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Analoge Elektronik und Leistungselektronik – Elektronische Fehler anhand von Messungen eingrenzen

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Einleitung

Analoge Elektronik und Leistungselektronik – Elektronische Fehler anhand von Messungen eingrenzen

Zielgruppe: Elektronikerinnen und Elektroniker in der Ausbildung, insbesondere Automatisierungstechnik, Geräte und Systeme sowie Betriebstechnik.

Kurzbeschreibung: Versorgung, Signalpfad und Bauteilfunktion. Du lernst, elektronische Fehler mithilfe von Stromlaufbildern, Spannungsmessungen und Signaldiagrammen systematisch einzugrenzen.

Lernformat: Sechs kurze Lerneinheiten, ein durchgängiger Ausbildungsfall, digitale Schaltungssimulationen, gestufte Hilfen und Aufgaben mit begründetem Feedback.

Zeitbedarf: Etwa 60 Minuten für die Lerneinheiten und 30 bis 45 Minuten für Aufgaben und Lernkontrolle.

Lernziele: Du kannst Soll- und Istwerte vergleichen, den ersten auffälligen Messpunkt erkennen, mögliche Fehlerursachen begründen und geeignete weitere Prüfungen planen.

Sicherheit: Alle Eingriffe erfolgen ausschließlich in digitalen Simulationen. Alternativ sind geeignete, berührungssichere und durch die Lehrkraft freigegebene Schulungsmodelle mit Schutzkleinspannung, begrenzter Energie und geeignetem Berührungsschutz zulässig. Reale Elektroarbeiten, insbesondere an Netzspannung, Leistungselektronik und geöffneten Geräten, dürfen nur durch entsprechend qualifizierte und beauftragte Personen nach den geltenden Sicherheitsregeln erfolgen. Ein Quizresultat oder Lernnachweis ist niemals eine Arbeits- oder Schaltfreigabe.

Digitalmultimeter: für geeignete stationäre Spannungsmessungen. Die Abbildung ist keine Aufforderung zu Messungen an realen Anlagen.

Lerneinheiten

Lerneinheit 1: Versorgung prüfen

Dauer: 7 Minuten

Elektronische Fehlersuche beginnt bei der Versorgung und beim Bezugspotenzial.

Versorgungsspannung: Ist die vorgesehene Spannung vorhanden?
Bezugspotenzial: Gegen welchen gemeinsamen Bezug wird gemessen?
Spannungsteiler: Wird die erwartete Referenzspannung erzeugt?

Beispiel: Zwei Widerstände bilden eine Referenzspannung.

+5 V ── R1 = 30 kΩ ── TP2 ── R2 = 10 kΩ ── 0 V

Die unbelastete Referenzspannung beträgt:

U(TP2) = 5 V × 10 kΩ / (30 kΩ + 10 kΩ) = 1,25 V

Basisaufgabe: Berechne die Referenzspannung, wenn beide Widerstände 10 kΩ betragen.

Feedback: 2,5 V sind richtig. Zwei gleich große Widerstände teilen die Eingangsspannung im unbelasteten Modell in zwei gleiche Anteile.

Video: Spannungsteiler verstehen

Elektrotechnik in 5 Minuten – Alexander Stöger. Beobachtungsauftrag: Welche zwei Widerstände bestimmen die Ausgangsspannung?

Lerneinheit 2: Analoge Signale untersuchen

Dauer: 8 Minuten

Ein Komparator vergleicht zwei Spannungen.

Im Ausbildungsmodell vergleicht er eine konstante Referenzspannung von 1,25 V mit einer Sägezahnspannung von 0 bis 5 V.

Der ideale Komparatorausgang liefert 5 V, solange die Sägezahnspannung kleiner als die Referenzspannung ist. Andernfalls liefert er 0 V.

Prinzip einer analogen Pulsweitenmodulation mit Komparator.

Das PWM-Signal

Die Pulsweitenmodulation verändert das Verhältnis von Einschaltzeit zu Periodendauer.

