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Fachübungen 3 – Steuerungen und Regelungen analysieren und realisieren - Elektroniker

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Einleitung

In Lernfeld 3 des 1. Ausbildungsjahres lernst du, eine technische Aufgabenstellung zu analysieren, Signale zuzuordnen, eine einfache Steuerung oder Regelung zu planen, ihr Verhalten zu simulieren und Fehler systematisch auszuwerten. Der KMK-Rahmenlehrplan für Elektronikerinnen und Elektroniker nennt hierfür einen Zeitrichtwert von 80 Unterrichtsstunden. Du arbeitest hier mit synthetischen Messwerten, Funktionsplänen und virtuellen Modellen – nicht mit einer realen Maschinenfreigabe.

Berufliche Einordnung: Der Ausbildungsberuf Elektroniker/Elektronikerin im Handwerk wird durch die Elektronikerausbildungsverordnung vom 30. März 2021 geregelt; sie gilt seit 1. August 2021. Die Ausbildung dauert grundsätzlich 42 Monate und umfasst die Fachrichtungen Energie- und Gebäudetechnik sowie Automatisierungs- und Systemtechnik. Im ersten Ausbildungsjahr ist dieses Lernfeld fachrichtungsübergreifend. Die Gesellenprüfung besteht nach der geltenden Verordnung aus Teil 1 und Teil 2. Dieser Kurs enthält ausschließlich selbst entwickelte Übungsaufgaben, keine Originalprüfungsaufgaben und keine ungeprüften Prüfungszeiten oder Gewichtungen.

Lernziele: Du kannst einen Kundenauftrag in ein Blockschaltbild überführen, Sensoren und Aktoren unterscheiden, die drei logischen Grundfunktionen anwenden, eine Steuerung mit einer Regelung vergleichen, eine einfache Speicherfunktion erklären, Betriebswerte berechnen und eine nachvollziehbare Fehlerdiagnose dokumentieren. Alle Übungen sind gedanklich, auf Papier oder in einer Lernsimulation durchzuführen. Tätigkeiten an realen elektrischen Anlagen, Maschinen und Schutzeinrichtungen erfolgen ausschließlich unter qualifizierter Anleitung und unter Beachtung der jeweils geltenden Sicherheitsregeln.

Technische Systeme und Signale analysieren

Kundenauftrag und Systemgrenze

Ein Kundenauftrag beschreibt die gewünschte Funktion, die Betriebsbedingungen und die überprüfbaren Abnahmekriterien. Beispiel: „In einem virtuellen Lüftungsmodell soll eine Anzeige eingeschaltet werden, sobald die gemessene Temperatur einen Grenzwert erreicht und die Betriebsfreigabe vorliegt.“ Noch bevor du Bauteile auswählst, legst du die Systemgrenze fest: Welche Eingaben stehen bereit? Welche Verarbeitung ist erforderlich? Was erscheint am Ausgang? Welche Störungen sind denkbar? Trenne dabei Funktion von Sicherheitsanforderung. Eine im Unterricht gezeichnete Störungsmeldung ist keine sicherheitsgerichtete Abschaltung.

EVA-Prinzip, Blockschaltbild und Wirkungskette

Das EVA-Prinzip beschreibt den Signalfluss: Eingabe (E) → Verarbeitung (V) → Ausgabe (A). Ein Blockschaltbild zeigt Funktionsblöcke und ihre Schnittstellen, jedoch nicht jedes Kabel. Für eine beispielhafte Lüftungsanzeige lautet die Wirkungskette: Temperatursignal und Freigabesignal → logische Verarbeitung → Anzeige oder symbolischer Aktor. Eine Regelung ergänzt dagegen einen Rückweg des gemessenen Istwerts.

Bildhinweis: Die Abbildung visualisiert das allgemeine EVA-Prinzip. Übertrage die drei Blöcke auf die Steuerungsaufgabe und benenne in jedem Block mindestens ein konkretes Signal.

Baustein	Beispiel im Lernmodell	Leitfrage
Eingabe	Temperaturmesswert und Freigabetaster	Woher kommt die Information?
Verarbeitung	Vergleich mit Grenzwert und UND-Verknüpfung	Nach welcher Regel wird entschieden?
Ausgabe	Symbol einer Lüfterfreigabe auf dem Bildschirm	Welchen Zustand zeigt die Simulation?
Schnittstelle	Digitales Signal oder skalierter Analogwert	Welche Bedeutung haben Pegel und Einheit?

Sensoren, Aktoren und Schnittstellen

Ein Sensor erfasst einen Zustand, etwa Temperatur, Abstand oder eine Endlage. Ein Aktor setzt einen Steuerbefehl in eine Wirkung um, etwa mit einem Ventil oder einer Leuchte; im Kurs wird die Wirkung ausschließlich simuliert. Ein induktiver Näherungssensor kann geeignete metallische Objekte ohne mechanischen Kontakt detektieren. Ein binäres Signal hat zwei logische Zustände (0/1); ein analoges Signal kann innerhalb eines Messbereichs viele Werte annehmen. Achte auf die Unterscheidung von Signalwert und physikalischer Größe.

