坦克上的短命鬼--做个4P1S直热管小推挽玩玩

twojadupa

前几天看到了4P1S这只小管子，感觉挺有意思，矮墩墩的小身子类似于曾志伟，甚是有趣。
人肉搜索了一下他的身世，发现也蛮有趣。
电子管4P1S是一种直热阴极锁式管座功率放大管，被专门设计用于坦克电台的高频发射功率输出和音频功率输出。它的直热式阴极直接利用电池供电，锁式管座结构适用于在强振动环境，用弹簧缩住电子管使之不至于从管座中松动出来。这种电子管是二战后期由德国设计制造的，战后苏联接收了这个设计并按他们的型号命名规则取名为4П1Л，应用于苏军的坦克电台。北京电子管厂在50-60年代生产这个管型，是为当时武器装备的苏式或仿苏式T34坦克电台配套和备份的。





原来是坦克上用的，看来身世很有趣，也很强悍！看不出这小矮冬瓜还是个军人呢。
不过这家伙是个短命鬼，工厂在生产4P1S这个管型时，发现产品的寿命不能满足要求。按当时的标准，直热式阴极的小型电子管，寿命应高于1000小时，间热式电子管的寿命应高于500小时。这是因为直热式阴极小型电子管多半用于电池供电的设备，灯丝即阴极和阳极的功率都设计的比较低，节省设备功耗以延长电池使用时间。这样整个电子管内部的工作温度比间热式低得多，电子管的寿命也比较长。但是4P1s是个特例，不但北京生产的达不到1000小时，苏联制造的合格4П1Л样管进行寿命试验之后，发现同样不能达到规定的1000小时寿命要求，而且失效的情况与中国制造的4P1S完全一样。后来4P1S的寿命标准被改定在了750小时，成为直热式电子管寿命标准的一个特例。后来有人考证其原因，从一本二战的书籍里找到了答案，　那本书上说二战末期的德军坦克，从工厂开出来以后，平均寿命只有两个星期，就在战场上被击毁了。两个星期是14天，乘以24小时等于336小时。假设那个时候他们的电台是24小时都开机的，离750小时还差了一半。
这些资料让进一步加深了我的好奇，到底这个参过军的，矮胖又短命的玩意能出什么声音？
继续搜，搜搜参数：

自锁式八脚管4P1S，原型为欧洲的4L20，上世纪六十年代由北京电子管厂引进生产，用于进口载波通信设备的替补管型。4PIS五极管，在频率12MHz时，丙类振荡和放大可输出约4W的功率。手册中无此管用于A类放大的数据，只给出相关的极限参数、C类应用基本数据和Ug2=150V时的特性曲线族。和A娄应用相关的参数有以下几项:极限参数:灯丝供电.3.9-4.7V(额定4.2V0.325A):板极电压250V，板耗7.5W;第二栅极电压250V.G2损耗1.5W;阴极电流平均值50mA:第一栅极A类自给栅负压电阻<500kΩ.参考其极限参数，利用上图特性曲线族，可作出A类功率放大的负载线AOB。

A点为最大板流瞬时值，当Ugl=OV时，板流的开始饱和点(板流由上升到停止上升的拐点).即最大瞬时板流80mA.对应板压75V的A点。0点即A点静态工作点，应选取板压一板流线性区的中点，根据4PIS(中图)跨导特性曲线图，可以直观看出板流截止弯曲点约为5mA，栅压Ugl=OV的饱和弯曲点为80mA，故此线性区中点电流为(80mA—5mA)/2=37smA，作为A类状态静态电流。为了不超出7.5W的板耗，板压Ua应不大于200V。故0点为Ua=200V垂直线与la=31mA.Y轴以la标度(37.5mA除去6.5mA的第二栅电流).由上图可见0点的栅负压约为-7.5V~-8V.可在调整栅负压时以上阴极电流(Ia+Ig2)37.5mA为准。B点是连接A、0并以直线延长，与0点栅负压两倍的曲线(约为USI=-16V)相交的点。

