Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Оренбургский государственный университет»
ВЫБОР СИМУЛЯТОРА ЭЛЕКТРОЦЕПИ ДЛЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ
Ушакова Н.Ю., к.т.н., доцент
Изучение дисциплин «Теоретические основы электротехники» и «Общая электротехника» предполагает обязательное проведение лабораторных работ по всем разделам дисциплины.
Основные задачи лабораторных занятий:
- показать неразрывную связь теории с практикой, продемонстрировав работу тех или иных законов и процессов в реальных цепях и устройствах;
- ознакомить студентов с современным электроизмерительным оборудованием, электротехническими и электронными устройствами, привить навыки проведения электротехнических экспериментов;
- научить анализировать и обобщать полученные в ходе экспериментов результаты.
Рабочая программа и ФГОС предполагает проведение лабораторных занятий в специализированных аудиториях. Однако возникают ситуации (особенно на заочной форме обучения), когда студент по объективным причинам не может присутствовать на занятиях или обучается дистанционно по индивидуальному учебному плану. В этом случае натурные эксперименты в лабораториях электротехники целесообразно заменить их виртуальными аналогами. Такую замену допускает и ФГОС ВО.
В ОГУ разработаны и активно используются в учебном процессе виртуальные лабораторные работы, разработанные сначала на основе Electronics Workbench, а затем на основе ПО Multisim [1]. Но поскольку это программы лицензионные, данные лабораторные работы официально доступны только в компьютерных классах университета. Бесплатно их установить на свой домашний компьютер студент не имеет возможности. А иногда у студента и компьютера нет, но есть планшет или смартфон с Интернетом.
Поэтому для виртуальных лабораторных работ возникла задача подобрать симулятор электроцепи, отвечающий следующим требованиям:
- он должен быть бесплатным или условно бесплатным, при этом иметь низкую стоимость;
- занимать малый объем оперативной памяти;
- иметь понятный и по возможности русифицированный интерфейс;
- иметь визуализацию, приближенную к реальным приборам;
- помимо стационарной, иметь онлайн и (или) мобильную версию.
В последние годы симуляторов работы электроцепей появилось очень много. Правда, справедливости ради, нужно сказать, что все они больше ориентированы на электронные, а не на электрические цепи. Конечной целью большинства симуляторов является не проверка выполнения какого-нибудь закона электротехники, а проверка работоспособности электронной цепи перед изготовлением печатной платы. Во многих симуляторах заложена возможность проектирования этой платы. Первичная цель, которую преследуют лабораторные работы в электротехнике гораздо скромнее: собрать электрическую цепь и снять показания приборов в нескольких режимах, например, при изменении параметров или конфигурации цепи.
Наиболее распространенные в настоящее время симуляторы можно разделить на две большие группы:
1) симуляторы, в которых интерфейс, элементы и приборы, процесс сборки цепи и снятия показаний приборов приближен к работе на реальном оборудовании;
2) симуляторы, в которых собирается именно электрическая схема цепи, когда все элементы заменены их условными изображениями, а токи и напряжения показываются в виде их числовых значений.
К первой группе можно отнести симуляторы DcAcLab и «Начала электроники». Эти симуляторы ограничиваются только моделированием цепи.
Оба симулятора:
- имеют реалистичный интерфейс, компоненты выглядят, как настоящие, а не изображаются в виде символов;
- позволяют собирать цепи постоянного и переменного тока, а затем проводить измерения с помощью мультиметра и осциллографа.
DcAcLab [2] имеет более широкий набор элементов, позволяет проводить динамический анализ, показывать анимированные токи. Но, к сожалению, это программа - условно бесплатная. Ее свободная онлайн-версия на официальном сайте имеет очень ограниченные возможности: позволяет собрать схему, но в ней нельзя редактировать параметры элементов, возможности мультиметра и осциллографа - тоже ограниченные.
Программный комплекс «Начала электроники» [3], разработанный сотрудниками Казахского Государственного Национального Университета на первый взгляд кажется полным аналогом DcAcLab и очень привлекательным.
Алгоритм сборки схемы очень понятный, в комплекте есть все основные элементы, которые мы используем в цепях постоянного и переменного тока. Но параметры некоторых элементов мы не можем менять произвольно, только выбрать из предложенного списка. Если мощность выделяемая в элементе превысит допустимое значение, он сгорает. Поэтому не только схема, но и параметры элементов, перед экспериментом должны быть детально проработаны и заданы преподавателем. Работа с мультиметром и осциллографом аналогична работе с реальными приборами.
К неудобствам работы с данным комплексом можно отнести:
- невозможность измерить силу переменного тока, мультиметр меряет только постоянный ток;
- «наличие» всего двух мультиметров. Если в схеме уже три ветви, то приходится переставлять мультиметр, чтобы измерить ток в третьей ветви.
