NWT9 - Elektronische Schaltungen
NWT9 - Elektronische Schaltungen
Einleitung
Der aiMOOC NWT9 - Elektronische Schaltungen richtet sich an Lernende der Klasse 9 am Gymnasium beziehungsweise an eine E-Vertiefung im Bereich NwT. Du lernst, einfache elektronische Schaltungen systematisch zu analysieren, einen Schaltplan mit einem realen Aufbau auf dem Steckbrett zu verbinden, Messwerte sinnvoll zu erfassen und Bauteile begründet auszuwählen. Im Mittelpunkt stehen Widerstand, Leuchtdiode, Schalter, Fotowiderstand, Spannungsteiler und Transistor.
Sicherheitsrahmen dieses aiMOOCs: Alle praktischen Versuche beziehen sich ausschließlich auf schulisch sichere Gleichspannungs-Kleinspannung. Verwende für die beschriebenen Aufbauten nur Batteriefächer oder schulische, strombegrenzte Labornetzgeräte im Bereich von 3 V bis 9 V Gleichspannung. Stelle die Strombegrenzung eines Labornetzgeräts für Einsteiger-Versuche niedrig ein, zum Beispiel auf 100 mA. Arbeite niemals an Steckdosen, Netzleitungen, Netzteilen mit geöffnetem Gehäuse oder anderen netzspannungsführenden Teilen. Ein Kurzschluss ist auch bei Kleinspannung zu vermeiden, weil Leitungen, Batterien oder Bauteile warm werden und beschädigt werden können.
Die Abbildung zeigt eine einfache Schaltung mit Batterie, Sicherung, Widerstand, LED, Voltmeter und Amperemeter. Schon daran kannst Du eine zentrale Idee erkennen: Ein Schaltplan beschreibt nicht die räumliche Lage der Teile, sondern ihre elektrische Verbindung.
Lernziele und Kompetenzbezug
Nach diesem aiMOOC kannst Du die Funktion wichtiger elektrischer und elektronischer Bauteile erklären, einfache Schaltpläne lesen und entwickeln, einen Vorwiderstand dimensionieren, einen Spannungsteiler untersuchen, eine Transistorschaltung als elektronischen Schalter deuten sowie eine reale Steckbrettschaltung aus einem Schaltplan aufbauen und prüfen. Du kannst außerdem mit einem Multimeter Spannung, Stromstärke und Widerstand in einer Kleinspannungsschaltung fachgerecht messen und Messwerte mit Berechnungen oder Simulationen vergleichen.
Die Ausrichtung passt zu den Kompetenzen des baden-württembergischen NwT-Bildungsplans für die Klassen 8 bis 10: Funktionen von Schalter, Widerstand, LED und Transistor beschreiben, Schaltungen entwickeln und Bauteile dimensionieren, Schaltpläne analysieren und Schaltungen realisieren sowie ihre Funktionsfähigkeit untersuchen. Siehe dazu den Bildungsplan Baden-Württemberg: Elektronische Schaltungen.
Sicheres Arbeiten mit Kleinspannung
Eine gute elektronische Schaltung beginnt mit einer guten Sicherheitsroutine. Trenne die Versorgung, bevor Du Bauteile umsteckst. Kontrolliere zuerst den Schaltplan, dann die Verdrahtung und erst danach die Polarität. Schalte die Spannung zuletzt ein. Bei einer unbekannten Schaltung startest Du mit kleiner Versorgungsspannung und niedriger Strombegrenzung.
Für diesen aiMOOC gelten folgende Arbeitsregeln:
- Kleinspannung: Verwende ausschließlich 3 V bis 9 V Gleichspannung aus Batteriefach oder strombegrenztem Schulnetzgerät.
- Kurzschluss: Verbinde Plus und Minus niemals direkt miteinander.
- Leuchtdiode: Betreibe eine LED immer mit geeignetem Vorwiderstand.
