多功能電路模塊設(shè)計(jì)

0 前言

以《電路基礎(chǔ)》為代表的電類課程是高等職業(yè)院校中機(jī)械、電子、汽車類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，由于此類課程原理抽象、內(nèi)容繁雜、應(yīng)用性很強(qiáng)，現(xiàn)在高等職業(yè)院校學(xué)生相對(duì)本科院校學(xué)生起點(diǎn)較低，接受理解能力稍差，雖然課程對(duì)應(yīng)有實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，但實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備教學(xué)模塊的完整性、操作過(guò)程的便捷性并不能讓學(xué)生真正意義上地接觸認(rèn)識(shí)電路，電類課程在高等職業(yè)院校當(dāng)下存在的學(xué)生難學(xué)、教師難教的問(wèn)題日益突出。多功能教學(xué)電路模塊則將實(shí)際電路的構(gòu)建分析設(shè)計(jì)貫穿在基礎(chǔ)核心專業(yè)課程的教學(xué)中，能從本質(zhì)上解決學(xué)生學(xué)習(xí)中存在的問(wèn)題。

多功能電路模塊是由印制電路板、電子元器件、信號(hào)源、電類儀表等構(gòu)建成的多網(wǎng)孔的電路，電路設(shè)計(jì)中各支路預(yù)留插孔，可根據(jù)課堂教學(xué)進(jìn)程的需要調(diào)整信號(hào)源類型，構(gòu)建成不同的電路類型如單電源供電或者多電源供電的直流電路、交流電路，各支路串接電流表，并聯(lián)接電壓表，用以檢測(cè)各支路各元件的電路參數(shù)。多功能電路模塊具有信號(hào)源的可外接性、電路結(jié)構(gòu)的可調(diào)整性，可以靈活地運(yùn)用到高職高專院校機(jī)械類、電子類及汽車類的《電路基礎(chǔ)》課程的教學(xué)過(guò)程中，從而在不同的教學(xué)階段可以構(gòu)建不同的項(xiàng)目進(jìn)行教學(xué)，圍繞特定的項(xiàng)目，可以開(kāi)展融“教、學(xué)、做”于一體的“理實(shí)一體化”教學(xué)模式。

同時(shí)多功能教學(xué)電路的構(gòu)建和設(shè)計(jì)，讓學(xué)生能實(shí)物認(rèn)識(shí)各類電子元器件，由易到難地構(gòu)建和分析各類電路的結(jié)構(gòu)和性能，實(shí)現(xiàn)在動(dòng)手能力的提升中激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的好奇與興趣，最終實(shí)現(xiàn)鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生基本的檢測(cè)、分析和設(shè)計(jì)電路能力。

1 多功能教學(xué)電路設(shè)計(jì)方案

《電工電子技術(shù)》、《電路基礎(chǔ)》是高等職業(yè)院校電子類、通信類、機(jī)械類、汽車類第一學(xué)期的專業(yè)基礎(chǔ)課程，多功能教學(xué)電路模塊用于實(shí)景訓(xùn)練學(xué)生對(duì)于電路課程中基本電子元件性能的具體認(rèn)識(shí)、多網(wǎng)孔電路的焊接構(gòu)建、電子儀表的操作使用、電路主要物理量的多環(huán)境監(jiān)測(cè)、基本電路定律的實(shí)物驗(yàn)證，以及各種電路分析方法如疊加定理、戴維南定理及諾頓定理的定量分析。

如圖1所示為一種多功能的教學(xué)電路裝置，包括基礎(chǔ)電路、信號(hào)源、儀器儀表等；該信號(hào)源包括直流電壓源、直流電流源、正弦交流電源或其它非正弦電源；基礎(chǔ)電路包括了五個(gè)排插和三個(gè)電阻R1、R2、R3；儀器儀表，可以為電流表、電壓表和示波器等。

2 多功能教學(xué)電路模塊的分析

圖2所示為一種多功能的教學(xué)電路模塊，由三個(gè)電阻和五個(gè)排插連接而成，從圖可看出，由于排插的合理分布，三個(gè)電阻相互獨(dú)立，排插接入導(dǎo)線后，可短路也可斷開(kāi)，也可有效接入其它的儀器儀表或信號(hào)源。

2.1 基爾霍夫定律的測(cè)量分析

圖3所示為基礎(chǔ)電路接入了電源和儀表，具體是12、78排插分別接入電壓源u1和u2（直流電源或交流電均可），也可以接入的是電流源；34、56、910排插接入電流表分別是三條支路的支路電流，這里要注意的是，如果電源是直流源，則要考慮其接入的方向問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)電流都是從電流表的正接線柱流入，負(fù)接線柱流出，所以在連接電流表之前可先計(jì)算出電路的支路電流；這樣測(cè)試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果可進(jìn)行誤差計(jì)算，驗(yàn)證基爾霍夫電流定理，即任意時(shí)刻，電路中的任一節(jié)點(diǎn)流入的各支路電流之和為零。

