www.gitara.lt

[Julio]

El. gitaros signalo stiprinimo pagrindai
Pagrindiniai stiprinimo elementai yra elektroninės lempos ir/arba tranzistoriai.
Būdingiausia stiprintuve naudojama elektroninė lempa (angl. tube, valve) susideda iš stiklinės kolbos (iš kurios išsiurbtas oras, t.y. yra vakuumas), kurioje yra patalpinti du elektrodai (katodas ir anodas), bei skiriantis juos tinklelis. Už katodo taip pat yra specialus kaitinimo elementas.



Vakuuminio triodo veikimo principas. Kadangi tarp katodo ir anodo, nutolusių vienas nuo kito tam tikru atstumu, yra vakuumas, tai srovė (prie nedidelės įtampos) tarp jų negali atsirasti. Kaitinant katodą pagreitinamas jame elektronų judėjimas ir jie jau nebe taip stipriai laikosi savo vietoje. Šiuo atveju anodas jau gali pritraukti prie savęs katodo elektronus. Dviejų elektrodų lempose (diodai – elementai su vienpusiu pralaidumu) taip ir įvyksta. Triode, dėl didesnio atstumo tarp katodo ir anodo srovė taip paprastai neatsiranda. Tai kokia triodo prasmė, jeigu jis nepraleidžia el. srovės? Tačiau nereikia pamiršti apie tinklelį – paduodant tam tikrą įtampą į tinklelį (daug mažesnę negu įtampa tarp katodo ir anodo), tuomet jis, būdamas arčiau katodo negu anodo, pradės atitraukinėti iš katodo elektronus. Beveik visi elektronai patenka į tinklelio akis, tačiau prisitraukti prie jo nespėja. Tarp anodo (prie kurio elektronai ir priartėjo) ir tinklelio yra įtampa (mažesnė nei tarp anodo ir katodo, bet beveik tokia pati) ir anodas traukia tuos elektronus prie savęs – atsiranda įtampa tarp anodo ir katodo. Jeigu įtampa tinklelyje bus kintama, tai srovė per lempą kis lygiagrečiai kartu su ja. Paduodamas į katodo-tinklelio grandinę silpnas kintamas signalas sukuria lempoje savo sustiprintą kopiją. Savaime aišku, kad lempa, tokia kokia yra – dar ne stiprintuvas, jau vien dėl to, kad srovė per ją gali tekėti tik viena kryptimi.
Tranzistorinis triodas susideda iš trijų puslaidininkinių sluoksnių, prie kiekvieno sluoksnio pridėtas kontaktas. Kraštuose p tipo puslaidininkiai, viduryje – n tipo (galimas ir atvirkštinis variantas). „p“ reiškia „positive“ – teigiamas, tokio tipo puslaidininkiuose yra taip vadinamų „skylių“ – virtualių dalelių, atsirandančių dėl elektronų trūkumo, perteklius. Juos pilnai galima laikyti kaip laisvas teigiamai įkrautas daleles. „n“ atitinkamai reiškia „negative“ ir šio tipo puslaidininkiuose yra laisvų elektronų.
Jeigu tarp kraštinių kontaktų būtų ištisinis p sluoksnis, tai suteikiant įtampą gautume srovę – „skylės“ ateitų nuo pliuso (emiterio) į minusą (kolektorių), tačiau tam trukdo vidurinis sluoksnis (bazė). Kai į bazę paduodamas minusas, o į emiterį pliusas – skylės krypsta link bazės, elektronai link emiterio, atsiranda srovė. Srovė tarp emiterio ir bazės atneša į bazę „skyles“, kurios prieš palikdamos bazę suspėja dėl difuzijos pasklisti po ją. Tas „skyles“, kurios atsiranda pakankamai arti ribos tarp bazės ir kolektoriaus, pradeda traukti kolektorius. Tokiu būdu emiterinė srovė sukuria srovę tarp emiterio ir kolektoriaus. Kuo stipresnė emiterinė srovė, tuo stipresnė kolektorinė srovė, ir priklausomai kaip kinta pirmoji, taip kinta ir antroji. Taip pat kaip ir lempiniame triode, silpnas kintamas signalas sukuria savo sustiprintą kopiją. Tiksliau beveik taip pat, nes lempiniame triode srovės stipris išėjime kontroliuojamas įtampa įėjime, o tranzistoriniame triode – srovės stipriu įėjime. Tai lemia kai kuriuos schemų lempų ar tranzistorių pagrindu projektavimo niuansus.
Triodas gali stiprinti tik vieną, priklausomai nuo triodo tipo, teigiamą arba neigiamą signalo svyravimų dedamąją, o mums reiktų stiprinti visą signalą. Pats paprasčiausias sprendimas – paduodant į triodą taip vadinamą poslinkį – lempoje tai bus įtampa tinklelyje (tiksliau potencialų skirtumas tarp tinklelio ir katodo), tranzistoriuje – emiterinė srovė. Ko pasekmėje gausis taip, kad visas įėjimo signalas atsiras „teisingoje zonoje“.
Stiprintuvas, kuriame realizuotas toks principas, vadinamas A klasės. Tokių stiprintuvų trūkumas – mažas NVK (naudingo veikimo koeficientas, 50% nuo maitinančios įtampos), padidėjusios energijos sąnaudos, padidėjęs lempų susidėvėjimas. Šių trūkumų neturi dvitaktės schemos, kurių pagrindas yra dviejų sujungtų lygiagrečiai vienodų triodų naudojimas. Čia signalas prieš patekdamas į stiprinimo kontūrą, „perpjaunamas“ į dvi dalis. Kiekvienas triodas stiprina savo pusperiodžius, o signalai išėjime po to „susiuvami“ į pilną signalą, ir energija sunaudojama tam kam reikia. Tokie stiprintuvai vadinami B klasės. Bet ir jie turi savų trūkumų – jie prastai dirba režimais, artimais įėjimo signalo nulinėms reikšmėms – t.y. nekokybiškai sustiprina tylius garsus. Išeitis – vėlgi nedidelio signalo poslinkio suteikimas kiekviename triode. Gaunamas kompromisinis variantas, vadinamas AB klasės stiprintuvu.
Tranzistoriai savo ruožtu išsiskiria mažesniu energijos sunaudojimu, didesniu patikimumu, geresniu signalų perdavimu, mažesniu triukšmų kiekiu ir t.t., priedo jie yra pigesni. Įdomus faktas – sceninė aparatūra, studijiniai pultai, klavišinių instrumentų stiprintuvai ir mikrofonų, garsą atgaminanti Hi-Fi ir Hi-End aparatūra – visa tai sėkmingai gaminama tranzistorių pagrindu, tačiau gitaristai kažkodėl myli lempinę aparatūrą. Aišku dėl ko myli – skamba geriau. Tik klausimas – kodėl skamba geriau? Reikalas tame, kad gitara yra stiprinama su lengvu perkrovimu, ir perkrovimo režime lempa kala į klyną tranzistoriams. Dar yra tokie niuansai kaip dažninė lempinio stiprintuvo charakteristika ir jo dinaminiai parametrai yra neidealūs, tačiau optimalūs gitariniam signalui. Tačiau tai niuansai.

