EA021002B1 - Стенд для проведения лабораторных работ по электротехнике, электронике и программированию - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к средствам обучения и может использоваться при индивидуальном и групповом обучении конструированию электронных схем и алгоритмов программирования, для проведения лабораторных работ и демонстрационных опытов по электрорадиотехнике, электронике и программированию. Задачей изобретения является создание универсального стенда для проведения лабораторных работ в процессе обучения с электрическими, электронными и радиоэлементами, который, оставаясь универсальным, тем не менее, позволил бы решать узкие задачи по отработке навыков работы при конструировании и исследовании электронных и электрических схем и компонентов. Поставленная задача решается тем, что стенд дополнительно содержит установленные на основании блоки питания, измерительные приборы, устройства управления. Панели выполнены сменными, с набором предварительно скоммутированных электро- и радиоэлементов, при этом основание также оснащено многоконтактными разъемными соединительными элементами для электрического соединения сменной панели с блоками питания, блоками измерительных приборов и блоками управления. На лицевой поверхности сменной панели нанесено изображение предварительно скоммутированной электрической или электронной схемы, при этом часть коммутационных проводников и/или электрических компонентов отсутствует, а соединительные контакты этих элементов выведены на лицевую сторону панели для последующей ручной коммутации. Имеются и другие отличия от прототипа. Преимуществами устройства являются значительное увеличение количества проводимых лабораторных и исследовательских работ, возможность

Description

Изобретение относится к средствам обучения и может использоваться при индивидуальном и групповом обучении конструированию электронных схем и алгоритмов программирования, для проведения лабораторных работ и демонстрационных опытов по электрорадиотехнике, электронике и программированию.

Известно устройство по электротехнике, содержащее набор блоков, несущих элементы электрической цепи. Блоки собираются в объемную или плоскостную конструкцию [1].

Известен Набор элементов для сборки электрических цепей, используемый как учебное устройство по электротехнике, которое также может использоваться в качестве игры для детей и состоит из набора стыкуемых между собой блоков, в которых расположены компоненты электрической цепи [2].

Известен Прибор для учебной сборки электро- и радиосхем, который используется в качестве учебного пособия и включает выполненное из диэлектрика основание с гнёздами и контакты, предназначенные для установки в гнёзда, в котором контакты выполнены в виде гибких пластин, верхняя часть каждой из которых разрезана на лепестки [3].

Выполнение известных учебных устройств в виде стыкуемых между собой блоков не позволяет углубленно изучать особенности конструктивного исполнения конкретных участков электрических схем.

Наиболее близким к заявляемому решению является Устройство для обучения конструированию электронных схем и алгоритмов программирования [4], которое содержит основания, соединенные посредством разъёмных соединительных элементов и снабжённые проводниками, электро- и радиоэлементами, которое состоит по крайней мере из двух оснований, выполненных в виде снабжённых токопроводящими контактами и проводниками печатных плат, установленных в несколько уровней одна над другой и соединенных многоконтактными соединительными элементами, причём каждая плата является держателем платы соседнего уровня, при этом одно из оснований выполнено в виде отдельных удлиненных плат лучеобразной формы, которые расположены в одной горизонтальной плоскости, а многоконтактные разъёмные соединительные элементы на каждой из них расположены в торцевой зоне и подсоединены к многоконтактным разъёмным соединительным элементам платы соседнего уровня, соединительные элементы которой расположены по радиусам на поверхности основания, выполненного либо в виде круга, либо в виде любой плоской геометрической фигуры, причём удлиненные платы лучеобразной формы расположены либо по окружности, либо сконцентрированы в одном или нескольких секторах. Устройство снабжено электронными элементами, в том числе программируемыми, а электро-, радио- и электронные элементы на каждой плате могут быть установлены как на верхней, так и на нижней ее поверхности.

Прототип позволяет решить множество задач при конструировании электро- и электронных схем, однако стенды для проведения лабораторных работ должны быть направлены на отработку и закрепление определенных навыков в конструировании и исследовании электронных и электрических схем и компонентов. Такую задачу прототип решить не позволяет.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию универсального стенда для проведения лабораторных работ в процессе обучения с электрическими, электронными и радиоэлементами, который, оставаясь универсальным, тем не менее, позволил бы решать узкие задачи по отработке навыков работы при конструировании и исследовании электронных и электрических схем и компонентов.

Поставленная задача решается тем, что в известном универсальном стенде для исследования электротехнических и электронных схем и устройств содержится основание с установленными на нём панелями, снабжёнными многоконтактными разъёмными соединительными элементами и исследуемые электро- и радиоэлементы. Согласно изобретению стенд дополнительно содержит установленные на основании блоки питания, измерительные приборы и устройства управления. Панели выполнены сменными, с набором предварительно скоммутированных электро- и радиоэлементов, при этом основание также оснащено многоконтактными разъёмными соединительными элементами для электрического соединения сменной панели с блоками питания, блоками измерительных приборов и блоками управления. На лицевой поверхности сменной панели нанесено изображение предварительно скоммутированной электрической или электронной схемы, при этом часть коммутационных проводников и/или электрических компонентов отсутствует, а соединительные контакты этих элементов выведены на лицевую сторону панели для последующей ручной коммутации.

