AB Elektrotechnik Draft
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Ausbildungsbild: Elektrotechnik Allgemeine Fertigkeiten:. Elementare Rechentechniken und Formelumstellungen beherrschen und anwenden können. Mit Einheiten umgehen können. Schaltungen normgerecht und sauber zeichnen, Kennlinien zeichnen und Meßwerte interpolieren, Schaltungen aufbauen und Meßinstrumente richtig einbauen. Allgemeine Fähigkeiten: Systematische Planung und sorgfältige Ausführung der Schülerversuche. Selbständigkeit und Verantwortung, Kooperations- und Kommunikationsfähigkeit in den Schülerversuchen. Strukturierte und übersichtliche Darstellung der Versuchsberichte. Probleme analysieren, elektrotechnische Sachverhalte mathematisch beschreiben und erklären. Skizzen anfertigen, Aufgabenergebnisse diskutieren und interpretieren können, Größenordnung von Ergebnissen richtig einschätzen, Überschlagsrechnung durchführen und elektrotechnische Probleme lösen können. Ausbildungsziel: Elektrischer Stromkreis 1 Inhalt Elektrischer Stromkreis Kenntnisse § § § § Leiter, Nichtleiter, Erzeuger, Verbraucher, Energiefluß Spannung, Strom Schalter, Sicherung, Gefahren des elektrischen Stromes Fertigkeiten § Elektrischen Stromkreis mit genormten Schaltzeichen darstellen und praktisch aufbauen. Fähigkeiten Hinweise und Bemerkungen § Die Grundbegriffe der elektrischen Ladung , der Spannung und der Stromstärke werden im Physikunterricht eingeführt und werden hier kurz wiederholt. Ausbildungsziel: Meßtechnik 2 Meßinstrumente handhaben und in Schaltungen einbauen können; Messungen durchführen und Meßergebnisse darstellen und interpretieren. Inhalt Kenntnisse Meßtechnik § Meßtechnische Grundbegriffe § Vorsichts- und Sicherheitsbedingungen im Labor § Elektrotechnische Meßinstrumente § Spannungsquellen § Meßfehler 1 Nach diesem Item wurde im Dozentenfragebogen nicht gefragt. In den Studienanforderungsprofilen wurde „elektrischer Stromkreis“ bei drei von vier Studiengängen aufgelistet und gehört zur Allgemeinbildung. 1 2 Die Grundbegriffe der Meßtechnik sowie der Umgang mit Meßgeräten der Elektrotechnik sind zum selbständigen Messen und Auswerten elementar wichtig. Die Items „Bauelemente der Elektrotechnik“ meßtechnisch untersuchen und „Bauelemente der Elektronik meßtechnisch untersuchen“ wie auch das Item „Schaltungen der Elektronik und der Elektrotechnik aufbauen und meßtechnisch untersuchen“ gehören zu diesem Ausbildungsziel. In den Studienanforderungsprofilen wurden diese Items jeweils bei zwei von vier Studiengängen als wichtig bewertet. Im derzeit gültigen Rahmenlehrplan gehören die praktischen Messungen zu diesem Ausbildungsziel. 2 1 Fertigkeiten § Schaltungen zeichnen und aufbauen § Umgang mit Meßinstrumenten und Durchführung von Messungen § Tabellarische bzw. graphische Darstellung von Meßwerten § Berechnung und Erläuterung von Meßfehlern § Strukturiertes Verfassen von Versuchsberichten Fähigkeiten § Schaltungen selbständig zeichnen und Bauteile und Schaltungen selbständig untersuchen. § Meßergebnisse mathematisch beschreiben: Funktionale Zusammenhänge erkennen und erklären können ( proportionale, nicht proportionale und exponentielle Zusammenhänge). Hinweise und Bemerkungen § Allgemeine Vorsichts- und Sicherheitsbedingungen im Labor könnten zusammen mit dem Chemieunterricht, dem Physikunterricht und dem Informatikunterricht erstellt werden. § Graphische Darstellung der Meßergebnisse am Computer, Verfassen von Versuchsberichten eventuell in Französisch bzw. Englisch. Erkennen und beschreiben der funktionalen Zusammenhänge. (Formelableitung) § Parallel zum theoretischen Unterricht sollten praktische Messungen durchgeführt werden um das qualitative Verständnis des Schülers für naturwissenschaftliche Vorgänge zu fördern Ausbildungsziel: Ohmsches Gesetz3 Inhalt Ohmsches Gesetz Kenntnisse § § § § § § Definitionen der Grundgrößen Ohmsches Gesetz Leiterwiderstand Temperaturabhängigkeit des Widerstandes Lineare und nicht lineare Widerstände Farbcode der Widerstände Fertigkeiten § Formelumstellungen § Mit Datenblättern umgehen können § Direkte Widerstandsmessung Fähigkeiten § § § Strom- Spannungskennlinie selbständig aufnehmen und das Ohmsche Gesetz herleiten Proportionale und nicht proportionale Zusammenhänge erkennen und beschreiben. Die Gesetze situationsbezogen richtig anwenden. Hinweise und Bemerkungen Hinweise für fächerübergreifenden Unterricht: § Mathematik: Funktion- Proportionalität Schülerversuche: § Ohmsches Gesetz § Direkte Widerstandsmessung 3 Das Ohmsche Gesetz ist das Grundgesetz der Elektrotechnik. Der Schüler soll das Ohmsche Gesetz ableiten und anwenden können. Desweiteren soll er den Leiterwiderstand und die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes berechnen können. In den Studienanforderungsprofilen wurde „das Ohmsche Gesetz“ bei allen Studiengängen als wichtig aufgelistet. Im Derzeit gültigen Rahmenlehrplan wird es unter“Grundlagen wiederholen“ aufgeführt. 