Animation unterschiedlicher Tastgrade. Sie stellt nicht den konkreten Fehlerfall dar.

Im Ausbildungsmodell gelten:

Größe	Sollwert
Periodendauer	1 ms
Frequenz	1 kHz
Einschaltzeit	0,25 ms
Ausschaltzeit	0,75 ms
Tastgrad	25 %

Merke: Tastgrad = Einschaltzeit / Periodendauer × 100 %.

Allgemeines Impulsdiagramm zur Definition des Tastgrades; die dargestellte Impulsbreite ist nicht der Sollwert des Ausbildungsfalls.

Basisaufgabe: Bestimme den Tastgrad bei 0,5 ms Einschaltzeit und 2 ms Periodendauer.

Feedback: 25 % sind richtig, weil die Einschaltzeit ein Viertel der Periodendauer beträgt.

Lerneinheit 3: Leistungselektronik verstehen

Dauer: 8 Minuten

Ein MOSFET kann als elektronischer Schalter verwendet werden.

Vereinfachte MOSFET-Schaltung mit Gate-Ansteuerung und Pull-down-Widerstand; nicht identisch mit dem Ausbildungsfall.

Anschluss	Funktion
Gate	Steuereingang
Drain	Anschluss des geschalteten Lastzweigs
Source	Im Ausbildungsmodell mit 0 V verbunden

Beim verwendeten Logic-Level-N-Kanal-MOSFET führt eine geeignete positive Gate-Source-Spannung zum Einschalten des Lastzweigs.

Der Gatewiderstand liegt im Steuerpfad. Der Pull-down-Widerstand hält das Gate bei fehlender Ansteuerung auf niedrigem Potenzial.

Wichtig: Die tatsächliche Durchsteuerung hängt vom konkreten MOSFET, seinem Datenblatt und den Betriebsbedingungen ab. Die Gate-Schwellenspannung allein garantiert keinen ausreichend niedrigen Einschaltwiderstand.

Anwendungsfrage: Was passiert, wenn das Gate wegen einer Unterbrechung nicht mehr angesteuert wird und ein intakter Pull-down-Widerstand vorhanden ist?

Feedback: Der MOSFET bleibt gesperrt. Daher fließt durch die ohmsche Last im idealisierten Modell kein Strom.

Lerneinheit 4: Der Ausbildungsfall – PWM-Last bleibt aus

Dauer: 12 Minuten

Auftrag: In einer digitalen Übungsschaltung soll ein MOSFET eine ohmsche Last mittels PWM ansteuern. Die simulierte Last bleibt jedoch ausgeschaltet.

Fehlerbild: Versorgung vorhanden, Laststrom null.

Modellannahmen: Ideal geregelte 12-V- und 5-V-Versorgung, gemeinsamer 0-V-Bezug, idealer 5-V-Komparatorausgang, linear steigender Sägezahn von 0 bis 5 V bei 1 kHz und ein bei 5 V vollständig durchsteuernder Logic-Level-N-MOSFET. Schaltverluste und Übergangseffekte werden zunächst vernachlässigt.

Stromlauf- und Signalplan

VERSORGUNG

+12 V (TP0) ── [5-V-Regler] ── +5 V (TP1)


ANALOGER SIGNALPFAD

+5 V ── R1 30 kΩ ──o TP2── R2 10 kΩ ── 0 V
                   |
                   +──── (+) K1

Sägezahn 0...5 V ──────── (−) K1
            1 kHz

K1: idealer PWM-Komparator

K1 Ausgang (TP3) ── RG 1 kΩ ──o TP4 ── Gate Q1
                               |
                            RPD 100 kΩ
                               |
                              0 V


LEISTUNGSPFAD

+12 V (TP0) ── RL 120 Ω ──o TP5 ── Drain Q1
                                   |
                            N-Kanal-MOSFET
                                   |
                                Source
                                   |
                                  0 V

Alle Spannungen gegen den gemeinsamen 0-V-Bezug.

