T9 E - Elektronische Schaltung systematisch prüfen
T9 E - Elektronische Schaltung systematisch prüfen
T9 E - Elektronische Schaltung systematisch prüfen
Zielgruppe: Klasse 9, E-Niveau, Technik in Baden-Württemberg
Leitidee: Nicht zufällig Bauteile austauschen. Erst verstehen, dann messen, vergleichen, eingrenzen, begründen und kontrollieren.
Einleitung
Eine elektronische Schaltung funktioniert nicht. Was nun? Gute Fehlerdiagnose beginnt nicht mit Raten. Du liest den Schaltplan, legst sinnvolle Messpunkte fest und vergleichst Sollwerte mit Istwerten.
Der wichtigste Denkweg lautet:
Funktion verstehen → Sollwerte festlegen → gezielt messen → Abweichung finden → Fehler eingrenzen → Korrektur begründen → erneut prüfen.
Bildlegende: Eine reale Steckbrettschaltung enthält viele mögliche Fehlerstellen: Bauteilanschlüsse, Steckkontakte, Leitungen, Polarität und Versorgung.
Medienauftrag: Betrachte das Bild 30 Sekunden. Markiere auf einer Skizze drei Stellen, an denen eine Unterbrechung entstehen könnte. Begründe danach, welcher Messpunkt zuerst besonders viel Information liefern würde.
Bildungsplanbezug und Lernziele
Der Bildungsplan Technik Baden-Württemberg, überarbeitete Fassung 2026 nennt für elektro- und elektronische Systeme unter anderem Schaltpläne mit genormten Symbolen, aufgabenbezogene Berechnungen, das Beurteilen unterschiedlicher Schaltungsaufbauten und Simulationsprogramme sowie auf E-Niveau das selbstständige Erkennen von Fehlern und das Durchführen geeigneter Maßnahmen.
Dieser aiMOOC trainiert besonders:
| Kompetenz | Du kannst ... |
|---|---|
| Schaltplananalyse | eine Schaltung in Funktionsabschnitte zerlegen. |
| Fehlerdiagnose | Fehler logisch eingrenzen statt Bauteile auf Verdacht zu tauschen. |
| Soll-Ist-Vergleich | erwartete und gemessene Werte gegenüberstellen. |
| Messpunkt | Messstellen mit hoher Aussagekraft auswählen. |
| Simulation | Unterbrechung, Polaritätsfehler und Kurzschluss gefahrlos simulieren. |
| Technische Begründung | eine Korrektur mit Schaltplan und Messwerten begründen. |
| Prüfungsvorbereitung | aus Messwerttabellen und Schaltplänen einen Fehler lokalisieren. |
Sicherheitsrahmen
Praxis erfolgt nur nach schulischer Unterweisung, unter Aufsicht und mit der erforderlichen persönlichen Schutzausrüstung.
- Es wird keine Netzspannung verwendet.
- Elektrische Versuche erfolgen nur mit von der Schule freigegebenen Komponenten und sicherer Kleinspannung.
- Gefährliche Maschinen werden nicht eigenständig benutzt.
- Schaltungen werden vor Änderungen spannungsfrei geschaltet.
- Widerstands-, Durchgangs- und Diodenmessungen erfolgen nur nach Anweisung und an spannungsfreien Schaltungen.
- Strommessungen erfolgen praktisch nur nach ausdrücklicher Unterweisung, weil eine falsche Messgeräteeinstellung selbst einen Kurzschluss verursachen kann.
- Ein absichtlicher Kurzschluss einer Spannungsquelle wird niemals praktisch erzeugt. Kurzschlussfehler werden in diesem aiMOOC ausschließlich im sicheren Simulationskontext untersucht.
- Bei Unsicherheit wird nicht weiterprobiert. Die Lehrkraft entscheidet über den nächsten praktischen Schritt.
Merksatz: Simulation darf Fehler absichtlich erzeugen. Im realen Aufbau suchst Du Fehler, ohne neue Gefahren zu erzeugen.
Fachbegriffe direkt erklärt
| Fachbegriff | Kurze Erklärung |
|---|---|
| Fehlerdiagnose | Geplantes Eingrenzen einer Ursache mithilfe von Schaltplan, Beobachtung und Messwerten. |
| Unterbrechung | Der leitende Strompfad ist geöffnet. In einem einfachen Serienzweig fließt dadurch kein Strom. |
| Kurzschluss | Eine unbeabsichtigte sehr niederohmige Verbindung überbrückt einen vorgesehenen Strompfad. Im Kurs wird dieser Fehler gezielt nur simuliert. |
| Polarität | Zuordnung von Plus und Minus beziehungsweise Anode und Kathode bei gepolten Bauteilen. |
| Messpunkt | Vorher festgelegte Stelle im Schaltplan, an der eine elektrische Größe geprüft wird. |
| Sollwert | Erwarteter Wert bei einer fehlerfreien Schaltung. |
| Istwert | Tatsächlich gemessener oder simulierter Wert. |
| Soll-Ist-Vergleich | Vergleich von erwartetem und gemessenem Wert. Die Abweichung liefert eine Spur zum Fehler. |
Unterbrechung und Kurzschluss unterscheiden
Bildlegende: Eine Unterbrechung entspricht idealisiert einem geöffneten Strompfad. Der Strom kann nicht durch diesen Pfad fließen.
