Применение прикладного программного обеспечения для выполнения практических работ по электротехнике

Соловьев Валерий Иванович

преподаватель – методист  высшей категории

Таврический колледж  ФГАОУ ВО «Крымский

федеральный университет имени В. И. Вернадского»

г. Симферополь, Республика Крым

Применение прикладного программного обеспечения для выполнения практических работ по электротехнике  

       Для выполнения практических работ по электротехнике можно применять разнообразное программное обеспечение, например:  Live Wire 1.11 Professional Edition, Electronics Workbench Multisim 8.2.12, Bright Spark 1.0. Education Edition, Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. Кратко рассмотрим возможности каждой из данных компьютерных программ.

       Live Wire 1.11 Professional Edition  это компьютерная программа  - симулятор  электрических цепей.  Она  наглядно показывает движение электрического тока, при включенной цепи. Интерфейс программы  Live Wire 1.11 Professional Edition приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Интерфейс программы  Live Wire 1.11 Professional Edition

Программа Live Wire 1.11 Professional Edition напоминает компьютерную программу Electronics Workbench Multisim 8.2.12. Достаточно проста в освоении, но русскоязычного интефейса неимеет. Возможностей программы Live Wire 1.11 Professional Edition  достаточно для того, чтобы проектировать простые электрические цепи и схемы электроники, а также  строить графики протекающих в электрических цепях процессов.

        Electronics Workbench Multisim 8.2.12. -  это электронная лаборатория на компьютере. Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench Multisim 8.2.12 предназначена для моделирования и анализа электрических схем. Программа позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов. Есть возможность подключения и создания новых библиотек компонентов. Параметры компонентов можно изменять в широком диапазоне значений. Большой набор приборов позволяет производить измерения различных величин, задавать входные воздействия и строить графики. Все приборы изображаются в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно. Результаты моделирования можно вывести на принтер или импортировать в текстовый или графический редактор для их дальнейшей обработки.  Программа позволяет разместить схему таким образом, чтобы были чётко видны все соединения элементов и одновременно вся схема целиком. Возможность изменения цвета проводников позволяет сделать схему более удобной для восприятия. Можно отображать различными цветами и графики, что очень удобно при одновременном исследовании нескольких зависимостей. Программа Electronics Workbench использует стандартный интерфейс Windows, что значительно облегчает её применение (рисунок 2.). Интуитивность и простота интерфейса делают программу доступной любому, кто знаком с основами использования Windows.

Рис. 2. Интерфейс программы  Electronics Workbench Multisim 8.2.12.

        В библиотеку компонентов программы входят пассивные элементы, транзисторы, управляемые источники, управляемые ключи, гибридные элементы, индикаторы, логические элементы, триггерные устройства, цифровые и аналоговые элементы. Активные элементы могут быть представлены моделями как идеальных, так и реальных элементов. Electronics Workbench может проводить анализ схем на постоянном и переменном токах.  Однако стоимость данной программы является высокой.

      Bright Spark 1.0. Education Edition  - компьютерная программа для моделирования и исследования электрических цепе         й и схем электроники, имеет достаточно забавный интерфейс (рисунок 3.).  Программа  комбинирует на дисплее компьютера «мультяшный» интерфейс с реалистическим моделированием,  как бы оживляя электрические схемы (рисунок 4.).  Bright Spark 1.0. Education Edition помогать изучать основные принципы функционирования электроники. Используя широкий выбор компонентов, входящих в программное обеспечение, пользователь может проектировать собственные электрические схемы.

Рис. 3. Интерфейс программы  Bright Spark 1.0. Education Edition

       Разработчики данной компьютерной программы реализовали компьютерное моделирование таким образом, что пользователь имеет возможность видеть что происходит внутри компонентов и соединительных линий электрических цепей. Это означает, что обучающийся  можете видеть  как и когда электроны вытекают из источника электрической энергии и перемещаются по электрической цепи. Становяться более доступными трудные для усвоения понятия:  напряжение, разность потенциалов и электрический ток. Реалистическое моделирование программы Bright Spark 1.0. Education Edition обесаечивается наличием свыше 40 великолепно анимированных компонентов, что позволяет также обеспечить большую наглядность работе  набора программнных испытательных инструментов. Пользователю программы не нужно волноваться о свободных подключениях или ошибочных подключений компонентов. При этом необходимо остерегаться выставления максимальных параметров для любых компонентов  электрической цепи, так как это приведет к их взрыву (рисунок 4.).

