СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОСНОВ ЭЛЕКТРО- И РАДИОТЕХНИКИ

Полезная модель относится к учебным пособиям и может быть использована для индивидуального и группового обучения основам не только электро- и радиотехники, но и электроники, схемотехники, электродинамики, а также использоваться в качестве демонстрационного стенда.
Известен универсальный прибор для проведения лабораторных работ и демонстрационных опытов по электро- и радиотехнике, состоящий из изоляционной плиты с контактными гнездами и съемных электро- и радиодеталей с контактными штифтами, причем, указанные контактные гнезда расположены в двух параллельных рядах и электрически соединены между собой в каждом ряду так, что образуют три контактные группы, расстояния между которыми равны расстоянию между рядами, а в одном ряду одна из крайних контактных групп разделена на две изолированные одна от другой части (патент на ИЗ №173483 - аналог).
К недостаткам аналога можно отнести трудность сборки и объяснения работы четырехполюсников, в которых используются транзисторы.
Известна монтажная плата, содержащая основание с отверстиями для размещения и соединения стандартных деталей, а в отверстиях установлены проходные металлические гильзы, соединенные на стороне основания проводниками (патент на ИЗ №669 - аналог).
Монтажная плата представляет собой относительно сложную конструкцию для сборки и объяснения работы транзистора как четырехполюсника. Большое количество контактов на монтажной плате усложняет сборку и понимание работы изучаемых схем, и не позволяет четко и наглядно показать базовые схемотехнические решения для четырехполюсников.
Известен лабораторный стенд по электротехнике, выполненный в переносном закрывающемся чемодане со съемной крышкой. Наборное поле из листового изоляционного материала с лицевым покрытием содержит металлические гнездовые контакты, чертежи электрических элементов и схем цепей и разделено на функциональные панели. Электронные блоки расположены внутри корпуса чемодана и включают в себя функциональный генератор, генератор трехфазного напряжения, частотомер, фазометр, комбинированный блок источников постоянных напряжений. Благодаря взаимосвязи электрических параметров элементов наборного поля, блока функционального генератора и комбинированного блока источников постоянных напряжений в качестве электрических элементов применены миниатюрные низковольтные и слаботочные электронные компоненты (патент на ПМ №53056, МПК G09B 25/00 - аналог).
Стенд представляет собой сложную и дорогую конструкцию. Множество элементов на лицевом покрытии наборного поля увеличивает трудность восприятия и понимания работы изучаемых схем и не позволяет четко показать базовые схемотехнические решения для четырехполюсников.
Известен радиоэлектронный набор, содержащий макетную плату с пронумерованными опорами-гнездами, комплект радиодеталей и раздаточный материал в виде комплекта двухсторонних схем-шаблонов с отверстиями для совмещения с опорами-гнездами макетной платы и с нанесенными принципиальными электрическими схемами собираемых конструкций и опорные площадки с выводами для установки в опоры-гнезда макетной платы, при этом электрические схемы имеют цветовую индикацию элементов, радиодетали закреплены на опорных площадках, имеющих условные цветовые графические обозначения деталей, соответствующие цветовой индикации элементов электрических схем на схемах-шаблонах (патент на ИЗ №1789051, МПК G09B 23/18 - прототип).
К недостаткам прототипа относится сложность конструкции и упрощенный подход к процессу обучения, так как обучаемому предлагается набор схем-шаблонов с отверстиями для совмещения с гнездами макетной платы и с нанесенными принципиальными электрическими схемами собираемых конструкций, имеющими цветовую индикацию. При таком подходе используется принцип чисто механического копирования без глубокого понимания работы устройств, собираемых по предлагаемым схемам. Кроме того, в данном устройстве используется источник питания с напряжением 4,5 В (элемент 3336Л), что для источника питания многих схем является избыточным как по габаритам и весу, так и по напряжению. Кроме того, для изучения базовых схем четырехполюсников большое количество опор-гнезд является избыточным.
Задача полезной модели - продемонстрировать на одной базовой простой установке (стенде) и на простых схемотехнических решениях принципы построения и работы широкого спектра ключевых, основополагающих схем и устройств электро- и радиотехники, основой которых являются четырехполюсники, расширение дидактических возможностей обучения, снижение энергопотребления, обеспечение скоростной сборки схем, уменьшение габаритов и веса, увеличение количества выполняемых работ, уменьшение затрат на изготовление стенда, экологичность.
Технический результат достигается за счет использования свойств, характеристик и параметров транзистора, как основного элемента четырехполюсника, позволяющего собирать схемы разного функционального назначения. За счет этого улучшается восприятие основных понятий изучаемых дисциплин, ускоряется и углубляется понимание принципов работы основных электрических схем в изучаемых дисциплинах.
