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T9 M - Eine elektronische Schaltung planen und simulieren

Einleitung

In diesem aiMOOC entwickelst Du aus einer einfachen technischen Aufgabe Schritt für Schritt eine elektronische Schaltung. Du arbeitest wie in einer technischen Entwicklung:

planen: Funktionsanforderung klären und Schaltplan erstellen
simulieren: Schaltung digital aufbauen und Werte verändern
prüfen: Messpunkte festlegen, virtuelle Messgeräte einsetzen und Tests durchführen
verbessern: Fehler finden, begründen und die Schaltung überarbeiten

Zielgruppe: Technik, Klasse 9, M-Niveau, Baden-Württemberg.

Der aktuelle Bildungsplan Technik für die Sekundarstufe I verlangt auf M-Niveau unter anderem das Erstellen von Schaltplänen, aufgabenbezogene Berechnungen, die Auswahl elektronischer Bauelemente, die Beurteilung von Simulationsprogrammen und das Erkennen sowie Beseitigen von Fehlern.

Sicherheitsregel: Praktische Arbeiten erfolgen nur nach schulischer Unterweisung, unter Aufsicht und mit erforderlicher Schutzausrüstung. Keine eigenständige Nutzung gefährlicher Maschinen oder von Netzspannung. Elektrische Versuche nur mit freigegebenen Komponenten und sicherer Kleinspannung.

Fachbegriffe direkt erklärt

Fachbegriff	Kurze Erklärung
Funktionsanforderung	Beschreibt, was die Schaltung leisten soll.
Schaltplan	Zeigt Bauteile und Verbindungen mit Schaltzeichen.
Simulation	Prüft eine Schaltung zuerst als digitales Modell.
Messpunkt	Stelle, an der eine elektrische Größe geprüft wird.
Test	Geplante Prüfung, ob die Funktionsanforderung erfüllt ist.

Vom Auftrag zur Schaltung

Ausgangsaufgabe

Auftrag: Eine Kontroll-LED soll leuchten, wenn ein Schalter geschlossen wird.

Vorgaben für die Simulation:

Spannungsquelle: 5 V Gleichspannung
LED: für die Übung gilt eine Durchlassspannung von etwa 2 V
gewünschter Strom: etwa 10 mA
LED nur mit Vorwiderstand betreiben

Schritt 1: Funktionsanforderung formulieren

Eine gute Funktionsanforderung ist kurz und prüfbar.

Beispiel: „Wenn der Schalter geschlossen wird, soll die LED leuchten. Der LED-Strom soll ungefähr 10 mA betragen.“

Prüffrage: Kannst Du später eindeutig feststellen, ob diese Forderung erfüllt wurde?

Schritt 2: Bauteile auswählen

Für die Grundschaltung werden benötigt:

Spannungsquelle: liefert die elektrische Energie.
Schalter: öffnet oder schließt den Stromkreis.
Widerstand: begrenzt den Strom.
LED: zeigt den Schaltzustand an.
Leitung: verbindet die Bauteile elektrisch.

Bildauftrag – beobachten und markieren: Suche in der Abbildung Anode und Kathode. Markiere anschließend in Deinem eigenen Schaltplan, welche Seite der LED zur positiven Seite der Spannungsquelle zeigt.

Medienhinweis: Wikimedia-Commons-Datei, Public Domain laut Dateiseite.

Schritt 3: Vorwiderstand bestimmen

Für diese Übung gilt:

U_Quelle = 5 V

U_LED = 2 V

I = 10 mA = 0,01 A

Am Widerstand sollen deshalb ungefähr 3 V abfallen.

R = U / I = 3 V / 0,01 A = 300 Ω

Als üblicher Wert kann zum Beispiel 330 Ω verwendet werden. Dadurch wird der Strom etwas kleiner als 10 mA.

Technische Entscheidung: Ein etwas größerer Widerstand reduziert den LED-Strom. Das schützt die LED stärker, kann sie aber auch etwas dunkler machen.

Schritt 4: Schaltplan erstellen

Bildlegende: Einfacher LED-Stromkreis mit Spannungsquelle, Vorwiderstand und LED.

