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

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Einleitung

Du arbeitest im ersten Ausbildungsjahr des Berufs Elektronikerin bzw. Elektroniker für Informations- und Systemtechnik. Im Lernfeld 1 „Elektrotechnische Systeme analysieren und Funktionen prüfen“ untersuchst Du, wie technische Systeme aufgebaut sind, wie elektrische Größen zusammenhängen und wie sich Aussagen über Funktionen mit Schaltplänen, Rechnungen und dokumentierten Messdaten begründen lassen. Der KMK-Rahmenlehrplan ordnet diesem Lernfeld im ersten Ausbildungsjahr einen Zeitrichtwert von 80 Unterrichtsstunden zu. Die Ausbildung dauert laut geltender Ausbildungsordnung insgesamt dreieinhalb Jahre; sie umfasst unter anderem die Einsatzgebiete eingebettete Systeme, Informations- und Kommunikationssysteme sowie Automatisierungssysteme.

Lernziel: Du kannst ein System in Ebenen gliedern, Schaltzeichen lesen, einfache Gleichstromschaltungen rechnerisch prüfen, synthetische Messprotokolle auswerten und eine Fehlerhypothese mit Zahlen begründen. Die Beispiele sind fiktiv und dienen ausschließlich dem Lernen. Keine Anleitung zur realen Inbetriebnahme, keine Freigabe von Maschinen oder elektrischen Anlagen: Praktische Arbeiten, selbst mit Kleinspannung, erfolgen nur nach Freigabe und unter Anleitung einer dafür qualifizierten Fachkraft; an Netzspannung wird in diesem Kurs nicht gearbeitet. Die kursinternen Aufgaben sind keine Originalprüfungsaufgaben.

Berufliche Aufträge und Systemebenen analysieren

Vom Kundenwunsch zur prüfbaren Funktion

Ein elektrotechnischer Auftrag beginnt mit einer Anforderung, beispielsweise: „Eine Meldeeinheit soll bei angelegtem Steuersignal ihren Betriebszustand optisch anzeigen.“ Das ist noch keine überprüfbare technische Spezifikation. Du leitest deshalb prüfbare Kriterien ab: Welcher Eingang ist vorhanden? Welche Ausgabe wird erwartet? Welcher zulässige Strombereich gilt laut Datenblatt? Welche Betriebszustände und Fehlerfälle müssen betrachtet werden? Eine saubere Anforderungsmatrix unterscheidet zwischen Muss-Kriterien und optionalen Wünschen. Prüfbarkeit bedeutet, dass eine Aussage durch Berechnung, Simulation, Sichtprüfung der Dokumente oder qualifiziert angeleitete Messung bewertet werden kann.

Im Ausbildungsberuf sind die Analyse geforderter Funktionen, das Einbinden von Hard- und Software, die Arbeit mit technischen Unterlagen und die Auswertung von Messwerten miteinander verbunden. Ein Beispiel aus der Informations- und Systemtechnik ist ein Sensor, dessen elektrisches Ausgangssignal von einer elektronischen Baugruppe eingelesen und später in Software verarbeitet wird. Hier behandeln wir zunächst nur die elektrotechnische Grundlage, nicht die Programmierung oder eine echte Anlagenfreigabe.

Anlage, Gerät, Baugruppe und Bauelement

Eine Anlage besteht aus zusammenwirkenden Geräten und Teilsystemen; ein Gerät übernimmt darin eine abgegrenzte Aufgabe. Die Baugruppe enthält mehrere funktional verbundene Bauelemente; ein Bauelement ist beispielsweise ein Widerstand oder eine Leuchtdiode. Entscheidend ist die Wirkungskette vom Eingang über die Verarbeitung bis zur Ausgabe. Eine Störung lässt sich systematisch auf die Ebene eingrenzen, auf der Soll- und Ist-Verhalten abweichen.

Betrachtungsebene	Synthetisches Beispiel	Fragestellung bei der Analyse
Anlage	Trainingsmodell einer Förderstrecke	Wie werden Zustände angezeigt und weitergemeldet?
Gerät	Anzeige- und Steuergerät	Welche Versorgung und Ein- bzw. Ausgänge sind vorgesehen?
Baugruppe	LED-Meldeplatine	Welche Schaltung erzeugt das Lichtsignal?
Bauelement	Vorwiderstand R1 und LED D1	Welche Funktion und welche Kennwerte haben die Einzelteile?

Eine Funktionsbeschreibung erklärt nicht nur, welche Bauteile vorhanden sind, sondern auch, warum sie zusammenwirken: Eine Spannungsquelle stellt eine Potentialdifferenz bereit; ein Widerstand begrenzt den Strom; eine LED wandelt bei geeigneter Polung elektrische Energie teilweise in Licht um. Ein Blockdiagramm ist für die Übersicht hilfreich; ein Stromlaufplan zeigt dagegen elektrische Verbindungen und Schaltzeichen.

Technische Unterlagen und Zusammenarbeit

Zu einer nachvollziehbaren Systemanalyse gehören Aufgabenbeschreibung, Blockdiagramm, Schaltplan mit eindeutigen Betriebsmittelkennzeichnungen, eine Bauteilliste, relevante Datenblattauszüge, Berechnungen, Sollwerte und ein Prüfbericht. Die Bezeichnung R1 kann einen Widerstand, D1 eine Diode kennzeichnen; entscheidend ist eine konsistente projektbezogene Legende. Ein Datenblatt beschreibt unter anderem elektrische Grenzwerte, typische Kennwerte und Messbedingungen. Ein englischer Begriff wie forward voltage bezeichnet die Durchlassspannung einer Diode; rated power bedeutet Nennleistung.

Für Teamarbeit dokumentierst Du Zuständigkeiten, Annahmen, Versionen und offene Fragen. Nutze nur öffentlich freigegebene oder erfundene Beispieldaten; keine Kundengeheimnisse und keine personenbezogenen Daten. Der Ergebnisbericht muss eine andere Person in die Lage versetzen, die Rechnung und die Entscheidung nachzuvollziehen.

