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Fachübungen 1 – Elektrotechnische Systeme analysieren und Funktionen prüfen - Elektroniker für Automatisierungstechnik

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Einleitung

Du beginnst im ersten Ausbildungsjahr als Elektronikerin oder Elektroniker für Automatisierungstechnik mit einer Grundfrage: Was soll eine elektrotechnische Baugruppe tun, und wie lässt sich ihre Funktion aus Unterlagen und Daten verlässlich beurteilen? Du liest Schaltpläne, berechnest Spannungen, Ströme und Widerstände, deutest vorgegebene Messergebnisse und dokumentierst eine begründete Fehlerhypothese. Alle Beispiele sind synthetische Papier- und Simulationsfälle, keine Anleitungen zur Freigabe oder zum Eingriff in reale Anlagen.

Berufsbezug: Dieser Kurs orientiert sich am KMK-Rahmenlehrplan für den industriellen Ausbildungsberuf Elektroniker/-in für Automatisierungstechnik (Beschluss 2003, Fassung 23.02.2018), Lernfeld 1 im 1. Ausbildungsjahr mit einem Zeitrichtwert von 80 Unterrichtsstunden. Maßgeblich für die betriebliche Ausbildung ist die Verordnung über die Berufsausbildung in den industriellen Elektroberufen (IndElAusbV; Neufassung 28.06.2018). Der Beruf dauert regulär 42 Monate; ein individueller Ausbildungsbeginn ergibt sich aus dem Ausbildungsvertrag, nicht aus diesem Kurs. Die Abschlussprüfung besteht nach der Verordnung aus Teil 1 und Teil 2; die folgenden selbst erstellten Übungen sind keine Originalprüfungsaufgaben und nennen bewusst keine ungeprüften Prüfungsgewichte oder -zeiten. Nicht verwechseln mit dem anderen Handwerksberuf Elektroniker/-in in der Fachrichtung Automatisierungs- und Systemtechnik.

Lernziele: Du kannst Systemebenen unterscheiden, Grundschaltungen schematisch lesen, Werte mit Einheiten und Plausibilitätskontrolle berechnen, Messstrategien theoretisch begründen, typische Fehler aus Daten eingrenzen und Ergebnisse als übersichtlichen Prüfbericht kommunizieren. Du arbeitest auf den Stufen Leicht (Begriffe), Standard (Rechnung und Dokumentation) und Schwer (Diagnose und Transfer). Verwandtes Berufsportal: Ausbildung – Elektroniker für Automatisierungstechnik.

Verbindliche Sicherheitsgrenze: Keine Arbeiten an Netzspannung, offenen Schaltschränken oder Maschinen im Rahmen dieser Aufgaben. Auch Kleinspannung kann bei ungeeigneten Quellen zu gefährlicher Erwärmung oder Kurzschluss führen. Jede praktische elektrische Prüfung, Sicherheitsbeurteilung und Maschinenarbeit erfolgt ausschließlich durch oder unter verantwortlicher Anleitung entsprechend qualifizierter Fachkräfte mit betrieblicher Gefährdungsbeurteilung; aus Simulationswerten folgt niemals eine Maschinenfreigabe.

Elektrotechnische Systeme und technische Dokumentation

Vom Arbeitsauftrag zur Systemstruktur

Ein System erfüllt eine Aufgabe und besitzt Ein- und Ausgänge. In einer fiktiven Sortierstation liefert ein Sensor ein Signal; eine Steuerung verarbeitet es; ein Aktor würde eine Bewegung auslösen. Für Lernfeld 1 genügt die Funktionskette als Denkmodell: Eingangsgröße → Verarbeitung → Ausgangsgröße. Eine Messwertänderung ist nicht automatisch ein Bauteilfehler: Versorgung, Signalweg, Schnittstelle und Dokumentation können ebenfalls beteiligt sein.

Betrachtungsebene	Frage	Beispiel einer fiktiven Sortierstation	Typisches Arbeitsprodukt
Anlage	Welche Gesamtaufgabe?	Werkstücke erkennen und zuordnen	vereinfachtes Funktionsdiagramm
Gerät	Welche eigenständige Funktion?	Auswertegerät für Sensorsignale	Blockbild
Baugruppe	Wie arbeiten Teilfunktionen zusammen?	Eingangsmodul mit Anzeige	Schaltplanausschnitt
Bauelement	Welches elektrische Verhalten?	Widerstand als Strombegrenzung	Kennwerttabelle

Auftragsklärung umfasst Zweck, Sollverhalten, Grenzen, vorhandene technische Unterlagen, Zuständigkeiten und Dokumentationsform. Prüfe Angaben in mehreren Quellen, insbesondere Einheiten, Schaltungsrevision, Bezugspotenzial, Messpunktnamen und Bauteilwerte. Bei englischen Datenblättern bedeuten beispielsweise rated voltage Bemessungsspannung, current consumption Stromaufnahme und tolerance Toleranz. Eine Bemessung ist keine Erlaubnis, eine reale Schaltung ohne Risikoprüfung zu testen.

Schaltzeichen und Stromlaufplan lesen

Stromlaufpläne zeigen elektrische Zusammenhänge statt der räumlichen Einbaulage. Erkenne Spannungsquelle, Schalter, Widerstand, Leitung, Verbindungspunkt und Messgerät. Ein Leitungsübergang ohne Verbindungspunkt kann von einer tatsächlich verbundenen Leitung abweichen: lies Legende und Zeichenkonvention des konkreten Plans. Vergib eindeutige Bezeichner, etwa UQ für Quelle, R1 bis R3 für Widerstände und M für einen Knoten bzw. Messpunkt; diese sind hier nur lerninterne Beispielnamen. Ein Blockschaltbild stellt Funktionsgruppen dar, der Stromlaufplan ihre elektrische Verschaltung.