Typische Fehler: Einen Sensor als Aktor einzeichnen, Signalrichtungen verwechseln, die Einheit eines Messwerts fortlassen oder aus der bloßen Zustandsrückmeldung einer Steuerung fälschlich auf einen geschlossenen Regelkreis schließen. Auch eine Steuerung kann Rückmeldesignale enthalten; entscheidend für die Regelung ist der fortlaufende Soll-Ist-Vergleich einer Regelgröße.

Steuerung und Regelung unterscheiden

Steuerkette versus geschlossener Regelkreis

Bei einer Steuerung wird der Prozess durch Eingaben und vorgegebene Regeln beeinflusst. Eine Regelung misst ihre Regelgröße, vergleicht sie mit einem Sollwert und wirkt der Abweichung über den Regler entgegen. Ein einfaches zeitgesteuertes Lüftungssignal ist eine Steuerung. Eine temperaturabhängige Regelung vergleicht wiederholt gemessene Temperatur und Solltemperatur.

Merkmal	Steuerung	Regelung
Grundstruktur	Gerichtete Wirkungskette	Geschlossener Wirkungsablauf mit Rückführung
Typische Grundlage	Befehle und logische Bedingungen	Sollwert, Istwert und Regelabweichung
Reaktion auf Störung der Regelgröße	Nur bei eigens vorgesehener Erkennung bzw. Logik	Korrektur durch den Soll-Ist-Vergleich innerhalb ihrer Möglichkeiten
Beispiel	Symbolische Lampe nach Zeitplan	Temperaturregelung einer simulierten Kühlkammer

Videoimpuls: „Der REGELKREIS | EINFACH erklärt“ von DerElektroniker (2024). Halte beim Ansehen die Begriffe Sollwert, Istwert, Stellgröße, Regelstrecke und Störgröße in einer eigenen Tabelle fest. Das Video ist ein externes, urheberrechtlich geschütztes Lernangebot, nicht automatisch OER.

Fachgrößen und Rechnen mit der Regelabweichung

Die Führungsgröße w bezeichnet den Sollwert, die Regelgröße x den Istwert, die Regelabweichung e ergibt sich aus e = w − x. Beispiel: Ein virtueller Temperatursollwert ist 23 °C, der angezeigte Istwert ist 20 °C. Dann beträgt e = 23 °C − 20 °C = +3 K (Temperaturdifferenzen können in Kelvin angegeben werden). Bei 25 °C Istwert gilt e = −2 K. Die Regeldifferenz allein sagt noch nicht, welches konkrete Ausgangssignal ein Regler erzeugt; dafür braucht man die Regelstrategie.

Zur Begriffsklärung: Stellgröße ist der vom Regler an die Strecke gegebene Einfluss, Störgröße etwa eine zusätzliche Wärmequelle. Eine Regelstrecke ist das beeinflusste technische System. Prüfe stets, wo eine Störung in ein Blockschaltbild eingreift.

Zweipunktregelung und Hysterese

Ein Zweipunktregler kennt in diesem vereinfachten Beispiel zwei Ausgangszustände: EIN und AUS. Für eine simulierte Lüftung gilt: Bei Temperaturen ab 24 °C wird der interne Kühlbedarf H gesetzt, bei Temperaturen bis 22 °C zurückgesetzt. Dazwischen bleibt der vorherige Zustand gespeichert. Die Hysterese beträgt 24 °C − 22 °C = 2 K. Sie verhindert unnötiges Umschalten bei kleinen Schwankungen um einen einzelnen Grenzwert.

Messwert	Alter Zustand H	Neuer Zustand H	Begründung
21 °C	1	0	Untere Schaltschwelle erreicht bzw. unterschritten
23 °C	0	0	Zwischen den Schwellen: Zustand halten
24,5 °C	0	1	Obere Schaltschwelle erreicht bzw. überschritten
23 °C	1	1	Zwischen den Schwellen: Zustand halten

Achtung: Eine Hysterese ist keine eigenständige Schutzfunktion. Die richtige Schwellenrichtung ist für den jeweiligen Prozess zu prüfen; ein vertauschtes Setzen und Rücksetzen führt zu falschem Verhalten.

Binäre Signale und logische Grundverknüpfungen

UND, ODER und NICHT

In der Digitaltechnik beschreibst du die Verknüpfung binärer Eingaben durch eine Wahrheitstabelle. UND liefert nur dann 1, wenn beide Eingaben 1 sind; ODER liefert 1, wenn mindestens eine Eingabe 1 ist; NICHT kehrt einen logischen Zustand um. Zum Beispiel darf eine virtuelle Anzeige nur leuchten, wenn die Freigabe F vorliegt und ein Grenzwert G erreicht ist: Q = F UND G.

