Hvordan virker en gitarforsterker?

Det er mye spennende i en gitarforsterker. Alle delene man finner på innsiden har som mål å best mulig forsterke signalene som kommer fra den elektriske gitaren. I denne artikkelen ser vi på vitenskapen bak blant annet radiorøret, transistoren, mikroprosessoren og høyttaleren. Alle viktige i fortellingen om gitarforsterkeren.

Publisert: 08.02.16. Skrevet av Peder Åmland. Kategori: Gitarutstyr.

Obs! Som sagt, det er mye spennende i en gitarforsterker, men det er også mye spenning i en gitarforsterker. Elektrisk spenning, som i volt. Med mindre du vet hva du gjør, anbefales det å motstå fristelsen til å åpne opp forsterkeren og utforske de elektriske koblingene og komponentene.

Vi har tidligere sett på hvordan lyden blir til i den elektriske gitaren. Vi fant ut at mikrofonene på gitaren fanger opp strengenes vibrasjon og gjør dem om til elektrisk strøm. Vi skal nå se på ferden videre for disse elektriske signalene. Fra gitaren føres signalene gjennom gitarkabelen, så skjer det masse spennende i gitarforsterkeren, før signalene tilslutt blir gjort om til lydbølger i høyttaleren.

En gitarforsterker er komplisert, men i denne artikkelen skal vi forenkle litt og prøve å få en viss oversikt over alle prosessene som skjer og hvilke komponenter som er i bruk. Vi skal se litt ekstra på de forskjellige typene av forsterkere og tilslutt også se nærmere på det spennende som skjer i høyttalerne. Vi starter med en illustrasjon som viser, svært forenklet, hva som skjer fra gitaristen spiller på el-gitaren og til lyden kommer ut av høyttalerne:



Som vi ser av illustrasjonen over føres de elektriske signalene fra gitaren, via gitarkabelen(1) og inn i forsterkeren(2). Etter at det elektriske signalet er blitt forsterket i forsterkeren går den videre til høyttaleren(3) som gjør signalene om til hørbar lyd. Illustrasjonen viser også at det er tre hovedtyper av forsterkere: Rør, transistor og digital. Disse skal vi komme tilbake til lengre nede i artikkelen.

Vi børster støvet av fysikkbegreper

Før vi går videre kan det være lurt å friske opp en del begreper fra fysikktimen, spesielt innenfor fagfeltet elektrisitet. Hvis vi ikke har (ganske) klart for oss viktige begrep fra elektrisitetens verden kommer vi til å slite med å henge med når vi gjennomgår hvordan en forsterker virker. Derfor kan det være lurt å spandere litt tid for å få klarhet i følgende begrep:

  • Elektroner: Dette er (enormt) små elementærpartikler som har en negativ elektrisk ladning. Elektroner kretser rundt atomkjernen i et atom. For det meste holder de seg i atomene, men metaller(f.eks en gitarkabel) har egenskapen av å kunne lede elektronene. Elektroner som beveger seg utgjør elektrisk strøm. I et vakuum kan elektronene bevege seg fritt mellom atomene/molekylene som en elektronstråle.
  • Elektrisk strøm: = Elektroner i bevegelse. Strømmen kan være sterk eller svak avhengig av mengden elektroner. Måles i Ampere.
  • Elektrisk ladning: Antallet elektroner i et elektrisk felt.
  • Elektrisk spenning: Definisjon: Det arbeid som må utføres per ladningsenhet for å forskyve en ladning fra et punkt til et annet i et elektrostatisk felt. Dette var jo ganske usexy, så man kan heller sammenligne elektrisk spenning med vanntrykket i et vannrør. Hvis man øker vanntrykket vil det strømme mer vann gjennom rørene. På samme måte vil man øke strømmengden dersom man øker den elektriske spenningen. Enheten for elektrisk spenning er Volt.
  • Elektrode: Et elektrisk tilkoblingspunkt. Når det settes spenning mellom to elektroder kalles den negative for katode og den positive for anode.
  • Likestrøm: Strømmen går i samme retning hele tiden og strømstyrken er konstant. Motsatsen er vekselstrøm der retningen endres periodisk.
  • Katode: Den ene av to elektroder som det føres likestrøm mellom.
  • Anode: Den andre av to elektroder som det føres likestrøm mellom. I et radiorør ledes elektrisk strøm fra katoden til anoden.
  • Elektrisk leder: Materiale som leder elektrisk strøm godt, som f.eks kvikksølv, kobber, sølv og aluminium.
  • Halvleder: Stoffer som vanligvis ikke leder elektrisk strøm godt, men som likevel under visse omstendigheter kan lede strøm godt. Eksempler er silisium, germanium og karbon.
  • Watt: Måleenheten for elektrisk effekt(hvor mye energi som blir brukt). Jo mer watt, jo mer energi blir brukt. Jo mer watt, jo høyere kan man spille på gitarforsterkeren.