Untersuchungsauftrag – vergleichen:

Vergleiche die Abbildung mit Deiner Planung.
Prüfe, ob Widerstand und LED in Reihe liegen.
Markiere die Stelle, an der ein Schalter ergänzt werden muss.
Begründe, warum der Vorwiderstand nicht parallel zur LED liegen soll.

Bildlegende: Beispiel eines Stromkreises mit Spannungsquelle, Widerstand, Taster und LED.

Fehlersuche im Bild: Zeige mit dem Finger den möglichen Stromweg vom Pluspol über Schalter und Widerstand zur LED und zurück zur Spannungsquelle.

Schritt 5: Ablaufbild der Entwicklung

Funktionsanforderung	→	Schaltplan	→	Simulation	→	Messpunkte	→	Test	→	Verbesserung

Merksatz: Nicht sofort bauen. Erst planen, dann simulieren, prüfen und verbessern.

Schaltung simulieren

Simulation mit CircuitJS1

CircuitJS1 ist ein browserbasierter Schaltungssimulator. Bauteile können platziert, verbunden und während der Simulation untersucht werden.

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Arbeitsauftrag – simulieren:

Erstelle eine Gleichspannungsquelle.
Stelle 5 V ein.
Ergänze einen Schalter, einen Widerstand mit 330 Ω und eine LED.
Verdrahte die Bauteile in Reihe.
Schließe den Schalter.
Beobachte Stromrichtung und LED-Zustand.
Verändere den Widerstand nacheinander auf 220 Ω, 330 Ω und 680 Ω.
Notiere, wie sich der Strom verändert.

Selbstkontrolle: Größerer Widerstand → kleinerer Strom. Kleinerer Widerstand → größerer Strom.

Hinweis: Simulationsmodelle vereinfachen reale Bauteile. Ein Simulationsergebnis ersetzt keinen fachgerechten realen Aufbau und keinen Sicherheitstest.

Virtuelles Gleichstrom-Labor mit Messgeräten

Die PhET-Simulation „Stromkreise schalten: Virtuelles Gleichstrom-Labor“ bietet unter anderem virtuelle Spannungs- und Strommessgeräte.

iFrame blockiert

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Lizenzhinweis: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder. Die regulären HTML-Simulationen stehen für nicht-kommerzielle Nutzung unter CC BY-NC 4.0. Für die schulische Nutzung sind die Lizenzbedingungen und die erforderliche Namensnennung zu beachten.

Messauftrag – messen und vergleichen:

Baue zuerst einen einfachen Stromkreis aus Spannungsquelle, Schalter und Widerstand.
Miss die Spannung an der Spannungsquelle.
Miss die Spannung am Widerstand.
Setze das Amperemeter in den Stromweg.
Vergleiche die Werte bei zwei verschiedenen Widerständen.
Wechsle zwischen realitätsnaher Ansicht und Schaltplanansicht.

Video: Simulation bedienen

Beobachtungsauftrag: Notiere drei Bedienhandlungen, die Du für einen eigenen Test brauchst. Vergleiche danach die Schaltplanansicht mit der realitätsnahen Darstellung.

Messpunkte und virtuelle Messgeräte

Spannung und Strom richtig messen

Bildlegende: Digitales Multimeter. Je nach Einstellung kann es verschiedene elektrische Größen messen.

Grundregel:

Spannung wird parallel zum Bauteil gemessen.
Strom wird in Reihe im Stromweg gemessen.

Messpunkt bedeutet hier: Du legst vorher fest, an welcher Stelle und welche Größe gemessen wird.

Messung	Messpunkt	Erwartung bei der Beispielschaltung
Quellenspannung	M1 an der Spannungsquelle	ungefähr 5 V
LED-Spannung	M2 parallel zur LED	ungefähr 2 V, abhängig vom Modell
Widerstandsspannung	M3 parallel zum Widerstand	ungefähr 3 V
Strom	M4 in Reihe	ungefähr 9 mA bei 330 Ω und den Übungswerten

Video: Multimeter verstehen

Medienauftrag – beobachten und Fehler finden:

Beobachte, wie Spannungs- und Strommessung angeschlossen werden.
Zeichne danach je eine kleine Skizze für Spannungs- und Strommessung.
Markiere den Unterschied.
Übertrage die Regel auf ein virtuelles Messgerät in Deiner Simulation.

