Размещено на http://www.allbest.ru/

Компьютерное моделирование в подготовке инженера-педагога

Неминущий В.Г.

Автор делится опытом работы студенческого научного кружка "Электрон" на электротехнологическом факультете УИПА по проектированию электронного устройства управления коллекторным электродвигателем постоянного тока при широтно-импульсной модуляции. Работа кружка основывалась на коллективном поиске решений и компьютерном моделировании электронных схем.

Автор наводить дослід роботи студентського наукового гуртка "Електрон" на електротехнологічному факультеті УІПА з проектування електронного устрою керування колекторним електродвигуном постійного струму при широтно-імпульсній модуляції. Робота гуртка засновувалася на колективному пошуку рішень та комп'ютерному моделюванні електронних схем. компьютерное проектирование коллекторный ток

Author is divided by experience of work student's scientific group "Electron" on electrotechnological faculty UEPA on designing of a electronic device of management collector by a electric motor of a constant current at pulse-width modulation. The work group was based to collective search of the decisions and computer modeling of electronic circuits.

Постановка проблемы. Привлечение студентов к научным исследованиям начинается обычно либо в студенческом научном кружке, либо в институтской лаборатории и имеет своей целью не только занятие чистой наукой, но и воспитание молодого специалиста с широким кругозором, способного к самостоятельному творческому поиску. В данной статье приводится опыт применения новых компьютерных технологий и коллективного решения поставленной проблемы при проведении занятий студенческого научного кружка по электронике.

Обычно занятия студенческого научного кружка строятся по следующей схеме. На вводном занятии руководитель знакомит студентов с темой и объектом исследования, их целью, показывает актуальностью данного исследования и дает критический анализ исследований в данной области. А затем предлагает свой путь решения проблемы. На последующих занятиях в соответствии с имеющимися навыками и наклонностями каждый получает определенный участок работы. И здесь зачастую наблюдается такая картина: если студент, например, умеет паять и отлаживать электронные схемы, то, как правило, ему и поручают подобную работу. А девушке-отличнице, обладающей широким кругозором, но не имеющей подобных практических навыков, вполне вероятно, поручат литературный обзор или работу, связанную с вычислениями. А то и с оформлением.

В результате имеем: радиолюбитель продолжает паять, а студентка-отличница - оформлять или вычислять, т. е. ничего качественно нового. Конечно хорошо, если лаборатория располагает современным оборудованием для научных исследований. Тогда появятся и новые навыки, и новые методы. И здесь на помощь может прийти компьютерное моделирование физических процессов.

Автор данной статьи уже делился опытом компьютеризации лабораторных работ по электротехнике и основам электроники на электротехнологическом факультете УИПА / 1 /. Повышение эффективности учебного процесса там достигалось моделированием на компьютере с помощью программы-эмулятора "Elektronics WorkBench 5.12" / 2 / физических процессов в электронных цепях, построенных на экране монитора. Простота интерфейса и наглядность измерения параметров цепи позволяли эффективно и быстро изучать функционирование исследуемых схем.

Целью данной работы - компьютерное проектирование электронного блока управления коллекторным электродвигателем постоянного тока всей группой студентов, входящих в состав научного кружка, и последующая его сборка и отладка. Традиционным методом ручного конструирования это смогли бы сделать только прошедшие специальное обучение и подготовку студенты.

Для выполнения поставленной задачи ход занятий строился по такой схеме. На вводном занятии вспомнили устройство и принцип работы электродвигателя постоянного тока, (известные из курсов физики и электротехники), обсудили способы управления его работой, в том числе и метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ) / 3, 4 /, область применения этого метода и практически полное отсутствие метода управления ШИМ в бытовой технике, строительных инструментах и электрифицированных игрушках. А они составляют значительную часть товаров народного потребления. Отметили также значительную экономию электроэнергии при данном методе.

Вся дальнейшая работа кружка была разбита на два этапа. На первом этапе учащиеся на имеющемся стенде исследуют работу электродвигателя (35Вт) при разных напряжениях питания, нагрузках и холостом ходе. То есть практически выполняют исследования на уровне хорошей лабораторной работы. По полученным данным строят графики, обсуждают результаты, делают выводы. А один из выводов, естественно, таков: управление электродвигателем изменением напряжения питания ведет к преждевременному износу двигателя и снижению его КПД.

Затем, когда учащиеся уяснили суть проблемы, начинается второй этап. И он состоит из такой последовательности. Кружковцам предлагается спроектировать заданное электронное устройство на компьютере, основываясь на знании работы распространенных микросхем логики / 5 / (курс электротехники и основ электроники) и опыта работы с "Elektronics WorkBench 5.12". Причем, эту работу нужно сделать за одно занятие, работая коллективно за компьютером (экран монитора в 17 дюймов вполне дает обзор для 4-5 человек). Таким образом, члены кружка, расположившись у компьютера, составили нечто вроде дискуссионного клуба. То, что за клавиатурой сидит только один учащийся, дела не меняет: необходимые практические навыки работы с "Elektronics WorkBench 5.12" имеют все члены кружка.