Bild: Sammlung elektrischer IEC-Schaltzeichen (Emareg, CC0; vollständiger Nachweis im Medienverzeichnis). Ein Symbolsatz ersetzt keine gültige Dokumentation der konkreten Anlage.

Bild: Beispielstromkreis mit Quelle, Sicherung, LED, Widerstand und Messgeräten (Christopher Pritchard, Public Domain). Vergleiche Funktion und Position der Elemente nur schematisch.

Fachsprache und Teamkommunikation

Trenne Beobachtung (z. B. „Messwerttabelle nennt 16,0 V am Knoten M“), Berechnung (Sollwert 12,0 V), Hypothese (z. B. offener Zweig) und Entscheidung (weitere Prüfungen nur nach Freigabe durch Fachkräfte). Die Aussage „Widerstand ist kaputt“ wäre aus einer einzelnen Spannung nicht bewiesen. Eine Übergabe nennt Dokumentenstand, Messbedingungen, Soll-Ist-Abgleich, Unsicherheit, offene Punkte und Zuständigkeit. Vermeide reale Namen, Seriennummern, Zugangsdaten oder vertrauliche Kundendaten in Lernprodukten.

Elektrische Größen, Kennwerte und Fachrechnen

Grundgrößen und Einheiten

Spannung U beschreibt die elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten und wird in Volt (V) angegeben. Stromstärke I beschreibt den Ladungsfluss pro Zeit und wird in Ampere (A) gemessen. Widerstand R ist bei einem ohmschen Bauelement das Verhältnis von Spannung zu Stromstärke, Einheit Ohm (Ω). Leistung P beschreibt den Energieumsatz pro Zeit, Einheit Watt (W). Strom ist keine „verbrauchte Spannung“; ebenso ist ein Spannungswert ohne zwei Bezugspunkte unvollständig.

Größe	Zeichen	Einheit	Umrechnung für die Übungen	Plausibilitätsfrage
Spannung	U	V	1000 mV = 1 V	Zwischen welchen Punkten?
Stromstärke	I	A	1000 mA = 1 A	In welchem Zweig?
Widerstand	R	Ω	1 kΩ = 1000 Ω	Temperatur und Toleranz bekannt?
Leistung	P	W	1000 mW = 1 W	Ist die Belastbarkeit berücksichtigt?
Energie	E	Wh	1 Wh = 3600 J	Über welchen Zeitraum?

Ohmsches Gesetz mit Rechenweg

Für einen ohmschen Widerstand bei angenommener konstanter Temperatur gilt U = R · I, daraus I = U / R und R = U / I. Beispiel: An einem fiktiven Widerstand R = 330 Ω liegen 9,9 V. Dann I = 9,9 V / 330 Ω = 0,030 A = 30 mA. Gegenrechnung: 330 Ω · 0,030 A = 9,9 V. Die Leistungsaufnahme beträgt P = U · I = 0,297 W. Ein Widerstand mit bloß 0,25 W Nennbelastbarkeit wäre für diesen idealisierten Nennfall bereits ungeeignet; thermische Auslegung erfordert zusätzliche Reserven und Herstellerdaten.

Typische Rechenfehler: 30 mA als 30 A einsetzen (Faktor 1000), Ω und kΩ mischen, die Formel für R und I verwechseln, bei einem nichtohmschen Bauelement die Konstanz von R voraussetzen oder P falsch als U / I berechnen. Prüfe stets Einheit, grobe Größenordnung, Rückrechnung und den Gültigkeitsbereich des verwendeten Modells.

Bild: Grundschaltung zur Spannungsquelle und zum ohmschen Verbraucher (Wikimedia Commons, Public Domain).

Video: Conrad Academy – Widerstand und Ohmsches Gesetz. Ergänzend ansehen; das Video ist externes Material und keine praktische Sicherheitsfreigabe.

Kennlinien, Farbringe und Datenblatt

Bei ideal ohmschem Verhalten ist die U-I-Kennlinie eine Gerade durch den Ursprung; ihre Steigung bei Darstellung U über I entspricht R. Eine Glühlampe, LED oder ein temperaturabhängiger Widerstand zeigt dagegen typischerweise kein über den gesamten Bereich konstantes Verhältnis. Bei einem vierfarbig gekennzeichneten Widerstand bedeuten die ersten zwei Ringe Ziffern, der dritte Multiplikator, der vierte Toleranz. Braun–Schwarz–Rot–Gold bezeichnet nominell 10 · 100 Ω = 1,0 kΩ mit ±5 %; als rechnerisches Toleranzintervall 950 bis 1050 Ω. Farbringe nur bei eindeutiger Leserichtung und mit Datenblatt bzw. geeignetem Nachweis auswerten; Farbcodierung ist kein Ersatz für eine sichere Bauteilidentifizierung.

Bild: Farbringcodes an Widerständen (Knarfili, CC0). Beachte mögliche Unterschiede bei der Zahl der Ringe.

Datensatz (rein fiktiv)	U in V	I in mA	Quotient U/I
A	2,0	10	200 Ω
B	4,0	20	200 Ω
C	6,0	30	200 Ω

Auswertung: Drei gleiche Quotienten stützen das lineare Modell für diese Daten. Sie beweisen weder die Sicherheit noch das Verhalten außerhalb der betrachteten Punkte.