根据负载线AOB可以求出此状态的最佳负载阻抗R1=3000Ω.最大输出功率P0=1.8W.非线性失真约8%。因此根据计算条件得出4PISAl类状态应用参数如下:

板极电压:200V.电流31mA:第二栅极电压:150V电流6.5mA;栅负压:-8V;输人信号:

8Vp-p;最佳负载电阻:3000Ω，输出功率:1.8W。

此状态下4PIS基本参数(由上图计算值):跨导s=7mA/V:内阻Ri17.5kΩ;μ=122.5。

由此可见直热五极管作输出级应用值不大，一则输出功率偏小，二则五极管内阻较高失真较大。但是将A类功率放大用于电压驱动却有十分诱人的效果。只要采用I:I+I的驱动变压器，则驱动级可输出两组对称的大幅度驱动信号。

另一种方法是4PIS接成三极管作RC耦合电压放大.经实测五极管4PIS第二栅极对板极放大系数岫≈9，按日本斋藤彰英先生的理论，将三极管接法视为第二栅极负反馈，则第二栅极负反馈系数βs=l/9。该三极管接法跨导不变S=7mA/V.而“值则由五极接法的122.5降低为(l+μSβS)分之一.即:

μ(3极=122.5/1+122.5x1N=8.4，相应三极接法的内阻R13=Ri5/l+μ5x1/9=17.5/1+μ51/9=1200Ω，由此可见4P1S接成三极则成为典型的板耗为9W的低μ、低内阻三极小功率输出管，其A类输出功率不足1W，但其低μ、低内阻特性作为HI-FI耳机放大器或电压驱动级却是理想的选择。

为了求得4PIS三极接法的应用参数，通过在4PIS特性曲线族中作图.描绘出第二栅极负反馈系数ps=IN的特性曲线族，作为近似三极管接法的特性曲线(作图及计算过程从略)，从曲线圈中决定RC耦合放大器的工作点及数据。

当板极电压选用Ua=250V时应用电路及数据如下(见下图):4P1S三极管接法内阻为1.2kΩ，为得到较高电压增益选用SR/=6kΩ作为Ra，此时增益K为:K=pxRa/Ri+Ra=8.4x6/6+1.2K=7倍。在曲线圈中作6kΩ负载线得到RC耦合放大器参数为:板压供电250v.板极有效电压145V.栅负压-13V.自给栅负压电阻Rk=lkΩ。增益7倍，用于驱动A类单端输出级时，只要驱动级有6,4Vp—p的输入信号即可满足输出45Vp-p的要求。4PIS三极RC耦合放大电路及参数见下图所示。该驱动级最大输入信号为13Vp-p，也即意味着输出电压峰值可阻达到9Wp-p.不过当输入13Vp-p信号时.信号正半周瞬间栅极电位为ov，将有可能产生栅流，使失真增大。

最佳状态是限制最大信号峰值低于栅负压1—2V。即使输入信号降低为11Vp-p，4PIS也将有77Vp-p的输出，可以轻松驱动2A3、300B。

上述两类4PIS驱动级，各有不同的用法。对于前一类用于五极管接法时，由匹配负载阻抗上输出信号电压的方式，可以在驱动电压配合下形成两路对称的输出.在额定输出功率Po时，可得到、根号P0×z(输出功率×最佳负载电阻值)的有效值电压，五极管的高增益和一定的功率输出可得到很高的驱动电压值。如当4PIS输出为IW时在3000Ω负载上其信号电压有效值Uo为:

Uo=根号1*3000Ω≈54.8rms(峰值为77.45Vp-p)，且此信号电压得益于最佳负载的匹配状态，非线性失真极小。为了改善五极管的高内阻特性再加入少量负反馈，不失为理想的有倒相功能的大幅度信号驱动级。