Symbole für UND-, ODER- und NICHT-Verknüpfungen

A	B	A UND B	A ODER B	NICHT A
0	0	0	0	1
0	1	0	1	1
1	0	0	1	0
1	1	1	1	0

Für die vier möglichen Eingabekombinationen zweier Binärsignale erstellst du vier Tabellenzeilen, da 2 hoch 2 = 4. Bei drei binären Eingängen sind es 2 hoch 3 = 8 Kombinationen. Gehe zeilenweise vor und behandle eine Negation ausdrücklich, statt sie gedanklich zu überspringen.

Funktionsgleichungen und Prüfstrategie

Für die fiktive Steuerfunktion Q = F UND NICHT N UND (H ODER M) gilt: F ist die Betriebsfreigabe; N kennzeichnet eine Störungsmeldung; H steht für den automatisch festgestellten Kühlbedarf; M für einen virtuellen Testwunsch. Prüfe zuerst die Klammer, dann NICHT N und anschließend die UND-Bedingungen. Beispiel: F=1, N=0, H=0, M=1 ergibt Q = 1 UND 1 UND 1 = 1. Mit N=1 wird Q unabhängig vom Testwunsch 0. Diese Übungslogik darf nicht als zertifizierte Sicherheitsfunktion verstanden werden.

Fehlerbild: Eine Wahrheitstabelle funktioniert bei H=1, aber nicht bei M=1. Denkbare Ursache ist eine versehentliche UND- statt ODER-Verknüpfung. Dokumentiere deshalb immer Eingaben, erwarteten Ausgang, beobachteten Ausgang und eine begründete Fehlerhypothese.

Steuerungen planen, simulieren und dokumentieren

VPS und SPS sachgerecht vergleichen

Eine verbindungsprogrammierte Steuerung (VPS) realisiert Funktionen durch elektrische Verbindungen und Bauelemente, etwa Relais. Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) verarbeitet Ein- und Ausgänge nach einem gespeicherten Programm. Für kleine, feststehende Funktionen kann die VPS überschaubar sein; für Änderungen, Diagnosefunktionen und komplexere Abläufe kann eine SPS vorteilhaft sein. Die Entscheidung hängt von Kosten, Wartbarkeit, Fehlersuche, Energieeinsatz, geforderter Zuverlässigkeit und Schutzkonzept ab. „SPS ist immer besser“ wäre eine unbegründete Pauschalaussage.

Beispiel einer UND-Verknüpfung im Kontaktplan

Beispiel einer ODER-Verknüpfung im Kontaktplan

Bildvergleich: Vergleiche Reihen- und Parallelanordnung logischer Kontakte in den gezeigten Lernbeispielen. Ein Kontaktplan (KOP) ist eine grafische Programmdarstellung; ein Funktionsplan (FUP) verwendet Funktionsblöcke. Für Anfänger ist eine Simulation der logischen Ergebnisse sinnvoller als das eigenständige Verdrahten echter Steuerstromkreise.

Speicherfunktion, Testfälle und Messwertskalierung

Eine Speicherfunktion hält einen Zustand über die Dauer eines einzelnen Eingangssignals hinaus, bis eine definierte Rücksetzbedingung eintritt. Für die Hysterese aus Kapitel 2 genügt als abstrakte Logik: „Wenn T mindestens 24 °C, setze H=1; sonst wenn T höchstens 22 °C, setze H=0; sonst behalte H bei.“ In einer realen SPS hängen Details vom System, Programmlauf und dem definierten Anfangszustand ab. Für die Unterrichtssimulation legst du H anfangs auf 0.

Analogwert-Rechnung: In diesem eigens angenommenen, linearen Modell entsprechen 0 bis 10 V genau 0 bis 50 °C. Der Rechenweg lautet T = (U / 10 V) · 50 °C. Für U=4,6 V ergibt sich T=(4,6/10)·50 °C = 23 °C. Umgekehrt ergibt T=24,5 °C eine Spannung U=(24,5/50)·10 V = 4,9 V. Diese Skalierung ist ausschließlich eine Modellannahme, kein allgemeines Sensorkennzeichen.

U im Modell	Berechnete Temperatur	Erwartete Auswertung bei H zuvor 0
4,2 V	21 °C	H=0
4,6 V	23 °C	H=0
4,9 V	24,5 °C	H=1

Typische Fehler: Temperatur direkt mit Spannung vergleichen, Volt mit Grad Celsius verwechseln, eine falsche Anfangsbedingung wählen oder eine Simulation mit einer wirksamen Sicherheitsprüfung verwechseln.

Strukturierte technische Dokumentation

Eine gute Dokumentation enthält Auftragsziel, Systemgrenze, Ein-/Ausgangsliste, Funktionsbeschreibung, Wahrheitstabelle beziehungsweise Zustandsregel, Schaubild, Skalierungsformel, Testprotokoll, Abweichungsanalyse und Quellen. Nenne bei Messwerten Messgröße, Einheit und Randbedingungen. Zur Fehlersuche prüfst du in einer Simulation nacheinander Eingangssignal, Verarbeitung, Speicherzustand und Ausgang. Änderungen werden mit Ursache und erneuter Prüfung dokumentiert; reale Schutzeinrichtungen werden niemals zu Testzwecken überbrückt.