Bildlegende: Ein Kurzschluss entspricht idealisiert einer sehr niederohmigen Verbindung. Ein vorgesehener Verbraucher kann dadurch überbrückt werden.
Medienauftrag: Vergleiche die drei Darstellungen. Markiere jeweils den Strompfad. Formuliere dann in einem Satz: Was ist bei einer Unterbrechung offen, was ist beim Kurzschluss überbrückt?
Polarität erkennen
Bildlegende: Eine LED ist gepolt. Anode und Kathode müssen im Schaltplan richtig zugeordnet sein.
Medienauftrag: Decke die Beschriftung gedanklich ab. Zeige zuerst auf Anode und Kathode. Vergleiche danach mit der Beschriftung. Übertrage die Polarität in ein eigenes LED-Schaltzeichen.
Vom Schaltplan zum Aufbau
Ein Schaltplan zeigt elektrische Verbindungen. Ein Breadboard zeigt dagegen räumliche Steckplätze. Die räumliche Nähe zweier Löcher bedeutet nicht automatisch, dass sie elektrisch verbunden sind.
Bildlegende: Die Grafik zeigt die internen leitenden Verbindungen eines Breadboards.
Medienauftrag: Markiere drei Gruppen miteinander verbundener Kontakte. Suche danach zwei benachbarte Kontakte, die gerade nicht miteinander verbunden sind.
Diagnosefrage: Ein Widerstandsbein steckt eine Reihe zu weit. Welche Information brauchst Du zuerst: die Farbe des Widerstands oder die interne Kontaktstruktur des Breadboards? Begründe.
Lösung anzeigen
Zuerst ist die Kontaktstruktur entscheidend. Ein korrekt dimensionierter Widerstand hilft nicht, wenn sein Anschluss elektrisch am falschen Knoten steckt.
Bauteilwert prüfen, nicht blind tauschen
Bildlegende: Farbringe codieren den Widerstandswert. Der Bauteilwert lässt sich damit mit dem Schaltplan vergleichen.
Medienauftrag: Suche in einem vorgegebenen Schaltplan einen Widerstandswert. Vergleiche ihn mit dem dargestellten Farbcode. Ein abweichender Wert ist eine Hypothese, noch kein vollständiger Beweis für den Fehler.
Das Messgerät als Diagnosewerkzeug
Bildlegende: Für die Fehlersuche ist die Spannungsmessung besonders nützlich, weil Du Knotenpotentiale vergleichen kannst, ohne den Stromkreis an der Messstelle aufzutrennen.
Videoauftrag: Notiere beim Ansehen drei Prüfpunkte vor einer Messung: Messgröße, Buchse und Messbereich. Ergänze einen vierten Punkt: Bezugspunkt der Messung.
Videoauftrag: Stoppe das Video an einer Spannungsmessung. Zeichne nur Messgerät und die beiden Messspitzen in Deinen Schaltplan ein. Entscheide: Wird die Spannung zwischen zwei Punkten oder an nur einem Punkt bestimmt?
Selbstkontrolle
Eine Spannung wird immer zwischen zwei Punkten gemessen. In Diagnoseaufgaben wird häufig ein fester Bezugspunkt M0 mit 0 V verwendet.
Systematische Fehlerdiagnose
Zufälliges Austauschen ist langsam und kann neue Fehler erzeugen. Eine gute Diagnose folgt einer festen Logik.
| Schritt | Frage | Ergebnis |
|---|---|---|
| 1 | Was soll die Schaltung tun? | Funktion ist beschrieben. |
| 2 | Wo sind Versorgung und Bezugspunkt? | Plus, Minus und M0 sind markiert. |
| 3 | Welche Sollwerte erwartest Du? | Messpunkte haben erwartete Werte. |
| 4 | Welcher Messpunkt teilt den möglichen Fehlerbereich sinnvoll? | Ein aussagekräftiger Messpunkt ist gewählt. |
| 5 | Was zeigt der Istwert? | Soll und Ist werden verglichen. |
| 6 | Welche Fehlerhypothesen passen noch? | Unpassende Ursachen werden ausgeschlossen. |
| 7 | Welche Zusatzmessung unterscheidet die restlichen Hypothesen? | Fehlerbereich wird weiter eingegrenzt. |
| 8 | Welche Korrektur ist technisch begründet? | Maßnahme wird durchgeführt oder in der Prüfung beschrieben. |
| 9 | Stimmen die Werte danach? | Funktionskontrolle bestätigt die Korrektur. |
Diagnoseregel: Ein guter Messpunkt beantwortet eine klare Frage. Miss nicht, nur weil ein Messgerät vorhanden ist.