Grundschaltungen und Funktionszusammenhänge

Reihenschaltung

In einer Reihenschaltung idealer Widerstände fließt durch alle Widerstände derselbe Strom. Der Gesamtwiderstand ist die Summe: Rges = R1 + R2. Die Teilspannungen summieren sich zur Quellenspannung. Beispiel: U = 12 V, R1 = 100 Ω, R2 = 200 Ω. Rges = 300 Ω, I = 12/300 A = 40 mA; U1 = 4 V, U2 = 8 V. Prüfung: 4 V + 8 V = 12 V. Ein Fehler wäre, die Teilspannungen gleichzusetzen, obwohl die Widerstände verschieden sind.

Parallelschaltung und Ersatzwiderstand

In einer Parallelschaltung liegt an allen idealen Zweigen dieselbe Spannung. Die Zweigströme addieren sich. Für zwei positive Widerstände gilt Rers = (R1 · R2) / (R1 + R2). Beispiel: R1 = 300 Ω und R2 = 600 Ω an 12 V: I1 = 40 mA, I2 = 20 mA, Iges = 60 mA und Rers = 200 Ω. Der Ersatzwiderstand ist kleiner als jeder Einzelwiderstand; ein größerer Wert ist ein deutlicher Rechenhinweis auf einen Fehler.

Bild: Vergleich von Reihen- und Parallelschaltung (ursprünglich Xyzzy n; Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0). Die Bildwerte dienen nur als eigene Beispielschaltung des Bildes und sind nicht die Zahlen unseres Rechenfalls.

Video: Eberhard Karls Universität Tübingen – Vorlesungsexperiment zu Widerständen in Reihe und parallel. Nur zur Beobachtung; Durchführung ausschließlich fachkundig angeleitet.

Spannungsteiler und Bauelementfunktion

Ein unbelasteter Spannungsteiler aus R1 und R2 in Reihe liefert über R2 ideal U2 = Uges · R2 / (R1 + R2). Bei 12 V, 1 kΩ und 2 kΩ folgen 8 V an R2. Wird ein Verbraucher am Abgriff angeschlossen, verändert er den Ersatzwiderstand des unteren Zweigs und meist die Ausgangsspannung. Eine LED ist kein ohmscher Widerstand; bei einer LED-Demonstration gehört die Strombegrenzung zur Funktionsanalyse. Widerstandswerte und zulässige Ströme werden nur anhand geeigneter Datenblätter ausgelegt, nicht durch unbekannte Bauteile ausprobiert.

Bild: Unbelasteter Spannungsteiler (Wikimedia Commons, Public Domain). In der Praxis müssen Quellen- und Lastverhalten berücksichtigt werden.

Kennwerte wie Nennspannung, Stromgrenze, Leistung, Toleranz, Umgebungstemperatur, Schutzart und Signalpegel gehören zu technischen Unterlagen; lies sie als Rahmenbedingungen. Bei einem realen Sensor sind Ausgangsart (z. B. PNP oder NPN), Versorgungsbereich und Eingangskompatibilität gesondert zu prüfen. Lernfeld 1 betrachtet solche Zusammenhänge zunächst konzeptionell, ohne eine Maschinenverdrahtung freizugeben.

Messen, Prüfen und sicherheitsbewusstes Vorgehen

Soll-Ist-Vergleich statt blinder Messung

Eine Messgröße wird mit Einheit, Messpunkt, Bezugsstelle, Messbereich, Verfahren und Unsicherheit beschrieben. Ein Voltmeter wird im Schaltplan parallel zum betrachteten Bauteil dargestellt; ein Amperemeter in Reihe zum betrachteten Zweig. Diese Aussagen beschreiben das Schaltbild, nicht die Erlaubnis zum Anstecken eines Gerätes unter Spannung. Ein Strommessgerät im falschen Anschluss kann einen gefährlichen Kurzschluss auslösen. Ein Widerstandswert wird nicht an einer unter Spannung stehenden Schaltung mit dem Ohmbereich bestimmt.

Lernverfahren ausschließlich auf Papier oder in einer Software-Simulation: Schaltbild lesen → gesuchte Größe und Bezugspunkte festhalten → Sollwert aus dem Modell berechnen → fiktiven Messwert eintragen → Abweichung beurteilen → Ursache als Hypothese dokumentieren. Die Auswahl realer Messmittel, deren Eignung, Schutzkategorien und das Freischalten liegen bei qualifiziertem Personal.

Bild: Illustration zweier Messgeräte (rones, CC0); die Symbolbilder ersetzen keine Auswahl eines zugelassenen Messgeräts.

Video: HomoFaciens – Messen von Strom, Spannung und Widerstand mit digitalen Multimetern. Zum kritischen Vergleich von Messprinzipien, ausdrücklich nicht als Handlungsanweisung für Auszubildende ohne Aufsicht.

Gefahren, Grenzen und die fünf Sicherheitsregeln

Die fünf Sicherheitsregeln lauten: Freischalten; gegen Wiedereinschalten sichern; Spannungsfreiheit feststellen; erden und kurzschließen; benachbarte unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken. Ihre korrekte, situationsabhängige Anwendung und die Festlegung der zuständigen Elektrofachkraft sind qualifizierten Personen vorbehalten. Ob und wie eine Regel anzuwenden ist, bestimmt die konkrete Anlage nach Gefährdungsbeurteilung und einschlägigen Vorgaben. In diesem aiMOOC wirst Du diese Schritte nicht praktisch ausführen. Auch ein Simulationsergebnis rechtfertigt weder ein Schalten einer Anlage noch eine Inbetriebnahme, Schutzprüfung oder Maschinenfreigabe.