- Multimeter: Prüfe vor jeder Messung Messart, Buchse und Messbereich.
- Widerstandsmessung: Miss Widerstände nur an einer spannungsfreien Schaltung.
- Strommessung: Schalte das Amperemeter in Reihe und niemals direkt parallel zur Spannungsquelle.
- Umbau: Schalte die Versorgung vor dem Umstecken aus.
- Netzspannung: Steckdosen und Netzspannung sind kein Bestandteil dieses Kurses und bleiben unberührt.
Von der elektrischen zur elektronischen Schaltung
Eine elektrische Schaltung verbindet Bauteile so, dass eine bestimmte Funktion entsteht. Eine elektronische Schaltung enthält darüber hinaus typische elektronische Bauelemente wie Dioden oder Transistoren. In diesem Kurs untersuchst Du vor allem einfache Gleichstromschaltungen, bei denen Du Ursache und Wirkung noch vollständig verfolgen kannst.
Ein geschlossener Stromkreis braucht eine Energiequelle, leitende Verbindungen und mindestens einen Verbraucher. Wird der Stromkreis unterbrochen, fließt kein dauerhafter Strom. In einer elektronischen Schaltung können Bauteile den Stromfluss zusätzlich begrenzen, nur in einer Richtung zulassen, abhängig von Licht verändern oder elektronisch schalten.
Schaltzeichen und Bauteile
Schaltzeichen vereinfachen die Analyse. Sie zeigen die Funktion eines Bauteils, nicht sein Aussehen. Deshalb musst Du lernen, zwischen Bauteil – Schaltzeichen – Anschlüsse – Funktion zu wechseln.
| Bauteil | Typische Aufgabe in der Schaltung | Worauf Du achten musst |
|---|---|---|
| Spannungsquelle | liefert eine Gleichspannung | Plus- und Minuspol beachten |
| Schalter | öffnet oder schließt einen Strompfad | Schaltzustand erkennen |
| Widerstand | begrenzt Strom oder teilt Spannung | Widerstandswert und Belastbarkeit |
| Leuchtdiode | wandelt elektrische Energie in Licht um | Polarität und Vorwiderstand |
| Fotowiderstand | verändert seinen Widerstand mit der Beleuchtung | sinnvoll im Spannungsteiler einsetzen |
| Transistor | kann als elektronischer Schalter dienen | Anschlüsse und Typ im Datenblatt prüfen |
| Multimeter | misst Spannung, Stromstärke oder Widerstand | richtige Buchsen und Messart wählen |
Schaltplan und realer Aufbau
Beim Übergang vom Schaltplan zum Aufbau hilft Dir das Denken in Knoten. Alle Punkte, die im Schaltplan durch ideale Leitungen direkt miteinander verbunden sind, gehören zum selben elektrischen Knoten. Auf dem Steckbrett müssen diese Punkte deshalb elektrisch leitend miteinander verbunden sein – auch wenn sie räumlich weit auseinanderliegen.
Vergleiche die beiden folgenden Darstellungen derselben Grundidee: Batterie, Taster, Widerstand und LED.
Gehe beim Übertragen eines Schaltplans nicht Bauteil für Bauteil, sondern Knoten für Knoten vor. Markiere zuerst Plus und Minus, danach Zwischenknoten. Prüfe anschließend für jedes Bauteil, zwischen welchen zwei Knoten es angeschlossen ist. Damit vermeidest Du viele typische Steckfehler.
Das Steckbrett verstehen
Ein Steckbrett ermöglicht lötfreie Versuchsaufbauten. Unter den Löchern liegen Metallkontakte. In der Mitte sind meist Gruppen von fünf Löchern miteinander verbunden. Die seitlichen Versorgungsschienen können je nach Steckbrett durchgehend oder in der Mitte unterbrochen sein. Deshalb solltest Du ein unbekanntes Steckbrett zuerst mit der Durchgangsprüfung des Multimeters untersuchen.
