日光灯工作原理.doc

第七章 正弦交流电路实 验 五 日 光 灯 及 功 率 因 数 的 提 高 一 、 实 验 目 的 1 掌 握 日 光 灯 电 路 的 组 成 、 工 作 原 理 及 接 线 。 2加深理解感性负载并联电容器 后 提 高 功 率 因 数 的 基 本 概 。 3学 会 正 确 使 用 交 流 电 流 表 、 电 压 表 、 功 率 表 、 自 耦 调 压 器 及 验 电 笔 。 二 、 预 习 要 求 l 熟 悉 日 光 灯 电 路 的 组 成 及 工 作 原 理 。 2 复 习 并 联 电 路 电 压 和 电 流 的 相 量 关 系 及 提 高 功 率 因 数 的 意 义 和 方 法 。 3 预 习 交 流 仪 表 及 验 电 笔 的 使 用 。 4完 成 下 列 填 空 题 。 （1）日 光 灯 灯 管 在 正 常 工 作 时 可 近 似 看 作 （ 电 阻 性/电感 性 ） 元 件 ， 镇 流 器 可 看 作 （ 电 阻 性/电 感 性 ） 元 件 。 （2） 我 们 平 时 说 20W 日 光 灯 ， 是 指 （ 灯 管 总 ） 功 率 为 20W。 （3） 随 着 并 联 电 容 值 的 增 加 ， 容 抗 XC （ 增 加 减 小 不 变 ） ； 电 容 器 支 路 电 流 C （ 增加 减 小 ） 。 日 光 灯 支 路 电 流 （ 变 化 不 变 ） 、 电 路 总 电 流 I （ 增 加 减 小 不 变 ） 。 （4） 并 联 电 容 后 ， 日 光 灯 支 路 的 有 功 功 率 （ 变 化 不 变 化 ） 、 无 功 功 率 （ 变 化 不 变 ） 、 视 在 功 率 （ 变 化 不 变 ） ； 电 路 总 有 功 功 率 （ 变 化 / 不 变 ） 、 总 无 功 功 率 （ 变 化 / 不 变 ） 、 总 视 在 功 率 （ 变 化 / 不 变 ） 。 可 见 日 光 灯 电 路 并 联 电 容 器 是 为 了 提 高 （ 日 光 灯 线 路 ） 的 功 率 因 数 。 （5） 日 光 灯 电 路 并 联 电 容 值 增 加 到 某 一 数 值 时 ， 总 电 流 I最 小 ， 说 明 此 时 电 路 处 于 状态 ， 功 率 因 数 为 。 若 再 继 续 增 加 所 并 电 容 值 ， 又 会 使 总 电 流 变 大 ， 说 明 电 路 已 过 补 偿 ， 进 入 （容 性 感 性 ） 状 态 。 （6） 启 辉 器 实 际 上 相 当 于 一 个 自 动 开 关 。 如 果 不 用 启 辉 器 ， 你 可 用 什 么 简 易 办 法 点 燃 日 光 灯 ？ 三 、 实 验 内 容 说 明 1 日 光 灯 电 路 的 组 成 及 工 作 原 理 日 光 灯 电 路 由 灯 管 、 镇 流 器 和 启 辉 器 三 部 分 组 成 。 （1） 灯管： 是一根在内壁涂有荧光粉的玻璃管，两端各封装一个用钨丝绕 成 的 灯 丝 （ 用 以 发 射 电 子 ） ， 管 内 抽 成 真 空 后 再 充 入 氩 气 和少 量 水 银 蒸 气 。 （2） 镇 流 器 ： 是 一 个 绕 在 用 硅 钢 片 叠 成 的 钱 心 上 的 电 感 线 圈 。 主 要 有 两 种 结 构 ， 如 图 7-5-1（a）、（b）所示。图（a）只有一个主线圈N；图（b）分 主 线 圈 N1； 和 副 线 圈 N2。 。 主 线 圈 的 作 用 有 两 个 ： 一 是 产 生 高 压 点 燃 灯 管 ； 二 是 在 日 光 灯 点 燃 后 起 限 流 作 用 。 副 线 圈 的 匝 数 仅 占 主 线 圈 匝 数 的 5 % 左 右，起 改 善 是 启 动 性 能 的 作 用 。