Ergänzungsvideo: „SPS#1 – Schrittkette / Ablaufsteuerung / Grafcet – Einführung“ von Prüfungsvorbereitung.Elektroniker (2017). Nutze es als Ausblick auf Ablaufbeschreibungen; komplexe Schrittketten gehen über die Grundanforderung dieses ersten Lernfeldes hinaus. Es handelt sich um einen externen YouTube-Beitrag, nicht um frei lizenziertes Kursmaterial.

Vollständiger Modellfall: virtuelle Lüftungssteuerung mit Temperaturregelung

Auftrag, Annahmen und Sicherheitsgrenze

Synthetischer Kundenauftrag: Eine fiktive Werkstatt wünscht einen reinen Bildschirm-Digitalzwilling für die Anzeige einer Lüftungsanforderung. Die virtuelle Anzeige Q soll nur aktiv sein, wenn die Betriebsfreigabe F=1, keine Störungsmeldung N=1 vorliegt und entweder Kühlbedarf H oder manueller Testwunsch M aktiv ist. Der Kühlbedarf wird anhand einer simulierten Temperatur T mit den Schwellen 24 °C zum Setzen und 22 °C zum Rücksetzen ermittelt. Das Modell besitzt keine Verbindung zu einem Motor, einer realen Anlage oder einem Sicherheitskreis. Sicherheitsbetrachtungen werden dokumentiert, nicht praktisch freigegeben.

Vorgehensplan: (1) Auftrag in Signale und Bedingungen zerlegen. (2) EVA- und Regelkreis-Bezüge markieren. (3) Funktionsgleichung sowie Zustandsregel notieren. (4) Synthetische Werte auswerten. (5) Soll- und Istverhalten vergleichen. (6) Ergebnis mit einer Empfehlung dokumentieren.

Musterarbeitsprodukt A: Signalliste und Funktionsbeschreibung

Kürzel	Signal im Modell	Typ	Bedeutung
T	Temperatur in °C	analog, aus U berechnet	Rückgeführter Istwert
F	Betriebsfreigabe	binär	Autorisierung der Modellanzeige
N	Störungsmeldung	binär	Verhindert die Modellanzeige
M	Manueller Testwunsch	binär	Nur zusätzliche Anforderung, kein Sicherheitsbypass
H	Gespeicherter Kühlbedarf	binär intern	Hysteresezustand
Q	Lüftungsanzeige	binär virtuell	Simuliertes Ergebnis

Muster-Funktionsgleichung: Q = F UND NICHT N UND (H ODER M). Muster-Zustandsregel: Ab 24 °C wird H=1; bis 22 °C wird H=0; sonst bleibt H unverändert. Der Startzustand ist H=0. Das ist ein didaktisches Modell, kein freigabefähiges SPS-Programm.

Musterarbeitsprodukt B: Rechenweg, Messwerttabelle und Ergebnis

Alle Daten sind frei erfunden und ausschließlich zur Übung bestimmt. In jeder Zeile ist F=1, N=0 und M=0. Aus T wird die Spannung U = T/5 in Volt berechnet. Der interne Zustand H folgt der Hysterese; daher ist in diesem Sonderfall Q=H.

Zeitpunkt	T in °C	U in V	H nach Auswertung	Q	Begründung
t0	21,0	4,2	0	0	Ausgang unter unterer Schwelle
t1	23,0	4,6	0	0	Zwischenbereich, vorher AUS
t2	24,5	4,9	1	1	Obere Schwelle überschritten
t3	23,0	4,6	1	1	Zwischenbereich, vorher EIN
t4	22,0	4,4	0	0	Untere Schwelle erreicht
t5	23,0	4,6	0	0	Zwischenbereich, vorher AUS

Nachvollziehbares Ergebnis: Obwohl bei t1 und t3 dieselbe Temperatur von 23 °C vorliegt, unterscheiden sich die Zustände: t1 ist AUS, t3 ist EIN. Das ist kein Fehler, sondern die Wirkung der gespeicherten Hysterese. Wird zu t3 die Störungsmeldung N=1 gesetzt, muss Q nach der Modell-Funktionsgleichung auf 0 wechseln, auch wenn H=1 bleibt. Wird N anschließend wieder 0, würde Q ohne weitere zusätzliche Bedingungen wieder 1 werden. In einer tatsächlichen Anlage wären Wiederanlaufverhalten und Schutzkonzept separat sicherheitstechnisch festzulegen.

