Helivõimendi

Helivõimendi ehk helisagedusvõimendi ehk audiovõimendi on elektrooniline võimendi, mis suurendab elektrisignaali pinget (eelvõimendis) ja võimsust (lõppvõimendis ehk võimsusvõimendis) helisageduste alas (enamasti 20 Hz kuni 20 kHz).
Helisagedusliku elektrisignaali allikateks võivad olla näiteks mikrofon, vinüül- või laserplaadimängija, raadioseade ja elektrimuusikariist. Helisagedusvõimendi väljundsignaal juhitakse kõlari[te]sse või kuularitesse.
Levinuim helisagedusvõimendi tüüp on stereovõimendi, s.o kahe helikanaliga võimendi. Helisagedusvõimendi kuulub iga raadio, teleri, arvuti ja nutiseadme koosseisu ning on stereoseadmestiku oluline osa.
Kui võimendis sisaldub signaaliprotsessor mitmekanalilise heli jaoks ja sisendid-väljundid kodukinoseadmete ühendamiseks, nimetatakse niisugust seadet audio-videovõimendiks (AV-võimendiks) ning ka FM-tuuneri olemasolul AV-ressiivriks. Helistuudiotehnikas kuuluvad reguleeritava võimenduse ja sageduskäiguga eelvõimendid mikserpultide koosseisu.
AV-võimendeid ja -ressiivreid valmistatakse eraldi toodetena, seejuures eriti kvaliteetsete seadmete korral eelvõimendeid ja lõppvõimendeid omaette üksustena. Kokkuehitatud eel- ja lõppvõimendi kohta kasutatakse siis terminit täisvõimendi, ka integreeritud võimendi. Eraldi eelvõimendil ja ka täisvõimendil on rohkesti mitut liiki sisendeid ja väljundeid, nii et selle ümber saab luua audiosüsteemi oma vajaduste ja võimaluste järgi ning seda järk-järgult täiendada.
Võimendi põhiparameetrid.
Sisendpinge.
Nimisisendpinge (nominaalne sisendpinge) ehk tundlikkus jääb tavaliselt vahemikku 250–400 mV.
Maksimaalne sisendpinge on suurim 1 kHz sagedusega sisendpinge, mille juures mittelineaarmoonutus ei ületa 1%. Selle pinge väärtus iseloomustab sisendi koormatavust. Hea võimendi on võimeline taluma ka 3–10-voldist sisendpinget.
Väljundvõimsus.
Võimsusvõimendi väljundvõimsus on suurim võimsus, mida võimendi annab nimi-koormustakistusele (harilikult 4 Ω või 8 Ω) etteantud mittelineaarmoonutuse juures. Võimendite andmestikes tuleb ette mitut moodi määratletud väljundvõimsusi.
RMS-võimsus on ruutkeskmine võimsus (vt vahelduvvool). Kõige usaldusväärsemalt iseloomustab võimendit selline RMS-nimivõimsus, mille mõõtesignaaliks on kogu helisageduspiirkonda hõlmav nn roosa müra. Sellise mõõtesignaali võimsus langeb sageduse tõustes 3 dB oktavi kohta, nii et signaali energiasisaldus on kõigil sagedustel ühesugune.
Mõned tootjad nimetavad RMS-võimsuseks ka siinussignaaliga (nt 1000 Hz) mõõdetud väljundvõimsuse väärtust; nii saadud väljundvõimsust tuntakse siinusvõimsusena ning ka DIN-võimsusena.
Nimivõimsuseks võib lugeda üksnes seda RMS-võimsust, mille juures on antud mittelineaarmoonutuse nimiväärtus (THD, lühend ingl k sõnadest "Total Harmonic Distortion"); enamasti jääb see moonutus vahemikku 0,01–1% sagedusel 1000 Hz.
