Kaikki putkivahvistimet eivät vaadi peräänsä äärettömän herkkiä laajakaistoja tai torvikaiuttimia. Laadukkaan ja tavalliselle pikkukaiuttimellekin riittävän putkivahvistimen voi rakentaa itse ja lopputulos saattaa jopa yllättää.
Edellisen putkivahvistinohjeeni kantavana ajatuksena oli yksinkertainen, helposti aloittelijankin rakennettavissa oleva laite ja kohtuullinen hinta. Tarkoitus oli madaltaa kynnystä ryhtyä tuumasta toimeen, ja tämä kantoikin hedelmää. Varjopuolena oli pieni teho ja vaatimattomat mittaustulokset, vaikka ääni kuultuna olikin paljon paperilla esitettyä parempi. Tämän artikkelisarjan tavoitteet ovat korkeammalla: tarpeeksi tehoa tinkimättömällä äänenlaadulla ja moitteettomin mittaustuloksin.
Lopulta tuo pariwattinen rääpälesarjan putkivahvistin – SE/84 Brachycera – saavutti paljon suuremman suosion kuin mitä olin uskaltanut edes unelmoida. Ja palauttipa se palautteen perusteella monen sen rakentaneen maan pinnalle mitä tulee siihen, paljonko sitä tehoa lopulta tarvitaan. Mutta realismi on sentään hyvä pitää mukana menossa, eikä kahdelta watilta voi vaatia määräänsä enempää.
Mikä on sitten se “riittävä” määrä tehoa, jos kotikuuntelua ajatellaan?
Mikä on sitten se “riittävä” määrä tehoa, jos kotikuuntelua ajatellaan? Nykypäivän D-luokkaiset vahvistimet puskevat joskus sellaisia teholukemia, että niillä voisi pyörittää pientä – tai joskus isompaakin – pylväsporaa. Ja vaikka dynaaminen kaiutinelementti muuntaakin sähkötehoa paremmin lämmöksi kuin ääneksi, aika harva siltikään oikeasti tarvitsee tuollaisia tehoja kotonaan. Olen joskus kytkenyt kiusallani pienen oskilloskoopin kiinni harrastajatoverin kaiutinlähtöihin ja laittanut asteikon kohtaan 1V/div, siis voltti per jakoväli. Kun skoopin näytölle mahtuu kokonaisuudessaan kahdeksan jakoväliä, tarkoittaa tällöin asteikon ääriin ulottuva signaali kahdeksaa volttia piikistä piikkiin, ja kahdeksan ohmin kuormaan puhutaan silloin yhden watin tehosta. Monesti normaalissa kuuntelussa sinne laitoihin osutaan harvemmin kuin kuvittelisi. Todellinen tarve riippuu tietysti aina huoneesta ja kaiuttimista, mutta kuvitellaan usein suuremmaksi kuin mitä se todella on.
Tehoa soisi aina jonkun verran jäävän reserviinkin, eikä sitä ole putkilla aivan yhtä helppo tuottaa poskettomia määriä kuin transistoreilla. Yksi nopeasti ongelmia aiheuttavaksi tekijäksi nouseva osa on päätemuuntaja, josta tulee joko iso ja kallis, tai kaistanleveydeltään rajoittunut. Yksinkertaisuuskin alkaa kärsimään, ja SE/84 Brachyceran kaltaiset Single Ended -toteutukset jäävät aivan äärimmäisiä poikkeuksia lukuunottamatta heti pois kartalta. On kyllä olemassa kaupallisiakin radiolähetintriodeilla toteutettuja Single Ended -päätteitä, jotka uhoavat puskevansa peräti toiselle sadalle watille kohoavia teholukemia, mutta hinta on hurja niin hintalapussa kuin sähkönkulutuksessakin. Esimerkiksi 833A-lähetintriodin hehkut yksinään haukkaavat jo sadan watin edestä sähkötehoa, ja anodijännitteet nousevat toiselle kilovoltille elleivät ylikin. Tällainen pääte saattaa tuottaa kokonaisuudessaan hukkatehoa lähes kilowatin per kanava tyhjäkäynnillä. Talvella suorasähkölämmitteisessä talossa näin saadaan lämmön sivutuotteena ääntäkin, mutta muuten asetelma on ehkä vähän epäkäytännöllinen. Yksinkertaisuudenkin suhteen ollaan jo kaukana SE/84 Brachyceran kahden asteen simplisiteetistä, sillä tuollainen iso lähetinputki kaipaa eteensä jo aika paljon järeämpää ohjainta kuin yksittäisen ECC81:n puoliskon.
