Võimendid: elektroonilised ja mehaanilised — tööpõhimõte, tüübid, rakendused

Sõna "võimendi" (mõnikord ka "amp") viitab tavaliselt elektroonilisele võimendajale. Elektroonilised võimendid muudavad raadio või elektrilise muusikainstrumendi (näiteks elektrikitarri või elektribasskitarri) signaali valjemaks ja tugevamaks. Võimendid on peidetud ka igasse elektroonilisse asjasse, mis teeb heli kõlaritega. Siia kuuluvad näiteks televiisorid, raadiod, arvutid ja mp3-mängijad.

Elektroonilise võimendiga sarnaseid seadmeid valmistatakse masinaehituses. Mootorsõidukite roolimis- ja pidurdamisseadmed kasutavad mehaanilisi võimendeid, et mitmekordistada juhi poolt rakendatavat jõudu.

Mis on võimendi ja millised on peamised omadused?

Võimendi on seade, mis suurendab sisendsignaali (pinge või voolu) amplituudi, säilitades võimalikult palju originaalsignaali kuju. Peamised tehnilised näitajad on:

• Tõhusus — kui palju sisendenergiast muudetakse väljundvõimsuseks;
• Väljundvõimsus — maksimaalne võimsus, mida võimendi saab kõlariga anda;
• Gain (võimendus) — pinge- või võimsusvõimendus sisendist väljundisse;
• Impedants — sisendi ja väljundi takistus; kõlarite tavalised impedantsid on 4 Ω, 8 Ω või 16 Ω;
• Müratase — sisemine müra, mida võimendi lisab signaalile;
• Moonutus — kogu või sagedusspetsiifiline signaali muutus (THD, intermodulatsioon jne);
• Sageduskarakteristik ja ribalaius — sagedusalad, kus võimendi töötab ilma olulise signaali kaduta;
• Soojusjuhtimine — jahutus, soojusvaheti või ventilaatorid, mis hoiavad transistore/torusid ohutus töötemperatuuril.

Elektroonilised võimendid — tüübid ja tööpõhimõte

Elektroonilised võimendid jagunevad funktsiooni ja konstruktsiooni järgi. Mõned peamised tüübid:

• Eelvõimendid (preamp) — annavad esmase võimenduse ja signaali tingivad filtrid/tonkontrolli;
• Kõrvutõstekad (power amps) — annavad suurema võimsuse, et ajada kõlareid;
• Operaatori võimendid (op-amp) — üldotstarbelised integritud vooluahelad mõõtmise ja signaalitöötluse tarvis;
• RFI/ RF-võimendid — töötavad raadiofrekuentsidel, kasutatavad raadiosaatjates ja vastuvõtjates;
• Digitaalsed (Class D) — kasutavad lülituspõhist pinge-modulatsiooni (PWM) suure efektiivsuse saavutamiseks;
• Toru- (valve) vs pooljuhtvõimendid — toruvõimendid on tuntud soojema heli ja erilise tonaalsuse poolest; pooljuhtvõimendid (BJT, MOSFET) on tavaliselt efektiivsemad ja töökindlamad.

Võimenduse klassid: A, B, AB, C, D, G, H

Võimendi klass määrab, kuidas väljundtransistorid töötavad ja milline on nende efektiivsus vs moonutus:

• Klasse A — transistor töötab kogu pingetsooni jooksul; parim lineaarsus ja madal moonutus, kuid kehv efektiivsus (suur võimsuskadu soojuseks).
• Klasse B — iga väljund-seade juhib pooltsüklit; parem efektiivsus, ent tekkib crossover-moonutus kahe pooltsükli vahel.
• Klasse AB — kompromiss A ja B vahel; vähem crossover-moonutust kui B ja parem efektiivsus kui A — väga levinud heli-võimendites.
• Klasse C — kasutatakse peamiselt RF-võimendites, töötab hästi resonantssüsteemidega, ent ei sobi taastootlikuks audiole.
• Klasse D — lülitusvõimendid, väga kõrge efektiivsus ja väike soojuskadu; vajavad madalpääst filtreid väljundis.
• Klasse G/H — mitme mändi toitepingega või dünaamilise toitesagedusega optimeeritud efektiivsus kõrgema väljundvõimsuse saavutamiseks.