Muusikavõimsus on maksimaalse võimsus THD = 10% korral, mida võimsusvõimendi suudab taluda vaid lühiajaliselt (nt 20 millisekundi kestel). Nimelt sisaldab muusikasignaal impulsse, mille amplituud ületab 10–100-kordselt keskmisi väärtusi. Selliste löökhelide ajal ei jõua toitepinge alaldi filterkondensaatoril langeda ja ka väljundtransistorid üle kuumeneda, mistõttu võimsuse tipud võivadki olla suuremad kui väljundvõimsus püsisignaali korral. Mida suurem on tippvõimsuse ja nimivõimsuse suhe, seda puhtamalt edastab võimendi impulss-signaale. Olenevalt mõõtetingimustest võib muusikavõimsuse arvväärtus olla nimivõimsusest mitu korda suurem.
PMPO-võimsus ("Peak Momentary Performance Output") on mõõtetehniliselt suvaliselt määratletud tippvõimsus, mida kasutatakse mõnikord lihtsaimate võimendite korral, kusjuures mõeldakse väljundvõimsust, mida võimsusvõimendi suudaks anda mõne millisekundi kestel, kui toitepinge jääks püsivaks. PMPO vattidel pole midagi ühist RMS-võimsusega, mis võib olla tegelikult 10–100 korda väiksem. Reaalse väljundvõimsuse hindamisel võib lähtuda toiteploki võimsusest, arvestades et võimendusseadme kasutegur ei ületa 70%. Seega võib nt 10-vatisest võrguadapterist toidetava stereovõimendi kestvaks väljundvõimsuseks lugeda enimalt 2–3,5 W.
Moonutused.
Signaali võimendamisega kaasnevad paratamatult moonutused, mida liigitatakse lineaarmoonutusteks ja mittelineaarmoonutusteks.
Lineaarmoonutus.
Lineaarmoonutus avaldub selles, et võimendi sagedustunnusjoon pole kogu talitlussagedusala ulatuses lineaarne, s.t sirgjooneline. Võimenduse sagedussõltuvuse ehk sageduskäigu ebaühtlust väljendatakse piirsageduste juures detsibellides. Näiteks lineaarmoonutus −1 dB tähendab, et võimendus võib piirsagedustel 20 Hz ja 20 kHz olla 1 dB võrra väiksem kui sagedusel 1000 hertsi. Eriti kvaliteetsetel võimenditel ei ületa sageduskäigu ebaühtlus 0,2–0,5 dB.
Kui detsibellide arv on tehnilistes andmetes näitamata, ei saa lugeda usaldusväärseks ka esitatud piirsagedusi, sest need võivad olla mõõdetud näiteks tasemel −6 dB, samuti võib esineda suuri kõikumisi sageduspiirkonna sees.
Mittelineaarmoonutus.
Mittelineaarmoonutust põhjustab eelkõige asjaolu, et võimendi väljundpinge ja sisendpinge vahelist sõltuvust väljendav tunnusjoon pole täiesti sirge, vaid hakkab erinema sirgjoonest seda enam, mida suurem on sisendpinge. Seejuures lisanduvad siinussignaalile sellega kordsed ehk harmoonilised sagedused (nt signaalile sagedusega "f"0 sagedused 2"f"0, 3"f"0 jne). Nende võõrtoonide osatähtsust väljendab harmoonmoonutustegur ehk klirrtegur THD (lühend ingl k sõnadest "Total Harmonic Distortion").
Et reaalne helisignaal koosneb mitmesuguse sagedusega "f"1, "f"2, "f"3, ... siinuselistest komponentidest, siis põhjustab võimenduselementide mittelineaarsus lisaks harmoonilistele sagedustele ka kombinatsioontoone, s.o uusi, mitteharmoonilisi võnkumisi, nt "f"1 ± "f"2, "f"1 ± "f"3, "f"2 ± "f"3, ... . Kombinatsioontoonidest põhjustatud mittelineaarmoonutus – intermodulatsioonmoonutus – rikub heli puhtust rohkemgi kui harmoonmoonutus ja kuuldub heli karedusena, kui see moonutus ületab 0,5–1%. Ka seda liiki moonutusi väljendatakse THD-teguri kaudu.
