Program Multisim a jeho místo ve výuce na odborných školách

Zavádění nových metod do výuky na odborných školách je trend současné doby. Zákon č. 561/2004 (školský zákon) a Národní program rozvoje vzdělávání v ČR (Bílá kniha) přinesly řadu změn ve vzdělávacím systému. Základním dokumentem je rámcový vzdělávací program (RVP), který vychází z nové strategie vzdělávání. Jsou zde zdůrazněny klíčové kompetence a jejich provázanost se vzdělávacím obsahem, uplatnění získaných vědomostí a dovedností v praktickém životě a návaznost na systém celoživotního učení. Zásadním je stanovení očekávané úrovně vzdělání pro všechny absolventy jednotlivých etap vzdělávání. Školy získaly pravomoc vytvářet vlastní školní vzdělávací programy (ŠVP), které zohledňují vzdělávací podmínky na škole a zejména vývoj regionálního trhu práce.

V následujícím textu chceme na praktických příkladech dokumentovat „nasazení“ Multisimu ve výuce na střední odborné škole. Předložený materiál je pouze malou ukázkou a inspirací zaměřenou na plnění úkolů RVP 26-41-M/01 [1] a jejich možnou realizaci ve ŠVP Elektrotechnika.

Mezi výsledky vzdělávání v obsahovém okruhu „Elektrotechnický základ“ je zařazeno téma „řeší elektrické obvody s kondenzátorem se stejnosměrným i střídavým zdrojem napětí“. Již v prvním ročníku může učitel pomocí Multisimu (např. v předmětech Aplikovaná informatika, Základy elektrotechniky) demonstrovat chování R, L, C v obvodech, viz materiál [2], kap. 5.6. Pro demonstraci chování kondenzátoru je vhodné zapojení uvedené na obr. 1, kdy učitel může vysvětlit časovou konstantu RC obvodu a vliv hodnot součástek na funkci. Zde je možné již vysvětlit a použít parametrickou analýzu. Průběhy výstupního napětí na kondenzátoru pro zvolené hodnoty rezistoru jsou na obr. 2 a žáci si je mohou vytisknout a založit do poznámek. V druhém ročníku po úpravě schématu se vymění zdroj za střídavý a osciloskop za zapisovač, je možné předvést návrh a funkci pasivního RC filtru.

Obr. 1 RC obvod a vliv hodnot součástek na funkci

Obr. 2 Výsledky parametrické analýzy RC obvodu

Výsledky vzdělávání v obsahovém okruhu „Elektrotechnika“ jsou směřovány, kromě jiných, do témat „pasivní obvodové součástky“ a „polovodičové součástky“. Např. jsou zařazeny následující výsledky: „použije, navrhne a sestaví základní obvody s pasivními součástkami, vybere diodu dle požadované funkce a použití, určí chování bipolárního tranzistoru v obvodu na základě znalosti jeho chování v základních zapojeních (se společnou bází, emitorem, kolektorem) a provedeních (NPN, PNP)...“.

Kromě pochopení vlastní funkce součástky musí učitel představit jejich použití v praktických obvodech. Zde se každý může realizovat, má mnoho možností demonstrovat funkci součástek v obvodech. V této oblasti má učitel s podporou Multisimu úžasné možnosti. Klasický způsob výuky, někdy i nudné a časově náročné kreslení schémat a průběhů na tabuli a do sešitu, je doplněno nebo nahrazeno dynamickou prezentací funkce obvodu. Vliv změny hodnot součástek v obvodu je okamžitě studentem vnímán. Vděčným tématem jsou napájecí zdroje a vše kolem. Na obr. 3 je zapojení, kde učitel může vysvětlit výběr diod, výpočet kapacity vyhlazovacího napětí pro různou zátěž a zvlnění a předvést situaci, kdy vypočítanou hodnotu C1 nahradí kondenzátorem z katalogu. Z parametrické analýzy generujeme průběhy pro různé kombinace hodnot, příklad je uveden na obr. 4.

Obr. 3 Simulace činnosti usměrňovače

Obr. 4 Průběhy napětí na výstupu usměrňovače

Vysvětlení funkce bipolárních tranzistorů v obvodech (nastavení a stabilizace pracovního bodu) je založené na použití výstupních charakteristik. Zdlouhavé kreslení na tabuli může být zaměněno ukázkou jejich měření v prostředí Multisimu. Mimo to je zajištěna příprava studenta před praktickým měřením v předmětech Elektrotechnická měření, Měření a diagnostika. Je tedy zajištěna návaznost na plnění výsledků vzdělávání v obsahovém okruhu „Elektrotechnická měření“, které určuje RVP.

