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Fachübungen 5 ETS – Elektrotechnische Systeme analysieren – Fachrichtung Elektrotechnische Systeme (ETS) - Technischer Systemplaner

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Einleitung

Du lernst im 2. Ausbildungsjahr der Fachrichtung Elektrotechnische Systeme (ETS), Bauelemente, Grundschaltungen, Mess- und Planungsunterlagen fachlich zu analysieren. Das Lernfeld 5 „Elektrotechnische Systeme analysieren“ umfasst im KMK-Rahmenlehrplan einen Zeitrichtwert von 80 Unterrichtsstunden. Im Mittelpunkt stehen Rechenwege, Schaltzeichen, Gleich-, Wechsel- und Drehstrom, elektronische Grundbauteile, simulierte Messdaten und eine nachvollziehbare Fehlerdiagnose. Du arbeitest wie in einem Planungsbüro: Unterlagen prüfen, Anforderungen klären, Modelle berechnen, Ergebnisse plausibilisieren und dokumentieren. Alle Fall- und Messdaten sind frei erfunden. Dieser Kurs erteilt keine Freigabe zum Bau, Anschluss, Prüfen oder Inbetriebnehmen realer Anlagen; praktische Elektroarbeiten erfolgen ausschließlich unter qualifizierter Anleitung und den geltenden Sicherheitsregeln.

Beruflicher Bezug: Berufsportal Technischer Systemplaner; nachgeprüftes BIBB-Berufsprofil Fachrichtung Elektrotechnische Systeme. Die Ausbildungsordnung stammt vom 21.06.2011 (Änderung 17.10.2014); die Ausbildung dauert regulär 42 Monate. Gemäß §§ 24–27 der einschlägigen Verordnung ist die Abschlussprüfung für ETS in Teil 1 und Teil 2 gegliedert. Das vorliegende Material ist keine Originalprüfung und behauptet keine aktuellen Termine einzelner Kammern.

Elektrotechnische Systeme und Unterlagen verstehen

Vom Auftrag zur Systemgrenze

Ein elektrotechnisches System verarbeitet elektrische Energie oder Signale und besteht aus Funktionseinheiten wie Versorgung, Schalt- beziehungsweise Steuerfunktion, Verbraucher und Rückleitung. Lege zuerst die Systemgrenze fest: Welche Signale und Energien treten ein, welches Verhalten wird erwartet und welche Bestandteile liegen außerhalb? Ein Blockschaltbild erklärt den Wirkungszusammenhang, während ein Stromlaufplan elektrische Verbindungen mittels Schaltzeichen darstellt. Ein Aufbau- oder Verdrahtungsplan beantwortet zusätzlich räumliche beziehungsweise anschlussbezogene Fragen. Keines dieser Dokumente ersetzt eine fachlich freigegebene Ausführungsplanung.

Beispiel einer rein gedachten Signalkette: Spannungsquelle 24 V DC → Strombegrenzungswiderstand → LED-Anzeige → Transistorschalter → Rückleiter. Ein getrenntes simuliertes Steuersignal beeinflusst den Transistorschalter. Welche Spannung am Verbraucher anliegt, ist nicht identisch mit der Quellenspannung, weil auch an anderen Bauelementen Spannung abfällt.

Schematische Darstellung eines einfachen Kreises: Schaltzeichen sind keine Einbauanleitung. Quelle: Andreas B Mundt, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Schaltzeichen und Fachsprache

Unterscheide Knoten (elektrisch verbundener Punkt), Zweig (Strecke zwischen Knoten), Masche (geschlossener Umlauf), Bezugspotenzial und Betriebsmittelkennzeichen. Symbole für Widerstand, Schalter, Diode, Spule, Kondensator und Messinstrument müssen mit der geltenden Dokumentationskonvention zusammenpassen. Anschlusskennzeichen, Potenziale und Legenden gehören auf einen nachvollziehbaren Plan. Die konkreten, jeweils gültigen Normausgaben werden im Ausbildungsbetrieb oder mit der Lehrkraft abgeglichen; ein Übungsplan ist kein normativer Nachweis.

Dokument	Hauptfrage	Typische Information	Häufiger Fehler
Blockschaltbild	Was tut das System?	Versorgung, Funktionen, Signalfluss	Signalrichtung mit Energiefluss verwechseln
Stromlaufplan	Was ist elektrisch verbunden?	Schaltzeichen, Knoten, Anschlüsse	Kreuzung ohne Verbindungspunkt als Knoten lesen
Stückliste	Welche Bauteile sind vorgesehen?	Bezeichnung, Wert, Menge, Nachweis	Wert ohne Einheit oder Datenblatt angeben
Prüfprotokoll als Übung	Passt das Modell zur Erwartung?	Sollwert, simulierter Istwert, Abweichung	Ohne Vergleichskriterium „in Ordnung“ schreiben

Arbeitsfolge: Auftrag und Sicherheitsgrenzen lesen; System in Blöcke zerlegen; Legende und Anschlussbezeichnungen erfassen; mögliche Betriebszustände als Tabelle notieren; Schaltungsfunktionen rechnerisch und mittels Simulation bewerten; Abweichungen dokumentieren.