N1243N2N112(a)(b)图 7-5-1 两种镇流器示意图玻璃泡静触片电容器动触片图 7-5-2 起辉器示意图（3） 启 辉 器 ： 如 图 7-5-2所 示 ， 是 一 只 充 有 氖 气 的 玻 璃 泡 。 泡 内 有 一 对 触 片 ， 一 个 是 不 动 的 静 触 片 ， 另 一 个 是 由 热 膨 胀 系 数 不 同 的 双 金 属 片 制 成 的 U形 动 触 片 。 当 触 片 间 电 压 大 于 某 一 数 值 时 ， 动 静 触 片 接 通 ； 否 则 断 开 ， 起 自 动 开 关 作 用 。 两 个 触 片 间 并 联 一 个 小 电 容 器 ， 是 为 了 消 除 两 触 片 断 开 瞬 间 产 生 的 电 火 花 对 附 近 无 线 电 设 备 的 干扰。 （4） 日 光 灯 点 燃 过 程 ： 刚 接 通 电 源 时 ， 电 压 不 足 以 使 灯 管 放 电 ， 它 通 过 镇 流 器 和 灯 管 两 端 的 灯 丝 加 到 启 辉 器 上 ， 引 起 辉 光 放 电 ， 双 金 属 片 受 热 ， 由 于 内 层 金 属 线 膨 胀 系 数 较 大 ， 使双金属 片 伸 直 ， 动 静 触 片 接 触 ， 形 成 如 图 7-5-3（a） 所 示 的 通 路 。 其 中 镇 流 器 副 线 圈 3、 4产 生 的 磁 通 与 主 线 圈 1 、2产 生 的 磁 通 相 反，增 加 了 启 动 电 流 。电 流 使 灯 丝 发 热 ， 产 生 热 电 子 发 射。同 时 ，由 于 启 辉 器 两 触 片 已 经 接 触 ， 电 压 为 零 ， 放 电 结 束 ， 双 金 属 片 冷 却 恢 复 原 状 ， 使 电 路 断 开 。 电 路 中 的 电 流 突 然 中 断 ， 使 镇 流 器 两 端 感 应 出 高 压 ， 它 与 电 源 电 压 一 起 加 到 灯 管 两 管（约500V）， 使 管 内 自 由 电 子 与 水 银 蒸 气 碰 撞 电 离 ， 产 生 弧 光 放 电 ， 放 电 时 发 出 的 紫 外 线 射 到 灯 管 内 壁 ， 激 发 荧 光 物 质 发 光 ， 日 光 灯 被 点 燃 了 。 镇流器220V3412灯点亮后电流路径镇流器220V1423启动时电流路径（a）（b）图7-5-3日光灯点燃过程图日 光 灯 点 燃 后 的 电 路 如 图 7-5-3（b） 所 示 。 这 时 灯 管 两 端 电 压 较 低 ， 约 50 100V之 间 ， 电源 电 压 大 部 分 降 在 镇 流 器 上 。 因 此 ， 启 辉 器 不 能 再 发 生 辉 光 放 电 。 也 就 是 说 ， 日 光 灯 点 燃 后 ， 启 辉 器 始 终 断 开 ， 不 起 作 用 ， 同 时 镇 流 器 副 线 圈 也 不 起 作 用 了 。 2、日光灯电路的功率因数 日 光 灯 等 效 电 路 如 图 7-5-4所 示 。 在 正 常 工 作 时 ， 灯 管 相 当 于 纯 电 阻 性 负 载 R。 镇 流 器 用内 阻 r和 电 感 L等 效 代 替 ， 只 要 测 出 电 路 的 功 率 P、 电 流 I和 总 电 压 U 、 灯 管 电 压 U R。 及 镇 流 器 电 压 URL。 ， 就 能 算 出 灯 管 消 耗 的 功 率 PB= IUR ， 镇 流 器 消 耗 的 功 率 PrL= P- PB， 以 及 电 阻 的 功 率 因 数 3 功 率 因 数 的 提 高 日 光 灯 电 路 的 功 率 因 数 较 低 ， 一 艘 在 0.6以 下 ， 且 为 电 感 性 负 载 ， 因 此 常 采 用 并 联 电 容 器 来 提 高 电 路 的 功 率 因 数 ， 如 图 7-5-5所 示 。 