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Analoge Elektronik und Leistungselektronik – Wechselrichter funktional erklären

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Einleitung

Analoge Elektronik und Leistungselektronik – Wechselrichter funktional erklären

Zielgruppe: Technische Berufsausbildung, insbesondere Elektronikerinnen und Elektroniker, Mechatronikerinnen und Mechatroniker sowie verwandte Ausbildungsberufe.

Kurzbeschreibung: Elektronische Erzeugung wechselnder Ausgangsgrößen aus einer Gleichspannungsquelle.

Lernzeit: Etwa 70–90 Minuten, aufgeteilt in sechs kurze Lerneinheiten, einen Ausbildungsfall und eine Lernkontrolle.

Lernziele: Du kannst einen Wechselrichter funktional erklären, Schaltzustände einer H-Brücke zuordnen, Ausgangsspannungen im Signaldiagramm beschreiben und die Bedeutung von Pulsweitenmodulation, Filtern und Totzeit begründen.

Bild: Beispiel eines funktionalen Blockschaltbilds eines Solarwechselrichters. Quelle: Wikimedia Commons, Stündle, gemeinfrei.

Dein Lernweg

Lerneinheit	Schwerpunkt	Zeit
1	Gleichspannung wird Wechselspannung	5 Minuten
2	Elektronische Leistungsschalter	7 Minuten
3	H-Brücke und Schaltzustände	10 Minuten
4	PWM und Signaldiagramme	10 Minuten
5	Filter und sichere Ansteuerung	8 Minuten
6	Dreiphasige Wechselrichter	5 Minuten
Ausbildungsfall	Virtuelle H-Brücke untersuchen	15–20 Minuten

Wichtig: In diesem Kurs arbeitest Du ausschließlich mit virtuellen Schaltungen oder dafür vorgesehenen, berührungssicheren und von der Ausbildungseinrichtung freigegebenen Schulungsmodellen. Netzspannungsversuche, Arbeiten an offenen Leistungsstufen und eigenständige Eingriffe in reale Wechselrichter gehören nicht zu den Lernaufgaben.

Arbeiten an elektrischen Anlagen und Betriebsmitteln dürfen nur von entsprechend qualifizierten und beauftragten Personen beziehungsweise unter der erforderlichen fachlichen Leitung und Aufsicht durchgeführt werden. Ein bestandener Test oder eine erfolgreiche Simulation ist keine elektrotechnische Arbeitsfreigabe.

Lerneinheit 1: Was macht ein Wechselrichter?

Merksatz: Ein Wechselrichter wandelt elektrische Energie von einer Gleichspannungsseite in eine Wechselspannungsseite um.

Bild: Sinusförmiger Signalverlauf.

Bei Gleichspannung bleibt die Polarität gleich. Bei Wechselspannung ändert sich das Vorzeichen periodisch. Ein Wechselrichter erzeugt den wechselnden Verlauf durch gesteuertes Schalten von Halbleitern.

Typische Anwendungen: Photovoltaikanlage, Unterbrechungsfreie Stromversorgung, Elektrofahrzeug und Frequenzumrichter.

Videolernen: Beobachte besonders die Umwandlung von Gleichspannung zu Wechselspannung.

Video: How does an inverter work? – Sabin Mathew. Englischsprachige Animation.

Basisaufgabe 1

Ein virtuelles Modell erhält 12 V Gleichspannung und soll eine wechselnde Lastspannung erzeugen.

Auftrag: Skizziere eine Spannung, die abwechselnd positiv und negativ ist. Benenne die Ein- und Ausgangsgröße.

Feedback: Eine geeignete Darstellung hat mindestens eine positive und eine negative Halbperiode. Die Polaritätsänderung ist entscheidend. Aus 12 V Gleichspannung entstehen durch bloßes Umpolen nicht automatisch 230 V Wechselspannung.

Lerneinheit 2: Elektronische Schalter

Bild: Schaltzeichen eines n-Kanal-MOSFET.

Ein MOSFET ist ein elektronisch ansteuerbarer Schalter. Leistungselektronische Wechselrichter verwenden unter anderem MOSFETs oder IGBTs.

Analoge Elektronik verarbeitet kontinuierliche Spannungs- und Stromgrößen, beispielsweise Messsignale oder Regelgrößen.

Leistungselektronik verarbeitet elektrische Energie durch geeignete Halbleiterschaltungen.