Elektrische Größen und Gleichstromkreise berechnen

Spannung, Strom, Widerstand und Leistung

Die elektrische Spannung U in Volt (V) beschreibt die Potenzialdifferenz, die Stromstärke I in Ampere (A) den Ladungsfluss pro Zeit, der Widerstand R in Ohm (Ω) das Verhältnis aus U und I. Für einen ohmschen Widerstand bei annähernd konstanter Temperatur gilt U = R · I; durch Umstellen erhältst du I = U/R und R = U/I. Die elektrische Leistung eines Gleichstromverbrauchers ergibt sich als P = U · I; am ohmschen Widerstand auch P = I² · R. Achte darauf, dass mA vor einer Leistungsermittlung in A umgerechnet werden.

Rechenbeispiel: Eine ideale Quelle liefert 12 V an einen 600-Ω-Widerstand. I = 12 V / 600 Ω = 0,020 A = 20 mA. Die Widerstandsleistung ist P = 12 V · 0,020 A = 0,24 W. Eine bloße Übungsberechnung ist noch keine Bauteilfreigabe: Temperatur, Dauerlast und Herstellerdaten müssen für die reale Auswahl separat geprüft werden. Das ohmsche Modell trifft auf eine LED oder einen Transistor nicht unverändert zu.

Spannung und Strom eines Beispielkreises, Mehanik, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Fachvideo zu Ohmschem Gesetz und Leistungsberechnung, #Sogeht / Sven Stemmler (YouTube). Externes Video, keine OER-Lizenz unterstellt.

Reihen- und Parallelschaltung

In der Reihenschaltung ist der Strom in allen Elementen gleich; die Teilspannungen addieren sich. Für ohmsche Widerstände gilt Rges = R1 + R2 + .... In der Parallelschaltung ist die Spannung an den Zweigen gleich; die Teilströme addieren sich. Für zwei Widerstände gilt Rges = R1 · R2 / (R1 + R2), allgemein 1/Rges = Σ(1/Rk). Nach der Kirchhoffschen Knotenregel ist die algebraische Summe der Ströme an einem Knoten null, nach der Maschenregel die Summe der Spannungen entlang einer geschlossenen Masche ebenfalls null.

Beispiel: R1 = 300 Ω, R2 = 600 Ω, U = 12 V. In Reihe: Rges = 900 Ω, I = 13,3 mA (gerundet); Teilspannungen: 4 V und 8 V. Parallel: Rges = 200 Ω, Iges = 60 mA, I1 = 40 mA, I2 = 20 mA. Die prüfbare Summe der Teilströme ist 60 mA. Typische Fehler: Parallelwiderstände fälschlich addieren, Spannungen und Ströme vertauschen, auf falsche Einheiten runden oder mit Nennwerten rechnen, ohne Toleranzen zu benennen.

Zwei Grundanordnungen, Jjbeard, Wikimedia Commons, gemeinfrei.

Netzwerkbeispiel zum Kirchhoffschen Verfahren, MikeRun, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Wechselstrom und Drehstrom fachgerecht einordnen

Sinusförmige Wechselgrößen

Bei Gleichspannung bleibt die Polarität in der idealisierten Betrachtung konstant. Bei Wechselspannung ändern sich Betrag und Vorzeichen periodisch. Für eine reine Sinusspannung beschreibt u(t) = Û · sin(2πft) die Momentanspannung, wobei f die Frequenz in Hertz und T = 1/f die Periodendauer ist. Für den Sinus gilt Ueff = Û/√2. Ein Effektivwert ist der Gleichspannungswert, der am selben ohmschen Widerstand dieselbe mittlere Wärmeleistung bewirkt. Die Formel gilt nicht für beliebige, stark verzerrte Verläufe.

Rechenbeispiel: Ein synthetisches Sinussignal besitzt Û = 16,97 V bei 50 Hz. Dann Ueff ≈ 12,0 V und T = 1/50 s = 0,020 s. Prüfe vor jeder Auswertung, ob die Messdatentabelle Spitzenwert, Effektivwert oder Momentanwert bezeichnet; diese Größen sind nicht austauschbar.

Kenngrößen einer Sinusspannung, Saure, Wikimedia Commons, gemeinfrei.

Symmetrisches Dreiphasensystem

Im ideal symmetrischen Drehstromsystem sind die drei sinusförmigen Außenleiterspannungen um 120° phasenverschoben. Zwischen Außenleiter und Neutralpunkt spricht man von Strangspannung; zwischen zwei Außenleitern von verketteter Spannung. Bei symmetrischer Sternschaltung ist Uverkettet = √3 · UStrang. Für sinusförmige, symmetrische Lasten gilt die Wirkleistungsbeziehung P = √3 · Uverkettet · IAußenleiter · cos φ. Das ist eine modellabhängige Rechenbeziehung, keine pauschale Regel für beliebig unsymmetrische Verbraucher. Das Verhältnis von Wirk-, Blind- und Scheinleistung verlangt eine korrekte Definition von Leistungsfaktor und Belastungsfall.

Rechenbeispiel: Ein Modell mit Uverkettet = 400 V, IAußenleiter = 2 A und cos φ = 0,8 liefert P ≈ 1,732 · 400 · 2 · 0,8 = 1108,5 W, also rund 1,11 kW. Die Leistung nicht versehentlich mit 230 V und √3 zugleich doppelt umrechnen. Die Angaben beschreiben keine Prüfanweisung an einer Netzinstallation.

Drei phasenversetzte Spannungsverläufe, Hyperstryke, Wikimedia Commons, gemeinfrei.

