Wykłady, ćwiczenia, laboratoria – to podstawowe elementy systemu dydaktycznego na uczelniach technicznych. Teorię poznaną na wykładach i ugruntowaną na ćwiczeniach studenci konfrontują na zajęciach praktycznych w laboratoriach. Także w szkołach średnich ważną rolę przywiązuje się do zajęć praktycznych. Skuteczność takiego systemu nauczania zależy w dużej mierze od tematyki ćwiczeń laboratoryjnych, opracowanych dla nich pomocy dydaktycznych i oczywiście od realizacji stanowisk laboratoryjnych.

W artykule opisano zestaw KL-210 stanowiący wyposażenie laboratorium podstawowych układów elektrycznych i elektronicznych. Ćwiczenia wykonywane z użyciem tego zestawu mogą stanowić uzupełnienie nauki takich przedmiotów, jak: elektrotechnika, elektronika, automatyka, miernictwo itp.

Koncepcja

W idealnym modelu kształcenia zajęcia w laboratorium takiego przedmiotu jak podstawy układów elektrycznych ćwiczenia powinny być wykonywane samodzielnie przez uczniów lub studentów. Niestety, wiąże się to z dużymi kosztami organizacji pracowni i z tego względu w placówkach dydaktycznych zwykle przyjmowane są rozwiązania kompromisowe, w których do jednego stanowiska kieruje się kilkuosobowe zespoły uczniów. Kolejnym zabiegiem pozwalającym zmniejszyć koszty wyposażenia laboratorium jest takie planowanie zajęć, aby ćwiczenia były wykonywane rotacyjnie przez poszczególne zespoły. W takim przypadku wystarczy wyposażyć pracownię tylko w tyle stacji bazowych, ile będzie zespołów wykonujących ćwiczenia. Tych kosztów się nie uniknie, jednak oszczędność uzyskuje się dzięki zredukowaniu liczby wymiennych modułów. W zasadzie wystarczy tylko jeden komplet dla całego laboratorium, gdyż na każdym stanowisku będą jednocześnie używane różne moduły. Możliwość takiego zakupu oczywiście istnieje, producent i dystrybutor daje tu pełną swobodę użytkownikom. Co więcej, możliwy jest zakup na przykład tylko jednego, wybranego modułu, a nawet elementów wyposażenia laboratorium, a więc przewodów połączeniowych, zworek czy układów scalonych, które utracono np. w wyniku zniszczenia lub „spalenia” w trakcie wykonywania ćwiczeń. Jest to szczególnie ważne dla użytkownika, gdyż prawdopodobieństwo wystąpienia podobnych zdarzeń jest stosunkowo wysokie.

Minimalizacji kosztów stanowiska pomiarowego można poszukiwać także w jego uniwersalności. Koncepcję tę z niezłym skutkiem zrealizowali konstruktorzy zestawu edukacyjnego KL-210. Stanowisko pomiarowe KL-210 składa się ze stacji podstawowej (bazowej) KL-22001 przedstawionej na fot. 1 i kilkunastu modułów dobieranych w zależności od tematu ćwiczenia. Stacja bazowa zawiera podstawowe elementy niezbędne do wykonania ćwiczeń i pomiarów. Są to:

• zasilacz podwójnego napięcia przemiennego 9 V (napięcia są w przeciwfazie) o obciążalności 500 mA każde,
•  regulowany zasilacz napięć stałych +3…+18 V, –3…–18 V z płynną regulacją, o wydajności prądowej 1 A,
•  nieregulowany zasilacz napięć stałych +5 V, –5 V, +12 V, –12 V,
• generator funkcyjny (sinus, prostokąt, trójkąt), przebiegi są wytwarzane w trzech zakresach częstotliwości: 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz i 100 kHz; napięcie wyjściowe 18 V_pp (wyjście nie obciążone), 9 V_pp (na obciążeniu 500 W),
• generator sygnału TTL wykorzystywanego jako przebieg zegarowy w ćwiczeniach z układami cyfrowymi; częstotliwość regulowana płynnie w 3 zakresach: 10 Hz, 100 Hz, 1 kHz i 10 kHz; obciążalność 10 bramek TTL,
• dwa przerzutniki monostabilne generujące impulsy +W i –W o szerokości ok. 7 ms sterowane przełącznikami astabilnymi, obciążalność 10 bramek TTL,
•  8 przełączników stabilnych generujących sygnały o poziomach TTL zabezpieczonych przed skutkami iskrzenia styków, obciążalność 10 bramek TTL, czas narastania impulsu: ok. 100 ms, czas opadania: ok. 7 ms,
•  8-pozycyjny nastawnik cyfrowy do zadawania sygnałów o poziomach TTL,
•  galwanometr magnetoelektryczny o zakresie ±50 mA i klasie dokładności 2,5,
• woltomierz/amperomierz cyfrowy ze wskaźnikiem 3 ½ cyfry o zakresach napięciowych 2 V i 200 V (dokładność ±(0,3% + 1 na najmłodszej pozycji)), zakresach prądowych 200 mA i 2 A (dokładność ±(0,5% + 1 na najmłodszej pozycji)),
•  2 niezależne wskaźniki 7-segmentowe LED sterowane dekoderem kodu BCD (wejścia D, C, B, A), z możliwością zapalania punktu dziesiętnego,
• 10 diod LED pełniących funkcję wskaźnika stanów cyfrowych,
•  komplet przewodów połączeniowych i zworek,
•  czujnik zbliżeniowy.

Fot. 1. Widok pulpitu stacji bazowej KL-22001 zestawu edukacyjnego KL-210

Oprzyrządowanie pomiarowe pulpitu stacji bazowej nie jest wystarczające do przeprowadzenia wszystkich ćwiczeń. Konieczne jest uzupełnianie stanowiska np. o dodatkowy multimetr i oscyloskop. Można mieć też zastrzeżenia do doboru zakresów wbudowanego miernika cyfrowego. Szczególnie daje się odczuć brak zakresu miliamperowego podczas pomiarów prądu wbudowanym miernikiem cyfrowym. Wyraźny jest też offset napięcia wyjściowego generatora funkcyjnego, który w badanym egzemplarzu dochodził do 700 mV przy potencjometrze ustawionym na maksimum. Nawiasem mówiąc, szkoda, że nie przewidziano regulacji tej składowej stałej. Z kolei spore czasy narastania i opadania przebiegu prostokątnego tego generatora rzędu 1,6 ms powodują, że dla najwyższych dostępnych częstotliwości kształt przebiegu prostokątnego mocno odbiega od ideału (Rys. 2).

Rys. 2. Przebieg prostokątny generatora funkcyjnego: a) częstotliwość 1 kHz, b) częstotliwość >100 kHz