Elektroninen kiikkulauta
Jos nyt kuitenkin unohdetaan äärimmäisyyksiä pelkäämättömät statement-tuotteet, niin mikä neuvoksi, jos ”Kärpänen” ei ihan riitä, mutta putkia tekisi mieli? Helpoin – ja ehdottomasti järkevin – tapa tuottaa putkilla tehoa on ns. push-pull -vahvistin, kotimaisemmin vuorovaiheinen. Pääteputkia otetaan yhden sijaan kaksi (tai useampia rinnakkain) ja laitetaan yksi vetämään ja toinen työntämään. Analogiana leikkikentän kiikkulauta on aika mainio, yksi nousee, toinen laskee. Teknisemmin määriteltynä push-pull -vahvistin toimii vuoroin virtalähteenä ja virtanieluna. Single ended toimii aktiivisesti vain toisena.
Vuorovaiheisuus kasvattaa vahvistimen monimutkaisuutta melkoisesti mutta tarjoaa vastineeksi paljonkin lisäarvoa. Ensinnäkin tämä sähköisenä kiikkulautana toimiminen mahdollistaa vahvistimen toiminnan A-luokan lisäksi muissakin toimintaluokissa. Vuorovaihekone voi toimia myös B-luokassa, jolloin samasta pääteputkiparista saadaan paljon enemmän tehoa paremmalla hyötysuhteella. Siinä, missä esimerkiksi EL34-pääteputkella SE-kytkennässä on haasteellista saada yli kahdeksaa wattia aikaiseksi, voi kaksi sellaista tuottaa PP-kytkennässä jopa 50 watin tehon. Hi-Fi -vahvistimissa tosin yleensä jäädään tuosta, sinne muutaman kymmenen watin nurkille.
Toinen merkittävä hyöty saadaan siitä, että toisin kuin single ended -vahvistimessa, push-pull vahvistimen päätemuuntaja ei teoriassa näe lainkaan DC-magnetisaatiota. Pääteasteen tyhjäkäyntivirrat kyllä kulkevat kummassakin muuntajassa samaan tapaan, mutta vuorovaiheisen muuntajan tapauksessa vastakkaiset virrat kumoavat toisensa. Näin päätemuuntajaan ei tarvita ilmarakoa kompensoimaan tuota tasavirtaa ja muuntajasta saadaan samassa teholuokassa pienempi ja ensiöinduktanssista korkeampi. Siinä missä hyvänkin SE-muuntajan ensiöinduktanssi yleensä liikkuu muutaman kymmenen henryn luokassa, voi se PP-muuntajan tapauksessa olla useita satoja henryjä. Tämä näkyy bassopään toistossa suoraan.
Paperilla vuorovaiheinen on siis huomattavasti single ended -vahvistinta etevämpi rakenne.
Kolmantena herkkuna pääteasteesta saadaan pienempisäröinen. Vuorovaihepäätteessä parilliset harmoniset särökomponentit kumoutuvat päätemuuntajassa, joten särötaso on yleensä jo ennen vastakytkennän lisäämistä paljon matalampi kuin SE-koneessa. On kuitenkin huomattava, että tämä koskee pääteastetta, ja lopullisen vahvistimen säröspektri voi olla ihan mitä vain.
Paperilla vuorovaiheinen on siis huomattavasti single ended -vahvistinta etevämpi rakenne. Hurinallekin se on vähemmän arka, sillä osa verkkohurinastakin kumoutuu päätemuuntajassa. Mutta kuten mainittu, vahvistimen rakenteesta tulee välttämättä monimutkaisempi ja hyvän lopputuloksen saavuttamisesta vaativampaa.
