直热功率管4P1S的应用介绍

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      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。4P1S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。
      A类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，利用下图特性曲线族，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4P1S（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4P1S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价值不大，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4P1S接成三极管作RC耦合电压放大．经实测五极管4P1S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=1/9。该三极管接法跨导不变S=7mA/V．而μ值则由五极接法的122.5降低为（1+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4P1S三极接法的应用参数，通过在4P1S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。4P1S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，4P1S也将有77Vp-p的输出，可以轻松驱动2A3、300B。
　　上述两类4P1S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4P1S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4P1S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。
作者：郑国川