Elektrische Grundgrößen
Für die Analyse einfacher Schaltungen brauchst Du drei Grundgrößen:
| Größe | Formelzeichen | Einheit | Bedeutung im Modell |
|---|---|---|---|
| Elektrische Spannung | U | Volt V | beschreibt den elektrischen Potentialunterschied zwischen zwei Punkten |
| Elektrische Stromstärke | I | Ampere A | beschreibt, wie viel elektrische Ladung pro Zeit durch einen Leiterquerschnitt fließt |
| Elektrischer Widerstand | R | Ohm Ω | beschreibt bei einem ohmschen Widerstand das Verhältnis von Spannung zu Stromstärke |
Für einen ohmschen Widerstand bei annähernd konstanter Temperatur gilt das ohmsche Gesetz:
U = R · I
Daraus folgen I = U / R und R = U / I.
Beispiel: An einem Widerstand von 1 kΩ liegen 5 V. Dann ist I = 5 V / 1000 Ω = 0,005 A = 5 mA.
LED und Vorwiderstand dimensionieren
Eine Leuchtdiode ist kein ohmscher Widerstand. In Durchlassrichtung steigt der Strom nach Überschreiten einer typischen Durchlassspannung stark an. Deshalb braucht die LED in den hier verwendeten Schaltungen einen Vorwiderstand.
Für eine einfache Reihenschaltung aus Spannungsquelle, Vorwiderstand und LED kannst Du näherungsweise rechnen:
R = (UQuelle − ULED) / ILED
Beispiel für eine rote LED an 5 V: Nimm für eine Beispielrechnung ULED ≈ 2,0 V und einen gewünschten Strom von 10 mA an. Dann gilt R = (5 V − 2 V) / 0,010 A = 300 Ω. Ein üblicher nächsthöherer Wert ist 330 Ω. Der tatsächliche Wert der LED-Durchlassspannung hängt vom Bauteil und vom Strom ab; für eine konkrete Schaltung ist deshalb das Datenblatt entscheidend.
Wichtig: Die Abbildung mit der 9-V-Batterie zeigt Bauteile einer LED-Schaltung. In Deinen Schulversuchen bleibt die Strombegrenzung durch den Vorwiderstand zwingend; noch sicherer und besser kontrollierbar ist ein strombegrenztes Schulnetzgerät.
Messen mit dem Multimeter
Ein Multimeter kann je nach Einstellung unter anderem Spannung, Stromstärke und Widerstand messen. Entscheidend ist nicht nur der Drehschalter, sondern auch die Art, wie das Messgerät in die Schaltung eingebaut wird.
| Messgröße | Anschluss | Sicherheitsregel im Kurs |
|---|---|---|
| Spannung U | parallel zu dem Bauteil oder zwischen zwei Messpunkten | Gleichspannungsbereich wählen, rote Leitung in V/Ω-Buchse |
| Stromstärke I | in Reihe in den aufgetrennten Strompfad | mit großem Strommessbereich beginnen, niemals parallel zur Quelle |
| Widerstand R | am Bauteil beziehungsweise zwischen zwei Punkten | Schaltung vollständig spannungsfrei |
| Durchgang | zwischen zwei Punkten | nur spannungsfrei prüfen |
Ein häufiger Fehler ist eine Strommessung wie eine Spannungsmessung parallel zur Quelle. Das erzeugt praktisch einen Kurzschluss über das Messgerät. Deshalb lautet die Routine: Schaltung aus – Messart wählen – Buchsen prüfen – Messgerät einbauen – erst dann einschalten.
Reihen- und Parallelschaltungen
Bei der Reihenschaltung gibt es nur einen Strompfad. Deshalb ist die Stromstärke durch alle in Reihe liegenden Bauteile gleich. Die Teilspannungen addieren sich zur Gesamtspannung. Für ohmsche Widerstände gilt Rges = R1 + R2 + …
Bei der Parallelschaltung liegen die parallelen Zweige an denselben zwei Knoten. Deshalb ist die Spannung an allen Zweigen gleich. Die Teilströme addieren sich zum Gesamtstrom. Der Gesamtwiderstand ist kleiner als jeder einzelne Parallelwiderstand.