Schaltpläne und Bauelemente verstehen

Stromkreis und genormte Darstellung

Ein Stromkreis benötigt für einen stationären Stromfluss einen geschlossenen leitfähigen Pfad und eine geeignete Quelle. Die technische Stromrichtung verläuft im äußeren Gleichstromkreis vom Plus- zum Minuspol; Elektronen bewegen sich in Metallen entgegengesetzt. Ein Schaltplan ist kein Lageplan: Kreuzungen ohne Verbindungspunkt sind nicht automatisch elektrisch verbunden. Anschlüsse, Knoten und Polungen müssen eindeutig erkennbar sein. Bei Schaltzeichen sind die im jeweiligen Betrieb verwendeten Normen und Legenden maßgeblich.

Vereinfachte LED-Grundschaltung: Quelle, strombegrenzender Widerstand und Leuchtdiode. Quelle: Wikimedia Commons, Datei „LED circuit.svg“; Lizenz und Urheberhinweis im Medienverzeichnis.

Schaltzeichen einer Leuchtdiode. Die Pfeile stehen für abgegebenes Licht; die korrekte Polung und die Datenblattwerte sind bei der Auswertung zu beachten.

Widerstand, LED und Bauteilkennwerte

Ein Widerstand ist ein Bauelement mit einem elektrischen Widerstandswert in Ohm. Ein idealisierter ohmscher Widerstand hat bei konstanter Temperatur einen annähernd konstanten Quotienten aus Spannung und Stromstärke. Reale Widerstände besitzen Toleranzen und müssen innerhalb der zulässigen Verlustleistung betrieben werden. Eine LED ist hingegen kein ohmscher Widerstand: Ihr Strom-Spannungs-Verhalten ist nicht linear; für eine vereinfachte Erstberechnung kann man einen Datenblattwert der Durchlassspannung als Näherung einsetzen. Danach sind Datenblatt, Streuungen und Betriebsbedingungen gesondert zu prüfen.

Farbringe können Nennwert und Toleranz von Widerständen codieren. Die grafische Darstellung ist eine Lernhilfe; ausschlaggebend bleibt die geprüfte Bauteilkennzeichnung bzw. das Datenblatt.

Beispiel einer vierbandigen Kennzeichnung: grün–blau–braun–gold steht nach dem üblichen Farbschema für 56 × 10 Ohm = 560 Ohm mit ±5 %. Der rechnerische Bereich reicht von 532 Ohm bis 588 Ohm. Ein häufiger Fehler ist, den Toleranzring als dritte Ziffer zu lesen. Beim Lesen eines konkreten Bauteils muss zuerst die richtige Leserichtung erkannt werden.

Reihen- und Parallelschaltung unterscheiden

Bei einer Reihenschaltung idealer Widerstände ist die Stromstärke in allen Widerständen gleich, die Teilspannungen addieren sich und der Ersatzwiderstand ist die Summe aller Einzelwiderstände: R_ges = R1 + R2. Bei einer Parallelschaltung liegt an allen parallelen Zweigen dieselbe Spannung an; die Teilströme addieren sich. Für zwei positive Widerstände gilt: R_ges = (R1 · R2) / (R1 + R2). Der Ersatzwiderstand liegt damit stets unter dem kleineren Einzelwiderstand.

Vergleich einer Reihen- und einer Parallelschaltung. Die Abbildung verwendet englischsprachige Beschriftungen; prüfe jeweils Strompfad, Knoten und Spannungsabfälle.

Merkmal	Zwei Widerstände in Reihe	Zwei Widerstände parallel
Strom	I_ges = I1 = I2	I_ges = I1 + I2
Spannung	U_ges = U1 + U2	U_ges = U1 = U2
Ersatzwiderstand	R_ges = R1 + R2	1/R_ges = 1/R1 + 1/R2
Typischer Denkfehler	Gleiche Spannung an beiden annehmen	Teilströme fälschlich gleichsetzen

Rechenbeispiel: Zwei Widerstände zu 200 Ohm und 300 Ohm ergeben in Reihe 500 Ohm. An 10 V fließt dann I = 10 V / 500 Ohm = 0,020 A = 20 mA. Parallel ergibt sich 1/R_ges = 1/200 + 1/300 = 1/120 Ohm; also R_ges = 120 Ohm und bei 10 V ein Gesamtstrom von rund 83,3 mA. Das Beispiel ist eine theoretische Berechnung mit idealen Widerständen.

Fachvideo: „Reihenschaltung - und Parallelschaltung von Widerständen“, Kanal rund um die Elektrotechnik. Externes Video; keine freie Nachnutzungslizenz nachgewiesen.

Elektrische Grundgrößen berechnen und prüfen

Spannung, Stromstärke, Widerstand und Leistung

Die elektrische Spannung U wird in Volt (V) angegeben, die Stromstärke I in Ampere (A), der Widerstand R in Ohm und die Leistung P in Watt (W). Zwischen Einheiten muss sauber umgerechnet werden: 1 A = 1000 mA und 1 kOhm = 1000 Ohm. Für ein ohmsches Bauelement bei konstantem Widerstand gilt U = R · I; daraus folgen I = U / R und R = U / I. Die elektrische Leistung lässt sich mit P = U · I berechnen; für einen ohmschen Widerstand auch mit P = I² · R beziehungsweise P = U² / R.

Merkskizze zum Ohmschen Gesetz: Die internationale Beschriftung V meint hier die elektrische Spannung, im deutschen Fachunterricht meist U genannt. Eine Merkfigur ersetzt weder die Dimensionsprüfung noch die Prüfung, ob das Bauteil ohmsch ist.

Rechenweg mit Einheiten: Gegeben U = 5,0 V, R = 1,0 kOhm = 1000 Ohm. Gesucht I. Formel I = U/R; Einsetzen I = 5,0 V / 1000 Ohm = 0,005 A = 5,0 mA. Kontrolle: 1000 Ohm × 0,005 A = 5,0 V. Leistung des Widerstands P = 5,0 V × 0,005 A = 0,025 W = 25 mW. Plausibilitätsprüfung: Bei gleicher Spannung verkleinert ein größerer Widerstand den Strom; bei gleicher Stromstärke nimmt die Widerstandsleistung quadratisch mit dem Strom zu.