Stern- und verkettete Spannung im symmetrischen Dreiphasensystem, Dmstraub, Wikimedia Commons, CC0 1.0.

Video zu Stern- und Dreieckschaltung, #Sogeht / Sven Stemmler (YouTube). Dient der Einordnung von Schaltungsarten; reale Motoranschlüsse sind kein Kursauftrag.

Bauelemente und elektronische Schaltfunktionen analysieren

Passive und aktive Bauelemente

Ein Widerstand begrenzt Ströme oder teilt Spannungen; ein Kondensator speichert Ladung und beeinflusst zeitabhängige Vorgänge; eine Spule speichert Energie im magnetischen Feld. Die Diode führt in Durchlassrichtung Strom und sperrt näherungsweise in Gegenrichtung, solange zulässige Grenzwerte eingehalten werden; für LEDs kommen Lichtabgabe, Vorwärtsspannung und zulässiger Strom hinzu. Ein Relais trennt Steuer- und Lastfunktionen über Kontakte, deren Schaltvermögen und Schutzbedingungen nicht aus einem Symbol abgelesen werden können. Ein Transistor kann Signale verstärken oder als elektronischer Schalter eingesetzt werden.

Bauelement	Modellmerkmal	Datenblatt prüfen	Fehlerbild im Rechenmodell
Ohmscher Widerstand	R und elektrische Verlustleistung	Toleranz, Leistung, Temperaturbereich	falscher Wert verändert Strom
LED	Vorwärtsspannung und Nennstrom	Kennlinie, Polarität, maximaler Dauerstrom	Unterbrechung oder falsche Strombegrenzung
Kondensator	Kapazität C und zeitliche Wirkung	Nennspannung, Toleranz, Polarität falls relevant	falsche Zeitkonstante
Diode	Durchlass- und Sperrverhalten	zulässige Sperrspannung und Strom	Richtung oder Belastung falsch angenommen
Bipolartransistor	Basis, Kollektor, Emitter	Typ, zulässige Ströme, Verlustleistung	kein ausreichender Basisstrom

NPN-Transistor als gedachter Schalter

Im vereinfachten NPN-Schaltermodell liegt die Last im Kollektorkreis; die Ansteuerung erfolgt über einen Basiswiderstand. Mit einer positiven Basis-Emitter-Spannung, geeignetem Basisstrom und zulässigen Bauteildaten kann der Transistor in Sättigung betrieben werden. In der Rechnung wird beispielhaft UBE ≈ 0,7 V und UCE,sat ≈ 0,2 V angenommen. Das sind keine allgemein garantierten Datenblattwerte. Bei abgeschalteter Basisansteuerung sperrt der Transistor idealisiert; in realen Schaltungen spielen Leckströme, Schaltvorgänge und Temperatur eine Rolle.

Rechenweg: Bei einer 5-V-Steuerspannung und 4,7 kΩ Basiswiderstand ist IB ≈ (5 − 0,7) V / 4700 Ω ≈ 0,915 mA. Die rechnerische Sättigung eines konkreten Typs muss mit dessen Datenblatt nachgewiesen werden. Typischer Fehler: einen Signaltransistor allein wegen seiner vermeintlichen „Stromverstärkung“ ohne zulässige Spannungs-, Strom- und Verlustleistungsdaten freigeben.

Prinzipdarstellung eines Bipolartransistors als Schalter, FDominec, Wikimedia Commons, gemeinfrei.

Vertiefendes Lernvideo „NPN-Transistor als Schalter nutzen“, FearlessEngineers / Andreas Haja (YouTube); nur theoretische und simulierte Teile verwenden.

Messdaten bewerten, Sicherheitsgrenzen beachten und Fehler finden

Erwartungswerte vor Messwerten

Ein aussagekräftiger Mess- beziehungsweise Simulationsplan bezeichnet Größe, Einheit, Knoten, Betriebszustand, Sollwert, zulässige Abweichung und Messverfahren. Für eine Spannungsmessung wird ein Voltmeter prinzipiell parallel, für eine Strommessung ein Amperemeter in Reihe zum betrachteten Zweig modelliert. Falsch gewählter Bereich, vertauschte Anschlüsse und ungeeignete Messmittel können gefährliche Zustände verursachen. Dieser Kurs fordert nur Papieranalysen oder freigegebene rein virtuelle Simulationen und keinerlei reale Messung unter Spannung.

Sicherheitsgrenze: In realen Anlagen gelten unter anderem die fünf Sicherheitsregeln in fachlich zuständiger Anwendung: Freischalten, gegen Wiedereinschalten sichern, Spannungsfreiheit feststellen, erden und kurzschließen soweit erforderlich, benachbarte unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken. Die Reihenfolge ersetzt weder Gefährdungsbeurteilung noch Normenkenntnis, Qualifikation oder betriebliche Freigabe. Eine auszubildende Person führt keine eigenmächtige Fehlersuche an spannungsführenden Geräten durch.

Diagnose nur anhand fiktiver Datensätze

Vergleiche zuerst den erwarteten Betriebszustand mit dem dokumentierten Zustand. Prüfe dann mit dem vorhandenen Schema, welche Knoten oder Funktionsblöcke die Abweichung erklären könnten. Teste konkurrierende Hypothesen durch simulierte Änderungen eines Parameters oder durch rechnerische Plausibilisierung. Lege eine Fehlerursache nur fest, wenn die Daten sie stützen; ein einzelner Nullwert weist selten eindeutig auf ein einziges defektes Bauteil hin.