Messpunkte mit hoher Aussagekraft wählen
Beispiel einer einfachen Reihenschaltung:
M1 → R1 → M2 → R2 → M0
M0 ist der Bezugspunkt mit 0 V. M1 liegt an der Versorgung. M2 liegt zwischen den beiden Widerständen.
Wenn M1 stimmt, liegt der Fehler wahrscheinlich nicht vor M1. Wenn M2 abweicht, wird der Fehlerbereich kleiner.
Denkstrategie: Wähle möglichst einen Messpunkt, der den noch möglichen Fehlerbereich in zwei sinnvolle Teile teilt. Das ähnelt einer systematischen Suche statt einem zufälligen Probieren.
Fehlerlabor 1: Messwerte logisch auswerten
Wir verwenden im sicheren Modell eine ideale Gleichspannungsquelle von 6,0 V, zwei Widerstände R1 = 1 kΩ und R2 = 1 kΩ in Reihe sowie den Bezugspunkt M0 = 0 V.
Fehlerfreier Sollzustand:
| Größe | Sollwert | Begründung |
|---|---|---|
| U an M1 gegen M0 | 6,0 V | M1 liegt direkt an der Versorgung. |
| U an M2 gegen M0 | 3,0 V | Zwei gleiche Widerstände teilen die Spannung ideal gleich. |
| Strom I | 3 mA | 6 V liegen an insgesamt 2 kΩ. |
Wichtig: Die folgenden Kurzschlussfälle werden nur simuliert. Praktisch wird keine Spannungsquelle absichtlich kurzgeschlossen.
= Fehlermatrix S1
| Fall | M1 | M2 | I | Mögliche Ursache |
|---|---|---|---|---|
| S1-0 | 6,0 V | 3,0 V | 3 mA | fehlerfrei |
| S1-A | 6,0 V | 0 V | 0 mA | Unterbrechung bei R1 |
| S1-B | 6,0 V | 6,0 V | ungefähr 0 mA | Unterbrechung bei R2 |
| S1-C | 6,0 V | 0 V | ungefähr 6 mA | R2 im Simulator niederohmig überbrückt |
| S1-D | 6,0 V | 6,0 V | ungefähr 6 mA | R1 im Simulator niederohmig überbrückt |
| S1-E | 0 V | 0 V | 0 mA | Versorgung vor M1 unterbrochen |
Logischer Kern:
- M2 = 0 V und I = 0 mA passt zu einer Unterbrechung vor M2.
- M2 = 0 V und ein deutlich größerer Strom passt eher zu einer Überbrückung von R2 im Simulator.
- M2 = 6 V und I ≈ 0 mA passt zu einer Unterbrechung nach M2.
- M2 = 6 V und ein deutlich größerer Strom passt eher zu einer Überbrückung von R1 im Simulator.
So zeigt ein zweiter Messwert, welche von zwei zunächst ähnlichen Hypothesen besser passt.
= Prüfungsnaher Fall 1
Gegeben: M1 = 6,0 V, M2 = 0 V, I = 0 mA.
Auftrag: Lokalisiere den Fehlerbereich. Nenne die wahrscheinlichste Fehlerart. Begründe mit Soll-Ist-Vergleich. Formuliere die Korrektur.
Lösungsweg
M1 entspricht dem Sollwert. Die Versorgung bis M1 ist daher vorhanden. M2 sollte 3,0 V betragen, tatsächlich sind es 0 V. Gleichzeitig fließt kein Strom. Das passt zu einer Unterbrechung im Bereich R1 oder seiner Verbindungen. Korrektur: die unterbrochene Verbindung beziehungsweise R1 korrekt verbinden oder das nachgewiesen defekte Bauteil ersetzen. Danach müssen M2 wieder ungefähr 3,0 V und I ungefähr 3 mA betragen.
= Prüfungsnaher Fall 2
Gegeben: M1 = 6,0 V, M2 = 6,0 V, I ≈ 0 mA.
Auftrag: Begründe, warum ein Kurzschluss von R1 nicht zu diesen drei Messwerten passt.
Lösungsweg
Bei einem simulierten Kurzschluss von R1 läge M2 zwar ebenfalls nahe 6,0 V, aber durch R2 würde ungefähr 6 mA fließen. Der gemessene Strom nahe 0 mA widerspricht dieser Hypothese. Eine Unterbrechung im Bereich R2 passt besser.