Teoriniai perkrovimo (distortion) pagrindai
Iš kur atsiranda perkrovos? Jeigu išmatuoti, kaip išėjimo srovės dydis priklauso nuo įėjimo įtampos ar srovės priklausomai nuo triodo tipo, tai gausis panašus grafikas:


Kaip matyti, be tiesios atkarpos (beje, šios linijos pokrypio kampo tangentas apibrėžia stiprinimo koeficientą, o pats kampas turi būti daugiau nei 45 laipsniai, kitaip nebus jokio stiprinimo), yra du užlenkimai, pereinantys į horizontalias linijas. Akivaizdu, kai įėjimas yra nulinis arba neigiamas, mes turime nulį, o užlenkimas yra dėl to, kad silpnas signalas blogai atidaro triodą. Tranzistoriaus atveju tai gali reikšti, kad difuzija yra silpna, o lempos atveju – tik patys „greičiausi“ elektronai yra paimami, kurių yra mažai. Tokiu būdu darbinį režimą triodas pasiekia ne iškarto. Iš kur viršutinis užlenkimas? Lempiniame triode – elektronų kiekis, kurie gali būti tinklelio „ištraukti“, ant katodo yra ribotas, be to tam tikru momentu tampa juos vis sunkiau sugauti. Dėl to atsiranda viršutinis užlinkimas pereinantis į prisotinimo tiesiąją. Tranzistoriaus atveju taip pat yra „skylių“ difuzijos riba, kuri anksčiau ar vėliau pasiekiama. Taip pat reikia paminėti, kad stiprintuvo stiprinimo koeficientas – pastovus dydis, ir sukdami „Gain“ rankenėlę, paprasčiausiai sumažiname pasipriešinimą, silpninantį įėjimo signalą.
Dabar apie stiprintuvo perkrovimo prigimtį. Jeigu paduodamas signalas, kurio amplitudė yra tiesinio režimo atkarpoje, tai išėjime gauname jo sustiprintą kopiją, o pasukus „Gain“ – sinusoidės viršūnės tapo nupjautos ir išėjime gauname ne kopiją, o iškraipytą (angl. distorted) signalą.