并 联 电 容 后 的 相 量 图 如图7-5-6 所 示 ， 由 于 电 容 支 路 的 电 流 超 前 电 压 于 90， 抵 消 了 一 部 分 日 光 灯 电 路 电 流 中 的 无 功 分 量 ， 使 电 路 总 电 流 I减 小 ， 从 而 提 高 了 电 路 的 功 率 因 数 。 当 电 容 量 增 加 到 一 定 值 时 ， 电 容 支 路 电 流 等 于 感 性 无 功 电 流 ， 总 电 流 下 降 到 最 小 值 ， 此 时 整 个 电 路 相 当 于 电 阻 性 ， cos T= l ， 若 再 继 续 增 加 电 容 量 ， 总 电 流 I 反 而 增 大 ， 整 个 电 路 相 当 于 容 性 负 载 ， 功 率 因 数 反 而 下 降 。 图 7-5-6中 ， 、； 为 日 光 灯 支 路 的 电 流 和 功 率 因 数 角 ；、为 联 电 容 后 整 个 电 路 的 总 电 流 和 功 率 因 数 角 。 并 联 电 容 后 ， 由 COS； 提 高 到COS所 需 的 电 容 C值 为 这 里 还 应 了 解 到 ： 镇 流 器 是 铁 心 线 圈 ， 其 电 压 与 电 流 间 的 关 系 是 非 线 性 的 ， 灯 管 只 是 近 似 看 作 电 阻 性 负 载 ， 实 际 上 它 的 电 压 和 电 流 波 形 既 不 是 正 弦 波 ， 也 不 完 全 相 同。4 自 耦 变 压 器 （ 又 叫 自 耦 调 压 器 ） 在 实 验 室 或 某 些 场 所 ， 为 了 能 平 滑 地 调 节 电 压 ， 经 常 使 用 自 耦 调 压 器 。 它 的 特 点 是 原 副 边 共 用 一 个 绕 组 ， 原 理 图 如 图 7-5-7所 示 ， 副 绕 组 为 原 绕 组 的 一 部 分 ， 图 中 a为 副 绕 组 的 滑 动 电 刷 ， 通 过 它 的 位 置 变 化 ， 可 以 改 变 副 边 输 出 电 压 U2 的 大 小 。 自耦 调 压 器 的 原 边 和 副 边 既 存 在 磁 的 联 系，地 存 在 史 的 直 接 联 系 。 电 能 的 传 递 不 仅 是 通 过 原 副 边 的 电 磁 感 应 也 通 过 电 路 ， 故 自 耦 调 压 器 的 也 积 比 同 容 量 的 双 线 圈 变 压 器 要 小 。 使 用 自 耦 变 压 器 时 ， 由 于 原 副 边 有 电 的 直 接 联 系 ， 应 先 将 滑 动 触 头 调 到 零 位 ， 然 后 再 加 原 边 电 压 ， 调 节 手 柄 达 到 所 需 输 出 电 压 。工 作 完 毕 后 ， 应 先 将 手 柄 调 到 零 位 ， 再 切 断 电 源 。 必 须 注 意 ： 原 边 的 火 线（2、3端） 与 地 线 （1端）不 可 接 错 ，否 则 要 烧 坏 绕 组 ， 甚 至 造 成 电 源 短 路。5 实 验 线 路 实 验 线 路 图 如 图 7-5-8所 示 。 四 、 实 验 仪 器 1 单 相 自 耦 调 压 器 （1kVA 220V/0 250V） 1台 2 功 率 表 （ 0.5 1A 75 300V） 1只 3 交 流 电 流 表 （ 0.5 1A） 3只 4 交 流 电 压 表 （ 75 600V） 1只 5 电 容 箱 （ 1 8F） 1台 6日 光 灯 实 验 板 1块 五 、 实 验 步 骤 1. 测 定 日 光 灯 支 路 的 参 数 按 图 7-5-8接 线 ， 开 关 S 断 开 （ 不 并 联 电 容 箱 ） 。 调 压 器 的 原 端 接 电 源 ， 副 端 从 本 逐 渐 升 高 ， 使 其 输 出 至 220V， 观 察 日 光 灯 的 启 辉 情 况 ， 若 日 光 灯 不 亮 ， 应 借 助 于 电 压 表 等 逐 点 检 查