Spannungsteiler als Grundschaltung
Ein Spannungsteiler besteht in der Grundform aus zwei in Reihe geschalteten Widerständen. Die Ausgangsspannung wird am Verbindungspunkt der beiden Widerstände gegen einen Bezugspunkt gemessen. Für unbelasteten Ausgang gilt:
Uaus = Uein · R2 / (R1 + R2)
Ersetzt Du einen der Widerstände durch einen Fotowiderstand, wird die Ausgangsspannung lichtabhängig. Damit entsteht eine einfache Sensorschaltung. Ob Uaus bei stärkerem Licht steigt oder fällt, hängt davon ab, an welcher Position der LDR im Spannungsteiler sitzt.
Eine gute Analyse lautet deshalb nicht nur „mehr Licht → andere Spannung“, sondern: Welcher Widerstand ändert sich? Wie ändert sich das Verhältnis R2 / (R1 + R2)? Was folgt daraus für Uaus?
Transistor als elektronischer Schalter
Ein NPN-Transistor kann in einer einfachen Schaltung als elektronischer Schalter verwendet werden. Ein kleiner Steuerstrom an der Basis ermöglicht einen größeren Strom im Kollektor-Emitter-Zweig. Im Schaltbetrieb interessiert vor allem der Zustand gesperrt oder leitend.
Achtung bei realen Bauteilen: Die Anschlussfolge von Basis, Kollektor und Emitter darf nicht aus dem Aussehen geraten werden. Prüfe immer das Datenblatt des konkret verwendeten Transistortyps.
Eine sichere Schulschaltung bei 5 V kann aus einer LED mit 330-Ω-Vorwiderstand im Kollektorzweig und einem NPN-Transistor als Low-Side-Schalter bestehen. Der Basisstrom wird durch einen zusätzlichen Basiswiderstand begrenzt. Die genaue Dimensionierung hängt von LED-Strom, Transistortyp und Ansteuerung ab.
Schaltungen systematisch analysieren
Eine Schaltung wird überschaubar, wenn Du immer dieselbe Reihenfolge verwendest:
- Energiequelle: Wo liegen Plus, Minus und Versorgungsspannung?
- Knoten: Welche Punkte sind direkt leitend miteinander verbunden?
- Strompfad: Welche Wege kann der Strom bei geschlossenem Stromkreis nehmen?
- Bauteilfunktion: Begrenzen, leuchten, messen, teilen, erfassen oder schalten?
- Zustand: Welche Schalter oder Transistoren sind offen, gesperrt oder leitend?
- Messpunkte: Zwischen welchen Knoten wird eine Spannung gemessen, durch welchen Pfad ein Strom?
- Plausibilität: Passt die berechnete Größenordnung zu Versorgung, Widerständen und Bauteilen?
Wenn eine Schaltung nicht funktioniert, ändere nicht wahllos mehrere Dinge. Prüfe zuerst die Versorgung, dann Masseverbindungen, dann Polarität, dann Knoten und zuletzt einzelne Bauteile. Eine systematische Fehlersuche ist selbst ein wichtiger Teil technischer Kompetenz.
Simulationen
Simulationen helfen Dir, Hypothesen zu prüfen, bevor Du real aufbaust. Sie ersetzen den realen Versuch nicht vollständig, weil reale Kontakte, Bauteiltoleranzen und Messgeräte zusätzliche Effekte erzeugen.
PhET: Stromkreise schalten – Gleichstrom
Die PhET-Simulation eignet sich besonders gut, um zwischen realitätsnaher Ansicht und Schaltplanansicht zu wechseln, Strom- und Spannungsmesser einzusetzen und Reihen- sowie Parallelschaltungen zu untersuchen.
