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Einsatz ausgewählter Methoden im Blended-Learning-Konzept anhand der Erstellung des CAS-Moduls „Energieelektronik“ Wissenschaftliche Arbeit für Lehramt an Gymnasien Vorgelegt bei Prof. Dr. Oskar von der Lühe Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Von Annina Ariane Pichler geboren am 28.07.1990 in Pforzheim Abgabedatum: 07.04.2014 Betreuende Jeanette Kristin Weichler, M.Sc., Dipl.-Ing. Florian Reiners und Dipl.-Ing. Michael Eberlin Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Gutachter Prof. Dr. Oskar von der Lühe Physikalisches Institut der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik (KIS) Betreuende am Fraunhofer ISE Jeanette Kristin Weichler, M.Sc. Dipl.-Ing. Florian Reiners Dipl.-Ing. Michael Eberlin Ausgeführt am: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Bereich Institutsleitung/Verwaltung, Gruppe RENIP Bereich Elektrische Energiesysteme, Gruppe Dezentrale Erzeugung und Speicherung Heidenhofstraße 2 79110 Freiburg Deutschland „Wenn du ein Schiff bauen willst, dann trommle nicht Männer zusammen, um Holz zu beschaffen, Aufgaben zu vergeben und die Arbeit einzuteilen, sondern lehre sie die Sehnsucht nach dem weiten, endlosen Meer.“ (Antoine de Saint-Exupéry) I. Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis I. I. Inhaltsverzeichnis ................................................................................................ i II. Abkürzungsverzeichnis .......................................................................................vi 1 Einleitung ............................................................................................................. 1 2 Neue Bildungskonzepte ...................................................................................... 3 3 E-Learning ........................................................................................................... 5 3.1 Definition ......................................................................................................................... 5 3.2 Anforderungen an die Lernenden ................................................................................. 7 3.3 Anforderungen an die Lehrenden ................................................................................. 8 3.4 Entwicklung des E-Learnings ...................................................................................... 10 3.4.1 Behaviorismus ........................................................................................................... 10 3.4.2 Kognitivismus............................................................................................................ 11 3.4.3 Konstruktivismus ...................................................................................................... 12 3.5 4 Technische Entwicklungsschritte des E-Learnings .................................................. 14 3.5.1 Computerbasierte Lernprogramme (CBT)............................................................ 14 3.5.2 Webbasierte Lernprogramme (WBT) .................................................................... 15 3.5.3 Virtuelles Seminar ..................................................................................................... 16 3.5.4 Lernplattform ............................................................................................................ 16 Blended Learning ............................................................................................... 17 4.1 Definition ....................................................................................................................... 17 4.2 Entwicklung zum Blended Learning .......................................................................... 19 4.3 Kommunikationstechnologien .................................................................................... 20 4.3.1 Synchrone Kommunikation .................................................................................... 20 i I. Inhaltsverzeichnis 4.3.2 4.4 Schwächen des Blended Learnings......................................................................... 22 4.4.2 Stärken des Blended Learnings ............................................................................... 23 7 8 Lehren im Blended Learning ....................................................................................... 25 4.5.1 Didaktik im Blended Learning ................................................................................ 25 4.5.2 Lernmethoden im Blended Learning ..................................................................... 25 4.6 6 Kritische Betrachtung des Blended Learnings .......................................................... 22 4.4.1 4.5 5 Asynchrone Kommunikation.................................................................................. 21 Blended Learning-Konzept in der beruflichen Weiterbildung ............................... 32 Projekt „Energiesystemtechnik“ ....................................................................... 35 5.1 Verbundprojekt.............................................................................................................. 35 5.2 Teilvorhaben „Energiesystemtechnik“....................................................................... 37 5.3 Internetplattform ILIAS ............................................................................................... 39 Vorstellung des Moduls „Energieelektronik“ ................................................... 41 6.1 Der Begriff „Energieelektronik“ ................................................................................. 41 6.2 Strukturierung des CAS-Moduls ................................................................................. 42 6.3 Einführung in die Leistungselektronik ....................................................................... 48 Methodischer Kontext ........................................................................................ 51 7.1 Diskussion der Begriffe „Lehrziel“ und „Lernziel“ ................................................. 51 7.2 Erstellung des Modulhandbuchs ................................................................................. 52 7.3 Vorüberlegungen zur methodischen Ausarbeitung .................................................. 53 Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ ....................................... 58 8.1 Beispielhafter Entwurf einer Lerneinheit................................................................... 58 8.2 Halbleiterbauelemente .................................................................................................. 61 8.2.1 Halbleiter .................................................................................................................... 61 ii I. Inhaltsverzeichnis 8.2.2 Halbleiterdiode .......................................................................................................... 64 8.2.2.1 Funktionsweise der Diode .............................................................................. 65 8.2.2.2 Diode im Wechselstromkreis ......................................................................... 68 8.2.2.3 Zener-Diode ..................................................................................................... 69 8.2.2.4 Reale Diode ...................................................................................................... 70 8.2.2.5 Kennlinie einer Diode ..................................................................................... 71 8.2.2.6 Schottky-Diode ................................................................................................ 72 8.2.3 Thyristor ..................................................................................................................... 73 8.2.3.1 Kennlinienverlauf des Thyristors .................................................................. 74 8.2.3.2 Einsatz von Thyristoren in HGÜs ................................................................ 75 8.2.4 Transistor ................................................................................................................... 76 8.2.4.1 Feldeffekttransistor .......................................................................................... 76 8.2.4.2 Bipolartransistor ............................................................................................... 83 8.2.4.3 Neue Entwicklungstrends .............................................................................. 89 8.3 Passive Bauelemente ..................................................................................................... 91 8.3.1 Drossel ........................................................................................................................ 91 8.3.1.1 Reale Drossel .................................................................................................... 92 8.3.1.2 Drossel im Wechselstromkreis ...................................................................... 93 8.3.1.3 Lade- und Entladeverhalten der Drossel ..................................................... 94 8.3.1.4 Einsatz der Drossel als Glättungsdrossel ..................................................... 95 8.3.2 Kondensator .............................................................................................................. 95 8.3.2.1 Realer Kondensator ......................................................................................... 96 8.3.2.2 Kondensator im Wechselstromkreis ............................................................. 96 8.3.2.3 Lade- und Entladevorgang des Kondensators ............................................ 97 iii I. Inhaltsverzeichnis 8.3.2.4 9 Einsatz des Kondensators als Glättungskondensator ................................ 99 8.4 Methode zu den Bauelementen der Leistungselektronik.......................................100 8.5 Diskussion der Methode ............................................................................................102 Lernflankierende Methoden ............................................................................ 104 9.1 Auditive E-Lectures ....................................................................................................104 9.1.1 Beschreibung ...........................................................................................................105 9.1.2 Beispiel......................................................................................................................105 9.1.3 Diskussion ................................................................................................................105 9.2 Glossar ..........................................................................................................................107 9.2.1 Beschreibung ...........................................................................................................107 9.2.2 Beispiel......................................................................................................................108 9.2.3 Diskussion ................................................................................................................110 9.3 Wiki................................................................................................................................111 9.3.1 Beschreibung ...........................................................................................................111 9.3.2 Diskussion ................................................................................................................111 9.4 Übungen .......................................................................................................................112 9.4.1 Beschreibung ...........................................................................................................112 9.4.2 Beispiel......................................................................................................................113 9.4.3 Diskussion ................................................................................................................113 9.5 Forum ............................................................................................................................114 9.5.1 Beschreibung ...........................................................................................................114 9.5.2 Diskussion ................................................................................................................115 9.6 9.6.1 Selbsttest .......................................................................................................................116 Beschreibung ...........................................................................................................116 iv I. Inhaltsverzeichnis 10 9.6.2 Beispiel......................................................................................................................116 9.6.3 Diskussion ................................................................................................................118 Reflexion der Methodenarbeit ..........................................................................121 10.1 Modulüberblickende Betrachtung der Methoden...................................................121 10.2 Entwicklungsbegleitende Beobachtungen ...............................................................123 11 Zusammenfassung ........................................................................................... 