Vahvistintietoa
Vahvistimen tehtävä on vahvistaa ohjelmalähteen esivahvistimelta (jännitevahvistin) saatavaa matalatasoista signaalia niin paljon, että signaali jaksaa liikuttaa kaiuttimen puhekelan välityksellä (elektromagneettinen moottori) siihen kiinnitettyä kartiota. Mitä enemmän haluaa kartion liikkuvan ja tuottavan siten suuremman äänenpaineen, sitä enemmän tarvitaan vahvistusta. Vahvistuksen eli tässä tapauksessa tehon suureena käytetään yksikköä watti. Watti voidaan laskea jännitteen ja virran tulosta eli tehoon tarvitaan sekä jännitettä että virtaa. Vahvistin siis käyttää tehoa tuottaakseen sitä edelleen kaiuttimen ohjaamiseen. Ohjaavana signaalina käytetään musiikkisignaalia ja varsinainen vahvistus tehdään usein transistoreilla. Näin vahvistin toimii lyhyesti kuvattuna.
Teho
Teho on siis jännitteen ja virran tulo. Jos esimerkiksi vahvistimen käyttöjännite on 12 volttia ja ottovirta 10 ampeeria, niin ottoteho on 12 x 10=120 wattia. Teho voidaan siis laskea hyvinkin yksinkertaisesti varsinkin kun kyseessä on ottoteho. Antotehoon vaikuttaa myös kuorma (resistanssi) mihin tehoa syötetään. Teho voidaan tällöin laskea antojännitteen suhteena kuormaan kaavalla P=U2/R, missä P=teho, U=jännite ja R=resistanssi (kuorma). Jos esimerkiksi em. vahvistimen tuottama antojännite on 15 volttia, niin antoteho on 15x15/4=56,3 wattia. Antoteho on aina pienempi kuin ottoteho. Tyypillisellä vahvistintekniikalla saavutetaan noin 50 prosentin hyötysuhde eli puolet ottotehosta muuttuu lämmöksi.
Tehoa tarvitaan
Kuten usein on kuultu todettavana, tehoa ei ole koskaan liikaa. Ei edes silloin kun teho ylittää selvästi kaiuttimien tehonkeston. Kaiuttimet hajoavatkin useimmiten liian pienellä kuin suurella vahvistimella. Kun pienestä vahvistimesta loppuu teho kesken kasvaa sen särö voimakkaasti. Usein kuulee väitteitä, että särö rikkoo kaiuttimen. Tämä ei aivan pidä paikkaansa. Särö ei sinänsä riko kaiutinta, mutta se on merkki siitä, että vahvistimen teho on loppumassa ja signaali leikkautuu ja kompressoituu ja kaiuttimeen kohdistuva jatkuva kokonaiskuormitus kasvaa merkittävästi. Vahvistimen yliohjausta ei välttämättä kuulla kovin helposti ja siksi saatetaan olla tilanteessa, missä korkeiden taajuuksien taso nousee muuta aluetta enemmän, koska esimerkiksi bassotaajuuksilla on jo saavutettu vahvistimen suurin teho. Tasoa edelleen lisäämällä kasvaa vain niiden, pääasiassa korkeiden taajuuksien taso ja pian herkkien diskanttielementtien tehonkesto ylittyy.
Hieman aiheen vierestä, mutta tiedoksi vain, että diskanttien jopa satojen wattien tehonkestoilmoitukset ovat muuten täyttä puppua. Laadukkaatkin diskanttielementit kestävät jatkuvaa tehoa vain muutamia kymmeniä watteja, usein jopa selvästi vähemmän. Hetkelliset tehonkestot voivat olla jossain 40-60 watin paikkeilla. Suuret tehonkestot lähtevät siitä, sinänsä oikeasta olettamuksesta, että matalilla taajuuksilla ja vielä keskitaajuuksillakin tarvitaan huomattavasti enemmän tehoa kuin korkeilla. Matalilla taajuuksilla käytetty esimerkiksi 150 watin teho aiheuttaa normaaliin taajuusbalanssiin suhteutettuna vain muutamien wattien kuormituksen ylipäästösuodatetulle diskanttielementille. Jos tuollaiseen 150 markan ja 150 watin diskanttiin todella syötetään vain 20 wattia siniaaltoa tai edes musiikkia, niin ei mene kuin hetki, niin "räps" ja hiljaisuus.