Toimintaluokat
Nyt kun asia kerran tuli puheeksi, voimme pureutua sivussa hieman lineaarivahvistimien toimintaluokkiin. Näihin kun tuntuu jonkun verran yhä liittyvän mystiikkaa. Muistan kyllä omasta nuoruudestani eritoten A-luokkaan liitetyn suorastaan ylimaallisia ominaisuuksia.
Tosiasiassa hommassa ei kuitenkaan ole juuri mitään transendentaalista, vaan A-, AB- ja B-luokilla viitataan vain siihen, kuinka suuren osan siniaallosta kumpikin vahvistimen puolisko ottaa hoitaakseen. A-luokassa kumpikin puolisko johtaa siniaallon molempien puolijaksojen ajan, B-luokassa taas yksi puoli hoitaa positiivisen, toinen negatiivisen puolijakson. AB-luokassa taas – ei kovin yllättäen – vahvistin toimii pienille tehoille A-luokassa ja toinen puolisko simahtaa kesken toisen puolijakson. Tässä piilee myös syy sille, miksi SE-kone ei voi olla kuin A-luokkainen; siltä kun puuttuu se toinen puolisko, joka vetäisi toisen työntäessä.
Tässä kohtaa on myös vaara kompastua väärinkäsitykseen. AB-luokkainen vahvistin ei nimittäin varsinaisesti vaihda toimintaluokkaa tehontarpeen kasvaessa. Mikään ei naksahda missään eikä kytke mitään vahvistimen sisällä toiseen toimintatilaan, vaan toisella puolella pääteastetta tulee ikään kuin lattia vastaan eikä se voi enää kyykätä syvemmälle. Tällöin se toinen puolikas joutuu hoitamaan viime rypistyksen yksin.
Jotta sotku olisi varma, jotkut vahvistimet antavat mahdollisuuden erikseen pakottaa pääteaste A-luokkaan kytkimellä, mutta tuo kytkin sitten vaikuttaa yleensä lähinnä pääteasteen biasointiin – siis tyhjäkäyntivirtaan. Samalla vahvistimen suurin ulostuloteho pienenee yleensä paljonkin.
Näillä toimintaluokilla on kullakin etunsa ja varjopuolensa. A-luokassa särö on pienimmillään, B-luokassa taas tehoa saadaan eniten ja hyötysuhde on paras. Mutta puhtaasti B-luokassa toimivaa vahvistinta on haasteellinen saada toimimaan niin, että siniaallon puolijaksot jatkaisivat menoaan tehon nollakohdassa päätteen puoliskolta toiselle ilman epäjatkuvuuskohtaa. Tätä kutsutaan ylimenosäröksi, ja sen välttämiseksi käytännössä kaikki Hi-Fi -vahvistimet, jotka eivät ole puhtaan A-luokkaisia (tai sitten hakkureita) toimivat enemmän tai vähemmän AB-luokassa. Tavallinen vuorovaiheinen putkikone saattaa hyvin olla puolellekin tehostaan A-luokkainen, kun taas tyypillinen transistorikone siirtyy B-luokkaan paljon aikaisemmin. Tämä lienee osin seurausta siitä, että putket kestävät itsessään paljonkin häviötehon tuottamaa lämpöä, kun taas transistorikoneessa tarvitaan aina sitä enemmän jäähdytystä, mitä suuremmaksi häviöt käyvät. Muistan opiskeluaikoinani miettineeni 50-wattisen A-luokkaisen MOSFET-päätteen rakentamista, mutta rahani olisivat loppuneet kesken jo jäähdytyssiilejä hankkiessa; niihin yksinään olisi mennyt satoja euroja.