3 2 Siehe Aufgabe1 im Anhang Ausbildungsziel: Elektrische Arbeit und Leistung 4 Inhalt Elektrische Leistung, Arbeit und Wirkungsgrad Kenntnisse § Elektrische Arbeit und Leistung und Wirkungsgrad kennen § Strom- und Spannungsabhängigkeit der Leistung § Joulsches Gesetz § Nennleistung, Leistungshyperbel § Elektrische Energieumwandlungen in technischen Geräten (z.B. Motor, Generator, Heißwasserspeicher) Fertigkeiten § § § Direkte und indirekte Messung der elektrischen Leistung und Arbeit , Fehlerrechnung Konstruktion der Leistungshyperbel Formeln an verschiedenen Aufgaben anwenden Fähigkeiten § P-t-Diagramm interpretieren und elektrische Arbeit ermitteln (Methode des Flächenauszählens) § Energieumwandlungsprozesse erkennen und beschreiben Hinweise und Bemerkungen § Bei der Methode des Flächenauszählens kann auf die Integration hingewiesen werden bzw. anhand einer einfachen Funktion auch berechnet werden. Schülerversuch: § Die elektrische Leistung soll direkt, indirekt über Strom- und Spannungsmesser und mittels Zähler und Zeitmessung gemessen werden. Siehe Aufgabe5 im Anhang 4 Die Leistungsberechnungen und die elektrischen Energieumwandlungen sind von zentraler Wichtigkeit für das Verständnis von Energieumwandlungsprozessen. Im Studentenfragebogen wurde nicht nach diesem Item gefragt. Es ist aber im derzeit gültigen Rahmenlehrplan enthalten. 4 3 Ausbildungsziel: Kirchhoff’sche Gesetze und Widerstandsschaltungen5 Inhalt Grundschaltungen elektrischer Widerstände Kenntnisse § Allgemeine Kirchhoff’sche Gesetze § Zweigströme, Zweigspannungen, Gesamtwiderstand in der Reihenschaltung (Maschenregel) und in der Parallelschaltung (Knotenregel) Anwendungen der Grundschaltungen: § Vorwiderstand § Meßbereichserweiterung von Strom- und Spannungsmesser Fertigkeiten § Kirchhoff’sche Gesetze theoretisch herleiten und anschließend experimentell bestätigen. § Rechnerische sowie graphische Lösung bei Reihen- und Parallelschaltung. Fähigkeiten § Die entsprechenden Schaltungen Problem bezogen richtig einsetzen und berechnen können. Hinweise und Bemerkungen Schülerversuch: § Inhalt Gemischte Schaltungen und Netzwerke Herleiten der Gesetzmäßigkeiten der Reihen- und Parallelschaltung Kenntnisse Teilströme und Teilspannungen in • gemischten Schaltungen • Netzwerken • der Wheatstonschen Brückenschaltung Fertigkeiten § Berechnung des Gesamtwiderstandes sowie der Teilströme und Teilspannungen. § Aufstellen und Lösen von Gleichungssystemen. § Anwenden eines Verfahrens zur Berechnung von Netzwerken (z.B. Kreisstromverfahren). § Herleiten der Abgleichbedingung der Brückenschaltung und Berechnung der Brückenspannung bei nicht abgeglichener Brückenschaltung. Fähigkeiten § Erkennen von Grundschaltungen und systematisches Vorgehen bei der Berechnung des Gesamtwiderstandes, der Teilströme und Teilspannungen. Lösungswege gezielt wählen. 5 Die Kirchhoff’schen Gesetze gehören ebenfalls zu den Grundgesetzen der Elektrotechnik. Sie werden z.B bei der Schaltungsanalyse eingesetzt. In den Studienanforderungsprofilen wurden „die Kirchhoff’schen Gesetze“ bei drei von vier en Studiengängen als wichtig aufgelistet; sie sind auch im derzeit gültigen Rahmenlehrplan enthalten. Anhand der gemischten Schaltungen können die Kirchhoff‘schen Gesetze wie auch die Gesetze der Reihen- und Parallelschaltung angewendet werden und Ströme und Spannungen in Schaltungen berechnet werden. Mit der Einführung in die Netzwerkberechnung soll der Schüler ein qualitatives Verständnis für die Systematik bei der Berechnung von Netzwerken bekommen. In den Studienanforderungsprofilen wurden „Netzwerke“ bei drei von vier Studiengängen als wichtig aufgelistet. Die Spannungsteilerschaltung ist eine Grundschaltung deren qualitatives Verständnis für viele Schaltungen (z.B. Verstärkerschaltungen) die zu einem späteren Zeitpunkt untersucht werden notwendig ist. Der Spannungsteiler wird in den Studienanforderungsprofilen in drei von vier Studiengängen als wichtig gelistet und ist ebenfalls im derzeit gültigen Rahmenlehrplan enthalten. 