Atamas A., Slipukhina I. et al. [art.atamas@gmail.com]
National Center «Junior Academy of Sciences of Ukraine», Ukraine
Download in PDF: http://fmo-journal.fizmatsspu.sumy.ua/journals/2020-v2-24/2020_2-24-Atamas_FMO.pdf

SUPERCAPACITOR AS A DIDACTIC MEANS OF TEACHING STUDENTS FUNDAMENTALS OF ELECTRONICS IN THE NI MULTISIM ENVIRONMENT

Problem formulation. Educational researches of technologically actual and perspective models of devices with the use of simulation environments have allocated a special didactic niche. The demand for NI Multisim as a propaedeutic tool for the formation of engineering skills requires a study of the organizational and methodological foundations of its integration into the modern educational environment.
Materials and methods. Theoretical (comparative analysis of scientific data, modeling of the methodical system of learning using simulation environments, etc.), empirical (mostly observational) methods, as well as computer modeling of the studied devices were used. Preliminary didactic approbation was carried out within the framework of the project "Summer Physical and Technical Schools" of the National Center "Junior Academy of Sciences of Ukraine".
Results. Features of the supercapacitor as a means of learning the basics of electronics using the STEM approach are systematized in the form of a structural and functional diagram. The educational method is based on the use of the equivalent circuit. The virtual study of serial supercapacitors consists of calculation of parameters and construction of an equivalent circuit in the NI Multisim environment, analysis of charging (discharging) characteristics, and their dependence on external (internal) factors. By the instrumentality of a real experiment, it is possible to determine the specific energy consumption of the supercapacitor also. The technique of using a printed model of the supercapacitor complements the experiment with the possibility to determine the specific capacity of the carbon material, the impact of the concentration of the electrolyte used on the characteristics of the device. 3D printing can be a part of an educational STEM project.
Conclusions. Techniques based on the creation of equivalent circuits with simulation environments provide the potential to design educational studies of properties and related processes of a real, serial device, as well as of one manufactured in the laboratory. The possibility of using passport data of serial products creates didactic opportunities for the transition from an algorithmic laboratory project to independent educational research, in particular, distance or mobile learning. Relevant techniques based on 3D printing, as well as pedagogical aspects of STEM-oriented learning of the basics of electronics, require further research.
Key words: supercapacitor, basics of electronics, equivalent circuit, NI Multisim, STEM, STEM-laboratory MANLab, 3D printing.

CУПЕРКОНДЕНСАТОР ЯК ДИДАКТИЧНИЙ ЗАСІБ НАВЧАННЯ УЧНІВ ОСНОВАМ ЕЛЕКТРОНІКИ У СЕРЕДОВИЩІ NI MULTISIM
А.І. Атамась
Національний центр «Мала академія наук України», Україна
І.А. Сліпухіна
Національний авіаційний університет, Україна
І.С. Чернецький
Національний центр «Мала академія наук України», Україна
Ю.С. Шиховцев
Національний центр «Мала академія наук України», Україна

Формулювання проблеми. Навчальні дослідження технологічно актуальних і перспективних моделей девайсів з використанням середовищ симуляції, виокремили особливу дидактичну нішу. Затребуваність NI Multisim як пропедевтичного засобу формування інженерних навичок потребує дослідження організаційних і методичних засад його інтеграції у сучасне освітнє середовище.
Матеріали і методи. Застосовано теоретичні (порівняльний аналіз наукових даних, моделювання методичної системи навчання з використанням середовищ симуляції та інші), емпіричні (переважно обсерваційні) методи, а також комп’ютерне моделювання досліджуваних девайсів. Попередня дидактична апробація здійснювалася у рамках проєкту «Літні фізико-технічні школи» Національного центру «Мала академія наук України».
Результати. Особливості суперконденсатора як засобу навчання основам електроніки з використанням STEM підходу систематизовано у вигляді структурно-функціональної схеми. Навчальна методика ґрунтується на застосуванні equivalent circuit. Віртуальне дослідження серійних суперконденсаторів складається з розрахунку параметрів і побудови еквівалентної схеми у середовищі NI Multisim, аналізу зарядних (розрядних) характеристик та їх залежності від зовнішніх (внутрішніх) чинників. У натурному експерименті додатково визначають питому енергоємність суперконденсатора. Методика з використанням друкованого макету суперконденсатора доповнює експеримент можливостями визначення питомої ємності вуглецевого матеріалу, впливу концентрації застосованого електроліту на характеристики девайсу. 3D принтинг може бути частиною навчального STEM-проєкту.
Висновки. Методики на основі створення equivalent circuits у середовищах симуляції дозволяють проєктувати навчальні дослідження властивостей і супутніх процесів у реальному, серійному девайсі, так і виготовленому у лабораторних умовах. Можливість використання паспортних даних серійних виробів створює дидактичні можливості для переходу від алгоритмізованої лабораторної роботи до самостійного навчального дослідження, зокрема, дистанційного або mobile learning. Потребують подальшого дослідження відповідні методики на основі 3D принтингу, а також педагогічні аспекти STEM орієнтованого навчання основ електроніки.
Ключові слова: cуперконденсатор, основи електроніки, еквівалентні схеми заміщення, NI Multisim, STEM, STEM-лабораторія МАНЛаб, 3D друк.