125 12 Ausblick ............................................................................................................ 127 III. Anhang ......................................................................................................... 128 IV. Abbildungsverzeichnis ................................................................................. 149 V. Tabellenverzeichnis ..................................................................................... 153 VI. Literaturverzeichnis...................................................................................... 155 VII. Danksagungen ............................................................................................. 163 VIII. Erklärung ...................................................................................................... 165 v II. Abkürzungsverzeichnis II. Abkürzungsverzeichnis A Anode ASCR Asymmetrisch sperrender Thyristor BT Bipolartransistor CAS Certificate of Advanced Studies CBT Computer Based Training CP Credit Point D Drain DAS Diploma of Advanced Studies Diac Diode alternating current switch DVD Digital Video Disc E Emitter C Kollektor FAST Freiburger Academy of Science and Technology FAST FET Feldeffekttransistor FRAUW Freiburger Akademie für Universitäre Weiterbildung FuE Forschung und Entwicklung G Gate GCT Gate-Controlled Thyristor GTO Abschaltthyristoren (=Gate-Turn-Off) HGÜ Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung IEN Intelligente Energienetze vi II. Abkürzungsverzeichnis IGBT Integrated Gate Bipolar Transistor ILIAS Integriertes Lern-, Informations- und Arbeitskooperationssystem ISE Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme K Kathode MC Multiple Choice MINT Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften, Technik MOSFET Metall-Oxid-Semiconductor Feldeffekttransistor RLT Rückwärts leitender Thyristor S Source SC Single Choice TQM Total-Quality-Management Triac Triode alternating current switch USB Universal Serial Bus WBT Web Based Training vii 1. Einleitung 1 Einleitung Lebenslanges Lernen war noch nie so aktuell wie zur gegenwärtigen Zeit. Ein Blick in die Geschichte zeigt, dass Wissen selten so unstet war wie in unseren Tagen und sich derzeit ein Wandel von Ausbildung zu Weiterbildung vollzieht [1]. Dies stellt die heutige Arbeitswelt vor die Herausforderung, nicht auf dem momentanen Wissensstand zu verharren, sondern mit Hilfe von Online-Weiterbildungsangeboten den Wissenshorizont zu erweitern. Nachdem eine Evaluation von Uhl [2] ergab, dass E-Learning den Anforderungen der Seminarteilnehmenden nicht genügt, wurde das Blended Learning-Konzept entwickelt, das Präsenzphasen mit Online-Phasen effektiv kombiniert. Da vor allem ein qualifizierter Fachkräftemangel im MINT-Bereich (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft, Technik) besteht, partizipiert das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE am Verbundprojekt „Freiräume für wissenschaftliche Weiterbildung – Windows for Continuing Education“ mit dem Teilvorhaben „Energiesystemtechnik“. Unter anderem soll das webbasierte Modul „Energieelektronik“ ein forschungs- und praxisorientiertes Weiterbildungsangebot in der Erwachsenenbildung bieten. Vor dem Kontext der Entwicklung in Richtung des vermehrten Einsatzes von Erneuerbaren Energien (EE) und im Zuge des Wandels weg von großen zentralen Stromerzeugern hin zu dezentralen Komponenten im Stromnetz, wird eine Technologie benötigt, die für eine effektive Energieübertragung und eine gute Kompatibilität der Elemente untereinander notwendig ist. Vor allem die Leistungselektronik liegt dieser Realisierung zugrunde. In fast allen Bereichen des Stromnetzes finden sich Anwendungen der Leistungselektronik wieder, die den Anforderungen nach energieeffizienter und verlustarmer Energieübertragung gerecht werden. Neben der Leistungselektronik muss auch die elektrische Energietechnik und die Informations- und Kommunikationstechnologie im Entwicklungsprozess hin zu dem Einsatz regenerativer Energien (EE) und einer nachhaltigen Energieeffizienz berücksichtigt werden. Die Energieelektronik ergibt sich aus der Schnittmenge der drei beschriebenen Bereiche und leistet demnach einen großen Beitrag zur Umsetzung der Energiewende. Die Realisierung eines webbasierten Weiterbildungsangebots in der Erwachsenenbildung, basierend auf dem Blended Learning-Konzept, ist einigen Anforderungen und Herausfor1 1. Einleitung derungen unterlegen, die es vor der konkreten Konzeption des Studienangebotes zu untersuchen gibt. Eine Herausforderung beschreibt die methodisch-didaktische Aufbereitung der Lehrinhalte, sodass diese motivierend hochwertig vermittelt werden können, womit sich die vorliegende Arbeit auseinandersetzt. Ziel der Arbeit ist es also, zum einen Komponenten für einen nachhaltigen Lernerfolg in der webbasierten Erwachsenenweiterbildung zu finden und zum anderen diese beispielhaft auf die im Rahmen des Projektes entwickelten Inhalte zu übertragen. Basierend auf den Inhalten des Moduls, den technischen Möglichkeiten der Open-Source-Software ILIAS und der Theorie des Blended Learning-Konzepts werden konkrete Methoden vorgestellt und diskutiert. Der erste Teil der Arbeit wird sich mit dem E-Learning (Kapitel 3) und dem Blended Learning (Kapitel 4) beschäftigen, das dem Forschungs- und Entwicklungsprojekt zugrunde liegt. Vor der eigentlichen Methodenarbeit wird auf die Gesamtentstehung des CASModuls „Energieelektronik“ (Kapitel 5) genauer eingegangen, um einen Überblick über dessen Konzeption, Struktur und Inhalte zu bekommen. Der Vorstellung der Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ (Kapitel 8) steht eine allgemeine Einführung in die Methodenarbeit voran (Kapitel 7). Um ferner das methodische Spektrum der Lernplattform ILIAS präsentieren zu können, werden anhand einer leistungselektronischen Schaltung ausgewählte, lernflankierende Methoden dargestellt und diskutiert (Kapitel 9). Eine Reflexion über die bisherigen Entwicklungen bildet den Abschluss der Arbeit (Kapitel 10). Im Folgenden wird zunächst kurz auf die gegenwärtigen Veränderungen und Herausforderungen im Bereich der Bildungskonzepte eingegangen, um die Aktualität und Problematik der Weiterbildungsprogramme aufzeigen zu können (Kapitel 2). 2 2. Neue Bildungskonzepte 2 Neue Bildungskonzepte Im Zuge der Veränderung des Lernverhaltens in der heutigen Gesellschaft müssen sich die Bildungskonzepte variabel anpassen. In früheren Zeiten wurden Ausbildungen absolviert, in denen umfassendes Wissen für die Ausübung des jeweiligen Berufes gelehrt wurde. Bei Betrachtung der heutigen Wissensgesellschaft wird schnell offensichtlich, dass sich eine Weiterbildungsstruktur in der Arbeitswelt etablierte. Parallel zum Beruf müssen Fortbildungen besucht werden, um weitere Qualifikationen erlangen zu können und bestehendes Fachwissen zu erweitern. Auch für Personen mit Familienhintergrund wird der Berufseinstieg nach mehreren Jahren fast unmöglich, da das „Wissen ganzer Berufszweige innerhalb von zehn Jahren völlig veraltet.“ [1, p. 31]. Bevor ein neues Bildungskonzept entworfen wird, müssen allerdings die Gründe für den Wandel zunächst untersucht werden. Seufert/Back/Häusler fassen diese, wie folgt, zusammen: „Ursachen für erhöhte Anforderungen an die betriebliche Aus- und Weiterbildungspraxis sind die zunehmende Globalisierung, die Bewältigung permanenter Wissensvermittlung und –aktualisierung in schnelllebigen Märkten sowie höhere Qualifizierungsbedarfe bei den Mitarbeitern, die für eine verstärkte Markt- und Kundenorientierung und die rasanten technologischen Entwicklungen gewappnet sein müssen.“ [3, p. 22]. Demzufolge muss sich das bestehende Bildungskonzept einer Überarbeitung unterziehen und sich unter anderem an den Anforderungen nach Aktualität, örtlicher und zeitlicher Variabilität und Qualität orientieren. Die Anforderungen, die sich an neue Bildungskonzepte ergeben, sind nochmals ausführlich in Abbildung 1 zusammengefasst. Der innere Bereich fasst die Ansprüche an die neuen Bildungskonzepte zusammen; der äußere Bereich stellt den Forderungen die Leistungsfähigkeit der „neuen Medien“ [3, p. 22] gegenüber, die in der Konzeption berücksichtigt werden sollen. 3 2. Neue Bildungskonzepte Abbildung 1: Anforderungen an neue Bildungskonzepte [3] Eine weitere, noch unerwähnte Herausforderung findet sich im Bereich der Erwachsenenbildung wieder. Schulen, Universitäten oder andere bildungstechnische Institutionen sind nicht ausreichend auf die Erwachsenenweiterbildung ausgelegt. In Volkshochschulen wird diese bis zu einem bestimmten Maß durchgeführt [1], allerdings besteht die jeweilige Veranstaltung aus einer regelmäßigen Abfolge von Präsenzterminen, sodass die zeitliche und örtliche Flexibilität verloren geht, die in manchen Berufen oder Familiensituationen erforderlich ist. Da sich das bestehende Teilvorhaben „Energiesystemtechnik“ des Fraunhofer ISE an der aktuellen Nachfrage im Bereich der Weiterbildung orientiert, wird der ZertifikatsStudiengang im Blended Learning-Konzept präsentiert, das – genau wie das E-Learning – als Antwort auf die Herausforderungen an die neuen Bildungskonzepte gesehen werden kann und demzufolge in den ersten Kapiteln der vorliegenden Arbeit thematisiert wird. 4 3. E-Learning 3 E-Learning Der Grundstein des Blended Learning-Konzepts wurde durch das E-Learning gelegt. Aus einer reinen webbasierten Lernumgebung entwickelte sich ein Lernangebot, das neben Online-Phasen gezielt Präsenzveranstaltungen in den Lernprozess integriert. Aufgrund der starken Abhängigkeit des Blended Learnings vom E-Learning wird zunächst auf die Definition (Kapitel 3.1) und die Etablierung (Kapitel 3.4) des E-Learnings eingegangen. Des Weiteren wird dargestellt, welche Anforderungen sich an die Teilnehmenden (Kapitel 3.2) und die Dozierenden (Kapitel 3.3) durch die elektronische Wissensvermittlung ergeben. Den Abschluss des Kapitels 3 bietet eine Darlegung der technischen Umsetzungsformen des E-Learnings (Kapitel 3.5). 3.1 Definition Der Begriff E-Learning (Electronic Learning, elektronisches Lernen) hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten gegenüber Begrifflichkeiten, wie beispielsweise „Telelernen“ oder „Multimediales Lernen“, durchgesetzt [4]. Unter einer E-Learning-Umgebung wird das Lernen mittels einer neuen, technik- und medienbasierten Wissensvermittlung verstanden [4], dessen Lernprozess ein selbstständiges Arbeiten hinsichtlich Organisation, zeitlicher und inhaltlicher Untergliederung zugrunde liegt [4], [5]. Für die Präsentation und die Vermittlung der Lerninhalte stehen innerhalb des E-Learning-Angebots viele verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, unter anderem Lern- und Wissensportale oder Lernplattformen (Kapitel 3.5.4) [5]. Somit stellt sich für die Lernenden eine medien- und technikbasierte Lernsituation dar. Jedoch unterzog sich auch das Lehren im E-Learning einem Wandel vom „traditionellen Unterrichten“ zum medienzentrierten Lehren [4], das die dozierende Lehrperson vor neue Herausforderungen stellt (Kapitel 3.3). Nachteilig am Konzept des E-Learnings ist, dass soziale Kontakte nicht ausreichend gepflegt werden können [6]. Zwar werden die Teilnehmenden animiert, in Chats, Foren und Gruppen miteinander in Kontakt zu treten, allerdings bietet dies jedoch keinen Ersatz für persönliche Gespräche und Diskussionen. Nicht jedes Themengebiet eignet sich für eine 5 3. E-Learning medienbasierte Korrespondenz, zumal über die elektronische Kontaktaufnahme die emotionale Ebene der Gesprächsführung entfällt. Außerdem besteht ein nachteiliger Aspekt des E-Learnings in der Kollektivierung der Teilnehmenden [6]. Aufgrund der vorherrschenden Anonymität ist es den Lehrenden kaum möglich, individuell und intensiv auf die Lernmotivation oder das Lernverhalten der einzelnen Lernenden einzuwirken, wie dies in einer Präsenzphase möglich ist. Der Eindruck, an dem sich der Lehrende lediglich orientieren kann, basiert auf einer subjektiven Analyse der vorherrschenden Stimmung innerhalb der Lernplattform. Der große Vorteil des E-Learnings liegt in der Ortsunabhängigkeit und der zeitlichen Flexibilität [6] für die Teilnehmenden und die Dozenten. Da das E-Learning-Angebot vor allem von berufstätigen Arbeitnehmern angenommen wird, kann der Lernplan individuell dem Tages- und Arbeitsplan angepasst werden. Benachrichtigungen können jederzeit in Foren oder Chats gestellt werden, um vom Tutor oder dem zuständigen Dozenten beantwortet werden zu können. Daraus ergibt sich als Rückschluss für die Lernenden, dass eine hohe Selbstdisziplin vorausgesetzt wird (Kapitel 3.2). Darüber hinaus werden im ELearning weitere individuelle Bedürfnisse des Lernenden in hohem Maß gefördert. Beispielsweise können sowohl das Lerntempo als auch die Intensitäten der einzelnen Lerneinheiten selbst reguliert werden [6]. Die Eigenorganisation, mit der das E-Learning durchgeführt werden muss, ist im Bereich der Weiterbildung von großem Vorteil, da jeder Teilnehmende für sich selbst verantwortlich ist und individuell organisiert. Neben dem fachlichen Inhalt wird somit auch ein strukturelles Verhalten und eigenverantwortliches Arbeiten vermittelt und gelernt. Dies wiederum qualifiziert den Lernenden im Beruf, da Struktur und Organisation im Berufsalltag verlangt wird. Ein abschließend zu nennender Aspekt ist die Möglichkeit, die gesamte Wissensvermittlung multimedial aufzubereiten [6]. Durch Kombination unterschiedlicher Medienformen lassen sich somit verschiedene Lernprozesse anregen. Eine Zusammenfassung der beschriebenen Stärken und Schwächen des E-Learnings können in Tabelle 1 eingesehen werden. 