5 4 Hinweise und Bemerkungen § Das Lösen von Gleichungssystemen kann zusammen mit dem Mathematik- bzw. Informatikunterricht erfolgen. § Die berechneten Schaltungen können anhand eines Simulationsprogrammes überprüft werden. Schülerversuch: § Inhalt Spannungsteiler Meßtechnische Untersuchung der Wheatstoneschen Brückenschaltung Kenntnisse Eigenschaften und Bemessung des Spannungsteilers § unbelasteter Spannungsteiler § belasteter Spannungsteiler (Querstromverfahren) Fertigkeiten § Spannungsteiler in Abhängigkeit der Belastung meßtechnisch untersuchen und Funktionen graphisch darstellen. . § Berechnung der Widerstände des Spannungsteilers. Fähigkeiten § Tabellen und graphische Darstellungen interpretieren können § Erkennen und Dimensionieren eines Spannungsteilers in einer Schaltung Hinweise und Bemerkungen § Die Belastungskennlinien können am Computer graphisch dargestellt werden (Meßwerte). § Das Verändern bestimmter Parameter kann theoretisch am Rechner untersucht werden und fördert das qualitative Verständnis, das logische Denkvermögen und das systematische Vorgehen. Schülerversuch: § Aufnahme der Belastungskennlinien eines Spannungsteilers Siehe Aufgaben 2, 3 und 6 im Anhang Ausbildungsziel: Reale Spannungsquelle und Ersatzspannungsquelle6 Inhalt Reale Spannungsquelle Kenntnisse • Unterschied zwischen idealer und realer Spannungsquelle • Grundbegriffe kennen: Quellenspannung, Innenwiderstand, Leerlaufspannung, Kurzschlußstrom. Ersatzschaltung einer realen Spannungsquelle kennen. • Belastungskennlinie einer Spannungsquelle • Energieübertragung und Wirkungsgrad (Spannungsanpassung , Leistungsanpassung) • Reihenschaltung von Spannungsquellen • Parallelschaltung von Spannungsquellen (auch bei unterschiedlichen Quellenspannungen) 6 Der Schüler soll reale Spannungsquellen untersuchen, beschreiben und berechnen können. Spannungsquellen sind die Grundelemente jeder Schaltung und für das allgemeine Verständnis von größter Wichtigkeit. Das Verfahren der Ersatzspannungsquelle veranschaulicht dem Schüler wie ein Netzwerk umgewandelt und berechnet werden kann, wenn nur ein Strom bzw. eine Spannung ermittelt werden soll. Im Studentenfragebogen wurde nicht nach diesem Item gefragt. Es ist ebenfalls nicht im derzeit gültigen Rahmenlehrplan aufgeführt. 6 5 Fertigkeiten § Aufnehmen, berechnen und zeichnen der Belastungskennlinie einer realen Spannungsquelle. § Berechnen von Schaltungen mit realen Spannungsquellen. § Berechnung von Reihen- und Parallelschaltungen von Spannungsquellen. Fähigkeiten § Wirkungsgrad- und Leistungsverlauf von Spannungsquellen interpretieren. Hinweise und Bemerkungen § Das Leistungsmaximum (Leistungsanpassung) kann durch Ableitung hergeleitet werden. Schülerversuch : § Inhalt Ersatzspannungsquelle Belastungskennlinie einer Spannungsquelle Kenntnisse § Methode der Ersatzspannungsquelle Fertigkeiten § Anwenden des Verfahrens der Ersatzspannungsquelle. Fähigkeiten § Qualitatives Verständnis für die Umformung eines Netzwerks anhand der Methode der Ersatzspannungsquelle. Hinweise und Bemerkungen Siehe Aufgabe 4 im Anhang Ausbildungsziel: Elektrostatisches Feld7 Inhalt Ladung und elektrisches Feld Kenntnisse • Ladung , geladene Körper • Definition eines elektrischen Feldes • Elektrische Feldlinienbilder (homogene und inhomogene Felder) • Merkmale elektrischer Felder • Elektrische Feldstärke, Durchschlagfestigkeit • Potential, Potentiallinien, Potentialdifferenz, Potentialgefälle Fertigkeiten § Darstellung von Feldlinienbildern § Berechnung der elektrischen Feldstärke Fähigkeiten § Interpretation von Feldlinienbildern, § Unterscheiden und Interpretieren von Potentiallinien und Feldlinien. 7 Die Grundkonzepte elektostatischer Felder sind für das Verständnis vieler elektrischer Vorgänge von Wichtigkeit. Elektrische Feldlinien darstellen und beschreiben; Kondensator als Ladungsspeicher beschreiben; Kraftwirkungen im elektrostatischen Feld beschreiben und berechnen; Lade- und Entladekurve eines Kondensators erklären und aufnehmen; Schaltungen von Kondensatoren kennen. In den Studienanforderungsprofilen wird “Elektrisches Feld” in zwei von vier Studiengängen als wichtig gelistet und ist ebenfalls im derzeit gültigen Rahmenlehrplan enthalten. 