Seadurid ja lülitid.
Võimendi esiplaadil on mitmesuguseid seadureid ja lülitusseadiseid (viimaste abil antakse juhtsignaalid enamasti releedesse või protsessorisse).
Sisendid ja väljundid.
Võimendi kasutusulatuse määrab see, milliseid seadmeid saab tema külge ühendada. Peamiselt võimendi tagaküljel võib leiduda mitut liiki pesi:
Analoogsignaali põhiline ühendusseadis on kontsentriliste kontaktidega RCA-pesa (vasakul kanalil valge või must, paremal punane). Kuularite ja mikrofoni jaoks on pulkpistikupesa. Signaali ülekandmine toimub ebasümmeetriliselt, s.t et teiseks juhtmesooneks on maaga (korpusega) ühendatud kaablivarje.
Peamiselt stuudioseadmeis on helisagedussignaali jaoks kolmekontaktilised XLR-pesad sümmeetrilise (BALANCED) ühenduse loomiseks; sel juhul kulgeb signaal ühenduskaabli kahe juhtmesoone kaudu (kolmas on maaga ühendatud varjestus) diferentsvõimendisse, mis võimendab sisendsignaalide vahet; tulemusena signaalisoontes indutseeruvad raadio- ja magnetväljahäired kompenseeruvad, nii et võib kasutada ka pikki kaableid.
Võimsusvõimendid.
Transistor-võimsusvõimendi.
Nüüdisaegse transistor-võimsusvõimendi tüüpskeemis on sisendastmeks suure sisendtakistusega topelt-diferentsvõimendi VT1...VT4. Difvõimendi vasakpoolsesse sisendisse antakse sisendpinge (enamasti 1 V) läbi madalpääsfiltri; see tõkestab kõrgeid sagedusi (nt alates 50 kilohertsist), mis võiksid võimendit üle koormata.
Difvõimendi teise sisendisse saabub väljundist pingejaguri kaudu vastuside signaal, mis vähendab moonutusi ning väljundtakistust ja muudab sisendsignaali puudumisel väljundsignaali nulliks. Pingejaguri takistuste suhe määrab pingevõimenduse. Transistoride VT1, VT3 kollektoriahelaisse ühendatud transistorid VT5, VT6 võimendavad signaali võimsustransistoride tüürimiseks vajaliku tasemeni.
Võimsustransistorideks võivad olla bipolaartransistorid (nagu siinsel skeemil VT8, VT9), väljatransistorid (MOS-FET) või isoleeritud tüürelektroodiga bipolaartransistorid (IGBT). Kõigil neil transistoritüüpidel on omad eelised ja puudused, ent sobivas lülituses on nad enam-vähem samaväärsed. Transistoride VT5, VT6 kollektorite vahele ühendatud transistor VT7 loob võimsustransistoridele VT8, VT9 vajaliku eelpinge, nii et nad on pidevalt aktiivses tööolekus. Transistorid VT10, VT11 kaitsevad väljundtransistore liiga suure sisendpinge ja väljundi lühise eest.
Skeemi täiesti sümmeetriline ülesehitus tagab võimsustransistoride sobivalt valitud jõudevoolu ja piisavalt tugeva vastuside korral praktiliselt moonutusvaba võimsusvõimenduse.
Võimsusvõimendid on enamasti teostatud integraalkomponentidena, ainult võimsustransistorid võivad olla eraldi radiaatoreil. Üksikelementidest on koostatud üksnes eriti kvaliteetsed võimendid.
D-klassi võimsusvõimendi.
Järjest enam signaaliallikaid on digitaalsed (CD, DVD, BD). Ka moodsad pildiseadmed (LCD- ja LED-kuvarid, videoprojektorid) töötavad digitaalsignaaliga. Ainult audiosignaali ahelas on veel säilinud analooglüli helisagedusvõimendi näol. Ent digitaallülitusi on hakatud looma ka helisignaali võimendamiseks. Sel juhul võib kogu ülekandetraktis (kuni kõlarini) läbi saada ilma digitaal-analoogmuundamiseta.