Simuliertes Signal	Erwartung	Angezeigter Istwert	Deutung
Steuereingang logisch AUS	LED AUS, Laststrom ≈ 0 mA	LED AUS, 0 mA	zum Zustand passend
Steuereingang logisch EIN	LED EIN, Laststrom ≈ 9,9 mA	LED AUS, 0 mA	Abweichung, mindestens eine Hypothese nötig
Versorgung des Modellzweigs	24 V	24 V	Quelle im Modell vorhanden
Spannung über Lastwiderstand bei EIN	≈ 21,8 V	0 V	kein Laststrom; Unterbrechung oder fehlende Ansteuerung möglich

Diagnose-Schema: Plan und Sollwerte lesen → fiktive Daten prüfen → begründete Hypothesen notieren → Hypothese virtuell testen → Ergebnis und offene Unsicherheiten dokumentieren → fachliche Rücksprache statt eigenständiger Freigabe. Typische Fehler: Messstellen nicht benennen, mA und A verwechseln, aus einer Abweichung direkt eine Ursache behaupten oder Sicherheitshinweise erst am Schluss ergänzen.

Berufstypischer Modellfall: Signalanzeige dokumentieren

Fiktiver Arbeitsauftrag und Datensatz

Ein Planungsbüro soll für eine rein simulierte Statusanzeige eine Funktionsbeschreibung, eine schematische Verbindungsfolge, eine Berechnung und ein Prüfblatt erstellen. Geplant sind eine gedachte 24-V-DC-Versorgung, eine LED mit angesetztem Durchlassspannungsabfall 2,0 V, ein LED-Vorwiderstand 2,2 kΩ, ein NPN-Transistor mit modelliertem UCE,sat = 0,2 V, eine Steuerquelle mit 5,0 V bei EIN und ein Basiswiderstand von 4,7 kΩ. Im Modell werden UBE = 0,7 V und ein hinreichend geeigneter Transistortyp vorausgesetzt. Alle Werte sind didaktische Annahmen und keine tatsächliche Komponentenspezifikation.

Musterarbeitsprodukt A – Funktionsschema: 24-V-Quelle → R_LED = 2,2 kΩ → LED → Kollektor des NPN-Transistors → Emitter zum 0-V-Bezug. Vom separaten 5-V-Steuersignal führt R_B = 4,7 kΩ zur Basis; beide Modellbezüge sind ausdrücklich als gemeinsames Bezugspotenzial beschriftet. Erstelle daraus im Zeichenprogramm nur eine Schaltskizze als Simulation, keine Anschluss- oder Installationszeichnung für reale Nutzung.

Vollständige Musterrechnung

1. Laststrom bei EIN: UR = 24,0 V − 2,0 V − 0,2 V = 21,8 V; IC ≈ ILED = 21,8 V / 2200 Ω = 0,00991 A = 9,91 mA.

2. Verlustleistung am LED-Vorwiderstand: PR = IC² · 2200 Ω ≈ 0,216 W. Für eine reale Bauteilwahl wäre unter Berücksichtigung von Temperatur, Toleranzen und Herstellerdaten eine Leistungsreserve zu begründen; als bloßes theoretisches Vergleichsbeispiel könnte ein 0,5-W-Typ geprüft werden, nicht ungeprüft freigegeben.

3. Basisstrom bei EIN: IB = (5,0 V − 0,7 V) / 4700 Ω ≈ 0,000915 A = 0,915 mA. Rechnerisches Verhältnis IC/IB ≈ 10,8; der tatsächliche Sättigungsnachweis verlangt ein Datenblatt.

4. Plausibilitätskontrolle: Am Lastzweig addieren sich die Spannungsanteile 21,8 V + 2,0 V + 0,2 V = 24,0 V. Bei AUS wird der ideale Laststrom mit ungefähr 0 mA angesetzt. Für die ideale 24-V-Quelle ergibt sich bei EIN ohne sonstige Verbraucher eine entnommene Lastleistung von etwa 24 V · 0,00991 A = 0,238 W. Der Steuerzweig ist separat bilanziert.

5. Diagnosefall: Der simulierte Steuereingang liegt bei 5,0 V, die Basis-Emitter-Spannung bei 0,7 V, aber die Anzeige ist AUS und der Laststrom ist 0 mA; die Versorgung zeigt 24,0 V. Das allein erlaubt mehrere Hypothesen (unterbrochene LED-Strecke, offener Vorwiderstand, defekter Schalter oder unzutreffende Modellannahme). Die im fiktiven Fehlerdatensatz ausdrücklich ergänzte virtuelle Durchgangsanalyse zeigt: Verbindung am LED-Vorwiderstand R_LED offen. Nach rein virtueller Wiederherstellung beträgt der Laststrom wieder ≈ 9,91 mA. Urteil: Modellfehler identifiziert; Dokument und Simulation korrigieren, keinerlei reale Instandsetzung oder Freigabe ableiten.