Šie iškraipymai vadinami netiesiniais, kadangi jie kyla netiesiniuose stiprinimo kreivės regionuose. Gali kilti klausimas – kodėl stiprintuve gaunamas tiek tylus tiek garsus iškraipymas? Atsakymas paprastas – stiprintuve gali būti kelios stiprinimo kaskados. Perkrovimas įgyvendinamas kontūre su nedideliu stiprinimu – pradiniame stiprintuve (galimi ir keli pradinio stiprinimo etapai), o galutinis stiprinimas – kontūre su didele tiesine atkarpa. Galinis kontūras vadinasi galios stiprintuvu. Beje, žeminant įtampą lempose ar keičiant poslinkio srovę, galima padidinti iškraipymo galimybę. Savo laiku, norėdamas gauti didesnį iškraipymą, taip eksperimentavo Eddie Van Halen.
Kas gi lemia iškraipyto garso kokybę? Tranzistorinių ir lempinių stiprinimo kontūrų grafikai skiriasi, tačiau iš pačių grafikų praktiškai nėra aišku, kaip tai įtakoja garsą. Signalų iškraipymo forma parodo skirtumus, tačiau nieko doro apie kokybę. Prancūzų matematikas Furjė savo laiku įrodė teoremą, kurioje teigiama, kad bet kuris periodinis sudėtingos formos signalas gali būti atvaizduojamas begaline kartotinio dažnio sinusoidžių suma – sin(f), sin(2f), sin(3f) ir t.t. Aišku, kad šių sinusoidžių amplitudės skirsis nuo labai mažų iki labai didelių, ir visą tą begalybę praktikoje galima suvesti į keleto dešimčių svyravimų sumą. Tokiu būdu, jeigu mes grojame su gitara natą – tam tikro dažnio garsą, ir paleidžiam jį per perkrovimą, tai galutinis „nupjautas“ signalas gali būti išskaidytas į pagrindinį to paties dažnio signalą plius tam tikras rinkinukas kartotinio dažnio svyravimų. Šie dvigubo ir didesnio dažnio virpesiai yra vadinami aukštesnių eilių harmonikomis.
Iš muzikinės pusės – tai yra papildomi obertonai ir jie apibrėžia iškreipto signalo apipavidalinimą. Yra lyginės (angl. even) harmonikos ir nelyginės (angl. odd). Paprastumo dėlei harmonikoms priskiriami numeriai – antra, trečia ir t.t. Daugumą harmonikų (aukščiau septintos) galima paaukoti, nes, visų pirma – amplitudė jų nykstamai maža, o visų antra, jos viršija girdimumo ribas. Iš muzikinės pusės aukštesnių dažnių harmonikos turi tam tikrą prasmę. Pvz. antroji harmonika – ta pati nata, kaip ir pagrindinis tonas, tik oktava aukštesnė, ketvirta harmonika – dvejomis oktavomis aukštesnė. Šios harmonikos suteikia garsui tūrį, daro jį sodresniu, pabrėžia jį. Jei grojame ne vieną o kelias natas, tai ir jų antros bei ketvirtos harmonikos konsonuos (arba disonuos) viena su kita, kaip ir pagrindiniai tonai, išlaikydamos akordo aiškumą. Trečioji harmonika – tai kvinta už oktavos, šešta harmonika – kvinta už dviejų oktavų. Šios harmonikos sudaro konsonansą su pagrindiniu garsu, tačiau neprideda tūrio ir nata gali skambėti šaltai, steriliai. Jei grojama daugiau nei viena nata, tai šios harmonikos gali disonuoti viena su kita, sukeldamos „griežimą“. Penkta ir septinta harmonikos – nėra tikslaus intervalo, jos artimos tercijai, bet į ją nepapuola – ir šios nelyginės harmonikos suteikia garsui aštrumo (angl. edge, bite). Kai jų per daug, jos suteikia garsui „stiklo“ arba „smėlio“ efektą – nemuzikinis triukšmas, užteršiantis garsą. Svarbu – būtent įvairios aukštų harmonikų proporcijos ir nulemia įvairaus tipo iškraipymus.
Kodėl žemos natos skamba labiau perkrautos nei aukštos? Be to, kad kuo storesnė styga, tuo intensyvesnis jos signalas, ir atitinkamai jis labiau pasiduoda perkrovimui. Aukštesnių eilių (mažiausiai oktava aukščiau pagrindinio tono) harmonikos, atitinkamai ir aukštų garsų, išeidinės už girdimumo ribų, kai tuo tarpu žemų garsų harmonikos bus girdimumo ribose – ir ne tik girdimumo, bet ir gitaros diapazono. Taip pat reikia įvertinti ir tai, kad stygos virpėjimas nėra grynas tonas ir pačios yra turtingos obertonais. Iškraipomas yra sudėtingas signalas ir jo aukštesnių eilių harmonikos sukuria savo papildomas harmonikas. Akivaizdu, kad storesnių stygų sukeliamame garse daugiau įvairių obertonų. Dar egzistuoja toks reiškinys kaip intermoduliacija – dvi vienu metu skambančios natos prie iškraipymo sukuria dar vieną garsą, apibrėžiamą jų dažnių skirtumu. Dviejų natų atveju (pvz. power-chord) šis garsas yra harmoningas su dvejomis pagrindinėmis, bet trys natos sukuria tris poras natų ir tris antrinius garsus, įnešančius disonanso. Pridėkite prie to nelygines harmonikas nuo kiekvienos natos ir gausite kakofoniją. Štai todėl prie didelio iškraipymo „paprasti“ akordai skamba purvinai. O prie vidutinio lempinio iškraipymo alia AC/DC, kuriame dominuoja lyginės harmonikos ir nereikšmingas intermoduliacijos efektas, net pilni akordai ant visų 6 stygų skamba pakankamai švariai. Vėlgi, jeigu groti trijų natų (prima-tercia-kvinta) akordus ant plonų stygų, dėka ausyje esančio natūralaus dažnių nukirtimo (ir, galimas daiktas, aparatūroje) jos skambės santykinai švariai esant dideliam perkrovimui.

