Putkivahvistinrakennusohje – SE/84 Brachycera – Osa 1

Putkivahvistimen rakentaminen kiinnostaa, mutta alkuun pääseminen tuntuu ylitsepääsemättömän vaikealta? Tämän artikkelisarjan tarkoitus on paitsi nostaa mystiikan huntua putkilaitteiden yltä, myös esitellä yksinkertainen ja hinnaltaan hyvin kohtuullinen vaihtoehto rakentelu-uraansa aloittelevalle harrastajalle.

Päätoimittajamme esitti minulle taannoin näennäisen viattoman tiedustelun siitä, miten yksinkertaisen putkivahvistimen rakentaminen olisi mahdollista. Olisin toki voinut esittää yksinkertaisen vastauksen yksinkertaiseen kysymykseen. Sen sijaan päädyin kuitenkin pienen työskentelyrupeaman jälkeen siihen, että vahvistinkokoelmani vahvuus karttui jälleen yhdellä jäsenellä.

Yksinkertainen vastaus alkuperäiseen tiedusteluun olisi ollut lyhyt: ”erittäin simppelin”. Kun oikein yksinkertaiseksi mennään, ei putkivahvistinasteen rakentamiseen tarvita kuin yksi putki, neljä vastusta, kondensaattori ja päätemuuntaja kanavaa kohden. Tuplataan kanavat, lisätään virtalähde, ja muutamalla kymmenellä osalla tehtynä käsillä on valmis stereovahvistin. Puhutaan siis hyvin yksinkertaisesta laitteesta verrattuna siis vaikkapa kauko-ohjattavaan putkitoimiseen etuvahvistimeeni, joka on kasattu kahdelle piirilevylle, sisältää niin läpiladottuja kuin pintaliitoskomponenttejakin, ja koostuu noin kahdesta sadasta osasta.

Yksiputkinen, yksiasteinen, yksinkertainen

Olen tuollaisen mainitun sorttisen vahvistimen rakentanutkin. Ihan vain vitsinä. Suunnittelin ja mitoitin kytkennän vuosia sitten töissä kahvitauolla, ja rakentelin sen seuraavana iltana lähinnä jämäosia käyttäen. Nimekseen tuotos sai ”Uni-Korni”. Englantia puhuvassa maailmassa tämäntyyppisiä yksiputkisia vahvistimia kutsutaan nimellä ”spud”. Nimi ei ole mikään lyhenne, vaan viittaa perunaan. Kyllä, luitte aivan oikein: pottuun. En ehkä tässä ala erittelemään, että miten pottu ja putkivahvistin liittyvät toisiinsa. Internet kyllä kertoo tiedonjanoiselle, etsikää sieltä.

Huolimatta naurettavista lähtökohdistaan rakentamani vahvistin ei sitten kuitenkaan kuulostanut niin huonolta kuin olin ehkä ajatellut. Ei se mikään suorituskykyihme tietenkään ollut; tehoa kahdeksaan ohmiin saatiin kokonaiset 0,8 wattia särön jäädessä viiden prosentin kieppeille. Tuloherkkyyskin oli hankalan korkea, vaatien 2Vrms tulojännitteen saavuttaakseen täyden tehon. Käytännössä vain CD-soittimien täysi antojännite riittää.

Lasiputken henkinen elämä

Vaikken suosittelekaan kenellekään tämän tyyppisten vahvistinten rakentamista kuin korkeintaan kuriositeettina, esittelen tässä sen kytkentäkaavion. Sen yksinkertaisuus kun antaa helpon pohjan selostaa putkivahvistinten sielunelämää edes jotenkin maallikon ymmärrettäväksi.

Uni-Kornin kytkennän ainoa aktiivinen komponentti on V1, joka tässä tapauksessa on tyypiltään E55L. Putki on pentodi, mutta tässä kytketty triodiksi. Älkää kuitenkaan tässä jääkö märehtimään sitä, mikä on pentodin ja triodin välinen ero, ajatelkaamme tuota ainokaista putkea triodina – siis putkena, jossa on kolme elementtiä (sattumoisin pentodissa niitä on viisi).

Triodissa, jos unohdamme hehkun, on siis kolme elementtiä: anodi, hila ja katodi. Virta kulkee katodilta positiivisemmalle anodille hilalle tuodun jännitteen ohjaamana.