6 3. E-Learning Tabelle 1: Übersicht einiger Vor- und Nachteile des E-Learnings in eigener Darstellung nach [6], [7] 3.2 Anforderungen an die Lernenden Von Teilnehmenden eines reinen Online-Lernprogramms werden gewisse Anforderungen erwartet, die sich problemlos auf das Blended Learning-Konzept übertragen lassen. Eine kurze Übersicht soll darüber Aufschluss geben, welche Anforderungen an die Kursteilnehmenden gestellt werden, um dies in der methodisch-didaktischen Konzeption des CAS-Moduls „Energieelektronik“ berücksichtigen zu können. Höhere Kompetenzen werden, nach Sauter/Sauter/Bender [8], von Studierenden in Online-Lernphasen verlangt als dies in einer reinen, lernflankierten Präsenzveranstaltung der Fall wäre und werden, wie folgt, dargelegt [8]: 7 3. E-Learning Das situative Lernen setzt die effektive Integration des individuellen Lernprozesses in den (Arbeits-)Alltag voraus. Das individuelle Lernen überträgt dem Lernenden die Selbstständigkeit und Selbstbestimmung für den eigenen Lernprozess und bildet eine notwendige (nicht aber hinreichende) Voraussetzung für das organisationale Lernen. Das organisationale Lernen beschreibt die Fähigkeit, Lerninhalte strukturieren und Lernpläne variabel fluktuierenden Situationen anpassen zu können. Das systematische Lernen beschreibt eine Kombination aus individuellem und gleichzeitig organisiertem Lernen in Lernprogrammen. Durch die selbstgesteuerte Gestaltung des Lernprozesses sind die Studierenden für Bereiche innerhalb des Lernprozesses verantwortlich, die in Präsenzveranstaltungen in kleinerem Maß auftreten. Beispielgebend ist die Aufrechterhaltung der Motivation durch die Gestaltung der Lerneinheiten mittels vielfältiger Lernmethoden. Allerdings sind keine individuellen, persönlichen und spontanen Motivationsschübe durch das E-Learning möglich oder wirksam. Weitere betroffene Bereiche sind unter anderem die Überprüfung der Aufmerksamkeit während der Lerninhalte, das Entscheiden für geeignete Lernstrategien oder das Planen und Überwachen des eigenen Lernfortschritts [8]. Die Veranstalter des Online-Studienangebots können diese Bereiche nur wenig beeinflussen oder kontrollieren und müssen sich in ihrem Urteil auf die Erfolgskontrollen verlassen. 3.3 Anforderungen an die Lehrenden Die neue Art der Wissensvermittlung stellt nicht nur Studierende vor neue Herausforderungen, sondern auch die Lehrenden. Die herkömmliche Form des Unterrichts wird durch das sogenannte „E-Teaching“1 abgelöst, das eine völlig andere und neue Wissensaufbereitung und -präsentation bedeutet. Hinsichtlich des der Arbeit zugrundeliegenden Projekts (Kapitel 5), wird an dieser Stelle ausführlicher auf die Rolle des Lehrenden und dessen Anforderungen eingegangen. Die Bezeichnung „E-Teaching“ wird immer häufiger im Zusammenhang mit dem Lehren im Internet verwendet [3]. Ein weiterer gebräuchlicher Begriff ist „Online Teaching“ [2]. 1 8 3. E-Learning Lehrende im E-Learning stehen nicht ausschließlich vor der Aufgabe der Wissensvermittlung, sondern zudem vor der Herausforderung, den technischen Aspekt kompetent abzudecken. Die zu vermittelnden Inhalte müssen auf die technischen Gegebenheiten abgestimmt und auch methodisch-didaktisch richtig platziert und umgesetzt werden. Neben der fachlichen Kompetenz ist eine mediale Kompetenz von großem Vorteil [9], die auch den Blick aus Sicht des Lernenden einschließt [10]. Eine Teilnahme an einer Fortbildung, individuell für Dozierende im Bereich der virtuellen Lernkultur, kann Lehrende auf ihre Arbeit vorbereiten [11]. Neben der fachlichen Betreuung existiert für die Teilnehmenden optimalerweise eine technische Administration, die mit technischer Unterstützung für einen komplikationsfreien Lernprozess sorgt und mittels synchroner oder asynchroner Kommunikationsmittel (Kapitel 4.3) jederzeit kontaktiert werden kann. Folglich werden die Dozierenden mit der Rolle des technischen Ansprechpartners konfrontiert [10]. Die Rolle des Lehrenden kann in drei Charakteristika untergliedert werden: Lehrer, Trainer, Tutor (Abbildung 2) [12]. Neben der Wissensvermittlung in der Rolle des Lehrenden bzw. des Experten (Teaching) muss das motivierende Element eines Trainers ebenfalls erfüllt werden, der im aktiven Lernprozess unterstützend, aber nicht steuernd einwirkt (Coaching). Als dritte Säule muss die Aufgabe des Tutors bewältigt werden, beispielsweise in Form von Beantwortung anfallender Fragen (Tutoring). Abbildung 2: Dreigeteilte Rolle des Lehrenden in eigener Darstellung: Teaching, Tutoring, Coaching 9 3. E-Learning Zusätzlich müssen die Lehrenden für zwei Ebenen der Motivationserhaltung sorgen: bezüglich der Kommunikationsmittel und des Lernstoffs. Dafür sind die Studierenden zu einem Großteil selbstverantwortlich, müssen allerdings durch den Lehrenden unterstützt und begleitet werden: Begonnene Blogs, Wikis oder Foren müssen entweder erhalten oder von der Lernplattform entfernt werden. Abschließend lässt sich das Verhalten eines Dozierenden im E-Teaching, wie folgt, zusammenfassen: „So viel Unterstützung wie nötig, so wenig wie möglich.“ [10, p. 69]. 3.4 Entwicklung des E-Learnings Allgemein betrachtet haben lern- und lehrtheoretische Erkenntnisse einen großen Einfluss auf die Wissensvermittlung und dementsprechend auf die Lehrmaterialien [4] und Methoden. Die das E-Learning beeinflussenden Lerntheorien sind der Behaviorismus (Kapitel 3.4.1), der Kognitivismus (Kapitel 3.4.2) und der Konstruktivismus (Kapitel 3.4.3). Inwiefern diese drei Einflüsse das E-Learning prägen, wird in den nächsten Abschnitten untersucht [4], [6], [7]. 3.4.1 Behaviorismus Als Begründer des Behaviorismus wird der amerikanische Psychologe John B. Watson (1878-1958) gesehen [6]. Grundsätzlich bezeichnet der Behaviorismus eine „ReizReaktions-Abfolge“ [7, p. 39] mit positiver und negativer Konditionierung. Somit kann das Lernverhalten mittels positiver und negativer Verstärkung gesteuert werden und zum Lernerfolg führen [7]. Aufbauend auf John B. Watsons und Edward L. Thorndikes (1874-1949) Erkenntnissen entwickelte der amerikanische Psychologe Burrhus F. Skinner (1904-1990) das sogenannte programmierte Lernen, dessen Grundgedanken wichtige Bausteine für das computerbasierte Lernen bieten. Das E-Learning stark beeinflussenden Grundgedanken lassen sich in sieben Punkten zusammenfassen [6]: Wichtig ist das Erteilen einer Rückmeldung auf jede Handlung der Teilnehmenden. Die Wahl eines individuellen Lerntempos eines jeden Teilnehmenden ist grundlegend. 10 3. E-Learning Effektive Feedbacks können lediglich nach klarer Formulierung von Lehrzielen gemacht werden. Das Niveau und die Lösbarkeit der gestellten Aufgaben sollen sowohl motivieren als auch fordern. Frage- und Antwortkombinationen sind in ihrem Schwierigkeitsgrad zu steigern. Eine aktive Rolle der Teilnehmenden im Lernprozess ist zu unterstützen. Eine zusätzliche Belohnung guter Leistung wirkt sich positiv und motivierend aus. 3.4.2 Kognitivismus Der Grundstein für den Kognitivismus wurde in den 1920er Jahren gelegt. Basierend auf den Arbeiten von Edward C. Tolman (1886-1959), Kurt T. Lewin (1890-1947), Jérôme S. Bruner (1915) und Jean Piaget (1896-1980) entwickelte sich die kognitive Lerntheorie, die das eigenständige Individuum und dessen Denkprozesse in den Mittelpunkt stellt [6]. Dementsprechend veränderte sich die Wissensaufnahme und Wissensvermittlung gegenüber der behavioristischen Lerntheorie. Im Kognitivismus erhält der Teilnehmende mehr Kontrolle über den Lernprozess, in welchem nicht mehr das Wiedergeben richtiger Inhalte von Bedeutung ist, sondern Wert auf den Vorgang des Problemlösens generell gelegt wird. Ziel ist es, einen Transfer auf ähnliche Problemstellungen zu leisten und mit Hilfe dieser angeeigneten Kompetenz zum Lösen von Problemen, auch entferntere Problematik beheben zu können [4]. Das Lernen wird nunmehr nicht mehr als Reiz-Reaktions-Abfolge gesehen, sondern als eine „Einordnung neuen Wissens in bereits bestehende Wissensstrukturen und kognitive Modelle“ [4, p. 54]. Somit soll das vorhandene Wissensnetz durch neu erworbene Wissenselemente erweitert werden [4]. Im Zusammenhang mit dem Kognitivismus darf das sogenannte entdeckende Lernen, das auf Arbeiten von Jérôme S. Bruner basiert, nicht unerwähnt bleiben. Dem entdeckenden Lernen liegt das Lernen anhand einer Problemstellung zugrunde. Die Aufgabe der Lernenden ist es, eigenständig Informationen zu beschaffen, diese auszuwerten, das daraus erhaltene Wissen zu generieren und deren Relevanz hinsichtlich des vorliegenden Problems zu überprüfen. Der Lehrende behält hierbei eine passiv geprägte Rolle bei und ist in erster Linie für die Schaffung der Lernumgebung verantwortlich [6]. 11 3. E-Learning Das E-Learning wird durch den Kognitivismus, wie folgt, beeinflusst [6]: Das Erlernen der Fähigkeit zum Bearbeiten von Problemen ist das Ziel. Das Erarbeiten von Lösungsstrategien wird gefördert. Die Lehrenden treten in eine Helfer- und Lernbegleiter-Rolle zurück. Die Präsentation der Lerninhalte gewinnt an Qualität. Somit ist das Ziel, die jeweiligen Lernumgebungen problemorientiert vor einem selbst entdeckenden Hintergrund zu gestalten und durch Erkenntnisprozesse den kreativen Problemlösevorgang zu fördern [4], [6], [7]. 3.4.3 Konstruktivismus Innerhalb des Konstruktivismus lassen sich Vertreter wie Paul Watzlawick (1921-2007), Heinz von Foerster (1911-2002) und Ernst von Glasersfeld (1917-2010) nennen. In dieser Lerntheorie, die seit dem Ende der 1980er Jahre vorherrscht [4], wird Lernen als eigenständiger und selbstgesteuerter Prozess der aktiven Wissenskonstruktion [7], basierend auf bestehendem Vorwissen [6], beschrieben. Dabei kann Unterstützung von Lehrenden angeboten werden; der Lernprozess an sich kann allerdings nicht extrinsisch gesteuert oder kontrolliert werden [7]. Die Individualität des Lernens ergibt sich schließlich aus den nicht zu planenden und unvorhersehbaren Lernwegen eines jeden einzelnen. Des Weiteren ist Wissen im Konstruktivismus als ein Gebilde eines jeden Einzelnen definiert. Es ist „keine Kopie der Wirklichkeit“ [7, p. 39] und somit keine äquivalente Abbildung des Gelernten. Als Folgerung ergibt sich daraus, dass Wissen lediglich in begrenzten Mengen zu vermitteln ist [7]. Das Lehren beschränkt sich im Konstruktivismus nicht ausschließlich auf einen problemorientierten Prozess, sondern erweitert sich um einen handlungsorientierten Prozess. Eine Umsetzung des zu lernenden Inhalts in möglichst reale Problemsituationen gewährleistet eine nachhaltige Abspeicherung des Gelernten [7]. Dabei lassen sich drei Handlungsformen unterscheiden [10], [13]: Anchored Instruction Mittels eines „Ankers“ (engl.: anchor) als Anhaltspunkt, der den Lernenden durch eine reale und komplexe Problematik vorgegeben wird, soll „träges Wissen“ verhindert werden [10, p. 87]. 12 3. E-Learning Cognitive Apprenticeship Dieses Prinzip nimmt sich das Modell der traditionellen Handwerksausbildung als Vorbild und überträgt dieses auf intellektuelle Problemstellungen. Zunächst übernimmt der Lernende eine passive Rolle und lernt lediglich durch aktive Beobachtung des Lehrenden. Mit fortschreitender Zeit zieht sich der Lehrende sukzessive zurück und räumt dem Lernenden die aktive Rolle im Lernprozess ein. Die Zusammenarbeit mit anderen Lernenden ist ein zentrales Element des Cognitive Apprenticeship. Cognitive Flexibility Das Annehmen multipler Perspektiven soll bei den Lernenden die kognitive Flexibilität trainieren. Werner Moriz fasst die Eigenschaften des Konstruktivismus, die dem Einfluss des ELearnings zugrunde liegen, zusammen: einerseits, „dass Wissen durch interne subjektive Konstruktion entsteht“ [6, p. 32] und andererseits, dass „Wissen nur auf Basis eines vorhandenen Vorwissens vom Individuum selbst konstruiert wird“ [6, p. 32]. Die folgenden Merkmale werden bei der Konstruktion von E-Learning-Programmen aus dem Konstruktivismus übernommen: Das Lernen wird in alltagsnahen Situationen gestaltet [6]. Durch den Bezug zur Realität wird die Motivation im Lernprozess gefördert und erhalten. Eine Aufteilung der Lerninhalte in kleinere Einheiten sieht der Behaviorismus nicht vor. Informationen und Probleme werden in komplexen, alltagsnahen Problemen präsentiert. Eine Aufteilung des Problems in kleinere Teilprobleme geschieht individuell durch die Teilnehmenden [6]. Die Rolle des Dozierenden und der tutoriellen Betreuung entwickelt sich von einer zentralen Expertenrolle hin zu einer Lernbegleitung, deren Aufgabe es ist, unterstützend zu wirken und nicht den Lernprozess steuernd zu beeinflussen [6]. Eine Gegenüberstellung und Zusammenfassung der drei Lerntheorien findet sich in Tabelle 2 wieder. 13 3. E-Learning Tabelle 2: Vergleich verschiedener Komponenten des Behaviorismus, des Kognitivismus und des Konstruktivismus nach [9] 3.5 Technische Entwicklungsschritte des E-Learnings Durch die Entwicklung der Computertechnik und der internetbasierten Vernetzung veränderten sich die Darstellungsformen und Lernmittel, auf die sich das E-Learning heute stützt. Den Beginn stellten die CBTs dar. Darauf folgten WBTs, virtuelle Seminare und letztlich die aktuelle Version in Form von Lernplattformen [4]. 