Рис. 4. Взрыв компонента при превышении максимальных параметров

       Проектирование электрических схем в программе  Bright Spark 1.0. Education Edition  осуществляется  быстро  и  просто,  для этого необходимо выбрать из библиотеки нужные  компоненты   и  соединить  их вместе.  После этого  можно начать моделирование (рисунок 5.).

Рис. 5. Сборка схемы в программе  Bright Spark 1.0. Education Edition

       Программа позволяет исследовать и моделировать достаточно большой диапазон разделов электротехники, в том числе таких как:  электрический ток, напряжение, электрическая нагрузка, проводимость, сопротивление, емкость, индуктивность, закон  Ома, законы Кирхгоффа, последовательные и параллельные электрические цепи и так далее. Программа  Bright Spark 1.0. Education Edition достаточно проста в освоении, но русскоязычного интефейса неимеет и стоит достаточно дорого.

       Начала ЭЛЕКТРОНИКИ  1.2 - обучающая компьютерная программа для школьников и студентов младших курсов среднего профессионального образования.Данное мультимедийное программное приложение представляет собой электронный конструктор, в котором обучающийся может "собирать" различные электрические схемы и наблюдать за установившимся режимом их работы, подключая различные источники постоянного или переменного тока. В процессе своих исследований обучающийся может пользоваться современными измерительными приборами в число которых входят два цифровых мультиметра и двухканальный осциллограф (рисунок 6.).  

Рис. 6. Интерфейс программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ  1.2

      При  помощи компьютерной программы  Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2  обучающийся может:

·        изучать зависимость удельного сопротивления проводников от материала, длины и поперечного сечения;

·        изучать законы постоянного тока - закон Ома для участка цепи и закон Ома для полной цепи;

·        изучать законы последовательного и параллельного соединения резисторов, конденсаторов и катушек;

·        изучать принципы использования предохранителей в электронных схемах;

·        изучать законы выделения тепловой энергии в электронагревательных и осветительных приборах, принципы согласования источников тока с нагрузкой;

·        знакомиться с принципами проведения измерений тока и напряжения в электронных схемах с помощью современных измерительных приборов (мультиметр, осциллограф), наблюдать вид переменного тока на отдельных деталях, сдвиг фаз между током и напряжением в цепях переменного тока;

·        изучать проявление емкостного и индуктивного сопротивлений, их зависимость от частоты генератора переменного тока и номиналов деталей в цепях переменного тока;

·        изучать выделение мощности в цепях переменного тока;

·        исследовать явление резонанса в цепях с последовательным и параллельным колебательным контуром;

·        исследовать принципы построения электрических фильтров для цепей переменного тока.

        Компьютерная программа имеет рускоязычный интерфейс, не требует установки на персональный компьютер, проста в освоении и при этом совершенно бесплатна.

       Анализ вышуказанного прикладного программного обеспечения, для использования в процессе выполнения практических работ по электротехнике позволяет сделать вывод, что наиболее всего для этой цели подходит программа  Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2.

        В качестве примера, рассмотрим выполнение с помощью компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. практической работы по исследованию последовательного, параллельного и смешанного соединения резисторов. Целью данной практической работы  является изучение закономерностей протекания электического тока через последовательное, параллельное и смешанное соединение резисторов.

        Общеизвестно что, при последовательном соединении резисторов их общее сопротивление равно сумме электрических сопротивлений каждого резистора,  а  при параллельном соединении резисторов   величине, обратной сопротивлению цепи и равна сумме обратных величин сопротивлений всех параллельно соединенных резисторов.  

        Для экспериментальной проверки данных закономерностей собераем на монтажной плате  компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. электрическую схему (рисунок 7.).  

Рис. 7. Интерфейс  компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. с собранной на монтажной плате исследуемой схемой.