Четырехполюсник - многополюсник, имеющий четыре точки подключения. Как правило, две точки являются входом, две другие - выходом. При построении и анализе электрических цепей очень часто бывает удобным выделить фрагмент цепи, имеющий две пары зажимов. Поскольку электрические цепи очень часто связаны с передачей и преобразованием энергии или обработкой и преобразованием информации, одну пару зажимов обычно называют «входными», а вторую - «выходными». На входные зажимы подается исходный сигнал, с выходных снимается преобразованный.
Основное достоинство заявляемой полезной модели - простота, возможность доступно, наглядно, с минимумом используемых деталей показать, объяснить основные принципы работы четырехполюсников, а также помочь глубже понять, легче усвоить основные процессы, происходящие в четырехполюснике. Это важно, так как четырехполюсник является основой для изучения и построения более сложных устройств.
Поставленная задача достигается тем, стенд для изучения основ электро- и радиотехники содержит макетную плату с опорами-гнездами, источник питания, комплект радиодеталей и раздаточный материал, при этом макетная плата содержит четыре опоры-гнезда, каждое из которых выполнено в виде подпружиненных зажимов-контактов, представляющих собой два контакта, установленных на общем для них диэлектрическом основании и электрически не соединенных между собой, условное схематическое изображение транзистора с гнездом для установки транзистора, источником питания является гальванический элемент напряжением 1-1,5 В, при этом два нижние подпружиненные зажимы-контакты двух нижних опор-гнезд соединены с плюсовой клеммой источника питания, два верхние подпружиненные зажимы-контакты двух верхних опор гнезд соединены с минусовой клеммой источника питания, контактный вывод базы гнезда транзистора соединен с нижним подпружиненным зажимом-контактом верхней левой опоры-гнезда, контактный вывод эмиттера гнезда транзистора соединен с верхним подпружиненным зажимом-контактом нижней правой опоры-гнезда, контактный вывод коллектора гнезда транзистора соединен с нижним подпружиненным зажимом-контактом верхней правой опоры-гнезда, а раздаточный материал представляет собой карточки с изображениями принципиальных схем собираемых устройств.
Поставленная задача достигается также тем, что макетная плата содержит стыковочные контакты, расположенные на ее противоположных торцах, и макетная плата выполнена с возможностью последовательного соединения с аналогичными по конструкции макетными платами через стыковочные контакты.
На фиг.1 показан заявляемый стенд; на фиг.2 - стенд, вид сбоку на стыковочные контакты; на фиг.3 - радиодетали; на фиг.4 - пример установки резистора в подпружиненные зажимы-контакты; на фиг.5 - пример установки замыкающей перемычки в подпружиненные зажимы-контакты; на фиг.6 - пример сборки радиоприемника; на фиг.7 - пример сборки звукового генератора; на фиг.8 - пример раздаточного материала: принципиальная схема для сборки прибора для проверки конденсаторов (на основе генератора по схеме «емкостная трехточка»); на фиг.9 - пример раздаточного материала: принципиальная схема для сборки пробника.
Устройство содержит макетную плату 1 с расположенными на ней четырьмя опорами-гнездами, каждое из которых выполнено в виде двух подпружиненных зажимов-контактов, установленных на общем для них диэлектрическом основании (на чертеже не обозначено) и электрически не соединенных между собой. Нижняя левая опора-гнездо состоит из нижнего подпружиненного зажима-контакта 2 и верхнего подпружиненного зажима-контакта 3. Верхняя левая опора-гнездо состоит из нижнего подпружиненного контакта-зажима 4 и верхнего подпружиненного зажима-контакта 5. Нижняя правая опора-гнездо состоит из нижнего подпружиненного зажима-контакта 6 и верхнего подпружиненного зажима-контакта 7. Верхняя правая опора-гнездо состоит из нижнего подпружиненного зажима-контакта 8 и верхнего подпружиненного зажима-контакта 9.
Нижние подпружиненные зажимы-контакты 2 и 6 левой и правой нижних опор-гнезд соединены с плюсовой клеммой 10 источника питания 12 шиной питания 15. Верхние подпружиненные зажимы-контакты 5 и 9 левой и правой верхних опор-гнезд соединены с минусовой клеммой 11 источника питания 12 шиной питания 16. Позицией 13 показано схематическое общепринятое изображение транзистора с базой, эмиттером и коллектором. Контактный вывод базы гнезда 14 транзистора соединен с нижним подпружиненным зажимом-контактом 4 верхней левой опоры-гнезда. Контактный вывод эмиттера гнезда 14 транзистора соединен с верхним подпружиненным зажимом-контактом 7 нижней правой опоры-гнезда. Контактный вывод коллектора гнезда 14 транзистора соединен с нижним подпружиненным зажимом-контактом 8 верхней правой опоры-гнезда.
