利用仿真軟件輕松突破“電工電子技術(shù)”課程重難點(diǎn)

黨智乾， 喬琳君， 曹海紅， 楊春

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程學(xué)院， 陜西 西安 710089)

0 引言

電工電子技術(shù)課程作為職業(yè)院校工科類專業(yè)中一門重要公共課程[4]，面向的是全校理工科的學(xué)生，相對(duì)來(lái)說(shuō)，涉及專業(yè)較多，覆蓋面廣。主要包括非電類[5]機(jī)械制造、數(shù)控、材料控制、能源、汽車及計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)等，電類的包括通信工程專業(yè)、電子信息與工程、自動(dòng)化、電子科學(xué)與技術(shù)等。工科類職業(yè)院校的85%(以西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院、陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例)以上的專業(yè)均不同程度開(kāi)設(shè)電工電子技術(shù)類課程或?qū)嵱?xùn)，電工電子類課程作為專業(yè)課的前續(xù)課程，對(duì)學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)有著非常重要的意義。課程中的部分概念較為抽象、理論分析過(guò)程數(shù)學(xué)推到復(fù)雜、理論概念難以理解，文章針對(duì)以上問(wèn)題就“電工電子技術(shù)”課程如何改革進(jìn)行了探討和研究。

1 復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化

電路結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

電路的已知電壓源大小為12 V，電阻大小依次為圖中所

圖1 電路結(jié)構(gòu)圖

示，分析圖中五條支路支路電流和A結(jié)點(diǎn)B結(jié)點(diǎn)的電位VA、VB的大小。

理論分析過(guò)程：先列A、B兩點(diǎn)的基爾霍夫電流方程,如式(1)、式(2)。

結(jié)點(diǎn)A：

I1-I3-I4=0

(1)

結(jié)點(diǎn)B：

I2+I3-I5=0

(2)

將上述方程代入式(1)和式(2)，并代入題目中已知數(shù)據(jù)，最終可得：I1=4.18 mA，I2=-3.09 mA，I3=3.276 mA。

通過(guò)理論分析和仿真分析兩種學(xué)習(xí)方法的比較，理論分析要求分析7個(gè)量，需要列7個(gè)方程，代入題目中已知的7個(gè)數(shù)值，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的繁瑣運(yùn)算可得結(jié)果。軟件仿真分析中，按照題目要求找到相應(yīng)直流電源和電阻，添加5個(gè)直流電流表和兩個(gè)直流電壓表，點(diǎn)擊仿真按鈕，如圖2所示。

圖2 電路仿真結(jié)果示意圖

直接顯示5個(gè)支路電流和兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓。通過(guò)軟件的一步仿真，復(fù)雜的理論分析變得簡(jiǎn)單明了，同時(shí)軟件分析也可以對(duì)理論分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2 理論學(xué)習(xí)深入化

被稱為“電路求解大師”的德國(guó)偉大的科學(xué)家古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫于1845年提出了穩(wěn)恒電路網(wǎng)絡(luò)中電流、電壓、電阻關(guān)系的兩條電路定律，即基爾霍夫定律，基爾霍夫定律包括基爾霍夫電流定律和基爾霍夫電壓定律，基爾霍夫電流定律內(nèi)容為：對(duì)于電路中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)這個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流代數(shù)和始終為零?；鶢柣舴螂妷憾蓛?nèi)容為：對(duì)于電路中的任何一個(gè)閉合回路，這個(gè)回路內(nèi)所有元件上的電壓的代數(shù)和始終為零。在我們使用基爾霍夫定律分析電路前，首先要規(guī)定支路電流參考方向和回路繞行方向。同學(xué)們經(jīng)常在為什么要規(guī)定參考方向和為什么要假設(shè)繞行方向這兒出現(xiàn)困惑，除了利用大量的電路分析會(huì)有全新的深刻認(rèn)識(shí)外，如果利用軟件進(jìn)行仿真[6]，則可以通過(guò)安培表和伏特表的不同極性的端子接法來(lái)解釋這個(gè)問(wèn)題，既直觀又形象，理論上的抽象變?yōu)橐曈X(jué)上的形象，理論知識(shí)學(xué)習(xí)得以深化。

需要分析各支路電流時(shí)，事先不知道電路中支路的電流方向，要利用基爾霍夫電流定律，必須假設(shè)支路電流的參考方向,如圖3所示。

圖3 電路結(jié)構(gòu)圖

在用軟件仿真時(shí)，測(cè)電流直接接入安培表，軟件中安培表分了4種類型，選擇哪種安培表，可以根據(jù)所求支路的電流參考方向選擇安培表，如圖3中支路電流I1,它的參考方向是從下至上，那我們們就要選擇類型安培表，否則仿真顯示結(jié)果與理論分析結(jié)果相反,如圖4所示。