8 6 Hinweise und Bemerkungen § Inhalt Kräfte im elektrischen Feld Der Begriff der Ladung und die Wirkungen von geladenen Körpern werden in der Physik eingeführt. Kenntnisse • Kräfte auf freie Ladungen im elektrischen Feld (Endgeschwindigkeit) • Elektronenablenkung in einer Elektronenstrahlröhre (Oszilloskop) Fertigkeiten § Anwendung der abgeleiteten Formeln. Fähigkeiten § Beschreiben der Kraftwirkungen (Beschleunigung) und Berechnung der horizontalen und vertikalen Geschwindigkeitskomponenten sowie des Ablenkwinkels. § Erkennen daß es sich um Geschwindigkeitsvektoren handelt die geometrisch addiert werden müssen. Hinweise und Bemerkungen Inhalt Kondensator § Die Kraftwirkungen könnten auch im Physikunterricht behandelt werden. § Da es sich beim Oszilloskop um ein in der Elektrotechnik viel verwendetes Meßinstrument handelt ist es eventuell sinnvoll die Elektronenablenkung in diesem Fach zu behandeln. Kenntnisse • Kondensator als Ladungsspeicher (Kapazität und Ladungsmenge) • Kapazität des Plattenkondensators (Dielektrikum, Dielektrizitätszahl, Polarisation) • Auf- und Entladungevorgänge von Kondensatoren , Zeitkonstante • Reihen- und Parallelschaltung von Kondensatoren • Influenz, Abschirmung elektrischer Felder • Energie im elektrostatischen Feld Fertigkeiten § Einfluß des Dielektrikums auf die Kapazität des Kondensators beschreiben § Messung von Strom und Spannung am Kondensator beim Auf- und Entladen mittels Schreiber bzw. Oszilloskop und untersuchen des Einflusses von R und von C. § Graphische Darstellung der Funktionen, graphische Ermittlung der Zeitkonstanten sowie rechnerische Überprüfung. § Die Kapazität eines Kondensators, Momentanwerte von Strom und Spannung beim Laden und Entladen sowie einfache Schaltungen von Kondensatoren berechnen. (AnfangswertEndwert Methode) Fähigkeiten § Den Strom- und Spannungsverlauf eines Kondensators interpretieren und mathematisch beschreiben. Die Kapazität praxisbezogener Beispiele berechnen. 7 Hinweise und Bemerkungen § Der Einfluß der Baugrößen auf die Kapazität kann theoretisch hergeleitet und praktisch mit einem Multimeter mit Kapazitätsmessung überprüft werden. § Einführung der Exponentialfunktion und des natürlichen Logarithmus. § Simulation der Funktionen von Strom und Spannung bei der Auf- und Entladung am Rechner und untersuchen des Einflusses von R und von C auf die Zeitkonstante. Schülerversuche: § Untersuchen des Lade- und Entladevorganges eines Kondensators § Herleiten der Regeln der Kondensatorschaltungen Siehe Aufgaben 7 und 8 im Anhang Ausbildungsziel: Magnetisches Feld8 Inhalt Feldlinienbilder Kenntnisse • Magnetfeld eines geraden Leiters • Rechtsschraubenregel • Magnetfeld einer Zylinderspule • Spulenregel • Homogene und inhomogene Felder • Merkmale magnetischer Felder Fertigkeiten § Zeichnen der Feldlinienbilder und Ermittlung der Richtung der magnetischen Feldlinien Fähigkeiten Hinweise und Bemerkungen § Inhalt Zusammenhang zwischen dem elektrischen Strom und dem Magnetismus Das magnetische Feld von Dauermagneten ist dem Schüler aus dem Physikunterricht bekannt. Kenntnisse § Elektrische Durchflutung § Magnetische Feldstärke § Magnetische Flußdichte § Magnetischer Fluß § Magnetisierungskennlinie des Eisens, Permeabilität, Hysteresekennlinie § Definition der Induktivität § Induktivität einer Ringspule und einer Zylinderspule • Energieumsatz in der Spule 8 Die Beschreibung von magnetischen Feldern gehört zu den Grundkonzepten um ein allgemeines Verständnis für die Wirkungen und Anwendungen zu bekommen. Feldlinienbilder von Dauermagneten; Zusammenhang zwischen Strom und Magnetismus beschreiben; Elektromechanische Energieumwandlungen beschreiben; Impulsverhalten einer Spule erklären; Schaltungen von Spulen kennen. Das Motorprinzip, das Generatorprinzip und das Transformatorprinzip werden hier behandelt und sollen dem Schüler der sich intensiver mit dem Spezialgebiet „elektrische Maschinen“ befaßt die Grundkenntnisse vermitteln. .In den Studienanforderungsprofilen wird “Magnetisches Feld” in zwei von vier Studiengängen als wichtig gelistet und ist ebenfalls im derzeit gültigen Rahmenlehrplan enthalten. 8 8 Fertigkeiten § Formeln der Durchflutung, magnetischen Feldstärke, magnetischen Flußdichte, des magnetischen Flusses und der Induktivität anhand einfacher Beispiele anwenden § Einfachen magnetischen Kreis berechnen. § Magnetisierungskennlinie in Aufgaben benutzen und die magnetische Energie einer Spule berechnen. Fähigkeiten Hinweise und Bemerkungen Inhalt Kraftwirkungen im Magnetfeld § Nichtlineare Funktionen § Auf Analogien zum elektrischen Feld hinweisen Kenntnisse • Kraftwirkung auf stromdurchflossenen Leiter • Motorprinzip Fertigkeiten § Erklären und berechnen der Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter. § Erklären des Motorprinzips. Fähigkeiten Hinweise und Bemerkungen Inhalt Induktion § Anhand von Demonstrationsversuchen wird die Kraftwirkung auf stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld sowie das Motorprinzip experimentell veranschaulicht. § Arbeiten mit Vektoren. Kenntnisse Induktion der Bewegung: • Bewegter Leiter im Magnetfeld • Induktionsgesetz • Lenzsche Regel • Generatorprinzip Induktion der Ruhe: § Transformatorprinzip, § Übersetzungsverhältnisse der Spannungen, Ströme und Widerstände Fertigkeiten § Die Induktionsvorgänge der Bewegung und der Ruhe beschreiben. § Die Induktionsspannungen bei gegebenem Flußverlauf berechnen. § Anwendung der Übersetzungsverhältnisse beim Transformator an einigen Beispielen. Fähigkeiten § Die Induktionsphänomene verstehen und anhand von praktischen Beispielen implízieren und mathematisch beschreiben. Hinweise und Bemerkungen Schülerversuch: § Die Strom- und Spannungsverhältnisse beim Transformator werden meßtechnisch ermittelt und anschließend theoretisch überprüft. 