Musterarbeitsprodukt C: Diagnose und Bewertungsraster

Simulierter Diagnosefall: Das Temperaturmodell erreicht 24,5 °C, aber die Anzeige bleibt AUS. Prüfe in dieser Reihenfolge: Ist F=1? Ist N=0? Wird T korrekt aus U skaliert (4,9 V → 24,5 °C)? Wird H an der oberen Schwelle gesetzt? Wird Q nach der Formel berechnet? Beispielbefund: Die Software rechnet irrtümlich „T = U · 2“ statt „T = U · 5“. Sie zeigt bei 4,9 V nur 9,8 °C an; H bleibt daher 0. Korrektur im rein virtuellen Modell: Skalierungsfaktor berichtigen, alle sechs Testwerte erneut simulieren, Ergebnisse protokollieren. Kein Überbrücken, Manipulieren oder Einschalten realer Betriebsmittel.

Fachliches Bewertungskriterium	Maximalpunkte	Nachweis eines guten Ergebnisses
Auftrags- und Sicherheitsanalyse	20	Systemgrenze, Signale, Simulation und Abgrenzung realer Sicherheit vollständig
Wahrheitstabelle und Logik	15	Q-Funktion korrekt und Gegenbeispiele geprüft
Blockbild und eindeutige Kennzeichnung	15	Eingabe, Verarbeitung, Rückführung und Ausgabe sinnvoll markiert
Hysterese und Speicherfunktion	20	Beide Schwellen, Startzustand und Verhalten im Zwischenbereich stimmen
Rechenweg und Datenauswertung	15	Einheit, lineare Skalierung und sechs Zeilen korrekt
Fehlersuche und Dokumentation	15	Prüfkette, Ursache, Korrektur und erneuter Test sind nachvollziehbar
Gesamt	100	Eigener Musterfall, keine amtliche Prüfungsbewertung

Fachliche Mindestqualität: Keine falsche Aussage über reale Sicherheitsfreigabe; korrekte Logik- und Zustandsregeln; ein reproduzierbarer Testablauf. Verbesserungen: Test der Randwerte exakt 22 und 24 °C, Test von N=1, Prüfung des Anfangszustands, verständliche Übergabedokumentation.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste dein Fachwissen

Was unterscheidet eine Regelung im Kern von einer Steuerung? (Der gemessene Istwert der Regelgröße wird mit dem Sollwert verglichen) (!Eine Regelung besitzt niemals Sensoren) (!Eine Steuerung kann keine elektronischen Bauteile enthalten) (!Eine Regelung benötigt immer einen Elektromotor)

Rückmeldung: Der geschlossene Soll-Ist-Vergleich ist entscheidend; einzelne Rückmeldesignale können auch in Steuerungen vorkommen.

Welches Bauteil erfasst im Modell eine Temperatur? (Sensor) (!Aktor) (!Leistungsschütz) (!Ausgangsleuchte)

Rückmeldung: Sensoren liefern Messinformationen; Aktoren setzen Ausgangsbefehle in Wirkungen um.

Wann ist die UND-Verknüpfung zweier Binärsignale gleich eins? (Wenn beide Eingaben eins sind) (!Wenn mindestens eine Eingabe null ist) (!Wenn beide Eingaben null sind) (!Immer wenn die Eingaben verschieden sind)

Rückmeldung: Prüfe die Wahrheitstabelle: Nur die Kombination eins und eins ergibt bei UND den Ausgang eins.

Welcher Wert ergibt sich für A ODER B bei A gleich null und B gleich eins? (Eins) (!Null) (!Zwei) (!Nicht definiert)

Rückmeldung: Mindestens ein aktiver Eingang genügt bei ODER; die Ausgabe bleibt binär.

Wie groß ist die Hysterese zwischen den Schaltschwellen 24 Grad und 22 Grad Celsius? (Zwei Kelvin) (!Zweiundzwanzig Kelvin) (!Vierundzwanzig Kelvin) (!Sechsundvierzig Kelvin)

Rückmeldung: Subtrahiere die beiden Temperaturgrenzen: 24 minus 22 ergibt eine Differenz von 2 K.

Welcher Speicherzustand gilt bei 23 Grad Celsius, wenn H vorher eins war? (H bleibt eins) (!H wird immer null) (!H wechselt bei jeder Messung) (!H nimmt den Wert dreiundzwanzig an)

Rückmeldung: Im Hysteresebereich zwischen den Grenzen wird der vorherige Zustand beibehalten.

Welcher Modelltemperatur entsprechen 4,6 Volt bei linearer Zuordnung von 0 bis 10 Volt zu 0 bis 50 Grad Celsius? (Dreiundzwanzig Grad Celsius) (!Vier Komma sechs Grad Celsius) (!Sechsundvierzig Grad Celsius) (!Fünfzig Grad Celsius)

Rückmeldung: Rechne 4,6 durch 10 mal 50; das ergibt 23 Grad Celsius.

