МАСТЕР – КЛАСС Тема : Моделирование электрических цепей по курсу дисциплины «Электротехника и электроника» в виртуальной среде с помощью программы Electronics Workbench (EWB)
методическая разработка на тему

ДЕПАРТАМЕНТ  ОБРАЗОВАНИЯ  ГОРОДА  МОСКВЫ

_______________________________________________________________________________ ГОСУДАРСТВЕННОЕ    БЮДЖЕТНОЕ                                                                                     П Р О Ф Е С С И О Н А Л Ь Н О Е   О Б Р А З О В А Т Е Л Ь Н О Е  У Ч Р Е Ж Д Е Н И Е                           г о р о д а   М о с к в ы                                                                                                                                      « КОЛЛЕДЖ   ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО  И  ГОРОДСКОГО  ТРАНСПОРТА »

МАСТЕР – КЛАСС

Тема : Моделирование электрических цепей по курсу дисциплины «Электротехника и электроника» в виртуальной среде с помощью программы Electronics Workbench (EWB)

Профессия : __специальности технического профиля________________

Возрастная группа :__учащиеся 10-11 классов

Москва

2016г.

Обсуждено  и одобрено на заседании предметно - цикловой комиссии

Государственного бюджетного профессионального образовательного учреждения города Москвы «КОЛЛЕДЖ   ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО  И  ГОРОДСКОГО  ТРАНСПОРТА »

П (Ц)К  общепрофессиональных дисциплин

Зайцева Н.С.__________/_________________

                                                                       протокол № ____ от «____» __________ 201   г.

Методическая разработка мастер - класса по  теме «Моделирование электрических цепей по курсу дисциплины «Электротехника и электроника» в виртуальной среде с помощью программы Electronics Workbench (EWB)»           

 может  быть использована  преподавателями общепрофессиональных дисциплин, мастерами производственного обучения  при реализации учебной и внеучебной деятельности, выполняемой  в рамках одного или нескольких учебных предметов, работающих в образовательных учреждениях, реализующих программы среднего   профессионального образования.

           © ГБПОУ КЖГТ, 2016.

          129090, Москва, Каланчевская ул., 26

                                                                 Борисова Е.С., Нестерова Н.Н.,2016.

Дата (время)  проведения:   03.03.2017

Тема:    Моделирование электрических цепей по курсу дисциплины «Электротехника и электроника» в виртуальной среде с помощью программы Electronics Workbench (EWB)

Актуальность : Изучение программы-симулятора электронных схем «Electronics Workbench», которая используется при проведении лабораторных работ по дисциплине «Электротехника и электроника» намного упрощает их проведение. Проведение лабораторных работ всегда представляет собой некоторую проблему в смысле наличия соответствующего оборудования для их выполнения. Использование  программ-симмуляторов позволяет студенту быстрее освоить теоретический материал.

Цель: создать условия для профессионального самосовершенствования участников мастер-класса, при котором формируется опыт моделирования электрических схем в EWB, формируется индивидуальный стиль профессиональной деятельности в процессе опытно-экспериментальной работы.

Задачи:

Образовательные 

- создание модели принципиальной электрической схемы устройства и ее редактирование; расчет режимов работы модели; расчет частотных характеристик и переходные процессы модели;

- провести оценку и анализ модели; наращивать библиотеку компонентов; представлять данные в форме, удобной для дальнейшей работы; разработка печатных плат; подготовку научно-технических документов и д. р.

Развивающие     развивать умение наблюдать, видеть проблему, вдумчивость, любознательность, ставить цель, добывать знания, понимать, оценивать и соотносить свою точку зрения с мнением других, проводить самоанализ и самооценку

Воспитательные привить ответственность при выполнении проблемных задач, самостоятельность при выборе решений по проблеме, возможность работать в коллективе 

Ожидаемый результат:

Приобретение навыков составления, редактирования и анализа электрических схем в программе EWB

Состав участников: _________учащиеся______________

Методы и приемы:

- обмен мнениями,

- групповое обсуждение,

- дискуссия;

- выполнение поставленной задачи в группе;
- эксперимент.

Оборудование :  интерактивная доска, компьютеры с уже установленной программой EWB

Место проведения:___лаборатория электротехники и электроники

Ход  мастер- класса :    

1.Вступительная часть.

Здравствуйте.