9 Inhalt Schaltvorgänge bei Spulen Kenntnisse • Zeitkonstante • Mathematische Beschreibung des Strom- und Spannungsverlaufs beim Ein- und Ausschalten von Spulen Fertigkeiten § Momentanwerte von Strom und Spannung berechnen können. Fähigkeiten § Interpretation der Strom- und Spannungsverläufe und herleiten der mathematischen Funktionen von Strom und Spannung in Analogie zu den Ladungsvorgängen beim Kondensator Hinweise und Bemerkungen § Erstellen der Funktionen des Spulenstromes und der Spulenspannung durch Lösen von Differentialgleichungen. (Mathematik) Schülerversuch: § Aufnahme des Strom -und Spannungsverlaufs an der Spule beim Ein- und Ausschalten. Einfluß der Induktivität und des Widerstandes auf die Zeitkonstante. Siehe Aufgaben 9, 10 und 11 im Anhang Ausbildungsziel: Wechselstromkreis9 Inhalt Sinusförmige Änderungen elektrischer Größen Kenntnisse • Darstellung sinusförmiger Größen (Liniendiagramm, Funktionsgleichung, Zeigerdiagramm) • Frequenz und Kreisfrequenz • Zeitabhängige und winkelabhängige Darstellung von sinusförmigen Größen Fertigkeiten § Die Sinusfunktion in verschiedenen Darstellungen zeichnen. § Aufgaben lösen, die die mathematische Beschreibung sinusförmiger Wechselströme bzw. Wechselspannungen veranschaulichen. (z.B. Leiterschleife die mit der Winkelgeschwindigkeit ? in einem homogenen Magnetfeld rotiert; Berechnung des Spannungsverlaufes einer Induktivität bei gegebenem sinusförmigen Stromverlauf) Fähigkeiten § Erkennen, daß bei den gewählten Beispielen eine Ableitung berechnet werden soll (Andere Darstellung als im Mathematikunterricht.) § Durch Vergleichen der allgemeinen Gleichung der Sinusfunktion mit der durch Ableitung Berechneten wird der Scheitelwert ermittelt. Hinweise und Bemerkungen § Die Ableitung der Sinusfunktion bzw. Cosinusfunktion wird berechnet werden. 9 Erzeugung und Beschreibung von sinusförmigen Wechselspannungen; Addition und Subtraktion von sinusförmigen Wechselspannungen; R, L und C im Wechselstromkreis untersuchen. In den Studienanforderungsprofilen wird dieses Ausbildungsziel in drei von vier Studiengängen als wichtig gewertet und im derzeit gültigen Rahmenlehrplan ist dieses Ziel bei den „Praktischen Messungen“ teilweise enthalten. Im Rahmenlehrplan wird aber mehr auf das Impulsverhalten eingegangen. Dies setzt aber das Aufstellen und lösen von Differentialgleichungen voraus. In den Ausbildungszielen „Magnetisches Feld“ und „Elektrisches Feld“ wird kurz auf das Impulsverhalten eingegangen und dem Schüler werden somit die Grundkenntnisse vermittelt um diesen Sachverhalt im Studium zu erlernen. 9 10 Inhalt Mittelwerte periodischer Größen Kenntnisse § Arithmetischer Mittelwert § Effektivwert Fertigkeiten § Anwendung der Formeln (z.B. bei sinusförmigen und rechteckförmigen Spannungsverlauf) § Arithmetischen Mittelwert und Effektivwert messen Fähigkeiten Hinweise und Bemerkungen Inhalt Addition frequenzgleicher Größen § Lösen von Integralen bei der Mittelwertberechnung § Messung des arithmetischen Mittelwerts und des Effektivwerts und anschließend rechnerische Überprüfung. Kenntnisse § Nullphasenwinkel, Phasenverschiebungswinkel § Addition, Subtraktion im Linien- und Zeigerdiagramm § Addition, Subtraktion rechnerisch durch Zerlegung in x- und y-Komponenten Fertigkeiten § Lösen von Aufgaben unter Anwendung der verschiedenen Verfahren Fähigkeiten § Geeignete Wahl des Verfahrens beim Lösen von Aufgaben. Hinweise und Bemerkungen § Inhalt Idealer Schaltwiderstand, Idealer Kondensator, Ideale Spule im Wechselstromkreis Addition von Vektoren Kenntnisse § Phasenlage zwischen Strom und Spannung § Leistung und Energieumsetzung § Ohmsches Gesetz und Wirk- bzw. Blindwiderstand Fertigkeiten § Lösen unterschiedlicher Aufgaben unter Anwendung der abgeleiteten Formeln. § Darstellung verschiedener Abhängigkeiten in Diagrammen § Graphische und mathematische Beschreibung und Interpretation der Phasenlage und der Leistung . Fähigkeiten Die Formeln der Blindwiderstände selbständig aus den Versuchsergebnissen herleiten. Hinweise und Bemerkungen § Erstellen der Gleichung der Spulenspannung durch Ableitung § Erstellen der Gleichung des