Fehlerlabor 2: LED und Polarität
Modell: 5,0 V → 330 Ω → rote LED → M0. Der genaue LED-Spannungsabfall hängt vom Bauteilmodell ab. Bei einer typischen roten LED liegt der Knoten vor der LED im leitenden Zustand häufig ungefähr im Bereich von 2 V.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Nächster sinnvoller Prüfschritt |
|---|---|---|
| LED aus, M1 = 5 V, Knoten vor LED nahe 5 V, I nahe 0 | LED verpolt oder Strompfad nach dem Widerstand unterbrochen | Polarität im Schaltplan prüfen und den nachfolgenden Pfad eingrenzen. |
| LED deutlich zu hell, Strom in der Simulation stark erhöht | Vorwiderstand im Simulator überbrückt oder zu klein | Widerstandswert und Verdrahtung im Simulator prüfen. |
| LED aus, M1 = 0 V | Versorgung fehlt | Fehler zuerst vor M1 suchen. |
| LED aus, Versorgung und Polarität korrekt | Unterbrechung, falscher Steckkontakt oder defektes Bauteil möglich | Messpunkt vor und nach dem verdächtigen Abschnitt vergleichen. |
Wichtige Einsicht: Ein einzelner Messwert beweist nicht immer genau einen Fehler. Gute Diagnose wählt dann eine Zusatzprüfung, die die verbleibenden Hypothesen trennt.
= Prüfungsnaher LED-Fall
Gegeben: Im Schaltplan ist die LED verpolt eingezeichnet. Die Versorgung beträgt 5 V. Gemessen werden 5 V vor dem Vorwiderstand, ungefähr 5 V vor der LED und nahezu 0 mA.
Auftrag: Lokalisiere den Fehler und begründe die Korrektur.
Lösungsweg
Die Versorgung liegt an. Wegen des fast fehlenden Stroms fällt am Vorwiderstand praktisch keine Spannung ab. Deshalb liegt auch vor der LED nahezu die Versorgungsspannung an. Der Schaltplan zeigt zusätzlich die falsche Polarität. Die LED muss im sicheren, spannungsfreien Aufbau nach Anweisung korrekt gepolt angeschlossen werden. Danach wird die Funktion erneut mit Soll-Ist-Vergleich geprüft.
Fehlerlabor 3: Steckbrettfehler
Typische Steckbrettfehler sind besonders geeignet, logische Diagnose zu trainieren:
| Fehlerfall | Typisches Symptom | Logischer Prüfschritt |
|---|---|---|
| Leitung eine Reihe versetzt | Teilfunktion bleibt aus | Verbindung im Breadboard-Schema verfolgen. |
| Bauteilbeinchen im gleichen internen Kontaktstreifen | Bauteil wird elektrisch überbrückt oder falsch eingebunden | Beide Anschlüsse auf elektrische Knoten prüfen. |
| Unterbrochene Versorgungsschiene | Ein Teil der Schaltung funktioniert, ein anderer nicht | Spannung an Anfang und Ende der Versorgungsschiene vergleichen. |
| Lose Steckverbindung | Fehler tritt beim Bewegen auf oder verschwindet zeitweise | Verbindung spannungsfrei kontrollieren und Messung reproduzieren. |
| Vertauschte Polarität | Gepoltes Bauteil funktioniert nicht wie erwartet | Schaltplan und Anschlussrichtung vergleichen. |
Transferfrage: Warum ist „Bauteil austauschen“ bei einer versetzten Steckreihe keine gute Diagnose?
Selbstkontrolle
Das Bauteil kann völlig intakt sein. Der Fehler liegt in der elektrischen Verbindung. Zufälliges Austauschen beseitigt die Ursache nicht und kann sogar neue Verdrahtungsfehler erzeugen.
Fehlerlabor 4: Messfehler statt Schaltungsfehler
Auch das Messverfahren kann einen auffälligen Wert erzeugen.
| Auffälligkeit | Mögliche Erklärung | Kontrolle |
|---|---|---|
| Erwartete positive Spannung erscheint mit negativem Vorzeichen | Messspitzen sind gegenüber der gewählten Bezugsrichtung vertauscht | Bezugspunkt und Messpolung prüfen. |
| Überall 0 V | Bezugspunkt falsch gewählt, Versorgung aus oder Messgerät falsch eingestellt | Versorgung zuerst an einem bekannten Punkt prüfen. |
| Messwert schwankt | lockerer Kontakt, instabile Verbindung oder ungeeignete Messung | Verbindung sichern und Messung wiederholen. |
| Zwei Messpunkte zeigen immer denselben Wert | Beide liegen möglicherweise am selben elektrischen Knoten | Schaltplan und Breadboard-Verbindung prüfen. |
| Widerstandsmessung liefert unplausible Werte | Schaltung ist nicht spannungsfrei oder Parallelpfade beeinflussen die Messung | Nur nach Unterweisung spannungsfrei und passend zum Messverfahren prüfen. |
Diagnoseregel: Prüfe zuerst, ob der Messwert vertrauenswürdig ist. Ein falscher Messaufbau darf nicht als Schaltungsfehler fehlinterpretiert werden.
