- универсальными(охватывать весь спектр обучения всех существующих модификаций наиболее важных предметов изучения);

- недорогими ;

- обладать максимально удобным для работы интерфейсом;

- малогабаритными и способными к транспортировке;

- иметь высокую защитную способность от поражения током обучаемого;

Для изучения дисциплины “Электроника” можно использовать стенды, которые предлагает современный рынок учебного электротехнического оборудования. Особенностью таких стендов является использование их для технических ВУЗов, которые выражаются в сложности, функциональной избыточностью для педагогических специальностей, большими массогабаритными размерами и высокой стоимостью. Эти стенды содержат в себе компьютерную систему сбора информации, которая позволяет вводить измеряемые данные непосредственно в компьютер и выводить информацию в виде таблиц и графиков. Однако такие учебные стенды больше подходят для исследовательских целей. Таким образом, высокая стоимость вышеуказанного оборудования, функциональная избыточность и сложность в обслуживании для целей педагогического образования делают наиболее перспективной задачу разработки специализированного учебного оборудования по электронике и электротехнике [6].

1.2 Анализ наиболее применяемых стендов для электроники

На сегодняшний день оборудование для учебных практикумов по электронике можно разделить на четыре направления:

• аналоговая электроника;

• цифровая электроника;

• схемотехника;

• промышленная электроника;

Анализ наиболее продаваемых в России учебных стендов для электронике показал, что на сегодняшний день, цена на типовой комплект учебного оборудования варьируется от 70 до 240 тысяч рублей и выше, это в первую очередь указывает на то, что не все учебные заведения способны приобретать такие стенды с расчётов один стенд на ученика. Для подтверждения проанализированных данных, приведу реальные цены и состав комплекта оборудования. В основном производители стараются сделать стенды для ограниченного числа лабораторных работ.

Аналоговая электроника:

- Типовой комплект учебного оборудования «Аналоговая электроника», исполнение настольное, АЭ-НК. Типовой комплект включает в себя: модуль питания и измерений, функциональный генератор, оптопара и стабилитрон ,оптоэлектронные элементы индикации, тиристор и динистор, биполярный транзистор, транзисторный усилитель, стабилизаторы напряжения ,схемы на операционных усилителях ,звенья обратной связи, мультиметр, комплект соединительных проводников, методические указания. Габаритные размеры 1064х260х680 мм (ДхШхВ); масса 30 кг. Цена 226950 рублей.

- Типовой комплект учебного оборудования «Аналоговая электроника», исполнение стендовое, ручное АЭ-СР. Типовой комплект включает в себя: модуль питания и измерений, функциональный генератор , оптопара и стабилитрон, оптоэлектронные элементы индикации, тиристор и динистор, биполярный транзистор, транзисторный усилитель, стабилизаторы напряжения, схемы на операционных усилителях, звенья обратной связи, мультиметр, каркас 2×5, стол лабораторный с подвесным ящиком, комплект соединительных проводников, методические указания. Габаритные размеры 1100х600х1460 мм (ДхШхВ); масса 50 кг. Цена 232810 рублей.

Цифровая электроника:

- Типовой комплект учебного оборудования "Основы цифровой и микропроцессорной техники", исполнение моноблочное ручное, ОЦиМПТ-МР. Типовой комплект включает в себя : Моноблок «Основы цифровой и микропроцессорной техники», комплект сменных панелей, комплект кабелей и соединительных проводов, техническое описание лабораторного стенда, методические указания к проведению лабораторных работ. Габариты 400х250х150 мм. Масса 5 кг. Цена 42990 рублей.

- Типовой комплект учебного оборудования "Основы цифровой и микропроцессорной техники", исполнение моноблочное ручное с цифровым осциллографом, ОЦиМПТ-МРЦ. Типовой комплект включает в себя: моноблок «Основы цифровой и микропроцессорной техники», комплект сменных панелей, цифровой осциллограф, комплект кабелей и соединительных проводов, техническое описание лабораторного стенда. Габариты 400х250х150 мм. Масса 5 кг. Цена 82480 рублей.