Messabweichungen und Prüfprotokoll

Ein Messgerät besitzt einen begrenzten Messbereich, eine bestimmte Auflösung, Innenwiderstand und Genauigkeit. Auch abgelesene Werte können Rundung, Temperaturabhängigkeit oder Modellabweichung enthalten. Für eine erste Übung lässt sich die relative Abweichung d = (Ist − Soll) / Soll · 100 % berechnen, solange der Sollwert nicht null ist. Beispiel: Soll 12,0 V, fiktiver Istwert 11,7 V: d = −0,3 / 12 · 100 % = −2,5 %. Eine vorher definierte Unterrichtstoleranz von ±5 % wäre eingehalten; eine solche Lernschwelle ist kein normativer Grenzwert für elektrische Sicherheit.

Prüfprotokollfeld	Muster für eine Simulation
Auftrag und Versionsstand	Fall A, Schaltbild V1, nur Datenanalyse
Messgröße und Messpunkte	U zwischen Knoten M und Bezugspotenzial 0 V
Sollwert und Modell	12,0 V bei idealen Widerständen
Fiktiver Istwert	11,7 V, Simulation
Bewertung	−2,5 %, innerhalb einer eigens gesetzten Übungstoleranz
Restunsicherheit und Maßnahme	Bauteiltoleranzen unbekannt; keine reale Freigabe

Fehlersuche und vollständiger berufstypischer Modellfall

Diagnoseweg: Daten vor Vermutungen

Ein systematisches Vorgehen lautet: Auftrag und Erwartung klären, Dokumentversion prüfen, Schaltungsmodell aufstellen, plausible Sollwerte berechnen, bereitgestellte fiktive Messdaten vergleichen, konkurrierende Erklärungen notieren und nur einen theoretischen Bestätigungstest planen. Ein auffälliger Messwert ist ein Symptom; weder ein Bauteiltausch noch die Ursache folgt zwingend daraus. Typische Fehlerbilder in einem Modell: Unterbrechung, Kurzschluss, falscher Widerstand, fehlende Versorgung, vertauschte Referenzpunkte oder fehlerhafte Tabellenübertragung.

Modellauftrag: Auswertemodul einer fiktiven Sortierstation

Auftrag: Eine Trainingssoftware modelliert ein 24-V-Gleichspannungsnetzteil und drei ohmsche Widerstände. R1 = 100 Ω liegt in Reihe mit einem parallelen Zweig aus R2 = 200 Ω und R3 = 200 Ω. Du sollst einen Funktionsnachweis auf Papier erstellen, die Sollwerte errechnen und eine fiktive Störmeldung mit Daten begründet eingrenzen. Die Quelle und Bauteile sind idealisiert; Messwerte, Werkstücke und Station sind erfunden. Keine reale Maschine oder reale Prüfspannung ist beteiligt.

Vereinfachtes selbst erstelltes Blockschema (keine Verdrahtungsanweisung):

Fiktive Quelle	Erster Abschnitt	Knoten M	Rückweg zum Bezugspunkt
24 V DC im Rechenmodell	R1 = 100 Ω in Serie	R2 = 200 Ω und R3 = 200 Ω parallel	beide Zweige führen zum Bezugspotenzial

Schritt 1 – Ersatzwiderstand: R23 = (200 Ω · 200 Ω) / (200 Ω + 200 Ω) = 100 Ω. Danach Rges = R1 + R23 = 100 Ω + 100 Ω = 200 Ω.

Schritt 2 – Ströme: Iges = 24 V / 200 Ω = 0,120 A = 120 mA. Im ersten Serienabschnitt ist dies zugleich I1. An den beiden gleichen Parallelzweigen teilt sich der Strom gleichmäßig: I2 = I3 = 60 mA. Knotenprüfung: 60 mA + 60 mA = 120 mA.

Schritt 3 – Spannungen: U1 = 0,120 A · 100 Ω = 12,0 V; am Knoten M liegen gegenüber dem Bezugspunkt 12,0 V. Über R2 und R3 liegen daher jeweils 12,0 V. Maschenprüfung: 12,0 V + 12,0 V = 24,0 V.

Schritt 4 – Leistungen: P1 = 12,0 V · 0,120 A = 1,44 W; P2 = P3 = 12,0 V · 0,060 A = 0,72 W. Summe 1,44 W + 0,72 W + 0,72 W = 2,88 W; Quelle ideal: P = 24 V · 0,120 A = 2,88 W. Die Verlustleistung ist keine Aussage über ausreichende thermische Auslegung. Bereits ein Fehler kann eine andere Bauteilbelastung hervorrufen; tatsächliche Auswahl erfordert Herstellerdaten, Reserve und Fachbewertung.

Zustand (synthetisch)	Iges	U1	U am Knoten M	I2	I3
Soll, ungestört	120 mA	12,0 V	12,0 V	60 mA	60 mA
Messdatenblatt A, normal simuliert	119 mA	12,0 V	11,9 V	59 mA	60 mA
Messdatenblatt B, Störung simuliert	80 mA	8,0 V	16,0 V	80 mA	0 mA

Schritt 5 – Störung erklären: Datenblatt B passt zum Modell einer Unterbrechung im R3-Zweig: Dann bleibt R2 = 200 Ω allein als zweiter Serienabschnitt; Rges = 100 Ω + 200 Ω = 300 Ω; Iges = 24/300 A = 80 mA; U1 = 8,0 V und UM = 16,0 V; I2 = 80 mA, I3 = 0 mA. Neue Leistungen: P1 = 0,64 W; P2 = 1,28 W; P3 = 0 W; zusammen 1,92 W = 24 V · 0,08 A. Wichtig: Der R2-Zweig wäre im Störungsmodell stärker belastet als im Normalfall. Ein Bauteil, das nur für 1 W spezifiziert wäre, könnte daher bereits im gedachten Fehlerfall überlastet sein. Die Hypothese ist mit den Daten vereinbar, aber ohne unabhängige Informationen nicht eindeutig bewiesen.