Jatketaan kuitenkin itse aiheessa. Särö on siis merkki vahvistimen vahvistaman signaali leikkautumisesta eli tehon loppumisesta. Tämä aiheuttaa siis signaalin kompressoitumista ja tilanne pahenee, jos voimakkuutta yritetään vielä nostaa. Leikkautumista ei välttämättä huomaa helposti, etenkään kuunneltaessa jo valmiiksi kompressoitua sähköisesti tuotettua musiikkia. Jollain pianomusiikilla leikkautuminen on helpommin havaittavissa. Kun signaali kompressoituu, tapahtuu tämä erityisesti korkeilla taajuuksilla ja se on diskanteille pian "moro".
Toinen tekijä on se, että vahvistin saattaa ylikuormitettuna ja voimakkaasti leikkautuessaan tuottaa DC-jännitettä (tasavirtaa) kaiutinlähtöihin ja lyhytkestoinenkin tasavirtapiikki viis veisaa diskanttien jakosuodatin kondensaattoreista ja taas kauppaan vinkumaan diskanttien vaihtoa takuuseen: "Niidenhän pitäisi kestää 150 wattia ja ei mun päätteestä luvata kuin 50 wattia maksimitehoa".
Aihe on laaja-alainen käsiteltäväksi tyhjentävästi tässä yhteydessä, mutta nyrkkisääntönä voisi sanoa, että kannattaa hankkia niin suuritehoiset vahvistimet kuin mahdollista. Tietysti niissä rajoissa mihin kuuntelutottumukset antavat suuntaa. Nyrkkisääntönä voidaan sanoa, että pääkaiuttimille, joilta on suodatettu matalat taajuudet pois (<50-80 Hz) tarvitaan 50-100 wattia kanavaa kohden ja subwooferille neljä kertaa enemmän eli noin 200-400 wattia. Jos esimerkiksi kolmitiejärjestelmää ajetaan aktiivisesti (kutakin äänialuetta/elementtiä omilla vahvistimilla), niin keskialueella tehoa noin 40-80, mid-bassoille 60-120 ja diskanteille 20-40 wattia sekä subwoofereille reilu 500 wattia.
Tässä on kuitenkin syytä mainita, että kuulo lähtee pienemmilläkin tehoilla. Etenkin edellä mainitut suositukset aktiivijärjestelmään ovat sellainen "kultainen keskitie", jolla saadaan varmasti hyvä lopputulos huippujärjestelmään. Jotkut tulevat toimeen pienemmilläkin tehoilla, joillekin ei tunnu riittävän mikään, vaikka saisi mahdutetuksi Loviisan ydinvoimalan Essolta vuokrattuun peräkäryyn.
Tehoilmoitukset
Teho voidaan ilmoittaa usealla tavalla. Usein näkee termejä RMS, Peak, Music tai Maximum… Näistä RMS-mittaustapa on kaikkein luotettavin ja tarkin kuvaamaan vahvistimen jatkuvaa tehokapasiteettia. Piikki- tai maksimiteho (Peak/Maximum/PMPO) on mitattu hetkellisestä signaalin kokonaispoikkeamasta ja ns. musiikkiteho (MusicPower) mitataan yleensä hetkellisestä signaaliaallon nollatasosta sen huippuarvoon.
Näiden lisäksi teho voidaan mitata myös muilla lisämääritteillä, kuten toistettava taajuus, sallittu kokonaissärö ja mittauskuorma jne. Tässä esimerkkinä erään kuvitteellisen vahvistimen tehoilmoitus, jota voidaan samalla pitää mallina siitä, miten tehoilmoitukset tulisi määritellä, jotta ne olisivat vertailukelpoisia keskenään.
Erilaisia ominaisuuksia
Vahvistimissa voi olla pelkän vahvistinasteen lisäksi muitakin ominaisuuksia. Usein vahvistimissa on sisäänrakennettu aktiivinen jakosuodatin. Alipäästö- eli lowpass-suodatin (LP) päästää lävitseen vain jakotaajuutta matalammat taajuudet eli suodattaa pois korkeat taajuudet. Tällaista suodatinta käytetään tyypillisesti subwooferin ohjaamisessa. Ylipäästö- eli highpass-suodatin (HP) suodattaa pois vastaavasti matalat taajuudet. HP-suodatinta käytetään yleensä pääkaiuttimilla subwooferin yhteydessä. Portaattomasti säädettävä suodatin on käytössä paras. Jossain vahvistimissa voi olla hyvinkin laajat säätöalueet suodattimille ja niillä voi olla mahdollista muodostaa myös kaistanpäästö-suodatin, jonka molemmat päät on suodatettu. Joissain voi suodattimelta olla erillinen ulostulo signaalin jatkamiseksi valmiiksi suodatettuna muille vahvistimille. Yleensä tällainen RCA/Line –ulostulo on kuitenkin vain kytketty sisääntulon rinnalle signaalin jatkamiseksi edelleen muille vahvistimille. Monipuolinen suodatin antaa laajemmat mahdollisuudet erilaisiin käyttötarkoituksiin ja vältytään ulkopuolisen suodattimen hankinnalta.