Beobachten: korrekte Spannungsmessung
Videoauftrag: Beobachte nur die Lage der Messleitungen. Zeichne danach den Verbraucher und das Voltmeter. Markiere die beiden Messpunkte und schreibe „parallel“ dazu.
Selbstkontrolle: Wenn Dein Voltmeter nur an einem einzigen elektrischen Punkt hängt, fehlt der zweite Bezugspunkt.
Animierte Fehlersuche
Bildlegende: Die Animation zeigt einen idealisierten Stromkreis. Die dargestellten Zahlen gehören zum Modell und sind keine Anleitung für einen praktischen Schüleraufbau.
Animationsauftrag: Beobachte zunächst den fehlerfreien Stromkreis. Stelle Dir dann eine Unterbrechung an drei verschiedenen Stellen vor. Entscheide jeweils: Wo müsste der erste Messwert vom Sollwert abweichen?
Bildlegende: Die Animation veranschaulicht Quelle und Verbraucher als unterschiedliche Funktionsrollen.
Animationsauftrag: Zeige mit dem Finger auf Quelle, Übertragungsweg und Verbraucher. Ordne anschließend drei Fehlerhypothesen einem dieser Funktionsbereiche zu.
Simulationstraining mit unmittelbarem Feedback
Simulationen eignen sich besonders gut, weil Fehler gefahrlos erzeugt und sofort an Messwerten beobachtet werden können.
= Simulation A: PhET Gleichstrom-Labor
PhET: Stromkreise schalten – Virtuelles Gleichstrom-Labor
Auftrag:
- Baue zuerst eine fehlerfreie Reihenschaltung aus Quelle und zwei gleichen Widerständen.
- Lege M0, M1 und M2 fest.
- Miss die Sollwerte und protokolliere sie.
- Erzeuge danach eine Unterbrechung.
- Miss erneut genau dieselben Punkte.
- Vergleiche Soll und Ist.
- Repariere die Schaltung in der Simulation und prüfe, ob die Sollwerte zurückkehren.
Unmittelbares Feedback: Die Simulation zeigt sofort, ob der Stromkreis geschlossen ist und welche Werte Voltmeter und Amperemeter anzeigen.
Hilfe 1: Beginne immer mit der Versorgung an M1.
Hilfe 2: Wenn M1 stimmt, suche den Fehler nicht mehr vor M1.
Hilfe 3: Wenn zwei Hypothesen zu demselben Spannungswert führen, nutze einen zweiten Messwert.
= Simulation B: Falstad Circuit Simulator
Der Simulator zeigt Spannungen farblich und Strombewegung animiert.
Fehlersuch-Challenge:
- Eine Person baut eine kleine Schaltung und notiert die Sollwerte.
- Danach wird nur im Simulator genau ein Fehler eingebaut: Unterbrechung, falsche Polarität oder Überbrückung eines Verbrauchers.
- Die zweite Person darf nicht wahllos ändern.
- Sie nennt zuerst ihren nächsten Messpunkt und die erwartete Aussage.
- Erst danach wird gemessen.
- Nach der Diagnose wird die Korrektur begründet.
- Rollen wechseln.
Erfolgskriterium: Der Fehler wird mit möglichst wenigen begründeten Messungen gefunden.
= Simulation C: Tinkercad Circuits
Videoauftrag: Beobachte, wie eine LED-Schaltung in einer Simulation aufgebaut wird. Markiere gedanklich Bauteile, Leitungen und Polarität. Überlege vor dem Start der Simulation zwei Fehler, die Du gefahrlos einbauen und wieder diagnostizieren könntest.
Hinweis: Die Nutzung externer Plattformen erfolgt nach den schulischen Datenschutz- und Zugangsregeln. Für die Diagnose reicht alternativ PhET oder Falstad.
Messstrategie: vom Symptom zur Ursache
| Symptom | Erste Hypothesen | Sinnvoller erster Test |
|---|---|---|
| Gesamte Schaltung ohne Funktion | Versorgung fehlt, Hauptpfad unterbrochen | Versorgung an M1 gegen M0 prüfen. |
| Nur ein Teil funktioniert | Fehler liegt hinter einem funktionierenden Abschnitt | Messpunkt an der Grenze zwischen funktionierendem und fehlerhaftem Teil wählen. |
| LED aus | Versorgung, Unterbrechung, Polarität, Vorwiderstand, Steckkontakt | Versorgung prüfen, danach Knoten vor der LED. |
| Messwert hat richtiges Maß, aber falsches Vorzeichen | Messpolung oder Bezug vertauscht | Messleitungen und Bezugsrichtung prüfen. |
| Simulierter Strom auffällig hoch | niederohmige Überbrückung oder falscher Widerstandswert | Widerstandspfad und simulierte Verbindungen prüfen. |
Merksatz: Suche zuerst den ersten Punkt, an dem Ist und Soll nicht mehr zusammenpassen.