Fachvideo: „Widerstand und Ohmsches Gesetz – Grundprinzipien“, Conrad Academy. Extern eingebettet; die Videoinhalte ersetzen keine Sicherheitsunterweisung.

Schaltungsrechnung und Datenreihen

Betrachte zwei Widerstände mit R1 = 220 Ohm und R2 = 330 Ohm in Reihe an einer idealen Gleichspannungsquelle mit U = 11 V. Zuerst wird R_ges = 550 Ohm berechnet. Dann folgt I = 11 V / 550 Ohm = 0,020 A. Die Spannungsabfälle sind U1 = 0,020 A × 220 Ohm = 4,4 V und U2 = 0,020 A × 330 Ohm = 6,6 V. Die Maschenprüfung U1 + U2 = 11,0 V stimmt mit der Quellenspannung überein. Ein falsches Ergebnis, etwa 4,4 + 6,6 = 10,0, würde eine Rechen- oder Übertragungsabweichung anzeigen.

Eine Kennlinie zeigt, wie sich zwei Größen zueinander verhalten. Für einen idealen ohmschen Widerstand von 560 Ohm ergibt sich rechnerisch die folgende synthetische Messreihe. Sie stammt aus einer Formel, nicht aus einem realen Gerät.

Spannung am Widerstand	Strom rechnerisch	Prüfung I = U/R
0,0 V	0,00 mA	Nullpunkt
2,0 V	3,57 mA	2,0/560 A
4,0 V	7,14 mA	4,0/560 A
6,0 V	10,71 mA	6,0/560 A
8,0 V	14,29 mA	8,0/560 A
10,0 V	17,86 mA	10,0/560 A

Stellst Du U horizontal und I vertikal dar, erhältst Du im idealen Modell eine Gerade durch den Ursprung. Deren Steigung ist 1/R, wenn I in Ampere und U in Volt aufgetragen wird. Achte bei Diagrammen auf Achsenbeschriftungen, Skalierung, Einheiten und die Unterscheidung zwischen berechneten und tatsächlich erhobenen Werten.

Rechenfehler erkennen und korrigieren

Typische Fehler sind: Milliampere nicht in Ampere umrechnen, den Widerstand statt des Leitwerts in einer Parallelschaltung direkt addieren, den Strom in der Reihenschaltung unterschiedlich ansetzen, die LED wie einen ohmschen Widerstand behandeln, Datenblatt-Grenzwerte mit typischen Werten verwechseln oder ohne Plausibilitätsprüfung auf zu viele Stellen runden. Nutze die Prüfkette Gegeben – Gesucht – Formel – Umstellen – Einheiten – Einsetzen – Ergebnis – Plausibilität. Bei Unstimmigkeiten zuerst die Einheiten und die Schaltungstopologie prüfen.

Messmethoden, Sicherheit und Fehlersuche

Was misst ein Multimeter?

Ein Voltmeter bestimmt die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten und wird im Schaltbild parallel zum betrachteten Bauteil angeschlossen. Ein Amperemeter erfasst den Strom eines Zweigs und wird in diesem Zweig in Reihe eingesetzt; eine falsche Parallelschaltung kann einen gefährlichen Kurzschluss erzeugen. Ein Ohmmeter nutzt eine eigene Messquelle; ein Widerstandswert darf deshalb nicht an einem unter Spannung stehenden Prüfling gemessen werden. Die Wahl von Messbereich, Messkategorie, Messleitungen, Anschlussbuchsen und Verfahren obliegt bei realen Arbeiten der eingewiesenen Fachkraft.

Schaltschema einer Spannungsmessung: Das Messgerät liegt parallel zum Widerstand.

Schaltschema einer Strommessung: Der Strompfad führt durch das Messgerät.

Schematische Darstellung eines digitalen Multimeters. Aus einem Symbolbild lassen sich weder Sicherheitskategorie noch Eignung eines realen Geräts ableiten.

Vertiefung: „Messen von Strom, Spannung und Widerstand mit Hilfe digitaler Multimeter“, HomoFaciens. Das Video ist eine externe Veranschaulichung, keine Arbeitsfreigabe; insbesondere die gezeigten Messsituationen nicht eigenständig nachstellen.

Sicherheit ist Teil der Prüfplanung

Elektrischer Strom kann schwere Verletzungen verursachen. Auch in elektronischen Geräten können Energiespeicher gefährliche Restladungen enthalten. Die ausgebildete Elektrofachkraft beurteilt vor realen Arbeiten die Gefährdung und wählt Schutzmaßnahmen nach gültigen Vorschriften, etwa den einschlägigen fünf Sicherheitsregeln, aus. Für Auszubildende gilt: keine eigenständigen Messungen an realen Anlagen, keine Netzspannungsversuche, keine Maschinenfreigabe. In diesem Kurs erfolgen alle Prüfaufgaben als Schaltplananalyse, Simulation oder Auswertung vorgegebener fiktiver Messdaten. Ein funktionierendes Signal beweist für sich allein keine elektrische Sicherheit.

Prüfplanung am Papier: Zuerst Sollfunktion und Schaltung definieren, danach zulässige theoretische Größen aus dem Datenblatt ableiten. Anschließend die fiktiven Istwerte tabellieren, Abweichungen kennzeichnen, Ursachen gegeneinander abwägen und das Ergebnis begründet dokumentieren. Das schützt vor vorschnellem Bauteiltausch aufgrund einer einzigen auffälligen Zahl.

Messqualität, Abweichungen und Fehlerhypothesen

Eine Messangabe ohne Messgröße, Einheit und Messpunkt ist unvollständig. Eine nachvollziehbare Datentabelle nennt außerdem die Bedingungen und die Herkunft der Werte: berechnet, simuliert oder real gemessen. Bei realen Messungen kommen Messunsicherheit, Auflösung, Innenwiderstand des Messgeräts und Bauteiltoleranzen hinzu; diese sind im Grundmodell nicht automatisch enthalten.