- Типовой комплект учебного оборудования «Цифровая электроника», исполнение настольное, ручное ЦЭ-НР. Типовой комплект включает в себя: модуль питания и измерений, задание сигналов и логические элементы, схемотехника элементов ТТЛ, триггеры, регистры и счетчики, арифметические устройства, запоминающие устройства, элементы ЦАП и АЦП, мультиплексоры и дешифраторы, мультивибраторы и таймеры, мультиметр, каркас 2×5, комплект соединительных проводников, методические указания, техническое описание. Габаритные размеры 1064х260х680 мм (ДхШхВ). Масса 30 кг. Цена 227830 рублей.

Схемотехника:

- Типовой комплект учебного оборудования «Схемотехника», исполнение настольное, ручное СТ-НР. Типовой комплект включает в себя: модуль питания и измерений, функциональный генератор, схемотехника элементов ТТЛ, транзисторный усилитель, стабилизаторы напряжения, фильтры, схемы на операционных усилителях, компаратор, звенья обратной связи, мультивибраторы и таймеры, мультиметр, каркас 2×5, комплект соединительных проводников, методические указания, техническое описание. Габаритные размеры 1064х260х680 мм (ДхШхВ). Масса 30 кг. Цена 239730 рублей.

- Типовой комплект учебного оборудования «Схемотехника», исполнение стендовое, ручное СТ-СР. Типовой комплект включает в себя: модуль питания и измерений, функциональный генератор, схемотехника элементов ТТЛ, транзисторный усилитель, стабилизаторы напряжения, фильтры, схемы на операционных усилителях, компаратор, звенья обратной связи, мультивибраторы и таймеры, мультиметр, каркас 2×5, комплект соединительных проводников, методические указания, техническое описание, программное обеспечение USB-осциллографа (компьютерная версия) Габаритные размеры 1100х600х1460 мм (ДхШхВ). Масса 50 кг. Цена 273320 рублей.

Промышленная электроника:

- Типовой комплект учебного оборудования "Промышленная электроника", исполнение настольное ручное с осциллографом, ПЭ-НРЦ. Типовой комплект включает в себя: питания стенда, питания мультиметров, измерительные миллиамперметры, функциональный генератор, оптоэлектронные приборы, транзисторы; диоды, тиристоры; операционный усилитель, логические элементы и триггеры, корректор коэффициента мощности, измеритель мощности;, преобразователь частоты, тиристорный преобразователь, преобразователь постоянного напряжения, двухканальный осциллограф, каркас (2 шт), комплект соединительных проводов и кабелей, техническое описание лабораторного стенда, методические указания к проведению лабораторных работ. Габариты 1950х850х450 мм. Масса 100 кг. Цена 451209 рублей.

- Типовой комплект учебного оборудования "Промышленная электроника - 2 ", исполнение стендовое ручное с осциллографом, ПЭ2-СРЦ. Типовой комплект включает в себя: модули питания стенда, модуль измерительный, преобразователь частоты, тиристорный преобразователь, преобразователь постоянного напряжения, мультиметров, логические элементы и триггеры, функциональный генератор, миллиамперметры, оптоэлектронные приборы, корректор коэффициента мощности, операционный усилитель, тиристоры; транзисторы; диоды; регистры и сумматоры, счетчики, дешифраторы, мультиплексоры; ЦАП и АЦП, измеритель мощности, двухканальный осциллограф, лабораторный стол (2 шт), комплект соединительных проводов и кабелей, техническое описание лабораторного стенда, методические указания к проведению лабораторных работ. Габариты 1950х1670х650 мм. Масса 150 кг. Цена 467290 рублей.

Рассмотренные в ходе анализа производственные компании разрабатывают, производят, продают и доставляют учебное оборудование для любых учебных заведений. Широкий ряд типового учебного оборудования повышает качество и наглядность обучающего процесса, что способствует лучшему усвоению учебного материала. Проблема известных стендов заключается в ограниченной вариантности проведения лабораторных работ по электронике, обусловленная возможностью проведения лабораторных работ по электронике только с электрическими цепями и их составными элементами, смонтированными заранее.