Ns. subsonic-suodatin on sinänsä aivan tavallinen ylipäästö-suodatin, joka toimii vain erittäin matalilla (subsonic) taajuuksilla. Sen tarkoitus on suodattaa pois kaikkein matalimmat taajuudet, joilla ei välttämättä ole suurta merkitystä kuunteluvaikutelman muodostumisessa. Vahvistimen tehoa ei kulu enää niiden turhaan vahvistukseen ja bassotoistosta on mahdollista saada jämäkämpi ja tarkempi. Erityisesti refleksikoteloiden kohdalla subsonic-suodatuksesta on suuri hyöty. Subsonic-suodatuksen taajuuden tulisi olla valittavissa portaattomasti tai useasta vaihtoehdosta 20-40 hertsin alueella.
Bassokorostus on myös yleistymässä useissa vahvistimissa. BassBoost tai BassEq korostaa tiettyä aluetta matalilla taajuuksilla. Korostus voi olla valittavissa kytkimellä yhdestä tai muutamasta vaihtoehdosta tai se voi olla portaattomasti säädettävissä. Portaaton säätö on parempi kuin kiinteäasetuksinen. Tärkeää on millä taajuudella korostus tapahtuu ja kuinka laajalle alueelle se vaikuttaa. Ns. keskitaajuuden tulisi olla alle 60 hertsin taajuudella ja sen ns. kaistanleveyden tulisi olla suhteellisen kapea. Muuten korostus aiheuttaa vain kuminaa. Parhaimmissa korostuskytkennöissä myös keskitaajuus on säädettävissä. Joissain vahvistimissa voi olla myös diskantille oma säätö tai jopa useampi alueinen taajuuskorjain.
Subwooferin tasoa on usein tarpeen säätää vaihtelevan ajomelun kompensoimiseksi ja/tai musiikkitottumusten/kappeleiden luonteen mukaan. Joissain vahvistimissa on liitäntä erilliselle kojelautaan sijoitettavaksi tarkoitetulle vahvistimen tasonsäätöpotentiometrille. Säätimestä on helppo ja nopea sovittaa voimakkuus tilanteeseen sopivaksi.
D-luokka
Vahvistimien toimintaperiaate voidaan jakaa eri luokkiin. Puhutaan A-, AB-,C-, D- ja uusimpana T-luokista. Paneutumatta nyt sen syvällisemmin niiden periaatteellisiin eroihin, voidaan kuitenkin todeta, että yleisin vahvistinluokka on AB. A-luokan vahvistimia pidetään äänenlaadultaan parhaina, mutta koska niiden transistorit ovat koko ajan "päällä", niiden hyötysuhde on erittäin huono ja ne tuottavat paljon lämpöä. Tehoa on vähän virrankulutukseen nähden. B-luokan vahvistimet ovat suurempitehoisia ja hyötysuhteeltaan parempia. Ne muodostuvat transistoripareista, joista toinen vahvistaa signaalin negatiivisen ja toinen positiivisen vaiheen. Koska ne ovat näin "päällä" vain puolet ajasta, on hyötysuhde tyypillisesti noin 50 prosenttia. Ongelmana on kuitenkin signaalin kytkentä transistorilta toiselle. Tästä aiheutuu ns. ylimenosäröä. AB-luokka on näiden edellä mainittujen yhdistelmä. Vahvistin toimii pienillä tehoilla A-luokassa ja suurilla B-luokassa. Monet vahvistimet mainostavat A-luokan rakennetta, mutta aidossa A-luokassa toimivia vahvistimia on markkinoilla vain muutamia.
Nyt puhutaan paljon n. D-luokan vahvistimista tai digitaalivahvistimista. Heti alkuun on todettava, että D-luokan vahvistimet eivät toimi millään tavalla digitaalisesti. Toiminta vain muistuttaa D/A-muuntimen (digitaali/analogi) toimintaa. Sisääntuleva signaali näytteistetään ja virtalähde "rekonstruktoi" uudelleen saman aaltomuodon suuremmalla teholla. Koska transistorit ovat aina joko täysin päällä tai kiinni, saavutetaan D-luokan rakenteella erittäin suuri hyötysuhde, parhaimmillaan jopa 90 prosenttia. D-luokan vahvistimet pystyvät kuitenkin toistaman puhtaasti vain matalia taajuuksia ja siksi niitä käytetään pääasiassa subwoofereille.