Поставленная задача решается также и тем, что соединительные многоконтактные электрические разъёмы размещены по периметру панели.

Поставленная задача решается также и тем, что сменная панель дополнительно снабжена контроллером для проверки правильности ручной коммутации элементов и подключаемых электрических компонентов.

Поставленная задача решается также и тем, что часть элементов ручной коммутации на сменной панели выполнена в виде переключателей на лицевой стороне панели.

Поставленная задача решается также и тем, что на сменной панели выполнены электрические разъёмы для подключения дополнительных электрических компонентов.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

- 1 021002

На фиг. 1 изображён универсальный стенд.

На фиг. 2 приведён пример сменной панели для выполнения работ.

На фиг. 3 изображена сменная панель на виде сбоку.

На фиг. 4 показана схема печатного монтажа сменной панели.

На фиг. 5 показана функциональная схема универсального стенда.

Предлагаемое устройство содержит основание 1, выполненное в виде короба настольного или напольного исполнения, внутри которого установлены: блок измерений 2, блоки источников питания 3, блок управления 4, другие дополнительные устройства 5 и исследуемые и вспомогательные устройства: магазин индуктивностей 6, магазин конденсаторов 7, магазин сопротивлений 8. Часть исследуемых устройств может устанавливаться вне основания и подсоединяться к нему через разъём. Например, электромашинный агрегат 9 подключают посредством кабеля 10. На лицевой панели основания расположены некоторые аппараты управления стендом, такие как вводной автомат 11, органы управления источников нерегулируемых постоянного и переменного напряжений 12 и 13, источники регулируемых постоянного и переменного напряжений 14 и 15, переключатели блока управления 16, разъём для подключения к персональному компьютеру 17, органы вспомогательных устройств 18, 19, 20, а также индикация блока измерения 21. В лицевую панель стенда вмонтирована площадка 22 с разъёмами 23 для подсоединения сменной панели 24.

Сменные панели 24 состоят из двух соединённых между собой электрически и механически частей. На первой, лицевой части 25, нанесена электрическая или электронная схема эксперимента с функциональными разрывами, установлены аппараты управления и индикации (тумблер 26, кнопки с подсветкой для ручной коммутации схемы 27, кнопка выбора и индикатор номера выбранной работы 28). На второй части 29, выполненной на фольгированном текстолите, с помощью печатного монтажа установлены многоконтактные разъёмы 30, чтобы при вставлении сменной панели 24 в разъёмы основания 23 блоки и устройства основания соединились в соответствии со схемой, изображённой на сменной панели. Таким образом, вторая часть представляет собой печатную плату с системой отверстий 31 для установки микросхем и прочих навесных элементов и системой проводников 32 для электрического соединения установленных элементов. На второй части также могут быть расположены малогабаритные элементы исследуемой схемы. Первая 25 и вторая 29 части сменной панели 24 соединены с помощью проводов и разъёма 33. Если целью исследования является, например, электрическое устройство в виде смонтированных элементов на печатной плате, то сменная панель выполняется из одной платы. Если количество элементов сменной панели небольшое, то схема эксперимента также может быть перенесена прямо на печатную плату и сменная панель также выполняется на одной плате.

Покажем работу стенда на примере проведения работы Исследование асинхронного двигателя. В соответствии с методическими указаниями преподаватель либо лаборант выбирает требуемую сменную панель и, вставляя её в площадку 22, присоединяет ее к основанию посредством многоконтактных разъёмных соединительных элементов 23. После этого преподаватель либо лаборант подсоединяет электромашинный агрегат 9 к стенду при помощи соответствующего разъёма на панели и жгута 10. Стенд готов к работе.

Далее студент, включая автоматический выключатель 11, подаёт питающее напряжение на стенд. На сменной панели загорается индикатор выбора лабораторной работы, номер которой выбирается студентом кнопкой 28. После выбора номера лабораторной работы процессор на сменной панели даёт команду блоку управления стенда установить пределы напряжений блоков питания, блоку измерений установить требуемые пределы измерений и разрешает сборку схемы эксперимента. Учащийся собирает схему эксперимента нажатием переключателей 27, каждый из которых подаёт сигнал на один из логических входов процессора сменной панели, в котором записана верная схема эксперимента. Если схема собрана верно, все органы управления стенда и сменной панели активны, учащийся может приступать непосредственно к самому эксперименту; если в схеме ошибка, т.е. замкнут не тот переключатель, то процессор на сменной панели блокирует все органы управления стенда и сменной панели. При попытке начать эксперимент переключатели подсвечиваются некоторое время и сбрасываются, после чего нужно повторить сборку схемы. Далее действия студента заключаются в следующем. С помощью органов управления 12, 13 включают источник питания постоянного напряжения для обмотки возбуждения двигателя постоянного тока и источник трёхфазного синусоидального напряжения. Тумблером 26 выбирают схему соединения обмоток статора асинхронного двигателя. С помощью кнопки 34 подключают асинхронный двигатель к питающему трёхфазному напряжению. С помощью регулятора 35 изменяют нагрузку на валу асинхронного двигателя, через некоторые промежутки записывая показания индикации устройств измерения. После завершения исследования двигателя кнопкой 36 снимают питающее напряжение с обмоток асинхронного двигателя и органами управления 12, 13 отключают используемые источники питания.