Beobachtung in der Simulation	Mögliche Erklärung	Sinnvoller nächster Analyseschritt am Dokument
Strom kleiner als Sollwert	Größerer Serienwiderstand oder andere LED-Kennlinie	Widerstand aus U_R/I abschätzen und Datenblattannahme vergleichen
Versorgung liegt rechnerisch nicht an	Fehler im Versorgungspfad oder Datensatz	Eingangsspezifikation und Messpunktbezeichnungen abgleichen
Spannungssumme in der Reihe unplausibel	Rechenfehler, falscher Bezugspunkt oder Übertragungsfehler	Einheiten und Messpunktdefinitionen prüfen
Alle Werte stimmen, Funktion aber nicht	Modell zu vereinfacht oder Funktionskriterium unvollständig	Anforderungsdefinition und Systemebene erneut prüfen

Beachte die Unterscheidung zwischen Befund (etwa 9,9 mA simuliert), Hypothese (zu großer Vorwiderstand) und Nachweis (Widerstand aus den gegebenen Größen konsistent berechnet). Korrelation allein beweist keine Ursache. Die Dokumentation muss alternative Erklärungen benennen können.

Berufstypischer Modellfall mit Musterlösung

Auftrag und synthetische Ausgangsdaten

Eine erfundene Ausbildungswerkstatt erhält für ein Simulationsmodell den Auftrag, eine 12-V-Gleichspannungs-Meldebaugruppe rechnerisch zu bewerten. Die Anzeige besteht aus einer idealisierten LED D1 mit näherungsweise 2,0 V Durchlassspannung und einem Serienwiderstand R1. Es gibt keine echte Schaltung. Für das Trainingsmodell gelten die folgenden vorgegebenen Daten, nicht allgemeingültige LED-Grenzwerte:

Merkmal	Vorgabe des Modellauftrags
Versorgung	U_Q = 12,0 V Gleichspannung, im Modell ideal stabil
LED D1	U_F = 2,0 V als konstante Näherung im betrachteten Punkt
Serienwiderstand R1	Nennwert 560 Ohm; Toleranz ±5 %; Nennbelastbarkeit 0,25 W
Akzeptierter Modellstrom	15,0 bis 20,0 mA, ausschließlich für diese fiktive Aufgabenstellung
Erwartete Funktion	Anzeigen bei geeignetem Signal; keine reale Freigabe
Fehlerbild	In einem zweiten synthetischen Datensatz erscheint die Anzeige schwach

Arbeitsprodukt A: Blockdiagramm in Worten. Versorgung 12 V → Serienwiderstand R1 → LED D1 → Rückleiter. Arbeitsprodukt B: Prüfmatrix. Zu vergleichen sind Quellenspannung, Widerstandsspannung, LED-Spannung, Zweigstrom, berechneter Widerstandswert und Verlustleistung des Widerstands. Die Prüfmethode ist ausschließlich rechnerisch oder simulativ.

Sollwertrechnung mit nachvollziehbaren Zwischenschritten

Erstens: Spannung am Widerstand U_R = U_Q − U_F = 12,0 V − 2,0 V = 10,0 V. Zweitens: Strom I_soll = U_R/R1 = 10,0 V / 560 Ohm = 0,017857 A ≈ 17,9 mA. Drittens: Verlustleistung am Widerstand P_R = U_R × I = 10,0 V × 0,017857 A = 0,17857 W ≈ 0,179 W. Im vereinfachten Nennmodell liegt das unter 0,25 W. Daraus folgt keine reale Freigabe: thermische Umgebung, Bauteiltoleranz, Belastungsreserve und Datenblatt müssen für den tatsächlichen Einsatz gesondert fachlich bewertet werden.

Viertens: Toleranzgrenzen. R_min = 560 × 0,95 = 532 Ohm; R_max = 560 × 1,05 = 588 Ohm. Wenn ausschließlich R variiert und U_Q sowie U_F konstant angenommen werden, reicht der rechnerische Strom von 10/588 A = 17,0 mA bis 10/532 A = 18,8 mA. Beide Werte liegen im hier fiktiv vorgegebenen Stromfenster. Weitere Streuungen wie Versorgungsschwankung oder LED-Kennlinienänderung sind noch nicht berücksichtigt.

Ist-Daten, Diagnose und begründete Entscheidung

Der fiktive Simulator meldet folgende Werte. Eine echte Messung wurde nicht durchgeführt:

Größe	Sollmodell	Auffälliger Simulationsdatensatz	Befund
Versorgung U_Q	12,0 V	12,0 V	Versorgung im Modell plausibel
LED-Spannung U_F	etwa 2,0 V	2,1 V	kleine Abweichung vom Näherungswert
Widerstandsspannung U_R	etwa 10,0 V	9,9 V	Summe mit U_F ergibt 12,0 V
Strom I	etwa 17,9 mA	9,9 mA	außerhalb des vorgegebenen Fensters

Diagnoserechnung: Aus den beiden simulierten Größen U_R = 9,9 V und I = 0,0099 A ergibt sich R_eff = U_R/I = 1000 Ohm. Dieser Wert liegt deutlich außerhalb des Nennbereichs 532–588 Ohm. Damit passt die Hypothese eines im Simulationsmodell auf 1 kOhm gesetzten Serienwiderstands zu allen angegebenen Größen. Die Rechnung beweist allerdings nicht, dass ein realer Defekt genau diese Ursache hätte. In einem virtuellen Gegenversuch wird R wieder auf 560 Ohm gesetzt: Mit U_F = 2,0 V sagt das Basismodell erneut etwa 17,9 mA voraus. Erst die Übereinstimmung mit dem fiktiven Akzeptanzbereich würde für diesen Modellauftrag den Funktionsnachweis ergeben.