Rakennuspalikat
Kuten aina, on tämäkin “kissa” nyljettävissä lukuisin konstein, mutta päätin tällä kertaa kunnioittaa perinteitä enkä uneksinutkaan keksiväni pyörää uudestaan. Oma kontribuutioni on tässä ennen kaikkea siinä, että olen valikoinut osat niin että niitä saa lähikaupan hyllystä, ja kaikki on nykytuotantoa. Osien saatavuus ei siis ole aivan yhtä tuurin varassa kuin NOS-osia käyttäessä.
olen valikoinut osat niin että niitä saa lähikaupan hyllystä, ja kaikki on nykytuotantoa
Yksi vuorovaihevahvistimen pääarkkityypeistä on tuttu jo 50-luvun puolivälistä Mullardin julkaisuista, ja tunnetaan nimellä Mullard 5-20. Tämä viisiputkinen vahvistin tuotti 20 wattia tehoa, siitä nimi. Sen topologia on monelle varmasti tuttu: tulossa on pentodilla tehty jännitevahvistinaste, jota seuraa kaksoistriodilla tehty ns. Long tailed pair-tyyppinen vaiheenkääntäjä. Perässä katodibiasoitu UL-pääteaste, ja paketti on valmis. Eräs variaatio kiinteällä biaksella tästä on Harman Kardon Citation V. Tanskalaisen Claus Byrithin ansiokas paperi “Power amplifiers with valves – an approach and a practical circuit” 2000-luvun alkupuolelta pureutui myös samantyyppiseen kytkentään.
Vaiheenkääntäjä on yksi tärkeimpiä osia vuorovaiheisessa vahvistimessa, sillä ilman sitä koko kello ei tikitä. Pääteaste tarvitsee kaksi täsmälleen yhtä suurta mutta vastakkaisvaiheista tulosignaalia toimiakseen – siis käytännössä balansoidun signaalin. Putkimaailmassa eri vaiheenkääntäjätopologioita on kolmea päätyyppiä: cathodyne, long tail pair ja paraphase. Näistä eniten käytettyjä ovat kaksi ensin mainittua, viimeinen on vähän harvinaisempi.
Cathodyne on näistä yksinkertaisin. Se vaatii vain yhden putken, ja niin kauan kuin anodi- ja katodivastukset ovat tasan yhtäsuuret, ovat myös molemmat lähtösignaalit käytännössä aina symmetriset. Huonona puolena on vain se, ettei cathodynellä ole lainkaan vahvistusta, joten sen käyttö on yleisempää pienempitehoisissa vahvistimissa, joissa pääteaste ei tarvitse niin paljoa signaalijännitettä saturoituakseen. Dynacon legendaariset ST35 ja ST70 käyttävät cathodyne-vaiheenkääntäjää. Myös vielä legendaarisempi Williamson-vahvistin käytti tätä vaiheenkääntäjätopologiaa, mutta lisäsi sen perään vielä yhden asteen vahvistusta kummallekin puolelle ennen pääteputkia.
Tehokkaammissa vahvistimissa yleisin ratkaisu lienee ns. long tail pair, joka on periaatteessa melkein differentiaalivahvistin. Itseasiassa jos sen häntävastuksen tilalle asetetaan vakiovirtageneraattori, se on differentiaaliaste. LTP-asteen vahvistus on karkeasti suunnilleen puolet siitä, mitä vastaavasta yhteiskatodikytketystä vahvistimesta saataisiin, mutta toisin kuin cathodynellä, sitä on. Lisäksi tämän tyyppinen vahvistin luonnostaan kumoaa osan omista säröistään. Kytkennän varjopuolena sen mitoittaminen on tehtävä tarkoin, jotta molemmat signaalit ovat yhtäsuuret. Tämän topologian valitsin PP/66 Olkiluotoon, ja sitä on käytetty myös mainitsemassani Mullard 5-20:ssä, Marantz 7:ssä jne.
Paraphase on vaiheenkääntäjistä kaiketi unohdetuin. Topologia on tuttu mm. alkuperäisestä Quad II -vahvistimesta. Ajatus on, että yksi signaali kulkee ensimmäiseltä vahvistinasteelta suoraan ja toinen käytetään toisen vahvistinasteen kautta, joka vahvistus on -1; siis invertoiva yksikkövahvistus. Topologia kyllä toimii, muttei ole erityisen elegantti. Signaalinpuoliskoista toinen kulkee yhden, toinen kahden vahvistinasteen läpi, ja aivan täydellisen symmetrian saavuttaminen on melkeinpä mahdotonta.