- отсутствие анимации и показаний токов ветвей. Программа не показывает на схеме величину токов ветвей, как это делает DcAcLab;
- отсутствие хоть каких-то нелинейных элементов и трансформатора;
- невозможность выбора формы периодического переменного напряжения, кроме синусоидальной. DcAcLab такой выбор предоставляет.
Учитывая вышесказанное, можно рекомендовать использовать «Начала электроники» в виртуальных лабораторных работах по разделу «Электрические цепи постоянного тока». В цепях переменного тока в этом симуляторе можно наглядно исследовать с помощью осциллографа влияние параметров реактивных элементов на сдвиг фаз между напряжением и током, но провести полноценные измерения для расчета каких-то характеристик цепи не получится.
Вторая группа симуляторов представлена в Интернете гораздо шире, большая часть из них достаточно высокого уровня и имеет значительный спектр функциональных возможностей. Из всего многообразия наиболее подходящими для виртуальных электротехнических экспериментов показались три симулятора: EasyEDA, EveryCircuit и Circuit Sims.
EasyEDA - бесплатный и мощный онлайн симулятор электроцепи, который сегодня возглавляет топ-10 лучших симуляторов. Имеет массивную библиотеку элементов, позиционируется разработчиками как «простой и мощный онлайн инструмент для проектирования печатных плат» [4]. Имеет также настольную версию. Позволяет импортировать файлы в другие симуляторы и программы, создавать после проверки работоспособности цепи печатные платы с тем же программным обеспечением. На сегодняшний день это наиболее достойный «заменитель» в учебном процессе Multisim.
Его основной недостаток - сложность, новичку без изучения руководства, видеоуроков выполнить симуляцию непросто. Поэтому целесообразно использовать его, например, для магистров, уже имеющих навыки работы с другим подобным программным обеспечением.
EveryCircuit - очень привлекательный и красивый электронный онлайн симулятор с хорошо сделанной графикой [5]. Имеет интуитивно понятные интерфейс и методику сборки схемы, но очень простым его назвать нельзя. Эффектно в виде анимации показывает протекание токов по ветвям, показывает величины токов ветвей и напряжений на элементах, форму волны на осциллографе. Предлагает на сайте множество примеров и предварительно разработанных схем.
Помимо онлайн версии EveryCircuit имеет мобильные версии для Android и iOS, что является удобным для студентов при отсутствии компьютера. Но, к сожалению, программа это не бесплатная, хотя и не слишком дорогая.
Следующий симулятор Circuit Sims (Circuit Simulator Applet) называют одним из первых онлайн симуляторов-визуализаторов с открытым кодом. Он позволяет строить электрические схемы онлайн, в том числе и на русском языке [6]. Схемы рисуются достаточно просто, параметры всех пассивных элементов и источников (в том числе и форму сигнала) можно корректировать. При этом в Circuit Sims есть уже очень много готовых схем, которые демонстрируют процессы в электрических цепях, соответствующих почти всем основным разделам электротехники, включая переходные процессы, трансформаторы, цепи с распределенными параметрами.
При запуске симуляции схемы токи показываются бегущими желтыми точками, скорость тока, как и скорость симуляции можно изменять слайдером. Цветовые динамически изменяющиеся решения элементов и проводов в работающей схеме - это своеобразная подсказка либо знака напряжения, либо величины выделяемой мощности. В этом симуляторе нет амперметров и вольтметров. Значения тока, напряжения, мощности и параметра элемента цепи показываются при наведении на этот элемент курсора. В нижней части есть три графика, на которых показываются осциллограммы напряжения и тока на конкретных элементах. На сайте можно скачать и автономную версию симулятора.
В целом Circuit Sims очень достойный и достаточно простой симулятор для использования в образовательных целях для изучения работы электрических цепей и их элементов. Он совершенно бесплатный, не требует регистации и аккаунта.
Таким образом, из всего многообразия бесплатных симуляторов электроцепей для выполнения виртуальных лабораторных работ по электротехнике студентами в домашних условиях наиболее приемлемыми являются:
- «Начала электроники» как наиболее простой и приближенный к работе с реальными приборами;
- Circuit Sims как достаточно простой и наглядный визуализатор процессов в различных электрических цепях в установившихся и переходных режимах.
Список литературы
виртуальный симулятор лабораторный дисциплина
1 Быковский, В.В. Электрические цепи: практикум / Л.В. Быковская, В.В. Быковский, Н.Ю. Ушакова; Оренбургский гос. ун-т. Оренбург: ОГУ, 2019. 134 с.
2 https://dcaclab.com/en/home - сайт разработчиков приложения DcAcLab.
3 http://zeus.malishich.com - сайт разработчиков программы «Начала электроники».
4 https://easyeda.com - сайт разработчиков онлайн приложения EasyEDA.
5 http://everycircuit.com/app - сайт разработчиков онлайн приложения EveryCircuit.
6 http://falstad.com/circuit - сайт разработчиков онлайн приложения Circuit Sims.