Schritt 6 – dokumentierte Abhilfe als Planung, nicht Handlung: Im Bericht steht „Verdacht: Unterbrechung im R3-Zweig; alternativ unzutreffender R3-Wert oder Datenfehler prüfen“. Vorgeschlagen werden eine unabhängige Prüfung des Simulationsmodells, Abgleich der Stückliste und die Auswertung einer weiteren, nur virtuell erzeugten Datenspur. Realmessung, Eingriff und Freigabe sind nicht Bestandteil dieses Kurses. Im Arbeitsprodukt ist die Bewertung „Kein Nachweis der Anlagensicherheit, keine Betriebsfreigabe“ verpflichtend.

Musterarbeitsprodukte und Bewertungsraster

Musterarbeitsprodukt 1 – Rechenblatt: Quelle 24,0 V; R1 100 Ω; R2 = R3 200 Ω; R23 = 100 Ω; Rges = 200 Ω; Iges 120 mA; UM 12,0 V; I2 = I3 = 60 mA; Pges = 2,88 W. Jede Zahl erhält Einheit und Rechenschritt.

Musterarbeitsprodukt 2 – Diagnoseprotokoll: Beobachtung: UM = 16,0 V und Iges = 80 mA in Simulation B. Soll: 12,0 V und 120 mA. Hypothese: R3-Zweig unterbrochen. Begründung: Rges steigt auf 300 Ω, Knotenpotenzial auf 16,0 V. Alternativen: abweichender Widerstand oder falscher Datensatz. Status: unbestätigte Hypothese, keine reale Freigabe.

Bewertungsbereich	Volle Punktzahl	Kriterium für volle Leistung
Systemanalyse und Schaltbild	4	Quelle, R1, Parallelzweige, Knoten und Bezugspotenzial korrekt zugeordnet
Fachrechnen	6	Ersatzwiderstand, Strom, Spannungen, Zweigströme, Leistung mit Einheiten und Gegenprobe korrekt
Mess- und Datenplanung	4	Soll-Ist-Tabelle, Messpunkte, Bezugsgröße, Modellgrenzen und Abweichung nachvollziehbar
Fehlersuche und Transfer	4	mindestens eine passende Hypothese, konkrete Gegenrechnung, Alternativerklärung, Belastung im Fehlerfall
Dokumentation und Sicherheitsurteil	2	fachlich klare Übergabe, keine reale Freigabe oder ungeprüfte Sicherheitszusage
Summe	20	18–20 sehr sicher; 14–17 weitgehend sicher; 10–13 mit Lücken; unter 10 gezielte Überarbeitung (nur Lernraster)

Fehleranalyse zu typischen Schülerlösungen: Bei R23 = 400 Ω wurden Parallelwiderstände fälschlich addiert; rechne mit Kehrwerten oder Produkt-durch-Summe nach. Bei Iges = 120 A fehlt die Umrechnung mA/A. Bei UM = 24 V wurde der Spannungsabfall an R1 übergangen. Die Diagnose „R3 defekt, Anlage freigeben“ ist fachlich unzulässig: Der Befund ist nur eine Hypothese zu Simulationsdaten und enthält keine Sicherheitsbewertung.

Interaktive Aufgaben

Multiple-Choice-Quiz: Fachwissen anwenden

Welche Aussage über einen Stromlaufplan trifft zu? (Er beschreibt elektrische Verbindungen unabhängig von der räumlichen Montage) (!Er zeigt immer die tatsächliche Einbaulage aller Leitungen) (!Er ersetzt die Risikobeurteilung einer Maschine) (!Er enthält ausschließlich mechanische Maße)

Rückmeldung: Ein Stromlaufplan zeigt Funktionsbeziehungen. Für Einbauorte, Sicherheit und Zuständigkeiten sind weitere Unterlagen erforderlich.

Welche Stromstärke folgt bei 9,9 V an 330 Ω im ideal ohmschen Modell? (30 mA) (!3 mA) (!300 mA) (!33 A)

Rückmeldung: 9,9 durch 330 ergibt 0,030 A. A und mA dürfen nicht verwechselt werden.

Welcher Gesamtwiderstand ergibt sich aus 100 Ω und 200 Ω in Reihe? (300 Ω) (!66,7 Ω) (!100 Ω) (!20000 Ω)

Rückmeldung: In der Reihe addieren sich die Widerstände; 66,7 Ω wäre der ungefähre Parallelwert.

Wie groß ist der Ersatzwiderstand zweier paralleler Widerstände mit je 200 Ω? (100 Ω) (!400 Ω) (!200 Ω) (!800 Ω)

Rückmeldung: Zwei gleiche Parallelwiderstände haben den halben Einzelwert. Er muss kleiner als 200 Ω sein.

Wie verhält sich die Spannung an idealen parallelen Widerständen? (Sie ist an beiden Zweigen gleich) (!Sie wird proportional zur Leiterlänge aufgeteilt) (!Sie ist immer gleich null) (!Sie ist grundsätzlich verschieden)

Rückmeldung: Beide Zweige liegen zwischen denselben zwei Knoten; darum ist ihre Potenzialdifferenz gleich.

Wie groß ist die Leistung bei U gleich 12 V und I gleich 0,06 A? (0,72 W) (!72 W) (!0,005 W) (!200 W)

Rückmeldung: P = U mal I. Der Einheitentest V mal A ergibt W.

Wie wird eine Spannung in einem Schaltbild über einem Widerstand dargestellt? (Mit einem parallel zum Widerstand angeordneten Voltmeter) (!Mit einem in Reihe angeordneten Voltmeter) (!Mit einem parallel kurzgeschlossenen Amperemeter) (!Mit einem ohne Bezugsstelle bezeichneten Wert)

Rückmeldung: Spannung ist eine Differenz zwischen zwei Knoten. Praktische Messanschlüsse sind Sache qualifizierter Fachkräfte.