Moonutused ja helikvaliteet

Olulised moonutustüübid:

• Harmooniline moonutus (THD) — originaalsignaali harmooniate lisandumine;
• Intermodulatsioon — erinevate sageduste segunemine, mis tekitab uusi soovimatuid sagedusi;
• Crossover-moonutus — tekib kahe väljundseadme ristumiskohas (eriti klass B);
• Müra ja põranda heli — eelkõige oluline madalvõimsuse eelvõimendites (näiteks mikrofonisissendites).

Negatiivne tagasiside (negative feedback) on tehnika moonutuse vähendamiseks ja sagedusvastuse parandamiseks, kuid liigne tagasiside võib põhjustada stabiilsusprobleeme või sageduslikke helisid.

Mõõtmised ja praktikas olulised näitajad

• Väljundvõimsus RMS — tavaliselt väljendatakse vattides (W) 1 % THD juures või muul standardtingimusel;
• Damping factor — väljundiimpedantsi suhe kõlari impedantsiga; mõjutab bassi kontrolli;
• Slew rate — kui kiiresti suudab võimendi pinge muutuda, oluline kiirete transientide puhul;
• Sisend- ja väljundimpedants — sobiva sobituse tagamiseks (näiteks kõlarite 4 Ω vs 8 Ω).

Rakendused

Võimendid leiavad kasutust väga paljudes valdkondades:

• Audioseadmed: kodukinod, stuudio monitorid, PA-süsteemid, kõrvaklapivõimendid;
• Muusikariistad: kitarri- ja bassivõimendid, effektide eelvõimendid;
• Raadio- ja telekommunikatsioon: saatjate ja vastuvõtjate RF-võimendid;
• Mõõte- ja meditsiiniseadmed: signaali võimendamine sensoritest ja elektroodidelt;
• Autosüsteemid: helisüsteemid, samuti juhtimis- ja pidurisüsteemide mehaanilised võimendid;
• Toiteelektroonika: inverterid ja muundurid, kus kasutatakse lülitusvõimendeid (Class D tüüpi põhimõtted).

Mehaanilised võimendid

Mehaanilised või hüdraulilised võimendid ei tugevda elektrisignaali, vaid suurendavad jõudu, momenti või liikumist. Näited ja põhimõtted:

• Hüdrauliline võimendus — väikese survega juhtimine muudab suure survega väljundi; kasutatakse piduriboosterites, kraanades ja pressmasinates;
• Mehaaniline kang (lever) — lihtne jõu mitmekordistamine punktide kauguste kaudu;
• Hammasülekanne ja käigukast — pöördemomendi suurendamine/vahetus;
• Torque converter ja sidurid — automaatkäigukastides pöördemomendi juhtimine.

Mootorsõidukite roolimis- ja pidurdamisseadmed kasutavad sageli selliseid võimendeid juhi jõu hõlbustamiseks ja täpsema kontrolli saavutamiseks.

Kasutusnõuanded ja ohutus

• Sobitage võimendi väljundimpedants kõlarile (näiteks 8 Ω väljundiga kõlarile), valesti sobitamine võib ülekuumeneda või kahjustada seadet;
• Jälgige võimsust ja THD spetsifikatsioone — väga kõrge väljundvõimsuse nõudmisel eelistada võimendit, mille reaalne RMS-võimsus vastab vajadusele;
• Jahutus on oluline — eriti klass A ja võimas klass AB võimendid vajavad korralikku soojusjuhtimist;
• Vältige eelvõimendi ja lõppvõimendi üleküllastamist — sisendi liiga kõrge pinge põhjustab klippi ja tugevat moonutust;
• Turvalisus autodes: mehaanilised võimendid (nt piduri- või roolivõimendid) peavad olema hooldatud ja lekkekindlad.

Võimendid on tehniliselt ja praktiliselt mitmekülgsed seadmed: valik sõltub kasutusvaldkonnast, soovitavast heliiseloomust, efektiivsusest ja töötingimustest. Heli puhul tasakaalustatakse tihti moonutuse vähendamist ja soojuskadu — eri klassid annavad erinevaid kompromisse. Mehaanilised võimendid täidavad sarnast rolli jõu ja liikumise suurendamisel, kuid füüsikaliste mehhanismide kaudu.

Küsimused ja vastused

K: Mis on võimendi?

K: Mis on võimendi eesmärk?

K: Millised elektroonilised seadmed sisaldavad võimendeid?

K: Mis on impedants?

K: Milline on võimendi tüüpiline impedants?

K: Kuidas saab võimendeid klassifitseerida?

K: Mis vahe on A-klassi ja B-klassi võimendite vahel?

Otsing