Simulationsauftrag: Baue zuerst eine Batterie-Widerstand-Schaltung. Miss Spannung und Strom. Verdopple anschließend den Widerstand und formuliere vor der Messung eine Vorhersage für die Stromstärke. Überprüfe danach Deine Hypothese.
Falstad Circuit Simulator
Der Falstad-Simulator visualisiert Spannungen und Ströme dynamisch und eignet sich für weiterführende Untersuchungen von Dioden, Transistoren und Zeitverhalten.
Simulationsauftrag: Erzeuge eine 5-V-Gleichspannungsquelle, einen 330-Ω-Widerstand und eine LED in Reihe. Beobachte Stromrichtung und Spannungsabfälle. Tausche anschließend die LED-Polung und erkläre den Unterschied.
Praxisstationen mit sicherer Kleinspannung
Alle Stationen werden nur mit 3 V bis 9 V Gleichspannung und strombegrenzter Versorgung durchgeführt. Die Versorgung bleibt beim Umstecken ausgeschaltet.
Praxisstation 1: LED-Grundschaltung
Material: 5-V-Schulnetzgerät mit Strombegrenzung, Steckbrett, rote LED, 330-Ω-Widerstand, Leitungen und Multimeter. Übertrage zuerst den Schaltplan auf das Steckbrett. Kontrolliere die LED-Polarität. Schalte danach ein und miss die Spannung an LED und Widerstand. Vergleiche die Summe der Teilspannungen mit der Versorgungsspannung.
Praxisstation 2: Ohmsches Gesetz prüfen
Verwende bei fester Versorgungsspannung nacheinander zum Beispiel 330 Ω, 680 Ω und 1 kΩ. Berechne jeweils die erwartete Stromstärke und miss sie anschließend. Erstelle eine Tabelle mit R, U, Iberechnet und Igemessen. Erkläre mögliche Abweichungen durch Widerstandstoleranz, Versorgung, Messgerät und Kontaktwiderstände.
Praxisstation 3: Spannungsteiler mit LDR
Baue bei 5 V einen Spannungsteiler aus einem LDR und einem Festwiderstand von 10 kΩ auf. Miss Uaus bei heller und dunkler Umgebung. Tausche danach die Positionen von LDR und Festwiderstand. Erkläre, warum sich die Richtung der Spannungsänderung umkehrt.
Praxisstation 4: Transistor schaltet eine LED
Baue eine 5-V-Transistorschaltung mit NPN-Transistor, LED-Vorwiderstand und Basiswiderstand nur nach geprüftem Schaltplan und Datenblatt auf. Verwende den Transistor ausschließlich als Kleinleistungsschalter für eine einzelne LED. Untersuche, welche Spannung an Basis-Emitter und Kollektor-Emitter im gesperrten beziehungsweise leitenden Zustand gemessen wird. Die konkrete Anschlussbelegung des verwendeten Transistors wird vor dem Aufbau im Datenblatt kontrolliert.