如果在仿真的過(guò)程中可以提前不給學(xué)生講解這些，在仿真結(jié)束后，同學(xué)們就會(huì)根據(jù)仿真結(jié)果與理論不一致提出問(wèn)題，可以讓他們進(jìn)行主動(dòng)思考來(lái)解決問(wèn)題，透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，變被動(dòng)為主動(dòng)，這樣可以加深參考方向概念的學(xué)習(xí)，也可以加深電流是矢量的概念的學(xué)習(xí)。

圖4 電路支路電流仿真結(jié)果

3 抽象問(wèn)題形象化

放大是對(duì)模擬信號(hào)最基本的處理，單管共射放大電路(NPN型三極管)的仿真電路圖,如圖5所示。

圖5 單管共射放大電路(NPN型三極管)

進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，采用菜單命令Simulate/Analysis/DC Operating Point，在對(duì)話框中設(shè)置分析節(jié)點(diǎn)及電壓或電流變量,同時(shí)可以分析出直流工作點(diǎn)工作狀況。

當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)合適，并且加入合適幅值的正弦信號(hào)時(shí)，可以得到基本無(wú)失真的輸出，如圖6所示。

但是，持續(xù)增大輸入信號(hào)，由于超出了晶體管工作的線性工作區(qū)，將導(dǎo)致輸出波形失真，如圖7(a)所示。

圖7(b)是進(jìn)行傅里葉頻譜分析的結(jié)果，可見(jiàn)輸出波形含有高次諧波分量。

靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)低或者過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致輸出波形失真，如圖8所示。

由于基極電阻Rb過(guò)小，導(dǎo)致基極電流過(guò)大，靜態(tài)工作點(diǎn)靠近飽和區(qū)，集電極電流也因此變大，輸出電壓Vo=Vcc-icRc，大的集電極電流導(dǎo)致整個(gè)電路的輸出電壓變小，因此從輸出波形上看，輸出波形的下半周趨于被削平了，屬于飽和失真。

圖6 單管共射放大電路輸入輸出波形

(a) 輸出波形失真

(b) 傅里葉頻譜分析結(jié)果

4 效果分析

借助軟件對(duì)“電工電子技術(shù)”中的重難點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)安排，將改革后的項(xiàng)目應(yīng)用于2018級(jí)的機(jī)電一體化專業(yè)、工業(yè)機(jī)器人專業(yè)、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)。通過(guò)改革的實(shí)踐，使得“電工電子技術(shù)”課程中重點(diǎn)不變，難點(diǎn)的學(xué)習(xí)變得輕松高效，理論的掌握更加牢固。同時(shí)，學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生對(duì)待知識(shí)的好奇心大大增強(qiáng)，學(xué)生能夠感覺(jué)到自己在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后可以解決問(wèn)題，良好的成就感非常給力。學(xué)習(xí)主觀

圖8 減小Rb后的失真輸出波形

能動(dòng)性、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的創(chuàng)新意識(shí)及對(duì)自我實(shí)驗(yàn)技能的要求都得到了明顯的改善，學(xué)生之間也充分發(fā)揮了個(gè)人優(yōu)勢(shì)及團(tuán)隊(duì)組織協(xié)調(diào)能力。通過(guò)改革，學(xué)生在理論考試成績(jī)分布狀況和電工技能證通過(guò)率方面都有所提高，參與全國(guó)職業(yè)技能大賽的成績(jī)等級(jí)和獲獎(jiǎng)數(shù)量也得到提升，為培養(yǎng)高技術(shù)技能型人才提供了保證。

5 總結(jié)

傳統(tǒng)高職院校非電類專業(yè)電工電子技術(shù)課程內(nèi)容基礎(chǔ)性強(qiáng)、理論復(fù)雜、概念抽象，為了突破電工電子技術(shù)課程的重難點(diǎn)，加強(qiáng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，以軟件作為工具，重新規(guī)劃課程重難點(diǎn)的學(xué)習(xí)過(guò)程，通過(guò)使用虛擬儀器達(dá)到理論分析簡(jiǎn)單化，通過(guò)軟件仿真和理論分析相互對(duì)比，使得理論學(xué)習(xí)深刻化，通過(guò)波形分析使得抽象問(wèn)題形象化。利用仿真軟件突破重課程學(xué)習(xí)的重、難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用技術(shù)手段解決工程問(wèn)題的能力，提高了電工電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)效果，為學(xué)生進(jìn)行之后的專業(yè)課程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。