Kondensatorstromes durch Ableitung Schülerversuche: § Bestimmung der Phasenlage zwischen Strom und Spannung an der Spule und am Kondensator § Bestimmung des Blindwiderstandes von Spule und Kondensator in Abhängigkeit der Frequenz und der Induktivität bzw. Kapazität. Siehe Aufgaben 12 und 13 im Anhang 11 Ausbildungsziel: RLC-Schaltungen10 Inhalt Grundschaltungen im Wechselstromkreis R-L, R-C, R-L-C Reihenund Parallelschaltungen Kenntnisse § Linien- und Zeigerdiagramme. (Strom- bzw. Spannungsdreieck, Widerstandsdreieck und Leistungsdreieck) § Ersatzschaltungen von realer Spule und Kondensator § Hochpaß, Tiefpaß, Grenzfrequenz § Schwingkreis (Thomsonsche Schwingkreisformel) Fertigkeiten § Darstellung der entsprechenden Größen im Linien- und Zeigerdiagramm § Lösen von Aufgaben Fähigkeiten Hinweise und Bemerkungen § Logarihmische Darstellung der Ergebnisse (Mathematik, Informatik) § Darstellung der Kennlinien am Computer Schülerversuche: § Reihen- und Parallelschwingkreis untersuchen (Gruppenarbeit) § Untersuchung der Frequenzabhängigkeit und der Phasenlage einer R-C Reihenschaltung Die Begriffe Hochpaß und Tiefpaß sollen anhand der RC- Schaltung erläutert werden. Siehe Aufgaben 14 und 15 im Anhang Ausbildungsziel: Dreiphasenwechselstrom11 Inhalt Dreiphasenwechselstrom Kenntnisse • Erzeugung von Dreiphasenwechselstrom • Verkettung • Stern- und Dreieckschaltung • Symmetrische und unsymmetrische Belastung • Leistung im Dreiphasensystem Fertigkeiten § Addition von Zeigern, lösen von Aufgaben Fähigkeiten § Zusammenhänge eines Einphasensystems auf ein Dreiphasensystem übertragen. 10 Untersuchen und beschreiben von Reihen- und Parallelschaltungen frequenzabhängiger Widerstände. In den Studienanforderungsprofilen wird diesesAusbildungsziel in drei von vier Studiengängen als wichtig gelistet und im derzeit gültigen Rahmenlehrplan ist dieses Ziel bei den „Praktischen Messungen“ teilweise enthalten. 10 11 Dreiphasenwechselstrom ist im derzeit gültigen Rahmenlehrplan nicht enthalten, wird jedoch in drei von vier Studiengängen in den Studienanforderungsprofilen als wichtig gelistet. 11 12 Hinweise und Bemerkungen § Viele Elektrische Maschinen bauen auf den Kenntnissen des Dreiphasenwechselstroms auf. Schülerversuche: § Messen der Strang- und Leiterspannungen bei Stern- und Dreieckschaltung § Leistungsmessung im Drehstromnetz Siehe Aufgabe 16 im Anhang Ausbildungsziel: Analogelektronik12 Inhalt Wirkungsweise der Diode beschreiben Kenntnisse • N- und P- Halbleiter, PN-Übergang • Aufbau, Schaltzeichen, Wirkungsweise • Kennlinien von Dioden (nicht idealisierte und idealisierte Kennlinie (Ersatzschaltung)) • Grenzwerte und Kennwerte von Dioden • Reihenschaltung von Widerstand und Diode (Arbeitspunktbestimmung, graphisch und rechnerisch) • Anwendungen (Dioden als Schalter, Gleichrichterschaltungen (Einweg- und Zweiweggleichrichterschaltung mit Glättung) Fertigkeiten § Aufgaben lösen (graphisch und rechnerisch) Fähigkeiten § Die Kenntnisse der Diode auf andere Halbleiterbauteile übertragen Hinweise und Bemerkungen § Differenzieller Widerstand der Diode (Mathematik) Schülerversuch: § Inhalt Bipolartransistor Gleichrichterschaltungen untersuchen (Spannungsverläufe , arithmetischer Mittelwert und Effektivwert). Der arihmetische Mittelwert soll rechnerisch überprüft werden. Kenntnisse • Aufbau (NPN- und PNP-Transistor ), Schaltzeichen, Spannungs- und Stromrichtungen, Wirkungsweise • Kennlinienfelder des Transistors • Gleichstromverstärkung und differenzieller Stromverstärkungsfaktor • Grenzwerte • Spannungen und Ströme beim Transistor • Transistor als Verstärker (Arbeitsgerade, Arbeitspunkteinstellung mit Basisvorwiderstand und Basisspannungsteiler) • Steuerung des Transistors (Strom, Spannungs- und Leistungsverstärkung) 12 . Anhand der Diode wird das Grundverständnis der Halbleiterbauelemente vermittelt. Aufbauend auf der Diode können später weitere Halbleiterbauelemente untersucht werden. Der Transistor und der Operationsverstärker gehören zu den Grundbauteilen der Elektronik. Der Schüler lernt wichtige Schaltungen der Elektronik kennen und dimensionieren.In den Studienanforderungsprofilen wird die Diode in zwei von vier der Transistor in drei von vier und der Operationsverstärker in allen Studiengängen als wichtig gelistet. Sie sind ebenfalls im derzeit gültigen Rahmenlehrplan enthalten. 