Was bedeutet in den fiktiven Modelldaten ein Anstieg von 12 V auf 16 V am Knoten M? (Eine begründungsbedürftige Abweichung vom Sollwert) (!Den sicheren Beweis für einen ganz bestimmten Bauteildefekt) (!Eine bestätigte Freigabe der Anlage) (!Eine automatisch zulässige Abweichung für jede reale Anlage)

Rückmeldung: Ein einzelner Messwert begründet Untersuchungsbedarf, aber keine eindeutige Ursache und keine Sicherheitsfreigabe.

Was ist bei 1 kΩ mit einer rechnerischen Toleranz von 5 Prozent der untere Grenzwert? (950 Ω) (!995 Ω) (!1050 Ω) (!500 Ω)

Rückmeldung: Fünf Prozent von 1000 Ω sind 50 Ω. Der untere Grenzwert ist 1000 minus 50 Ω.

Welche Aussage zu Simulationsaufgaben und Arbeitsschutz ist korrekt? (Eine Simulation liefert niemals allein eine reale Maschinenfreigabe) (!Ein Rechenblatt ersetzt die Gefährdungsbeurteilung) (!Jede Kleinspannungsquelle darf ohne Prüfung kurzgeschlossen werden) (!Auszubildende dürfen jede Anlage ohne Fachaufsicht prüfen)

Rückmeldung: Rechen- und Simulationsfälle schulen Urteilsfähigkeit; reale Schutzprüfungen und Freigaben bleiben qualifizierten Verantwortlichen vorbehalten.

Memory: Bauelemente und Begriffe

Ordne jeden Fachbegriff der genau passenden Erklärung zu.

Potenzialdifferenz	Elektrische Spannung zwischen zwei Bezugspunkten
Gesamtstrom	Summe der Zweigströme am Knoten
Ersatzwiderstand	Ein äquivalenter Widerstand für eine Widerstandskombination
Datenblatt	Herstellerunterlage zu Eigenschaften und Einsatzgrenzen
Messunsicherheit	Begrenzte Genauigkeit einer ermittelten Messgröße
Unterbrechung	Offener Zweig ohne geschlossenen Strompfad

Drag-and-drop: Arbeitsschritte richtig zuordnen

Ordne jeder fachlichen Handlung die passende Beschreibung zu.

Fachlicher Suchbegriff	Passende Bedeutung
Schaltbildanalyse	Verschaltung und Knoten im Plan erkennen
Sollwertberechnung	Erwartete Größen aus einem geeigneten Modell ermitteln
Plausibilitätsprüfung	Rechenergebnisse mit Einheit und Gegenprobe beurteilen
Fehlerhypothese	Eine mit Daten vereinbare noch ungeprüfte Erklärung formulieren
Prüfdokumentation	Auftrag, Werte, Grenzen und offene Punkte nachvollziehbar festhalten

Kreuzworträtsel: Fachsprache

Finde zu jeder deutschen Beschreibung den gesuchten Fachbegriff.

Spannung	Welche elektrische Größe wird in Volt angegeben?
Stromstärke	Welche elektrische Größe wird in Ampere angegeben?
Widerstand	Welche Größe wird in Ohm angegeben?
Schaltplan	Welche Zeichnung stellt elektrische Verbindungen dar?
Parallel	Wie heißt die Anordnung mehrerer Zweige zwischen gleichen Knoten?
Fehlersuche	Wie heißt das systematische Eingrenzen einer Störungsursache?

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Lückentext: Vom Plan zur Diagnose

Die elektrische Spannung wird in

angegeben.

Die elektrische Stromstärke wird in

angegeben.

Ein ohmscher Widerstand wird in

gemessen.

Das Verhältnis U geteilt durch I ergibt im ohmschen Modell den

.

In einer Reihenschaltung ist die Stromstärke durch alle Widerstände

.

In einer Parallelschaltung liegt an allen Zweigen dieselbe

.

Vor der Bewertung fiktiver Messwerte berechnest du einen

.

Eine durch Daten gestützte vorläufige Fehlererklärung heißt

.

Zum fachlichen Arbeitsprodukt gehört eine nachvollziehbare

.

Eine Simulation ersetzt niemals die reale

.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben schriftlich, mit Tabellen, selbst gezeichneten Skizzen oder in einer Offline-Simulation. Alle Zahlen sind synthetisch; reale elektrische Prüfungen und Maschinenarbeiten sind ausgeschlossen. Pro Stufe entstehen genau vier selbstständige Arbeitsprodukte.

Leicht

Schaltzeichen-Kartei: Erstelle eine Bild-Text-Tabelle für Spannungsquelle, Schalter, Widerstand, Messgerät und Verbindungspunkt. Kennzeichne jeweils Symbol, Funktion und eine typische Verwechslung.
Einheitenkarte: Erkläre U, I, R und P mit Zeichen und Einheit; rechne 250 mA in A und 2,2 kΩ in Ω um. Gib die Rechenwege an.
Berechnung: Bei 12 V und 400 Ω berechnest du den Strom in A und mA und überprüfst das Ergebnis mit einer Rückrechnung.
Datentabelle: Zeichne für drei fiktive Spannungswerte 11,9 V, 12,0 V und 12,1 V eine Messwerttabelle mit Messpunkt, Einheit, Sollwert und Bewertung.