Bauteilfunktionen:

Bauteil	Aufgabe
5-V-Regler	Versorgt den analogen Steuerteil
R1 und R2	Erzeugen die Referenzspannung
K1	Erzeugt das PWM-Steuersignal
RG	Verbindet Komparatorausgang und Gate
RPD	Hält das nicht angesteuerte Gate auf 0 V
Q1	Schaltet den Laststrom
RL	Bildet die ohmsche Last

Sollwerte im fehlerfreien Modell

Messpunkt	Sollwert
TP0	12 V DC
TP1	5 V DC
TP2	1,25 V DC
TP3	PWM zwischen 0 und 5 V, Tastgrad 25 %
TP4	Nahezu gleiches PWM-Signal wie TP3
TP5	Etwa 0 V bei eingeschaltetem MOSFET, etwa 12 V bei ausgeschaltetem MOSFET
Laststrom während der Einschaltphase	Etwa 100 mA
Gemittelter Laststrom	Etwa 25 mA

Die Stromwerte ergeben sich näherungsweise aus 12 V / 120 Ω und dem Tastgrad von 25 %.

Signaldiagramm des Ausbildungsfalls

Zeit:           0     0,25 ms          1 ms

TP3:      5 V   ┌────┐                ┌────┐
                 │    │                │    │
          0 V ───┘    └────────────────┘    └──

TP4:            Wie TP3 im fehlerfreien Modell

TP5:     12 V        ┌────────────────┐
                     │                │
          0 V ───────┘                └──────
                 MOSFET EIN      MOSFET AUS

FEHLERFALL MIT UNTERBROCHENEM RG:

TP3:            PWM weiterhin vorhanden
TP4:            Konstant 0 V
TP5:            Konstant etwa 12 V
Laststrom:      0 mA

Vereinfachte Signalformen ohne Schaltflanken und parasitäre Effekte.

Lerneinheit 5: Messergebnisse auswerten

Dauer: 10 Minuten

Du erhältst das folgende simulierte Messprotokoll. Der Fehler ist noch nicht offengelegt.

Punkt	Soll	Ist	Bewertung
TP0	12 V	12 V	Unauffällig
TP1	5 V	5 V	Unauffällig
TP2	1,25 V	1,25 V	Unauffällig
TP3	PWM 0 bis 5 V	PWM 0 bis 5 V	Unauffällig
TP4	PWM 0 bis 5 V	0 V konstant	Auffällig
TP5	Schaltende Spannung	12 V konstant	Auffällig
Laststrom	Gepulster Strom	0 mA	Auffällig

Arbeitsauftrag: Finde den ersten abweichenden Messpunkt entlang des Signalpfades.

Feedback: TP4 ist die erste Abweichung. Da TP3 noch korrekt arbeitet, liegt der Fehler wahrscheinlich im Abschnitt zwischen TP3 und TP4 oder an einer direkt mit TP4 verbundenen Komponente. Das allein beweist noch nicht, welches Bauteil defekt ist.

Gestufte Hilfen

Hilfe 1 – Orientierung: Prüfe zuerst TP0, TP1 und TP2. Alle drei Messwerte entsprechen den Sollwerten.

Hilfe 2 – Signalverfolgung: Vergleiche TP3 und TP4. Dazwischen liegt der Gatewiderstand RG.

Hilfe 3 – Fehlerhypothese: Ein unterbrochener RG trennt die PWM-Ansteuerung vom Gate. Der intakte Pull-down-Widerstand zieht TP4 auf 0 V.

Auflösung des vorbereiteten Simulationsfehlers: RG ist unterbrochen.

Begründung: TP3 führt ein korrektes PWM-Signal, aber TP4 nicht mehr. Ohne wirksame Gate-Source-Spannung bleibt Q1 gesperrt. Deshalb liegt TP5 über RL annähernd auf 12 V; ein Laststrom fließt nicht.

Einschränkung: Eine andere Störung, beispielsweise eine unzulässige Verbindung von TP4 nach 0 V, könnte ähnliche Symptome hervorrufen. Die Messdaten grenzen einen Fehlerbereich ein; die eindeutige Bauteilzuordnung muss durch weitere geeignete Prüfungen bestätigt werden.

