VÝVOJ INTERAKTÍVNEJ ANIMÁCIE IGBT
Michal Šušoliak, Ľubica Stuchlíková, Juraj Jakuš
Slovenská technická univerzita v Bratislave, Fakulta elektrotechniky a informatiky,
Ilkovičova 3, 812 19, Bratislava
+421/2/60 29 13 24, [email protected], [email protected], [email protected]
Katedra technické a
informační výchovy
6. mezinárodní
konference
Nové technologie ve
výuce
PedF MU Brno
2012
Resumé. Tento príspevok sa zaoberá vývojom animácie výkonového tranzistora „IGBT“ (Insulated
Gate Bipolar Transistor), ktorá bude slúžiť ako podpora vzdelávania a popularizáciu v oblasti
výkonovej elektroniky. Animácia je vytvorená ako súbor interaktívnych mikroanimácií
zobrazujúcich konštrukciu, prehľad histórie, aplikácie a princíp činnosti IGBT. Naším cieľom pri
tvorbe animácie bolo zaujať študenta, názorne vizualizovať deje v tranzistore, umožniť študujúcemu
interaktívnou cestou získať nové poznatky a motivovať ho k ďalšiemu štúdiu. Tieto mikroanimácie
sú vytvorené v prostredí Adobe Flash. Pri ich vývoji sme sa riadili konvenciami pre tvorbu efektívnej
grafiky a objektovo-orientovaného programovania. Animácia výkonového tranzistora IGBT bude po
finalizácii voľne dostupná pre študentov Fakulty elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej
univerzity v Bratislave, ale aj pre všetkých záujemcov o danú problematiku na portáli „eLearn
Central - journal“ (URL: http://kme.elf.stuba.sk/elearn).
Klíčová slova: interaktívna animácia, Adobe Flash, vzdelávanie, IGBT
snaha o spojenie výhod bipolárnych tranzistorov
a tranzistorov MOS FET vo výkonových aplikáciách [2].
Relevantných informácií o IGBT tranzistoroch sa dá nájsť
na internete len veľmi málo a prevažná časť materiálov je v
anglickom jazyku. Väčšinou namiesto požadovaných
informácii nachádzame len odkazy na stránky firiem, ktoré
ponúkajú tieto tranzistory na predaj a máloktoré opisujú ich
princíp funkčnosti či využitie.
1. ÚVOD
Veľmi atraktívnou súčasťou kvalitných e-learningovych
kurzov sú multimediálne prvky. Podľa [1] sú multimediálne
prvkydefinované ako integrácia textu, obrázkov, grafiky,
zvuku, animácií a videa za účelom sprostredkovania
informácie, pričom pri ich použití musí byť používateľovi
umožnené, aby sa interaktívne zúčastnil sprostredkovania,
t.j. aby mal možnosť zasiahnuť do priebehu multimediálnej
aplikácie. Je vedecky dokázané, že človek si zapamätá
oveľa viac pri produktívnej tvorbe ako len čítaním si
riadkov náučného textu. Z tohto dôvodu je využívanie
multimédií vo výučbovom procese veľmi užitočné pre
rozvoj a celkovo zapamätanie si jednotlivých informácii.
Používateľ si sám môže vybrať čo sa naučí, čo si otvorí a
prečíta. Preto je ptrebné aby použité multimediálne prvky
boli vytvorené tak, aby zaujali študujúceho hneď od prvej
chvíle ako sa rozhodne danú tému si prezrieť.
Na sprístupnenie komplexnejších informácii o IGBT pre
študentov bakalárskeho štúdia ale aj širokú verejnosť sme sa
rozhodli využiť interaktívnu animáciu o IGBT. Naším
cieľom pri tvorbe animácie bolo zaujať študujúceho,
názorne vizualizovať deje v tranzistore, umožniť
študujúcemu interaktívnou cestou získať nové poznatky
a motivovať ho k ďalšiemu štúdiu ale aj zvýšiť záujem
o hlbšie poznanie elektroniky a fotoniky.
V rámci tohto príspevku prezentujeme naše skúsenosti
získané pri vývoji animácie IGBT.