Muster-Arbeitsprodukt C: Prüfurteil. „Der simulierte Strom von 9,9 mA unterschreitet das Modellfenster. Der aus 9,9 V und 9,9 mA abgeleitete Widerstand von 1,0 kOhm widerspricht der Sollvorgabe 560 Ohm ±5 %. Die plausible Hauptursache ist ein abweichend parametrierter R1; empfohlen wird ausschließlich die Korrektur und erneute Prüfung des Simulationsmodells. Eine reale Anlage ist nicht geprüft und nicht freigegeben.“

Fachliches Bewertungsraster für den Modellfall

Kriterium	Voll erfüllt	Teilweise erfüllt	Nicht erfüllt	Punkte
Anforderungen und Systemebenen	Eingang, Ausgang, Bauteile und Prüfkriterien eindeutig	einzelne Angaben fehlen	keine nachvollziehbare Beschreibung	0–4
Sollrechnung	U_R, I, P und Toleranz vollständig richtig mit Einheiten	kleiner Rechen- oder Rundungsfehler	wesentliche Rechnung falsch	0–6
Analyse der Simulationsdaten	R_eff = 1000 Ohm korrekt und mit Sollbereich verglichen	Rechnung oder Vergleich unvollständig	Ursache unbegründet behauptet	0–6
Nachvollziehbare Dokumentation	Tabelle, Quellenart, Hypothese und Gegenprüfung sauber getrennt	einzelne Angaben nicht prüfbar	Ergebnis ohne Belege	0–4
Sicherheits- und Modellgrenzen	keine Realfreigabe, Grenzen und fachliche Anleitung ausdrücklich genannt	eine Grenze fehlt	reale Freigabe wird fälschlich behauptet	0–4

Gesamt: 24 Punkte. Orientierung: 21–24 = sicher begründet; 17–20 = weitgehend begründet; 12–16 = teilweise nachvollziehbar; 0–11 = Grundlagen nacharbeiten. Die Bewertung dient dem Training, nicht einer offiziellen Abschlussprüfung. Bei jeder sachlich unbegründeten Aussage zur realen Sicherheitsfreigabe muss der Sicherheitsaspekt unabhängig vom Punktestand korrigiert werden.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Fachwissen anwenden

Welche Folge beschreibt die Systemhierarchie einer Meldeeinheit sinnvoll vom Großen zum Kleinen? (Anlage dann Gerät dann Baugruppe dann Bauelement) (!Bauelement dann Anlage dann Gerät dann Baugruppe) (!Baugruppe dann Bauelement dann Anlage dann Gerät) (!Gerät dann Anlage dann Bauelement dann Baugruppe)

Rückmeldung: Eine Anlage kann Geräte umfassen, die aus Baugruppen und einzelnen Bauelementen aufgebaut sind. Die Unterscheidung erleichtert die Eingrenzung einer Störung.

Wie groß ist der Strom durch einen idealen Widerstand von 1000 Ohm bei 5 Volt? (5 Milliampere) (!0,5 Milliampere) (!50 Milliampere) (!200 Milliampere)

Rückmeldung: 5 V geteilt durch 1000 Ohm sind 0,005 A oder 5 mA. Achte besonders auf den Faktor tausend bei der Umrechnung.

Welche Aussage gilt für zwei idealisierte Widerstände in Reihe? (Durch beide Widerstände fließt derselbe Strom) (!An beiden Widerständen liegt immer dieselbe Spannung) (!Der Gesamtwiderstand ist stets kleiner als der kleinere Einzelwiderstand) (!Die Teilströme müssen miteinander addiert werden)

Rückmeldung: Eine Reihenschaltung hat nur einen Strompfad. Die Einzelspannungen können sich unterscheiden und ergeben zusammen die Gesamtspannung.

Was ist bei zwei parallel geschalteten ohmschen Widerständen gleich? (Die Spannung an beiden Widerständen) (!Die Stromstärke in beiden Zweigen unabhängig von den Werten) (!Die elektrische Leistung in beiden Widerständen) (!Der Widerstand beider Bauelemente)

Rückmeldung: Parallele Zweige besitzen dieselben beiden Knoten, daher dieselbe Spannung. Die Zweigströme hängen von den jeweiligen Widerständen ab.

Welche Anordnung zeigt im Schaltbild eine Spannungsmessung an R1? (Das Voltmeter liegt parallel zu R1) (!Das Voltmeter ersetzt R1 in der Reihenschaltung) (!Das Amperemeter liegt parallel zu R1) (!Das Ohmmeter wird an die eingeschaltete Quelle angeschlossen)

Rückmeldung: Die Spannung wird zwischen zwei Punkten erfasst, also parallel. Falsche Messanordnungen können gefährlich sein und dürfen nicht praktisch erprobt werden.

Welche Aussage über das vereinfachte LED-Modell ist fachlich richtig? (Die angesetzte Durchlassspannung ist ein Näherungswert für den betrachteten Betriebspunkt) (!Eine LED ist in jedem Betriebszustand ein idealer ohmscher Widerstand) (!Jede LED hat unabhängig vom Typ exakt dieselbe Durchlassspannung) (!Eine LED benötigt grundsätzlich keinen strombegrenzenden Schaltungsentwurf)

Rückmeldung: Die Durchlassspannung hängt vom Typ und vom Arbeitspunkt ab. Das konstante Spannungsmodell ist nur eine begrenzte Rechenannahme.

Welcher Bereich gehört zu einem Widerstand von 560 Ohm mit fünf Prozent Toleranz? (532 bis 588 Ohm) (!555 bis 565 Ohm) (!280 bis 840 Ohm) (!560 bis 616 Ohm)

Rückmeldung: Fünf Prozent von 560 Ohm sind 28 Ohm. Dieser Betrag wird vom Nennwert abgezogen und zu ihm addiert.

Welche Widerstandsleistung folgt im idealen Modell aus 10 Volt und 20 Milliampere? (0,20 Watt) (!0,02 Watt) (!2,0 Watt) (!200 Watt)

Rückmeldung: Mit P = U mal I und I = 0,020 A erhältst Du 0,20 W. Milliampere dürfen nicht wie Ampere eingesetzt werden.

Welche Diagnose passt zu den fiktiven Daten 9,9 Volt am Serienwiderstand und 9,9 Milliampere Strom? (Ein wirksamer Serienwiderstand von etwa 1000 Ohm) (!Ein wirksamer Serienwiderstand von etwa 100 Ohm) (!Ein wirksamer Serienwiderstand von etwa 560 Ohm) (!Ein wirksamer Serienwiderstand von etwa 10 Ohm)

Rückmeldung: Der Quotient 9,9 V / 0,0099 A ergibt 1000 Ohm. Das ist eine modellgestützte Hypothese und kein Beweis für einen realen Defekt.

