1 1 Johdanto Opinnäytetyön aiheeksi olen valinnut audiopäätevahvistimen. Valitsin vahvistintyypiksi korkealaatuisen stereovahvistimen, joka on siniteholtaan 2 x 220 wattia 4 ohmiin. Vahvistin on toteutettu STK4231II hybridipiirillä. Hybridipiirin valitsin, koska siinä on paremmat suojaukset kuin esimerkiksi transistoreille toteutetussa päätevahvistimessa. Kokonaissärön maksimimäärä jää alle yhden prosentin, vahvistimen taajuusvasteen ollessa 20-20 000 hertsiä tällöin vahvistinta voidaan kutsua hifiluokan vahvistimeksi. Kyseisen vahvistimen taajuusvaste on kuitenkin 5-500000 hertsiä, joka kumoaa helposti hifi-vahvistimen vaatimukset. Taajuuskaista on kuitenkin rajattu niin, että häiriötä ei pääse syntymään. On myös ilmoitettu, että työ oikein tehtynä sopii vaativaankin ammattimaiseenäänentoistoon. (Esala 18.1.2006: 1). 2 Ominaisuuksia 2.1 Särö Vahvistimen niin sanottu siniteho alle yhden prosentin säröllä tarkoittaa kokonaissärön maksimimäärää. Tähän sisältyy muun muassa transient intermodulation särö sekä intermodulation särö. Transient intermodulation säröä esiintyy korkeissa iskuäänissä, joita ovat muun muassa lautasten isku. Jos kokonaissärö on vahvistimessa yli yhden prosentin, ääni ei toistu puhtaasti. Intermodulation säröksi kutsutaan haamusignaaleista johtuvaa säröä syötettäessä sisään kahta eri taajuutta. Tällöin signaalin komponentit moduloivat toisiaan, jolloin syntyy erotaajuuksia. (Pohjolainen 1999: 1044, 496).
2 2.2 Teho Miksi kokonaistehon määrän täytyy olla näin suuri kotikäyttöön ajatellulla vahvistimella? Asiaan on hyvin yksinkertainen selitys, kun musiikissa esiintyy alle 20 hertsin taajuuksia, voi vahvistimen koko teho olla tarpeen. Myös nykyisissä elokuvissa ja televisio-ohjelmissa on äänitehosteiden osuus niin suuri, että pienitehoiset vahvistimet eivät pysty luomaan kunnollista äänimaailmaa. (Esala 18.1.2006: 1). 3 Rakentaminen 3.1 Yleistä Laite toimii verkkovirralla, eli sisäänmenojännite on 230 volttia. Ulostulojännitekin on maksimissaan 80 volttia. Tämän vuoksi on muistettava olla huolellinen virtaosien kiinnityksen kanssa, että vältytään ikäviltä sähkötapaturmilta. 3.2 Piirilevy Piirilevyn suunnittelu on hyvä aloittaa tutkimalla itse vahvistimen sähköistä toimintaa, ja kytkentäkaaviota. Piirilevyn suunnittelu aloitetaan tekemällä tietokoneella kuva piirilevystä käyttäen siihen soveltuvaa ohjelmaa. Suunniteltu piirilevykuva tulostetaan kalvolle. Tämän jälkeen täytyy levy valottaa, kehittää ja syövyttää. Syövyttämisen jälkeen on hyvä vielä tinata kuparipinnat. 3.2.1 Valotus, kehitys ja syövytys Piirilevy valotetaan ultraviolettilampulla. Valoherkkä piirilevy asetetaan lampun alle, tätä ennen on levyn päälle tulostettu kalvo, missä on suunnitellut kuparitiet. Mahdollisimman nopeasti valotuksen jälkeen täytyy levy kehittää, etteivät kalvon peittämät kohdat pääse katoamaan huonevalon vaikutuksesta. Kehitys tapahtuu upottamalla piirilevy kehitysnesteeseen.