Výkonová elektronika je v súčasnosti veľmi významnou
oblasťou, ktorá ovplyvňuje kvalitu nášho života. Medzi
prvky, na ktoré je sústredená pozornosť patrí výkonový
bipolárny tranzistor s izolovanou riadiacou elektródou
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Tento tranzistor
vznikol spojením bipolárneho tranzistora - PNP
a unipolárneho tranzistora E MOSFET (N kanálový
obohacovací Metal Oxid Semiconductor Field Effect
Transistor). Táto konštrukcia umožňuje aby tranzistor IGBT
bol ovládaný napätím pripojeným na hradlo ako MOSFET,
namiesto prúdom. Keďže IGBT sa súčasne správa ako
bipolárny tranzistor, preteká ním oveľa väčší prúd ako je to
v prípade MOSFET. IGBT sa používa rovnako ako
bipolárny tranzistor na zosilňovanie a spínanie signálov
a realizáciu logických funkcií. V súčasnosti je najčastejšie
používaný na spínanie veľkých prúdov nad 10 A pri
napätiach nad 600 V. Vývoj tranzistora IGBT podnietila
2. Animácia IGBT
Na tvorbu interaktívnej animácie sme použili program
Adobe Flash. Je to program na vytváranie interaktívnych
web aplikácii ako sú napríklad: internetové hry, reklamné
animácie alebo tiež na tvorbu miniaplikácii či dokonca
celých internetových stránok. Adobe Flash je v podstate
multimediálny grafický a programovací nástroj, ktorý
využíva vektorovú grafiku na tvorbu obrázkov. Umožňuje
pridávanie taktiež tvorbu animácii, pridávanie zvukov tak
ako aj videá. Toto všetko [3 - 5] a oveľa viac mu umožňuje
aj programátorský jazyk ActionScript v aktuálnej verzií 3.0
(AS3).
Pri návrhu interaktívnej animácie IGBT sme uvažovali nad
viacerými možnosťami ich dizajnu, funkcionality, obsahu a
usporiadania jednotlivých prvkov.
1
Fig. 1 UML diagram of “IGBT“ animation
V rámci dizajnu vychádzame z dizajnových prvkov portálu
„eLearn central-journal“ a z knižnice nadefinovaných
objektov pre vývojárov z eLearn central tímu na animáciu
polovodičových štruktúr. Čo sa týka štruktúry, rozhodli sme
sa vytvoriť desať čiastkových animácií – mikroanimácie
„Intro“, „Interaktívna mapa“, „Aplikácie“, „Schéma
zapojenia“, „Princíp činnosti“, „Zobrazenie voltampérových
charakteristík“, „Teória“, „História“, „Výhody“ a
„Nevýhody“. Jedná sa o menšie Flash súbory, ktoré budú
postupne načítavané z jednej ústrednej animácie v poradí v
akom si používateľ vyberie.
Na Obr. 1 je zobrazený ÚML diagram pre celú aplikáciu,
ktorý znázorňuje jej základnú funkčnosť. ÚML diagram
zobrazuje postupnosť krokov, ktoré môže používateľ
vykonať. Začína načítaním mikroanimácie „Intro“, pričom
po jeho ukončení sa používateľovi zobrazí mikroanimácia
„Interaktívna mapa“, z ktorej si môže vybrať ľubovoľnú
ďalšiu mikroanimáciu, ktorá ho zaujala. Po prezretí danej
mikroanimácie sa môže rozhodnúť pre inú. Každá
z mikroanimácii má svoj účel.
preskočení, sa študujúcemu zobrazí „Interaktívna mapa“,
ktorá symbolicky zobrazuje odporúčanú štruktúru animácie
ako aj obsah v podobe mikroanimácií.
Mikroanimácia „Intro“
Mikroanimácia „Intro“ je taktiež načítavaná hlavnou
aplikáciou. Cieľom tejto animácie je zaujať a motivovať
používateľa k ďalšiemu prehliadaniu aplikácie. Jedná sa
teda len o krátke video, ktoré zobrazuje zvárací efekt, kde sa
nám na pozadí vyzvára názov IGBT, ktorý následne
vypadne na zem a zväčší sa. Táto animácia sa však dá
preskočiť jednoduchým kliknutím tlačidla, ktoré má
používateľ k dispozícii alebo taktiež pokiaľ používateľa
zaujalo, môže si ho znovu prehrať z animácie interaktívna
mapa.