Welche Aussage ist als Ergebnis des fiktiven Modellfalls zulässig? (Die simulierte Funktion kann nach Korrektur rechnerisch geprüft werden) (!Die reale Maschine ist damit elektrisch sicher freigegeben) (!Die Bauteiltemperatur ist für jeden Einbauort nachgewiesen) (!Eine qualifizierte fachliche Prüfung ist grundsätzlich überflüssig)

Rückmeldung: Eine Simulation zeigt Übereinstimmung mit den Annahmen des Modells. Sie ersetzt keine sicherheitstechnische Bewertung einer realen Anlage.

Memory: Begriff und Funktion

Finde zu jedem Begriff genau die passende Erklärung. Alle sechs Paare sind unterschiedlich.

Spannungsquelle	Stellt eine elektrische Potentialdifferenz bereit
Serienwiderstand	Begrenzt den Strom im betrachteten Zweig
LED	Emittiert bei geeignetem Betrieb Licht
Schaltplan	Beschreibt elektrische Verbindungen symbolisch
Voltmeter	Erfasst die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten
Toleranz	Kennzeichnet die zulässige Wertabweichung vom Nennwert

Drag-and-drop: Prüfbegriffe zuordnen

Ordne jeder fachlichen Tätigkeit das passende Ergebnis zu. Die Zuordnung ist eine gedankliche Aufgabe; keine reale Messung ausführen.

Fachliche Tätigkeit	Passendes Ergebnis
Sollwertberechnung	Erwartete Stromstärke aus Formeln und Annahmen
Schaltplananalyse	Eindeutige Strompfade und Bauteilkennzeichnungen
Plausibilitätsprüfung	Kontrolle von Einheiten und Größenordnungen
Fehlerhypothese	Begründete mögliche Ursache einer Abweichung
Prüfprotokoll	Nachvollziehbar dokumentierte Bedingungen und Befunde

Kreuzworträtsel: Grundbegriffe

Trage die sechs Fachwörter ein. Die Antworten bestehen jeweils aus einem einzelnen Wort.

Spannung	Welche elektrische Größe wird in Volt angegeben?
Stromstärke	Welche Größe beschreibt den Ladungsfluss pro Zeit?
Widerstand	Welche Größe wird in Ohm angegeben?
Leistung	Welche elektrische Größe wird in Watt angegeben?
Schaltplan	Welche Unterlage zeigt elektrische Verbindungen mit Symbolen?
Fehlersuche	Wie heißt die systematische Eingrenzung einer Störungsursache?

LearningApps: weitere Übungen finden

Die verlinkte Suchseite zeigt fremde, inhaltlich unterschiedlich geeignete Übungen. Prüfe die Aufgabenstellung kritisch und vergleiche die Lösungen mit den Fachkapiteln; der Kurs übernimmt keine Verantwortung für dortige Inhalte.

Lückentext: Analyse und Funktionsprüfung

Ergänze jede Aussage mit einem passenden Fachwort oder Wert aus den Kapiteln.

Die kleinste hier betrachtete Systemebene heißt

. Ein Schaltplan stellt die elektrischen

dar. Die elektrische Spannung wird in

angegeben. Die elektrische Stromstärke wird in

angegeben. Der elektrische Widerstand wird in

angegeben. In einer Reihenschaltung fließt durch alle Bauteile derselbe

. An zwei parallel angeschlossenen idealen Widerständen liegt dieselbe

an. Ein Voltmeter wird zum Prüfling

geschaltet. Die Leistung berechnet sich aus Spannung mal

. Der Sollwert des Modellwiderstands beträgt

Ohm. Der aus den auffälligen Simulationsdaten abgeleitete Widerstand beträgt

Ohm. Eine Simulation ersetzt keine reale sicherheitstechnische

.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben möglichst mit Schaltplan-Editor, Tabelle, Bildkommentar, Bildschirmaufzeichnung oder Textdokument. Verwende ausschließlich synthetische Datensätze und kennzeichne alle Werte als berechnet oder simuliert. Keine selbstständigen Arbeiten an elektrischen Geräten oder Anlagen; Demonstrationen nur im angeleiteten Unterricht durch qualifizierte Personen.

Leicht

Ebenen erkennen: Erstelle zu einer erfundenen Meldeeinheit eine Vier-Ebenen-Grafik von Anlage bis Bauelement und erläutere die Aufgabe jeder Ebene in einem Satz.
Symbole erklären: Gestalte eine digitale Lernkarte zu Spannungsquelle, Widerstand, LED, Voltmeter und Amperemeter; ergänze je eine Aussage zur Funktion und einen typischen Verwechslungsfehler.
Grundgrößen berechnen: Berechne für 6,0 V an einem idealen 300-Ohm-Widerstand den Strom in A und mA sowie die Leistung in W. Dokumentiere den vollständigen Rechenweg.
Prüfwortschatz: Erstelle ein deutsch-englisches Glossar mit zehn Fachausdrücken aus einem öffentlich zugänglichen Bauteildatenblatt; unterscheide typische Werte von Grenzwerten.

Standard

Spannungsteilung prüfen: Berechne für 220 Ohm und 330 Ohm in Reihe an 11 V den Gesamtstrom und die beiden Teilspannungen; zeichne ein beschriftetes Schema und überprüfe die Spannungssumme.
Parallele Zweige auswerten: Simuliere zwei Widerstände von 200 und 300 Ohm an 10 V und liefere Ersatzwiderstand, Zweigströme, Gesamtstrom und Plausibilitätsprüfung.
Kennlinie darstellen: Erstelle aus der synthetischen 560-Ohm-Tabelle ein U-I-Diagramm mit Einheiten, beschreibe die Steigung und nenne zwei Grenzen der Idealisierung.
Messprotokoll interpretieren: Vergleiche die Sollwerte des LED-Modells mit den vier abweichenden Ist-Werten, trenne Beobachtung, Hypothese und Gegenprüfung und formuliere ein kurzes Prüfurteil.