3.5.1 Computerbasierte Lernprogramme (CBT) Computerbasierte Lernprogramme bildeten den Beginn der Lernsysteme, die Lerninhalte computerbasiert und multimedial vermittelten [5]. Dazu wurden die Lernprogramme auf externen Datenträgern (beispielsweise CD-ROM, DVD, USB-Sticks) gespeichert. Die Bearbeitung setzte keinerlei Internet-Verbindung voraus, womit die erfolgreiche Inbetriebnahme lediglich ein zulässiges Betriebssystem und genügend Speicherkapazität des Computers voraussetzte [4]. Sowohl die Wissensvermittlung als auch die vertiefenden Übungen und die abschließende Erfolgskontrolle wurden durch die CBTs gewährleistet [6]. Tabelle 3 gibt eine Übersicht über die Vor- und Nachteile der CBTs. 14 3. E-Learning Tabelle 3: Vor- und Nachteile der CBTs in eigener Darstellung nach [4], [6] 3.5.2 Webbasierte Lernprogramme (WBT) Im Rahmen der fortschreitendenden Entwicklung der Internet-Technologie wurden die vorhandenen CBTs zu webbasierten Lernprogrammen überarbeitet [4]. Einige Nachteile der CBTs werden durch die Eigenschaften der WBTs behoben. Die Lerninhalte stehen nun auf einem zentralen Server zur Verfügung, wodurch die Daten zu jeder Zeit ohne größeren Aufwand aktualisiert werden können [4]. Dies gewährleistet gleichzeitig, dass alle Teilnehmenden stets auf dem neuesten Stand sind und ihnen die aktuellste Version zur Verfügung steht [6]. Zudem können über das Internet individuell ausgewählte und größere Datenmengen transportiert werden, als dies bei einer externen Speicherung auf Datenträgern möglich ist. Ein sehr großer Vorteil der WBTs liegt in der Tatsache, dass das Lernen in Gruppen nunmehr realisierbar [4] und eine Integration neuer Kommunikationswege umsetzbar geworden ist [5]. Die Ortsunabhängigkeit liegt bei WBTs noch immer vor, jedoch ist ein dauerhafter Internetzugang erforderlich [4]. Unterschiedliche Übertragungsgeschwindigkeiten der Daten können die Darstellung von Animationen oder Videosequenzen allerdings einschrän- 15 3. E-Learning ken [6]. Somit wird für die Teilnehmenden allerdings eine ausreichende Bandbreite des Internets vorausgesetzt. 3.5.3 Virtuelles Seminar Unter einem virtuellen Seminar wird eine Kombination aus den Eigenschaften des ELearnings und den Eigenschaften der Präsenzveranstaltungen verstanden [4]. Zu einer vorgegebenen Zeit verabreden sich die Lernenden und die dozierende Lehrperson auf einer vereinbarten Internetseite. Im virtuellen Seminar besteht zum einen die Möglichkeit, neue Wissensinhalte zu erarbeiten oder zum anderen, Wissensinhalte aufbauend auf individuell vorbereitete Texte zu vertiefen. Die Wissensvermittlung geschieht über eine große Bandbreite an Möglichkeiten, wie zum Beispiel E-Tutorials, virtuell angelegten Bibliotheken, Foren oder moderierten Chats [4], [8]. Die Ortsunabhängigkeit von E-Learning-Phasen ist weiterhin gegeben. Durch synchrone Kommunikation (Kapitel 4.3.1) mit der dozierenden Lehrperson und anderen Teilnehmenden wird der Lehrinhalt vermittelt und Unklarheiten im individuellen Kontakt mit dem Lehrenden geklärt. Auch die eigenständige Arbeit der Teilnehmenden ist bei dieser Lernform erhalten [8]. 3.5.4 Lernplattform Lernplattformen sind die erweiterte Form des virtuellen Seminars und bieten zudem den Vorteil der zeitlichen Flexibilität. Auf Servern werden die Lehrinhalte bereitgestellt und können auf dem Lernportal jederzeit abgerufen werden [4]. Eine Verbesserung der individuellen Betreuung der Teilnehmenden geschieht durch den vermehrten Einsatz asynchroner Kommunikation (zeitlich versetzte Korrespondenz, Kapitel 4.3.2); dies führt letztlich auch zu einer größeren Eigenverantwortung [6]. Die Wissensvermittlung auf der Lernplattform kann mittels unterschiedlicher Methoden unterstützt werden, beispielsweise durch Foren, Lehrfilme oder sogenannte „Wikis“. Eine neue Möglichkeit, die solche Lernplattformen anbietet, ist die Gruppenbildung. Dies ermöglicht neben sozialen und motivierenden Aspekten eine weitere große Bandbreite methodischer Vermittlungsformen, Wiederholungs- und Vertiefungsstrukturen [4], [6]. 16 4. Blended Learning 4 Blended Learning Basierend auf dem E-Learning entwickelte sich das Blended Learning, das sowohl OnlinePhasen als auch Präsenzphasen effektiv miteinander kombiniert. Die synchrone und asynchrone Kommunikation (Kapitel 4.3) ermöglicht den vermehrten Einsatz des Blendend Learning-Konzepts in der beruflichen Weiterbildung (Kapitel 4.6). Das Lehren im Blended Learning-Konzept (Kapitel 4.5) unterscheidet sich teilweise in der Didaktik und in den eingesetzten Lernmethoden von denen der traditionellen Unterrichtssituation. Eine kritische Betrachtung des Blended Learnings ist in Kapitel 4.4 dargestellt. 4.1 Definition Wie in der obigen Einleitung erwähnt, wird unter dem sogenannten Blended Learning eine effektive Kombination aus Online-Phasen und überlegt platzierten Präsenzphasen verstanden. Hierbei stehen den Veranstaltern viele Methoden und Möglichkeiten der Gestaltung zur Verfügung, die der Zielgruppe und dem geplanten Lehrziel entsprechen müssen [14]. Beispiele hierfür sind der traditionelle Frontalunterricht in einer webbasierten Lernumgebung gegenüber selbstgesteuerten Lernphasen (individuell oder kooperativ), sowie Onlineund Präsenzgruppenphasen. Kritische Meinungen behaupten, dass nach der Entwicklung des E-Learnings als neue Form des Lernens, das Blended Learning keine neuartige Lernform darstellt, da sowohl das Online-Lernen als auch das Lernen in Präsenzphasen bereits bekannt ist. Allerdings stützt sich die Entwicklung des Blended Learnings auf Beobachtungen und Auswertungen einiger Studien im Bereich des E-Learnings. Somit kann das Blended Learning als Überarbeitung und Neuauflage des E-Learnings betrachtet und als Neukombination bekannter und altbewährter Elemente verstanden werden [4]. Die deutsche Übersetzung des Begriffs „Blended Learning“ heißt „vermischtes Lernen“ und kommt aus dem Englischen von „(to) blend“ und bedeutet „(ver-)mischen, vermengen“. Da es innerhalb des Blended Learnings auf die richtige „Mischung“ zwischen Präsenz- und Online-Phasen ankommt und ein „lernförderlichen Mix aus Medien und Methoden“ [4, p. 50] wichtig ist, wird die Namensgebung der Lernform deutlich [4]. 17 4. Blended Learning Abbildung 3: Grundgerüst des Blended Learning-Konzepts nach [7] Abbildung 3 veranschaulicht die Bereiche, die das Blended Learning-Konzept charakterisieren. Neben den Online- und den Präsenzphasen spielt die Kooperation der Teilnehmenden untereinander bzw. mit den dozierenden und betreuenden Lehrpersonen eine wichtige Rolle. Die Fachtermini für das Blended Learning, die sich im deutschen Sprachraum durchgesetzt haben, sind „hybrides Lernen“ oder „hybrides Lernarrangement“ und werden beide in gleichem Maß verwendet [4]. Der Blended Learning-Prozess lässt sich in drei Arbeitsphasen charakterisieren: die Vorbereitungsphase, die Präsenzphase und die Nachbereitungs- oder Transferphase, die in studienabhängigen Rhythmen gekoppelt werden können [5]. Vor allem im Bereich der beruflichen Aus- und Weiterbildung konnte sich das Blended Learning durchsetzen und etablieren (Kapitel 4.6) [4]. 18 4. Blended Learning 4.2 Entwicklung zum Blended Learning Die Evaluation verschiedener E-Learning-Angebote an Hochschulen in Deutschland brachte folgendes, ernüchterndes Ergebnis hervor (vgl. [2]) [10]: Trotz einer hohen Technikaffinität der Studierenden, bevorzugen diese die Präsenzveranstaltungen. Eingerichtete virtuelle Betreuungsprogramme bieten den Studierenden nicht die ausreichende Flankierung des Lernprozesses. Für die Studierenden ist der persönliche, soziale Umgang mit den Kommilitonen nicht zu ersetzen. Neben den für die Lerneinheiten vorgesehenen Kommunikationsmitteln verwenden die Studierenden noch weitere Kommunikationsmöglichkeiten – vor allem EMail. Das virtuelle Studienangebot dient eher als Erweiterung und Zusatzqualifikation im Lernprozess, wird aber nicht in demjenigen Umfang genutzt, wie es die Projektentwickler ursprünglich planten. Basierend auf den Ergebnissen der Auswertung des reinen Online-Lernens entwickelte sich das Blended Learning, das mit Hilfe der Vorteile der Präsenzveranstaltungen die Nachteile des E-Learnings negieren sollte. Somit entstand eine neue Lernform aus schon bekannten und klassischen Elementen. In der beruflichen Weiterbildung wurden die E-LearningProgramme schneller und voreiliger eingesetzt, als dies an Hochschulen der Fall war. Dementsprechend groß war die Ernüchterung, da die erhofften Absichten nicht eintrafen. Hochschulen hingegen hatten und haben nicht die Absicht, Präsenzveranstaltungen durch das ausschließlich webbasierte Lernen abzulösen, sondern diese noch zusätzlich zu unterstützen [4]. 19 4. Blended Learning 4.3 Kommunikationstechnologien Die Betreuung innerhalb des Blended Learning-Konzepts lässt sich in zwei Untergruppen kategorisieren, zum einen in den synchronen Bereich (Kapitel 4.3.1), der eine zeitgleiche Korrespondenz beschreibt, und andererseits in den asynchronen Bereich (Kapitel 4.3.2), bei dem die Konversation zeitversetzt stattfindet [6]. Da im Falle des E-Learning-Konzepts keine Präsenzveranstaltungen existieren und im Falle des Blended Learnings diese zu einem Minimum eintreten, spielt die tutorielle Betreuung eine wichtige Rolle. Die Beantwortung der bestehenden Fragen und die Diskussion komplexer Zusammenhänge sind ein elementarer Bestandteil für den erfolgreichen Lernprozess. 4.3.1 Synchrone Kommunikation Synchrone Kommunikationsformen beschreiben eine zeitgleiche Konversation der Gesprächspartner. Alle an der Kommunikation Beteiligten müssen zeitgleich im Portal eingeloggt sein. Die Flexibilität ist innerhalb der synchronen Kommunikation nicht gegeben [6]. Die eher formlose Art der Korrespondenz und sofortige Rückmeldung und Beantwortung der gestellten Fragen erhält die Motivation aufrecht. Dies führt damit zu einem kontinuierlichen Lernprozess, bei welchem Fragen themenbezogen gestellt und zeitgleich beantwortet werden können [6]. Tabelle 4 fasst die bekanntesten Beispiele der synchronen Kommunikation zusammen. 20 4. Blended Learning Tabelle 4: Bekannteste Beispiele für synchrone Kommunikation in eigener Darstellung nach [6] 4.3.2 Asynchrone Kommunikation Die asynchronen Kommunikationsstrukturen unterliegen einer räumlichen und zeitlichen Trennung der jeweiligen Kommunikationspartner. Fragen oder Anregungen werden von den Lernenden hinterlassen, die die Lehrperson oder Mitstudierenden zu einem Zeitpunkt ihrer Wahl beantworten können. Ein Vorteil gegenüber der synchronen Kommunikationsstruktur besteht in der zeitlichen Flexibilität der Betroffenen. Dem entgegen steht allerdings der Motivationsverlust der mit längeren Wartezeiten einhergeht [6]. 21 4. Blended Learning Tabelle 5: Bekannteste Beispiele für asynchrone Kommunikation in eigener Darstellung nach [6] 4.4 Kritische Betrachtung des Blended Learnings Zwar werden durch das Blended Learning einige Nachteile des E-Learnings abgebaut, dennoch muss das Blended Learning hinsichtlich seiner Stärken (Kapitel 4.4.2) und Schwächen (Kapitel 4.4.1) kritisch betrachtet werden. 4.4.1 Schwächen des Blended Learnings Eine Schwäche, die durch das Konzept des Blended Learnings nicht behoben wird, ist im Vergleich zu der Vorbereitungszeit von Präsenzphasen die arbeitsaufwändige und zeitintensive Aufbereitung der Lernmaterialien. Da nicht der unmittelbare, persönliche Kontakt zu den Studierenden besteht, muss über die vorherrschende Stimmung in den Foren entschieden werden, wie die Lernmaterialien aufbereitet werden müssen, um dem aktuellen Lernstand der Studierenden zu entsprechen [9]. Darüber hinaus müssen sämtliche Lernmaterialien digital zur Verfügung gestellt und kompatibel zu der eingesetzten Lernplattform entwickelt werden. Die Grenzen der technischen Möglichkeiten sind schnell dadurch erreicht, da sich einige Lerninhalte eventuell nicht für eine webbasierte Wissensvermittlung eignen. Blended Learning-Konzepte mit hohem Online-Phasenanteil – wie dies im vorliegenden Projekt der Fall ist – bedeuten für die betreuenden Tutoren einen Mehraufwand an Zeit. Neben der asynchronen und synchronen Betreuung der Studierenden müssen die Erfolgskontrollen der Studierenden überprüft werden, die einen höheren Aufwand darstellen als 22 4. Blended Learning ein vergleichbarer Präsenzstudiengang. Die für die Studierenden sorgfältig und ausführlich zu bearbeitenden Rückmeldungen nehmen im Blended Learning einen hohen Stellenwert ein [9]. 4.4.2 Stärken des Blended Learnings Die örtliche und zeitliche Flexibilität bietet, wie auch schon im E-Learning, einen großen Vorteil des Blended Learnings. Gerade im Bereich der Weiterbildung ist – neben dem für die Teilnehmenden zu bewältigenden Alltag – die eigenständige Einteilung der Lerninhalte und die Selbstorganisation von großem Nutzen [10]. Hier lässt sich als weiteren positiven Aspekt die Selbstständigkeit und Individualität im Lernprozess anschließen. Die Lernenden legen individuell das Lerntempo und die Größe der Lerninhalte fest. Durch selbstgesteuertes Lernen, hinsichtlich Organisation und Aneignung des Wissens, können die Inhalte dem individuellen Lernprozess und dem vorherrschenden Wissensstand angepasst werden. Neben den Lerninhalten wird somit den Teilnehmenden auch eine Fähigkeit zur Strukturierung, Selektierung und Systematisierung antrainiert [5]. Außerdem findet das Blended Learning in einem problem-, ergebnis-, handlungsorientierten Prozess statt, der den Lernenden Problemlösungsstrategien antrainiert, die auf zukünftige Probleme zu transferieren sind [5], [8]. Abschließend ist die stetige Aktualität zu benennen, mit der die Beteiligten konfrontiert werden und die durch eine problemlose Ausführung der Updates auf der Lernplattform gewährleistet wird [8]. 