3 Syövytysvaiheessa piirilevystä liuotetaan syövytysnesteessä pois ne alueet, jotka eivät olleet kalvon mustejäljen peitossa. Tällöin saadaan näkyville juotospinnat, jotka tulostettiin kalvolle. Tämän jälkeen on tärkeää levystä poistaa lakka. Piirilevy laitetaan jälleen ultraviolettilampun alle ja kehitetään uudelleen edellä mainitulla tavalla. 3.2.2 Tinaus ja rei itys Nyt piirilevy on valmis tinattavaksi aaltojuotoskoneella tai käsin. Levy on syytä tinata, jolloin varmistetaan, että levyn kuparipinnat ovat tarpeeksi järeitä jännitteille, myös juottaminen on helpompaa. Reikien porauksessa on hyvä huomioida komponenttien jalkojen paksuudet, ettei reikiä tarvitse suurentaa jälkeenpäin. 3.3 Komponenttien kiinnitys Komponenttien kiinnitys on hyvä tehdä neljässä eri vaiheessa. Ensiksi laitetaan kaikki virtapuolen osat ja johtimet signaalijohtimia lukuun ottamatta. Toiseksi kiinnitetään kaikki muut komponentit paitsi STK-hybridipiiri. Kolmanneksi signaalijohdot potentiometreineen asennetaan piirilevylle. Viimeiseksi STK-hybridipiiri. Kaikki laitteen johtimet ja komponentit täytyy juottaa todella huolellisesti sekä tarkistaa yleismittarilla. Näin vältytään ikäviltä vikatilanteilta sekä testauksen aikana, kuten myös jälkeenpäin vahvistinta käytettäessä. Häiriöiden välttämiseksi on huomioitava johtojen kulkureitit. Erityisesti signaalijohtojen reitit on huomioitava, koska rengassydänmuuntajan ylä- ja alapuolella vaikuttaa voimakas magneettikenttä. Tämän vuoksi ei signaalijohtoja kannata laittaa aivan muuntajan läheisyyteen. Piirilevylle tulee kaksi sulaketta suojaamaan vahvistimen komponentteja. Tästä huolimatta on hyvä kytkeä myös muuntajan verkkovirtapuolelle sulake. Lisäksi kaiutinulostuloihin on hyvä laittaa sulakkeet sekä miinus, että pluspuolelle. Pahimmassa vikatilanteessa voi osa piirilevyn komponenteista räjähtää voimakkaasti. Todennäköisesti myös kaiuttimet hajoavat.
4 3.4 Virtapuolen rakentaminen Muuntajan toisiopuolen johdot ovat todennäköisesti jäykkiä, minkä vuoksi on hyvä laittaa monisäikeiset 2,5 neliön johdot niihin. Liitoksen voi tehdä joko juottamalla tai riviliittimellä. Diodisillalle menevät ja tulevat johdot on syytä kiinnittää abiko nimisillä suojatulla lattaliittimillä, koska jos johdot juottaa kiinni, on olemassa murtumisvaara muun muassa laitteen testauksen aikana. Diodisillan riittävä jäähdytys on tärkeää. Ledit ilmoittavat, että vahvistimen virtalähteen ulostulojännitteet ovat oikeat, +54 volttia ja -54 volttia. Ne ovat paras siirtää johtojen avulla vahvistimen kotelon etuseinään merkkivaloksi. (Esala 2002: 3.) Testi ja rakennusvaiheessa pitää verkkovirtapuolelle laittaa sarjaan 100 ohmin 11 watin tehovastus. Tämän vastuksen tarkoituksena on rajoittaa vahvistimen virtaa testivaiheessa. Laitteeseen voi nyt kytkeä virrat, jos muuntajalta tulevat johdot on juotettu huolellisesti piirilevylle, ja kaikki muut virtapuolen komponentit kiinnitetty ja tarkastettu. Nyt kun laitteeseen on kytketty virta, pitäisi molemmat ledit loistaa kirkkaasti. Jos ledit eivät loista, pitää virta katkaista nopeasti ja tarkastaa kytkennät. Mutta jos kummatkin ledeistä ovat syttyneet ja loistavat kirkkaasti, tarkistetaan vielä jännitteet yleismittarilla elektrolyyttikondensaattoreiden jaloista.
5 3.5 Muiden komponenttien kiinnitys Kun äskeisen virtapuolen testauksen jälkeen jännitteet ovat laskeneet ja verkkovirtajohto irrotettu seinästä, voidaan aloittaa kaikkien muiden komponenttien kiinnitys lukuun ottamatta STK-hybridipiiriä. Kun komponentit on juotettu piirilevylle, voidaan laitteeseen kytkeä virta. Jos ledit jälleen loistavat, voidaan mitata yleismittarilla tarkemmin kaikki hybridipiirin nastat, eli ne joihin piirin jalat juotetaan myöhemmin kiinni. Tuloksien pitäisi olla seuraavan luettelon mukaisia: - 3 vasen signaali - 4 ei mitään - 5 maa, GND - 6 ei mitään - 7 ei mitään - 8 mute toiminto -5 V, muuten ei mitään - 9 ei mitään - 10 lähes sama kuin negatiivinen käyttöjännite (-54 V) - 11 negatiivinen käyttöjännite (-54 V) - 12 ei mitään - 13 positiivinen käyttöjännite (+54 V) - 14 lähes sama kuin positiivinen käyttöjännite (+54 V) - 15 ei mitään - 16 negatiivinen käyttöjännite (-54 V) - 17 ei mitään - 18 maa, GND - 19 ei mitään - 20 oikea signaali Jos mittauksien arvot eivät ole samat kuin äskeisten arvot, tarkista kytkentä. (Esala 18.1.2006: 4.)