Obr. 2 Microanimácia “Interaktívna mapa”
Študent si môže ľubovoľne vybrať študijný materiál, alebo
postupovať podľa odporučenej štruktúry. Jednotlivé ikony
(„Aplikácia“, „Schéma zapojenia“, „Princíp činnosti“,
„Zobrazenie voltampérových charakteristík“, „Teória“,
„Výhody“, „História“, a „Nevýhody“) sú štandardizované
pre všetky kurzy na portáli eLearn central journal, ale ak by
ich používateľ nepoznal, za pomoci otáznika (ukázaním naň
myšou) sa užívateľovi ukáže nápis o akú časť materiálu sa
jedná.
Mikroanimácia „Interaktívna mapa“
Po úspešnom prehraní „Intra“ (Obr. 2) alebo jeho
2
Načítavanie mikroanimácií bolo zvolené preto, aby nebolo
nutné dlho čakať na načítanie celej aplikácie, čo by mohlo
byť veľmi zdĺhavé, hlavne ak má používateľ pomalé
internetové pripojenie. To by malo za následok odradenie
študujúceho už pri čakaní na načítanie úvodného “Intra“. Aj
keď následne by sa už nemusel nič načítavať, lebo by bolo
všetko nachystané na prehrávanie aj s časťami aplikácie,
ktoré používateľ nemieni prezerať. Naším riešením je
načítanie len reálne prezeraných časti.
štruktúre. Bary, ktoré sú umiestnené pod štruktúrou IGBT
slúžia na zobrazenie rozdielov medzi dvoma typmi štruktúr
tranzistorov IGBT. Ich hodnoty sú nastavené na základe
aktuálne zobrazovanej štruktúry. Prepínanie štruktúr je
realizované šedým tlačidlom vpravo.
Vpravo dole sú zobrazené ikonky „Informácia“,
„Charakteristiky“ a „Schéma“. Po stlačení ikonky
„Informácia“ sa zobrazí legenda, ktorá popisuje jednotlivé
elementy využité v animácii. Po stlačení ikonky
„Charakteristiky“ sa animácia prepne na animáciu
charakteristiky a po stlačení ikonky „Schéma“ sa zobrazí
náhradná schéma IGBT tranzistora. Tranzistor je vo
všetkých schémach zobrazený v zapojení so spoločným
emitorom.
Mikroanimácia „Aplikácie“
V mikroanimácii „Aplikácie“ študent získa základný
prehľad o využití tranzistora IGBT v elektrických
zariadeniach. V rámci štyroch okien sú prezentované
príklady realizácie IGBT, záložné zdroje, zváračky
a solárne panely. Každé okno obsahuje jednu základnú lištu,
ktorá umožňuje premiestňovanie a zminimalizovanie
obrázkov. Je tu implementovaný tzv. film obrázkov, pričom
študent sa môže voľne posúvať medzi obrázkami.
Prezeranie jednotlivých obrázkov aplikácie je realizované
za pomoci krajných šípok. Kliknutím na ikonku „Literatúra“
sa otvorí okno s vymenovaním použitých zdrojov.
Obr. 4 Microanimácia „Princíp činnosti“
Mikroanimácia „Zobrazenie voltampérových charakteristík“
Schéma zapojenia IGBT tranzistora spolu s voltampérovými
charakteristikami
je
zobrazená
v mikroanimácii
„Zobrazenie voltampérových charakteristík“. Zmenou
napätia VGE sa mení napätie na zdroji a zároveň aj narastá
prúd, čo má za následok zmenu charakteristiky. Zmenou
VCE sa mení napätie na zdroji a pracovný bod sa posúva do
daného bodu. Študujúci si môže voliť veľkosť pripojeného
napätia po rozbalení ComboBox-u.