Prüfungsstrategie
Bei einer Prüfungsaufgabe erhältst Du häufig einen Schaltplan und Messwerte. Arbeite in dieser Reihenfolge:
- Markiere Bezugspunkt, Versorgung und Signal- oder Strompfad.
- Schreibe die Sollwerte an wichtige Messpunkte.
- Trage die gegebenen Istwerte daneben.
- Markiere die erste Abweichung.
- Formuliere höchstens zwei passende Fehlerhypothesen.
- Schließe Hypothesen aus, die einem Messwert widersprechen.
- Nenne eine zusätzliche Messung, falls mehrere Hypothesen möglich bleiben.
- Lokalisiere den Fehlerbereich.
- Begründe die Korrektur technisch.
- Nenne den erwarteten Kontrollwert nach der Korrektur.
Prüfungssatz zum Einprägen:
„An Messpunkt … wäre … zu erwarten, gemessen wird jedoch …. Deshalb liegt der Fehler wahrscheinlich im Bereich …. Die Hypothese … passt, weil …. Nach der Korrektur muss … wieder ungefähr … betragen.“
Prüfungstraining: vier Diagnosefälle
= Fall A: erste Abweichung
Gegeben: M0 = 0 V, M1 = 6 V, M2 = 0 V, I = 0 mA.
Aufgabe: Fehler lokalisieren und Korrektur begründen.
Lösung
M1 ist korrekt, M2 nicht. Der Strom ist 0 mA. Das spricht für eine Unterbrechung im Abschnitt zwischen M1 und M2, zum Beispiel bei R1 oder seiner Verbindung.
= Fall B: gleiche Spannung, anderer Strom
Gegeben: M0 = 0 V, M1 = 6 V, M2 = 6 V, I = 6 mA.
Aufgabe: Warum ist eine Unterbrechung von R2 unwahrscheinlich?
Lösung
Bei einer Unterbrechung von R2 wäre der Strom ungefähr 0 mA. Der hohe simulierte Strom zeigt stattdessen, dass ein leitender Pfad vorhanden ist. Im Modell passt eine Überbrückung von R1 besser.
= Fall C: negativer Messwert
Gegeben: Sollwert an einem Messpunkt gegen M0: +5,0 V. Anzeige: -5,0 V.
Aufgabe: Nenne zuerst den wahrscheinlichsten Messfehler, bevor Du die Schaltung veränderst.
Lösung
Die Messpolung beziehungsweise Bezugsrichtung ist wahrscheinlich vertauscht. Der Betrag passt zum Sollwert. Zuerst werden Messspitzen und Bezug kontrolliert.
= Fall D: zwei Hypothesen bleiben
Gegeben: LED aus, Versorgung korrekt, Strom nahe 0, Knoten vor der LED nahe Versorgungsspannung.
Aufgabe: Nenne zwei mögliche Ursachen und eine Zusatzprüfung, die sie unterscheidet.
Lösung
Möglich sind eine verpolte LED oder eine Unterbrechung im nachfolgenden Pfad. Im Schaltplan beziehungsweise in der sicheren Simulation wird zuerst die Polarität geprüft. Ist sie korrekt, wird der Pfad hinter der LED weiter eingegrenzt.
Wiederholung: Diagnose in 60 Sekunden
| Frage | Kurzantwort |
|---|---|
| Was prüfst Du zuerst? | Funktion und Versorgung. |
| Was ist ein Sollwert? | Erwarteter Wert der fehlerfreien Schaltung. |
| Was ist ein Istwert? | Tatsächlich gemessener Wert. |
| Was suchst Du entlang einer Funktionskette? | Die erste Soll-Ist-Abweichung. |
| Was tust Du bei zwei passenden Hypothesen? | Eine unterscheidende Zusatzmessung wählen. |
| Was kommt nach der Korrektur? | Kontrollmessung und Funktionsprüfung. |
Medien- und Quellenhinweise
Die verwendeten Wikimedia-Commons-Dateien sind freie beziehungsweise gemeinfreie Medien; die jeweilige Dateiseite nennt Urheber und Lizenz. Die YouTube-Videos werden als externe Medien eingebettet. Für ihre Nutzung gelten zusätzlich die schulischen Datenschutz- und Plattformregeln.