12 13 Fertigkeiten § Arbeiten mit Kennlinienfeldern § Aufgaben lösen (graphisch und rechnerisch) Fähigkeiten § Wirkungsweise des Transistors verstehen und beschreiben Hinweise und Bemerkungen Schülerversuch: § Inhalt Operationsverstärker Transistor meßtechnisch untersuchen, Transistor als Schalter Kenntnisse • Idealer Operationsverstärker (Aufbau, Schaltzeichen, Anschlußschema, Übertragungskennlinie, Kenngrößen) • Gegengekoppelte Schaltungen mit OPV (Nichtinvertierender Verstärker und invertierender Verstärker, Anwendungen) Fertigkeiten § Schaltungen mit Operationsverstärkern dimensionieren. Fähigkeiten Hinweise und Bemerkungen Schülerversuch: § Übertragungskennlinie, Phasenlage und Frequenzverhalten eines invertierenden und eines nicht invertierenden Verstärkers. Siehe Aufgaben 17, 18 und 19 im Anhang Ausbildungsziel: Digitaltechnik13 Inhalt Logische Verknüpfungen und Logikschaltungen Kenntnisse • UND-, ODER-, NICHT-, NAND-, NOR-,ÄQUIVALENZ und ANTIVALENZ Verknüpfungen kennen (Schaltzeichen, Wahrheitstabelle, Funktionsgleichung Signalzeitplan) • Pin- Belegung • Analyse logischer Schaltungen • Synthese logischer Schaltungen • Minimierung von Logikschaltungen (Schaltalgebra, KV-Diagramm) Fertigkeiten § Systematisches Vorgehen § Arbeiten mit Datenbüchern § Verschiedene Lösungsverfahren anwenden. 13 Im Zeitalter der Digitaltechnik sollen dem Schüler die Grundkonzepte der Digitaltechnik vermittelt werden. Grundverknüpfungen kennenlernen; Wahrheitstabellen aufstellen, Funktionsgleichungen herleiten... . In den Studienanforderungsprofilen ist die Digitaltechnik in drei von vier Studiengängen als wichtig gelistet und ist ebenfalls im derzeit gültigen Rahmenlehrplan enthalten. 13 14 Fähigkeiten § Analyse und Beschreibung von Problemen. § Logisches Denken und verknüpfen von Größen § Schaltungen minimieren Hinweise und Bemerkungen: § Die Schaltalgebra könnte im Mathematikunterricht behandelt werden. § Im Informatikunterricht spielen die Konzepte der Digitaltechnik ebenfalls eine große Rolle. Im Informatikunterricht können Simulationsprogramme für digitale Schaltungen benutzt werden. § In der Elektrotechnik können die logischen Verknüpfungen meßtechnisch untersucht und veranschaulicht werden. Schülerversuch: § Grundverknüpfungen selbständig untersuchen mit Symbolbausteinen Siehe Aufgabe 20 im Anhang 15 Anhang 1. Aufgabe (12GE) Ein Verbraucher wird über eine 80 m lange Kupferleitung mit einem Querschnitt von 1,5mm2 und einem spezifischen Widerstand ?20 = 0,0178 Ωmm2/m an Netzspannung U=230V gelegt. Es fließt ein Strom von 15 A bei einer Temperatur von 20°C. a) Bestimme den Leitungswiderstand RLeitung der Kupferleitung (Hin- und Rückleitung)! b) Berechne die Teilspannungen an der Leitung und am Verbraucher sowie den Verbraucherwiderstand! c) Auf welchen Wert verändert sich die Stromstärke, wenn die Leitungstemperatur auf 60°C ansteigt. (Der Verbraucherwiderstand kann als temperaturunabhängig angesehen werden.) Temperaturkoeffizient von Kupfer: a cu =0,0039 1/K 2. Aufgabe (12GE) Ein nicht linearer Widerstand R1 (siehe I-U-Kennlinie) und ein ohmscher Widerstand R2 = 33Ω liegen in Reihe an einer Gesamtspannung von U = 9 V. Bestimme graphisch die Teilspannungen U1 und U2 an den Widerständen und den in der Schaltung fließenden Strom I! Wie groß ist der Gesamtwiderstand Rg der Schaltung? U1 U2 R1 I R2 U I-U-Diagramm von R1 600 500 I in mA 400 300 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U in V 16 3. Aufgabe (12GE) 1. I R5 R1 I8 U=15V R3 R8 R4 U8 R1=R5=R8=50Ω R6=100Ω R2=150Ω R7=250Ω R3=R4=300Ω R6 R2 R7 a) Berechne den Gesamtwiderstand der Schaltung! b) Bestimme Strom und Spannung am Widerstand R8 4. Aufgabe (12GE) Eine Gleichspannungsquelle zeigt das folgende elektrische Verhalten: Bei Anschluß eines Schaltwiderstandes mit dem konstanten Widerstand 1kΩ fließt ein Strom von 10mA, bei Anschluß von 10kΩ fließt dagegen ein Strom von 4,8mA. Welche Klemmenspannung stellt sich bei Belastung mit einem Schaltwiderstand von 6,8kΩ ein? 5. Aufgabe (12GE) Ein Gleichstrommotor für eine Betriebsspannung 220V, nimmt bei Belastung ein Strom von 21,5A auf. An der Welle wird ein Drehmoment von 31,8Nm bei einer Drehzahl von 1200 1/min erzeugt. Wie groß ist der Gerätewirkungsgrad des Motors? 