Zusammenhang: Eine Steuerung erzeugt Schaltsignale. Die Leistungshalbleiter schalten den Energiefluss. Spannung und Strom am Verbraucher ergeben sich aus Schaltzuständen, Last und Schaltungsaufbau.

Basisaufgabe 2

Auftrag: Kennzeichne in einer Schaltbildkopie die Anschlüsse eines MOSFETs und erkläre, wozu das Gate dient.

Feedback: Das Gate beeinflusst die Leitfähigkeit zwischen Drain und Source. Ein MOSFET ist kein idealer verlustfreier Schalter; das wird insbesondere bei hohen Strömen und Schaltfrequenzen wichtig.

Lerneinheit 3: Die H-Brücke

Bild: Vollbrücken-Wechselrichter mit Halbleiterschaltern und antiparallelen Dioden.

Eine H-Brücke enthält vier steuerbare Schalter. Durch wechselndes Einschalten geeigneter diagonaler Schalterpaare wird die Spannungspolarität an der angeschlossenen Last umgekehrt.

Schaltzustände verstehen

Für unser vereinfachtes Lehrmodell gelten folgende Bezeichnungen:

Q1: oben links.

Q2: unten links.

Q3: oben rechts.

Q4: unten rechts.

Die Last liegt zwischen den beiden Brückenmittelpunkten A und B. Die Lastspannung wird als U_AB von A nach B gezählt.

Schaltzustand	Leitendes Schalterpaar	Ideale Lastspannung
Positive Halbperiode	Q1 und Q4	+U_DC
Negative Halbperiode	Q2 und Q3	−U_DC

Achtung: Diese Tabelle beschreibt ein ideales Modell mit ohmscher Last. Schaltübergänge, Totzeiten und induktive Lasten verändern den tatsächlichen Strom- und Spannungsverlauf.

Bild: Weiteres Grundschaltbild einer H-Brücke. Vergleiche die Anordnung der Schalter und des Verbrauchers.

Signaldiagramm: Rechteck-Wechselspannung

Bild: Rechtecksignal mit sinusförmiger Grundschwingung und Oberschwingungen.

Für das ideale Ausbildungsmodell gilt:

Zeit	Aktives Paar	U_AB
0 bis 10 ms	Q1 und Q4	+12 V
10 bis 20 ms	Q2 und Q3	−12 V
20 bis 30 ms	Q1 und Q4	+12 V
30 bis 40 ms	Q2 und Q3	−12 V

Eine Periode dauert 20 ms.

Ergebnis: f = 1 / T = 50 Hz.

Die Schaltfolge wiederholt sich nach jeweils 20 ms. Die Werte beschreiben die ideale Rechteckspannung, nicht den Ausgang eines realen, gefilterten Wechselrichters.

Video zur H-Brücke

Video: How does an Inverter work? | Sine wave Inverter – Explorer. Besonders relevant: H-Brücke, Rechteckausgang und PWM.

Beobachtungsauftrag: Erkläre, warum der Wechselrichter die Spannungsrichtung an der Last ändern kann, obwohl die Versorgung eine feste Polarität hat.

Feedback: Die Gleichspannungsquelle wechselt ihre Polarität nicht. Die H-Brücke verändert die Verbindung zwischen Quelle und Verbraucher.

Lerneinheit 4: Pulsweitenmodulation

PWM bedeutet Pulsweitenmodulation. Dabei wird die Einschaltdauer innerhalb einer Schaltperiode verändert.

Animation: Unterschiedliche Tastgrade eines PWM-Signals.

Der Tastgrad beschreibt den Anteil der Einschaltzeit an der gesamten Schaltperiode.

Beispiel:

25 % Tastgrad: Kurze Einschaltzeit.

50 % Tastgrad: Einschalt- und Ausschaltzeit sind gleich lang.

75 % Tastgrad: Lange Einschaltzeit.

Aus einer Sinusvorgabe entstehen Schaltimpulse

Bild: PWM-Prinzip durch Vergleich eines sinusförmigen Signals mit einem hochfrequenten Trägersignal.

Bei einer typischen sinusförmigen PWM wird ein Sinus-Referenzsignal mit einem hochfrequenten Dreieck- oder Sägezahnsignal verglichen.