Elektroniputki, samoin kuin vaikkapa MOSFET, on luonteeltaan jänniteohjattu virtalähde. Tarkoittaa siis sitä, että kun putken ohjauselementille – ohjaushilalle – tuotu jännite muuttuu, muuttuu myös putken läpi kulkeva virta sen mukana. Ja tähän ilmiöön perustuu sen vahvistus. Yritän nyt tarkoitukselliseti vältellä asioiden matemaattisempaa puolta, mutta sellaista esitystapaa kaipaaville löytyy aiheesta vaikka kuinka paljon luettavaa perinteisten kirjastojen lisäksi internetin maailmasta.

Tässä tapauksessamme siis putken ohjaushilalle tuotu jännite on tietenkin musiikkisignaalimme, joka johdetaan sinne potentiometrin R4 ja sarjavastuksen R3 lävitse. Tämä signaali hyppyyttää virtaa putken – ja samalla sen anodille kytketyn päätemuuntajan – lävitse mukanaan. Putkella on myös transkonduktanssiksi nimetty ominaisuus. Niin korkealentoiselta kuin nimitys kuulostaakin, tuo kertoo vain montako ampeeria on virran muutos hilalle tuotua volttia kohden, siis A/V. Joskin yleensä putkien transkonduktanssi lasketaan milliampeereissa volttia kohden, mA/V, josta usein käytetään myös nimitystä millisiemens eli mS.

Kun jännite putken hilalla nyt sykkii musiikkisignaalimme tahdissa, on putken läpi siis suunnilleen saman näköinen vaihtovirta. Ja koska virta kulkee aina silmukoissa, on tuo sama vaihtovirta myös päätemuuntajamme lävitse. Putki yksinkertaistetusti näkee muuntajan lähinnä vastuksena, jonka suuruus on muuntajan toisiolle kytketty kaiutinkuorma kerrottuna sen muuntosuhteella. Muuntaja tarvitaan paitsi siksi, että se ei päästä putken tarvitsemaa tasavirtaa lävitseen, myös siksi, että putki ei oikein välitä niin matalaohmisista kuormista, kuin mitä tyypilliset kaiuttimet ovat. Muuntaja sovittaa kaiutinkuorman putkelle hyväksyttäväksi.

Muuntaja sovittaa kaiutinkuorman putkelle hyväksyttäväksi.

Vielä yksi vastus, R1 putken katodilla, on selittämättä. Tuon vastuksen tarkoitus on vain asettaa putken toimintapiste – siis tyhjäkäyntivirta. Koska putki haluaa nähdä hilallaan pienemmän jännitteen kuin katodillaan, voidaan katodi yhdellä vastuksella nostaa korkeampaan jännitteeseen, kuin maihin kytketty hila. Virta putken lävitse tuottaa jännitteen tuohon vastukseen, jonka suuruus on pääteltävissä Ohmin lain avulla. Tämä vastus on kuitenkin vaihtovirtaa ajatellen ohitettava kondensaattorilla – siis vaihtovirta ei saa nähdä tuota vastusta. Muutoin putken sisäimpedanssi kasvaisi tuon vastuksen vaikutuksesta, ja heikentäisi sekä vaimennuskerrointa että vahvistusta.

Niin yksinkertainen, kuin on järkevää

Kärryillä vielä? Toivottavasti. Tässä on hyvä muistuttaa, että ylläoleva on sitten aika äärimmäinen yksinkertaistus, jonka tarkoitus on lähinnä päästää jujulle nekin, jotka ovat pitäneet putkivahvistimia aiemmin henkimaailman juttuina. Eivät ne ole, lyijykynä ja nelilaskin ovat tarpeeksi hyvät työkalut näiden suunnitteluun.

Mutta miksen sitten suosittele tuollaisen rakentamista? Kyllä, Uni-Korni on toimiva laite, ja yllä esiteltyyn kytkentään ei tarvitse todella lisätä kuin +150V ja 6,3VAC -virtalähteet, ja kasassa on valmis vahvistin. Se ei kuitenkaan ole varsinainen tosimaailman vahvistin. Paitsi että se on teholtaan ja säröarvoiltaan vaatimaton, sen vahvistus ei monissa tapauksissa ole riittävä. Suurin osa tietokoneiden äänikorteista ja levysoitinetuvahvistimista antavat liian pienen lähtöjännitteen tuollaiselle.

Toinen tekijä on käytetyn putken – E55L – heikko saatavuus ja hieman vuodenajasta sekä kuunpilkuista riippuva hinta. Toisinaan noita saa maailmalta parilla kympillä kipale, kun taas seuraavana päivänä halvin voi eBay:ssä maksaa 125 euroa.