23 4. Blended Learning Tabelle 6: Übersicht einiger Vor- und Nachteile des Blended Learnings in eigener Darstellung nach [5], [8], [10] Bei Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile des E-Learnings (Tabelle 1) mit denen des Blended Learnings (Tabelle 6) wird durch einen quantitativen Vergleich offensichtlich, dass das E-Learning weniger Nachteile und mehr Vorteile aufweist als das Blended LearningKonzept. Nichtsdestotrotz ging die Entwicklung des webbasierten Lernens hin zum Konzept des Blended Learnings (Kapitel 4.2), das die soziale Komponente berücksichtigt. Dies zeigt, unter Berücksichtigung der Studie von Uhl [2], dass ein quantitativer Vergleich der Vor- und Nachteile nicht angebracht ist, da die Argumente unterschiedlicher Gewichtung unterliegen. 24 4. Blended Learning 4.5 Lehren im Blended Learning Im Folgenden geht es darum, die webbasierte Didaktik im Blended Learning (Kapitel 4.5.1) zu beleuchten und konkrete Lernmethoden zu betrachten (Kapitel 4.5.2). 4.5.1 Didaktik im Blended Learning Vor der Entwicklung konkreter Inhalte des Online-Moduls müssen viele Arbeitsschritte zuvor unternommen werden. Für eine effektive, methodische Präsentation der Lehrinhalte müssen die Lehrziele (Kapitel 7.1) – nach dem Aufstellen einer geeigneten Gliederung der Lehrinhalte (Kapitel 6.2) – untersucht und fixiert werden, die in den einzelnen Lerneinheiten vermittelt werden sollen. Darüber hinaus spielt neben der Berücksichtigung der Lehrziele auch die Berücksichtigung des situativen Hintergrunds bei der Entwicklung der Inhalte eine Rolle. So unterscheidet sich beispielsweise ein Weiterbildungs-Blended LearningKonzept eines Unternehmens von dem eines seitens der Universität angebotenen [7]. Vor der Entwicklung von qualifizierten Weiterbildungsangeboten stellt sich, dem „Primat der Didaktik“ folgend, zunächst die Frage nach den Zielen und Inhalten der einzelnen Lehrinhalte, bevor konkret auf die Methoden und Medien eingegangen werden kann. Die Umkehrung des Prinzips kann dazu führen, dass „die Lernziele primär von den Medien und Methoden bestimmt werden.“ [8, p. 99]. Bei der Entwicklung der Methoden ist darüber hinaus auf die jeweilige Zielgruppe des Weiterbildungsangebots bezüglich des situativen Hintergrunds und der Voraussetzungen hinsichtlich der Selbstorganisation zu achten. Nach Sauter/Sauter/Bender gibt es den zutreffenden Methoden- und Medienmix nicht: „Die Kunst der Entwickler von Qualifizierungsmaßnahmen besteht vielmehr darin, maßgeschneiderte Lernarrangements zu entwickeln, die für die jeweiligen Lernziele und – inhalte, sowie die vorhandene und angestrebte Lernkultur, optimiert werden.“ [8, p. 99]. 4.5.2 Lernmethoden im Blended Learning Die Realisierung der didaktischen Aspekte soll durch geeignete Lernmethoden, basierend auf den obig vorgestellten Lerntheorien (Behaviorismus, Kognitivismus, Konstruktivismus), geschehen. Dabei werden die Lernmethoden mit dem Ziel gewählt, eine hohe Lerneffektivität zu garantieren. Zu berücksichtigen ist die Tatsache, dass die Wahl der Lernme- 25 4. Blended Learning thoden von vielen Faktoren abhängig ist, unter anderem der Zielgruppe, der Lernziele, des Lerninhalts oder der Lernsituation (Kapitel 7.3) [5]. Eine große Herausforderung, die an die Methoden innerhalb des Blended Learnings gestellt wird, ist die Motivationserhaltung2. Das Fehlen direkter, sozialer Kontakte innerhalb der Online-Phasen erschwert das individuelle Motivieren der Lernenden. Nach Seufert/Back/Häusler [3] lassen sich die Lernmethoden in vier große Teilbereiche untergliedern: lehrerzentriert, lernerzentriert, lerner-/lehrerzentriert, teamzentriert (Abbildung 4). Je nach Lerneinheit und dessen Lernziel ist eine geeignete Lernmethode zu wählen. Tabelle 7 bis Tabelle 10 zeigt einen Überblick über ausgewählte Lernmethoden nach [3]. „Motivationserhaltung im Blended Learning-Konzept“ ist ein weiteres großes Themengebiet, das an dieser Stelle und in dieser Arbeit nicht betrachtet werden soll. 2 26 4. Blended Learning Abbildung 4: Sortierung der Lernmethoden nach [3] 27 4. Blended Learning Tabelle 7: Die lehrerzentrierten Methoden des Bereichs Online Teaching in eigener Darstellung nach [3] 28 4. Blended Learning Tabelle 8: Die lernerzentrierten Methoden des Bereichs Online Assignments in eigener Darstellung nach [3] 29 4. Blended Learning 30 4. Blended Learning Tabelle 9: Die teamzentrierten Methoden des Bereichs Online Discussions in eigener Darstellung nach [3] Tabelle 10: Die lerner-/teamzentrierten Methoden des Bereichs Online Tutorials in eigener Darstellung nach [3] 31 4. Blended Learning 4.6 Blended Learning-Konzept in der beruflichen Weiterbildung Das vorgestellte Projekt „Energiesystemtechnik“ (Kapitel 5) bewegt sich im Bereich der wissenschaftlichen Weiterbildung und richtet sich an im Beruf stehende Personen, Berufsrückkehrer oder qualifizierte Personen mit Familienpflichten aus dem MINT-Bereich. Somit muss vor allem das Augenmerk auf das Blended Learning-Konzept in der beruflichen Weiterbildung gelegt werden. Nach Sauter/Sauter/Bender ist „die Weiterbildung ein eigenständiger Bereich des beruflichen Bildungswesens“ [8, p. 16] und soll beruflich qualifizierte Leute hinsichtlich dreier Bereiche weiterbilden. Zum einen sollen Weiterbildungsinteressierte wissenstechnisch auf den aktuellsten Stand gebracht werden und generell ein Bewusstsein dafür erlangen, dass eine stetige Überholung des eigenen Wissensstandes für die berufliche Qualifikation unabdingbar ist. Zum anderen sollen neben den Persönlichkeitseigenschaften sowohl die intellektuellen als auch die motorischen Fähigkeiten geschult werden [8]. In der heutigen Arbeitswelt sind Team- und Organisationsfähigkeit genauso wichtig wie ein umfassendes Fachverständnis und ein aktuell technologischer Wissensstand. Aufgrund der Globalisierung und des Marktwachstums ist der Druck auf die Unternehmen enorm gestiegen: die Qualitätsanforderungen und der Technisierungsgrad der Produktionsanlagen sind hoch. Darüber hinaus besitzen Dienstleistungen ebenso wie Produkte kurze Innovationszyklen [5]. Neben diesen Auswirkungen fördern die Globalisierung und die technologische Entwicklung die ständige Informationsflut. Informationen veralten innerhalb kürzester Zeit: „Die Halbwertszeit des Wissens ist so hoch, dass Wissen ganzer Berufszweige innerhalb von zehn Jahren völlig veraltet.“ [1, p. 31] Da das Blended Learning-Konzept genau diese sozialen, medialen, technologischen und fachlichen Fähigkeiten fördert und fordert, ist das Konzept – auch aufgrund der preiswerten Art der Mitarbeiterweiterbildung, der Flexibilität und der effektiven Lernmethoden [5] – in der beruflichen Weiterbildung beliebt [15]. Beispiele von bekannten Firmen, die das Blended Learning-Konzept für die interne Weiterbildung beanspruchen, sind die Deutsche Telekom (seit 1987), die Allianz Lebensversicherung AG (seit 2000) und das Handwerksbildungszentrum Bielefeld [7]. 32 4. Blended Learning Abbildung 5: Betriebliche Bildungsanbieter im Laufe der Zeit nach [8] Im Laufe der Jahre veränderte sich das Aufgaben- und Rollenverständnis der betrieblichen Bildungsanbieter (Abbildung 5). Von der Zentriertheit der Lehrperson im Lernprozess ergibt sich eine Entwicklung hin zur Wissensorientiertheit, deren Vermittlung dem Blended Learning-Konzept zugrunde liegt. Die Aufbereitung eines Studiengangs, der im Bereich der Erwachsenenweiterbildung stattfindet, setzt bestimmte Faktoren und Herausforderungen an dessen Konzeption [11]: Die zeitliche Variabilität ist für die Teilnehmenden ein Muss, da der Alltag nicht komplett auf die Weiterbildung zentriert werden kann. Das Weiterbildungsangebot ist unabhängig vom Lernort und die benötigten Informationen müssen jederzeit zur Verfügung stehen. Handlungs- und erfahrungsorientierte Formen gewinnen zunehmend an Bedeutung (beispielsweise das Lernen in Projekten oder Planspielen) und sollen in dem Weiterbildungsangebot berücksichtigt werden. Da sich – gegenüber herkömmlichen Wissensvermittlungen – die Situation in der Online-Weiterbildung differenziert gestaltet, bedeutet die Organisation von Räumlichkeiten und Material in diesem Zusammenhang einen erhöhten Aufwand in der Konzeption, da für die Teilnehmenden eine angenehme und lernfreundliche Atmosphäre gestaltet werden soll. 33 4. Blended Learning Bildung und Unterhaltung beinhalten inzwischen eine große Schnittmenge („Edutainment“). Somit soll die inhaltliche Wissensvermittlung nebenbei einen Unterhaltungsfaktor bieten, der allerdings nicht zur Unterhaltung dienen soll, sondern als didaktisches Mittel eingesetzt wird. Die Vielfalt an eingesetzten Aufgaben dient der Motivationserhaltung. Darüber hinaus führt dies zu wechselnden Rollen der Lernenden, die in verschiedenen Projekten oder Aufgabenstellungen verschiedenen Anforderungen gerecht werden müssen und somit soziale Kontakte pflegen sollen. Die Rolle des Lehrenden wird damit komplex (Kapitel 3.3). Lerninhalte sollen nicht gelehrt, sondern vermittelt werden. Dabei steht im Mittelpunkt, dass Lerninhalte nicht traditionell gelehrt werden sollen, sondern durch die Berücksichtigung individuelle Lernwege des Lernenden nachhaltig und intrinsisch motiviert aufgenommen werden. Nichtsdestotrotz muss eine Struktur konzipiert werden, in der sich die Lernenden innerhalb des Studiengangs bewegen dürfen. Die Konzeption eines Weiterbildungsangebots, das sich an Erwachsene richtet, muss zudem das Lernverhalten Erwachsener berücksichtigen, das sich von dem der Schüler, Schülerinnen und Studierenden unterscheidet [7]: Die Erwachsenenbildung muss unter anderem berücksichtigen, dass sich Erwachsene im Lernprozess verantwortungsvoller und zielgerichteter verhalten. die Teilnahme am Weiterbildungsangebot freiwillig geschieht, sodass der Vorteil der intrinsischen Motivation gegeben ist, die der extrinsischen Motivation um einiges überwiegt. Erfahrungswerte mitgebracht werden. 34 5. Projekt „Energiesystemtechnik“ 5 Projekt „Energiesystemtechnik“ Um das Teilvorhaben „Energiesystemtechnik“ des Fraunhofer ISE (Kapitel 5.2) in das Gesamtprojekt einordnen zu können, soll im Folgenden eine Vorstellung des umfassenden Verbundprojekts „Freiräume für wissenschaftliche Weiterbildung – Windows for Continuing Education“ (Kapitel 5.1) gegeben werden. Das Projekt hat den Status eines Forschungs- und Entwicklungsprojektes und wird auf der Lernplattform ILIAS (Kapitel 5.3) implementiert werden. 5.1 Verbundprojekt Der Zertifikats-Studiengang „Energiesystemtechnik“ ist ein Teilvorhaben des Verbundprojektes „Freiräume für wissenschaftliche Weiterbildung – Windows for Continuing Education“ zwischen der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, dem Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut EMI und der Fraunhofer Academy. Die Fraunhofer-Gesellschaft bietet über die Fraunhofer Academy Weiterbildungsangebote an, die auf den Forschungstätigkeiten der FraunhoferInstitute basieren und in Kooperation mit Partneruniversitäten und Partnerhochschulen umgesetzt werden [16]. Das Projekt wird innerhalb des BMBF-Programms „Aufstieg durch Bildung: offene Hochschulen“ gefördert. Die Koordination trägt die Freiburger Akademie für Universitäre Weiterbildung (FRAUW). Abbildung 6: Logos der Verbundpartner 35 5. Projekt „Energiesystemtechnik“ Abbildung 7: Förderer und Unterstützer des Projektes Zwei wesentliche Zielsetzungen verfolgt das Verbundprojekt langfristig: In Anlehnung an das anerkannte Baukastenprinzip der Swissuni soll ein modular aufgebautes und inhaltlich weit gefächertes, wissenschaftliches Weiterbildungsangebot entwickelt werden. Mittels der Freiburger Academy of Science and Technology (FAST) soll ein forschungsbasiertes und bedarfsorientiertes Angebot wissenschaftlicher Weiterbildung realisiert werden, das eng mit der Forschung und Entwicklung verknüpft ist. Abbildung 8: Baukastenprinzip der Swissuni Die Entwicklung der Weiterbildungsangebote geschieht – basierend auf der Kooperation zwischen der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg und der Swissuni – in Anlehnung an das anerkannte Baukastenprinzip der Universitären Weiterbildung der Schweiz, Swissuni (Abbildung 8). Die einzelnen Module werden nach den etablierten Qualitätsstandards angefertigt und können durch die Studierenden bausteinartig miteinander kombiniert werden. Folgende Weiterbildungsabschlüsse können absolviert werden: Certificate of Advanced Studies (CAS) Diploma of Advanced Studies (DAS) 36 5. Projekt „Energiesystemtechnik“ Um das Weiterbildungs-Zertifikat CAS zu erhalten, werden zwei Kurse mit jeweils 5 Credit Points (CP) aus einer zugelassenen Profillinie kombiniert. Die Kombination dreier CASWeiterbildungsabschlüsse ergeben ein DAS. Durch die große Handlungs- und Entscheidungsfreiheit in der Kurswahl seitens der Studierenden, wird eine weitgefächerte Weiterbildung ermöglicht. 