日光灯电路的非线性研究及改进

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1、日光灯电路的非线性研究及改进姓名：李雪耀学号：6002210021[摘要]明日光灯灯管是一个低感抗性的电阻负载。因此日光灯灯管不能简单地用一个纯电阻来等效，而应该用一个电阻和电感的串联来等效。[关键词]日光灯；低感抗性；线性电阻元件日光灯工作原理，是与生活紧密联系的内容。因而日光灯对大家来说并不陌生，日光灯在我们日常生活中扮演着重要的角色，为大家的生活带来光明。说起日光灯线路，在高中物理实验课的时候，就已经对其作出了讲解，并作为高中物理电学课程的重要实验，经常出现考试试卷当中，可见日光灯电路在生产生活中的重要性。1.日光灯电路分析日光灯电路中，设电源电压为U，镇流器电压

2、为UL，灯管电压UA，它们之间不满足数值直接相加的关系，这很容易理解，因为镇流器为感性元件，在向量图中镇流器电压与电源电压以及灯管电压的相位不同。但是，如果把镇流器假定等同于一个纯电感元件，灯管假定等同于一个线性电阻，它们之间满足UL+UA=U，通过向量图也可以表达成U2L+U2A=U2，但是，相关测量数据（通常实验测得UL约为197V，UA约为60V，U约为220V）代入上述公式中会发现（测量计算出的U为206V）明显不等，而且相差很大（约14V），所以，很显然理论教学中的分析和实验教学中测量的数据相差很大。如果没有上述中的两个假定，U2L+U2A=U2的关系不再成立

3、。所以，日光灯电路中肯定存在非线性成分。因此，将日光灯管转化为理想原件存在一定的不合理性。2.误差产生的具体原因（1）日光灯灯管由玻璃管，灯丝和灯丝引出脚等构成，玻璃管内壁涂有荧光材料，管内抽成真空后充入少量汞和适量惰性气体氩，灯丝上涂有电子发射物质。灯管正常工作时，游离的汞分子撞击惰性气体，于是引起汞蒸气的弧光放电。用YB4320C型双踪示波器观察灯管两端的电压波形，如图1所示，其波形为周期性的非正弦量，近似于方波，表明灯管两端的电压基本稳定，保证了灯管稳定的工作。由方波的非正弦周期函数傅里叶级数表达式可以知道，此波形除含有50Hz的基波外，还含有3、5、7等高次谐波

4、信号[1]。日光灯灯管组成材料较多，工作原理较复杂，同时，通过波形的观测证明了它不是线性电阻元件。（2）a.灯管的伏安特性及功率的实验数据如下表[2]：IR(MA)050100150200250300350365400UR(V)0100999590878583.57876.5PR(W)04.57.511.515.518.5222527.528.5b.灯管的伏安特性曲线及灯管工作电压与工作电流的波形如图[2]:：通过日光灯灯管的特性实验更清楚地看到灯管的工作电压与电流都不是正弦波，它们的基波分量不同相而有一个较小的相位差，且电压超前电流，这表明日光灯灯管是一个低感抗性的电

5、阻负载。因此日光灯灯管不能简单地用一个纯电阻来等效，而应该用一个电阻和电感的串联来等效。3.设计改进实验（1）实验目的在改进实验1.4的基础上，通过测量得到更精确的r值（2）实验方法由基尔霍夫电压、电流定律可知：(2-49)和(2-50)如图2-40所示的ＲＣ串联电路，在正弦稳态信号的激励下，与保持有90°的相位差，即当阻值Ｒ改变时，的相量轨迹是一个半圆，,与三者形成一个直角形的电压三角形。Ｒ值改变时，可改变角的大小，从而达到移相的目的。在日常的用电设备中，用电负载多为感性负载，其功率因数较低，通常可通过在负载端并接电容器的方法来提高功率因数。原理是用电容器存储的

6、电量来补偿感性负载的无功电流，使总电流减小，同时电源电压与总电流的相位差减小，从而提高了功率因数。电路如图2-41所示[3]。（3）实验仪器交流电压表（0～500V)交流电流表（0～5A）功率表自耦调压器电阻、镇流器、电流插座、电感（4）实验内容如图2-41所示的实验电路，调节调压器输出至220Ｖ，验证电压三角形关系。数据填入下表。日光灯实验数据测量值计算值U(V)UR(V)UC(V)U(UR,UC组成RtD)DUDU/U图2-40RC串联电路(a)(b)图2-41日光灯测试电路日光灯安装与测量如图2-41所示的实验电路，调节自耦调压器的输出，使其输出电压缓慢增加，直

7、到日光灯刚启辉点亮为止，记下三表的指示值。然后将电压调至220Ｖ，测量功率Ｐ，电流Ｉ，电压U、UL、UA等值，验证电压、电流相量关系。数据填下表。日光灯实验数据测量数值计算值P(W)I(A)U(V)UL(V)UA(V)cosjr(W)启辉值正常工作值参考文献[1]许志华，高玉娟.日光灯电路的非线性研究.高校理科研究[2]段奇法，黄世明.关于日光灯电路的误差分析[3]正弦稳态交流电路相量的研究.http://kczy.zjut.edu.cn:8003/down/UploadFiles/200651813749.doc