Beobachte:

Die Sinusvorgabe verändert sich langsam.
Das Trägersignal verändert sich wesentlich schneller.
Der Vergleich erzeugt Schaltimpulse unterschiedlicher Dauer.
Die mittlere Ausgangsgröße innerhalb kurzer Schaltintervalle folgt näherungsweise der Vorgabe.

Die konkrete Ausgangsspannung hängt auch davon ab, ob eine bipolare oder unipolare PWM verwendet wird.

Wichtig: Die PWM-Spannung ist zunächst eine schnell geschaltete Spannung. Erst durch geeignete Filterung oder die Eigenschaften der Last kann ein annähernd sinusförmiger Verlauf entstehen.

Video: PWM verstehen

Video: Pulse Width Modulation, TU Delft OpenCourseWare. Ergänzende Originalseite: TU Delft.

Anwendungsaufgabe 1

Auftrag: Vergleiche drei PWM-Impulse mit Tastgraden von 25 %, 50 % und 75 %. Ordne die Impulse nach ihrer Einschaltdauer und zeichne die zugehörigen Signalverläufe.

Feedback: Bei gleicher Periodendauer besitzt 75 % die längste Einschaltzeit. Der Tastgrad allein bestimmt aber noch nicht die Polaritätsfolge oder die Ausgangsfrequenz eines vollständigen Wechselrichters.

Lerneinheit 5: Filter, Freilauf und Totzeit

Das Ausgangsfilter

Ein Tiefpassfilter dämpft schnelle Signalanteile. Bei einem geeigneten Wechselrichter kann ein LC-Filter die hochfrequenten PWM-Anteile reduzieren, während die gewünschte niederfrequente Grundschwingung weitgehend erhalten bleibt.

L bezeichnet die Induktivität.

C bezeichnet die Kapazität.

Das Filter muss auf Schaltfrequenz, Last und Betriebsbedingungen abgestimmt werden. Nicht jeder Wechselrichter besitzt ein identisches Ausgangsfilter.

Virtuelles Filterexperiment: RC-Tiefpass in Falstad CircuitJS.

Auftrag: Vergleiche im virtuellen Modell die Übertragung niedriger und hoher Frequenzen.

Feedback: Hohe Frequenzanteile werden stärker gedämpft. Ein RC-Filter veranschaulicht das Prinzip; das konkrete Ausgangsfilter eines Leistungswechselrichters kann anders aufgebaut sein.

Freilauf bei induktiven Lasten

Bei Spulen und Motorwicklungen kann der Strom nicht sprunghaft auf null wechseln. Deshalb benötigen die Strompfade einer Leistungsbrücke geeignete Freilaufmöglichkeiten, etwa über Dioden oder aktiv gesteuerte Halbleiter.

Virtuelle Beobachtung: Induktive Spannungsspitzen und Dioden in CircuitJS.

Feedback: Eine Induktivität speichert magnetische Energie. Beim Schalten muss ein geeigneter Strompfad vorhanden sein. Ein Widerstand verhält sich anders als eine Motorwicklung.

Totzeit verhindert gefährliche Schaltüberlappungen

Totzeit bezeichnet eine kurze Schaltpause zwischen dem Ausschalten und dem Einschalten komplementärer Schalter eines Brückenzweigs.

Wenn oberer und unterer Schalter desselben Brückenzweigs gleichzeitig leiten, kann der Gleichspannungszwischenkreis praktisch kurzgeschlossen werden.

Die Totzeit hilft, diese gleichzeitige Leitung zu vermeiden. Sie kann jedoch auch den Ausgangsspannungsverlauf beeinflussen.

Fachquelle: Texas Instruments: Dreiphasiger Wechselrichter mit Totzeit und Schutzfunktionen.

Anwendungsaufgabe 2

Auftrag: Erkläre, warum eine kurze Totzeit sinnvoll ist und weshalb sie trotzdem nicht beliebig groß gewählt werden sollte.

Feedback: Die Totzeit unterstützt die Vermeidung von Schaltüberlappungen. Zu große Totzeiten können jedoch zusätzliche Spannungsverzerrungen verursachen. Sicherheit und Signalqualität müssen deshalb beim Entwurf gemeinsam betrachtet werden.

Lerneinheit 6: Dreiphasige Wechselrichter

Bild: Prinzip einer dreiphasigen Wechselrichteranordnung.

Ein dreiphasiger Wechselrichter besitzt typischerweise drei Brückenzweige mit insgesamt sechs steuerbaren Leistungsschaltern.