5.2 Teilvorhaben „Energiesystemtechnik“ In den MINT-Berufen ist ein deutlicher Fachkräftemangel in Deutschland vorhanden, weshalb die Ausbildung oder Weiterbildung in diesen Bereichen zukünftig eine wichtige Rolle spielen wird. Hochaktuelle, wissenschaftlich interessante und für die Zukunft relevante Thematiken wie „Energiespeicher/Batteriespeicher“, „Intelligente Energienetze“ und „Energieelektronik“, die unter anderem Schwerpunktthemen des Fraunhofer ISE sind, sollen in das Teilprojekt „Energiesystemtechnik“ einfließen. Durch forschungsnahe Informationen und aktuelle Themenbereiche soll die Motivation der Teilnehmenden gefördert werden und das Interesse an MINT-Fächern gesteigert werden. Um ein bedarfsgerechtes Weiterbildungsangebot entwickeln zu können, führten Mitglieder des Verbundvorhabens „Freiräume für wissenschaftliche Weiterbildung – Windows for Continuing Education“ eine Bedarfsumfrage durch. Die Auswertung der Bedarfsanalyse mittels Online-Fragebögen ergab, dass eine Präsentation des Weiterbildungsangebots in Form des Blended Learning-Konzepts angestrebt wird. Darüber hinaus wurde das modular aufgebaute, berufsbegleitende Weiterbildungskonzept mit nahem Praxisbezug bestätigt. Aus den Fragebögen konnten ebenso nähere Informationen zu den jeweiligen Themenschwerpunkten gezogen werden. Somit ist es möglich, die Schwerpunkte des Weiterbildungsangebotes auf die geforderten Interessensgebiete zu legen. Eine Zielgruppenanalyse ergaben drei Personengruppen, an die sich das Weiterbildungsangebot „Energiesystemtechnik“ adressiert: 37 5. Projekt „Energiesystemtechnik“ Zielgruppe 1a (ZG 1a) Hochschulabsolventen mit Bachelor-Abschluss in einem MINT-Studiengang Zielgruppe 1b (ZG 1b) Auszubildende mit Meisterdiplom/-brief aus dem MINT-Bereich Zielgruppe 1c (ZG 1c) Staatlich geprüfte Absolventen aus dem technischen Bereich Eine mindestens zweijährige Berufserfahrung im MINT-Bereich ist eine weitere Voraussetzung zur Teilnahme am Zertifikats-Studiengang „Energiesystemtechnik“. Die Lerninhalte werden durch das Blended Learning-Konzept vermittelt, wobei der Anteil der Online-Phasen hoch sein wird. Grund hierfür ist zum einen, dass sich der Studiengang unter anderem auch an im Beruf stehende Personen, Berufsrückkehrende oder Personen mit Familienpflichten richtet. Zum anderen soll mittels dieses Vorgehens die Flexibilität im individuellen Lernprozess gefördert werden. Die Teilnehmenden werden während ihres Lernprozesses tutoriell begleitet. Bestandteil des Zertifikats-Studiengangs sind unter anderem Online Meetings, Online Selbsttests und Online Diskussionsrunden. Die dem Zertifikats-Studiengang „Energiesystemtechnik“ zugrunde liegende Modulstruktur ist in Abbildung 9 dargestellt. 38 5. Projekt „Energiesystemtechnik“ Abbildung 9: Modulstruktur des DAS-Studiengangs Energiesystemtechnik 5.3 Internetplattform ILIAS Die Lernplattform, auf der der Zertifikats-Studiengang „Energiesystemtechnik“ implementiert und präsentiert werden wird, ist die Open Source-Software ILIAS. Im deutschsprachigen Raum erfreut sich ILIAS großen Zuspruchs. Viele Universitäten arbeiten mit der Software, um die Studierenden mit Materialien und Informationen zu versorgen [17]. Die Albert-Ludwigs-Universität setzt seit dem Sommersemester 2013 die Lernplattform Institut übergreifend ein [18]. Aber auch in Unternehmen wird ILIAS im Rahmen von Trainingssystemen zur Mitarbeiterfortbildung genutzt [17]. Seit dem Entwicklungsstart 1997 (ab 2000 Open-Source-Software) wurden sowohl die möglichen Funktionen als auch die Anwendungsmöglichkeiten in Zusammenarbeit mehrerer Hochschulen überarbeitet und erweitert. Heute hat ILIAS ein großes Spektrum an Funktionen, die das E-Learning interessant, abwechslungsreich und motivationserhaltend 39 5. Projekt „Energiesystemtechnik“ gestalten. Neben Diskussionsforen, Glossaren, Wikis, Bibliotheken, Mails, Chats und Etherpads können Testfunktionen genutzt und Gruppen innerhalb des Seminars gebildet werden [17]. Auf ausgewählte Methoden der Lernplattform ILIAS wird in Kapitel 8 und 9 eingegangen. In Abbildung 10 sind die Methoden der Lernplattform ILIAS in Anlehnung an die Untergliederung der Lernmethoden (Kapitel 4.5.2) ebenfalls in die Bereiche lerner-/ lehrer- und teamzentriert geordnet. Wie durch die Überschneidungen dargestellt, lassen sich nicht alle Methoden eindeutig zuordnen. Auf die Graphik wird nochmals näher in Kapitel 10 eingegangen. Abbildung 10: Lernmethoden der Plattform ILIAS in eigener Darstellung Um einen Einblick in die Arbeitsweise der Lernplattform ILIAS zu erhalten, wurden von den Projektbeteiligten verschiedene Workshops am Rechenzentrum der Albert-LudwigsUniversität besucht. Eine genauere Ausführung der Software ILIAS kann im Rahmen dieser Arbeit nicht gegeben werden. 40 6. Vorstellung des Moduls „Energieelektronik“ 6 Vorstellung des Moduls „Energieelektronik“ Im Folgenden wird ein Überblick über die konkreten Inhalte des Moduls gegeben. In der Erarbeitungsphase der fachlichen Komponenten stellte sich zunächst die Frage, was unter dem Begriff „Energieelektronik“ zu verstehen ist (Kapitel 6.1). Anschließend konnten die Wissensinhalte strukturiert werden, woraus der Modulverlauf(Kapitel 6.2) mit thematischem Schwerpunkt auf der Leistungselektronik (Kapitel 6.3) resultierte. 6.1 Der Begriff „Energieelektronik“ Das CAS-Modul „Energieelektronik“ befasst sich mit Technologien aus der elektrischen Energieübertragung, mit der Energie umgeformt, gesteuert und transportiert wird. Der Begriff „Energieelektronik“ ist ein weitgefasster Ausdruck, dem drei Gebiete zugeordnet werden können: elektrische Energietechnik, Leistungselektronik und Informations- und Kommunikationstechnologie (Abbildung 11). Abbildung 11: Darstellung der thematischen Bereiche der Energieelektronik in eigener Darstellung 41 6. Vorstellung des Moduls „Energieelektronik“ Die elektrische Energietechnik beschäftigt sich mit der Erzeugung, der Übertragung, der Speicherung und der Nutzung elektrischer Energie. Die Leistungselektronik ist für die Umformung, Steuerung und Regelung elektrischer Energie zuständig (Kapitel 6.3). Die Informations- und Kommunikationstechnologie kombiniert den Bereich Informatik und Kommunikation zur Übermittlung und Speicherung von Daten und Informationen. Die Kombination der drei Bereiche ergibt in der Schnittmenge das Gebiet der Energieelektronik. Im momentanen Kontext der Energiewende und des Wandels von einem zentralen Stromnetz mit wenigen großen Energieerzeugern hin zu einem dezentralen Verteilnetz mit vielen kleinen Energieerzeugern ist der Inhalt des Moduls „Energieelektronik“ hochaktuell. Interessierten wird ein tiefgehender und technisch-physikalischer Einblick in die Umsetzung einer flexiblen und energieeffizienten Energieübertragung und den damit verbundenen aktuellen Herausforderungen geboten. Den Studierenden soll neben theoretischen Grundlagen vor allem der praktische Einsatz der Energieelektronik im Alltag nahe gebracht werden. Energieelektronik ist heutzutage allgegenwärtig: sowohl in der Ladeelektronik von Handys und Laptops als auch in Photovoltaik-Anlagen, Windkraftanlagen oder HochspannungsGleichstromübertragungsnetzen. 6.2 Strukturierung des CAS-Moduls Zu Beginn der Projektarbeit bot eine umfassende Literaturrecherche in den Themengebieten Leistungselektronik, elektrische Energietechnik, Antriebstechnik, Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT), E-Learning, Blended Learning, Methodenanalyse und Methodeneinsatz eine fundierte Grundlage, auf der die Erstellung der Gliederung des Moduls „Energieelektronik“, die inhaltliche Ausarbeitung und die methodische Umsetzung aufbaut. Nach der Literaturrecherche begann die Strukturierung der fachlichen Inhalte, woraus sich der Aufbau (Abbildung 12) und die Gliederung (Tabelle 11) des Moduls „Energieelektronik“ entwickelten. 42 6. Vorstellung des Moduls „Energieelektronik“ Abbildung 12: Ablauf der Module Energieelektronik und Intelligente Energienetze Während der Konzeption der Modulinhalte kristallisierten sich thematische Überschneidungen mit dem Modul „Intelligente Energienetze“ heraus, weshalb modulübergreifende Veranstaltungen in den Gesamtverlauf integriert wurden. Da dem Zertifikats-Studiengang „Energiesystemtechnik“ das Blended Learning-Konzept zugrunde liegt, galt es das Modul sowohl in Präsenzphasen als auch in Online-Phasen zu untergliedern und diese thematisch mit den fachlichen Inhalten abzustimmen. Allgemein betrachtet, kann die Positionierung der Präsenzphasen im Blended Learning nach [19] in vier verschiedenen Kombinationen angeordnet werden (Abbildung 13). 43 6. Vorstellung des Moduls „Energieelektronik“ Abbildung 13: Variationsmöglichkeiten der Präsenz- und Online-Phasen nach [19] Für die Module „Intelligente Energienetze“ und „Energieelektronik“ wurde die dritte Variante gewählt. Bedingt durch eine notwendige technische Einweisung der Teilnehmenden in die Lernplattform ILIAS war bereits in der ersten Konzeptionsphase des Teilprojektes „Energiesystemtechnik“ eine Präsenzphase zu Beginn des Moduls „Energieelektronik“ geplant. In der Weiterentwicklung des Teilprojektkonzeptes wurde die erste Präsenzphase um einen inhaltlichen Einstieg (Grundlagen der Energieversorgung) erweitert, der modulübergreifend stattfinden wird. Die erste Präsenzphase dient somit neben der Vermittlung erster Lehrinhalte auch der Möglichkeit, erste Kontakte zu anderen Teilnehmenden, den dozierenden Lehrpersonen und den Tutoren knüpfen zu können. Der Anstoß zu Gesprächen unter den Anwesenden wird vor allem durch Arbeiten in wechselnden und modulflexiblen Kleingruppen geschaffen. Folglich verliert die erste anschließende, ungewohnte 44 6. Vorstellung des Moduls „Energieelektronik“ Online-Situation an Anonymität, da sich die Teilnehmenden nun persönlich kennen. Die der Präsenzphase folgende Online-Phase, die ebenfalls von beiden Modulen parallel absolviert wird, umfasst ein physikalisches Grundlagenkapitel, das die Vermittlung der Grundlagen von Wechsel- und Drehstrom zum Ziel hat. In einem Online Meeting sollen in dieser Phase des Moduls erste Inhalte wiederholt und überprüft werden, aber auch Erfahrungsberichte über die erste Online-Phase ausgetauscht werden. Anschließend spezialisieren sich die Kursteilnehmenden auf das jeweilige Schwerpunktthema „Intelligente Energienetze“ oder „Energieelektronik“ und treffen bei der finalen Präsenzphase nochmals aufeinander. Nach Absolvieren der jeweiligen Modulabschlussklausur erarbeiten die Teilnehmenden Abschlussvorträge, die in die abschließende Bewertung einfließen. Um einen Einblick in den modulspezifischen Teil zu erhalten, sei auf die thematische Übersicht in Tabelle 11 hingewiesen. Nicht berücksichtigt sind in der Darstellung die gemeinsamen Veranstaltungen mit dem Modul „Intelligente Energienetze“, die vor das Kapitel „Einführung in die Energieelektronik“ gestellt werden und sich nach dem Kapitel „Anwendungen der Leistungselektronik bzw. Betriebsmittel aus der Leistungselektronik“ anschließen (Abbildung 12). 45 6. Vorstellung des Moduls „Energieelektronik“ Tabelle 11: Darstellung der Gliederung des Moduls "Energieelektronik" 46 6. Vorstellung des Moduls „Energieelektronik“ Das Modul untergliedert sich in drei größere Kapitel: Das erste Kapitel „Einführung in die Energieelektronik“ dient dazu, den Begriff näher zu definieren und einen Überblick über den Einsatz der Energieelektronik im Alltag zu erlangen. Das zweite Kapitel „Grundschaltungen der Leistungselektronik“ beschäftigt sich mit der neuen und innovativen Technik hinter den Spannungsumwandlungen im Stromnetz. Dazu werden zunächst die Bauelemente der Leistungselektronik genauer untersucht. Die im Modul behandelten Grundschaltungen können in vier Gruppen der Stromrichter untergliedert werden, wodurch sich die Sortierung des Moduls ergibt (Abbildung 14): die Gleichspannungswandler (Umwandlung DC/DC), die Wechselrichter (Umwandlung DC/AC), die Gleichrichter (Umwandlung AC/DC) und die Wechselspannungswandler (Umwandlung AC/AC). Abbildung 14: Gruppierung der vier Stromrichterarten Der Schwerpunkt des Moduls liegt auf dem leistungselektronischen Bereich, weshalb in Kapitel 6.3 eine Einführung in die Thematik und aktuelle Entwicklung der Leistungselektronik erfolgen wird. Das dritte Kapitel „Anwendungen der Leistungselektronik bzw. Betriebsmittel aus der Leistungselektronik“ veranschaulicht und behandelt konkrete Einsatzgebiete 47 6. Vorstellung des Moduls „Energieelektronik“ der Leistungselektronik in der Praxis. Das im vorangegangenen Kapitel Gelernte findet hier seine Anwendung. Die Thematisierung entwicklungsaktueller Einsätze der Leistungselektronik ist ebenfalls Gegenstand des modulfinalen Kapitels. 