Дальше работа идет по принципу: вопрос-обсуждение-ответ. Например. Вопрос: каким током питается электродвигатель при ШИМ модуляции? Ответ: это прямоугольные импульсы одноименной полярности. Вопрос: что может являться источником таких импульсов? Ответ: генератор опорных импульсов. Вопрос: предложите его простейшую схему на логических элементах? Ответ: ... И т. д. Идет интенсивный обмен мнениями и знаниями, в результате чего на грифельной доске формируется блок-схема устройства, определяются электронные компоненты блоков. Каждый блок получает свое название в соответствии с его функциональной задачей. Затем выбирается электрическая схема для конкретного блока. Она переносится на экран монитора и с помощью программы-эмулятора отлаживается.

Для неспециалистов такие задачи могут показаться слишком сложными для студентов, к тому же при коллективном рассмотрении. Но, например, тот же блок опорного генератора состоит всего из двух логических элементов, двух сопротивлений и одного конденсатора. И работа такого генератора изучается в любом школьном кружке радиоэлектроники. Для простоты нахождения решения некоторые составные части устройства в целом могут быть заменены их электрическими аналогами. Например, коллекторный электродвигатель заменяется резистором и генератором электрических импульсов, имитирующем ЭДС самоиндукции.

Конечно, ведущая роль в поиске принадлежит руководителю кружка. Очень важно держать темп дискуссии, не давать увязнуть при обсуждении второстепенных деталей. Так, подбором конкретных электронных компонентов будет заниматься уже радиолюбитель. И наконец, сформировав опытный образец схемы, можно переходить к ее сборке на макете. Это происходит на следующих занятиях. Собранный экспериментальный образец отлаживается с помощью уже реальных осциллографа и сигнал-генератора. Здесь члены кружка могут сравнить показания приборов с данными их виртуальных аналогов. И вообще, увидеть весь процесс их компьютерного творчества в действительности. Остается по отлаженной схеме спроектировать, вычертить и изготовить печатную плату. Эта часть работы была выполнена вручную каждым из членов кружка. Здесь проявилось индивидуальное творчество учащихся, их понимание схемотехники. Наиболее удачный вариант был взят как окончательный. Работу по проектированию печатной платы, возможно, было также выполнить с помощью специальной программы, где, задав электрическую схему, можно наблюдать весь процесс проектирования на экране. Имеется широкий выбор таких программ. Но для процесса обучения полезно именно самостоятельное выполнение данной задачи. Это уже потом желательно просмотреть электронный вариант. Обычно он идеален. И сравнивая с ним свое решение, можно будет поставить объективную оценку разработке.

Результатом работы кружка было создание электронного устройства управления всего на одной микросхеме 561-й серии, 4-х транзисторах, трех диодах и нескольких сопротивлениях и конденсаторах. Управляя электродвигателем типа ДПМ-20-Н1-12Б, установленном на модельное шасси, оно позволяло плавно изменять скорость в процессе движения в 5-6 раз.. При движении по пересеченной местности скорость поддерживалась постоянной автоматически, не зависимо от меняющихся нагрузки и профиля дороги. Отработана методика группового компьютерного проектирования электронных устройств, что оказывает положительное влияние на качество обучения.

Выводы

Основные преимущества такого метода работы научного кружка таковы. В итоге выполненной работы имеем не только искомое электронное изделие. Во-первых, учащиеся приобщаются к миру новых технологий, возможности которых благодаря постоянно растущей электронной базы данных неограниченны и уровень таких компьютерных студенческих разработок определяется фактически способностями студентов. Во-вторых, из-за отсутствия на начальном этапе определенных знаний и навыков (которые вообще-то и не являются показателями подготовленности специалистов УИПА), многие успевающие студенты традиционными средствами не смогли бы выполнить поставленную задачу. А значит, и познать радость успеха. Теперь есть и успех, и новые знания, и некоторые навыки. И в-третьих. Учитывая специализацию электротехнологического факультета, опыт такого компьютерного творчества будет хорошим помощником как преподавателю профессионально-технического училища, так и инженеру-специалисту не только электротехнических специальностей. Например, при изучении молодым специалистом экономики конкретного предприятия, компьютерное моделирование его электрической системы даст инженеру-экономисту наглядную картину функционирования электрических цепей этой системы и мгновенное значение потребляемой электроэнергии оборудованием на всех участках, а значит, и рентабельность системы.

Литература

1. Неминущий В. Г. Комп'ютеризація лабораторного практикуму з електротехнiки i основ електроніки //Проблеми освіти. Наук.-метод. сб. Вип.32. -К.: Наук.-метод. центр вищої освіти, 2003. - С.124-127.

2. Кучумов А. И. Электроника и схемотехника. -М.: Гелиос АРВ, 2002. - С.240-301.

3. Москаленко В. В. Электрический привод. -М.: Изд-во "Мастерство", 2001. - С. 77-81.

4. Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М.: Изд-во "Горячая линия-Телеком", 2003. - С.155-160.

5. Кучумов А. И. Электроника и схемотехника. - М.: Гелиос АРВ, 2002. - С.192-217.

Размещено на Allbest.ru