Obr. 3 Microanimácia „Aplikácie“
Mikroanimácia „Schéma zapojenia“
V mikroanimácii „Schéma zapojenia“ môže študent vidieť
základnú schému zapojenia tranzistora IGBT so spoločným
emitorom a náhradnú schému IGBT vnorenú pre lepšiu
predstavu v štruktúre tranzistora. Prvky náhradnej schémy
umožnia študujúcemu lepšie pochopiť princíp činnosti
IGBT. Vpravo dole sa nachádza ikonka „Informácia“. Po jej
stlačení informačného sa nám zobrazí legenda.
Mikroanimácia „Teória“
V mikroanimácii „Teória“, sa študujúcemu načíta teoretická
časť o IGBT. Nachádza sa tu popísaný princíp činnosti, ako
aj základné dôležité informácie. Používateľ sa presúva po
texte za pomoci scrollBar-u, ktorý bol vytvorený pre tento
účel. Táto časť nenahrádza študentovi vzdelávací text,
uvádza len nevyhnutné minimum potrebné k pochopeniu
zobrazovaných dejov v mikro-animáciách.
Mikroanimácia „Princíp činnosti“
Mikroanimácia
„Princíp
činnosti“
(Obr. 4)
je
najrozsiahlejšia a najdôležitejšia mikroanimácia z animácie
IGBT. Po nastavení napätí VGE a VCE za pomoci ComboBoxu, tečie tranzistorom prúd - spúšťa sa tok elektrónov a dier.
Pri nastavení hodnôt napätia sa nastavia nielen ComboBoxy na dané hodnoty, ale zmeny môže študent pozorovať aj pri
nastavení hodnôt na meracích prístrojoch pre zdroje v
závislosti od toho, ktoré napätie bolo menené. Po spustení
toku elektrónov a dier je možné taktiež vidieť znázornený
kanál, cez ktorý elektróny preletia a ďalej sa pohybujú v
Mikroanimácie „Výhody“ a „Nevýhody“
V rámci mikroanimácií „Výhody“ a „Nevýhody“ sa študent
môže dozvedieť zásadné klady a zápory spojené
s tranzistorom IGBT. Obe mikroanimácie sú rovnako
spracované, líšia sa len obsahom textu, ktorý sa v nich
nachádza. Najskôr sa načíta text, kde sú zobrazené
jednotlivé položky. Taktiež je tu možnosť pozrieť si
rozdiely medzi jednotlivými štruktúrami IGBT podobne ako
to bolo pri mikro-animácii „Princíp činnosti“.
3
Mikroanimácia „História“
V mikroanimácii „História“ je zobrazený vývoj IGBT
tranzistora. Zobrazovanie jednotlivých štruktúr je
realizované dvomi možnosťami: vertikálny diagram
s názvami jenotlivých typov a obdobím vytvorenia a taktiež
časová os dole len s názvami. Študujúci si buď klikne na
jednu z položiek v diagrame alebo sa môže orientovať na
základe prvkov umiestnených na časovej ose. Po zvolení si
prvku je na navigáciu v animácii využívaná len časová os.
Pri zvolení prvku sa používateľovi zobrazí štruktúra
vybraného typu IGBT tranzistora. Študent si môže zobraziť
použitú literatúru, z ktorej boli čerpané informácie o
jednotlivých štruktúrach.
[5] HORÁK, R. and HRBÁČEK, J. Flash aplikace
komunikující s LMS MOODLE. In Nové technologie ve
výuce. Brno : Masarykova univerzita, 2012. ISBN 978-80210-5942-9, pp. 1-8. 2012, Brno.
AUTORI
Michal Šušoliak: (Bc.) Študent 1. ročníka
inžinierskeho
štúdia
Aplikovaná
informatika, zameranie Informatika v
riadení na Fakulte elektrotechniky
a informatiky,
Slovenská
technická
univerzita v Bratislave. Od roku 2011 sa
aktívne venuje programovaniu v Adobe
Flash. Podieľal sa na vývoji e-learning projektov vo Flash
aplikovaných v rámci e-learningu a celoživotného
vzdelávania. Je členom eLearn central tímu.