Für Simulationen eignen sich besonders das deutschsprachige PhET-Gleichstrom-Labor und der frei zugängliche Falstad Circuit Simulator. Kurzschlussfehler werden nur dort absichtlich erzeugt.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was ist das wichtigste Ziel einer systematischen Fehlerdiagnose? (Den Fehler mit Schaltplan und Messwerten schrittweise eingrenzen) (!Möglichst viele Bauteile gleichzeitig austauschen) (!Zuerst alle Leitungen neu verdrahten) (!Nur das sichtbare Symptom beschreiben)
Was beschreibt eine Unterbrechung in einem einfachen Strompfad? (Der leitende Pfad ist geöffnet) (!Ein Verbraucher wird niederohmig überbrückt) (!Die Messspitzen sind vertauscht) (!Der Widerstandswert wird kleiner)
Wie wird ein absichtlicher Kurzschlussfehler in diesem Kurs untersucht? (Nur im sicheren Simulationskontext) (!Direkt an einer Netzsteckdose) (!Durch Überbrücken einer realen Spannungsquelle) (!Ohne Aufsicht an beliebigen Geräten)
Was bedeutet Polarität bei einer LED? (Anode und Kathode müssen passend zugeordnet werden) (!Die LED hat immer zwei gleiche Anschlüsse) (!Die Farbe bestimmt den Pluspol der Quelle) (!Der Widerstand darf entfallen)
Was ist ein Messpunkt? (Eine festgelegte Stelle zur gezielten Prüfung einer elektrischen Größe) (!Ein zufällig gewähltes Bauteil zum Austauschen) (!Nur der Minuspol einer Batterie) (!Der größte Widerstand einer Schaltung)
Was geschieht beim Soll-Ist-Vergleich? (Erwarteter und gemessener Wert werden gegenübergestellt) (!Zwei Bauteile werden ohne Messung vertauscht) (!Nur der Schaltplan wird abgeschrieben) (!Die Versorgung wird absichtlich kurzgeschlossen)
In Schaltung S1 gilt M1 gleich 6 V, M2 gleich 0 V und I gleich 0 mA. Welche Ursache passt am besten? (Eine Unterbrechung im Bereich R1) (!Eine Überbrückung von R1) (!Eine fehlerfreie Schaltung) (!Ein vertauschtes Vorzeichen am Voltmeter)
In Schaltung S1 gilt M1 gleich 6 V, M2 gleich 0 V und I ungefähr 6 mA. Welche Ursache passt im Simulator? (Eine niederohmige Überbrückung von R2) (!Eine Unterbrechung von R1) (!Eine fehlende Versorgung) (!Eine Unterbrechung von R2)
Der Sollwert beträgt plus 5 V, das Messgerät zeigt minus 5 V. Was prüfst Du zuerst? (Die Polung der Messspitzen und den Bezugspunkt) (!Den Widerstand durch einen beliebigen neuen ersetzen) (!Die Quelle absichtlich kurzschließen) (!Die LED sofort entfernen)
Eine komplette Schaltung bleibt ohne Funktion. Welcher erste Messschritt ist besonders sinnvoll? (Die Versorgung an einem definierten Messpunkt prüfen) (!Alle Bauteile gleichzeitig austauschen) (!Den Schaltplan ignorieren) (!Zuerst einen Kurzschluss erzeugen)
Memory
| Fehlerdiagnose | planmäßiges Eingrenzen einer Fehlerursache |
| Unterbrechung | geöffneter leitender Strompfad |
| Kurzschluss | unbeabsichtigte niederohmige Verbindung |
| Polarität | Zuordnung von Plus und Minus oder Anode und Kathode |
| Messpunkt | festgelegte Stelle für eine Prüfung |
| Sollwert | erwarteter Wert der fehlerfreien Schaltung |
| Istwert | tatsächlich gemessener Wert |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| Soll-Ist-Vergleich | erwarteten und gemessenen Wert vergleichen |
| Unterbrechung | geöffneten Strompfad erkennen |
| Polaritätsfehler | Anschlussrichtung eines gepolten Bauteils prüfen |
| Messfehler | Messbereich, Buchsen und Bezugspunkt kontrollieren |
| Fehlerdiagnose | Ursache Schritt für Schritt eingrenzen |
Kreuzworträtsel
| Fehlerdiagnose | Wie heißt das planmäßige Eingrenzen einer technischen Fehlerursache? |
| Messpunkt | Wie heißt eine festgelegte Stelle für eine elektrische Prüfung? |
| Polaritaet | Wie heißt die Zuordnung von Plus und Minus beziehungsweise Anode und Kathode? |
| Kurzschluss | Wie heißt eine unbeabsichtigte sehr niederohmige Verbindung? |
| Unterbrechung | Wie heißt ein geöffneter leitender Strompfad? |
| Sollwert | Wie heißt ein erwarteter Wert der fehlerfreien Schaltung? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Messpunktkarte: Zeichne eine einfache Reihenschaltung und markiere M0, M1 und M2. Schreibe zu jedem Punkt, welche Frage eine Messung dort beantwortet.
- Medienvergleich: Vergleiche die Commons-Grafiken zu Unterbrechung und Kurzschluss. Erstelle zwei kurze Bildlegenden mit höchstens 20 Wörtern.
- Sollwerttabelle: Baue die fehlerfreie S1-Schaltung in einer sicheren Simulation nach und dokumentiere Sollwerte für mindestens drei Größen.
- Fachbegriffe: Gestalte sechs Lernkarten mit Begriff auf der Vorderseite und einer eigenen Diagnose-Situation auf der Rückseite.