Kas kaip iškraipo
Lempiniams stiprintuvams būdinga dominuojanti antroji harmonika, pilnai juntama ketvirtoji ir dažnai stipri trečioji. Kitos yra labai mažos. Būtent lyginių harmonikų persvara verčia mus kalbėti apie lempinio garso apimtį, šilumą. Trečioji harmonika pastarųjų fone yra tiesiog papildomas garsą spalvinantis elementas. Taip pat reikia paminėti, kad perėjimas iš tiesinio į netiesinį režimą lempiniame stiprintuve yra pakankamai tolygus, kas leidžia pasiekti minkštą iškraipymą, valdomą išimtinai garso išgavimo stiprumu (klasikinis Stevie Ray Vaughan garsas) ir taip pat lempoje natūraliai kompresuojamas signalas.
Lyginės harmonikos perkrautame tranzistoriniame stiprintuve praktiškai neegzistuoja. Gauname prastą garsą ir prie viso to, tranzistoriui būdinga šuoliškai pereiti į perkrovimo režimą ir atgal, ir ta pati nata gali skambėti nei šiaip nei taip. Todėl šiuolaikiniuose tranzistoriniuose stiprintuvuose ir efektų pedaluose iš tiesų nenaudojamas iškraipymas, o yra naudojami specialūs netiesinio iškraipymo kontūrai.
Kalbant abstrakčiai (nenagrinėjant stiprinimo kontūruose vykstančių procesų fizikos), tai signalo iškraipymas yra nupjovimas (angl. clipping) pusperiodžių viršūnių. Reikia paminėti, kad šis nupjovimas gali būt nebūtinai plokštuminis (hard clipping), nupjauta viršūnė gali būti ne plokščia, o įgauti suplotą formą (soft clipping).
Nupjovimas taip pat būna asimetrinis (būdinga lempinei aparatūrai), t.y. lyginiai ir nelyginiai pusperiodžiai tampa nupjauti nelygiu laipsniu. Taigi, jeigu viskas susiveda į nupjovimą, tai gal ir nereikia perkrauti stiprintuvus, o pjauti stiprinamą signalą? Taip ir vyksta tranzistorinėje technikoje.