Prüfpunkt	Soll im Modell	Simulierte Beobachtung	Bewertung
LED-Zustand bei 0 V Steuersignal	AUS	AUS	plausibel
LED-Zustand bei 5 V Steuersignal, unveränderter Plan	EIN	EIN	plausibel
Laststrom bei 5 V	9,91 mA	9,90 mA	Rundungsabweichung 0,01 mA
Laststrom im Fehlerdatensatz	9,91 mA	0 mA	Fehlerhypothesen nötig
Virtuelle Unterbrechungsstelle	unbekannt	R_LED-Anschluss offen	durch Zusatzdaten gestützte Modellursache

Musterarbeitsprodukt B – Kurzprotokoll: „Projekt: Statusanzeige ETS-SIM-05; Quelle: synthetischer Rechenfall; Versionsstand: Übung 1.0; Modellannahmen: LED 2,0 V und Transistor 0,2 V; Sollstrom EIN: 9,91 mA; simulierter Iststrom: 9,90 mA; Differenz: −0,01 mA; Fehlerfall: offene R_LED-Verbindung; Befund: nur theoretisch und virtuell geprüft; keine reale Anlagenfreigabe; ausstehend: Datenblattprüfung durch Fachpersonal.“

Bewertungsraster des Modellfalls

Kriterium	Höchstpunkte	Volle Leistung	Häufige Abzüge
Schalt- und Funktionsschema	20	alle Modellanschlüsse, eindeutige Knoten, korrekte Zustände	fehlende Bezugspunkte oder verwechselte Anschlüsse
Rechengänge und Einheiten	25	Last- und Basisstrom, Widerstandsleistung, Maschenkontrolle mit Rechenweg	Einheit fehlt, Spannung falsch summiert, Rechenfehler
Funktionsanalyse	20	EIN/AUS und Grenzen des Transistormodells erläutert	Sättigung pauschal ohne Datenblatt angenommen
Fehleranalyse	20	mindestens zwei Hypothesen, Zusatzdaten, überprüfbarer Befund	aus Nullstrom voreilig nur eine Ursache abgeleitet
Dokumentation und Sicherheitsurteil	15	Version, Soll/Ist, Quellen, Simulation, keine Freigabe	ungeprüfte reale Nutzung oder unvollständiges Prüfblatt
Summe	100	fachlich nachvollziehbares Gesamtprodukt

Bewertungshinweis: 90–100 Punkte = sehr gut dokumentiert; 75–89 = belastbar; 60–74 = überarbeitungsbedürftig; darunter = zentrale Kompetenzlücken. Diese didaktischen Kursstufen sind kein offizieller IHK-Notenschlüssel. Das Bewertungsraster dient der gegenseitigen Rückmeldung, nicht der Freigabe elektrischer Arbeiten.

Interaktive Aufgaben

Multiple-Choice-Quiz

Welche Information liefert ein Stromlaufplan vorrangig? (Die elektrische Verschaltung der Bauelemente) (!Die genaue Position aller Bauteile im Schaltschrank) (!Den verbindlichen Liefertermin des Projekts) (!Die gesamte Raumgeometrie im Gebäude)

Rückmeldung: Verbindungen und Schaltzeichen stehen im Mittelpunkt. Ein räumlicher Aufbauplan hat einen anderen Informationszweck.

Welcher Strom fließt idealisiert durch 600 Ohm bei 12 Volt? (20 Milliampere) (!2 Milliampere) (!50 Milliampere) (!7200 Milliampere)

Rückmeldung: I = U/R = 12/600 A = 0,020 A. Die Umrechnung in Milliampere ist entscheidend.

Was gilt für zwei ohmsche Widerstände in Reihenschaltung? (Durch beide fließt derselbe Strom) (!An beiden liegt stets dieselbe Spannung) (!Der Gesamtwiderstand ist kleiner als jeder Einzelwiderstand) (!Die Teilströme addieren sich zum Quellstrom)

Rückmeldung: Ein einziger Strompfad führt durch beide Widerstände; die Spannungsabfälle können unterschiedlich groß sein.

Welcher Gesamtwiderstand ergibt sich aus 300 und 600 Ohm parallel? (200 Ohm) (!900 Ohm) (!300 Ohm) (!450 Ohm)

Rückmeldung: Der Parallelwert ist 300 · 600 / 900 = 200 Ohm und liegt unter beiden Einzelwerten.

Worauf bezieht sich der Effektivwert einer sinusförmigen Spannung? (Auf die gleiche mittlere Wärmeleistung am ohmschen Widerstand) (!Auf die stets maximale Momentanspannung) (!Auf die Frequenz des Signals) (!Auf die Zahl der Außenleiter)

Rückmeldung: Der Effektivwert ist ein Leistungsäquivalent; er ist im Sinusfall nicht identisch mit dem Spitzenwert.

Welcher Phasenversatz gilt bei einem ideal symmetrischen Dreiphasensystem? (120 Grad) (!30 Grad) (!90 Grad) (!180 Grad)

Rückmeldung: Drei gleichmäßig um eine vollständige Umdrehung versetzte Phasen ergeben 360/3 = 120 Grad.

Welche Aufgabe erfüllt der Vorwiderstand einer LED in der Modellschaltung? (Er begrenzt den Strom durch die LED) (!Er macht die LED zu einer Wechselspannungsquelle) (!Er ersetzt alle Schutzmaßnahmen) (!Er garantiert unabhängig vom Datenblatt die Lebensdauer)

Rückmeldung: Der berechnete Spannungsabfall über dem Widerstand bestimmt zusammen mit seinem Wert den Modellstrom.