6.3 Einführung in die Leistungselektronik Die Leistungselektronik stellt das Bindeglied zwischen den Energieerzeugern und den Energieverbrauchern dar. Elektrische Energie wird von den Energieerzeugern entweder als Gleichspannung oder als einphasige/dreiphasige Wechselspannung bereitgestellt. Die Energieverbraucher benötigen die elektrische Energie allerdings meist in einer individuell angepassten Form [20]. Um die Drehzahl bei Gleichstrommotoren regeln zu können, wird zum Beispiel eine Gleichspannung mit variabler Höhe gefordert [21]. Mit Hilfe der Leistungselektronik wird die elektrische Energie durch elektronische Schalter verlustarm und energieeffizient umgeformt, gesteuert und so geregelt, dass sie durch den Verbraucher genutzt werden kann. Die Umformung und Steuerung der elektrischen Energie erfolgt in der Leistungselektronik mit Hilfe von Bauteilen, die sich ähnlich wie mechanische Schalter verhalten [21]. Die elektronischen Schalter werden durch den Zustand „an“ (leitend, Stromfluss möglich) und den Zustand „aus“ (sperrend, Stromfluss gesperrt) charakterisiert [22]. Der Unterschied zwischen idealisierten und realen Schaltern soll an dieser Stelle nicht weiter ausgeführt werden. Der Einsatz von elektronischen Schaltern differenziert die Leistungselektronik von der Analogtechnik, die verlustbehaftete lineare Stellglieder einsetzt und die Energieverluste minimiert. Die verminderten Energieverluste in der Leistungselektronik sind durch die reduzierten Verluste in den verwendeten Bauelementen und optimierten Steuer- und Regelungsverfahren mit abnehmenden Regelungszeiten begründet. Neben dem positiven Aspekt des hohen Wirkungsgrades garantiert der Einsatz von Leistungselektronik eine hohe Zuverlässigkeit der elektronischen Systeme und reduziert zudem sowohl die auftretenden Geräusche als auch das Gewicht des gesamten Systems [20]. Die sogenannten Halbleiterbauelemente, deren Entwicklung Mitte der sechziger Jahre den Grundstein der heutigen Leistungselektronik legte, gewährleisten die gewünschten Forderungen [20]. Neben den Mess- und Steuereinrichtungen zählen Regeleinrichtungen zum 48 6. Vorstellung des Moduls „Energieelektronik“ Gebiet der Leistungselektronik [20]. Der Wirkungsgrad von leistungselektronischen Schaltungen wird vor allem durch Eigenschaften der Halbleiterbauelemente beeinflusst. Es lassen sich folgende Anforderungen an die Bauelemente festhalten: Im leitenden Zustand soll der Schalter über eine möglichst gute Leitfähigkeit verfügen; im gesperrten Zustand soll er sich wie ein guter Isolator verhalten. Gute Halbleiterbauelemente garantieren niedrige Schaltzeiten bei gleichzeitig geringen Schaltverlusten. Eine gewisse Robustheit gegenüber Überstrom oder Überspannung ist für einen praktikablen Einsatz von Vorteil. Für einen wirtschaftlichen Betrieb sind erforderliche Sperrspannungen ohne Einschränkungen zu gewährleisten. Aktuelle Entwicklungstrends in der Leistungselektronik verfolgen die Ziele einer höheren Betriebstemperatur, einer schnelleren Schaltfrequenz und gleichzeitig niedrigerer Preise. Durch den Einsatz neuer Halbleitermaterialien wie Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) anstelle reinen Siliziums können wesentliche Verbesserungen des Schaltverhaltens der Halbleiterbauelemente erzielt werden [23]. Durch die gleichzeitige Erhöhung der Betriebstemperaturen halten allerdings die derzeitigen Gehäuse-Technologien den geforderten Temperatur- und Lastwechselfertigkeiten nicht stand. Des Weiteren soll durch schnelles Schalten der Verlust der Halbleiterbauelemente auf ein Minimum reduziert werden, um somit die Stromdichte zu erhöhen. Folglich liegen die aktuellen Entwicklungstechnologien der Leistungselektronik im Bereich der niederinduktiven Verbindungs-Technologie, was eine Herausforderung für Gehäuse- und Systemkonzepte bedeutet [23]. Durch den Einsatz neuer Materialien SiC und GaN kristallisieren sich neue Herausforderungen heraus: Entwicklung niederimpedanter Verbindungen, höhere Stromdichten pro Gehäuseeinheit, höhere thermische Widerstände (und geringere thermische Kapazitäten) pro Chip3 erfordern höhere Chip-Temperaturen und verbesserte thermische Verbindungen. Bei kleinerer Fläche 3 Ein Chip ist ein Substratstück, auf dem eine elektrische Schaltung angebracht ist [37]. 49 6. Vorstellung des Moduls „Energieelektronik“ muss die identisch vorhandene Wärme an die Umgebung abgeleitet werden [23]. Eine gute Zusammenfassung der Weiterentwicklungspotenziale der Leistungselektronik bietet Abbildung 15. Abbildung 15: Weiterentwicklungstendenzen von Leistungsmodulen [24] 50 7. Methodischer Kontext 7 Methodischer Kontext Vor der konkreten, methodischen Ausarbeitung der Inhalte müssen strukturierte Vorüberlegungen bedacht werden (Kapitel 7.3). Während der inhaltlichen und methodischen Konzeption des Zertifikats-Studiengangs „Energiesystemtechnik“ wurde das erforderliche, den Studiengang beschreibende Modulhandbuch entworfen (Kapitel 7.2). Davor musste sich allerdings mit den Begriffen „Kompetenz“, „Lernziel“ und „Lehrziel“ auseinandergesetzt werden (Kapitel 7.1). 7.1 Diskussion der Begriffe „Lehrziel“ und „Lernziel“ Zum Zeitpunkt des Entwurfs inhaltlicher Lerneinheiten, Planung methodischer Umsetzungen oder Verfassen des Modulhandbuchs (Kapitel 7.2) muss das Ziel der Lerneinheit fixiert werden, das die Lernenden nach Bearbeitung der Einheit erreicht haben sollen. Während der methodischen Arbeit an den Inhalten kann sich an den gesetzten Zielen orientiert werden. Im Zuge dessen müssen allerdings folgende Begriffe hinterfragt und differenziert werden: Lehrziel, Lernziel, Kompetenzen. Kompetenzen werden durch Weinert definiert als „die bei Individuen verfügbaren oder durch sie erlernbaren kognitiven Fähigkeiten und Fertigkeiten, um bestimmte Probleme zu lösen, sowie die damit verbundenen motivationalen, volitionalen und sozialen Bereitschaften und Fähigkeiten um die Problemlösungen in variablen Situationen erfolgreich und verantwortungsvoll nutzen zu können.“ [25, p. 27]. Des Weiteren untergliedert er den Begriff „Kompetenz“ in eine fachliche Kompetenz (z.B. auf dem Gebiet der Physik oder Germanistik), eine fachübergreifende Kompetenz (z.B. Teamfähigkeit) und eine Handlungskompetenz (erlernte Kompetenzen werden auf andere Lebensbereiche erfolgreich angewendet). Dementgegen halten sowohl Lehrziele als auch Lernziele fest, welche Fortschritte die Studierenden nach gelungener Absolvierung der Lerneinheit erlangt haben sollen und verhalten sich in einem idealen Lernprozess einheitlich [26]. Glöckel beschreibt Lehrziele und Lernziele als identische Zielsetzung aus zwei verschiedenen Blickwinkeln [27]. Die Unterscheidung zwischen den Begrifflichkeiten wurde von Klauer angeregt [28]. Eine ausführliche Differenzierung der beiden Begriffe findet sich letztlich in einer didaktischen Handrei51 7. Methodischer Kontext chung von Döring [26]: Lehrziele werden aus Sicht des Lehrenden verfasst und enthalten dessen geplante, pädagogisch-didaktischen Ziele. Die Kategorisierung in kognitive, affektive und psychomotorische Lehrziele hilft bei der Formulierung der jeweiligen Ziele. Kognitive Lehrziele beschreiben die Wiedergabe von Fakten, Abläufen und Prinzipien. Affektive Lehrziele beschreiben Interessen, Einstellungen und Ausbildung eines moralischen Werteempfindens. Psychomotorische Lehrziele beschreiben Verhaltensweisen. Die Lernziele wiederum beinhalten die Anforderungen, die sich ein Lernender bewusst oder unbewusst selbst setzt (Untergliederung in Richtziele, Grobziele und Feinziele) und ein beobachtbares Verhalten beschreiben [26]. Für das Modulhandbuch (Kapitel 7.2) wurde sich auf das Verfassen von „Lehrzielen“ geeinigt, da die veranstaltenden Verantwortlichen lediglich solche verfassen können und über die Lernziele der Lernenden keine Aussagen treffen können [27]. Auch der Begriff „Kompetenzen“ wurde für die Verwendung im Modulhandbuch diskutiert; allerdings wird durch diesen Begriff die Zielsetzung nicht deutlich herausgearbeitet. Der Begriff „Kompetenzen“ impliziert Fähigkeiten, Fertigkeiten und Einstellungen, die ein Individuum besitzt und mit Hilfe derer ein Lernprozess angegangen werden kann. 7.2 Erstellung des Modulhandbuchs Um dem „Primat der Didaktik“ zu entsprechen (Kapitel 4.5.1), wurde vor Beginn der konkreten Methodenarbeit, basierend auf dem inhaltlichen Konzept des Moduls (Kapitel 6.2), das Modulhandbuch entworfen, das unter anderem die Lehrziele (Kapitel 7.1) der jeweiligen Lerneinheiten enthält, worauf in den methodischen Kapiteln 7.3, 8 und 9 Bezug genommen wird. Die Erstellung eines Modulhandbuchs ist ein notwendiger Bestandteil in der Konzeption eines Studiengangs. In einem Modulhandbuch erkundigen sich sowohl Lehrende als auch Lernende über den genaueren Verlauf und die Zielsetzung des Studiengangs. Beispielsweise erfahren Lernende, welche Kenntnisse vorausgesetzt und welche inhaltlichen Themen behandelt werden. Der Lehrende hingegen kann sich mittels des Modulhandbuchs über die Lehrziele der Veranstaltung, die Prüfungsmodalitäten oder die Berechnung der CPs informieren. 52 7. Methodischer Kontext Da dem Zertifikats-Studiengang „Energiesystemtechnik“ das Blended Learning-Konzept zugrunde liegt, wurde der Aspekt der methodischen Umsetzung der Lerninhalte ausgeprägter behandelt, als dies in „traditionellen“ Modulhandbüchern der Fall ist [29]. Folgende Lehrziele wurden für das CAS-Modul „Energieelektronik“ ausgearbeitet: Die Lernenden erlangen ein Grundverständnis über ausgewählte Schaltungen der Leistungselektronik. Die Lernenden übertragen die gelernten Grundkenntnisse auf die Betriebsmittel aus der Leistungselektronik und auf die Anwendungen der Leistungselektronik. Die Lernenden erarbeiten sich einen Überblick über aktuelle Entwicklungen im Bereich der Energieelektronik. Die Lernenden entwickeln einen Blick für die Herausforderungen an die Leistungselektronik innerhalb der Entwicklung vom zentralen zum dezentralen Stromnetz. 7.3 Vorüberlegungen zur methodischen Ausarbeitung Nach Fixierung der inhaltlichen Gliederung und Formulierung der Lehrziele muss nun der Schwerpunkt auf die Entwicklung der passenden und effektiven Lernmethoden gelegt werden. Im Zuge dessen ergeben sich viele Komponenten, die es zu beachten und in den Entwicklungsprozess einzubeziehen gilt. Grundsätzlich stellen sich Fragen der Art [6]: In welcher Form (selbstständig oder geführt) sollten die jeweiligen Inhalte präsentiert werden? Welche Art der Betreuung soll gewählt werden? Wie kann mit Hilfe der Lernmethoden die Motivation aufrechterhalten werden? Wie können Rückmeldungen über die einzelnen Lehrinhalte individuell an die Teilnehmenden motivationserhaltend gegeben werden? Seufert/Back/Häusler [3] stellen einen Prozess vor, der die Vorgehensweise in der methodischen Arbeit bündelt, strukturiert und sortiert (Abbildung 16). 53 7. Methodischer Kontext Abbildung 16: Der Prozess der methodischen Arbeit nach [3] Die Orientierungsphase dient dazu, Überlegungen hinsichtlich der Frage „Wann ist welche Lehr-/Lernform für ein effektives Lernverhalten geeignet?“ anzustellen. Dabei können die folgenden fünf Kriterien Hilfestellung leisten [3]. (1) Kognitive Zielsetzung Steht die Erarbeitung von Faktenwissen (deklaratives Wissen: Reproduktion gelernter Inhalte) oder Know-How-Wissen (prozedurales Wissen: Transfer und Anwendung des Gelernten) im Vordergrund? (2) Lernvoraussetzungen der Lernenden zu einem bestimmten Lernzeitpunkt In welcher Phase des Lernens befindet sich das Seminar und auf welchem Lernniveau befinden sich die Lernenden? (3) Informationen Die Quantität der gegebenen Informationen kann variiert werden. Je nach Entwicklungsstand der Lernenden können keine oder viele Informationen vorgegeben werden, womit eine eigenständige Recherche entweder gefordert wird oder nicht vonnöten ist. 54 7. Methodischer Kontext (4) Orientierungswissen Je nachdem, in welchem Umfang Vorwissen vorhanden ist, misst sich daran das Lehrer- und Betreuerverhalten. (5) Verfügbare Unterrichtszeit Die verfügbare Unterrichtszeit entscheidet über den Aufwand und Zeitintensivität der eingesetzten Lernmethoden. Beispielsweise ist eine lehrerzentrierte Unterrichtsdurchführung für Einheiten mit einem zeitlich straffen Plan geeignet. Bei einem hohen Anteil an verfügbarer Unterrichtszeit ist die Empfehlung den Lernenden und/oder das Team in den Mittelpunkt des Lernprozesses zu stellen. Die vier Bereiche der Lernmethoden Online Discussion, Online Assignment, Online Tutorial und Online Teaching aus Kapitel 4.5.2 können hinsichtlich der oben genannten fünf Kriterien eingeordnet und in einem Schaubild festgehalten werden. Abbildung 17: Überblick der Methoden im Orientierungsmodell nach [3] 55 7. Methodischer Kontext Das Online Teaching ist eine lehrerzentrierte Methode, weshalb die Lernmethoden auf der untersten Stufe des Orientierungsmodells in Abbildung 17 einzuordnen sind. Die Methoden aus dem Bereich des Online Teaching nehmen aufgrund der Lehrerzentriertheit wenig Unterrichtszeit ein und setzen eher notwendiges Orientierungswissen voraus. Des Weiteren wird innerhalb des Online Teachings Wissen erarbeitet, das sich objektiv präsentiert und keine eigenen Rechercheanforderungen beansprucht. Je nachdem, ob geführte oder flexible Tutorials eingesetzt werden, verändert sich die Zuordnung der Online Tutorials in der obigen Darstellung. Geführte Tutorate gehen in Richtung der lehrerzentrierten Methode, flexibel gestaltete Tutorate hingegen entsprechen einer lernerzentrierten Lernmethode. Wie bereits in Abbildung 17 dargestellt, beanspruchen Lernmethoden aus diesem Bereich einen größeren Zeitaufwand. Auch müssen Lernende in diesem Fall das gelernte Wissen aktiv anwenden und nicht alle Informationen stehen den Studierenden vollständig vorbereitet zur Verfügung. Abbildung 17 zeigt ebenfalls die Einordnung der lernerzentrierten Online Assignments, die selbstverantwortliche Lernprozesse ermöglichen und den Lernenden die Selbstkontrolle überlassen. Online Discussions beschreiben teamzentrierte Lernmethoden, weshalb der Bereich auf der obersten Stufe der benötigten Unterrichtszeit im Orientierungsmodell (Abbildung 17) anzuordnen ist. Teamzentrierte Lernmethoden fördern die Eigenkonstruktion von Wissen und unterstützen komplexe und weitläufige Lernprozesse. Da ein gewisses Fundament an Grundlagenwissen und eine kritische Sichtweise vorhanden sein muss, bietet sich dieser Bereich der Lernmethoden für fortgeschrittene Lernende an [3]. Die Vorbereitungsphase schließt sich der Orientierungsphase nahtlos an und beschreibt die eigentliche Entwicklung von methodischen Ausarbeitungen. Die Leitfrage, die der Phase unterliegt, lautet: „Welche technologischen Hilfsmittel und welche methodischen Voraussetzungen werden benötigt?