Die drei Ausgangsgrößen werden zeitlich versetzt angesteuert. Bei sinusförmiger Grundschwingung beträgt die elektrische Phasenverschiebung der drei Phasen jeweils 120 Grad.

Bild: Schaltung eines dreiphasigen Pulswechselrichters.

Ein häufiger Anwendungsfall ist der Frequenzumrichter für elektrische Motoren. Ein Frequenzumrichter umfasst neben der Wechselrichterstufe weitere Funktionen, beispielsweise die Bereitstellung des Gleichspannungszwischenkreises und die Motorregelung.

Animation: Vergleich sinusförmiger Pulsweitenmodulation und Raumzeigermodulation. Vertiefung für Fortgeschrittene.

Transferfrage: Warum benötigt ein dreiphasiger Motorwechselrichter eine andere Schalteranordnung als ein einfacher einphasiger Wechselrichter?

Feedback: Drei Phasenausgänge müssen gezielt erzeugt werden. Deshalb sind drei Brückenzweige statt zwei erforderlich.

Ausbildungsfall: Eine 12-V-Wechselrichterstufe untersuchen

Dein Auftrag

Du bist in der Ausbildung in einem Betrieb für elektronische Antriebssysteme.

Eine fiktive Schulungsanlage soll an einer ohmschen Modelllast eine Wechselspannung erzeugen. Die Lernaufgabe findet vollständig in einer digitalen Simulation statt.

Vorgaben:

Eigenschaft	Wert
Eingangsspannung	12 V Gleichspannung, virtuell
Schaltung	Einphasige Vollbrücke
Modelllast	Ohmscher Widerstand
Grundfrequenz	50 Hz
Erste Betrachtung	Ideale Rechteckansteuerung
Zweite Betrachtung	PWM und Filterwirkung als Modell

Ziel: Du erklärst anhand von Stromlaufbild und Signaldiagramm, wie die Spannung an der Last entsteht.

Schritt 1: Stromlaufbild lesen

Nutze das zuvor gezeigte Bild der H-Brücke.

Kennzeichne auf einer Kopie:

Die beiden Gleichspannungsanschlüsse.
Die vier elektronischen Schalter.
Die beiden Lastanschlüsse A und B.
Die möglichen diagonalen Schalterpaare.

Erwartetes Ergebnis: Du erkennst die beiden Strompfade für positive und negative Lastspannung.

Schritt 2: Spannung vorhersagen

Trage für die beiden idealen Schaltzustände das Vorzeichen von U_AB ein.

Schaltzustand A: Q1 und Q4 leitend.

Schaltzustand B: Q2 und Q3 leitend.

Feedback: Bei Zustand A entsteht +12 V, bei Zustand B −12 V an der Modelllast. Vorausgesetzt werden ideale Schalter, die festgelegte Beschriftung und eine ohmsche Last.

Schritt 3: Digital simulieren

Verifizierte Simulationsumgebung: CircuitJS – elektronischer Schaltungssimulator.

Geeignete ergänzende Simulationen:

PWM-Erzeugung: Veränderte Impulsbreiten beobachten.
Schaltender Verstärker: Vergleich von Referenzsignal, Schaltspannung und gefiltertem Ausgang.
Tiefpass: Dämpfung hoher Frequenzen betrachten.

Die Beispiele dienen als sichere virtuelle Teilmodelle. Insbesondere der Klasse-D-Verstärker ist kein vollständiger Ersatz für das hier betrachtete H-Brücken-Stromlaufbild.

Simulationsauftrag: Nutze eine von der Lehrkraft vorbereitete virtuelle Vollbrückenschaltung oder bilde das ideale Lehrschaltbild im Simulator nach. Verwende ausschließlich virtuelle Bauteile.

Vergleiche die Schalterzustände und dokumentiere mit der virtuellen Oszilloskopanzeige die Spannung U_AB.

Nicht vorgesehen: Der Aufbau einer realen Wechselrichter-Leistungsstufe, ein Anschluss an 230 V oder der Anschluss realer Batterien, Motoren oder Leistungsschalter.

Schritt 4: Schaltsignal und Ausgang unterscheiden

Rechteckansteuerung: Die Lastspannung wechselt im idealen Modell zwischen +12 V und −12 V.