Fehlerbilder verstehen
| Beobachtung | Wahrscheinliche Ursache | Sinnvoller Prüfschritt |
|---|---|---|
| LED bleibt dunkel | LED verpolt, Stromkreis offen, falscher Steckbrettknoten | Spannung an Quelle und LED messen, Polarität prüfen |
| Netzgerät zeigt Strombegrenzung | möglicher Kurzschluss oder zu kleiner Gesamtwiderstand | sofort ausschalten, Plus-Minus-Pfade prüfen |
| Strommessung zeigt 0 | Messgerät nicht in Reihe, falsche Buchse oder Sicherung ausgelöst | Schaltung ausschalten und Messaufbau kontrollieren |
| Widerstandsmessung schwankt | Bauteil noch in komplexer Schaltung oder Kontakt unsicher | spannungsfrei machen und Bauteil möglichst isoliert messen |
| Simulation und Realität unterscheiden sich leicht | reale Bauteiltoleranz, Kontakt- oder Messgeräteeinfluss | Messbedingungen dokumentieren und Modellannahmen prüfen |
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welche Aufgabe hat der Vorwiderstand in einer einfachen LED-Schaltung? (Er begrenzt den Strom durch die LED) (!Er erhöht die Versorgungsspannung) (!Er macht aus Gleichspannung Wechselspannung) (!Er ersetzt die Spannungsquelle)
Wie wird ein Voltmeter in einer Gleichspannungsschaltung angeschlossen? (Parallel zwischen die beiden Messpunkte) (!Immer direkt in Reihe mit der Spannungsquelle) (!An nur einen einzigen Kontakt) (!Als Kurzschluss über die Spannungsquelle)
Wie wird ein Amperemeter zur Strommessung eingebaut? (In Reihe in den zu messenden Strompfad) (!Parallel zur Spannungsquelle) (!Nur an den Minuspol) (!Ohne Unterbrechung des Strompfads neben die Schaltung)
Was ist beim Umstecken einer Steckbrettschaltung zuerst zu tun? (Die Spannungsversorgung ausschalten) (!Den Strommessbereich auf null stellen) (!Die LED ohne Widerstand testen) (!Plus und Minus kurz verbinden)
Welche Stromstärke fließt ideal durch 1 kΩ bei 5 V? (5 mA) (!0,2 mA) (!50 mA) (!5000 mA)
Welche Aussage gilt für eine Reihenschaltung? (Die Stromstärke ist in allen Bauteilen des einzigen Strompfads gleich) (!An jedem Bauteil liegt immer die volle Versorgungsspannung) (!Der Gesamtwiderstand ist immer kleiner als jeder Einzelwiderstand) (!Jeder Verbraucher besitzt einen eigenen unabhängigen Stromkreis)
Welche Aussage gilt für parallele Zweige zwischen denselben zwei Knoten? (An den Zweigen liegt dieselbe Spannung) (!In allen Zweigen muss derselbe Strom fließen) (!Die Gesamtspannung ist immer null) (!Parallele Zweige können keinen Widerstand enthalten)
Wofür kann ein NPN-Transistor in einer einfachen Schulschaltung verwendet werden? (Als elektronischer Schalter) (!Als mechanischer Taster) (!Als Spannungsquelle) (!Als Sicherung gegen jede Art von Fehler)
Wann darf in diesem Kurs ein Widerstand mit dem Ohmmeter gemessen werden? (Nur an der spannungsfreien Schaltung) (!Nur bei maximaler Versorgungsspannung) (!Während gleichzeitig Strom gemessen wird) (!Direkt an einer Steckdose)
Was ist beim Übertragen eines Schaltplans auf das Steckbrett besonders hilfreich? (Die elektrischen Knoten systematisch zu verfolgen) (!Die Bauteile nur nach ihrer Farbe anzuordnen) (!Alle Drähte möglichst lang zu machen) (!Den Schaltplan nach räumlicher Lage zu kopieren)
Memory
| Schaltplan | funktionale Darstellung mit Schaltzeichen |
| Steckbrett | lötfreier Versuchsaufbau |
| Vorwiderstand | Strombegrenzung an der LED |
| Multimeter | Messgerät für Spannung Stromstärke und Widerstand |
| Spannungsteiler | zwei Widerstände erzeugen eine Teilspannung |
| Transistor | elektronischer Schalter |
| Fotowiderstand | lichtabhängiger Widerstand |
| Knoten | direkt leitend verbundene Schaltungspunkte |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Thema |
|---|---|
| parallel | Spannungsmessung |
| in Reihe | Strommessung |
| spannungsfrei | Widerstandsmessung |
| Anode | LED-Seite Richtung Pluspol über den Strompfad |
| Kathode | LED-Seite Richtung Minuspol im einfachen Stromkreis |
| Basis | Steueranschluss des NPN-Transistors |
| fünfer Kontaktgruppe | typische Verbindung in der Mitte des Steckbretts |
| Vorwiderstand | Schutz der LED vor zu großem Strom |
Kreuzworträtsel
| Vorwiderstand | Welches Bauteil begrenzt den Strom einer LED? |
| Steckbrett | Worauf werden lötfreie Versuchsschaltungen aufgebaut? |
| Multimeter | Welches Gerät misst Spannung Stromstärke und Widerstand? |
| Transistor | Welches Halbleiterbauteil kann als elektronischer Schalter arbeiten? |
| Spannungsteiler | Welche Grundschaltung erzeugt aus zwei Widerständen eine Teilspannung? |
| Leuchtdiode | Welches gepolte Bauteil erzeugt Licht? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Schaltzeichen: Erstelle eine eigene Übersicht mit acht Schaltzeichen und ergänze zu jedem Zeichen Bauteilname, Anschlussbesonderheit und Funktion.