On olemassa joitakin muitakin vastaavia putkia, joilla ylläolevan tyyppisen vahvistimen voi rakentaa. Yksi tunnettu ja nykytuotannossakin oleva on venäläinen 6C45pi. Koska ajattelin aluksi tämäntyyppisen vahvistimen julkaisemista, tutkin tuonkin vaihtoehdon. Pyörittelin paperilla erinäisiä toimintapisteitä ja vaihtoehtoja tuolle putkelle, ja päädyin siihen että ei, en suunnittele, enkä ainakaan julkaise. Toimiva vahvistin on kyllä tehtävissä, muttei sellaista jonka vaivautuisin julkaisemaan.

Järkikärpänen

Miksi julkaista vahvistin, joka antaa ulos hyvällä tuurilla vähän alle watin, kun voi julkaista sellaisen, joka tuuppaa ainakin kaksi wattia ulos? En keksinyt edes tekosyitä tällä kertaa – ja uskokaa, olen siinä hyvä – joten monimutkaistin asioita hieman. Juuri siihen pisteeseen, että ei tehdä mahdollisimman yksinkertaista vaan vain niin yksinkertaista, kuin on järkevä tehdä.

Lisäsin yhden putken pääteputkien eteen. Uni-Kornin kytkentähän on periaatteessa vain päätevahvistinaste, jonka tuloherkkyys riittää juuri ja juuri ilman edeltäviä jännitevahvistinasteita sellaisenaan. Vahvistimena se on siis vähän erikoistapaus, ei täysin yleiskäyttöinen. Joten lisätäänpä yksi vahvistinaste. Komponentteja ei edelleenkään tule kovin paljoa, mutta laitteen hyödyllisyys kasvaa huomattavasti.

Voimme käyttää putkia, joita on nykytuotannossa saatavilla yllin kyllin.

Lisätystä monimutkaisuudesta on toinenkin ilo: nyt voimme käyttää putkia, joita on nykytuotannossa saatavilla yllin kyllin eri valmistajilta, ja lisäksi vieläpä kiitettävän halvalla. Jos pelkäät putkivahvistimia sen takia, että putket ovat kalliita, voit unohtaa pelkosi. Pääteputken vaihto maksaa nyt kympin, eikä etuasteputkikaan tähän vahvistimeen maksa edes kahta kymppiä.

Eikä tässä vielä kaikki!

Yhden putken lisääminen keitokseen tuo siis aikamoisen liudan riemuja rakentajalle. Paitsi että saamme enemmän tehoa halvemmalla, on myös laitteen tuloherkkyys parempi. Siinä missä Uni-Korni vaatii 2Vrms tulojännitteen antaakseen täyden 800 milliwatin antotehonsa, tarvitsee kahden putken vahvistin vain 400mVrms antaakseen ulos ensimmäisen wattinsa! Ei ihan merkityksetön ero. Herkkyyttä olisi voinut vielä kasvattaakin, mutta silloin olisin joutunut tekemään toisenlaisia kompromisseja.

Parin watin vahvistin ei tietenkään ole vielä ihan jokamiesluokan vahvistin. Siinä missä vaikkapa useimmille Nitrosäiliöiden tai suurimpien Yksisilmäisten käyttäjille pari wattia on täysin riittävä teho, ei se aivan kaikille kuitenkaan ole tarpeeksi. Toisaalta sen ensimmäisen rakentamasi putkivahvistimen ei ole pakko olla ykkössetin vahvistin, jos tarpeeksi herkille kaiuttimille ei ole tilaa. Miten olisi työpöytävahvistin? Kuulokelähdöllä!

Näistä lähtökohdista suunnittelin SE/84 Brachyceran. Vahvistimen, joka sai nimensä kärpästen lahkosta. Se ei mielestäni kuulosta ihan huonoltakaan, mutta jäävään itseni tällä kertaa äänellisestä arvioinnista. Jätettäköön se päätoimittajamme tehtäväksi.

Lopputulos on kuitenkin melko edullinen putkivahvistin, joka pitää tietenkin rakentaa itse. Mutta se antaa ulos parisen wattia tehoa kahdeksaan ohmiin, tai vaihtoehtoisesti 100mW Sennheisereideni 300 ohmin kuormaan. Tai 700mW Gradojen 32 ohmin kuormaan. Eikä se ole vielä mahdottoman iso. Ja sen kytkentä esitellään seuraavassa osassa.

Kärpässarjan muut artikkelit:
Osa 2
Osa 3

Kuvat: Mikko Kutvonen ja Samu Saurama