На противоположных торцах стенда расположены стыковочные контакты 17 (фиг.2). Устройство дополнительно содержит комплект радиодеталей (часть из них показана на фиг.3) и раздаточный материал в виде карточек с изображением принципиальных схем для сборки, например, прибора для проверки конденсаторов (фиг.8). Комплект радиодеталей включает в себя конденсаторы, резисторы, транзисторы, соединительные провода, перемычки-замыкатели (проводящие пластинки). Электрический контакт между подпружиненными зажимами-контактами и вставляемыми в них деталями осуществляется по внутренней плоскости зажимов-контактов по типу «ножевого» соединения. Это удобно для быстрой сборки-разборки схемы путем простой механической вставки в подпружиненные зажимы-контакты нужных элементов из набора радиодеталей или путем удаления этих элементов. С этой же целью выводы радиодеталей и концы соединительных проводов, используемых для сборки схем, соединены с проводящими пластинками, штырями, зажимами типа «крокодил».
В заявляемом стенде два подпружиненных зажима-контакта являются входом четырехполюсника, а два - выходом. Выбор конкретных подпружиненных зажимов-контактов в качестве входных и выходных зажимов четырехполюсника будет зависеть от конкретной схемы изучаемого и собираемого устройства.
При необходимости применяют составные транзисторы, содержащие в одном корпусе два транзистора.
Для сборки более сложных схем (состоящих из двух и более четырехполюсников) используется несколько однотипных стендов, которые соединяются последовательно при помощи стыковочных контактов 17.
Устройство работает следующим образом.
Выбирается принципиальная схема для изучения программного материала, например, радиоприемник, звуковой генератор или другая. Ученик выбирает согласно схеме необходимые элементы и вставляет их в соответствующие подпружиненные зажимы-контакты согласно принципиальной схеме (фиг.6, фиг.7). После проверки преподавателем правильности сборки устанавливается стандартный гальванический элемент питания напряжением 1-1,5 В и проверяется работа собранного устройства. Результатом правильной сборки может быть наличие звукового сигнала в телефоне (динамике), свечение или мигание светодиода, регистрация электромагнитного излучения приемником и другие видимые или регистрируемые проявления работы устройства.
На стенде собираются схемы последовательного, параллельного и смешанного соединения радиоэлементов, проверяются и исследуются схемы микрофонных усилителей, звуковых генераторов, приемников и передатчиков радиосигналов, проводятся различные эксперименты и практикумы. Стенд может служить демонстрационным пособием или экзаменатором.
На основе заявляемого стенда можно создать следующие устройства: усилитель, приемник, передатчик, генератор высокой частоты, генератор низкой частоты, триггер, импульсные схемы (например, генератор импульсов), релаксаторы, электрические и магнитные двигатели и др.
Выполнение стенда в заявляемом виде с условно обозначенным на нем транзистором, четырьмя опорами-гнездами и источником питания позволяет четко и наглядно показать базовые схемотехнические решения для четырехполюсников, обеспечивает простоту и наглядность за счет использования минимального количества пружинистых зажимов-контактов и радиодеталей. Внимание учащегося концентрируется на минимально необходимом для изучения материале (монтажная плата, радиодетали, схема), что упрощает сборку схемы и понимание ее работы.
Таким образом, заявляемая полезная модель обладает следующими преимуществами:
- стенд позволяет продемонстрировать принципы построения и работы широкого спектра ключевых, основополагающих схем и устройств электро- и радиотехники, основой которых являются четырехполюсники;
- расширяет дидактические возможности обучения: являясь дидактическим пособием, стенд демонстрирует связь с жизнью, характеризующуюся практическими занятиями, позволяет повысить уровень проблемности в содержании обучения, обеспечивает доступность в обучении, наглядность, рациональное сочетание групповых и индивидуальных форм обучения, творческое отношение к процессу обучения со стороны преподавателя и учащихся;
- использует стандартный автономный безопасный низковольтный элемент питания;
- характеризуется простотой конструкции: минимальным набором установочных и соединительных элементов, легкостью изготовления (можно изготовить самому);
- характеризуется легкостью и быстротой сборки схем, низкой стоимостью, малыми габаритами и весом;
- все элементы и их связи между собой хорошо видны, можно подробно, в деталях рассмотреть и потрогать радиоэлементы, соединительные проводники, зажимы-контакты, элемент питания, что говорит о хорошей наглядности стенда;
- базовые стенды можно соединять друг с другом при помощи стыковочных контактов для сборки и изучения более сложных схем;
- макетная плата стенда выполнена из экологических материалов, основой является древесина кедра.
В качестве дидактического пособия заявляемый стенд качественно расширит возможности обучения, облегчит преподавателю подготовку к урокам, повысит интерес учащихся к учебным занятиям и поможет безопасно провести необходимые практикумы по сборке схем.