1.2.1 Обзор аналога

При разработке учебного стенда по электронике ,который сочетал бы в себе несколько направлений лабораторных практикумов, необходимо уделить особое внимание аналогам и прототипам. Известен учебный стенд по электронике, работа которого основана на использовании панелей с контрольными гнездами, на которых из электронных элементов смонтированы аналоговые схемы моделируемых функциональных узлов для одной лабораторной работы [1] . Учебный стенд по электронике содержит корпус, внутри которого установлены блок питания, источник входных сигналов (генератор синусоидальных сигналов), источник напряжения задания (блок регулируемого напряжения), и на лицевой стороне которого размещены панель с сигнальными гнездами (макетное поле), блок развертывания временной оси отображаемых сигналов (переключатель частоты), устройство визуализации и набор электрических схем. Панель с сигнальными гнездами представляет собой диэлектрическую пластину с несвязанными между собой сигнальными гнездами. Каждая электрическая схема из набора представляет собой аналоговую электрическую схему взаимосвязанных функциональных узлов для каждого вида лабораторной работы. Первый и второй выходы каждой электрической схемы выведены для подключения к панели с сигнальными гнездами. В качестве устройства визуализации выбран многоканальный осциллограф, предназначенный для визуализации формы исследуемого сигнала.

Вход блока питания соединен с сетью переменного напряжения 220В. Первый выход блока питания соединен с входом источника входных сигналов, второй его выход соединен с входом источника задания напряжения. Выход источника входных сигналов соединен с входом блока развертывания временной оси отображаемых сигналов. Выход блока развертывания временной оси отображаемых сигналов выведен на сигнальные гнезда панели. Выход источника напряжения задания выведен на сигнальные гнезда панели..

Достоинство известного учебного стенда по электронике заключается в обеспечении возможности проведения лабораторных работ по электронике с заранее выполненными электрическими схемами.

Недостаток известного учебного стенда по электронике заключается в ограниченной вариантности проведения лабораторных работ по электронике, обусловленной проведением лабораторных работ только с заранее смонтированными аналоговыми электрическими схемами.

1.2.2 Обзор прототипа

Наиболее близкий по совокупности существенных признаков к разрабатываемому стенду по электронике является универсальный лабораторный стенд (учебный стенд по электронике), работа которого основана на использовании съемных картриджей на которых из электронных элементов смонтированы аналоговые электрические схемы [2].

Универсальный лабораторный стенд по электронике содержит корпус, внутри которого установлены источник питания (блок питания), функциональный генератор (генератор синусоидальных сигналов) и на лицевой стороне которого размещена панель для установки картриджей (макетное поле), частотомер (переключатель частоты синусоидального сигнала), регулятор амплитуды синусоидального сигнала, блок регулируемого напряжения, регулятор уровня постоянного напряжения, индикатор (датчики индикации), блок гнезд внешнего источника, два мультиметра, устройство визуализации и набор картриджей с электрическими схемами.

Каждый картридж из набора представляет собой заранее смонтированную аналоговую электрическую схему взаимосвязанных функциональных узлов для определенной лабораторной работы.

Панель для установки картриджей представляет собой диэлектрическую пластину с сигнальными гнездами объединенными в группы, предназначенными для установки картриджей.

В качестве мультиметра выбраны типовые мультиметры марки, например, 9201,9202,8DT832B, предназначенные для измерения основных величин, постоянного и переменного напряжения и тока.

В качестве устройства визуализации выбран осциллограф, предназначенный для визуализации формы исследуемого сигнала.