Welche Größe wird bei einem vereinfachten NPN-Schalter über einen Basiswiderstand beeinflusst? (Der Basisstrom) (!Die Netzfrequenz) (!Die Anzahl der Phasen) (!Die mechanische Schrankhöhe)

Rückmeldung: Der Basiszweig steuert das Schaltverhalten; für die Bauteileignung sind zusätzlich die Datenblattgrenzen nötig.

Wie wird eine Spannungsmessung im Prinzip in einem Schaltmodell angeschlossen? (Parallel zum betrachteten Bauelement) (!Als Ersatz für den Verbraucher in Reihe) (!Nur direkt an den Schutzleiter) (!Ohne definierten Bezugspunkt)

Rückmeldung: Spannung ist eine Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten; reale Messungen erfordern geeignete Fachqualifikation.

Was folgt aus null Milliampere bei erwarteten zehn Milliampere im Fehlerfall? (Eine Abweichung ist belegt und weitere Hypothesen sind zu prüfen) (!Der Vorwiderstand ist ohne weitere Daten sicher defekt) (!Die 24 Volt Versorgung muss sicher fehlen) (!Die komplette Anlage darf ohne Prüfung freigegeben werden)

Rückmeldung: Ein Symptom kann mehrere Ursachen haben. Erst zusätzliche Daten stützen eine bestimmte Fehlerursache.

Memory: Fachbegriff und Bedeutung

Ordne den unterschiedlichen Fachbegriffen jeweils die passende Beschreibung zu.

Spannung	Elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten
Knoten	Verbindungspunkt mehrerer elektrischer Zweige
Wirkleistung	Durchschnittlich umgesetzte elektrische Leistung
Effektivwert	Leistungsgleicher Ersatzwert einer Wechselgröße am ohmschen Widerstand
Vorwiderstand	Bauelement zur Strombegrenzung einer Anzeige
Datenblatt	Herstellerdokument mit Kennwerten und Einsatzgrenzen

Drag-and-drop: Unterlage und Arbeitsziel

Ordne fünf Bezeichnungen ihrem Zweck zu.

Ordne die gesuchten Begriffe zu.	Fachlicher Zweck
Blockschaltbild	Überblick über Funktionsblöcke und Signalfluss
Stromlaufplan	Darstellung elektrisch verbundener Schaltzeichen
Kennlinie	Zusammenhang zweier elektrischer Größen
Prüfprotokoll	Nachvollziehbarer Soll-Ist-Vergleich
Stückliste	Geordnete Aufstellung vorgesehener Bauteile

Kreuzworträtsel

Trage jeweils das gesuchte einzelne Fachwort ein.

Spannung	Wie heißt die elektrische Potenzialdifferenz?
Widerstand	Welche Größe wird in Ohm angegeben?
Drehstrom	Wie heißt das System aus drei phasenversetzten Wechselgrößen?
Diode	Welches Halbleiterbauteil besitzt eine Durchlass- und Sperrrichtung?
Messwert	Wie heißt ein als Zahl und Einheit dokumentiertes Ergebnis?
Transistor	Welches elektronische Bauteil wird im Modell als steuerbarer Schalter eingesetzt?

LearningApps: Ergänzende Übungen finden

Über die folgende thematische LearningApps-Suche kannst du passende Übungen auswählen; es wird keine konkrete, nicht überprüfte LernApp als bestehend behauptet.

Separater Lückentext

Die elektrische Potenzialdifferenz heißt

.

Die Einheit der Stromstärke ist das

.

Bei einem ohmschen Widerstand folgt der Strom aus der Spannung geteilt durch den

.

In einer Reihenschaltung bleibt die

durch alle Bauteile gleich.

Bei einer Parallelschaltung liegt an allen Zweigen dieselbe

an.

Bei einer sinusförmigen Wechselspannung ist der Effektivwert kleiner als der

.

In einem symmetrischen Drehstromsystem beträgt der Phasenversatz

Grad.

Eine LED benötigt im einfachen Modell einen

zur Strombegrenzung.

Die Grundlage einer dokumentierten Analyse ist ein Vergleich zwischen Sollwert und

.

Bei einer unklaren Ursache überprüfst du zuerst mehrere

anhand der Simulationsdaten.

Offene Aufgaben

Bearbeite jede Aufgabe mit synthetischen Daten, Papier oder einer sicheren, rein virtuellen Simulation. Die zwölf Aufgaben sind bewusst in drei Anforderungsniveaus gegliedert.

Leicht

Schaltzeichen-Lexikon: Erstelle eine beschriftete Tabelle für Widerstand, Diode, LED, Spule und NPN-Transistor und erkläre die Planungsfunktion in eigenen Worten.
Ohm-Rechenkarte: Berechne Strom und Leistung eines idealen 12-V-Kreises mit 600 Ω und überprüfe die Einheiten.
Serienvergleich: Zeichne zwei 300-Ω-Widerstände in Reihe an 12 V und dokumentiere Gesamtstrom sowie Teilspannungen.
Funktionsblöcke: Teile die synthetische LED-Signalanzeige in Versorgung, Ansteuerung, Anzeige und Rückleitung und formuliere je einen Satz zur Aufgabe.