Lerneinheit 6: Sicher simulieren und übertragen

Dauer: 10 Minuten

Nutze ausschließlich digitale Schaltungssimulationen. Ein realer Aufbau ist für diese Aufgaben nicht erforderlich.

Interaktive Simulation A – Versorgung

Falstad: Spannungsteiler-Simulation

Auftrag: Beobachte die Ausgangsspannungen des Beispielspannungsteilers. Vergleiche anschließend in einer eigenen Simulation 30 kΩ und 10 kΩ bei 5 V Eingangsspannung.

Feedback: Im eigenen unbelasteten Modell ergeben sich 1,25 V. Beachte, dass das verlinkte Falstad-Beispiel andere Ausgangswerte und eine andere Versorgung verwendet.

Interaktive Simulation B – MOSFET

Falstad: MOSFET-Schalter

Auftrag: Beobachte, wie die Gate-Ansteuerung den Strom durch den Lastzweig verändert.

Feedback: Eine geeignete positive Gate-Source-Spannung öffnet den Strompfad. Ohne ausreichende Gate-Ansteuerung bleibt der im Modell normalerweise sperrende N-MOSFET ausgeschaltet.

Interaktive Simulation C – Pulsweitensteuerung

Falstad: Pulsweitenmodulation mit 555-Timer

Auftrag: Verändere die Steuergröße und beobachte die Pulsbreite.

Feedback: Eine geänderte Steuergröße verändert die Schaltzeiten. Dieses Beispiel verwendet einen 555-Timer und ist eine alternative PWM-Erzeugung, nicht der Komparatoraufbau unseres Ausbildungsfalls.

Interaktive Simulation D – Vollständiger Fehlerfall

CircuitJS: Elektronischer Schaltungssimulator

Erstelle mit Unterstützung der Lehrkraft das vollständige Modell aus Lerneinheit 4. Verwende gegebenenfalls ideale Funktionsblöcke für Regler und Komparator.

Erzeuge die vorgesehenen Versorgungsspannungen und den Spannungsteiler.
Erzeuge die PWM mit der idealisierten Komparatorfunktion.
Ergänze Logic-Level-MOSFET, Gatewiderstand, Pull-down und ohmsche Last.
Vergleiche im fehlerfreien Modell TP3, TP4 und TP5.
Unterbrich anschließend ausschließlich im Simulator RG und dokumentiere die Signaländerungen.

Feedback: Nach der simulierten Unterbrechung muss TP3 weiterhin schalten, TP4 durch RPD auf 0 V liegen und der Laststrom verschwinden. Prüfe bei Abweichungen die tatsächlichen Modelleinstellungen und Bauteilparameter.

Zusätzliche Grundlagen:

PhET: Virtuelles Gleichstrom-Labor

PhET eignet sich für Spannung, Strom und Widerstand in einfachen Stromkreisen. Für den vollständigen MOSFET-PWM-Fall ist CircuitJS geeigneter.

Sicherheitshinweis: Keine Netzspannung, keine offenen Netzteile, keine Leistungsmodule und keine realen elektrischen Fehlereingriffe. Ein 12-V-Wert allein macht einen Aufbau nicht automatisch berührungssicher. Geeignete Schutzmaßnahmen und die Freigabe eines Schulungsmodells sind vorab durch qualifiziertes Fachpersonal sicherzustellen.

Exkurs: Oszilloskop und Multimeter

Beispiel zweier zeitlich veränderlicher Signale auf einem Oszilloskop; keine Aufnahme des konkreten Ausbildungsfalls.

Multimeter: Geeignet zur Prüfung stationärer Gleichspannungen unter passenden Messbedingungen.

Oszilloskop: Zeigt Signalform, Amplitude, Frequenz und Tastgrad.

Wichtig: Ein Multimeter könnte am idealen 25-%-PWM-Signal bei Gleichspannungsmessung etwa 1,25 V Mittelwert anzeigen. Daraus allein folgt nicht, dass die Signalform korrekt ist. Auch eine konstante Spannung könnte denselben Mittelwert besitzen.