PWM-Ansteuerung: Die Halbleiter erzeugen schnell wechselnde Schaltspannungen mit variierender Impulsdauer.

Filterwirkung: Geeignete Ausgangsfilter können hochfrequente Anteile reduzieren.

Ergebnisdokumentation: Erstelle eine beschriftete Darstellung des Stromlaufbildes, ein Zeitdiagramm und eine kurze Erklärung des Unterschieds zwischen Rechteckspannung, PWM-Schaltspannung und gefiltertem Ausgang.

Gestufte Hilfen

Hilfe 1 – Denkimpuls: Welche zwei Schalter müssen leitend sein, damit A mit der positiven und B mit der negativen Versorgung verbunden ist?

Hilfe 2 – Strukturhilfe: Betrachte die Brücke als zwei getrennt angesteuerte Zweige. Welche Schalter bilden jeweils ein diagonales Paar?

Hilfe 3 – Lösungshilfe: Für +12 V schalten im idealen Lehrmodell Q1 und Q4, für −12 V Q2 und Q3. Eine vollständige Periode aus beiden Halbperioden dauert bei 50 Hz genau 20 ms.

Begründetes Feedback zum Ausbildungsfall

Beobachtung	Bewertung und Begründung
Die Lastspannung wird positiv und negativ.	Fachlich richtig: Die H-Brücke kehrt die Zuordnung der Versorgungspole zur Last um.
Die Spannungsquelle selbst wechselt ihre Polarität.	Fachlich falsch: Die Quelle bleibt gleichspannungsseitig unverändert.
Schnellere PWM bedeutet automatisch eine höhere Ausgangsgrundfrequenz.	Fachlich falsch: Schaltfrequenz und Grundfrequenz sind unterschiedliche Größen.
Ein Tiefpass kann hochfrequente PWM-Anteile reduzieren.	Fachlich richtig: Geeignet abgestimmte Filter dämpfen die unerwünschten Schaltfrequenzanteile.
Eine Simulation ersetzt die elektrotechnische Arbeitsfreigabe.	Nicht zulässig: Eine Simulation liefert einen Lernnachweis, aber keine Befähigungs- oder Sicherheitsfreigabe.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche grundlegende Aufgabe erfüllt ein Wechselrichter? (Er wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um) (!Er wandelt mechanische Energie in Wärme um) (!Er speichert ausschließlich elektrische Energie) (!Er misst nur den elektrischen Widerstand)

Wie viele steuerbare Schalter enthält eine einfache einphasige Vollbrücke? (Vier Schalter) (!Zwei Schalter) (!Drei Schalter) (!Sechs Schalter)

Welches Schalterpaar erzeugt im beschriebenen Lehrmodell eine positive Lastspannung? (Q1 und Q4) (!Q1 und Q2) (!Q3 und Q4) (!Q2 und Q3)

Was bewirkt die wechselnde diagonale Ansteuerung einer H-Brücke? (Sie kehrt die Spannungspolarität an der Last um) (!Sie erzeugt automatisch eine höhere Eingangsspannung) (!Sie verwandelt einen Widerstand in einen Kondensator) (!Sie beseitigt sämtliche Schaltverluste)

Welche Frequenz besitzt eine periodische Spannung mit 20 ms Periodendauer? (50 Hertz) (!20 Hertz) (!100 Hertz) (!5 Hertz)

Welche Ausgangsform besitzt die ideal rechteckgesteuerte Vollbrücke ohne Filter? (Eine Rechteckspannung) (!Immer eine ideale Sinusspannung) (!Eine konstante Gleichspannung) (!Immer eine Dreieckspannung)

Welche Größe verändert eine Pulsweitenmodulation unmittelbar? (Die Dauer der Schaltimpulse) (!Den festen Widerstandswert der Last) (!Die Zahl der Anschlüsse der Spannungsquelle) (!Die Art des Halbleitermaterials)

Welche Aufgabe hat ein geeignetes Ausgangstiefpassfilter? (Es dämpft hochfrequente Schaltanteile) (!Es erzeugt zusätzliche Netzfrequenz ohne Ansteuerung) (!Es ersetzt jede Schutzfunktion) (!Es verhindert grundsätzlich sämtliche Verluste)

Weshalb wird zwischen komplementären Schaltern Totzeit eingefügt? (Um gleichzeitige Leitung im selben Brückenzweig zu vermeiden) (!Um den Ausgang dauerhaft kurzzuschließen) (!Um die Schaltfrequenz immer auf null zu setzen) (!Um die Lastspannung unabhängig von der Schaltung zu verdoppeln)