Standard

Zwei Widerstände: Werte eine Reihenschaltung mit 12 V, 100 Ω und 200 Ω aus; liefere einen beschrifteten Schaltplan, I, U1 und U2 sowie eine Maschenprobe.
Drei Datenfelder: Werte zwei parallele Widerstände 300 Ω und 600 Ω an 12 V aus; gib I1, I2, Iges und Ersatzwiderstand mit Gegenprobe an.
Belastungscheck: Berechne für einen fiktiven Widerstand 470 Ω an 9,4 V Strom und Verlustleistung. Begründe, weshalb eine Nennbelastbarkeit von 0,125 W nicht ausreicht.
Übergabevermerk: Verfasse aus den synthetischen Werten Soll 12,0 V und Ist 11,7 V einen fachsprachlichen Prüfvermerk mit prozentualer Abweichung, Unsicherheit und klarer Nichtfreigabe.

Schwer

Belasteter Spannungsteiler: Berechne für U = 12 V, R1 = 1 kΩ und R2 = 2 kΩ zunächst den unbelasteten Abgriff und dann den Abgriff bei 2 kΩ Last parallel zu R2. Erkläre die Differenz.
Störfall R3: Erstelle zur Modellbaugruppe mit R1 = 100 Ω und R2 = R3 = 200 Ω ein Diagnoseblatt für den fiktiven Fall Iges = 80 mA und UM = 16 V. Zeige Sollwerte, Fehlerhypothese und eine plausible Alternative.
Toleranz- und Belastungsentscheidung: Für 1 kΩ ±5 % an 10 V bestimme Imin und Imax sowie eine konservative maximale ohmsche Verlustleistung und formuliere Sicherheitsgrenzen einer rechnerischen Bewertung.
Team-Fachgespräch: Entwerft ein kurzes Rollenspiel „Auftraggeber – Diagnose – Qualitätsprüfung“ zur simulierten Sortierstation. Gebt ein Blockdiagramm, einen Prüfbericht, offene Fragen und eine begründete Nichtfreigabe ab.

Lösungshinweise und fachliche Kriterien zu den offenen Aufgaben

Leicht 1: Ein vollständiges Musterprodukt nennt mindestens fünf korrekte Zeichen/Funktionen; Verbindungspunkt ist nicht dasselbe wie jede Linienkreuzung. Leicht 2: 250 mA = 0,250 A und 2,2 kΩ = 2200 Ω; Größenzeichen und Einheiten unterscheiden. Leicht 3: I = 12/400 A = 0,030 A = 30 mA; Gegenrechnung 0,030 · 400 = 12 V. Leicht 4: Tabellenkopf enthält Messpunkt, Soll, Ist, Einheit und Abweichung; alle Werte liegen bei einer nur didaktisch gesetzten ±2-%-Toleranz im Bereich von 11,76 bis 12,24 V.

Standard 5: Rges = 300 Ω; I = 40 mA; U1 = 4 V; U2 = 8 V; Summe 12 V. Standard 6: I1 = 40 mA, I2 = 20 mA, Iges = 60 mA und Rers = 200 Ω. Standard 7: I = 9,4/470 A = 0,020 A; P = 9,4 · 0,020 = 0,188 W, größer als 0,125 W; tatsächliche Bauteilauswahl braucht fachkundige Prüfung und Sicherheitsreserve. Standard 8: d = (11,7 − 12,0)/12,0 · 100 % = −2,5 %; protokolliere hypothetische Ursachen und „keine Anlagenfreigabe“.

Schwer 9: Unbelastet U2 = 8 V; mit 2 kΩ parallel zu 2 kΩ wird der untere Zweig 1 kΩ, folglich U2 = 6 V. Schwer 10: R3 offen ist eine mögliche Erklärung: Rges = 300 Ω, I = 80 mA, UM = 16 V; alternative Ursachen und nötige virtuelle Zusatzdaten nennen. Schwer 11: Imin = 10/1050 A ≈ 9,52 mA, Imax = 10/950 A ≈ 10,53 mA; Pmax = 10²/950 W ≈ 0,1053 W; das ist nur für konstante ideale 10 V und ohmsches Modell gültig. Schwer 12: Das Musterprotokoll nennt funktionale Ebenen, Verantwortlichkeiten, begründete Soll-Ist-Abweichung, Alternativhypothese, belastungsbezogene Risiken und ausdrückliche Grenze der Simulation.

Lernkontrolle

Bearbeite mindestens fünf zusätzliche Transferaufgaben unabhängig von den offenen Aufgaben. Kontrolliere am Ende Einheiten, Rückrechnungen, Modellannahmen und Nichtfreigabe.

Einheitensprung: Ein fiktiver Sensorzweig benötigt bei 24 V rechnerisch 15 mA. Berechne R und P; kontrolliere mit U = R · I und begründe, warum ein unbekannter realer Sensor damit nicht automatisch ersetzt werden darf.
Reihe oder parallel: Begründe anhand von Knoten und Strompfaden, warum zwei gleiche Widerstände in Reihe den doppelten, parallel den halben Einzelwiderstand ergeben.
Unsicherheitsvergleich: Zwei fiktive Simulationen liefern 9,7 V und 10,3 V bei Soll 10,0 V. Berechne beide Abweichungen und erkläre, warum ein gleicher Betrag nicht notwendigerweise dieselbe Fehlerursache bedeutet.
Diagnosealternativen: Nenne mindestens drei vom Schaltbild unabhängige Informationsquellen, die du vor einer endgültigen Fehlerbehauptung prüfen würdest, und entwirf einen ungefährlichen virtuellen Folgetest.
Fehlerfall und Verlustleistung: Berechne für den Fall „R3 offen“ die Änderung der Leistung an R2 gegenüber dem Normalmodell und leite daraus eine Anforderung an die dokumentierte Belastungsprüfung ab.
Englisches Datenblatt: Übersetze „rated voltage“, „maximum current“ und „tolerance“, unterscheide Bemessungswert und Messwert und formuliere einen dreisätzigen Übergabevermerk.