Video: Oszilloskop-Grundlagen

Keysight Labs, englisch. Beobachtungsauftrag: Finde im Video Zeitbasis, Spannungsskalierung und Triggerung.

Messtechnischer Sicherheitshinweis: Die Masseklemme eines üblichen geerdeten Tischoszilloskops ist nicht beliebig anschließbar. Eine falsche Verbindung kann Kurzschlüsse und gefährliche Situationen verursachen. Im Lernkurs werden nur virtuelle Messpunkte verwendet. Reale Messanordnungen dürfen ausschließlich durch qualifizierte und beauftragte Personen festgelegt und ausgeführt werden.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Prüfung steht am Anfang einer systematischen elektronischen Fehlersuche? (Die vorgesehenen Versorgungsspannungen prüfen) (!Zuerst den Leistungstransistor ersetzen) (!Alle Widerstände entfernen) (!Sofort die Ausgangslast wechseln)

Welche Spannung wird am unbelasteten Spannungsteiler mit 30 kΩ und 10 kΩ bei 5 V erwartet? (1,25 V) (!2,5 V) (!5 V) (!12 V)

Was macht ein Komparator im Ausbildungsmodell? (Er vergleicht zwei Eingangsspannungen) (!Er speichert elektrische Energie) (!Er ersetzt die Stromversorgung) (!Er misst den Widerstand der Last)

Welchen Tastgrad liefert der ideale Komparator bei 1,25 V Referenz und einer linear steigenden Rampe von 0 bis 5 V? (25 Prozent) (!50 Prozent) (!75 Prozent) (!100 Prozent)

Welche Periodendauer gehört zu einer Frequenz von 1 kHz? (1 Millisekunde) (!10 Millisekunden) (!100 Millisekunden) (!1 Sekunde)

Welche Aufgabe übernimmt der Pull-down-Widerstand am Gate? (Er hält das nicht angesteuerte Gate auf niedrigem Potenzial) (!Er erhöht die Versorgungsspannung) (!Er ersetzt die ohmsche Last) (!Er erzeugt die Sägezahnspannung)

Was ist bei gesperrtem MOSFET im beschriebenen ohmschen Lastzweig zu erwarten? (Eine Drainspannung von ungefähr 12 V) (!Eine Drainspannung von ungefähr 0 V) (!Ein dauerhafter Laststrom von 100 mA) (!Eine Referenzspannung von 12 V an TP2)

TP3 zeigt PWM und TP4 bleibt konstant bei 0 V. Wo ist zuerst weiter zu suchen? (Im Gate-Signalweg zwischen TP3 und TP4 sowie an dessen angeschlossenen Komponenten) (!Im bereits korrekt gemessenen Versorgungseingang) (!Ausschließlich im Sägezahngenerator) (!Im Spannungsteiler ohne weitere Prüfung)

Welches virtuelle Messinstrument zeigt die Pulsform eines PWM-Signals unmittelbar? (Oszilloskop) (!Ohmmeter) (!Reiner Gleichspannungsprüfer) (!Temperaturmessgerät)

Erlaubt ein bestandenes Quiz die selbstständige Arbeit an realen elektrischen Anlagen? (Nein dafür sind Qualifikation Beauftragung und Sicherheitsvorgaben maßgeblich) (!Ja ab einer hohen Punktzahl) (!Ja bei vorhandenen Simulationskenntnissen) (!Ja wenn eine Lehrkraft das Quiz erstellt hat)

Begründetes Quiz-Feedback:

Die Versorgung zuerst zu prüfen verhindert falsche Schlussfolgerungen aus nachfolgenden Messwerten.
Das Widerstandsverhältnis bestimmt die Referenzspannung von 1,25 V.
Der Komparator erkennt den Spannungsunterschied und erzeugt daraus im Modell ein Schaltsignal.
Das Verhältnis von 1,25 V zu 5 V ergibt bei der gewählten Rampe 25 % Einschaltzeit.
Aus 1 kHz folgt eine Periodendauer von 1 ms.
Der Pull-down sorgt dafür, dass das Gate ohne Ansteuerung nicht undefiniert bleibt.
Bei gesperrtem MOSFET fließt durch RL idealerweise kein Strom, deshalb fällt an RL keine Spannung ab.
Der erste auffällige Messpunkt liegt bei TP4; dies lokalisiert zunächst einen Fehlerbereich.
Für die Pulsform benötigt man eine zeitaufgelöste Messung.
Lernleistungen ersetzen weder gesetzliche und betriebliche Anforderungen noch eine Beauftragung.

Memory

Spannungsteiler	Erzeugt eine Referenzspannung
Komparator	Vergleicht zwei Spannungen
Gatewiderstand	Liegt zwischen Steuerausgang und Transistorgate
Pull-down-Widerstand	Hält den Steuereingang bei fehlender Ansteuerung niedrig
MOSFET	Schaltet den Laststrom
Oszilloskop	Zeigt einen zeitlichen Spannungsverlauf
Multimeter	Prüft stationäre Gleichspannungswerte

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Funktion im Signalpfad
Versorgung	Bereitstellung der elektrischen Energie
Spannungsteiler	Erzeugung einer analogen Referenz
Komparator	Spannungsvergleich zur Signalerzeugung
Gatewiderstand	Verbindung von Komparatorausgang und Transistorgate
MOSFET	Elektronisches Schalten der Last

Kreuzworträtsel

Spannungsteiler	Welche Schaltung erzeugt aus einer Eingangsspannung eine kleinere Referenzspannung?
Komparator	Welches Bauteil vergleicht zwei Spannungen?
MOSFET	Welcher Feldeffekttransistor schaltet im Ausbildungsfall die Last?
Gate	Wie heißt der Steuereingang eines MOSFET?
Oszilloskop	Welches Messgerät zeigt Spannungsverläufe über der Zeit?
Tastgrad	Welche Größe beschreibt den Anteil der Einschaltzeit an der Periodendauer?

LearningApps

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Lückentext

Die elektronische Fehlersuche beginnt mit der Prüfung der

.

Elektrische Spannungen werden im Ausbildungsmodell gegen ein gemeinsames

gemessen.

Ein unbelasteter

erzeugt aus der Versorgung eine kleinere Referenzspannung.

Im Ausbildungsfall beträgt die Referenzspannung

Volt.

Ein

vergleicht die Referenz mit einer zeitlich veränderlichen Eingangsspannung.

Das erzeugte Steuersignal verwendet eine

.

Der Sollwert des Tastgrades beträgt

Prozent.

Der Steuereingang des Leistungstransistors heißt

.

Der

übernimmt das Schalten der ohmschen Last.

Ein Pull-down-Widerstand verhindert im Modell ein unbestimmtes

bei fehlender Ansteuerung.

Bei einer Unterbrechung des Gatewiderstands bleibt TP4 auf

Volt.

Der Laststrom beträgt bei gesperrtem MOSFET idealerweise

.

Mit einem

lässt sich die zeitliche Form des PWM-Signals darstellen.

Die erste deutliche Abweichung im Messprotokoll liegt am Messpunkt

.

Die Diagnose muss zwischen Messbefund und

unterscheiden.

Reale Elektroarbeiten setzen eine passende Qualifikation und betriebliche

voraus.

Offene Aufgaben

Leicht

Basisaufgaben

Spannungsversorgung: Zeichne einen Signalplan mit den Prüfstellen TP0 bis TP5. Feedbackkriterium: Versorgung, Referenzbildung, Steuerung und Last müssen in ihrer funktionalen Reihenfolge erkennbar sein.
Spannungsteiler: Berechne die Referenzspannung des Ausbildungsfalls und stelle die Berechnung grafisch dar. Feedbackkriterium: 1,25 V müssen mit dem Widerstandsverhältnis begründet werden.
Pulsdauermodulation: Zeichne zwei PWM-Perioden mit 25 % Tastgrad. Feedbackkriterium: Jede Periode enthält 0,25 ms Einschaltzeit und 0,75 ms Ausschaltzeit.
MOSFET: Erstelle eine beschriftete Bauteilkarte zu Gate, Drain und Source. Feedbackkriterium: Die Gate-Source-Spannung steuert den leitenden oder sperrenden Zustand.