Вход источника питания соединен с сетью переменного напряжения 220В. Первый выход источника питания соединен с входом функционального генератора, второй выход соединен с блоком регулируемого напряжения. Первый выход функционального генератора соединен с входом переключателя частоты синусоидального сигнала. Второй выход функционального генератора – с входом регулятора амплитуды синусоидального сигнала. Третий выход функционального генератора – с входом переключателя частоты синусоидального сигнала. Выход переключателя частоты синусоидального сигнала выведен на сигнальные гнезда панели для установки картриджей. Выход блока регулируемого напряжения соединен входом регулятора уровня постоянного напряжения, выход регулятора уровня постоянного напряжения – с сигнальными гнездами панели для установки картриджей. Выход блока с гнездами внешнего источника соединен с входом индикатора, выход индикатора заземлен. Выход регулятора синусоидальных сигналов выведен на сигнальные гнезда панели для установки картриджей. Выход осциллографа связан с исследуемым элементом электроники.

С помощью использования частотомера и регулятора амплитуды синусоидальных сигналов на картриджах с заранее смонтированными электрическими схемами удается исследовать зависимость входного сигнала при прохождении через неинвертирующий усилитель. В ходе проведения работы на устройстве визуализации наглядно видно изменения входного сигнала при изменении частоты и амплитуды входного сигнала.

Достоинство известного универсального лабораторного стенда по электронике заключается в расширении вариантности проведения лабораторных работ по электронике за счет проведения лабораторных работ, как с простыми, так и сложными заранее выполненными аналоговыми электрическими схемами.

Недостаток известного универсального лабораторного стенда заключается в ограниченной вариантности проведения лабораторных работ по электронике, обусловленной проведением лабораторных работ только с заранее выполненными аналоговыми электрическими схемами.

2 Техническая часть

2.1 Разработка концепции учебного стенда

Общеизвестно, что использование учебных стендов при выполнении различных лабораторных работ позволяет освоить навык соединения отдельных элементов электроники в функциональные узлы электрических схем. Приобретенный навык помогает составлять более сложные электрические цепи и глубоко исследовать физические процессы, протекающие в таких цепях.

Проблема известных стендов заключается в ограниченной вариантности проведения лабораторных работ по электронике, обусловленная возможностью проведения лабораторных работ по электронике только с электрическими цепями и их составными элементами, смонтированными заранее. И задача стояла создать лабораторный стенд, который бы имел преимущества перед аналогами и прототипами, простоту в использовании и функциональную составляющую на уровне программ высшего профессионального образования. Предполагалось, что лабораторный стенд должен быть полностью мобильным и не требующим дополнительных проводов, за исключением провода питания от сети. Габариты рассчитывались исходя из правила, что у каждого обучаемого должен быть свой стенд и размеры парт, за которыми сидят обучаемые были главным критерием длины и ширины стенда. Анализ размеров парт показал, что стандартный размер парт составляет 1200х550х700 мм и двум обучаемым должно быть комфортно в процессе эксплуатации стенда и наиболее оптимальный размер, 400х300х100 мм. Предполагается, что электронные компоненты для конкретной лабораторной работы должны храниться в отдельных коробках и выдаваться преподавателем непосредственно в процессе выполнения лабораторной работы. Обязательно стенд должен иметь противоскользящие ножки для защиты от скольжения по поверхности парты. А уровень заземления корпуса должен соответствовать стандартам по электробезопасности, для защиты обучаемого от короткого замыкания на корпус.

2.1.1 Анализ материалов и устройств для изготовления учебного стенда

Проанализировав рынок предлагаемых материалов для сборки каркаса учебного стенда, было принято к рассмотрению несколько вариантов, а именно:

• полиметилметакрилат–термопластичный прозрачный пластик;

• древесно-стружечная плита–листовой композиционный материал, изготовленный путем горячего прессования древесных частиц;

• алюкобонд– алюминиевый многослойный композитный материал, состоящий из двух листов алюминия с прослойкой между ними из полиэтилена;

• пластмасса– органический материал, основой которого является синтетические и природные высокомолекулярные соединения.

Устройства визуализации и регистрации электрических характеристик выбирались из соотношения “Цена-качество”. Это позволило намного уменьшить время выбора подходящих приборов. Для включения стенда, рассматривался вариант установки кнопки или тумблерного переключателя. Макетное поле выбиралось из соотношения размер стенда и размер макетного поля. Чем больше макетное поле, тем выше вариантность проведения лабораторных работ.