Štai sekančiame paveiksliuke pavaizduota distortion pedalo esmė (tipinis variantas, neįvertinant tembrų bloko ir kitų schemos elementų). Didelis trikampis – tai operacinis stiprintuvas, t.y. mikroschema, kurios viduje sulituotas pilnavertis dvitaktis stiprinimo kontūras. Jo vietoje galima pastatyti ir pilnavertę schemą (yra tokie pedalai ir pradiniai stiprintuvai), tačiau esmė nuo to nepasikeičia. Stiprintuvo neigiamo grįžtamojo ryšyje yra diodinis tiltas. Puslaidininkinis diodas, skirtingai nei lempinis, turi neidealų vienpusį pralaidumą.

Jame visgi yra ir atgalinis pralaidumas, ir kintama srovė, pereinanti per diodą, bus maždaug tokio pavidalo:


Štai šitie apatiniai gabaliukai, patekdami į grįžtamą ryšį ir nupjauna signalo pusperiodžių viršūnėles. Renkantis įvairių tipų diodus ir reguliuojant grįžtamojo ryšio parametrus galima gauti įvairaus iškraipymo lygio garsą. Turint įvairius diodus tilte galima gauti ir asimetrinį nupjovimą.
Ar tai reikštų, kad išsprendėme visas problemas? Ne, gamintojams reikia kurti schemas kaip min du kartus ar daugiau sudėtingesnes nei bazinės, kad gauti gerus rezultatus, tačiau kai kas visgi nėra išgydoma. Kai kurie diodinių tiltų privalumai ir trūkumai. Pradėt reiktų nuo to, kad pedaluose nėra staigaus perėjimo iš perkrovos ir atgal problemos. Nupjovimas vyksta net ir silpnų signalų, tokiu būdu nėra šuolių, bet nėra ir dinamikos bei tolygaus perėjimo į perkrovimą, kaip pas lempas. Taip pat reikia kažkaip išspręsti aukštesnių eilių harmonikų klausimą. Tam, kad turėti gerą „crunch‘ą“ grojant ritmą, tačiau kad nebūtų „smėlio“ grojant solo, reikia naudoti įvairius dažnių filtrus, filtruojančius „perteklines“ harmonikas (be to, filtrai dirba irgi neidealiai). Taip pat yra problemų su intermoduliacija. Skirtingai nei pas lempas, kurios šiuolaikiniuose stiprintuvuose gali „pagaminti“ tiek lengvą „draivą“ tiek sunkų „crunch‘ą“, pedalai efektyviai dirba siaurame perkrovimo diapazone. Neveltui DOD, Boss, Marshall turi įvairiausių modelių – kiekvienas jų skirtas tam tikram stiliui, nuo bliuzo iki ekstremalaus dždždžd. Iš principo, galima ir iš tranzistorių surinkti pradinį stiprintuvą, kurio parametrai bus maksimaliai artimi lempiniam, tačiau ir jo kaina pradės artėti link lempinio.
Kodėl perkami pedalai? Visų pirma, stiprintuvas gali turėti platų garsų spektrą, tačiau ant kiekvieno perkrovimo lygio – vieną vienintelį garsą. Pirkti dar vieną stiprintuvą ar du – užsiėmimas brangus, o pedalų eksperimentams už tuos pačius pinigus galima nusipirkti maišą. Visų antra, pedalai leidžia „nešiotis“ su savimi garsą kur nori – į repeticiją, į jam-sesiją, į koncertą – kišenėje. Visų trečia, pedalai dažnai sukuria labiau „piktą“ garsą (šitai užtikrina nelyginės harmonikos) ir tankesnį, negu lempos, ir ekstremalių stilių atlikėjai juos mielai naudoja susitaikydami su jų trūkumais. Taigi, pedalai (o jie vis tobulėja) yra naudingas daiktas. Tobulėjant technologijoms, gaunasi visai neprasti rezultatai pritaikant jas ir tranzistoriniuose kubuose – pedaluose visgi reikia, kad viskas būtų kompaktiška, kai tuo tarpu kube yra daug vietos ir galima sulituoti įmantresnes schemas.