Welche Bedeutung hat ein bestandenes Wechselrichter-Quiz für reale Elektroarbeiten? (Es ist keine Berechtigung oder Arbeitsfreigabe) (!Es berechtigt automatisch zu Arbeiten an Netzspannung) (!Es ersetzt die erforderliche Qualifikation) (!Es ersetzt die Gefährdungsbeurteilung)

Feedback zum Quiz: Prüfe bei Fehlern zuerst, ob Du Gleich- und Wechselspannung, Schaltfrequenz und Grundfrequenz oder Steuerung und Leistungsteil verwechselt hast. Die Fragen kontrollieren Dein Begriffsverständnis, nicht Deine Berechtigung zu elektrischen Arbeiten.

Memory

Gleichspannungsquelle	Eingang
H-Brücke	Umpolung
MOSFET	Leistungsschalter
PWM	Pulsbreite
Tiefpass	Hochfrequenzdämpfung
Totzeit	Schaltpause
Oszilloskop	Zeitdiagramm
Dreiphasenbrücke	Motoransteuerung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion
Gleichspannung	Eingangsenergie
Leistungsbrücke	Polaritätswechsel
Pulsweitenmodulation	Impulsdauersteuerung
Tiefpassfilter	Frequenzanteildämpfung
Totzeit	Überlappungsvermeidung
Ausgangsfrequenz	Wiederholungsrate

Kreuzworträtsel

Wechselrichter	Welches leistungselektronische Gerät wandelt Gleichspannung in Wechselspannung um?
Totzeit	Wie heißt die kurze Schaltpause zwischen komplementären Schaltern?
Kondensator	Welches Bauteil bildet zusammen mit einer Spule ein LC-Filter?
Frequenz	Welche Größe bezeichnet die Anzahl vollständiger Perioden pro Sekunde?
Gleichspannung	Wie nennt man eine Spannung mit gleichbleibender Polarität?
MOSFET	Welcher steuerbare Feldeffekttransistor wird häufig als Leistungsschalter verwendet?

LearningApps

Hier findest Du eine thematische Suche nach weiteren interaktiven Lernaufgaben. Die einzelnen Suchtreffer sind nicht Bestandteil der fachlich geprüften Kursaufgaben.

Lückentext

Ein

wandelt elektrische Energie von einer Gleichspannungsseite in eine Wechselspannungsseite um.

Eine einfache H-Brücke wird mit

versorgt.

Die H-Brücke verändert die

der Lastspannung.

In modernen Wechselrichtern werden häufig

als elektronische Leistungsschalter verwendet.

Bei einer Vollbrücke sind jeweils zwei Schalter

angeordnet, um die Lastspannung gezielt umzupolen.

Bei einer Periodendauer von 20 ms beträgt die Frequenz

Hertz.

Eine ideal rechteckgesteuerte Vollbrücke erzeugt eine

an der ohmschen Modelllast.

Durch

wird die Impulsdauer verändert.

Das Verhältnis von Einschaltdauer zur Periodendauer heißt

und wird häufig in Prozent angegeben.

Ein

dämpft besonders die hochfrequenten Signalanteile.

Eine kurze

hilft, die gleichzeitige Leitung komplementärer Schalter zu vermeiden.

Bei induktiven Lasten muss ein geeigneter

für den Strom berücksichtigt werden.

Die

ermöglicht die Untersuchung der Schaltung ohne reale Leistungsstufe.

Eine erfolgreiche Prüfung ist keine elektrotechnische

für Arbeiten an realen Anlagen.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben entsprechend Deinem Lernstand. Alle Versuche mit Schaltungen erfolgen ausschließlich virtuell oder an ausdrücklich dafür vorgesehenen, berührungssicheren Schulungsmodellen unter den festgelegten Ausbildungsbedingungen.

Leicht – Basisaufgaben

Funktionsskizze: Zeichne einen einfachen Energiefluss von einer Gleichspannungsquelle über den Wechselrichter zu einer Last. Beschrifte Ein- und Ausgang.
Spannungsvergleich: Zeichne ein Gleichspannungssignal und ein Rechteck-Wechselspannungssignal. Kennzeichne positive und negative Spannungsbereiche.
Schaltbildanalyse: Markiere in einem vorgegebenen Vollbrückenschaltbild die vier elektronischen Schalter, die Last und die Gleichspannungsanschlüsse.
PWM-Skizze: Zeichne drei Impulsfolgen mit unterschiedlichen Tastgraden und erläutere deren Zusammenhang mit der Einschaltdauer.