Schwer

Toleranzanalyse: Bestimme für den 560-Ohm-Widerstand mit ±5 % die Stromgrenzen im vereinfachten LED-Modell und diskutiere zusätzlich qualitativ den Einfluss einer veränderten LED-Durchlassspannung.
Verlustleistungsbewertung: Berechne bei 12 V Quelle, 2 V Modell-LED-Spannung und 560 Ohm die Widerstandsleistung; erläutere, warum die Angabe 0,25 W allein keine vollständige thermische Auslegung beweist.
Diagnosealternativen prüfen: Entwirf drei verschiedene Fehlerhypothesen für eine schwache LED-Anzeige und bewerte anhand ausdrücklich erfundener Messdaten, welche Informationen jede Hypothese bestätigen oder widerlegen würden.
Prüfbericht und Fachgespräch: Fertige einen vollständigen simulierten Prüfbericht mit Anforderung, Schaltbild, Sollrechnung, Datenvergleich, Diagnose, Grenzen und einer zweiminütigen mündlichen Erklärung als Audio oder Video ohne reale Betriebsdaten an.

Musterlösungen und Bewertungskriterien für die offenen Aufgaben

Die folgenden Beispielergebnisse sind keine einzigen gültigen Lösungswege. Eine fachlich gleichwertige, transparent begründete Lösung ist ebenfalls richtig. Bei allen zwölf Aufgaben zählen richtige Einheiten, korrekt ausgewiesene Modellannahmen, Nachvollziehbarkeit und die Einhaltung der Sicherheitsgrenzen.

Aufgabe	Beispielhaftes Musterarbeitsprodukt	Fachliche Mindestkriterien
Leicht 1	Anlage → Gerät → Meldeplatine → Widerstand/LED als vier beschriftete Kästen	Hierarchie korrekt, Wirkungskette erläutert
Leicht 2	Digitale Karte „Voltmeter: Spannung zwischen zwei Punkten; parallel“	fünf Symbole korrekt erklärt, Verwechslungsfehler nachvollziehbar
Leicht 3	I = 6/300 A = 0,020 A = 20 mA; P = 6 × 0,020 W = 0,12 W	Formel, Umrechnung, Einheit, Plausibilität
Leicht 4	Glossar etwa „forward voltage = Durchlassspannung“, „rated power = Nennleistung“	zehn passende Begriffe, Datenblattquelle, Grenz-/Typwert getrennt
Standard 1	R_ges = 550 Ohm; I = 20 mA; U1 = 4,4 V; U2 = 6,6 V	Schaltung korrekt, 4,4 + 6,6 = 11 V
Standard 2	R_ges = 120 Ohm; I1 = 50 mA; I2 = 33,3 mA; I_ges = 83,3 mA	gleiche Zweigspannung, korrekte Stromsumme
Standard 3	Gerade vom Nullpunkt bis 10 V / 17,86 mA	Achsen, Einheiten, Steigung 1/560 A/V, Modellgrenzen
Standard 4	U_R + U_LED = 12 V; I_ist = 9,9 mA; R_eff = 1000 Ohm	Befund von Hypothese getrennt, kein Realfreigabeurteil
Schwer 1	R von 532 bis 588 Ohm; Modellstrom etwa 18,8 bis 17,0 mA	Toleranz richtig, LED-Spannung nicht als Naturkonstante behandelt
Schwer 2	P_R = 10 V × 0,017857 A = 0,179 W	Leistung richtig, Temperatur und Derating als offene Punkte erwähnt
Schwer 3	Hypothesen: falscher R-Wert, abweichende Versorgung, andere LED-Kennlinie	je Ursache ein unterscheidendes simuliertes Indiz und eine Gegenprüfung
Schwer 4	Zweitseitiger Modell-Prüfbericht mit Schaltbild, Tabelle, Rechnung und Diagnose	reproduzierbar, Grenzen ausdrücklich, keine Betriebsdaten

Lernkontrolle

Diese zusätzlichen Lernkontrollaufgaben vertiefen das Denken über die bloßen Quizfragen hinaus. Notiere jeweils Rechnung, Begründung und Modellgrenzen; das sind eigenständig formulierte Übungsfragen, keine amtlichen Prüfungsaufgaben.

Transfer der Systemebenen: Eine Sensoranzeige reagiert nicht. Entwickle einen Entscheidungsbaum, der von Anlage über Gerät und Baugruppe bis zum Bauelement führt, und begründe, welche Dokumente je Ebene gebraucht werden.
Einheitenfehler entdecken: In einem Bericht steht „5 V / 1000 Ohm = 5 A“. Finde den Fehler, korrigiere ihn und erläutere, welche falschen Folgeentscheidungen daraus entstehen könnten.
Regeln begründen: Zwei in Reihe liegende Widerstände ergeben zusammen 700 Ohm. Diskutiere, wie sich der Strom bei konstanten 14 V ändert, wenn einer der Widerstände vergrößert wird, und prüfe Dein Argument mit einem Zahlenbeispiel.
Plausibilität testen: Zwei Zweige mit 100 und 200 Ohm liegen an 10 V. Rechne Zweig- und Gesamtstrom aus und erkläre, warum der Ersatzwiderstand unter 100 Ohm liegt.
Datenkonflikt auflösen: Für die LED-Meldeschaltung werden 12,0 V Versorgung, 2,1 V LED-Spannung, 8,0 V Widerstandsspannung und 9,9 mA gemeldet. Beurteile die Konsistenz der Zahlen und nenne mindestens zwei mögliche Ursachen des Widerspruchs.
Prüfgrenzen beurteilen: Eine Person behauptet nach einer gelungenen Simulation, das reale Gerät sei sicher. Erstelle eine fachliche Gegenargumentation, die Funktionsprüfung, Sicherheitsbewertung, Zuständigkeit und Dokumentation trennt.

Kurzer Lösungshorizont: Aufgabe 2 ergibt 0,005 A = 5 mA; Aufgabe 3 ergibt vor der Änderung 14/700 A = 20 mA, ein größerer Gesamtwiderstand senkt den Strom; Aufgabe 4 ergibt 100 mA und 50 mA, zusammen 150 mA und rund 66,7 Ohm; Aufgabe 5 enthält einen Widerspruch, denn 2,1 + 8,0 = 10,1 V statt 12,0 V. Aufgabe 1 verlangt einen begründeten Entscheidungsbaum mit Quellen; Aufgabe 6 muss eine reale Freigabe ausdrücklich ausschließen.