Pro sestrojení výstupních charakteristik BJT můžeme mimo klasického schématu s měřícími přístroji využít zobrazovač charakteristik a příslušné analýzy. Při výuce se přikláníme k využití rozmítané stejnosměrné analýzy DC SWEEP ANALYSIS. Nastavení jejich parametrů nutí studenta přemýšlet, pracovat s katalogem a ne jenom sledovat výsledek na zobrazovači charakteristik. Získané výstupní charakteristiky student doplní o průběh maximálního dovoleného výkonu a může je dále používat při řešení úlohy – nastavení a stabilizace pracovního bodu. Vhodné je následné srovnání s charakteristikami získanými praktickým měřením v laboratoři nebo na prototypové desce ELVIS.

Vysvětlení chování bipolárního tranzistoru v obvodu může být doplněno o ukázku vlivu záporné zpětné vazby na zesílení a šířku přenášeného pásma jednostupňového zesilovače zobrazeného na obr. 5.

Obr. 5 Schéma pro ukázku vlivu záporné zpětné vazby

Zde může učitel využít parametrickou analýzu v kombinaci se střídavou analýzou. Změnu hodnoty provedeme u rezistoru R3. Výsledek a potvrzení teorie jsou patrné z obr. 6.

Obr. 6 Vliv záporné zpětné vazby na výstupní signál zesilovače

Poznámka:

Při simulaci obvodů můžeme ještě využít další metodu, kterou si obvodové veličiny a podrobnosti simulace zobrazíme ve formě tabulky. Po ukončení simulace v záložce Simulate otevřeme nabídku Simulation Error Log/ Audit Trail. V otevřeném okně si můžeme najít obvodové veličiny, které nás zajímají.

Osvědčil se postup a zajištění mezipředmětových vztahů – propojení odborných předmětů. Student na základě získaných znalostí v předmětu Elektronika navrhne obvodové řešení. V předmětu Technická dokumentace ve schematickém editoru programu Eagle vytvoří schéma, následně ho prověří a odladí v Multisimu. Když má jistotu o správném řešení, přistoupí k návrhu plošného spoje v editoru PCB programu Eagle. Praktickou realizaci provede v laboratoři (dílně) v hodinách Praxe.

Důležitá je organizace vlastní výuky, učitel nejdříve předvede úlohu pomocí dataprojektoru a promítacího plátna, následuje vysvětlení dotazů a samostatná práce studentů. Použití interaktivní tabule umožní učiteli a studentům do vytvořeného schématu doplnit aktuální popisy, poznámky a úpravy.

Při výuce a řešení úloh simulace elektronických obvodů je vhodné učitelem omezit přístup studentů.

Omezení lze využít v případech:

1. schéma je vytvořeno učitelem pro demonstraci a učitel chce omezit studentům přístup k určeným informacím a možnostem programu (omezení na úrovni programu – Options/Global Restrictions) ;
2. při použití schématu studentům nedovolit možnost jeho úpravy, omezení určených analýz, zobrazení údajů součástek, které následně vypočítají (omezení na úrovni schématu – Options/ Circuit Restrictions).

Jak jsem již naznačil, program umožňuje nastavit chyby součástek. Po dvojitém kliku na součástku v nabídce Fault můžeme zvolit následující chyby:

• None – součástka bez chyb,
• Open – součástka je přerušena nebo není připojena do obvodu,
• Short – zkrat. součástky,
• Leakage – nastavení svodu, např. imitace „stárnutí dielektrika“...

Po nastavení ještě musíme zadat, mezi které vývody součástky je chyba zařazena.

Tuto možnost může učitel využít při výuce základů diagnostiky součástek a obvodů. Postup může být následující: nejdříve předvede bezchybnou funkci obvodu, pomocí přístrojů zdůrazní jmenovité hodnoty. V připraveném schématu úlohy zadá stanovené součástce chybu a omezí studentům přístup k zobrazení chyb součástek, určeným měřicím přístrojům a analýzám. Žáci si schéma načtou na svém PC a s použitím měřicích přístrojů hledají chybnou součástku (součástky). Po identifikaci vadné součástky a její chyby může učitel předvést pomocí dataprojektoru původní schéma obvodu, kde zruší omezení přístupu a zobrazí chyby. Vybraný student může také předvést svůj postup a použité přístroje. V případě chyb může učitel vysvětlit správný postup a odpovědět na případné dotazy.