Digitaalvõimendeile on omane suur kasutegur (üle 90–95%), nii et soojust eraldub vähe (ühesuguse soojuseralduse juures võib väljundvõimsus olla 50–80% suurem). Seetõttu saab paigutada kogu helisagedusvõimendi lülituse ühele kiibile ja ühtlasi vähendada toiteploki ja kogu võimendi gabariite. Esimesed digitaalsed helisagedusvõimendid lasi Sharp müügile 1999. aastal.
Digitaalseks nimetatakse mõnikord ka võimendit, millel eelastmed töötlevad tavalisel viisil analoogsignaale, ainult võimsusvõimendi töötab lülitirežiimis (D-klassi võimendusrežiim). Lülitina toimivad võimsustransistorid (harilikult kõrgsagedus-väljatransistorid), mis saavad olla ainult kas täielikult suletud või avatud (seega digitaalolekuis); mõlemal juhul on energiakadu transistorides tühine. Niisiis asendab pidevat signaali ristkülikimpulsside jada.
Transistorlüliti olekute juhtimiseks vajalikud digitaalsed tüürsignaalid moodustab modulaator, mis muudab vastavalt analoogsignaali amplituudile ristkülikimpulsside laiust, s.t toimib impulsilaiusmodulaatorina (PWM). Taktsagedus jääb vahemikku 0,5–1,5 MHz. Transistorlülitist väljuvad impulsid on samasuguse kujuga kui sisendis, ent palju suurema, toitepingele vastava amplituudiga.
Transistorlülitile järgneb LC-madalpääsfilter (tavaliselt teist järku), mis integreerimislülina toimides (impulsside keskväärtusi summeerides) taastab kujult sisendsignaalile vastava võnkumise. Madalpääsfiltri väljundsignaal antakse kõlarisse.
Lampvõimendi.
Alates möödunud sajandi 60. aastatest on elektronlamp aktiivelemendina transistori poolt peaaegu täielikult välja tõrjutud. Siiski leiavad paljud audiofiilid, et kõige meeldivamalt kõlab just lampvõimendi heli. Määravaks ei peeta seejuures mitte niivõrd tehnilisi näitajaid, mis on transistorvõimendeil peaaegu kõigis kategooriates paremad, vaid eelkõige just helipildi individuaalset taju, selle vastavust harjumuspärasele kõlale. Võimendit koos kvaliteetkõlaritega käsitatakse omaette muusikainstrumendina.
Üks väheseid tehniliselt kirjeldatavaid parameetreid, mida võib kirjutada lampvõimendite plusspoolele, on harmooniliste soodsam struktuur. Nimelt ei olene moonutuste märgatavus ainuüksi lisanduvate harmooniliste protsendist, vaid ka nende koostisest, kusjuures paarisarvulised komponendid on vähem märgatavad kui paarituarvulised. Näiteks 500-hertsisele siinussignaalile lisanduvad elektronlambis ülemtoonid sagedusega 1000, 2000, 4000 Hz, nii et iga järgmine sagedus on oktavi võrra kõrgem ja amplituud poole väiksem. Niisuguste harmooniliste ülemtoonide jada (mis tekib ka nt pillikeele võnkumisel) mahendab põhitooni kõla. Seevastu signaalile lisanduvad paarituarvulised sagedused (näitejuhul 1500 Hz, 2500 Hz, 3500 Hz) ei moodusta kahekordselt kasvavate sageduste jada ning põhjustavad disharmooniat.
Elektronlampide kasutamine on mõttekas nt kitarrivõimendis, mille ületüürimisel lisanduvad paarisharmoonilised sagedused just aitavad luua soovitud kõla. Sel juhul võibki 0,5-protsendilise harmoonmoonutusega lampvõimendi kõlada paremini kui transistorvõimendi, mille üldine klirrtegur on 0,1%.