Det er mye å sette å seg inn hvis man er helt fersk, men veldig interesant og nyttig når først tåken begynner å lette litt.

Forsterkeren

Når vi nå er blitt fageksperter i elektrisitet skal vi zoome inn på forsterkeren og alt spennende som skjer der. Først skal vi meget kjapt se på de ulike komponentene og hvordan de elektriske signalene blir behandlet.

En av de største komponentene i en gitarforsterker er strømtransformatoren, eller trafo som er mest vanlig å bruke i dagligtalen. Denne henter strøm fra vegguttaket og konverterer den til passende elektrisk spenning for forsterkeren. Neste komponent er en preamp, eller forforsterker på godt norsk. Denne forsterker det elektriske signalet fra gitaren og sender det videre til en effektprossessor(dersom forsterkeren har innebygde effekter). Deretter blir signalene behandlet gjennom volum- og tonesvitsjer før de føres videre til effektforsterkeren(sluttrinnet). Her blir signalene ytterligere forsterket, nok til at det kan bli behandlet av en høyttaler.

Vi skal nå se på tre ulike forsterkertyper: Rør, transistor og digital.

Hvis vi ser på den historiske utviklingen var det rørforsterkeren som kom først. Den kom som et resultat av at radioen og tv'en ble oppfunnet i starten av 1900-tallet. Alle disse nye apparatene brukte rørformede glasskolber(radiorør) for å forsterke lyden, eller lage bilde på tv'en. Rundt 1950 ble transistoren oppfunnet og erstattet rør i de fleste elektroniske apparater. Transistoren hadde mange fordeler versus rør, men for mange gitarister var det fortsatt rør som gjaldt siden den gav en varmere og mer "riktig" gitarlyd. Fortsatt i dag er det en stor gruppe av gitarister som foretrekker rør, selv om mange transistor-forsterkere har blitt bedre til å etterligne den ettertraktede rørlyden. De siste årene har det også skjedd en utvikling innen "modeling"-forsterkere. Disse er digitale og har etterhvert vist seg å kunne etterligne lyden i både rør- og transistorforsterkere meget bra. Vi skal nå se nærmere på disse tre typene og starter med det berømte radiorøret.

Rør

Et rør, også kalt radiorør eller vakuumrør, er en elektronisk komponent som ble oppfunnet rundt 1910. Den ble tidlig brukt i blant annet tv- og radioapparater og var en banebrytende oppfinnelse med mange bruksområder. Den viktigste egenskapen til radiorøret var at den kunne forsterke de elektriske signalene. Da den elektriske gitaren begynte å gjøre sitt inntog på 1930- og 1940-tallet var radiorøret den eneste teknologien som kunne brukes i en gitarforsterker.

Her er en illustrasjon av et radiorør:

Som vi ser av illustrasjonen har vi en rørformet glasskolbe(lyseblå). Det er tre elektroder(tilkoblinger) som kalles katode, anode og styregitter. Det første som skjer er at katoden(glødetråden) varmes opp ved hjelp av elektrisk strøm(fra strømuttaket i veggen). Når det skjer frigjøres elektroner som på grunn av vakuum i kolben flyr fritt i luften. Anoden er en sylinderformet metallplate som omslutter katoden med en viss avstand(illustrasjonen over viser bare prinsippet, rekkefølgen av elektrodene). Anoden er positivt ladet og drar til seg de frigjorte, negativt ladede elektronene fra katoden. Ved å plassere et styregitter mellom katoden og anoden kan vi kontrollere flyten av elektroner.

Det utrolige er at vi kan bruke gitaren til å kontrollere denne flyten av elektroner. Styregitteret mottar de svake elektriske signalene fra el-gitaren. Dette signalet frigjør masse elektroner som flyr fritt til anoden. Strømmen av elektroner fra katoden til anoden speiler signalene fra el-gitaren, og signalet forsterkes kraftig.

Det var radiorøret, nå over til transistoren.

Transistor

I 1948 ble transistoren oppfunnet og den la grunnlaget for en revolusjonering av hele verdens industri, levestandard og teknologi. Transistorer er særdeles betydningsfulle i alt fra tv og radio til datamaskiner og mobiltelefoner. Og ikke minst gitarforsterkere.

Fordelene med transistor-forsterkere versus rør er at den er billigere, mer stabil og lettere.

En transistor består av tre terminaler: Kollektor, base og emitter. En liten strøm eller spenning på basen tillater en større spenning til å strømme gjennom de to andre, fra kollektor til emitter.

Obs: Det er flere typer transistorer. Illustrasjonen over viser en bipolar junction transistor(BJT), som er vanlig å finne i gitarforsterkere.

Hvis du ønsker å grave deg litt lenger ned i dette emnet kan du sjekke ut denne videoen under. Det er mye interessant som skjer i en transistor som blir for omfattende å gå inn på nå, men som du kan sjekke ut i videoen. Stikkord er halvledere, atomer, elektroner, "doping", "hull" og mye annet spennende.