Vaihtoehtoinen konsti hoitaa vaiheenkääntö ilman aktiivisia komponentteja on käyttää symmetrointimuuntajaa
Vaihtoehtoinen konsti hoitaa vaiheenkääntö ilman aktiivisia komponentteja on käyttää symmetrointimuuntajaa. Tällaisiakin vuorovaiheisia laitteita on tehty maailman sivu, mutta varsinkin silmukkatakaisinkytketyssä laitteessa pelkkä ajatuskin vielä toisesta muuntajasta signaalitiellä on pieni painajainen. Vaiheensiirtoa ja kaistanrajoittumista kummassakin päässä tulee jo pakollisen päätemuuntajan tuoman päälle lisää, eikä hinnassakaan voiteta mitään. Laadukas vaiheenkääntömuuntaja kun maksaa äkkiä lähes saman kuin kelvollinen päätemuuntajakin.
Selitettäväksi jää vielä lyhenne “UL”: lyhenne tulee sanoista “ultra linear”, ja kuvaa yhtä tapaa kytkeä päätepentodi päätemuuntajaan. Osa ensiökuormasta kytketään putken suojahilalle, jolloin saadaan aikaiseksi paikallisesti takaisinkytketty pentodin ja triodin välimaastossa toimiva pääteaste. Tehossa jäädään vähän puhtaasta pentodikytkennästä, mutta säröt ja lähtöimpedanssi saadaan matalammiksi. Ihan kuriositeettina kokeilin muuten pentodikytkentääkin tässä simulaation tasolla, ja noin tosiaan kävi. Tehoa olisi saatu vajaa kymmenen wattia lisää. Samalla säröissä olisi kärsitty hieman, ja lähtöimpedanssi olisi ollut yli tuplat siitä, mitä lopullisesta ultralineaarivahvistimesta nyt saadaan. Vastaavasti, jos pääteputket kytketään triodeiksi, saataisiin tehoa ehkä noin puolet ultralineaarikytketystä, mutta lähtöimpedanssi edelleen laskisi.
Entäs ne putket?
Kun nyt topologia on pääpiirteittäin hahmoteltuna, on päätettävä tavoiteltava teho. Se nimittäin vaikuttaa suuresti pääteputkivalintaan. Alkuperäinen hajatelmani tätä vahvistinta varten jostain vuodelta 2018 taisi tähdätä 25 wattiin, mutta tämän artikkelisarjan vahvistimesta onnistutaan tiristämään hieman enemmän. Muutaman kymmenen watin teholuokassa on se mukava puoli, että putkia on valittavaksi asti. On EL34, 6L6GC, KT77, 6CA7 ja sitten se oma suosikkini…
Ilmeisin vaihtoehto olisi tietysti EL34, sillä niitä on joka valmistajalta ja hinta on yleensä kohtuullinen. Koska maailma on kuitenkin enemmän kuin puolillaan juuri tuolla pääteputkella tehtyjä vahvistimia ja niiden rakennussarjoja, päätin tylsyyden välttämiseksi kaivaa historian nurkkaan pölyä keräämään sysätyn, joskus maailman hienoimmaksikin audioputkeksi tituleeratun KT66:n. Näitä on komeillut aikoinaan ainakin Quadin “tolppakakkosten” kansilla, ja taisipa se aiemmin mainittu Williamson käyttää samaa. Hinta lienee selittävä tekijä sille, miksei näitä nykyään enää juuri näe kaupallisten laitteiden kansilla patsastelemassa. En minäkään pysty millään mitattavalla suureella tämän kalliimman putken käyttöä perustelemaan.
omissa kytkennöissäni KT66 on osoittautunut sellaiseksi hieman kultakutri-sadun putkeksi: ei liian kevyt, ei liian muhkea, vaan aika sopiva
Soundillisesti kuitenkin KT66 pitää mielestäni edelleenkin puolensa. Eri putkien ominaissoundia on usein vaikea nimetä, mutta omissa kytkennöissäni KT66 on osoittautunut sellaiseksi hieman kultakutri-sadun putkeksi: ei liian kevyt, ei liian muhkea, vaan aika sopiva. Toki näissäkin on tyypin sisällä äänellistä variaatiota valmistajan mukaan, mutta pidän itse KT66:tta hienostuneempana kuin järeämpää veljeään, KT88:a. Sitäpaitsi onhan se nyt kivan näköinenkin!