Сегодня мы рассмотрим моделирование электрических цепей с помощью программы EWB/ Использование интегрированных программных систем схемотехнического моделирования аналоговых и цифровых радиоэлектронных устройств (Micro-Cap V, DesignLab 8.0, Aplac 7.0, System View 1.9, Circuit Maker 6.0, Electronics Workbench) позволяют решать следующие задачи:

• создание модели принципиальной электрической схемы устройства и ее редактирование; расчет режимов работы модели; расчет частотных характеристик и переходные процессы модели;
• провести оценку и анализ модели; наращивать библиотеку компонентов; представлять данные в форме, удобной для дальнейшей работы; разработка печатных плат; подготовку научно-технических документов и д. р.

Этот мастер-класс посвящен изучению программы-симулятора электронных схем «Electronics Workbench», которая используется при проведении лабораторных работ по дисциплине «Электротехника и электроника», и надо отметить, намного упрощает их проведение. Проведение лабораторных работ всегда представляет собой некоторую проблему в смысле наличия соответствующего оборудования для их выполнения. При этом нужное оборудование необходимо постоянно обновлять, производить его ремонт в случае поломки и, кроме того, от студента выполняющего на нем лабораторную работу требуется умение работать с конкретным типом оборудования. Последнее имеет полезность лишь в том случае если оборудование новое и работе с ним необходимо научиться, а в остальных случаях это только затрудняет проведение лабораторных занятий – отнимает много времени на обучение учащихся пользованию этим оборудованием, причем самым различным. Сегодня актуально говорить о проведении виртуальных лабораторных работ, которые лишены недостатков описанных выше и, кроме того, у основной массы студентов компьютеры имеются дома, и они могут, помимо аудиторных занятий, выполнять эту же работу у себя дома в качестве самостоятельной работы. Проведение лабораторных работ с помощью программ-симмуляторов позволяет студенту быстрее освоить теоретический материал. Из большого разнообразия программ-симуляторов имеющихся на сегодняшний день очень трудно выбрать какую-то одну – у всех есть свои преимущества и недостатки. В других программах, несмотря на то, что качество моделирования радиотехнических цепей в них может быть и лучшее, чем в «Electronics Workbench», их интерфейс и сама методика моделирования схем сложней. К таким программам относятся программы-симуляторы «Microcap», «Aplac» и другие. Но в любой из них, даже в программе «Multisim», которая является развитием программы «Electronics Workbench» моделировать электронные схемы гораздо сложнее, не говоря уже о такой мощной и многофункциональной программе как «Matlab».  Овладение работой с программой дает студентам возможность самостоятельно заниматься моделированием электронных схем и проверить полученные теоретические знания  на практике. Программа также может помочь при проектировании какого-либо устройства, при выполнении курсовой или дипломной работы, при проверке рассчитанной схемы на работоспособность. Сразу хочется отметить, что не следует полностью доверять результатам симуляции схемы – некоторые цепи, в особенности с нестандартным применением входящих в нее элементов (например, генератор синусоидальных колебаний на тиристоре) программа неправильно анализирует, но в большинстве случаев она дает достаточно верный результат, естественно при правильно установленных параметрах компонентов и настройках анализа. Программа «Electronics Workbench» осваивается очень быстро и достаточно несколько раз с ней поработать, чтобы научится создавать в ней электронные схемы и проводить различные исследования. Цель этого мастер-класса помочь студентам в освоении этой программы, дать представление о ее возможностях, достоинствах и недостатках.

2. Теоретическа ,  демонстрационная часть.

Запустив интегрированный пакет Electronics Workbench, вы увидите диалоговое окно и окно редактирования (рис. 1). Окно редактирования заполнено некоторыми компонентами. Диалоговое окно Electronics Workbench содержит поле меню, библиотеку компонентов и линейку контрольно-измерительных приборов расположенных в одном поле. Поле меню аналогичное с многими Windows-приложениями. Опции главного меню легко изучить самостоятельно.

Рис. 1

Несколько более подробно остановимся на некоторых компонентах и конрольно-измерительных приборах. На рисунке 1 в окне редактирования, начиная слева сверху, двигаясь направо, приведены обозначения следующих компонентов и конрольно-измерительных приборов: заземление, батарея, источник постоянного тока, источник переменного синусоидального тока (эффективное значения тока, частота, фаза), источник переменного синусоидального напряжения (эффективное значение тока, частота, фаза), резистор, конденсатор, катушка (индуктивность), трансформатор, переключатель, электролитический конденсатор, конденсатор переменной емкости, катушка переменной индуктивности, диод, стабилитрон, светодиод, диодный мост, диод Шокли, n – p – n транзистор, p – n –p транзистор, далее 4 вида полевых транзисторов, вольтметр, амперметр, лампа накаливания (напряжение, мощность), светодиод (цвет свечения), мультиметр, осциллограф, измеритель амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик.

