Стенд для изучения основ электротехники
Изобретение относится к области обучающих устройств и может быть использовано для демонстрации и получения практических навыков работы с электрическими схемами. Технический результат заключается в расширении функциональных и дидактических возможностей. Стенд содержит блок питания, устройство коммутации, блок управления и индикации, генератор одиночных импульсов, генератор периодических сигналов, генератор постоянного напряжения, блок защиты от короткого замыкания, наборное поле, содержащее набор активных и пассивных электроэлементов, детектор максимального значения, детектор среднего значения, преобразователь аналогового сигнала, повторитель напряжения, панель с контрольными гнездами, блок измерительных приборов. 8 ил.
Изобретение относится к области обучающих устройств и может быть использовано для демонстрации и получения практических навыков работы с электрическими схемами.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является учебный стенд по электронике (РФ, патент № 2067779, G 09 В 23/18). Известное устройство содержит блок питания, соединенный через устройство коммутации с блоком электрических схем, включающим представленные в виде накладных панелей моделируемые функциональные узлы электрических схем, блок защиты от короткого замыкания и панель с контрольными гнездами.
Недостатком данного устройства являются ограниченное количество исследуемых электрических схем, невозможность изменения и измерения параметров электрических элементов внутри схемы, отсутствие возможности точного количественного измерения электрических параметров схем.
Задача, решаемая изобретением, - расширение функциональных и дидактических возможностей.
Указанная задача решается за счет того, что в стенд, содержащий блок питания, подключенный к устройству коммутации, блок электрических схем, соединенный с блоком защиты от короткого замыкания, панель с контрольными гнездами, дополнительно введены генератор одиночных импульсов, генератор периодических сигналов, генератор постоянных напряжений, блок управления и индикации, подключенные к устройству коммутации, которое через блок защиты от короткого замыкания соединено с блоком электрических схем, выполненным в виде наборного поля, содержащего набор активных и пассивных электрических элементов, электрически не связанных друг с другом, и контактные гнезда, к которым присоединены выводы электрических элементов, наборное поле подключено к панели с контрольными гнездами и к объединенным входам детектора максимального значения, детектора среднего значения, преобразователя аналогового сигнала, выполненного в виде частотного фильтра, и повторителя напряжения, выходы которых также подключены к панели с контрольными гнездами, входы блока измерительных приборов также подключены к контрольным гнездам панели.
Предложенное техническое решение имеет следующие отличительные от прототипа признаки.
Введение генератора одиночных импульсов позволяет исследовать динамические характеристики, в частности характеристики заряда/разряда конденсаторов; генератор периодических сигналов, в частности синусоидальных, служит для изучения электрических схем, содержащих, например, трансформатор, RC-цепи, выпрямители, ограничители, пиковые детекторы, детекторы средних значений и т.д., генератор постоянного напряжения позволяет выводить законы Ома, Кирхгофа и др.
Блок управления и индикации позволяет более удобно и точно контролировать влияние входных воздействий на электрические элементы изучаемой электрической схемы.
Выполнение блока электрических схем в виде наборного поля с набором активных и пассивных электрических элементов, электрически не связанных друг с другом, позволяет из ограниченного набора элементов собирать и изучать большее количество электрических схем, путем последовательного/параллельного подключения электрических элементов изменять параметры самой изучаемой схемы и ее отдельных элементов.
Детекторы максимальных и средних значений расширяют возможности измерений электрических параметров. Преобразователь аналогового сигнала позволяет преобразовать аналоговый сигнал для измерения косвенных параметров и представляет собой частотный фильтр с заданными амплитудно-фазочастотными характеристиками, определяемыми номиналами RC-цепей. Подключение наборного поля через повторитель напряжения к панели с контрольными гнездами позволяет измерять напряжения в различных точках исследуемой схемы, а прямое подключение - измерять силу тока.
Включение блока защиты от короткого замыкания между устройством коммутации и наборным полем позволяет защитить от КЗ задатчики входных сигналов и исследуемую электрическую схему при некорректных действиях обучаемого. Блок защиты от короткого замыкания содержит аналоговые ключи, позволяющие передавать сигнал как в прямом, так и в обратном направлениях.
Блок измерительных приборов позволяет количественно определять электрические параметры изучаемых схем.