Lernnachweis

Wissen: Du erklärst Anlage, Gerät, Baugruppe und Bauelement, grundlegende Schaltsymbole, elektrische Größen, ohmsches Verhalten und die Regeln der Reihen- und Parallelschaltung. Du kennst die Grenze zwischen Kennwert, Toleranz und sicherheitsrelevantem Grenzwert.

Fertigkeiten: Du liest einen einfachen Stromlaufplan, rechnest mit A, mA, Ohm, kOhm, Volt und Watt, führst Soll-Ist-Vergleiche durch, leitest aus fiktiven Messdaten prüfbare Hypothesen ab und dokumentierst Rechenwege sowie Annahmen.

Arbeitsprodukte: Vier-Ebenen-Systembild, beschriftetes Schaltschema, Rechenblatt, Kennliniendiagramm, ausgewertetes Simulationsprotokoll und ein begründetes Prüfurteil. Mindestens ein Produkt soll den vollständigen Modellfall mit dem Bewertungsraster abdecken.

Transfer: Du kannst die beschriebene Vorgehensweise auf eine andere, synthetisch modellierte Melde- oder Sensorbaugruppe übertragen und erläutern, welche neuen Datenblätter, Funktionen und Sicherheitsfragen dann zu prüfen wären. Als Nachweis gilt nicht ein eigenständig ausgeführter gefährlicher Aufbau.

Selbstkontrolle: Prüfe zuerst selbst anhand des Rasters, anschließend durch eine Lernpartnerin oder einen Lernpartner und zuletzt mit der Fachlehrkraft. Ein KI-Feedback darf Rechnungen hinterfragen, ist aber keine fachliche Anlagenfreigabe.

OER und Wikipedia

Verbindliche Quellen für den Beruf und das Lernfeld:

KMK-Rahmenlehrplan: Elektroniker für Informations- und Systemtechnik, Lernfeld 1, Seite 10. Maßgeblich für Inhalte und den Zeitrichtwert des ersten Ausbildungsjahres.
BIBB: Berufsinformation Elektroniker/-in für Informations- und Systemtechnik. Enthält Ausbildungsdauer, Tätigkeitsprofil, Einsatzgebiete sowie Links zu Rechtsgrundlagen.
Ausbildungsordnung für die industriellen Elektroberufe – amtliche konsolidierte Onlinefassung. Besonders einschlägig: § 23 bis § 26 zum Berufsbild und zur gestreckten Abschlussprüfung. Hier werden bewusst keine ungeprüften Zeiten und Gewichtungen wiedergegeben; Kursaufgaben sind keine Originalprüfungsaufgaben.
Wikipedia: Ohmsches Gesetz als ergänzendes Nachschlagewerk; prüfe Aussagen anhand der Fachquellen.
Wikipedia: Kirchhoffsche Regeln als Vertiefung für Knoten- und Maschenbeziehungen.

Geprüfte Bilder und ihre Nutzungsrechte

Die folgenden Wikimedia-Commons-Dateiseiten wurden für Dateinamen, Motiv und ausgewiesene Lizenz herangezogen. Die in den Kapiteln eingebetteten Werke bleiben den jeweiligen Lizenzbedingungen unterworfen. Eine Namensnennung bedeutet nicht, dass die Abbildungen von den Kursautorinnen oder -autoren stammen. Für CC-BY-SA gilt Namensnennung und Weitergabe unter gleichen Bedingungen bei Bearbeitungen.

Eingebundene Datei	Dateiseite und Beschreibung	Urheber	Lizenz bzw. Rechtehinweis
File:LED circuit.svg	LED und Widerstand	Wikimedia-Commons-Dateiverlauf, Urheberangabe auf Dateiseite	CC BY-SA 2.5
File:LED symbol.svg	LED-Schaltzeichen	Omegatron	CC BY-SA 3.0
File:Resistor Color Code.svg	Widerstandsfarbcode	Knarfili	CC0 1.0
File:Series and parallel circuits.svg	Reihen- und Parallelschaltung	Xyzzy n	CC BY-SA 3.0
File:Ohm's-law-triangle.svg	Merkdreieck	MikeRun	CC BY-SA 4.0
File:Measuring Voltage.svg	Voltmeter-Schaltung	Andreas B Mundt	CC BY-SA 3.0
File:Measuring Current.svg	Amperemeter-Schaltung	Andreas B Mundt	CC BY-SA 3.0
File:Handheld DMM.svg	Digitalmultimeter	Inductiveload	Gemeinfrei gemäß Dateiseite

Fachvideos und Einbettung

Eingebettetes Video	Geprüfter Videoeintrag	Kanal bzw. Urheber	Rechtehinweis
https://www.youtube.com/watch?v=CJCpXFURWLw	Reihen- und Parallelschaltung	rund um die Elektrotechnik	Externe Einbettung; keine offene Weiterverwendungslizenz nachgewiesen
https://www.youtube.com/watch?v=d66YUs-H-UQ	Widerstand und Ohmsches Gesetz	Conrad Academy / Conrad Electronic	Externe Einbettung; keine offene Weiterverwendungslizenz nachgewiesen
https://www.youtube.com/watch?v=rTas2ePnObo	Messen mit digitalem Multimeter	HomoFaciens	Externe Einbettung; keine offene Weiterverwendungslizenz nachgewiesen

OER-Hinweis: Die eigenständig formulierten Fachtexte, Fallzahlen, Übungen und Musterlösungen dieses Kurses können unter einer geeigneten offenen Lizenz des Kursprojekts weitergegeben werden. Drittmedien behalten ihre eigenen Lizenzen; YouTube-Videos sind nicht automatisch OER. Die angegebenen Fakten und hypothetischen Werte sind von den urheberrechtlich geschützten Darstellungsformen zu unterscheiden.

Verknüpfte Lernbereiche

Passende bereits auffindbare MOOCwiki-Kurse: Ohmsches Gesetz, Reihenschaltung, Parallelschaltung, Parallelschaltung von Widerständen und Elektrotechnik - Spannung. Berufsportal: Ausbildung – Elektroniker für Informations- und Systemtechnik. Von dort aus können die weiteren Lernfelder der Ausbildung erschlossen werden. Die internen Links sind Lernangebote, keine Behauptung über den Bearbeitungsstand anderer Fachübungskurse.

Beruf und Lernfelder