Алгоритм технологии подготовки и запуска электрических схем

1. Выбор необходимых компонентов электрической схемы и расположение их в окне редактирования Electronics Workbench 5.12.

Для этого подводим указатель мыши к одной из пиктограмм библиотеки компонентов или линейке контрольно-измерительных приборов и щелкаем левой кнопкой мыши. Выпадает одна из выбранных групп компонентов. Для того, чтобы выбрать необходимый, подводим указатель мыши к компоненту, нажимаем левую кнопку мыши (не отпускаем кнопку), перемещаем компонент на окно редактирования, отпускаем кнопку.

2. Ввод и изменение параметров выбранных компонентов.

Подводим указатель мыши к компоненту в окно редактирования и щелкаем два раза левой кнопкой мыши. Выпадает меню, состоящее из нескольких опций. Рассмотрим два из них:

Label – необходим для написания обозначения компонента;

Value – необходим для простановки значений компонента.

В контрольно-измерительных приборах при необходимости, например, в вольтметрах и амперметрах, при внесении параметров в опции Label, указываем для какого тока постоянного или переменного; в Mode выбираем DC – для постоянного тока, AC – для переменного.

3. Соединение компонентов электрической схемы.

После размещения компонентов и простановки параметров производится соединение их выводов проводниками. При этом необходимо учитывать, что к выводу компонента можно подключить только один проводник. Для выполнения подключения указатель мыши подводим к выводу компонента и после появления жирной точки (указатель соединения) нажимаем левую кнопку мыши, и появляющийся при этом проводник протягиваем к выводу другого компонента до появления на нем такой же жирной точки, после чего кнопку мыши отпускаем, соединение готово. Если соединение нужно разорвать, указатель мыши подводим к одному из выводов компонента или к точке соединения и при появлении указателя соединения нажимаем левую кнопку, проводник отводим на свободное место рабочего поля, после чего кнопку отпускаем. Если необходимо вывод компонента подключить к имеющемуся на схеме проводнику, то из вывода компонента проводник указателем мыши подводим к указанному проводнику и после появления точки соединения кнопку мыши отпускаем. Отметим, что прокладка соединительных проводов производится автоматически, причем препятствия – компоненты и проводники огибаются по ортогональным направлениям (по горизонтали или вертикали).

Подключение электрической схемы к питанию.

В правом верхнем углу диалогового окна расположена пиктограмма

0 – отключено питание;

1 – включено питание. После включения питания на контрольно-измерительных приборах регистрируются характеристики и значения собранной модели электрической схемы.

3. Практическая часть.

Прежде чем приступать к разработке или к выполнению практического задания в системе Electronics Workbench, необходимо приобрести навыки работы с этой системой. Поэтому рассмотрим несколько заданий.

Задание 1. 

Создать электронную модель однородного участка электрической цепи в электронной лаборатории Electronics Workbench (рис. 2). Проверить справедливость закона Ома для этой цепи. Поэкспериментируйте с изменением внутренних сопротивлений амперметра и вольтметра.

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Параметры компонентов цепи редактируются в окнах, открывающихся двойным щелчком мыши на элементах схемы.

Задание 2.

         Изучить прибор осциллограф. В режиме В/А осциллографа получить фазовую диаграмму (рис. 4)

Решение. Для этого собрать схему, показанную на рис. 3

Воспользуемся функциональным генератором для получения вольтамперной характеристики резисторов (рис.3), подавая на резистор R1 пилообразное напряжение. Длительность первого полупериода установим равной 99% периода. Напряжение генератора будем подавать на канал А осциллографа с резистора R1. Напряжение, прямо пропорциональное силе тока, будем подавать на канал В осциллографа с дополнительного резистора R2 по схеме характериографа.

Задание 3. 

Получить диаграмму в графическом формате.

Решение. Сохранение диаграммы в графическом формате и ее редактирование осуществляется с помощью программы Аналитические графики (Analysis Graphs) (рис.5).

Рис. 5

Для установки параметров осей, графиков и линий сетки щелчком правой кнопки мыши вызывается контекстное меню, в которой надо выбрать команду Свойства.

Задание 4.

 Создать текстовый файл.

Решение. Для этого найти устройство записи данных Write Data в приложении Electronics Workbench (рис.6). Это устройство позволяет сохранить в текстовом файле (данные из текстового файла приведены ниже рис.6) уровни потенциала в 8 точках измерения. Эти данные можно вставить в окно Описаний электронной лаборатории Electronics Workbench .

Рис. 6

Результаты получаемые из текстового файла типа txt.

ASCII output data for Electronics Workbench circuit 222.ewb

Задание 5.

Копировать любую область окна Electronics Workbench.