Предложенное техническое решение позволяет изучать при ограниченном наборе электрических элементов большое количество электрических схем, их отдельных фрагментов, анализировать их параметры, получать точные количественные характеристики. Стенд для изучения основ электротехники представляет собой многофункциональный демонстрационный и исследовательский комплекс, обеспечивающий получение знаний и умений по множеству индивидуальных образовательных траекторий. Это позволяет применять стенд в лабораторных занятиях, кружковой работе, демонстрационных опытах. Таким образом, предложенное техническое решение обеспечивает расширение функциональных и дидактических возможностей.
Приведенная совокупность признаков, характеризующих заявленный объект, обуславливает достижение такого технического результата, который обеспечивает решение задачи изобретения.
Анализ уровня техники показывает, что не известен стенд, которому присущи признаки, идентичные всем существенным признакам данного изобретения. Это свидетельствует о новизне предложенного технического решения.
Предложенное техническое решение применимо, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, т.к. может быть изготовлено в условиях серийного и единичного производства с применением различных, выпускаемых серийно, комплектующих, а следовательно, соответствует условию патентоспособности “промышленная применимость”.
На фиг.1 изображена структура учебного стенда; на фиг.2 - пример задания для изучения процесса заряда и разряда конденсатора; на фиг.3 - монтажная схема, собираемая по принципиальной схеме фиг.2; на фиг.4 - пример сборки преобразователя аналогового сигнала в виде: а) интегратора, б) дифференциатора; на фиг.5 - пример задания для изучения работы трансформатора и выпрямителя переменного тока; на фиг.6 - монтажная схема, собираемая по принципиальной схеме фиг.5; на фиг.7 - пример задания для изучения закона Ома, на фиг.8 - монтажная схема, собираемая по принципиальной схеме фиг.7.
Учебный стенд для изучения основ электротехники (фиг.1) содержит блок питания 1, подключенный к устройству коммутации 2, которое соединено с блоком управления и индикации 3 и генератором одиночных импульсов 4. Генератор периодических сигналов 5 и генератор постоянного напряжения 6 также подключены к устройству коммутации 2, соединенному через блок 7 защиты от короткого замыкания с наборным полем 8. Блок 7 выполняется в составе набора электронных аналоговых ключей 7.1 (коммутаторов напряжения) с управляющим входом, датчика тока 7.2, компаратора 7.3 и "уставки" порога срабатывания 7.4 компаратора 7.3. Датчик тока 7.2 размещается на шине питания, выход датчика тока 7.2 соединен с первым входом компаратора 7.3, второй вход которого соединен с "уставкой" порога срабатывания 7.4 компаратора 7.3, выход которого соединен с управляющими входами электронных аналоговых ключей 7.1, которые включаются в разрыв защищаемых линий прохождения сигнала. Наборное поле 8 содержит набор активных и пассивных электроэлементов, которые электрически не связаны между собой. Наборное поле 8 входом измерительных преобразователей подключено к детектору 9 максимального значения, детектору 10 среднего значения, преобразователю 11 аналогового сигнала, повторителю напряжения 12, а также напрямую к панели 13 с контрольными гнездами. Устройство коммутации 2 и панель 13 при работе стенда выполняют функцию вспомогательных наборных полей. Детекторы 9 и 10, преобразователь 11 и повторитель напряжения 12 также подключены к панели 13. Входы блока 14 измерительных приборов подключены к контактным гнездам панели 13.
Устройство работает следующим образом.
Для изучения и исследования динамических процессов, в частности, процесса заряда и разряда конденсатора обучаемый, в соответствии с методическим заданием, с помощью внешних проводников собирает на наборном поле 8, устройстве коммутации 2 и панели 13 по схеме электрической принципиальной (фиг.2) монтажную схему (фиг.3) путем коммутации соответствующих контактных гнезд. После включения питания выключателем “Питание” на блоке питания 1 производится установка (сброс) изучаемой схемы кнопкой SA3 на блоке управления и индикации 3, при этом исследуемый конденсатор С1 разряжается, а счетчик обнуляется. Далее, после нажатия кнопки SA2 на блоке управления и индикации 3, генератор одиночных импульсов 4 вырабатывает одиночный импульс длительностью 1 сек, которым управляется электромагнитное реле К1 на наборном поле 8, на блоке управления и индикации 3 светодиод VD2 индицирует наличие импульса, а счетчик подсчитывает количество импульсов. Через контакты К1.1 и зарядный резистор R1 конденсатор С1 на наборном поле 8 заряжается в течение 1 сек напряжением заряда Uзap от блока питания 1. Напряжение на конденсаторе С1 считывается по вольтметру PV1 на блоке измерительных приборов 14, подключенном к заряженному конденсатору С1 через панель 13 с контрольными гнездами и повторитель напряжения 12. Данные исследования: количество импульсов и соответствующие им напряжения заносятся в таблицу, по которой строится график зависимости заряда конденсатора от количества дозированных по времени импульсов, т.е. от времени заряда. Для натурной количественной проверки работы стенда, при измерении постоянной времени RC-цепи, вольтметр PV1 блока измерительных приборов 14 подключается через панель с контрольными гнездами 13 к наборному полю 8 через преобразователь аналогового сигнала 11 (фиг.2, 3 - пунктир), выполненный в виде интегратора (фиг.4а), при этом можно выбрать RC=R1
С1, и далее к генератору одиночных импульсов 4. Затем проводятся измерения, описанные выше, и результаты измерений: напряжения и время заряда/разряда конденсатора заносятся в другую таблицу, производится сравнительный анализ результатов (заряд RC-цепи по экспоненте и линейный заряд конденсатора обратной связи).