References

1. Atamas, A. I., Chernetskyi, I. S., & Shapovalov, V. B. (2017). Electricity and the basics of electronics. Laboratory Workshop: Workbook. Kyiv, Ukraine: MAN Publishing House. Retrieved from stemua.science
2. Chang, Y., Han, G., Xiao, Y., Chang, Y., Song, H., Li, M., Zhang, Y. (2017). Internal tandem flexible and compressible electrochemical capacitor based on polypyrrole/carbon fibers. Electrochimica Acta, 257, 335-344. doi:10.1016/j.electacta.2017.10.106
3. Chin, W. C., & Zhuang, X. (2020). Reservoir Simulation and Well Interference. doi:10.1002/9781119283553.ch10
4. Conway, B. E. (2009). Electrochemical supercapacitors: scientific fundamentals and technological applications. New York: Kluwer Acad.
5. Djalal, M. R., &Hr, H. (2019). Characteristic Test Of Transistor Based Multisim Software. PROtek : Jurnal Ilmiah Teknik Elektro, 6(2), 63–68. doi: 10.33387/protk.v6i2.1214
6. Grygorchak, I., Borysiuk, A., Shvets, R., Matulka, D., & Hryhorchak, O. (2018). Supramolecular Design of Carbons for Energy Storage with the Reactanse-Sensor Functional Hybridity. East European Journal of Physics, (4), 48–57. doi: 10.26565/2312-4334-2018-4-06
7. Inamuddin, Boddula, R., Ahmer, M. F., &Asiri, A. M. (2020). Morphology Design Paradigms for Supercapacitors. Milton: CRC Press LLC. doi: 10.1201/9780429263347
8. Johnson, D. (2014). Fundamentals of Electrical Engineering 1 \. Retrieved from http://legacy.cnx.org/content/col10040/1.9/
9. Kebede, M. A., & Ezema, F. I. (2020). Electrochemical devices for energy storage applications. Boca Raton: CRC Press. doi: 10.1201/9780367855116
10. Lyubomirov, S., Shehova, D., Asenov, S., & Raydovska, V. (2019). Engineering Education And Examination Of Electronic Circuits Using Multisim. ICERI2019 Proceedings.doi: 10.21125/iceri.2019.1680
11. MANLab. (n.d.). Retrieved April 29, 2020, from https://stemua.science/
12. Noga, K. M., & Palczynska, B. (2018). The Simulation Laboratory Platform Based on Multisim for Electronic Engineering Education. 2018 International Conference on Signals and Electronic Systems (ICSES), 269–274. doi: 10.1109/icses.2018.8507313
13. Ptak, P. (2018). Application Of Multisim And LTspice Software Packages To Simulate The Operation Of Electronic Components As An Alternative To Measurements Of Real Elements. Society.Integration.Education.Proceedings of the International Scientific Conference, 5, 409.doi: 10.17770/sie2018vol1.3120
14. Srikanth, M., Kumar, S., Gireesh, N., Manideep, T., Harichandana, B., & Sangeetha, K. (2019).A Different way of Level measurement for PBL in Education of Students using NI-LabVIEW, Multisim and MyRIO. 2019 Innovations in Power and Advanced Computing Technologies (i-PACT).doi: 10.1109/i-pact44901.2019.8960023
15. Yadav, E. S., Rajesh, B., Srinivasan, C. R., &Kalyan, P. S. (2019). A Study on Non-Linear Behavior of Memristor Emulator Using Multisim . Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science , 16 No. 3, 1213–1220. doi: 10.11591/ijeecs.v16.i3.pp.1213-1220
16. Yu, A., Chabot, V., & Zhang, J. (2017). Electrochemical supercapacitors for energy storage and delivery: fundamentals and applications. Boca Raton: CRC Press, Taylor & Francis Group. doi: 10.1201/b14671