Welche Aussage zur SPS ist fachlich richtig? (Eine SPS verarbeitet Signale anhand eines gespeicherten Programms) (!Eine SPS kann keine Eingänge einlesen) (!Eine SPS besteht ausschließlich aus mechanischen Kontakten) (!Eine SPS ist ohne Prüfung für jede Anlage sicher)

Rückmeldung: Programmänderbarkeit ist typisch für die SPS; Schutzkonzept und Prüfung bleiben nötig.

Was bewirkt im Modell Q gleich F UND NICHT N UND Klammer H ODER M bei N gleich eins? (Q ist null) (!Q ist immer eins) (!Q entspricht immer M) (!Q lässt sich ohne Temperaturwert nicht bestimmen)

Rückmeldung: Die Negation der gesetzten Störungsmeldung ergibt null; die abschließende UND-Verknüpfung ist damit null.

Was ist bei einem widersprüchlichen Simulationstest zuerst sinnvoll? (Eingangswerte und erwartetes Ergebnis dokumentieren und systematisch vergleichen) (!Eine reale Schutzeinrichtung überbrücken) (!Sofort sämtliche Komponenten austauschen) (!Den abweichenden Messwert ohne Begründung löschen)

Rückmeldung: Eine strukturierte Prüfkette trennt Eingabe-, Logik-, Speicher- und Ausgabefehler, ohne reale Gefährdungen zu erzeugen.

Memory: Begriffe und Funktionen

Finde die sechs sachlich passenden Begriffspaare. Die Begriffe sind jeweils nur einmal vorhanden.

Sensor	Erfasst einen physikalischen Zustand als Signal
Aktor	Setzt ein Ausgangssignal in eine technische Wirkung um
Sollwert	Vorgegebener Zielwert der Regelgröße
Istwert	Tatsächlich erfasster Wert der Regelgröße
Stellgröße	Vom Regler ausgehender Einfluss auf die Regelstrecke
Störgröße	Äußerer Einfluss auf das Verhalten der Regelstrecke

Drag-and-drop: Ordne die Funktionen zu

Ordne fünf Begriffe den passenden Funktionen zu.

Gesuchter Begriff	Passende Erklärung
UND-Verknüpfung	Beide Bedingungen müssen erfüllt sein
ODER-Verknüpfung	Mindestens eine Bedingung muss erfüllt sein
NICHT-Verknüpfung	Ein binärer Zustand wird umgekehrt
Hysterese	Unterschiedliche Ein- und Ausschaltschwellen mit Speicherwirkung
Wahrheitstabelle	Vollständige Zuordnung von Eingabekombinationen zu Ausgaben

Kreuzworträtsel

Trage jeweils ein einzelnes Fachwort ein.

Sensor	Welches Bauteil erfasst eine Messgröße?
Aktor	Welches Bauteil setzt einen Steuerbefehl in eine Wirkung um?
Sollwert	Wie heißt der vorgegebene Zielwert einer Regelgröße?
Regler	Welcher Teil eines Regelkreises bildet aus dem Soll-Ist-Vergleich eine Stellgröße?
Hysterese	Wie heißt der Abstand unterschiedlicher Ein- und Ausschaltschwellen?
Freigabe	Welcher Betriebszustand erlaubt im Modell die Aktivierung des Ausgangs?

LearningApps

Über diese thematische Suche kannst du ergänzende Zuordnungsaufgaben entdecken. Prüfe die Aufgabeninhalte kritisch; Suchtreffer sind keine von diesem Kurs geprüften Originalübungen.

Lückentext

Ergänze jeden Satz mit einem passenden Fachwort oder Zahlenwert.

Beim EVA-Prinzip steht der erste Buchstabe für

.

Ein Bauteil zum Erfassen einer physikalischen Größe heißt

.

Eine technische Wirkung wird durch einen

erzeugt.

Die Rückführung eines Messwertes kennzeichnet einen geschlossenen

.

Der vorgegebene Zielwert ist der

.

Der erfasste tatsächliche Wert ist der

.

Eine UND-Verknüpfung ist nur dann wahr, wenn beide Eingänge

sind.

Der Unterschied zwischen 24 Grad und 22 Grad Celsius beträgt

Kelvin.

Ein gespeicherter Schaltzustand im Zwischenbereich kennzeichnet eine

.

Die im Modell zu 4,6 Volt gehörende Temperatur beträgt

Grad Celsius.

Eine speicherprogrammierbare Steuerung wird kurz

genannt.

Für die Fehlersuche werden erwartete und beobachtete

verglichen.

Offene Aufgaben

Bearbeite genau die zugewiesenen Aufgaben deines Niveaus. Nutze ausschließlich Unterlagen, Papier, digitale Zeichnungen und virtuelle Simulationen. Zu jeder Aufgabe gehört ein konkretes Produkt und eine überprüfbare fachliche Begründung.