Решение. В Electronics Workbench можно имитировать и ручной режим проведения опыта: увеличивать напряжений на резисторе 100 Ом, уменьшая сопротивление переменного резистора нажатием клавиши R (или любую, назначенную пользователем) согласно определенному декременту. Показания приборов в этом случае просто вводятся с клавиатуры в окно Description. На рис. 7 изображен скопированный в буфер обмена результат такого эксперимента.

Рис. 7

Копирование любой области окна Electronics Workbench 5.12 производится с помощью команды Копировать как точечный рисунок (Copy as Bitmap), просмотр содержимого буфера обмена – с помощь команды Показать буфер обмена (Show Clipboard) в меню Правка (Edit). Копированный таким образом рисунок также можно вставить в текст Word.

Приведем примеры для самостоятельной работы..

1. Цепи постоянного тока

Цель: Изучить закон Ома для участка цепи.

Оборудование: Электронная лаборатория Electronic Workbench 5.12.

Закон Ома для участка цепи: ток в проводнике I равен отношению падения напряжения U на участке цепи к ее электрическому сопротивлению R: I=U/R.

Рис.8. Простейшая цепь постоянного тока

Задание 1. Сформулируйте закон Ома для участка цепи. Чем отличатся от закона Ома для полной цепи?

Задание 2. Что представляет собой режим холостого хода и режим короткого замыкания?

Задание 3. Для схемы на рис.8 проведите моделирование режимов холостого хода и короткого замыкания и сравните полученные результаты с расчетными.

2. Выпрямление с фильтрацией

Постановка задачи.

Выпрямление - способ получения постоянного тока, например, для питания радиотехнических устройств. Объект выпрямления - электрическое напряжение переменного тока. Цель фильтрации при выпрямлении - ослабить переменную составляющую выпрямленного напряжения.

Здесь необходимо промоделировать работу (рис.9) фильтра выпрямителя. На входе фильтра действует выпрямленное напряжение Е(t) одно- или двухполупериодное, полученное из переменного синусоидального напряжения. Для ослабления переменной составляющей в схеме фильтра имеется реактивный элемент: конденсатор емкостью С. Фильтр работает на нагрузку сопротивлением Rн.

Рис.  9

Задания к работе

Собрать схему выпрямления и фильтрации тока по однополупериодной схеме. Провести моделирование выпрямления тока. Исследовать в зависимости от параметров фильтра как изменяется выходное выпрямленное значение напряжения.

Заменить выпрямитель двухполупериодным. Рассмотреть насколько отличаются результаты моделирования.

Результаты моделирования. На рис.10 изображены: входное Е(t) и выходное u(t), напряжение фильтра для однополупериодного выпрямителя. Выбор определенного напряжения Е(t) осуществляется путем моделирования входного поля на входе фильтра. С помощью изменения параметров фильтра r, C и нагрузки RH. можно оценить качество фильтрации

Рис. 10

4. Рефлексия участников мастер-класса. Подведение итогов.

     (обсуждение)

В мастер-классе были приведены основные, часто используемые разделы для модеоирования электрических цепей на базе EWB. Подведем итог.  Составим алгоритм моделирования цепей.

1. Выбор необходимых компонентов электрической схемы и расположение их в окне редактирования Electronics Workbench 5.12.
2. Ввод и изменение параметров выбранных компонентов
3. Соединение компонентов электрической схемы

Как по вашему мнению прошел мастер-класс? Ваши вопросы и предложения?

Используемые источники:

Литература :

1. И.И. Алиев. «Виртуальная электротехника. Компьютерные технологии в электротехнике и электронике». М.: Радиософт, 2003, 112с.
2. В.И. Карлащук. «Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение». М.: Солон-Р, 2003, 726с.
3. Д.И. Панфилов. «Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench». Т.1. Электротехника. М.: Додека, 1999, 304с
4. В.Н. Ногин. «Схемотехника аналоговых электронных устройств» М.: Радио и связь. 1992.
5. М.Ф. Бабаков, А.В. Попов, М.И. Луханин «Математические модели электронных аппаратов и систем». Учебное пособие. Харьков: Харьковский авиационный институт, 2003, 109с.
   

Интернет-источники:

1. http://refleader.ru/jgepolqaspolqas.html
2. http://festival.1september.ru/articles/210333/
3. http://festival.1september.ru/articles/515316/
4. http://nsportal.ru/detskiy-sad/upravlenie-dou/2015/07/15/gotovimsya-k-master-klassu-poshagovyy-algoritm-provedeniya
5. http://music.r45.ru/pdf/sience-metod/metod_master_class.pdf