Standard

Anwendungsaufgaben

Schaltungssimulation: Vergleiche einen intakten und einen unterbrochenen Gatewiderstand in CircuitJS. Feedbackkriterium: TP3 bleibt aktiv; TP4 und der Laststrom ändern sich wegen der fehlenden Gate-Ansteuerung.
Messprotokoll: Gestalte eine Tabelle mit Sollwert, Istwert, Abweichung und möglicher Ursache. Feedbackkriterium: TP4 wird als erste auffällige Stelle erkannt.
Oszilloskop: Zeichne die Signalformen an TP3, TP4 und TP5 im fehlerfreien sowie im gestörten Modell. Feedbackkriterium: Die unterschiedliche Signalform muss aus der Funktion des MOSFET erklärbar sein.
Fehleranalyse: Erstelle ein kurzes Erklärvideo oder eine Bildschirmpräsentation zum Ausbildungsfall. Feedbackkriterium: Die Diagnose wird aus Messbefunden hergeleitet und nicht bloß behauptet.

Schwer

Transferaufgaben

Referenzspannung: Unterbrich in einer Simulation R1 und beschreibe die Folgen an TP2, TP3 und am Lastzweig. Feedbackkriterium: TP2 fällt auf 0 V; der ideale PWM-Ausgang bleibt niedrig und die Last schaltet nicht.
Leistungselektronik: Vergleiche eine ohmsche Last mit einer induktiven Last in einer dafür vorbereiteten sicheren Simulation. Feedbackkriterium: Du erklärst, weshalb bei Induktivitäten zusätzliche Schutzmaßnahmen und geeignete Strompfade beim Abschalten nötig sein können.
Messunsicherheit: Prüfe, ob ein Gleichspannungsmittelwert von 1,25 V eine funktionierende PWM beweist. Feedbackkriterium: Eine konstante 1,25-V-Spannung und eine 25-%-PWM können denselben Mittelwert besitzen, aber unterschiedliche Zeitverläufe haben.
Instandhaltung: Entwirf einen dokumentierten Diagnoseablauf für eine unbekannte Störung. Feedbackkriterium: Der Ablauf trennt Messung, Hypothese, Bestätigung und betriebliche Freigabe und enthält keine eigenmächtigen Arbeiten an realen Anlagen.

Lernkontrolle

Bearbeite die folgenden Aufgaben mit Begründung und, wenn möglich, mit einer digitalen Simulation. Die reine Nennung eines Bauteils reicht nicht aus.

Fehlerlokalisierung: TP0 und TP1 stimmen, TP2 ist 0 V und TP3 schaltet nicht. Entwickle mindestens zwei mögliche Fehlerhypothesen und beschreibe die geeigneten nächsten simulierten Messungen. Erwartung: Die Analyse beginnt bei Referenzbildung und Komparatoreingängen, nicht beim Lasttransistor.
Signalpfad: An TP3 wird eine korrekte PWM gemessen, an TP4 nicht. Erkläre, warum der Defekt noch nicht eindeutig nachgewiesen ist. Erwartung: Mehrere Fehlerarten können ähnliche Messwerte erzeugen.
Messstrategie: Vergleiche den Nutzen eines virtuellen Multimeters und eines virtuellen Oszilloskops bei einem PWM-Signal. Erwartung: Du unterscheidest Spannungsmittelwert und zeitlichen Signalverlauf.
Bauteilfunktion: Ein MOSFET bleibt trotz PWM am Steuerausgang ausgeschaltet. Untersuche die Rolle von Gatewiderstand, Pull-down und Gate-Source-Spannung. Erwartung: Die elektrische Wirkung der Bauteile wird miteinander verknüpft.
Vergleich von Fehlerbildern: Vergleiche die Unterbrechung von R1 mit der Unterbrechung von RG. Welche Messpunkte ermöglichen die Unterscheidung? Erwartung: R1 verändert bereits TP2 und TP3; RG unterbricht erst die Übertragung zu TP4.
Sicherheit in der Elektrotechnik: Begründe, warum ein erfolgreiches Simulationsergebnis nicht zur Inbetriebnahme einer realen Schaltung berechtigt. Erwartung: Du berücksichtigst Modellgrenzen, technische Prüfung, Qualifikation, Beauftragung und betriebliche Freigabe.