Feedback zur Basisstufe: Entscheidend sind eindeutige Beschriftungen, korrekte Signalpolaritäten und die Unterscheidung zwischen Schalterzustand und Spannung an der Last.

Standard – Anwendungsaufgaben

Schaltzustandsanalyse: Stelle die positiven und negativen Schaltzustände einer virtuellen H-Brücke gegenüber und erkläre die jeweilige Lastspannung.
Signaluntersuchung: Dokumentiere in einem virtuellen Oszilloskop eine Rechteckspannung und bestimme aus der Periodendauer ihre Grundfrequenz.
Filtervergleich: Vergleiche im digitalen Schaltungsmodell ein hochfrequentes Eingangssignal vor und nach einem Tiefpass und begründe die Veränderung.
Fehleranalyse: Erkläre anhand einer fehlerhaften Schaltfolge, weshalb die gleichzeitige Leitung komplementärer Brückenschalter kritisch ist.

Feedback zur Anwendungsstufe: Eine vollständige Lösung stellt den Zusammenhang zwischen Stromlaufbild, Ansteuerung und gemessenem beziehungsweise simuliertem Signal her. Sicherheitsrelevante Fehlzustände werden nur theoretisch oder virtuell betrachtet.

Schwer – Transferaufgaben

Antriebstechnik: Erstelle ein Funktionsbild eines Frequenzumrichters und erkläre die Aufgaben von Gleichspannungszwischenkreis, Wechselrichter und Motorsteuerung.
Modulationsvergleich: Vergleiche Rechteckansteuerung und sinusförmige PWM hinsichtlich Signalform, Oberschwingungen und Filterbedarf.
EMV-Analyse: Untersuche an bereitgestellten Signaldiagrammen, wie schnelle Schaltflanken elektrische Störungen verursachen können. Formuliere zwei mögliche Gegenmaßnahmen.
Sicherheitskonzept: Entwirf ein Unterrichtskonzept für die gefahrlose Untersuchung einer Wechselrichterfunktion. Begründe die Wahl von Simulation, berührungssicherem Modell, Aufsicht und klaren Arbeitsgrenzen.

Feedback zur Transferstufe: Gute Lösungen berücksichtigen mehrere Perspektiven: Funktion, Signalqualität, Wirkungsgrad, Belastung der Bauteile und Sicherheit. Eine technisch plausible Lösung ist nicht automatisch eine für den praktischen Einsatz geprüfte Schaltung.

Lernkontrolle

Die Lernkontrolle bewertet das Verständnis von Zusammenhängen und die Fähigkeit, Erkenntnisse auf neue Situationen zu übertragen.

Funktionsnachweis: Eine virtuelle Vollbrücke wird mit 12 V Gleichspannung versorgt. Erkläre mithilfe der Schaltzustände, weshalb eine wechselnde Lastspannung entstehen kann. Zeichne ein passendes Spannungsdiagramm.
Signalvergleich: Zwei Signaldiagramme zeigen dieselbe Grundfrequenz, aber unterschiedliche PWM-Schaltfrequenzen. Erkläre, welche Eigenschaften sich verändern und welche nicht automatisch verändert werden.
Lastverhalten: Vergleiche die Reaktion einer ohmschen und einer induktiven Last bei einem Schaltübergang. Begründe, warum die Strompfade unterschiedlich betrachtet werden müssen.
Optimierungsentscheidung: Ein Wechselrichter soll einen möglichst sinusähnlichen Spannungsverlauf bereitstellen. Vergleiche Rechteckansteuerung, PWM und Filterung und begründe eine sinnvolle Wahl.
Ausbildungsentscheidung: Ein Auszubildender hat alle Lernaufgaben erfolgreich abgeschlossen und möchte eigenständig eine reale Leistungselektronikschaltung öffnen. Beurteile die Situation und erläutere, warum die Lernleistung keine Arbeitsfreigabe begründet.
Systemvergleich: Übertrage das Funktionsprinzip einer einphasigen H-Brücke auf einen dreiphasigen Motorwechselrichter. Erkläre Gemeinsamkeiten, Unterschiede und zusätzliche Anforderungen.