6 3.6 Signaalijohdot ja potentiometrit Potentiometrien asennuksessa on huomioitava, että johdot on oikein kytketty. Tässä on hyvä ohje siihen: Potentiometrin akselin ollessa alaspäin ja kytkentä nastat osoittavat itseesi päin. Yhteinen maa on tuleville ja lähteville johdoille aina oikeapuolimainen. Piirilevylle menevä johto kytketään keskinastaan ja potentiometriltä tuleva johto vasemmanpuoleiseen nastaan. Signaalijohdot, jotka menevät potentiometreille, liitetään RCA liittimiin, joka on vahvistimen sisään menoliitin. (Esala 2002: 2-3). 3.7 STK-hybridipiiri STK-piirin kaikkia jalkoja ei käytetä, minkä vuoksi on ne syytä katkaista. Kyseiset jalat ovat 1 ja 2, 21 ja 22. Hybridipiiriä kiinnittäessä on oltava tarkka etteivät ohuet jalat katkea. Sillä jos niin tapahtuu voi tulla oikosulkuja ja samalla tuhoutuu muitakin vahvistimen osia. Nyt laitteen voi testata kun ensin on kiinnittänyt piiriin jäähdytyslevyyn. Testauksessa tarkastetaan oskilloskoopilla onko vahvistimen ulostulosignaaleissa häiriötä. Mutta ennen tätä kaiutin ulostuloon täytyy laittaa kuormaksi 4 ohmin vastus, oikeata kaiutinta ei vielä laiteta vaan, tähän soveltuu hyvin vanha sähkökiuas jossa kiukaan vastukset kytketään rinnan. Testauksen aikana vahvistimen maksimiteho on 2 wattia, ensiöpuolella olevan sarjavastuksen takia. Toimivuuden toteamisen jälkeen voi vahvistimen rakentaa kotelon sisälle, myös ensiöpuolen sarjavastukset voi poistaa. 3.8 Kotelo Koteloksi valitsin helpporakenteisen räkkikotelon, johon jyrsin tietokonepohjaisella jyrsimellä etu-ja takapaneelit, joilla sain vahvistimeen ilmettä ja hyvän ulkonäön. Kotelon suunnittelin tietokoneella ja valmistin käsin.
7 4 Arvioiva päätäntä Päätevahvistimen valmistus alusta loppuun osoittautui todella mielenkiintoiseksi projektiksi, vaikka alussa oli pientä kankeutta. Perehtyessäni asiaan hieman syvällisemmin, asiat alkoivat sujua. Työvaiheita oli useita ja jokaiseen piti käyttää aikaa ja huolellisuutta. Mielenkiintoisimpia vaiheita olivat kytkennän rakentelu ja laitteen testaus. Laitetta testattaessa oskilloskoopilla saatujen käyrien tutkiminen oli mukavaa. Työn edetessä minulle selvisi monia mielenkiintoisia asioita ja ratkaisuja vahvistimien toiminnasta. Suurimmat ongelmat olivat suunnittelussa ja testauksessa. Ongelmat kuitenkin selvisivät kun otti asioista selvää. Vahvistinta rakentaessa opin monia uusia asioita vahvistimien rakentamisesta ja korjaamisesta, sekä kyseisen vahvistimen sähköinen toimintakin on tullut hyvin tutuksi. Työlle asettamani tavoitteet täyttyivät hyvin, enää ei ole pelkoa että kotivahvistimesta loppuisi teho. Nyt voin kuunnella puhdasäänistä musiikkia kaiuttimia särkemättä. Lähteet Esala, Mikko 2002: Stereovahvistin 2 x 220W RMS http://www.kolumbus.fi/mikko.esala/superi.pdf. 20.02.2002. Esala, Mikko 18.1.2006: Korkealaatuinen Stereovahvistin. Siniteho 2 x 220W:a http://djhell.iespana.es/djhell/2x220w.pdf Sanyo 18.1.2006: STK4231II http://pdf.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/41609/sanyo/stk4231.html Pohjolainen, Seppo 1999: Nykyelektroniikan suursanakirja. WSOY. Juva. 1999