23、67、59之間接入電壓表，同樣如果是電源是直流源，同樣接入時(shí)要考慮電壓的方向問(wèn)題，但是由于上述我們已經(jīng)計(jì)算過(guò)電流大小，所以電壓表和電流表的接入方向一致；這樣整個(gè)電路的每個(gè)元器件的電壓測(cè)出，就可以驗(yàn)證基爾霍夫電壓定理，即對(duì)任一回路來(lái)說(shuō)，在任意時(shí)刻，沿著該回路的所有支路電壓代數(shù)和等于零。

如果12、34接入的是交流電源，則電壓表和電流表測(cè)試出來(lái)的結(jié)果是其有效值。我們從測(cè)量結(jié)果可分析得出，基爾霍夫定律也可用于交流電路。

2.2 疊加定理的測(cè)量分析

疊加定理的內(nèi)容為：在線性電路中，任一條支路的電壓或電流都可以看成電路中各個(gè)獨(dú)立電源單獨(dú)作用時(shí)，在該支路產(chǎn)生的電壓或電流的代數(shù)和。圖3中，電壓源u1和u2共同作用。在圖3的基礎(chǔ)上，12可短路，78間u2單獨(dú)作用，其它不變，可以測(cè)量出u2單獨(dú)作用下的支路電流以及電阻的電壓；同理，78可短路，12間u1單獨(dú)作用，其它不變，可以測(cè)量出u1單獨(dú)作用下的支路電流以及電阻的電壓；這樣測(cè)量出來(lái)的結(jié)果疊加后與圖3中的結(jié)果應(yīng)該相等，即驗(yàn)證了疊加定理。

圖3中，也可為一電壓源和一電流源共同作用，要注意的是如果是電壓源單獨(dú)作用時(shí)，電流源應(yīng)該短路處理。

2.3 戴維南定理及諾頓定理的測(cè)量分析

在圖3的基礎(chǔ)上，9、10排插斷開(kāi)，即斷開(kāi)電阻R3，如何用戴維南定理或諾頓定理來(lái)定量分析其電阻R3的電流和電壓呢？

戴維南定理指出：任何一個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)，總可以用一個(gè)電壓源Us和一個(gè)電阻Rs串聯(lián)組成的實(shí)際電壓源來(lái)代替，其中：電壓源Us等于這個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓Uoc，內(nèi)阻Rs等于該網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立電源均置零（電壓源短接，電流源開(kāi)路）后的等效電阻R0。

諾頓定理指出：任何一個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)，總可以用一個(gè)電流源Is和一個(gè)電阻Rs并聯(lián)組成的實(shí)際電流源來(lái)代替，其中：電流源Is等于這個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò)的短路電流Isc，內(nèi)阻Rs等于該網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立電源均置零(電壓源短接，電流源開(kāi)路)后的等效電阻R0。

如圖3所示，9、10斷開(kāi)后，58之間接入電壓表，即可測(cè)出開(kāi)路電壓Uoc；如果58之間接入電流源，即可測(cè)出短路電流Isc。把12、78排插的電源去掉(去掉電壓源，則相當(dāng)于短路；如果為電流源，則為斷路。)，58之間接入萬(wàn)用表置于電阻檔，則可測(cè)出等效電阻R0。這樣就可以根據(jù)等效電路求解電阻R3的電流和電壓，結(jié)果可與圖3中所測(cè)R3得的電壓、電流相比較。

另外，如果12、78排插接入的是交流電，則34、56、910排插都可以單獨(dú)接入示波器，來(lái)觀察每條支路電流的大小和圖形；23、67、59也可以接入示波器，觀察每個(gè)電阻的電壓的大小和圖形。

3 結(jié)束語(yǔ)

由于此教學(xué)電路的完整性、操作過(guò)程的便捷性，學(xué)生可親自完成基礎(chǔ)電路的焊接工作，又可以親自在自己焊接好的電路上完成對(duì)原理的驗(yàn)證，真正意義地接觸電路元器件和儀器儀表的使用。另外基礎(chǔ)電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)成本較低的優(yōu)點(diǎn)。

多功能教學(xué)電路模塊讓《電路基礎(chǔ)》課程的基礎(chǔ)部分不再停留于理論概念的講解，讓學(xué)生不再迷茫于公式的推導(dǎo)驗(yàn)證和電路圖的分析過(guò)程，而是讓學(xué)生在實(shí)際操作的過(guò)程中邊學(xué)習(xí)邊操作，加深了對(duì)理論的知識(shí)的理解，同時(shí)也極大地激發(fā)了學(xué)生的求知欲，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。