对于后一种驱动方式，将4PIS接成三极管，用于RC耦合放大器，其低内阻和良好的线性，即使不加任何负反馈也是十分理想的大信号驱动级，而其直热式阴极又使放大器得到极为优异的性能。

做成单端输出功率太小了，比6P1还逊，只能做成推挽了，继续搜，搜到了一个二战军阀阎锡山的图
莫非阎锡山眼馋过德军坦克？（在此感谢电路图作者）

据说额定功率9.7W，超线性接法7.2W，三极管接法3.8W。
引用原图作者的说法：
整机电路非常简单，因为是推挽，所以电源异常简单，晶体管桥式整流后仅需要一只100μ/400V的电解电容就OK了，4P1S的灯丝也可以简单的使用交流，没有交流声的困扰。电压放大、推动倒相采用分压式倒相，又称古典式倒相，类似于QUAD II的电路构架，这里要说一下：提供给推动倒相级的电源上串接了一只1N4001的二极管，不要随便取掉，它可是有功能的，在出现大动态的时候，电源电压有波动，由于这只二极管的存在，推动倒相级的电压没有波动。此电路虽为推挽但带有单端的音色，标准接法下有着壮士般的豪情，超线性接法又象是一个风情万种的少 妇，三极管接法象是一个清纯的少 女。
电路相当简单，适合我这种懒人，说法相当的yy，正合我意，就做一个标准接法的。
首先是弄来PCB，懒人啊，没办法。


再弄好机箱，电源牛

本来是准备用5AR4整流

10分钟焊上板子，全部廉价原件，谁让原图作者说是为劳动人民设计的呢，当然走廉价路线。


输出牛就用LP的，这个牛我做过EL84推挽，声音还行

开始像蜘蛛一样接线

做好了发现5AR4整流电压有点低，直接改石头了，用电容堵上了整流管的洞洞。



效果还不错，交流点灯感觉交流声有点大了，难道真该弄一块坦克上的电池来直流供电？


几个4P1S小管子发出淡淡的红光，看起来很漂亮，站成一排，就像二战末期德国征召的娃娃兵。
还有就是这小管子带锁扣，插进去就很难拔出来，看来是不死不休啊。

说说效果，功率确实能达到8-9瓦，测着失真有点大，6w时1.5%，9瓦时2.8%，还得需要好好调调，不过声音还不错，真是有点单端的味道。

qicainw

不错！ 也想装个就是电源牛麻烦！

twojadupa

最后还是得秀秀波波吧。

100hz

1khz

10khz

20khz

1k正弦波

1k三角波

twojadupa

不错！ 也想装个就是电源牛麻烦！
qicainw 发表于 2013-3-27 12:59

电源牛是罗嗦，好在有人帮我绕

qicainw

这么幸福啊！说说各组电压，电流吧。

大杨树

讲的挺细，不错。

twojadupa

20K的波型是正弦波?
cnn828 发表于 2013-3-27 15:09

    20khz是方波，只不过比较难看，瞬态比较迟钝。
要是正弦波这样子我就跳楼去了。嘿嘿

twojadupa

这么幸福啊！说说各组电压，电流吧。
qicainw 发表于 2013-3-27 14:43

电压跟图上差不多，但是偏低几v，问题不大。电流就没测了。。。

twojadupa

楼主的文风大变之后，又一力作！学习

管子有来源，有出处，正统坦克声音！
sztat 发表于 2013-3-27 16:15

对啊，所以交流声应该保留下来，模拟坦克发动机噪音，比较有气氛~~~
这种小P制作纯属快餐式的乱作，算什么力作啊，汗死

土炮三

好文 好管 好機

kenny

没有仔细配对吧。应该试试用独立固栅校准屏流。

BossXPOX

呵呵，好啊！不错

microstar

图片挂了？？？一张都看不到

凝滞的思绪

并管行不行？

八根儿

好文！学习了。。。

llzqq

机箱尺寸所限，三个变压器的布局不是很合理。