- Steckbrett: Fotografiere oder zeichne ein Steckbrett und markiere alle intern verbundenen Kontaktgruppen. Prüfe Deine Vermutung anschließend mit der Durchgangsfunktion eines Multimeters an einer spannungsfreien Platine.
- Schaltplan: Übertrage eine einfache LED-Taster-Schaltung vom Schaltplan in eine farbig markierte Knotenübersicht und erkläre den Weg vom Plus- zum Minuspol.
- Simulation: Baue in PhET eine Reihenschaltung aus Quelle und zwei Widerständen. Verändere einen Widerstand und dokumentiere Vorhersage und Simulationsergebnis.
Standard
- LED: Dimensioniere für 5 V und eine rote LED bei 10 mA einen geeigneten Vorwiderstand, wähle einen real erhältlichen Standardwert und begründe Deine Wahl.
- Messprotokoll: Baue eine sichere 5-V-LED-Schaltung auf und dokumentiere Versorgungsspannung, LED-Spannung, Widerstandsspannung und Stromstärke. Prüfe die Plausibilität der Messwerte.
- Fotowiderstand: Untersuche einen Spannungsteiler mit LDR bei mindestens drei Beleuchtungszuständen und stelle die Messwerte in einem Diagramm dar.
- Fehlersuche: Lass eine Lehrkraft oder Partnerperson einen einzelnen ungefährlichen Verdrahtungsfehler in eine ausgeschaltete Kleinspannungsschaltung einbauen. Entwickle einen systematischen Diagnoseplan und finde den Fehler ohne zufälliges Umstecken.
Schwer
- Transistorschaltung: Entwirf in Simulation eine lichtabhängige LED-Schaltung, bei der ein LDR-Spannungsteiler einen NPN-Transistor ansteuert. Begründe die Funktion jedes Bauteils.
- Optimierung: Vergleiche zwei LED-Schaltungen hinsichtlich Stromaufnahme und Helligkeit bei gleicher Versorgung. Entwickle eine begründete Optimierung unter Beibehaltung sicherer Kleinspannung.
- Modell und Realität: Vergleiche eine simulierte Schaltung mit einem realen Steckbrettaufbau. Identifiziere mindestens drei Gründe für Abweichungen und ordne sie den Bereichen Bauteil, Kontakt, Messgerät oder Modell zu.
- Erklärvideo: Produziere ein zwei- bis vierminütiges Erklärvideo zum Thema „Vom Schaltplan zum Steckbrett“. Zeige ausschließlich spannungsfreie oder mit 3 V bis 9 V betriebene Schulschaltungen und erkläre mindestens einen typischen Fehler.
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Lernkontrolle
- Schaltungsanalyse: Gegeben ist eine 5-V-Schaltung mit LED, 330-Ω-Widerstand und Schalter. Der Schalter ist geschlossen, die LED bleibt dunkel. Entwickle eine sinnvolle Reihenfolge von mindestens vier Mess- oder Prüfschritten und begründe, warum diese Reihenfolge effizient ist.
