Vahvistimien toimintaluokat

Vahvistimet luokitellaan eri toimintaluokkiin sen perusteella, miten putkissa tai transistoreissa lepovirtaa kulkee verrattuna signaalivirtaan. Koska tämä asia usein sekoitetaan pääteputkien / transistorien kytkentätapojen mukaiseen luokitteluun, käsitellään nämä molemmat tässä samalla kertaa.

Luokittelu lepovirran mukaan:

A-luokka

A-luokan vahvistimessa putken läpi kulkee jonkin verran virtaa aina kun vahvistin toimii lineaarisella toiminta-alueellaan. Maksimivirta on suunnilleen 2 kertaa lepovirta, minimivirta hieman päälle 0. Putkiradion “single-ended” päätevahvistin toimii aina A-luokassa. Samantyyppisiä rakenteita näkyy myös joissakin kitaravahvistimissa: Fender Champ lienee näistä tunnetuin. A-luokan vahvistin voidaan toteuttaa myös push-pull-, toteemipaalu- tai siltakytkennällä. Edelleenkin, toimintaluokan määrittää puhtaasti se, että pääteputken anodivirta ei missään vaiheessa katkea.

A- luokan hyviä ominaisuuksia on pieni särö (varsinkin Push-Pull- vahvistimessa: ylimenosärö puuttuu kokonaan, vastakytkentää ei välttämättä tarvita lainkaan). Toisaalta hyötysuhde on heikko, A-luokan vahvistin lämpenee voimakkaasti ja lämpeneminen on suurinta tyhjäkäynnillä!

Putkien ottaman keskimääräisen anoditasavirran voimakkuus on ohjausjännitteen suuruudesta riippumaton. Ohjaamattomassa tilassa koko tämä tasavirtateho kuumentaa anodeja. Putkia vaihtovirralla ohjattaessa muuttuu osa tästä häviötehosta vaihtovirtatehoksi, joka saadaan hyödyllisenä tehona ulos putkista. Häviötehon vastaavasti pienentyessä osoittautuu, että putket jäähtyvät samalla kun niitä kuormitetaan (tämä koske tietenkin myös yhdellä putkella toimivia A-luokan pääteasteita).
Kun ohjaukseen käytetään vain putkien ominaiskäyrien suoraa aluetta, on putkikäyrien kaarevuudesta aiheutuva säröytyminen mahdollisimman vähäistä. A-luokan pääteasteita käytetään yleisesti korkealaatuiseen äänentoistoon pyrittäessä.
(A.M Kuusela: Äänitaajuisten jännitteiden vahvistimet, 1961)

A-luokan putkivahvistimen suunnitteluohjeet

B-luokka

On edellisen äärimmäinen vastakohta. Lepovirtaa ei ole lainkaan, vahvistin on täysin kylmä lepotilassa. Ei voida toteuttaa Single Ended- kytkennällä lainkaan, vaan vaatii aina jonkin Push-Pull- tai toteemipaaluvariaation (ei kuitenkaan SRPP). Nollakohtaa ylitettäessä, signaali vaihtuu pääteputkelta toiselle, mikä aiheuttaa helposti ylimenosärön. Tämä särötyyppi on erittäin ärsyttävä, ja se on voimakkaimmillaan pienillä tehoilla.

A-B luokka:

Vahvistimessa on pienehkö lepovirta, joten se toimii pienillä tehoilla A-luokassa. Tehon kasvaessa vahvistin siirtyy sitten B-luokkaan, jolloin pääteputket vuorotellen hoitavat positiiviset ja negatiiviset puolijaksot. A-B luokan vahvistin on toiminnaltaan varsin epälineaarinen, joten se vaatii voimakkaan vastakytkennän ylimenosärön minimoimiseksi.

C- luokka

Käytetään vain FM-radiolähettimissä. Toiminta on erittäin epälineaarinen. Tavoitteena on saada mahdollisimman suuri tehovahvistus mahdollisimman suurella hyötysuhteella (yleensä yli 60% tasavirtatehosta saadaankin syötettyä suurtaajuustehona antenniin).

D-luokka

Perustuvat digitaaliseen signaalinkäsittelyyn tai pulssinleveysmodulaatioon, eikä niitä käsitellä tässä yhteydessä. Päätetransistorit toimivat on-off-kytkiminä ja signaalista suodatetaan kytkentähäiriöt pois jyrkillä L-C suotimilla. Kytkennän etuna on hyvä hyötysuhde

G- ja H- luokat

G-luokan vahvistimessa virtalähteestä saadaan 2 jännitettä, joista matalammalla (yleensä n. 30 V luokka) otetaan pienet tehot ulos (max 50 wattia), korkeampi jännitelähde tulee mukaan jos halutaan päästä tuon 30 voltin yli, esim. 70 volttiin. Tällöin 50-wattinen toimii hyvällä 60% hyötysuhteella maksimitehoonsa asti, tuon tehon yläpuolella toinen virtalähde ottaa osaa vain tarvittaessa, jolloin hyötysuhde paranee entisestään.

H-luokassa toteutus on vastaavanlainen, mutta suurempi jännite tuotetaan yli 90% hyötysuhteella toimivalla switching mode- jännitelähteellä. Kokonaishyötysuhde suurilla tehoilla paranee merkittävästi. Tämä lienee tänä päivänä yleisin vahvistinratkaisu yli 500 watin teholuokassa.


Pääteasteen kytkentäperiaatteita:

 

amps

1. Single-ended:

Vain yksi pääteputki, joka on kytketty suoraan kuormaan (vastus, päätemuuntaja tai kaiutin). Muuntajakytkennässä (kuva1) lepovirta kulkee päätemuuntajan läpi, joten rautasydämeen vaikuttaa voimakas tasavirtamagnetointi. Tästä syystä single-ended- päätemuuntajan rautasydämeen pitää jättää ilmarako magnetoitumisen estämiseksi. Tällainen vahvistin voidaan biasoida vain A-luokkaan (tosin radiolähettimissä C-luokan pääteasteet tehdään myös tällä kytkentätavalla!). Yleensä pääteteho on kohtuullisen pieni, reilusti alle 10 wattia. Single-ended vahvistimissa särö on myös aina ongelma.

2. Push-Pull:

2 pääteputkea, jotka on kytketty päätemuuntajan ensiökäämin päihin. Päätemuuntajassa ei nyt tarvita ilmarakoa, koska tasavirran aiheuttamat magneettikentät kumoavat toisensa muuntajan rautasydämessä. Pääteastetta syöttää vaiheenkääntäjä, joka ohjaa pääteputkia vastakkaisvaiheisesti: tarvitaan siis yksi ylimääräinen putki. Tämä kytkentä on yleisin suuritehoisilla (= yli 10 wattia) putkivahvistimilla, mutta transistorivahvistimissa erittäin harvinainen, johtuen päätemuuntajan valmistuskustannuksista.

3. Toteemipaalu:

2 pääteputkea sarjassa, kuorma kytketään kondensaattorin välityksellä pääteputkien väliseen kytkentäpisteeseen. Vaiheenkääntöä ei tarvita, vaan ylempi putki toimii katodiseuraajana. Tämä kytkentä on varsin suosittu OTL (Output TransformerLess) vahvistimissa. Hieman modifioituna toteemipaalurakenne oli 1960-luvulla varsin yleinen myös transistorivahvistimissa: ylempi transistori (NPN) saa signaalin sellaisenaan eli toimii emitteriseuraajana, alemmalle rakennettiin vaiheenkääntävä emitteriseuraajakytkentä PNP-ohjaustransistorin ja NPN-päätetransistorin yhdistelmänä.

4. SRPP:

Shunt-regulated push-pull. Toteemipaalua muistuttava kytkentä, jossa ylempi putki toimii virtageneraattorina. Erittäin lineaarinen toiminta triodia käytettäessä.

5. Siltakytkentä:

Tapio Köykän 1950-luvulla patentoima menetelmä, jossa 2 pääteputkea erillisine virtalähteineen kytketään periaatteessa Single-ended- kytkentään suoraan kaiuttimen kanssa, mutta vastavaiheisesti. Sopivalla virtalähteen kondensaattorien kytkennällä katodi- ja anodipiirit kytkeytyvät vaihtojännitteen suhteen rinnakkain, joten impedanssitaso saadaan kohtuullisen matalaksi.

6. Komplementaarisymmetrinen.

Ei onnistu lainkaan putkilla, mutta on tällä hetkellä yleisin transistorivahvistimien kytkentä. NPN ja PNP päätetransistorit puskevat kuormaa hyvin samanlaisella tavalla kuin toteemipaalu-vahvistimessa. Ei tarvitse vaiheenkääntöastetta.