6. Aufgabe (12GE) Folgende Abbildung zeigt die Schaltung zur Temperaturmessung mit einem in °C geeichten Spannungsmesser. Für folgende Berechnung soll angenommen werden, daß der Innenwiderstand des Spannungsmessers unendlich groß ist. a) Bei welcher Temperatur ist die Brücke abgeglichen? b) Wie groß ist die Spannung UAB bei einer Temperatur von 40°C? 17 7. Aufgabe (12GE) 8. Aufgabe (12GE) R1 1 2 S1 U ic C R2 uc U=15V; R1=22kΩ; R2=10kΩ; C=10uF Gegeben ist obige Schaltung zur Auf- und Entladung eines Kondensators. a) b) c) Der Kondensator ist nicht geladen und der Schalter S1 wird von Position 2 nach 1 gebracht. Berechne den maximalen Strom Imax sowie die Spannung uc am Kondensator 0,1s nach Betätigen des Schalters. Der Kondensator wird aufgeladen und die Spannung uc ist auf 12 V angestiegen. Der Schalter wird nun von Position 1 nach 2 gebracht. Wie groß ist der Strom ic 0,2s nach Betätigen des Schalters. Der Kondensator ist nicht ganz entladen (Ucrest = 2V) und S1 wird von Position 2 nach Position 1gelegt. Wie groß ist uc nach t =220ms? 18 9. Aufgabe (12GE) 10. Aufgabe (12GE) 11. Aufgabe (12GE) Berechnen Sie die Anzugszeit eines Relais (Zeit vom Beginn des Stromflusses bis zur erfolgten Kontaktbetätigung) mit den gegebenen Daten: Induktivität: 2,1H Wicklungswiderstand 300Ω 5000 Windungen Das Relais wird an eine Gleichspannung von 24V gelegt. Die Kontaktbetätigung erfolgt, wenn die Durchflutung den Wert 200A erreicht hat. 19 12. Aufgabe (13GE) a) Wie groß sind Periodendauer, Frequenz und Kreisfrequenz? b) Wie groß sind die Scheitel- und Effektivwerte der beiden Spannungen? c) Bestimme den Phasenverschiebungswinkel zwischen u2 und u1 und gib an welche Spannung vor- bzw. nacheilt. d) Gib die mathematische Funktion beider Spannungen an, wenn als Betrachtungszeitpunkt t=0s der linke Bildschirmrand gilt. u2 u1 2V/Div 0,2ms/Div 13. Aufgabe (13GE) Bestimme den arithmetischen Mittelwert und den Effektivwert folgender Spannung! u in V 5 t in ms 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 -5 20 14. Aufgabe (13GE) Eine Reihenschaltung von Wirkwiderstand R, Induktivität L und Kondensator C wird an eine sinusförmige Wechselspannung U gelegt. Der Stromverlauf und die Spannungsverläufe sind im Liniendiagramm dargestellt. Der Strom wurde mit einem Multimeter gemessen und beträgt 0,318mA. a) Kennzeichne im Liniendiagramm den Stromverlauf i und die Spannungsverläufe uR, uc, uL und u? (Begründe) b) Bestimme R, L und C c) Wie groß ist der Scheinwiderstand Z? d) Ermittle den Phasenverschiebungswinkel? Liniendiagramm 1 i in mA u,u R,u L,uC in V 0,5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -0,5 -1 t in ms 15. Aufgabe (13GE) Die Ausgangsspannung U2 eines RC-Tiefpasses eilt der Eingangsspannung U1 um 45° nach. Die Eingangsimpedanz Z1 beträgt 1,25kΩ. Bei einer Frequenz von 1kHz beträgt die Phasenverschiebung zwischen U1 und U2 f =43°. a) b) c) d) Zeichne die Schaltung und trage die Eingangs- und die Ausgangsspannung ein! Berechne die Kapazität C des Kondensators Berechne die Eingangs- und die Ausgangsspannung bei 1kHz und I = 12mA! Bestimme die Grenzfrequenz fg des Tiefpasses! 21 e) Zeichne den Verlauf I = f(f)! 16. Aufgabe (13GE) 17. Aufgabe (13GE) Eine einfache Gleichrichtung von sinusförmigem Wechselstrom ist die EinpulsMittelpunktschaltung. Der Effektivwert der Sekundärspannung des Transformators beträgt 70V/50Hz. a) Zeichne die Schaltung inklusive Transformator und Lastwiderstand! b) Zeichne in einem Liniendiagramm die Spannung am Transformator sowie die gleichgerichtete Spannung! c) Leite die Formel zur Berechnung des arithmetischen Mittelwerts ab und berechne diesen. d) Welchen Wert kann der Mittelwert der gleichgerichteten Spannung maximal erreichen, wenn ein Kondensator parallel zur Last geschaltet wird? 22 18. Aufgabe (13GE) Die Verstärkerstufe mit einem Transistor soll Eingangsstromänderungen von ±100µA verstärken. Als Betriebsspannung stehen 40V zur Verfügung. Durch einen Basisvorwiderstand wird der Basisstrom auf 150µA eingestellt. Der Gleichstromarbeitspunkt soll so eingestellt werden, daß die halbe Betriebsspannung am Kollektorwiderstand abfällt. a) b) c) d) Zeichne die Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung. Zeichne die Arbeitsgerade und die Steuerkennlinie Ic = f(IB) in das Kennlinienfeld Seite 4. Wie groß sind Basisvorwiderstand und Kollektorwiderstand? Wie groß ist die Spannungsverstärkung? IC mA IB=0,4mA 100 IB=0,35mA 90 80 IB=0,3mA 70 IB=0,25mA 60 IB=0,2mA 50 40 IB=0,15mA 30 IB=0,1mA 20 IB=0,05mA 10 IB mA 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0,1 10 20 30 40 UCE V 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 UBE V 23 19. Aufgabe (13GE) Ein invertierender Verstärker mit R1 = 1kΩund RGK = 200kΩ ist an eine Gleichspannungsquelle mit einer Quellenspannung von Uq = 0,6 V angeschlossen. a) Zeichne die Schaltung b) Wie groß muß der Innenwiderstand der Spannungsquelle sein damit die Ausgangsspannung nicht kleiner als –15V wird? 20. Aufgabe (12GE oder 13GE) Entwerfe eine elektronische Schaltung die dann das Signal X=1 ergibt, wenn eine der dual codierten Zahlen von 0... 15 eine gerade Zahl ist. a) Erstelle die Wahrheitstabelle. b) Wie lautet die Funktionsgleichung nach der Vereinfachung mit Hilfe der KV-Tafel? c) Zeichne die logische Schaltung. 24