Leicht

EVA-Prinzip: Zeichne zu einer simulierten Lüftungsanzeige ein EVA-Blockbild mit je zwei Stichworten pro Block. Musterkriterium: richtige Signalrichtung und klare Trennung von Sensor und Aktor.
Sensor: Fertige eine Vergleichskarte zu Temperaturfühler und induktivem Näherungssensor an. Musterkriterium: Messgröße, Signaleigenschaft und typischer Einsatz sind korrekt unterschieden.
Logische Verknüpfung: Erstelle für A UND B die vierzeilige Wahrheitstabelle. Musterkriterium: Nur bei A=1 und B=1 ist der Ausgang 1.
Regelkreis: Beschrifte ein einfaches Regelkreisbild mit Sollwert, Istwert, Regler, Stellgröße und Strecke. Musterkriterium: Die Rückführung ist eindeutig erkennbar.

Standard

Digitaltechnik: Leite für Q=F UND NICHT N eine vollständige Wahrheitstabelle mit acht? Prüfe zuerst die Anzahl: Bei genau zwei unabhängigen Binäreingängen sind es vier Zeilen; erstelle diese vier Zeilen und eine kurze Fehleranalyse. Musterkriterium: N=1 sperrt den Ausgang.
Temperatursensor: Rechne bei der Modellskalierung 0 bis 10 V für 0 bis 50 °C die Werte 3,2 V, 4,4 V und 5,0 V um. Musterlösung: 16 °C, 22 °C und 25 °C samt Einheiten und Rechenweg.
Speicherprogrammierbare Steuerung: Skizziere die Funktion Q=F UND (H ODER M) als abstrakten Funktionsplan und prüfe vier selbst gewählte Kombinationen. Musterkriterium: Klammer zuerst, anschließende Freigabe richtig.
Fehleranalyse: Analysiere den synthetischen Befund „T wird bei 4,9 V als 9,8 °C angezeigt“. Erstelle ein Prüfprotokoll mit Sollwert, Istwert, Hypothese und Korrektur. Musterkriterium: Der falsche Skalierungsfaktor wird nachgewiesen.

Schwer

Steuerungstechnik: Vergleiche VPS und SPS für eine virtuelle Steuerung anhand von fünf Kriterien (Änderbarkeit, Diagnose, Kostenannahme, Energieeinsatz, Wartbarkeit). Musterkriterium: eine begründete Entscheidung ohne pauschale Überlegenheit.
Zweipunktregler: Entwickle für die simulierte Hysterese von 22 bis 24 °C ein Zustandsdiagramm und prüfe die Folge 21, 23, 24,5, 23, 22, 23 °C. Musterlösung: H=0,0,1,1,0,0 bei Start H=0.
Wahrheitstabelle: Entwickle die vollständige sechzehnzeilige Tabelle für Q=F UND NICHT N UND (H ODER M) und markiere zwei Grenzfälle. Musterkriterium: alle vier Eingänge, systematische Reihenfolge und korrekte Ausgangswerte.
Technische Dokumentation: Verfasse eine kurze digitale Projektmappe zum Modellfall mit Blockbild, Signalzuordnung, sechs Messpunkten, Diagnoseprotokoll, Risikoabgrenzung und Reflexion. Musterkriterium: reproduzierbare Ergebnisse und keine unbegründete Aussage über reale Betriebssicherheit.

Lernkontrolle

Steuerung und Regelung: Ein Zeitplan schaltet eine virtuelle Leuchte, ein Temperaturregler hält einen Sollwert. Begründe anhand des Informationsrückwegs, welcher Fall eine Steuerung und welcher eine Regelung ist.
Rechenweg: Der angenommene Sensor liefert 3,8 V auf einer Skala von 0 bis 10 V für 0 bis 50 °C. Rechne mit Formel und Einheit vor; Kontrollwert: 19 °C.
Wahrheitstabelle: Überprüfe Q=F UND NICHT N UND (H ODER M) für F=1, N=0, H=0, M=1 und für F=1, N=1, H=1, M=1. Erwartet: Q=1 beziehungsweise Q=0.
Hysterese: Erkläre, warum ein Regler bei 23 °C einmal EIN und einmal AUS sein kann, ohne dass die Funktion fehlerhaft ist. Nenne die notwendige Information aus dem vorherigen Zustand.
Fehlerdiagnose: Formuliere drei prüfbare Hypothesen für einen ausgebliebenen Ausgang trotz H=1 und leite die Reihenfolge einer ungefährlichen Simulation ab.
Transfer: Ein fiktiver Gebäuderaum wird tagsüber genutzt und nachts ungenutzt. Entwirf zwei Varianten zur energieorientierten Lüftungsanforderung und benenne die Bedingungen, unter denen eine Regelung gegenüber einer einfachen Steuerung sinnvoll ist.

Orientierung zur Selbstkorrektur: Eine fachlich ausreichende Antwort verwendet korrekte Begriffe, nachvollziehbare Zwischenschritte, Einheiten, begründete Erwartungen und mindestens einen Testfall, der die eigene Lösung widerlegen könnte. Falsche Einheiten, eine vertauschte Logik oder die Verwechslung von Simulation und realer Schutzprüfung sind fachliche Mängel.