Bewertungskriterien:

Die Schaltzustände und ihre Wirkung werden richtig erläutert.
Stromlaufbild und Signaldiagramm passen fachlich zusammen.
Grundfrequenz, Schaltfrequenz und Tastgrad werden unterschieden.
Aussagen über Filterung, induktive Lasten und Totzeit sind nachvollziehbar begründet.
Die Grenzen einer Simulation und die Anforderungen an reale Elektroarbeiten werden ausdrücklich berücksichtigt.

Rückmeldung: Entscheidend ist nicht nur das Ergebnis, sondern Deine Begründung. Fehlerhafte Zuordnungen werden durch einen erneuten Vergleich von Schaltbild, Signalverlauf und Lastverhalten bearbeitet.

Lernnachweis

Für den Lernnachweis erstellst Du eine kompakte digitale Dokumentation des Ausbildungsfalls.

Erforderliche Bestandteile:

Ein beschriftetes Funktionsblockbild des Wechselrichters.
Ein Stromlaufbild der virtuellen Vollbrücke mit Schalterbezeichnungen.
Eine Erklärung beider diagonalen Schaltzustände.
Ein Spannungs-Zeit-Diagramm für die ideale Rechteckansteuerung.
Eine Erklärung von Grundfrequenz, PWM, Filterung und Totzeit.
Eine kurze Auswertung der sicheren virtuellen Simulation.
Eine nachvollziehbare Fehleranalyse mit einer begründeten Korrektur.
Eine schriftliche Erklärung der Sicherheitsgrenzen des Lernmodells.

Bewertung: Die Lehrkraft oder ausbildungsverantwortliche Person beurteilt fachliche Richtigkeit, Nachvollziehbarkeit, Transferleistung und Dokumentationsqualität.

Keine Freigabe: Der Lernnachweis bestätigt ausschließlich die im Kurs überprüften Lernleistungen. Er begründet weder eine Qualifikation als Elektrofachkraft noch eine Beauftragung oder Freigabe für Elektroarbeiten.

Fachquellen und Medienrechte

Fachlich geprüfte Informationsquellen

Wikipedia – Wechselrichter: Grundlagen, Schaltungstypen und Anwendungen.
Wikipedia – Leistungselektronik: Einordnung leistungselektronischer Stromrichter.
TU Delft OpenCourseWare – H-Bridge: Funktion einer Wechselrichter-Vollbrücke.
TU Delft OpenCourseWare – Pulse Width Modulation: Steuerung einer H-Brücke mittels PWM.
MIT OpenCourseWare – Inverters, Part 1: Wechselrichtergrundlagen und Vollbrückenschaltungen.
Texas Instruments – Three-Phase Inverter Reference Design: Totzeit, Schutzmaßnahmen und Ansteuerung.
DGUV Vorschrift 3 – Durchführungsanweisungen: Anforderungen an Qualifikation, Leitung und Aufsicht bei elektrischen Arbeiten.
CircuitJS: Digitaler Simulator mit virtuellen Bauelementen und Signalansichten.

Nachweise der eingebundenen Commons-Medien

Die folgenden Dateiseiten wurden anhand ihrer Beschreibungen und Lizenzangaben ausgewählt. Die Darstellung als Wikimedia-Commons-Datei bedeutet nicht, dass alle Medien dieselbe Lizenz besitzen.

Solarwechselrichter Blockschaltbild.svg – Stündle, gemeinfrei.
Sinusoidal Wave.svg – Jjbeard, gemeinfrei.
MOS FET symbol n-channel.svg – すじにくシチュー, CC0.
H-bridge inverter cjc.png – C J Cowie, CC BY-SA 3.0.
H-bridge circuit.svg – Giacomo Alessandroni, CC BY-SA 4.0.
Squarewave01CJC.png – C J Cowie, CC BY-SA 3.0.
Pwm duty cycle.gif – Eighthave, gemeinfrei.
Pwm.svg – Krishnavedala, unter anderem CC BY-SA 3.0.
Three phases inverter.png – Adrien Bourgeade, CC BY-SA 4.0.
Pulswechselrichter schaltung.PNG – Wdwd, unter anderem CC BY 3.0.
PWM sin vs vect.gif – Max La, CC BY-SA 3.0.

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