Pro ukázku jsem zvolil jednoduché zapojení na obr. 7. Tranzistor VT1 spíná relé K1 na základě signálu např. z výstupu mikropočítače (0/1). Řídicí signál je simulován stejnosměrným zdrojem G2 o napětí 5 V. Obvod je doplněn stabilizovaným zdrojem.

Obr. 7 Příklad pro zjišťování závad součástek

Ve schématu je možné součástkám zadávat následující závady:

• poškozené diody VD1, 2, 3 (odpojeny/přerušeny – Open, zkrat. Short),
• elektrolytický kondenzátor C1 vlivem stáří ztrácí kapacitu (Leakage R= 10 ),
• vada LED VD5 (odpojena/přerušena
• Open),
• chyba rezistoru R1 (odpojen/přerušen
• Open),
• poškozený tranzistor VT1 (zkrat EB – Short EB),
• poškozený integrovaný stabilizátor U1 (odpojen/přerušen – Open /zkrat. Short).

V tomto případě jsem studentům dovolil použití multimetru a osciloskopu. Použití ostatních přístrojů jsme omezili. Chybu je možné zadávat jedné nebo několika součástkám v různých kombinacích.

V RVP je pozornost věnována obsahovému okruhu Elektrotechnická měření s výstupy: „...zvolí vhodný měřicí přístroj na základě znalosti jednotlivých měřicích přístrojů a způsobu jejich funkce, zvolí vhodnou měřicí metodu dle měřeného objektu, ovládá metody měření základních elektrotechnických veličin, změří elektrické parametry elektronických obvodů a prvků...“ [1]. Multisim může být využit i v této oblasti. Na jednotlivá měření se může student připravit a provést je na PC. Především si může „nacvičit“ vlastní postup měření a ovládání měřicích přístrojů, jejichž ovládací panely odpovídají reálným [2]. Ve školních laboratořích se nachází přístroje f. Agilent – multimetr 34401A, osciloskop 54622D, generátor funkcí 33120A a přístroje f. Tektronix osciloskop TDS 2024 a nebo podobné.

Využití programu ve výuce je široké. Učitelům umožňuje zatraktivnit výuku o dynamické ukázky činnosti obvodů, ukázat vliv změny hodnot součástek a signálů na celkovou funkci obvodu. Hlavní je přínos pro studenty – rychlé pochopení učiva, okamžitá reakce na změnu hodnot a podmínek, pro ověření teorie nemusí čekat až na výuku v laboratoři nebo dílně, na PC nedojde k poškození součástek a přístrojů. Na druhé straně je třeba pochopit, že „pouhá“ simulace na PC nevychová ze studenta elektronika, je to jen pomocník, jak se k tomuto cíli dostat.

Co ještě dále zlepšovat? Především to je záležitost nápaditosti učitele v práci s programem a přístupu studenta. Rozdíl mezi simulací na PC a funkcí obvodu s reálnými součástkami může částečně vykompenzovat zařazení prototypové laboratoře ELVIS do výuky, kdy funkce vytvořeného zapojení s reálnými součástkami na nepájivém poli laboratoře umožní srovnání s výsledky simulace. Použití programu Multisim a laboratoře ELVIS (sestava je na obr. 8) může být námětem pro další článek v tomto časopisu.

Obr. 8 Prototypová laboratoř ELVIS a PC

V článku jsem se snažil přiblížit čtenářům možnosti využití simulačního programu na odborné škole. Vycházel jsem z vlastní výuky elektrotechnických předmětů a využití Multisimu a systému Eagle na Vyšší odborné škole, Střední škole, Centru odborné přípravy, Sezimovo Ústí.

Škola od svého vzniku v roce 1939 poskytuje střední vzdělání s výučním listem, střední vzdělání s maturitní zkouškou, nástavbové vzdělání s maturitní zkouškou, studium diplomovaných specialistů vyšší odborné školy. Vzdělávací programy školy jsou orientovány do směrů – elektrotechnického, strojírenského a ekonomického. Simulační program Multisim a v návaznosti návrhový systém Eagle je využíván ve výuce oborů: Elektrotechnika – mechatronické systémy (VOŠ), Elektrotechnika – počítače a robotika, Elektrotechnika – mechatronika, Elektrotechnika – nástavbové studium.