Pabaigai
Tikrą lempinį garsą galima gauti tik su lempine aparatūra. Be abejo, šiuolaikinės technologijos tobulėja ir leidžia mėgautis viso pasaulio gitaristams mėgėjams bent jau labai gerais lempinio garso modeliais, įgyvendintais įvairiose kompiuterinėse programose. Be abejo, kas nors dar pareikš, kad trijuostis (bass-mid-treble) ekvalaizeris ant pedalo leidžia adaptuoti jo skambesį prie bet kokio stiliaus. Taip, galima gana lanksčiai keisti garso spalvinimą, tačiau viskas priklauso nuo diodinio tilto, o jo charakteristikos yra kietos. Aišku, egzistuoja ir universalūs pedalai, tačiau tai jau yra distortion-procesoriai ir jų kaina taip pat atitinkama. Taip pat yra ir lempiniai distortion pedalai.
Tačiau svarbiausi ne tai, kokia kieta tavo aparatūra ir kiek tiksliai ji perduoda „legendinį“ skambesį, bet tai, kad kaip gerai ji užtikrina jūsų pačių originalų skambesį, kurį ir reiktų stengtis atrasti.

Kodėl angliškai lempos vadinasi „tube“?
Viskas susiklostė istoriškai. Pirmas analogiškas įrenginys (stiklinė kolba, du elektrodai) vadinosi vakuuminiu vamzdeliu (ten nebuvo kaitinimo elemento – srovė atsirasdavo dėl labai didelės įtampos) – iš jo kilo ir rentgeno aparatas, kineskopas ir t.t. Todėl vienas iš lempų pavadinimų anglų kalba ir yra „tube“. Pirma elektroninė lempa buvo diodas – elementas su vienpusiu pralaidumu, kas leidžia išvesti paraleles su vožtuvu ar sklende (angl. valve). Be to, puslaidininkiniai diodai elektrinėse schemose ir ventiliai/sklendės inžineriniuose brėžiniuose žymimi praktiškai identiškai.

Kai kuriuose Marshall Valvestate stiprintuvuose – viena lempa. Ar tai reiškia, kad stiprintuvas yra A klasės?
Ne. Pradinio stiprinimo sekcijoje naudojama 12AX7 lempa – taip vadinamas dvigubas triodas, t.y. vienoje kolboje yra du komplektai anodų, katodų ir tinklelių. Todėl Valvestate – AB klasės stiprintuvas. Galima laikyti, kad kiekviena 12AX7 reiškia vieną stiprinimo kaskadą. Kai yra daug lempų, tai reiškia, kad bent viena lempa yra naudojama kaip fazoinvertorius, pvz. Mesa/Boogie Rocket44 yra 4 12AX7, iš kurių viena – fazoinvertorius.

Ar teisybė, kad tranzistoriniai stiprintuvai daug prasteni už lempinius?
Kad blogesni negalima tvirtinti vienareikšmiškai. Jie tiesiog kitokie. Pavyzdžiui, švariu garsu jie neskamba taip šiltai, kaip lempiniai, tačiau skamba daug švariau ir skaidriau. Jiems būdinga labai tiksli ataka. Viskas priklauso nuo tikslų ir uždavinių, kuriuos sau išsikelia gitaristas. Be to, tranzistorinės technologijos sparčiai skverbiasi į lempinę aparatūrą. Pvz. tokiame aukštos klasės stiprintuve kaip Mesa/Boogie Dual Rectifier yra režimas, kuriame viena pradinio stiprinimo sekcijoje esanti lempa pakeičiama diodiniu nupjovimu – siekiant gauti agresyvesnį ir tankesnį skambesį.

Pagrindinis šaltinis © www.guitars.ru
_________________
You Make Me Sick I Make Music