С использованием генератора периодических сигналов 5 вместо генератора одиночных импульсов 4 изучаются и исследуются электрические схемы переменного тока. Например, обучаемый, в соответствии с методическим заданием, с помощью внешних проводников собирает на наборном поле 8, устройстве коммутации 2 и панели 13 по схеме электрической принципиальной (фиг.5) монтажную схему (фиг.6) для изучения и исследования работы трансформатора и выпрямителя переменного тока. Периодический гармонический сигнал с генератора 5 периодических сигналов через устройство коммутации 2 и аналоговый ключ 7.1 блока защиты 7 от короткого замыкания подается на собранную на наборном поле 8 электрическую схему. Вольтметр PV1 на блоке измерительных приборов 14 через панель 13 с контрольными гнездами поочередно подключается: непосредственно к одному из выходов электрической схемы (Вых. 1 или Вых. 2) на наборном поле 8 для изучения работы выпрямителя или через детектор 9 максимального значения для определения амплитудного значения гармонического сигнала, или через детектор 10 среднего значения для определения среднего значения. Измерения производятся на нескольких различных амплитудах и частотах генератора 5 и при различных параметрах схемы. Результаты измерений заносятся в таблицу для проведения сравнительного анализа. Для наблюдения и изучения скорости изменения напряжения измерения производятся с подключением измерительного прибора (вольтметра или осциллографа, входящих в блок 14 измерительных приборов) через преобразователь 11, выполненный в виде дифференциатора (фиг.4б).
Для вывода закона Ома обучаемый, в соответствии с методическим заданием, собирает на наборном поле 8 по схеме электрической принципиальной (фиг.5) монтажную схему (фиг.6). С генератора постоянного напряжения 6 определенное постоянное напряжение через устройство коммутации 2 и аналоговый ключ 7.1 блока защиты 7 от короткого замыкания поступает на вход электрической схемы на наборном поле 8. Вольтметр PV1 и амперметр РА1 блока измерительных приборов 14 через панель с контрольными гнездами 13 подключаются к изучаемой электрической схеме. Измерения производятся при нескольких различных значениях входных постоянных напряжений и при различных параметрах электрической схемы RA и RВ. Результаты измерений заносятся в таблицу, по которой строятся вольт-амперные характеристики.
Аналогично, из элементов стенда формируются и другие варианты структур, позволяющих решать учебные задачи, поясненные выше, а также выполнять множество других экспериментальных работ.
Формула изобретения
Стенд для изучения основ электротехники, содержащий блок питания, подключенный к устройству коммутации, блок электрических схем, соединенный с блоком защиты от короткого замыкания, панель с контрольными гнездами, отличающийся тем, что в него дополнительно введены генератор одиночных импульсов, генератор периодических сигналов, генератор постоянных напряжений, блок управления и индикации, подключенные к устройству коммутации, которое через блок защиты от короткого замыкания соединено с блоком электрических схем, выполненным в виде наборного поля, содержащего набор активных и пассивных электрических элементов, электрически не связанных друг с другом, и контактные гнезда, к которым присоединены выводы электрических элементов, наборное поле подключено к панели с контрольными гнездами и к объединенным входам детектора максимального значения, детектора среднего значения, преобразователя аналогового сигнала и повторителя напряжения, выходы которых также подключены к панели с контрольными гнездами, входы блока измерительных приборов также подключены к контрольным гнездам панели.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8