Digital

Digitale gitarforsterkere, ofte kalt digital modeling, er i dagens digitaliserte samfunn blitt mer og mer vanlige og aksepterte. De første forsterkerne av denne typen kom på markedet på slutten 1990-tallet og møtte stor motstand og skepsis blant gitarister. Og det med god grunn fordi det hele hørtes unaturlig og "dataaktig" ut.

De siste årene har det derimot kommet flere nye digitale forsterkere som har endret opinionen hos musikerne. Vox Valvetronix, Fender Mustang og Line 6 er alle digitale forsterkere som etterligner lyden fra rør- og transistorforstererke så bra at selv proffe gitarister med bind for øynene ikke hører forskjell. Disse forsterkerne har gjerne forhåndsprogrammerte innstillinger som simulerer lyden til historisk kjente gitarforsterkere.

Men hvordan er det mulig å få plass til en haug med forsterkere i én forsterker? Jo, mikroprosessoren.

Som illustrasjonen over viser er mikroprosessoren en liten brikke. Det er inni her det meste av avanserte utregninger og databehandling skjer. Det utrolige er at mikroprosessoren inneholder milliarder av knøttsmå transistorer.

Det som skjer når en digital modeling forsterker mottar et elektrisk signal fra gitarkabelen er følgende:

  • Det analoge signalet(den elektriske spenningen) gjøres om til et digitalt tall som representerer mengdens amplitude. Dette kalles ADC(analog-to-digital converter). En datamaskin - og alle andre digitale produkter - jobber med binære tall. Det vil si tallene 0 og 1. Tallene representerer gjerne bokstaver, vanlige tall eller også lyd og bilde. Som et eksempel skrives bokstaven "A" i det binære systemet som: 01000001. De elektriske signalene fra gitaren blir digitalisert ved at transistorer sjekker spenningen på hvert signal. Så hvis for eksempel en spenning er under 2.5V blir det binære tallet 0, hvis det er over 2.5V blir det 1. I sånne tilfeller fungererer transistoren som en svitsj i stedet for som en forsterker av signalet.
  • Det digitale signalet(som nå er masse 0-ere og 1-ere) føres videre til en mikroprosessor som kalles Digital Signal Processor(DSP). Her behandles signalet og hvis det er meningen at signalet skal etterligne lyden av en kjent gitarforsterker, er det i DSP manipuleringen skjer.
  • Etter at det digitale signalet er behandlet i DSP føres det videre til Digital-to-analog converter(DAC) som konverterer signalet til analogt igjen.
  • Det analoge signalet er nå klart til å omgjøres til lydbølger i høyttaleren.

Ved hjelp av mikroprosessorer kan digital modeling forsterkere behandle enormt mye data på veldig kort tid. Nye muligheter åpner seg, som f.eks haugevis av forhåndsprogrammerte forsterkere og effekter. Mange tror dette er framtiden, særlig med tanke på at til og med profesjonelle gitarister og lydfolk ikke lenger hører forskjell på det ekte og det simulerte.

Siste stopp for det elektriske signalet er høyttaleren. Vi skal nå tilslutt i artikkelen se på hvordan det analoge signalet blir til en lydbølge som kan fanges opp av ørene våre.

Høyttaleren

Det hjelper ikke å forsterke signalet hvis vi ikke har en høyttaler som en siste komponent. I en høyttaler finner vi tre hoveddeler:

  1. Spole (elektromagnet): Denne lager et magnetisk felt når elektriske signaler strømmer gjennom den.
  2. Magnet: Denne er permanent på samme sted, festet til membranen. Står alltid i samme posisjon, ikke bevegelig.
  3. Membran: Beveger seg sammen med spolen. Laget av fleksibelt materiale som f.eks papir eller plast.

Som vi ser av illustrasjonen over er spolen festet til en membran. Både spolen og membranen er bevegelige, mens magneten er fast på samme sted. Når de elektriske signalene føres til spolen blir denne midlertidig elektromagnetisk. Når elektrisitet raskt strømmer fram og tilbake vil elektromagneten enten tiltrekke eller frastøte den permanente magneten. Spolen, som er festet til membranen, vil bevege seg raskt fram og tilbake. Siden dette skjer raskt oppfatter vi det som vibrering. Membranen forsterker vibrasjonene og pumper lyd ut i luften. Frekvensen(antall svingninger per sekund) til vibrasjonene styrer hva slags tonehøyde det blir på lyden, mens amplituden påvirker volumet.

Her er en demonstrajon av hvordan en høyttaler reagerer på elektrisk strøm:

Til slutt

Det er spennende å følge de små elektronenes vei, fra de settes i bevegelse i den prosessen som skjer i el-gitarens mikrofoner, til de omgjøres til lydbølger(og varme) i høyttaleren. De står i tjeneste for kunstneren som trakterer gitaren. Likevel, alle verdens forsterkere og høyttalere blir først virkelig interessante når de blir redskaper for en skapende, kreativ musiker.




 

 

Relaterte artikler: