projektit:wanhat:putkivahvistin

Putkivahvistin on sellainen elektroninen vahvistin, jossa vahvistavat komponentit ovat yksinomaan elektroniputkia (eli lämpöioniputkia varhaisempien lähteiden mukaan1), Br.englanniksi thermionic valve tai vain valve, Am.englanniksi vacuum tube tai vain tube). Ahtaamman määritelmän mukaan putkivahvistimessa kaikki aktiiviset komponentit ovat elektroniputkia.

Tämä saattaa tulla joillekin lukijoille yllätyksenä, mutta Telokissa on elektroniputkia. Niitä on suorastaan runsas varasto. Telokin elektroniputkista on myös rakennettu menestyksellisesti putkivahvistimia ja elektroniputkia on myös myyty Telokin varastosta pieniä määriä ulkopuolisille putkivahvistinten rakentelijoille ja harrastajille.

Mitä siis ovat nämä elektroniputket, joita on muun muassa Telokissa banaanilaatikoihin siististi varastoituina?

  1. Hehkulamppu on elektroniputken passiivinen esi-isä. Hehkulampussa on lasiseen tyhjiöpulloon suljettu ja sähkövirralla hehkutettu metallilanka. Hehkulampun hehkulangan resistanssi on hyvin epälineaarinen ja virrasta riippuva. Hehkulangan lämpötilan noustessa silmin nähden hehkuvaksi, hehkulangan resistanssi kasvaa jyrkästi. Hehkulanka on sen vuoksi yksinkertainen virranrajoitin. Jo varhain havaittiin hehkulangan taipumus erittää varaushiukkasia ympäröivään tyhjiöön. Frederick Guthrie havaitsi tämän ilmiön noin vuonna 1873. Ilmiö voidaan todeta esimerkiksi hehkulampun sisälle asetetulla erillisellä elektrodilla. Kun hehkuvan kuuma hehkulanka ja ylimääräinen elektrodi kytketään toisiinsa hehkulampun ulkopuolelta, saadaan aikaiseksi heikko sähkövirta. Jos taas virtapiiri avataan, avattujen napojen välille jää heikko jännite.
  2. Diodi on suora sovellus ylimääräisellä elektrodilla varustetusta hehkulampusta. Kun hehkulangan kuumentaminen saa elektronit irtoilemaan hehkulangasta, heikko sähkökenttä ylimääräisen elektrodin eli anodin ja hehkulangan välillä saa elektronit liikkeelle. Tämä virta kulkee kuitenkin vain toiseen suuntaan, sillä anodi on hehkulankaan verattuna huomattavan viileä, eivätkä elektronit irtoa anodista ilman suurta jännitettä. Sen sijaan kuumasta hehkulangasta elektronit irtoilevat ilman anodin ja hehkulangan välistä jännitettäkin. Tällä tavoin käytännöllisesti katsottuna hehkulampun tekniikalla syntyi tasasuuntauskomponentti. Myöhemmin opittiin käyttämään diodien toiminnan parantajina myös kaasuja ja elohopeaa. Myöhemmin keksittiin myös, että hehkulanka ja elektroneja erittävä katodi voivat olla erillisiä ja tällä tavoin muodostetussa erillishehkutetussa diodissa hehkulankaa käytetään vain katodin kuumentamiseen. Hehkulanka ja katodi voivat olla myös eri potentiaaleissa, mikä laajentaa diodin käyttömahdollisuuksia.
  3. Triodi keksittiin kahdella mantereella lähes samaan aikaan, mutta eri syistä.2) 3) Yhdysvaltalaisen keksijän tarkoitus oli ilmeisesti vain kiertää diodin patenttia lisäämällä diodiin yksi elektrodi. Saksalainen keksijä ilmeisesti halusi kehittää vahvistimen. Diodiin verrattuna triodissa on katodin ja anodin välissä kapeasta metallilangasta tehty elektrodi: hila. Hilan avulla voidaan hallita sähkökentän voimakkuutta katodin läheisyydessä ja sillä tavoin säädellä elektronien virtausta katodilta anodille.
  4. Tetrodi kehitettiin lisäämällä alkuperäisen ohjaushilan ja anodin väliin kiihdytyshila, jonka avulla saatiin parannettua elektroniputken vahvistusta vastaavaan triodiin verrattuna.
  5. Pentodi ja beam-tetrodi kehitettiin tetrodista lisäämällä anodin läheisyyteen yksi elektrodi, joka vähentää suuresta tehosta kuumenneen anodin taipumusta erittää elektroneja. Jarruhila kytketään tavallisesti samaan potentiaaliin kuin katodi. Jarruhila ei estä elektronien virtausta katodilta anodille, sillä elektronit saavat etenemiseen tarvitsemansa liike-energian kiihdytyshilan luoman sähkökentän avulla.
  6. Muita elektroniputkia on olemassa edellisten lisäksi, mutta edellä luetellut ovat tärkeimmät elektroniputkityypit putkivahvistimen rakentelijan kannalta.

Kuten vahvistimet yleensäkin, putkivahvistin täytyy biasoida järkevään toimintapisteeseen. Jos vahvistin biasoidaan pieleen, se särkee signaalia turhan paljon tai mahdollisesti elektroniputket kuluvat loppuun nopeasti. Elektroniputken biasoinnissa oleellisia vaikuttavia tekijöitä ovat 1) hilan ja katodin välinen jännite ja 2) katodin ja anodin välinen jännite. Näiden perusteella määräytyy anodivirta. Sopiva biasointi etsitään tavallisesti elektroniputken ominaiskäyrästöön sovitetun kuormitussuoran avulla. A-luokan putkivahvistimen tapauksessa toimintapisteessä anodin ja katodin välinen jännite on puolet maksimijännitteestä ja anodivirta on puolet anodin maksimivirrasta. Lisäksi näin aikaansaatu toimintasuora ei leikkaa turvallisen toiminta-alueen (safe operating area) rajoja. Kuormitussuoran kaltevuus määrää kuorman impedanssin. Jos todellisen kuorman impedanssi on kaukana kuormitussuoran osoittamasta optimaalisesta impedanssista, voidaan vahvistin ja kuorma sovittaa toisiinsa impedanssimuuntajan avulla. Näin yleensä tehdäänkin. Esimerkiksi satunnaisen putkivahvistimen 5kΩ impedanssi ja kaiutinkuorman 8Ω impedanssi saadaan sovitettua muuntajalla, jonka muuntosuhde on tasan 25:1.

Oikeaoppisesti biasoidun RS241 triodin ominaiskäyrästö, kuormitussuora ja toimintapiste. Oikeaoppisesti biasoidun single-ended triodivahvistimen kytkentä. Suorahehkutettu triodi voi näyttää esimerkiksi tältä.

Kun putkivahvistimen haluttu anodin jännite ja virta toimintapisteessä tiedetään, voidaan biasoinnissa tarvittava hilajännite hakea ominaiskäyrästöstä. Ei ole mitenkään sattumaa, että usein tällä tavoin haettu hilajännite vastaa elektroniputken datalehdissä mainittua. Usein biasoinnissa tarvittavat tiedot voidaan suoraan lukea valmistajan tuottamista laadukkaista datalehdistä. Kun tiedossa ovat hilan jännite U ja anodivirta I (joka on varsin tarkasti sama kuin katodivirta), saadaan katodivastuksen R arvoksi kätevästi R=U/I. Tässä todennäköisesti yleisimmässä biasointitavassa hilan potentiaali kytketään signaalimaahan vastuksen kautta. Hilavastus määrittelee vahvistimen sisäänmenoimpedanssin, joten hilavastus kannattaa pitää riittävän suurena. Toisaalta elektroniputken datalehdessä ilmoitetaan hilavastuksen järkevä maksimiarvo, joka johtuu pienestä mutta ei mitättömästä hilavirrasta.

Elektroniputken perusasiat oivallettuaan putkivahvistimen rakentelija haluaa tietää, mitkä toteutukset ovat käytännössä toimivia.

Jopa yhdenkin putken vahvistimia on useita erilaisia toimivia.

Perinteisesti yksinkertaiset putkivahvistimet on tehty tähän tapaan. Erilaisia kytkentöjä samasta periaatteesta on kehitetty. Tässä on haluttu minimoida anodivirtasilmukkaa. Parafeed mahdollistaa yksinkertaisen ja kevyen muuntajan. Lisäksi tarvitaan tasavirtalähde tai kuristin.

Yhden putken pääteasteita on tehty erityyppisillä putkilla. Pentodit ja tetrodit ovat suosittuja putkia pääteasteissa.

Instrumenttivahvistimia on tehty hyvällä menestyksellä käyttäen pääteasteessa yhtä pentodia. Tässä Fender Champ kitaravahvistin. Tässä epäsymmetrisessä stereovahvistimessa on hyödynnetty pentodeilla mahdollista ultralinear-takaisinkytkentää. Tämä on todellinen yhden putken vahvistin, koska etuaste ja pääteaste on toteutettu samalla elektroniputkella, jossa on sisällä triodi ja pentodi.

Kitaravahvistimissa ja monissa muissakin vahvistimissa yleinen toteutus on A/B-luokan vuorovaihevahvistin. Toimintapiste säädetään pienelle jatkuvalle anodivirralle.

Vuorovaihevahvistin A/B-luokassa. Huomaa yksinkertainen katodivastusbiasointi ja ohituskondensaattori.

Vuorovaihevahvistin A-luokassa on monien mielestä signaalin laadun kannalta ihanteellinen. Se tosin edellyttää anodipuolelle tasavirtalähteen tai kuristimen, mutta toisaalta katodivastuksen ohituskondensaattori voidaan jättää pois. Hilavirtasilmukka ja anodivirtasilmukka ovat mahdollisimman erillään toisistaan. Käyttöjännitteen häiriöt kumoutuvat lähes täydellisesti.

Vuorovaihevahvistin A-luokassa. Huomaa virtalähde ja katodivastuksen ohituskondensaattorin puuttuminen.

Sen lisäksi, että kaukoidässä tutkitaan tosissaan mikroskooppisen pienten elektroniputkien valmistusta ja käyttöä mikropiireissä, myös tavallisia makroskooppisia putkimalleja voi kokeilla käyttää matalalla jännitteellä. Vahvistimen teho jää väistämättä pieneksi, mutta esimerkiksi kuulokevahvistimessa tehoa ei paljon tarvitakaan.4)

Aina ei putkivahvistimessa tarvita hengenvaarallisia jännitteitä, kuten tämä pieni epäsymmerinen pentodivahvistin osoittaa. Aina ei putkivahvistimessa tarvita edes muuntajaa, kuten tämäkin vahvistin osoittaa.


1)
L.L: Lämpöioniputki. Nykyajan Aladdinnin taikalamppu. Nuori Voima 1922 s. 285–287, 316–317, 349–350, 382–383, 469–470, 510–511, 542–543, 573–574, 604–606
2)
Robert von Lieben: Patent Nr 179807. Kaiserliches Patentamt. 19. marraskuuta 1906
3)
Lee de Forest: U.S. Patent 879,532. 1907
4)
B. Kainka: Valves at Low Plate Voltages. Elektor Electronics. 9/2003 pp.28–31 & 10/2003 pp.68–70
  • projektit/wanhat/putkivahvistin.txt
  • Viimeksi muutettu: 2019/09/18 20:31
  • (ulkoinen muokkaus)