Sicherheitsgrenze: Das Video ersetzt keine schulische Unterweisung. Praktische Messungen nur an freigegebenen Kleinspannungsaufbauten und unter Aufsicht.

Testen statt nur anschauen

Testplan

Ein Test braucht eine klare Frage, eine Handlung und ein erwartetes Ergebnis.

Test	Handlung	Erwartetes Ergebnis
T1	Schalter öffnen	LED aus
T2	Schalter schließen	LED an
T3	Strom am Messpunkt M4 messen	ungefähr 9 mA
T4	Widerstand auf 680 Ω erhöhen	Strom sinkt
T5	LED in der Simulation umpolen	LED leuchtet bei idealisierter Gleichspannungsquelle nicht in Durchlassrichtung

Technische Entscheidung begründen: Ein Bauteil wird nicht ausgewählt, weil es „irgendwie funktioniert“, sondern weil es die Funktionsanforderung erfüllt und die elektrischen Bedingungen einhält.

Planen – Simulieren – Prüfen – Verbessern

Verbesserungsrunde

Angenommen, die LED ist in der Simulation zu hell und der Strom höher als geplant.

Vorgehen:

Ursache vermuten.
Messpunkt festlegen.
Strom messen.
Widerstand vergrößern.
erneut simulieren.
Ergebnis mit der Funktionsanforderung vergleichen.

Transfer: Dieselbe Vorgehensweise funktioniert auch bei anderen technischen Problemen: Anforderung → Entwurf → Simulation → Messung → Test → Verbesserung.

Prüfungsnah: Fehlerhaftes Schaltungskonzept korrigieren

Gegebenes fehlerhaftes Konzept

Eine Kontrollleuchte soll an 5 V betrieben werden. Im vorgegebenen Konzept findest Du folgende Fehler:

Die LED ist direkt mit der Spannungsquelle verbunden.
Ein Vorwiderstand fehlt.
Das Amperemeter ist parallel zur LED eingezeichnet.
Das Voltmeter liegt in Reihe.
Die LED ist verpolt.

Prüfungsauftrag:

Nenne die fünf Fehler.
Zeichne einen korrigierten Schaltplan.
Berechne für U_LED = 2 V und I = 10 mA einen passenden Vorwiderstand.
Lege zwei sinnvolle Messpunkte fest.
Formuliere zwei Tests.
Begründe eine Verbesserung.

Hilfe 1 – Vorgehensweise

Prüfe der Reihe nach Energiequelle, Stromweg, LED-Polung, Vorwiderstand und Messgeräte.

Hilfe 2 – Messgeräte

Spannungsmessung parallel. Strommessung in Reihe.

Lösungsweg zur Selbstkontrolle

Die LED wird mit richtigem Polanschluss und einem Vorwiderstand in Reihe geschaltet. Das Amperemeter kommt in Reihe, das Voltmeter parallel zum zu prüfenden Bauteil. Für die Übungswerte gilt R = 3 V / 0,01 A = 300 Ω; 330 Ω ist ein sinnvoller Standardwert. Danach werden Schaltzustand und Stromstärke getestet.

Medienwerkstatt: untersuchen statt konsumieren

LED und Leiterplatte untersuchen

Auftrag – markieren: Übertrage Schaltzeichen, Anode und Kathode in Dein Heft. Verbinde die reale Bauform gedanklich mit dem Symbol.

Auftrag – vergleichen:

Finde Leiterbahnen und Bauteile.
Vergleiche die reale Anordnung mit einem Schaltplan.
Erkläre, warum ein Schaltplan die Bauteile nicht an ihrer echten räumlichen Position zeigen muss.