Pääteputkia ohjaamaan päädyin valitsemaan EF86-pentodin jännitevahvistukseen ja ECC99-kaksoistriodin vaiheenkääntäjäksi. Jälkimmäinen on siitä hankala, ettei sille ole kuin yksi valmistaja, mutta toisaalta sillä toteutettuna vaiheenkääntäjä kesti muita tutkimiani vaihtoehtoja paremmin osakohtaista vaihtelua kun laskelmiani paperille piirtelin. Ensin mainitun tilalle taas pyörittelin aluksi E83F SQ-pentodia, mutta tämä tyyppi ei enää ole ollut vuosikymmeniin tuotannossa, ja saatavuus on alati heikkenevää. Saatavuusongelmien välttämiseksi halusin rajata vaihtoehdot vain nykytuotannossa oleviin putkiin.
Palikat kasassa
Tavoite on siis asetettu: 30 wattia tehoa KT66-pääteputkiparista jokseenkin siedettävällä äänenlaadulla. Ei kun siis oikein hyvällä, tässähän tähdättiin tähtiin eikä alailmakehään. Mittaustulostenkin soisi olevan “jiirissä”.
Seuraavassa osassa artikkelisarjaa näytän, kuinka temppu tehdään. Kytkentä ammentaa isolla kauhalla perinteistä nojaten tämän päivän komponenttituotantoon. Eksotiikkaa olen tarkoituksella halunnut vältellä, mutta laadusta ei missään kohtaa ole tingitty.
Kenelle?
Verrattuna edelliseen julkaisemaani vahvistimeen on PP/66 Olkiluoto paljon monimutkaisempi laite kytkennältään. Siinä missä “Kärpäsen” piirilevylle ei tarvinnut latoa kuin kolmisenkymmentä osaa, menee yhden Olkiluoto-päätteen levylle yli 80 osaa. Sarjan rakentaminen vaatii siis merkittävästi enemmän työtä, mutta juuri sen vaikeampi näitä ei ole saada nippuun ja soimaan, kuin yksinkertaisempaa SE/84 Brachyceraa.
juuri sen vaikeampi näitä ei ole saada nippuun ja soimaan, kuin yksinkertaisempaa SE/84 Brachyceraa
Jos osaat latoa komponentit piirilevylle, juottaa ja ruuvata, pärjäät melko varmasti tämänkin projektin kanssa. Laitteen voi toki rakentaa halutessaan irto-osista ja “suorasta tavarasta”, mutta edellisestä opitun perusteella tällä kertaa projektille on piirilevyn lisäksi heti saatavilla myös valmiiksi porattu kotelo. Asian suhteen nähtiin tällä kertaa hieman vaivaa, ja tämä kyllä nostaa setin hintaa paljonkin. Pidin kuitenkin lopputuloksen kannalta salonkikelpoisuutta tavoiteltavampana asiana kuin hinnan halpuuttamista.
Äänellisesti ja tehojen puolesta PP/66 Olkiluodon pitäisi riittää moneenkin tarpeeseen. Kaiuttimiesi ei välttämättä tarvitse olla sieltä helpoimmasta ja herkimmästä päästä, jotta voisit nauttia näiden päätteiden annista. Suuri osa ihan tavallisistakin kaiuttimista pienemmillläkin elementeillä kelpaa ihan hyvin. Toki, 15-tuumaisten Pisteiden tai Contrapunctumien kanssa tällainen määrä tehoa takaa hyvin, hyvin vaivattoman soundin, mutta 98dB/W/m herkkyys ei ole pakollista.
Kuvat: Mikko Kutvonen
Putkivahvistinrakennusohje PP/66 Olkiluoto osa 2
Rakennussarjan myyjä:
Kommentointi suljettu.