- Vorwiderstand: Eine LED soll an 6 V mit ungefähr 8 mA betrieben werden. Das Datenblatt nennt für diesen Arbeitspunkt ungefähr 2,0 V Durchlassspannung. Berechne den idealen Vorwiderstand, wähle zwischen 470 Ω, 510 Ω und 680 Ω einen geeigneten Wert und begründe die Entscheidung.
- Schaltplan und Aufbau: Du erhältst einen Schaltplan und ein Foto eines Steckbrettaufbaus. Beschreibe ein Verfahren, mit dem Du ohne Einschalten feststellen kannst, ob beide elektrisch äquivalent sind.
- Messstrategie: In einer Schaltung soll gleichzeitig geklärt werden, ob die Versorgung korrekt ist und ob durch eine LED Strom fließt. Plane die Messungen so, dass das Risiko eines Kurzschlusses klein bleibt, und begründe die Reihenfolge.
- Spannungsteiler: Bei einem LDR-Spannungsteiler steigt Uaus bei Dunkelheit. Erkläre daraus, ob der LDR eher oben an Plus oder unten an Minus liegen könnte, und begründe Deine Annahme mit der Spannungsteilerformel.
- Transistor: Eine LED soll nur dann leuchten, wenn ein Steuersignal vorhanden ist. Erkläre, warum ein Transistor als elektronischer Schalter besser passt als ein bloßer zusätzlicher Vorwiderstand.
- Simulation und Experiment: Eine Simulation berechnet 9,1 mA, im Experiment werden 8,6 mA gemessen. Nenne mehrere plausible Ursachen und beschreibe eine Kontrollmessung, mit der Du mindestens eine Ursache überprüfen kannst.
Lernnachweis
Für einen erfolgreichen Lernnachweis solltest Du zeigen können, dass Du nicht nur Begriffe kennst, sondern Schaltungen fachgerecht untersuchen und begründen kannst.
- Sicherheit: Du hältst den Kleinspannungsrahmen ein, vermeidest Kurzschlüsse und schaltest vor Umbauten die Versorgung aus.
- Schaltplan: Du erkennst Schaltzeichen und kannst elektrische Knoten und Strompfade verfolgen.
- Steckbrett: Du kannst einen einfachen Schaltplan korrekt in einen realen Aufbau übertragen und die interne Kontaktstruktur berücksichtigen.
- Ohmsches Gesetz: Du kannst U, I und R in einfachen Widerstandsschaltungen berechnen und Einheiten sicher umrechnen.
- LED: Du kannst einen LED-Vorwiderstand aus Versorgung, Durchlassspannung und gewünschtem Strom dimensionieren.
- Multimeter: Du kannst Spannung parallel, Strom in Reihe und Widerstand nur spannungsfrei messen.
- Spannungsteiler: Du kannst die Ausgangsspannung erklären und einen LDR als veränderlichen Widerstand einordnen.
- Transistor: Du kannst die Grundfunktion eines NPN-Transistors als elektronischen Schalter beschreiben.
- Fehlersuche: Du arbeitest mit Hypothesen, Messpunkten und plausiblen Prüfschritten statt mit zufälligem Umstecken.
- Transfer: Du kannst Simulation, Rechnung und realen Aufbau vergleichen und Abweichungen begründet bewerten.
OERs zum Thema
Der Wikipedia-Artikel bietet einen Überblick zum Begriff der elektronischen Schaltung:
Weitere frei zugängliche Lernangebote für diesen Themenbereich sind die PhET-Simulation „Stromkreise schalten: Gleichstrom“, der Falstad Circuit Simulator sowie die Seiten von LEIFIphysik zu elektrischen Grundgrößen und Schaltungen. Für den praktischen Unterricht bleibt bei allen digitalen Vorlagen der Sicherheitsrahmen dieses aiMOOCs maßgeblich: ausschließlich schulisch sichere Kleinspannung.
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