Erwartungshorizont der Lernkontrolle: 1: R = 24/0,015 = 1600 Ω, P = 0,36 W; reales Datenblatt nötig. 2: Reihenpfad gleiches I, Parallelläufe gleiche U; Rreihe = 2R und Rparallel = R/2. 3: −3 % und +3 %; Vorzeichen und Ursache trennen. 4: Schaltplanrevision, Datenblatt, Messpunktdefinition oder Softwarestand; nur Simulationsvergleich vorschlagen. 5: P2 steigt von 0,72 W auf 1,28 W, das sind 0,56 W mehr; Belastbarkeit mit Reserve prüfen. 6: Bemessungsspannung, maximaler Strom und Toleranz; keine Freigabe aus Begriffen allein.

Lernnachweis

Wissen: Du erläuterst vier Systemebenen, Funktionskette, U, I, R und P, Reihenschaltung, Parallelschaltung, Ohmsches Gesetz, Messprinzipien und Grenzen des Modells mit korrekten Begriffen.

Können: Du liest einen vereinfachten Plan, identifizierst Knoten, führst mindestens eine Reihen-, Parallel- und Leistungsrechnung durch, überprüfst Größenordnungen und wertest vorgegebene Daten ohne reale Messung aus.

Produkte: Abzugeben sind ein selbst gezeichneter Funktionsplan, ein nachvollziehbares Rechenblatt, eine Soll-Ist-Tabelle, eine Diagnose mit mindestens einer konkurrierenden Hypothese und ein fachsprachliches Prüfprotokoll. Als Muster dienen die beiden Modellarbeitsprodukte und das 20-Punkte-Raster dieses Kurses.

Transfer: Du erkennst, warum ein belasteter Spannungsteiler anders reagiert als ein unbelasteter und warum ein Störungsfall Bauteilleistungen verändern kann. Du nennst ausdrücklich die Grenzen einer rechnerischen Aussage: kein Ersatz für Fachaufsicht, Schutzprüfung oder Betriebsfreigabe.

Selbst- und Partnerkontrolle: Einheiten vorhanden? Soll und Ist getrennt? Rechenweg rückgerechnet? Fehlerursache als Hypothese gekennzeichnet? Quellen und Bildrechte genannt? Nächster Lernschritt bei Lücken: passende Aufgabe auf „Leicht“, „Standard“ oder „Schwer“ erneut bearbeiten.

OER und Wikipedia

Fachliche Quellen und überprüfbare Rechtsgrundlagen (Abruf Oktober 2026):

KMK: Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Automatisierungstechnik, Lernfeld 1, S. 10 – amtliche Orientierung, kein pauschal frei lizenziertes OER.
BIBB: Berufsprofil und Ausbildungsdauer, industrieller Beruf – Berufsprofil, Lizenz beim Anbieter.
IndElAusbV: geltender konsolidierter Verordnungstext – rechtlicher Kontext für den industriellen Beruf und zweiteilige Abschlussprüfung.
Wikipedia: Ohmsches Gesetz – vertiefender frei zugänglicher Sachtext; dort angegebene Lizenzen und Versionsgeschichte beachten.
PhET: Ohmsches Gesetz – externe interaktive Simulation; Lizenzbedingungen auf der Projektseite vor Nachnutzung kontrollieren.

Geprüfte Bilddateien und Rechte (jeweilige Wikimedia-Commons-Dateiseite):

Datei	Quelle	Urheber bzw. Herkunft	Auf der Quelle angegebener Status
File:Electrical Symbols IEC.svg	Commons-Dateiseite	Emareg	CC0 1.0
File:SimpleCircuit.SVG	Commons-Dateiseite	Christopher Pritchard (laut Upload-Historie)	Public Domain, Freigabe durch Urheber
File:Ohm's Law with Voltage source.svg	Commons-Dateiseite	Urheberangabe siehe Commons-Dateiseite	Public Domain, Freigabe durch Urheber
File:Resistor Color Code.svg	Commons-Dateiseite	Knarfili	CC0 1.0
File:Series and parallel circuits.svg	Commons-Dateiseite	Xyzzy n (Original), spätere Bearbeitung Carnby	CC BY-SA 3.0; Namensnennung, Lizenzlink und Share-Alike beachten
File:Voltage divider.svg	Commons-Dateiseite	laut Commons-Dateihistorie	Public Domain, Freigabe durch Urheber
File:Voltmeter and ammeter.svg	Commons-Dateiseite	rones / Openclipart	CC0 1.0 bzw. Public Domain

Geprüfte Videoeinträge (YouTube-Einbettung, keine OER-Lizenz behauptet):

Verwendeter Videolink	Inhalt / Urheber	Rechtehinweis
Video bei YouTube	„Widerstand und Ohmsches Gesetz“ – Conrad Academy / Conrad Electronic	Externes Video; Rechte beim Anbieter, Einbettung nach Plattformbedingungen
Video bei YouTube	„Experimente aus der Physik: Widerstände in Reihen und Parallelschaltung“ – Universität Tübingen	Externes Video; Rechte beim Anbieter, Einbettung nach Plattformbedingungen
Video bei YouTube	„Messen von Strom, Spannung und Widerstand mit Hilfe digitaler Multimeter“ – HomoFaciens	Externes Video; Rechte beim Anbieter, Einbettung nach Plattformbedingungen

Eigene Inhalte: Die Modellwerte, Aufgabenstellungen, Tabellen, Auswertungen und vereinfachten Blockschemata wurden für diesen Kurs neu erstellt und sind ausdrücklich keine realen Maschinenunterlagen. Für nachgenutzte Bilder gelten die oben angegebenen Einzelrechte; für Videoinhalte werden keine freien Nutzungsrechte unterstellt.