Video: LED-Vorwiderstand

Arbeitsauftrag – prüfen: Stoppe vor dem Rechenbeispiel und berechne selbst. Vergleiche danach Rechenweg, Einheit und Ergebnis.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Diesen aiMOOC als Battle spielen

Was beschreibt eine Funktionsanforderung? (Was die Schaltung leisten soll) (!Wo die Bauteile im Klassenraum liegen) (!Welche Farbe die Leitungen haben) (!Wie teuer das Messgerät ist)

Wozu dient ein Schaltplan? (Zur Darstellung von Bauteilen und elektrischen Verbindungen) (!Zur Messung der Raumtemperatur) (!Zum Bohren einer Leiterplatte) (!Zum Laden einer Batterie)

Was geschieht beim Simulieren? (Eine Schaltung wird als digitales Modell geprüft) (!Die Schaltung wird automatisch gelötet) (!Die Netzspannung wird erhöht) (!Alle Messungen werden überflüssig)

Wie wird eine Spannung gemessen? (Parallel zum Bauteil) (!Immer direkt an der Steckdose) (!In Reihe zum Bauteil) (!Ohne Messleitungen)

Wie wird die Stromstärke gemessen? (In Reihe im Stromweg) (!Parallel über der LED) (!Nur mit einem Voltmeter) (!Ohne den Stromkreis zu beachten)

Warum braucht eine LED in der Beispielschaltung einen Vorwiderstand? (Er begrenzt den Strom) (!Er erzeugt Netzspannung) (!Er ersetzt den Schalter) (!Er macht die LED zu einem Motor)

Was ist ein Messpunkt? (Eine festgelegte Stelle für eine Prüfung) (!Eine zufällige Position auf dem Bildschirm) (!Ein Lötwerkzeug) (!Ein Bauteil ohne Funktion)

Was gehört zu einem guten Test? (Eine klare Erwartung an das Ergebnis) (!Nur ein schöner Schaltplan) (!Möglichst viele zufällige Änderungen) (!Der Verzicht auf Messwerte)

Was ist bei einem zu hohen simulierten LED-Strom eine sinnvolle Verbesserung? (Den Vorwiderstand vergrößern) (!Den Vorwiderstand entfernen) (!Das Amperemeter parallel schalten) (!Die Spannungsquelle kurzschließen)

Welche Reihenfolge beschreibt technisches Vorgehen am besten? (Planen simulieren prüfen verbessern) (!Bauen raten vergessen wiederholen) (!Messen ohne planen anschließen) (!Fehler ignorieren Ergebnis übernehmen)

Memory

Funktionsanforderung	prüfbare gewünschte Funktion
Schaltplan	Darstellung mit Schaltzeichen
Simulation	digitales Modell der Schaltung
Messpunkt	festgelegte Prüfstelle
Test	geplanter Soll-Ist-Vergleich
Vorwiderstand	Begrenzung des LED-Stroms

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Funktionsanforderung	gewünschtes Verhalten festlegen
Schaltplan	Verbindung der Bauteile darstellen
Simulation	digitales Modell ausführen
Messpunkt	Prüfstelle festlegen
Test	Ergebnis mit Erwartung vergleichen

Kreuzworträtsel

Schaltplan	Wie heißt die Darstellung einer Schaltung mit Schaltzeichen?
Simulation	Wie heißt die digitale Prüfung eines Schaltungsmodells?
Messpunkt	Wie heißt eine vorher festgelegte Stelle für eine Messung?
Widerstand	Welches Bauteil begrenzt in der LED-Schaltung den Strom?
Spannung	Welche elektrische Größe wird parallel gemessen?
Stromkreis	Wie heißt der geschlossene elektrische Weg?

LearningApps

Lückentext

Wiederholung mit unmittelbarer Selbstkontrolle

Aussage	Selbstkontrolle
„Das Amperemeter kommt parallel zur LED.“	Falsch. Strom wird in Reihe gemessen.
„Ein größerer Vorwiderstand verringert den Strom.“	Richtig.
„Eine Simulation macht Tests unnötig.“	Falsch. Sie ist selbst ein Teil des Prüfprozesses und muss ausgewertet werden.
„Messpunkte werden erst nach dem Test zufällig gewählt.“	Falsch. Sinnvolle Messpunkte werden geplant.
„Ein korrigierter Schaltplan muss zur Funktionsanforderung passen.“	Richtig.

Offene Aufgaben

Leicht

Schaltzeichen: Zeichne Spannungsquelle, Schalter, Widerstand und LED als einfachen Schaltplan.
Funktionsanforderung: Formuliere eine prüfbare Funktionsanforderung für eine Kontrollleuchte.
Messpunkt: Markiere in einem Schaltplan einen sinnvollen Messpunkt für Spannung und einen für Strom.
Fehlersuche: Erfinde einen typischen Schaltplanfehler und erkläre, wie Du ihn bemerkst.