Standard

Zweiganalyse: Vergleiche 300 Ω und 600 Ω parallel bei 12 V und erstelle eine Sollwerttabelle mit Rges und drei Strömen.
Sinusdatensatz: Werte das synthetische Signal mit Spitzenwert 16,97 V und Frequenz 50 Hz aus und zeichne eine Tabelle für Ueff und Periodendauer.
Transistorberechnung: Berechne für die Modellanzeige den Last- und Basisstrom sowie die theoretische Widerstandsleistung und markiere nicht belegte Datenblattannahmen.
Datenblattvergleich: Erstelle eine Checkliste, welche fünf Angaben zum Prüfen eines NPN-Transistors für die Modellaufgabe fehlen, ohne ein Bauteil freizugeben.

Schwer

Fehlerbaum: Entwickle aus der simulierten Abweichung LED AUS trotz Steuersignal EIN mindestens vier mögliche Fehlerhypothesen und ordne jeder eine geeignete virtuelle Zusatzprüfung zu.
Drehstrom-Transfer: Berechne die Wirkleistung einer symmetrischen Modelllast bei 400 V, 2 A und cos φ = 0,8 und erläutere zwei Voraussetzungen der Formel.
Planrevision: Simuliere, dass R_LED von 2,2 kΩ fälschlich als 330 Ω eingetragen wurde, berechne Strom und Verlustleistung im Modell und verfasse eine Korrekturmeldung ohne reale Freigabe.
Fachliche Prüfung: Erstelle aus dem Modellfall eine einseitige technische Bewertung mit Schaltschema, Rechenkontrolle, Fehlerbegründung, Sicherheitsgrenzen und zwei Rückfragen an qualifiziertes Fachpersonal.

Musterprodukte und fachliche Kriterien zu den zwölf Aufgaben

Die folgenden Beispielergebnisse dienen zur Selbst- und Partnerkontrolle und gehören nicht zu den offiziellen Prüfungsaufgaben.

Aufgabenkürzel	Mögliches Musterarbeitsprodukt	Fachliches Bewertungskriterium
L1	Tabelle mit fünf Symbolbezeichnungen und Funktionen; LED ist polaritätsabhängig.	alle fünf Begriffe korrekt, keine Verwechslung von Symbol und Einbauanleitung
L2	I = 12/600 A = 20 mA; P = 12 · 0,020 W = 0,24 W.	Rechenansatz, A-zu-mA-Umrechnung und W-Einheit stimmen
L3	Rges = 600 Ω; I = 20 mA; an jedem 300-Ω-Widerstand fallen 6 V ab.	Reihengesetz und Maschenkontrolle 6 + 6 = 12 V
L4	Versorgung → Anzeigezweig → Schalter → Rückleitung; Steuerpfad gesondert.	Signalweg und Energiepfad unterscheiden
S1	Rges = 200 Ω; Iges = 60 mA; I1 = 40 mA; I2 = 20 mA.	Stromsumme und gleiche Zweigspannung nachgewiesen
S2	Ueff ≈ 12,0 V; T = 20 ms.	Spitzen- und Effektivwert richtig unterschieden
S3	IC ≈ 9,91 mA; IB ≈ 0,915 mA; PR ≈ 0,216 W.	LED- und Transistorspannungsabfall berücksichtigt, Datenblattvorbehalt genannt
S4	Prüfpunkte: UCE,max, IC,max, zulässige Verlustleistung, Sättigungskennwerte, Temperaturbereich.	fünf zweckmäßige Kennwerte, keine pauschale Bauteilzulassung
H1	Fehlerbaum: offener Widerstand, LED-Unterbrechung, fehlende Transistoransteuerung, falsches Bezugspotenzial; je virtuelle Testidee.	Hypothesen und passende zusätzliche Beobachtungen logisch verbunden
H2	P ≈ 1,11 kW; symmetrische sinusförmige Last und zutreffender Leistungsfaktor sind vorausgesetzt.	√3 korrekt, Modellgrenzen verständlich
H3	Bei 330 Ω: I = 21,8/330 ≈ 66,1 mA; PR ≈ 1,44 W; Planrevision fordert Überprüfung.	beide Werte plausibel, Fehlwert gekennzeichnet, keine Freigabe
H4	Bericht mit Version, 24-V-Modell, Soll 9,91 mA, Fehlerdaten, Hypothesentest und offenen Prüfpunkten.	reproduzierbar, fachlich begründet, Sicherheitsgrenzen klar

Lernkontrolle

Analyseauftrag: Begründe, warum ein Blockschaltbild nicht ausreicht, um eine Knoten- oder Maschengleichung eindeutig zu formulieren.
Rechenprüfung: Eine synthetische 12-V-Quelle versorgt 400 Ω und 600 Ω parallel. Berechne I1, I2, Iges und Rges und prüfe zwei Ergebnisse auf Plausibilität.
Datenbewertung: Bei einem idealen Widerstand steigen U und I proportional; erkläre, wann ein solcher linearer Zusammenhang für eine LED scheitert.
Wechselstromtransfer: Ein Sinussignal hat Ueff = 24 V und f = 50 Hz. Bestimme Û und T und trenne Messgröße von Annahme.
Diagnoseentscheidung: Ein simulierter LED-Zweig zeigt trotz gesetztem Steuersignal null Strom. Formuliere zwei alternative Ursachen und jeweils ein zusätzlich benötigtes virtuelles Datum.
Sicherheitsurteil: Erkläre, warum eine rechnerisch korrekte 24-V-Modellschaltung noch keine Erlaubnis zum Aufbau, zur Inbetriebnahme oder zur Arbeit an realen elektrischen Anlagen darstellt.