Bewertungsmaßstab: Eine überzeugende Lösung nennt Beobachtungen, verknüpft sie mit einer Bauteilfunktion, entwickelt eine überprüfbare Hypothese und berücksichtigt die Sicherheitsgrenzen.

Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis dokumentierst Du:

Stromlaufplan: Einen verständlich beschrifteten Stromlauf- und Signalplan mit allen relevanten Messpunkten.
Messprotokoll: Eine vollständige Soll-Ist-Tabelle des fehlerfreien und gestörten Simulationsmodells.
Signaldiagramm: Die PWM-Verläufe und die Spannungen am Gate und am Drain.
Fehleranalyse: Eine begründete Eingrenzung der Störung unter Berücksichtigung alternativer Ursachen.
Simulation: Einen nachvollziehbaren Vergleich vor und nach der simulierten Fehleränderung.
Transferleistung: Eine eigenständige Analyse eines weiteren Fehlerbildes.
Arbeitssicherheit: Eine korrekte Darstellung der Grenzen zwischen Lernsimulation, Schulungsmodell und realen Elektroarbeiten.

Nachweisform: Digitales Diagnoseprotokoll mit Schaltbild, Screenshots, Ergebnistabelle und kurzer fachlicher Begründung.

Bewertung: Entscheidend sind fachliche Richtigkeit, nachvollziehbare Schlussfolgerungen, Dokumentationsqualität und Sicherheitsbewusstsein.

Keine Arbeitsfreigabe: Weder dieser Lernnachweis noch bestandene interaktive Aufgaben erteilen eine Berechtigung zur Durchführung elektrischer Arbeiten oder zur Inbetriebnahme.

OERs zum Thema

Fachliche Vertiefung:

Wikipedia: Pulsdauermodulation

Texas Instruments: MOSFET-Grundlagen

Keysight: Oszilloskope und typische Messgrößen

DGUV Vorschrift 3: Elektrische Anlagen und Betriebsmittel

Frei zugängliche Simulationswerkzeuge:

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Quellen- und Medienrechteprüfung

Stand der Link- und Rechteprüfung: 8. Oktober 2026

Eingebundenes Medium	Urheber / Lizenz
Electronic multimeter.jpg	Kvr.lohith, CC BY-SA 4.0
Voltage divider.svg	Wikimedia Commons, gemeinfrei laut Dateiseite
Pwm modulator.svg	wdwd, CC BY 3.0
Pwm duty cycle.gif	Eighthave, gemeinfrei
Dutycycle.svg	Krishnavedala, CC BY-SA 3.0
Mosfet n-ch circuit.svg	Electron9 und Fred the Oyster, CC BY-SA 3.0
Triangular wave and square wave on oscilloscope screen.jpg	Xato, bearbeitete Dateifassung, CC0

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YouTube-Medien:

Spannungsteiler – praktisch und theoretisch erklärt, Elektrotechnik in 5 Minuten / Alexander Stöger.
Oszilloskop-Grundlagen, Keysight Labs.

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Fachliche Einordnung: Die angegebenen Spannungen und Ströme sind Berechnungen für den beschriebenen idealisierten Ausbildungsfall. Sie sind keine allgemein gültigen Grenzwerte oder Messvorgaben für reale Anlagen. Herstellerdatenblätter und konkrete Schaltungsbedingungen gehen bei realen Geräten vor.