käyttötarkoituksen mukaan (kitaravahvistin eroaa hi-fi-vahvistimesta toiminnallisuudeltaan).
• Pidä vahvistin hyvin tuuletettuna ja vältä suljettuja tiloja ilman ilmankiertoa.
• Kun yhdistät kaiuttimia, tarkista impedanssien yhteensopivuus ja käytä tarvittaessa tehokasta suojareleitä.
• Älä yritä ajaa vahvistinta jatkuvasti sen maksimirajalla; se lyhentää elektronisten komponenttien ikää ja voi lisätä säröä.

Yhteenvetona: vahvistin on olennainen osa äänentoistojärjestelmää ja sen valinnassa on huomioitava käyttötarkoitus, teho, impedanssi, luokka ja ominaisuudet kuten liitännät, suojaus ja äänenlaatuun vaikuttavat mittarit.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on vahvistin?

K: Mikä on vahvistimen tarkoitus?

K: Mitkä elektroniset laitteet sisältävät vahvistimia?

K: Mikä on impedanssi?

K: Mikä on vahvistimen tyypillinen impedanssi?

K: Miten vahvistimet voidaan luokitella?

K: Mitä eroa on A- ja B-luokan vahvistimien välillä?

Hae kirjaimella