Большинство сменных панелей также имеют возможность многократного перепрограммирования режимов и алгоритмов работы с ПК при помощи специальной программной среды. Программирование представляет собой либо непосредственное написание программы с помощью команд, операндов и переменных, либо построение в интерактивном режиме блок-схемы алгоритма работы устройства из стандартных исполнительных блоков. Программирование режима работы сменной панели подразумевает

- 2 021002 собой задание принципа работы исследуемого устройства (например, очерёдность коммутации силовых ключей преобразователей напряжения). Программируя алгоритм работы, учащийся задаёт закон изменения выходных параметров и состояний исследуемых и вспомогательных устройств (преобразователей, коммутаторов и др.) в зависимости от измеряемых параметров (времени, напряжения, тока, скорости вращения исполнительных механизмов и пр.). После завершения эксперимента возможно проведение следующего опыта с той же сменной панелью. В случае необходимости смены панели стенд необходимо отключить от питающей сети.

После завершения работы со стендом преподаватель либо лаборант отсоединяет сменную панель и дополнительное внешнее устройство от стенда.

Особенностью работы со стендом является также то, что подготовительная работа (выбор, подготовка, подключение и отключение сменной панели, подключение и отсоединение дополнительных внешних электромашинных агрегатов и других устройств) может осуществляться самим учащимся и не содержит в себе каких-либо операций, связанных с безопасностью учащегося либо работоспособностью стенда и его составных частей, а неиспользуемые в данной работе внешние дополнительные устройства и агрегаты подключать не требуется.

Блок управления стенда имеет компьютерный интерфейс для подключения к персональному компьютеру, при подключении к которому осуществляется доступ с ПК ко всем блокам стенда и к сменной панели, при этом можно получать с системы измерений стенда массивы данных, обрабатывать их программно, переписывать алгоритм работы устройств стенда и сменной панели, включая и алгоритм работы процессора. Этим обеспечивается многоуровневый подход к обучению студентов.

Сменная панель любого уровня может иметь несколько вариантов схемных решений. Набор сменных панелей может расширяться при конструировании новых схем или при появлении новых электронных, электро- и радиоэлементов, в том числе при появлении новых программируемых микросхем.

Использование предложенного устройства позволяет посредством последовательных и простых соединений различных элементов на сменной панели, являющейся частями общей конструкции, заинтересовать учащихся процессом создания различных электронных и электрорадиосхем, значительно увеличить количество собираемых рабочих схем, получить навыки программирования, создания простых и сложных алгоритмов программирования, при этом одной из целей этого может быть получение законченного электронного изделия.

На стенд разработана техническая документация. Он изготавливается на предприятии ООО НТП центр, Могилёв, Беларусь.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.

1. Европейский патент ЕР 0256029, кл. О09В 23/18, опубл. 28.02.1988.

2. Патент РФ 2101773, кл. О09В 23/18, опубл. 10.01.1998.

3. А.с. СССР № 832575, кл. О09В 23/18, опубл. 23.05.1981.

4. Патент РФ 2337410, кл. О09В 23/18, опубл. 27.10.2008 - прототип.

Claims (5)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Универсальный стенд для исследования электротехнических и электронных схем и устройств, содержащий основание с установленными на нём сменными панелями, снабжёнными многоконтактными разъёмными соединительными элементами и исследуемыми электро- и радиоэлементами, а также установленные на основание блоки питания, измерительные приборы, устройства управления, причём сменные панели содержат индивидуальные наборы предварительно скоммутированных электро- и радиоэлементов, основание также оснащено многоконтактными разъёмными соединительными элементами для электрического соединения сменной панели с блоками питания, измерительными приборами и устройствами управления, на лицевую поверхность сменной панели нанесено изображение предварительно скоммутированной электрической или электронной схемы, при этом соединительные контакты коммутационных проводников и/или электрических компонентов, влияющих на результаты исследования или обучения, выведены на лицевую сторону панели для последующей ручной коммутации.
2. 2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что соединительные элементы сменной панели, выполненные в виде многоконтактных электрических разъёмов, размещены по периметру панели.
3. 3. Стенд по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он дополнительно снабжён контроллером для проверки правильности ручной коммутации элементов сменной панели и подключаемых электрических компонентов.
4. 4. Стенд по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что часть элементов ручной коммутации на сменной панели выполнена в виде переключателей на лицевой стороне панели.
5. 5. Стенд по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что на сменной панели выполнены электрические разъёмы для подключения дополнительных электрических компонентов.