        Выбераем номиналы резисторов со следующими значениями сопротивлений: R1 = 1 кОм; R2 = 2 кОм; R3 = 3 кОм; R4 = 4 кОм. Затем экспериментально с помощью мультиметра (в режиме измерения сопротивлений) определяем  сопротивление на последовательных и параллельных участках  исследуемой электрической цепи. Записываем эти показания в отчет по практической работе. Рассчитываем теоретические значения сопротивлений резисторов на последовательных и параллельных участках  исследуемой электрической цепи и сравниваем их с измеренными значениями. Задаем обучаемым задается вопрос: какие выводы можно сделать из данного опыта? При этом можно воспользоваться имеющимся в компьютерной программе справочником по электричеству.

     Далее подключаем в исследуемую электрическую цепь источник постоянного напряжения  Е=30 В, r = 0,1 Ом (рисунок 8.).  

Рис. 8. Интерфейс  компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. с собранной на монтажной плате исследуемой схемой при подключенном в нее источника постоянного напряжения.

       Измеряем с помощью мультиметра (в режиме измерения тока) токи, текущие через каждый резистору  (рисунок 9.).  Записываем показания прибора в отчет по практической работе.

Рис. 9. Интерфейс  компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. с собранной на монтажной плате исследуемой схемой в режиме измерения постоянного тока.

      Проверяем экспериментально, что в последовательной цепи ток, протекающий через все резисторы одинаков, а в параллельной цепи ток разделяется так, что сумма всех токов через параллельно соединенные резисторы, равна полному току через весь участок.

       Измеряем с помощью мультиметра (в режиме измерения постоянного напряжения)  напряжения на каждом сопротивлении (рисунок 10.). Записываем показания прибора в отчет по практической работе.  Проверяем экспериментально, что в последовательной цепи напряжение на всем участке равно сумме напряжений на каждом элементе, а в параллельной цепи, напряжение одно и то же на каждом элементе.

Рис. 10. Интерфейс  компьютерной программы  Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. с собранной на монтажной плате исследуемой схемой в режиме измерения постоянного напряжения.

      Затем обучающимся необходимо ответить на  контрольные вопросы:

1.       Может ли сопротивление участка двух параллельно соединенных резисторов быть больше (меньше) любого из них? Объясните ответ.

2.       Какие законы используются для вывода формул сопротивления параллельного и последовательного соединения резисторов?

      После выполнения практической работы:

      Обучающийся должен знать:

·        Законы протекания тока через последовательно соединенные резисторы и формулы расчета сопротивлений таких участков.

·        Законы протекания тока через параллельно соединенные резисторы и формулы расчета сопротивлений таких участков.

      Обучающийся должен уметь:

·        Рассчитывать теоретические значения сопротивлений резисторов между указанными точками схемы и сравнивать их с измеренными.  

·        Проверять экспериментально, что в последовательной цепи напряжение на всем участке равно сумме напряжений на каждом элементе.

·        Рассчитывать значения токов  и напряжений при параллельном соединении резисторов.  

·        Проверять экспериментально, что напряжение в параллельной цепи, одно и то же на каждом элементе.

       Вывод: Процесс обучения невозможен без ошибок, а ошибки в реальной  лаборатории  порой очень дорого обходятся экспериментатору. Работая с  прикладными компьютерными программами, обучающийся  застрахован от случайного поражения электрическим током, а приборы не выйдут из строя из-за неправильно собранной схемы. Благодаря компьтерным программам в распоряжении пользователя имеется такой широкий набор приборов, который вряд ли будет доступен в реальной жизни. Таким образом, у обучающегося всегда имеется уникальная возможность для планирования и проведения широкого спектра исследований  электронных цепей при минимальных затратах времени.

Краткое описание документа:

Для выполнения практических работ по электротехнике можно применять разнообразное программное обеспечение, например: Live Wire 1.11 Professional Edition, Electronics Workbench Multisim 8.2.12, Bright Spark 1.0. Education Edition, Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2.

Анализ вышуказанного прикладного программного обеспечения, для использования в процессе выполнения практических работ по электротехнике, позволяет сделать вывод, что наиболее всего для этой цели подходит программа Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2.

В качестве примера, рассмотривается выполнение с помощью компьютерной программы Начала ЭЛЕКТРОНИКИ 1.2. практической работы по исследованию последовательного, параллельного и смешанного соединения резисторов.