Standard

Schaltungssimulation: Simuliere die LED-Schaltung mit drei verschiedenen Widerständen und dokumentiere die Stromwerte.
Testplan: Erstelle fünf Tests mit Handlung und erwartetem Ergebnis.
Vergleich: Vergleiche Schaltplanansicht und realitätsnahe Ansicht in einer Simulation.
Technische Entscheidung: Begründe, warum Du 330 Ω statt 220 Ω für eine bestimmte LED-Anforderung wählen könntest.

Schwer

Fehleranalyse: Korrigiere einen Schaltplan mit mindestens vier eingebauten Fehlern und begründe jede Änderung.
Optimierung: Verändere eine Simulation so, dass ein vorgegebener Strom möglichst genau erreicht wird.
Dokumentation: Erstelle ein einseitiges Prüfprotokoll mit Funktionsanforderung, Schaltplan, Messpunkten, Messwerten und Ergebnis.
Transfer: Entwickle eine zweite Schaltung, bei der eine LED auf einen Taster oder Sensorzustand reagiert. Arbeite nur simulativ oder mit schulisch freigegebenem Material unter Aufsicht.

Lernkontrolle

Fehlerhaftes Schaltungskonzept: Du erhältst eine Schaltung mit LED ohne Vorwiderstand und falsch angeschlossenen Messgeräten. Korrigiere sie und begründe jede Änderung fachlich.
Messstrategie: Plane Messpunkte, mit denen Du unterscheiden kannst, ob ein Fehler an der Spannungsquelle, am Schalter oder an der LED liegt.
Simulation und Realität: Erkläre an zwei Beispielen, warum ein Simulationsergebnis vor einem realen Aufbau hilfreich ist, aber reale Prüfungen nicht vollständig ersetzt.
Technische Optimierung: Eine LED-Schaltung erfüllt die Funktionsanforderung, benötigt aber mehr Strom als gewünscht. Entwickle eine Verbesserung und begründe sie.
Transferaufgabe: Übertrage den Ablauf Funktionsanforderung → Schaltplan → Simulation → Messpunkt → Test → Verbesserung auf eine einfache Alarm- oder Sensorsimulation.
Begründete Entscheidung: Zwei Schaltungen funktionieren in der Simulation. Entscheide anhand von mindestens zwei technischen Kriterien, welche besser zur vorgegebenen Funktionsanforderung passt, und begründe Deine Wahl.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen können:

eine Funktionsanforderung klar formulieren
einen übersichtlichen Schaltplan mit passenden Schaltzeichen erstellen
einfache Werte für Spannung, Strom und Vorwiderstand berechnen
eine Schaltung in einer Simulation aufbauen und verändern
virtuelle Spannungs- und Strommessgeräte richtig anschließen
sinnvolle Messpunkte festlegen
einen Testplan erstellen und Ergebnisse auswerten
typische Fehler in einem Schaltungskonzept erkennen und korrigieren
technische Entscheidungen fachlich begründen
eine Schaltung nach Mess- oder Simulationsergebnissen verbessern
Sicherheitsregeln für schulische Praxis nennen

OERs zum Thema

Wikipedia: Elektronische Schaltung

Weitere passende freie bzw. offene Lernmedien:

Bildungsplanbezug Baden-Württemberg

Der aiMOOC orientiert sich an Technik – Wahlpflichtfach, Sekundarstufe I, M-Niveau und besonders am Bereich Information und Kommunikation – elektrotechnische und elektronische Systeme.

Passende Kompetenzbereiche sind:

Schaltpläne mit genormten Symbolen manuell oder digital erstellen
Bauteile in Reihen-, Parallel- und gemischten Schaltungen einsetzen
einfache aufgabenbezogene Berechnungen durchführen
elektronische Bauelemente funktionsbezogen auswählen
unterschiedliche Schaltungsaufbauten und Simulationsprogramme beschreiben und beurteilen
Fehler erkennen und Maßnahmen zur Beseitigung durchführen
Simulationssoftware zur Überprüfung geplanter Schaltungen nutzen
Sicherheits- und Unfallverhütungsregeln beachten

Verknüpfte Lernbereiche

Elektronische Schaltung

aiMOOC-Projekte

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