Erwartungshorizont der Lernkontrolle

Aufgabe	Kern der Musterlösung
Analyseauftrag	Blockschaltbilder zeigen Funktionen; elektrische Knoten und reale Verbindungen ergeben sich erst aus einem ausreichend präzisen Stromlaufplan.
Rechenprüfung	I1 = 12/400 = 30 mA; I2 = 12/600 = 20 mA; Iges = 50 mA; Rges = 240 Ω; Rges kleiner als 400 Ω.
Datenbewertung	Die LED besitzt eine nichtlineare Kennlinie und näherungsweise einen Vorwärtsspannungsabfall; R ist nicht konstant über alle Arbeitspunkte.
Wechselstromtransfer	Û = 24 · √2 ≈ 33,94 V; T = 1/50 s = 20 ms; reine Sinusform vorausgesetzt.
Diagnoseentscheidung	Hypothesen etwa offene LED-Strecke und fehlender Basisstrom; benötigen virtuelle Verbindungskontrolle beziehungsweise simulierte Basisgrößen.
Sicherheitsurteil	Gefährdungsbeurteilung, Qualifikation, Normen, Herstellerdaten und betriebliche Freigaben können nicht durch eine Übung ersetzt werden.

Lernnachweis

Ein vollständiger Lernnachweis besteht aus einer begründeten Systemgrenze, einem eigenen lesbaren Schema, einer Einheiten- und Rechentabelle, einem Soll-Ist-Vergleich aus virtuellen Daten, einer nachvollziehbaren Diagnose mit mindestens zwei Hypothesen, einer dokumentierten Überarbeitung und einer Reflexion der Sicherheitsgrenzen. Als Musterprodukte eignen sich eine CAD-basierte Schaltskizze im Übungsmodus, ein Tabellenblatt mit Formeln, ein simuliertes Diagramm, ein kurzes Erklärvideo über den Rechenweg ohne reales Anschließen sowie der einseitige Modellfallbericht. Die Abgabe kennzeichnet Daten, Quellen, Bearbeitungsstand und offene Fragen. Fachliche Kriterien: richtig, überprüfbar, vollständig, begründet, sicherheitsbewusst. Vor einer praktischen Umsetzung sind Zuständigkeit, Anlagenunterlagen und Freigabe gesondert zu klären.

OER und Wikipedia

Verifizierte Fachgrundlagen: KMK-Rahmenlehrplan Technischer Systemplaner, Lernfeld 5 ETS, PDF-Seite 34; BIBB-Berufsprofil ETS; Ausbildungsordnung, insbesondere §§ 2–3 und 24–27. Die BIBB-Profilnummer 270810 bezeichnet eine andere Fachrichtung (Versorgungs- und Ausrüstungstechnik); für diesen ETS-Kurs wurde das passende Profil 270110 geprüft.

Frei zugängliche fachliche Ergänzungen: Wikipedia Elektrotechnik, Wikipedia Ohmsches Gesetz, Kirchhoffsche Regeln, Wechselstrom und Bipolartransistor. Wikipedia-Texte stehen unter ihren jeweils auf der Seite ausgewiesenen freien Lizenzen; nicht alle extern verlinkten Inhalte sind OER.

Nachweise der eingebundenen Bilder und Videos (Links und Rechte):

Eingebundenes Medium	Geprüfter Quelleneintrag	Urheber	Rechtehinweis
File:Basic electric circuit.svg	Commons-Dateiseite	Andreas B Mundt	CC BY-SA 3.0
File:Simple electrical schematic with Ohms law.svg	Commons-Dateiseite	Mehanik	CC BY-SA 3.0
File:Resistors in Series and Parallel.svg	Commons-Dateiseite	Jjbeard	Gemeinfrei laut Dateiseite
File:Kirchhoff-example-circuit.svg	Commons-Dateiseite	MikeRun	CC BY-SA 4.0
File:Sinusspannung.svg	Commons-Dateiseite	Saure	Gemeinfrei laut Dateiseite
File:Dreiphasenwechselstrom.svg	Commons-Dateiseite	Hyperstryke	Gemeinfrei laut Dateiseite
File:Dreiphasensystem.svg	Commons-Dateiseite	Dmstraub	CC0 1.0
File:Transistor as switch.svg	Commons-Dateiseite	FDominec	Gemeinfrei laut Dateiseite
https://www.youtube.com/watch?v=SaSzHCkID-U	Video Ohmsches Gesetz und Leistungsberechnung	#Sogeht / Sven Stemmler	YouTube; keine freie Weiternutzungslizenz behauptet
https://www.youtube.com/watch?v=q-Pf6tQ1qmA	Video Stern- und Dreieckschaltung	#Sogeht / Sven Stemmler	YouTube; keine freie Weiternutzungslizenz behauptet
https://www.youtube.com/watch?v=C3ZWSc8oMBY	Video NPN-Transistor als Schalter	FearlessEngineers / Andreas Haja	YouTube; keine freie Weiternutzungslizenz behauptet

OER-Praxis: Eigene Tabellen, Musterrechnungen, Aufgaben und synthetische Fallzahlen sind für diesen Kurs neu erarbeitet. Beim Bearbeiten und Wiederveröffentlichen von Wikimedia-Material sind Namensnennung, Lizenzlink und gegebenenfalls Weitergabe unter gleichen Bedingungen zu beachten. Externe Video-Einbettung begründet keine Erlaubnis zum Herunterladen oder Umarbeiten des Videos.