Uusin tulokas T-luokka, joka on tanskalaisen Tocatta-yrityksen kehittämä vahvistintyyppi. Lisenssi T-luokkaan on myyty Texas Instrumentsille ja pien näemme varmasti soittimissakin jopa 50 watin jatkuvia kanavatehoja. Huom. jatkuvia, ei mitään mahdottomia maksimitehoja.
Esimerkki: Mitä termit tarkoittavat vahvistinmainoksissa
PerfAmp ASTM-450
- Jatkuva teho kaikki kanavat kuormitettuna:
4 x 50 Wrms (4 ohmia, 20 Hz - 20 kHz, THD <0,1 %, 14,4 V) - Jatkuva teho sillattuna:
2 x 150 Wrms (4 ohmia, 20 Hz - 20 kHz, THD <0,9 %, 14,4 V)
4x50 wattia tarkoittaa, että vahvistimessa on neljä kanavaa joihin kuhunkin luvataan 50 wattia jatkuvaa tehoa RMS-menetelmällä mitattuna. "Jatkuva" tarkoittaa, että vahvistin on mitattu luultavimmin jatkuvakestoisella siniaallolla eikä vain lyhytkestoisella purskesignaalilla. Tosin autovahvistimissa ei ole käytännössä suurtakaan eroa hetkellisen ja jatkuva tehon välillä. Tämä johtuu pääasiassa autovahvistimien teknisestä rakenteesta.
Kaikki kanavat kuormitettuna tarkoittaa, että kaikki kanavat on kytkettyinä mainittuun kuormaan ja niihin ohjataan mittasignaalia. Tehoarvot saadaan näyttämään hieman suuremmilta, jos mittaus tehdään vain yksi kanava kuormitettuna.
4 ohmia kertoo käytetyn kuorman. Autokaiuttimissa 4 ohmia on standardi, mutta kaiuttimien kytkennällä saadaan myös matalampia kuormia. Kuorman laskiessa tarvitaan vahvistimelta enemmän virtaa. Sama koskee vahvistimen kanavaparien kytkemistä siltaan eli monoksi. Kuorma siis vaikuttaa oleellisesti vahvistimen antotehoon. Jos vahvistimen virtalähde kykenee syöttämään suuria virtoja, voi antoteho teoriassa jopa nelinkertaistua, ainakin kaksinkertaistua puolta pienempään kuormaan. Jos virtalähteen virranantokyky ei riitä, teho ei juurikaan nouse tai se voi jopa laskea signaalin säröytyessä (leikkautuessa) hyvin aikaisin.
THD <0,1 % on lyhenne englanninkielisestä termistä Total Harmonic Distortion eli suomeksi harmoninen kokonaissärö. Särö kertoo kuinka paljon signaali saa muuttua (säröytyy/leikkautuu) ko. tehoarvolla. Pienempi arvo on parempi, mutta käytännössä alle yhden prosentin arvot ovat riittävät. Esimerkissä säröraja on alle 0,1 prosenttia.
20 Hz-20 kHz kuvaa mittauksessa käytettyä taajuusaluetta, jolla ko. tehot on saavutettavissa. Mittaustaajuutena käytetään usein myös yhtä kilohertsiä. Joidenkin vahvistimien tehot voivat laskea käytettäessä erittäin matalia tai korkeita taajuuksia.
Mittauksessa käytetty käyttöjännite (14,4 V) voi vaikuttaa suurestikin vahvistimen antotehoon. Standardina käytetään 14,4 volttia, mutta käytännössä jännite on lähempänä 13,5 volttia, ja tämäkin vain auton käydessä. Laadukkaissa vahvistimissa käyttöjännitteenä käytetään 12 tai korkeintaan 13,8 volttia. Jos vahvistimessa on ns. reguloitu virtalähde, niin käyttöjännitteen muutokset eivät juurikaan vaikuta sen antotehoon.
Kanavaparit siltakytkettynä (mono, bridged) kertoo esimerkissämme antotehon kanavaparit monokytkettyinä eli kaksikanavaiseksi kytkettynä. Huomaa myös suurempi kokonaissärö tässä mittauksessa.
Mikäli tehoja ei ilmoiteta riittävillä taustatiedoilla, on ehkä syytä hieman epäillä niiden luotettavuutta, tai ainakin vertailu muihin vaikeutuu. Tämä koskee erityisesti ja valitettavasti "ei-niin-tunnettuja" merkkejä. Tosin on samaan hengenvetoon todettava, että hyvin ylimalkaisia ilmoituksia näkee myös muutamilla "valtamerkeillä". Jos vahvistimesta ei ilmoiteta selvästi sen jatkuvaa tehoa, sitä ei kannata hankkia, ainakaan sen tehoisena kuin suurilla numeroilla sen kannessa mainostetaan.