На сегодняшний день в высших учебных заведениях, в учебном процессе технических направлений, студенты используют разные программы - симуляторы для расчёта электрический цепей, моделирований разных физических процессов, определения спектра сигналов и так далее. Но существует огромный минус у этого большинства программ это то, что почти все они являются иностранными и доставляют большую сложность при их использовании
Изучая данную проблему и практическим методом испытывая подобные симуляторы, мы остановились на отечественной программе электрических цепей «Начала электроники» и привели сравнение с иностранной программой под названием LTspice.
«Начала электроники»— это бесплатная обучающая система для школьников и студентов младших курсов ВУЗов по курсу электричества. Данное мультимедийное программа представляет из себя электронный конструктор, в котором учащийся может "собирать" различные электрические схемы и наблюдать за установившимся режимом их работы, подключая различные источники постоянного или переменного тока.
LTspice— это бесплатный симулятор, созданный и поддерживаемый компанией Linear Technology, которая сейчас принадлежит Analog Devices. Данное программное обеспечение пользуется большой популярностью среди любителей электроники, так как данная программа проста в использовании, выдает показания с наименьшей погрешностью и так же она является бесплатной.
Для проверки LTspice, мы решили смоделировать линейный трансформатор, рисунок 1, и посмотреть какие значения нам выдаст программа.
Рисунок 1 – Линейный трансформатор в LTspice
На рисунке 1, можно увидеть сборку линейного трансформатора, на вид она очень простая, но в данной программе все значения можно менять до любого нужного нам значения, выставлять коэффициент трансформации, менять индуктивность, сопротивление. На источнике питания выставлять значения частоты, период подачи напряжения, количество напряжения в вольтах, так же выбирать вид тока и так далее.
Так как мы создали идеальную схему, с идеальными параметрами решили проверить как работает осциллограф в данной программе.
Рисунок 2 – Зависимость напряжения от времени на источнике питания
На рисунке 2, видна зависимость напряжения от времени, плюс с графиком можно проводить разные манипуляции, например, увеличивать или отдалять график, находить нужное значения напряжения от времени и наоборот.
Далее решили построить подобные графики на разных элементах элементах и посмотреть, что получилось.
Рисунок 3 – зависимость напряжения от времени на индуктивностях L1(зеленый цвет) и L2(синий цвет)
На рисунке 3, отчетливо видно на сколько трансформатор понижает напряжение источника, также стоит указать что данные графики можно построить и по отдельности.
Так же решили изменить коэффициент трансформации нашего смоделированного трансформатора.
Рисунок 4 – Зависимость напряжения от времени все элементов с измененным коэффициентом трансформации
На рисунке 4, мы отчетливо видим на сколько изменилась зависимость, так же мы видим не идеальные синусоиды, а измененные это говорит о том, что данная программа учитывает гармоники всех элементов.
«Начала электроники» данная программа позволяет :
· 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 проводников, 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;
· ознакомиться 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;
· конструктор можно также использовать в рамках его возможностей и для других задач в самостоятельной творческой работе учащихся.
Её основное преимущество перед иностранными программами является доступность. Удобный интерфейс, который полностью сделан на русском и имеет ряд инструкций по его использованию.
Для проверки «Начала электроники» мы решили смоделировать цепь с двумя лампами которое потребляет больше тока, а индуктивность повышает его уровень в цепи.
Рисунок – 5 Схема цепи с двумя лампами в программе «Начала электроники»
Вторая цепь изображает падение напряжения от количества элементов
Рисунок 6 – Схема цепи падения напряжения от элементов в программе «Начала электроники»
Рисунок 7 – Схема исследование цепи переменного тока в программе «Начала электроники»
На данной рисунке показано исследование цепи переменного тока в которые входят такие элементы:
· Генератор
· Нагревательный элемент
· Резистор
· Провода
· Два мультиметра
· Осциллограф
Рисунок 8 – Описание работы осциллографа в программе «Начала электроники»
На данном рисунке изображено подробное описание осциллографа. Как он работает и с помощью каких инструментов можно выполнять поставленные задачи
На данных схемах показаны как работают осциллограф и мультиметр. И наглядно продемонстрировано какие значения они выдают в зависимости от схемы
В заключении можно сказать, что применение программы «Начала электроники», в образовательном процессе , будет плюсом, так как, во-первых, «Начала электроники» является полностью бесплатным, во-вторых, в программе имеется простой интерфейс на русском языке, который позволяет быстро научиться работать с ним и обучать других, в-третьих, результаты смоделированных электрических схем в данной программе можно с наименьшей погрешностью соотнести с результатами реальных электрических схем.