3. ZÁVER
Elektromotory, zváračky, regulované napájacie zdroje,
elektrické lokomotívy, električky, klimatizácia, roboty sú
pre každého z nás reálne pojmy. V nich musíme spínať
veľké prúdy pri napätí nad 600 V. Dostupným výhodným
riešením je práve výkonový tranzistor IGBT.
Animácia IGBT, prezentovaná v tomto príspevku bola
vytvorená s cieľom postúpiť základné informácie o tomto
tranzistore študentom bakalárskeho štúdia na FEI STU
v Bratislave ako aj širokej laickej verejnosti. Zvýšenie
záujmu o technické riešenia okolo nás, môže prispieť
i k nárastu potenciálnych záujemcov o štúdium na
technických školách.
Animácie ako súčasť e-learning majú potenciál sa stať
mimoriadne
efektívnym
nástrojom
vzdelávania.
Prezentované animácie sú už používané v rámci face to face
vzdelávania. Spätná väzba od študentov je pozitívna, ich
pripomienky sú v procese zapracovania do animácie.
Po ukončení recenzného procesu bude táto animácia voľne
sprístupnená na portáli „eLearn Central - journal“ (URL:
http://kme.elf.stuba.sk/elearn).
Ľubica Stuchlíková (doc. Ing. PhD.)
Pedagóg
na
Ústave
elektroniky
a fotoniky na Fakulte elektrotechniky
a informatiky, Slovenská technická
univerzita v Bratislave. Od roku 1990 sa
venuje diagnostike polovodičových
materiálov, štruktúr a prvkov a od 2001
počítačom podporovanému vzdelávaniu a popularizácii
vedy a techniky. Je vedúcou eLearn central tímu, ktorý sa
venuje tvorbe e-learningových kurzov a projektov.
Juraj Jakuš: (Ing.) Doktorand 1. Ročníka,
zameranie Mikroelektronika na Fakulte
elektrotechniky a informatiky, Slovenská
technická univerzita v Bratislave. Od roku
2010 sa aktívne venuje programovaniu
v Adobe Flash. Podieľal sa na vývoji elearning projektov vo Flash aplikovaných
v rámci celoživotného vzdelávania. Je členom eLearn
central tímu.
4. ODKAZY
[1] DRÁB, V. Multimédiá. [online] 2004-06-04
[Citované:2011-11-29] Dostupné z:
http://www.infovek.sk/predmety/inform/materialy/namety/
multimedia/html/mm1.html
POĎAKOVANIE
Predložená práca bola vypracovaná na Úsatve elektroniky
a fotoniky FEI STU Bratislava s podporou projektov VEGA
1/0377/13 a VEGA 1/0866/11.
[2] CSANYI, E. Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT).
[online] 2011-10-21 [Citované: 2012-04-23] Dostupné z:
http://electrical-engineering-portal.com/insulated-gatebipolar-transistor-igbt
RECENZENTI
doc. Ing. Jiří Hrbáček, Ph.D.: Masarykova universita v
Brne, Pedagogická fakulta, Katedra technické a informační
výchovy,
Poříčí
538/31,
Staré
Brno,
Brno,
[email protected]
[3] HRBÁČEK, J. Flash 1 - production inteligent graphic multimedial schoolbook. Brno: MSD, spol. s.r.o Brno,
2007. p. 89. První. ISBN 978-80-7392-000-5.
[4] HRBÁČEK, J. and KUČERA, M. Dynamic study
support with connected external systems. In ICETA 2012
10th IEEE International Conference on Emerging
eLearning Technologies and Applications, Proceedings.
Vyd. 1. Košice : Technical University of Košice, 2012.
ISBN 978-1-4673-5123-2, pp. 143-148. 8.11.2012, Stará
Lesná, The High Tatras, Slovakia.
Ing. Peter Benko, PhD.: Slovenská technická univerzita
v Bratislave, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Ústav
elektroniky a fotoniky, Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava,
[email protected]
4
Download

1 Michal Šušoliak, Ľubica Stuchlíková, Juraj Jakuš