Standard
- Verdeckter Simulationsfehler: Arbeitet zu zweit. Eine Person baut in einer Simulation genau einen Fehler ein. Die andere diagnostiziert ihn mit begründeten Messpunkten.
- Fehlermatrix: Erstelle zu einer Schaltung mindestens vier Fehlerfälle mit Symptom, Istwert, möglicher Ursache und nächstem Prüfschritt.
- Erklärvideo: Produziere ein 60- bis 90-sekündiges Erklärvideo mit dem Titel „Messen statt raten“. Nutze nur selbst erstellte Skizzen oder frei lizenzierte Medien.
- Simulationsvergleich: Vergleiche PhET und Falstad für die Fehlersuche. Begründe, welche Darstellung für Messpunkte und welche für animierten Stromfluss hilfreicher ist.
Schwer
- Messungen minimieren: Entwickle für eine Schaltung mit mindestens fünf Funktionsabschnitten eine Diagnosefolge, die mit möglichst wenigen Messungen den Fehlerbereich halbiert.
- Mehrdeutige Messwerte: Erfinde einen Fall, bei dem ein Messwert zu zwei Fehlerhypothesen passt. Formuliere eine Zusatzmessung, die beide unterscheidet.
- Prüfungsaufgabe entwickeln: Erstelle eine prüfungsnahe Aufgabe mit Schaltplan, vier Messwerten, Fehlerlokalisierung, Korrektur und vollständigem Lösungsweg.
- Transfer Sensorschaltung: Übertrage die Diagnosemethode in einer Simulation auf einen Spannungsteiler mit Sensorwiderstand. Erkläre, wie ein falscher Sensorwert von einer Unterbrechung unterschieden werden kann.
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Lernkontrolle
- Diagnose aus Messwerten: In S1 werden M1 = 6,0 V, M2 = 0 V und I = 0 mA gemessen. Begründe den wahrscheinlichsten Fehlerbereich und nenne einen Kontrollwert nach der Korrektur.
- Hypothesen trennen: M2 = 6,0 V kann in S1 zu zwei verschiedenen Fehlerbildern passen. Erkläre, wie der Stromwert zwischen beiden unterscheidet.
- Messstrategie planen: Eine Schaltung besteht aus Versorgung, Sensor, Verstärkerstufe und LED-Ausgang. Wähle drei Messpunkte so, dass Du einen Fehler systematisch eingrenzen kannst. Begründe die Reihenfolge.
- Messfehler erkennen: Ein Messwert hat den erwarteten Betrag, aber das falsche Vorzeichen. Erkläre, warum Du nicht sofort ein Bauteil austauschen solltest.
- Polarität und Unterbrechung: Eine LED bleibt aus, obwohl die Versorgung korrekt ist. Entwickle einen Diagnoseweg, der zwischen Verpolung und Unterbrechung unterscheidet.
- Simulation und Realität: Erkläre zwei Vorteile der Simulation für die Fehlersuche und eine Grenze, die Du bei der Übertragung auf einen realen Aufbau beachten musst.
- Technische Entscheidung: Zwei Korrekturen könnten die Funktion wiederherstellen. Entscheide anhand von Schaltplan, Messwerten und Sicherheit, welche Maßnahme fachlich begründet ist, und erkläre Deine Kriterien.
- Fehlerbaum: Erstelle einen kleinen Entscheidungsbaum für das Symptom „Ausgang ohne Funktion“. Jede Verzweigung muss an einen beobachtbaren oder messbaren Befund gebunden sein.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis ist wichtig, dass Du nicht nur den gefundenen Fehler nennst, sondern Deinen Diagnoseweg nachvollziehbar machst.
- Du erkennst Versorgung, Bezugspunkt, Funktionsabschnitte und relevante Bauteile im Schaltplan.
- Du definierst sinnvolle Messpunkte.
- Du gibst passende Sollwerte oder begründete Erwartungsbereiche an.
- Du vergleichst Soll- und Istwerte.
- Du lokalisierst die erste relevante Abweichung.
- Du unterscheidest Unterbrechung, simulierten Kurzschluss, Polaritätsfehler und Messfehler.
- Du formulierst bei Mehrdeutigkeit eine zusätzliche Prüfung.
- Du begründest eine technische Korrektur.
- Du nennst eine Kontrollmessung nach der Korrektur.
- Du beachtest den Sicherheitsrahmen und arbeitest praktisch nur nach schulischer Unterweisung und unter Aufsicht.
OERs zum Thema
Wikipedia: Elektrische Schaltung
Weitere offene Lernmöglichkeiten:
- PhET Virtuelles Gleichstrom-Labor: Schaltungen bauen, Messpunkte setzen und Fehler simulieren.
- Falstad Circuit Simulator: animierter Stromfluss und schnelle Variation von Schaltungen.
- Wikimedia Commons: frei lizenzierte Bilder und Animationen zu Elektronik und Messtechnik.
Verknüpfte Lernbereiche