Lernnachweis

Deine Lernmappe enthält (1) einen kommentierten Kundenauftrag mit Systemgrenze und Sicherheitsnotiz, (2) ein eigenes EVA-/Blockschaltbild, (3) eine Signalliste, (4) eine geprüfte Wahrheitstabelle, (5) einen vollständigen Rechenweg zur Analogwertskalierung, (6) ein Zustandsdiagramm für die Hysterese, (7) ein Messwert- und Fehlerprotokoll sowie (8) eine kurze Reflexion zur gewählten Realisierungsvariante. Nutze synthetische Daten, keine personenbezogenen Lernenden- oder Kundendaten.

Bewertungsregel: Die fachliche Plausibilität steht vor der grafischen Gestaltung. Stelle jeweils Soll, Ist, Abweichung, Begründung, Korrektur und erneuten Test nachvollziehbar dar. Ein überzeugender Transfer erklärt, welche Modellannahmen in einer echten Anlage erst durch befugte Fachpersonen, Schutzmaßnahmen und normgerechte Prüfungen zu bestätigen wären. Das Bewertungsraster des Modellfalls ist ausdrücklich unterrichtsintern und nicht mit einer offiziellen Gesellenprüfungsbewertung gleichzusetzen.

OER und Wikipedia

Verifizierte Fach- und Ausbildungsgrundlagen (Abruf und Abgleich für diesen Kurs: Oktober 2026):

KMK: Rahmenlehrplan Elektroniker/Elektronikerin, Lernfeld 3, Seite 13 – Lernziele, 1. Ausbildungsjahr, 80 Unterrichtsstunden.
BIBB: Berufsprofil Elektroniker/Elektronikerin – Ausbildungsstruktur und Fachrichtungen.
Elektronikerausbildungsverordnung – Ausbildungsdauer, Fachrichtungen und gestreckte Gesellenprüfung.
Steuerungstechnik und Regelungstechnik – vertiefende frei zugängliche Grundlagen, deren Detailniveau über das erste Ausbildungsjahr hinausgeht.
MOOCwiki: Technik – Steuern und Regeln – ergänzender vorhandener Themenkurs.

Medienquellen, Urheberschaft und Nutzungsrechte: Die folgenden Commons-Dateien sind anhand ihrer konkreten Dateiseiten ausgewählt worden. Die Lizenzangaben gelten jeweils für das angegebene Bild; bei einer Bearbeitung sind die Anforderungen der einzelnen Lizenz zu beachten.

Eingesetztes Medium	Nachweis/Quelle	Urheber	Rechte
File:EVA-Prinzip.svg	Commons-Dateiseite	Deadlyhappen	CC BY-SA 3.0
File:Inductive proximity sensor.jpg	Commons-Dateiseite	Ekbsensor	CC BY-SA 4.0
File:Control structure A.svg	Commons-Dateiseite	MatthiasDD	Gemeinfrei laut Dateiseite
File:LogicGates.svg	Commons-Dateiseite	Vaughan Pratt	CC BY 3.0
File:Ladder Logic AND gate PLC.jpg	Commons-Dateiseite	Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0
File:Ladder Logic OR gate PLC.jpg	Commons-Dateiseite	Mithilrkadam	CC BY-SA 4.0
https://www.youtube.com/watch?v=kBQlD-ocK2Y	Der REGELKREIS – EINFACH erklärt	DerElektroniker	YouTube-Einbettung; keine freie Nachnutzung behauptet
https://www.youtube.com/watch?v=CJQEOftD4aM	SPS#1 – Einführung	Prüfungsvorbereitung.Elektroniker	YouTube-Einbettung; keine freie Nachnutzung behauptet

Hinweis zur Offenheit: Die hier neu formulierten Musteraufgaben, synthetischen Messwerte und Texte sind als wiederverwendbare Unterrichtsmaterialien konzipiert; für die eingebundenen externen Abbildungen und Videos gelten die jeweils dokumentierten Rechte. Der Kurs enthält keine Inhalte von Sofatutor. Aus einem öffentlich sichtbaren Video folgt keine freie Bearbeitungslizenz.

Verknüpfte Lernbereiche

Das Lernfeld verbindet Elektrotechnik, Steuerungstechnik, Regelungstechnik, Digitaltechnik, Mathematik, Sensor, Automatisierungstechnik, Technische Dokumentation und den sicheren Umgang mit technischen Informationen. Eine sinnvolle Lernfolge ist Analysieren → Planen → Simulieren → Prüfen → Dokumentieren → Reflektieren.

Berufsportal: Ausbildung – Elektroniker

Anschluss im Ausbildungsgang: Lernfeld 1 und Lernfeld 2 liefern fachliche Grundlagen; Lernfeld 4 ergänzt die digitale Informationsverarbeitung. Diese Verknüpfungen sind Lernhinweise und keine Behauptung, dass jede verlinkte Kursseite bereits veröffentlicht ist.