“. Für die methodische Arbeit werden Angaben hinsichtlich der Lehrziele einzelner Lerneinheiten, inhaltliche Informationen, Entscheidungen über den Lernort und organisatorische Angaben gefordert. Hinsichtlich des technischen Entwurfs des Lernmoduls müssen Entscheidungen über eingesetzte Tools und deren Relevanz ge- 56 7. Methodischer Kontext troffen werden [3]. In der Durchführungsphase treffen die Lernenden aufeinander und bearbeiten das entwickelte Lernmodul, das nach der Evaluationsphase überarbeitet und optimiert wird [3]. Für eine erfolgreiche Realisierung von webbasierten Lernprogrammen und einem effektiven Lernprozess werden viele (methodische) Ansatzpunkte geliefert, die auf den Lerntheorien Behaviorismus, Kognitivismus und Konstruktivismus basieren. Die anschließend aufgelisteten Punkte fassen nochmals die in den Kapiteln 3.4.1, 3.4.2 und 3.4.3 beschriebenen Faktoren nach [7], [8], [10] zusammen: aufgabenorientierte, didaktische Konzepte Förderung autodidaktischer Kompetenzen Förderung von Medienkompetenzen Professionalisierung des Lehrens und Lernens Gestaltung benutzerfreundlicher, virtueller Lernmodule Entwicklung lernförderlicher Zeitstrukturen lernerzentrierte Aufgabenstellungen („Learning by Doing“, Problemlösung) Förderung des aktiven Mitarbeitens mittels den Lernprozess begleitenden Verständnisfragen (flankierende Rückmeldungsstrukturen) Formulierung realitäts- und alltagsnaher Aufgabenstellungen und Beispiele Aufrechterhaltung der Motivation Förderung des individuellen und selbstgesteuerten Lernens Flankierung des Lernprozesses durch punktuell eingesetzte Team- und Gruppenaufträge Auf diese Vorarbeit aufbauend werden im Folgenden ausgewählte Methoden aus dem CAS-Modul „Energieelektronik“ vorgestellt und kritisch betrachtet. 57 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 8 Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Das Kapitel „Bauelemente der Leistungselektronik“ des Moduls „Energieelektronik“ behandelt die passiven Bauelemente und Halbleiterbauelemente, die in leistungselektronischen Schaltungen zum Einsatz kommen. Ziel des Kapitels ist, den Studierenden die nötigen Grundlagen zu vermitteln, damit im weiteren Verlauf des Moduls das Verständnis für die konkreten Anwendungen vorhanden ist. Aus diesem Grund befasst sich das Kapitel mit passiven Bauelementen (Kapitel 8.3) wie dem Kondensator, der Drossel und dem Transformator und den aktiven Halbleiterbauelementen (Kapitel 8.2) wie der Diode, dem Thyristor und dem Transistor. Die lerntechnische Umsetzung geschieht mittels Online Lectures, Übungsaufgaben, Diskussionen in Foren und weiteren Lernmethoden, auf die näher in Kapitel 9 eingegangen wird. Im Rahmen der Thematik soll, nach einer theoretischphysikalischen Einführung, eine mögliche Methode vorgestellt (Kapitel 8.4) und diskutiert (Kapitel 8.5) werden, die zum einen die Studierenden in ihrem Lernprozess aktiv unterstützt, sowie den Studierenden zu Beginn des Online-Studiengangs eine den Lernstoff strukturierende Methode vorstellt. Um einen Einblick in eine mögliche Lerneinheit zu bekommen und die vorgestellten Elemente einordnen zu können, wird im Folgenden ein beispielhafter Entwurf der Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ präsentiert (Kapitel 8.1). 8.1 Beispielhafter Entwurf einer Lerneinheit Die Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ (Tabelle 12) wird mit einer einführenden Motivation in Form eines Textes begonnen, der auf die Notwendigkeit und Ziele der Lerneinheit eingeht. Daran werden sich die E-Lectures anschließen, die es von den Teilnehmenden zu bearbeiten gilt. Am aktuellen Beispiel entspräche dies den Unterkapiteln „Passive Bauelemente“ und „Halbleiterbauelemente“, auf die näher im Kapitel 8.2 und 8.3 eingegangen wird. Anschließend an die fachliche Wissensvermittlung beginnt der Prozess der Recherche und Vertiefung des Gelernten in Form verschiedener Methoden (Kapitel 9). Wie in Kapitel 7.3 beschrieben, ist die Rückmeldestruktur gerade in einer OnlineLernumgebung von großer Wichtigkeit. Der Abschluss einer jeden Lerneinheit wird des- 58 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ halb mittels eines feedbackbasierten Selbsttests erfolgen. Des Weiteren werden in dieser Phase die durch die betreuenden Verantwortlichen korrigierten Übungsaufgaben an die Lehrenden ausgehändigt. Dadurch erhalten die Studierenden nochmals ein Feedback über die absolvierte Lerneinheit. Tabelle 12: Beispielhafter Ablauf der Lerneinheit "Bauelemente der Leistungselektronik" mit den zugehörigen Icons, die auf der Lernplattform ILIAS ihre Anwendung finden werden 59 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Jede Lerneinheit wird – in Anlehnung an das problemorientierte „Lernen in Zyklen“ [30] – identisch aufgebaut, weshalb die hier geschilderte Darstellung auf weitere Lerneinheiten transferiert werden kann. Die Ziele der Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ lassen sich, wie folgt, zusammenfassen [29]: (1) Baustein „Passive Bauelemente Die Studierenden erläutern den Aufbau, die Funktionsweise und die Einsatzgebiete der passiven Bauelemente. Die Studierenden erfassen die Aufgabe der passiven Bauelemente in der Leistungselektronik. (2) Baustein „Halbleiterbauelemente: Diode und Thyristor“ Die Studierenden beschreiben den Aufbau und die Funktionsweise der Diode und des Thyristors. Die Studierenden erfassen den Thyristor als steuerbares Halbleiterbauelement. Die Studierenden können die Kennlinien der Diode und des Thyristors erläutern. (3) Baustein „Halbleiterbauelemente: Schalter und Transistoren“ Die Studierenden unterscheiden zwischen idealen und realen Schaltern. Die Studierenden erfassen die Anforderungen, die die Leistungselektronik an Schalter stellt und erläutern deren Erfüllung in Halbleiterbauelementen. Die Studierenden können zwischen aktiven und passiven Schaltern unterscheiden; ebenso kann unterschieden werden zwischen einschaltbaren Schaltern und zwischen ein- und ausschaltbaren Schaltern. Die Studierenden erfassen Transistoren als Schalter. Die Studierenden unterscheiden zwischen Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren. Die Studierenden erläutern den Aufbau und die Funktionsweise des Transistors, ebenso die Kennlinie des Transistors. Die Studierenden kennen bestimmte Eigenschaften des MOSFETs und des IGBTs. 60 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 8.2 Halbleiterbauelemente Leistungselektronische Schaltungen zeichnen sich durch elektronische Schalter aus, die mittels Halbleiterbauelemente realisiert werden. Folgende Gründe liegen dem Einsatz von Halbleiterbauelementen als elektronische Schalter zugrunde: Halbleiterbauelemente ermöglichen das hochfrequente Takten von Leistungsquellen und Lasten. Halbleiterbauelemente ermöglichen periodische oder aperiodische EIN/AUSSchaltvorgänge innerhalb eines breiten Frequenzspektrums. Mittels Halbleiterbauelemente kann der Strom- und Spannungsverlauf und der Leistungsfluss in leistungselektronischen Schaltungen geregelt werden. Um die Eigenschaften und Funktionsweisen der jeweiligen Halbleiterbauelemente nachvollziehen zu können, ist den Studierenden – vor einer ausführlichen Konfrontation mit den einzelnen Bauelementen – eine Einführung in die Halbleiter zu vermitteln. 8.2.1 Halbleiter Die elektrische Leitfähigkeit von Elementen bzw. Verbindungen ermöglicht eine Unterteilung in Leiter (beispielsweise Metalle), Halbleiter (Materialien mit Kristallstrukturen) und Nichtleiter/Isolatoren (beispielsweise Porzellan oder verschiedene Kunststoffe) [31]. Metalle weisen am absoluten Temperaturnullpunkt eine ideale Leitfähigkeit auf (Supraleiter) und sind somit fähig den Strom ohne Verluste zu leiten. Mit steigender Temperatur nehmen die Leistungsverluste der Metalle zu. Isolatoren dagegen weisen über den kompletten Temperaturbereich eine vernachlässigbar kleine Leitfähigkeit auf [31]. Halbleiter sind zwischen den Leitern und den Isolatoren einzuordnen, deren elektrischer Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt. Am absoluten Temperaturnullpunkt verhalten sich Halbleiter wie Isolatoren. Mit steigender Temperatur wächst die Leitfähigkeit des Materials an, weshalb Halbleiter folglich auch als Leiter eingesetzt werden können [20]. Des Weiteren werden Halbleiter unterteilt in Elementhalbleiter (beispielsweise Silizium, Germanium, Bor, Selen, Tellur), Verbindungshalbleiter (beispielsweise Galliumnitrid, Siliziumcarbid) [32] und organische Halbleiter. 61 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Für ein umfassendes Verständnis über Halbleiter wird auf das sogenannte Bändermodell zurückgegriffen, das die energetischen Zustände der Elektronen von Atomen innerhalb eines kristallinen Festkörpers beschreibt [31]. Innerhalb des Bändermodells sind zwei Bänder von besonderer Bedeutung: zum einen das Valenzband, zum anderen das Leitungsband. Als Valenzband wird das Band bezeichnet, welches das bei 𝑇 = 0 𝐾 letzte mit Elektronen voll besetzte Band ist. Das Leitungsband ist das dem Valenzband nächsthöher liegende Energieband, in das die Elektronen durch Energiezuführung gelangen können [31]. Innerhalb des Modells wird auf die kernnahen Energieniveaus verzichtet, da diese durch ihre volle Elektronenbesetzung keinen Beitrag zur Leitfähigkeit des Halbleiters leisten. Die für die Elektronen verbotene Bandlücke zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband mit Abstand Δ𝑊 ist für die Gruppierung der Elemente und Verbindungen in die drei Gruppierungen Leiter, Halbleiter, Isolatoren zuständig (Abbildung 18) [31]. Der Betrag Δ𝑊 gibt an, wie viel Energie benötigt wird, damit ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband gelangt. Abbildung 18: Leiter, Halbleiter und Isolatoren im Bändermodell nach [33] Die Bandlücke, die Silizium aufweist beträgt Δ𝑊 = 1,12 𝑒𝑉 [31, p. 16] und für Germanium ist eine Bandlückenbreite Δ𝑊 = 0,72 𝑒𝑉 [31, p. 16] charakteristisch. Für einen Vergleich sei der Wert für Isolatoren angegeben, die eine Bandlücke der Mindestbreite von Δ𝑊 = 3 𝑒𝑉 aufweisen [31, p. 16]. Die Anzahl der Elektronen im Leitungsband bestimmt die Leitfähigkeit eines Festkörpers. Isolatoren weisen eine sehr große Bandlücke auf, die einen Elektronenübergang aus dem Valenz- in das Leitungsband nicht ermöglicht. Folglich 62 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ sind Isolatoren schlechte Leiter. Reine Halbleiter verhalten sich, am absoluten Nullpunkt wie Isolatoren. Übertragen auf das Bändermodell bedeutet dies die nahezu vollständige Besetzung des Valenzbands. Das Leitungsband weist allerdings keinerlei Ladungsträger auf. Durch das Zuführen von Energie können Elektronen das Valenzband verlassen und auf bestimmte Zeit in das Leitungsband übergehen. Dabei fungieren die beweglichen Elektronen im Leitungsband als Transporteure. Die „Fehlstellen“ oder auch Löcher (p), die im Valenzband durch das Fehlen der Elektronen entstehen, werden im Valenzband von Atom zu Atom „geschoben“ [31]. Löcher beschreibt Zastrow als „fiktive Teilchen, die gleichartige Eigenschaften besitzen wie Elektronen, jedoch positive Elementarladungen tragen.“ [34, p. 22]. Durch Dotieren kann die elektrische Eigenschaft von Halbleitern beeinflusst werden. Dabei werden gezielt Fremdatome in die Kristallstruktur eingebracht, mit Hilfe derer die Bandlücke überwunden werden kann. Anhand des konkreten Beispiels Silizium soll im Folgenden die Dotierung exemplarisch dargestellt werden. Abbildung 19: links: Grundstruktur von Silizium, Mitte: n-Dotierung von Silizium, rechts: p-Dotierung von Silizium [35] Silizium hat vier Valenzelektronen (Abbildung 19, Bild links), d.h. vier Elektronen befinden sich im Valenzband. Für die Dotierung werden Elemente eingesetzt, die nicht mehr oder weniger Valenzelektronen aufweisen. Das Halbleiterelement Silizium ist vierwertig (vierte Hauptgruppe im Periodensystem), weshalb sich für die Dotierungen Elemente aus der dritten oder fünften Hauptgruppe eigenen. Mögliche dreiwertige Elemente (Akzeptoren) sind Bor, Aluminium, Gallium, Indium und mögliche fünfwertige Elemente (Donatoren, Elektronenspender) sind Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon [31]. In Abbildung 19 (Bild Mit- 63 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ te) wird durch jedes Fremdatom Arsen (Donator) ein freies Elektron (n) eingebracht, das nicht in der Gitterstruktur gebunden werden kann [34]. Das freie Elektron wird mittels geringen energetischen Aufwands von seinem Atom gelöst und beteiligt sich an der Elektronenleitung. Mit einer Energiezufuhr der Größe 0,01 𝑒𝑉 bis 0,1 𝑒𝑉 [31, p. 19] können die Elektronen in das Leitungsband befördert werden [31]. Durch Anlegen einer äußeren Spannung, wird das sogenannte n-dotierte Silizium einem elektrischen Feld ausgesetzt, wodurch ein sich gegen die Feldrichtung bewegender Strom, bestehend aus den freien Elektronen im Leitungsband, ausbildet [34]. In Abbildung 19 (Bild rechts) werden durch das Einbringen des dreiwertigen Galliums Elektronenfehlstellen in Form von Löchern verursacht, die Elektronen aufnehmen können (Akzeptoren). Durch das „Aufrücken“ des Nachbarelektrons verbleibt dort ein Loch, das wiederum durch das benachbarte Elektron aufgefüllt wird. Die Fehlstelle „wandert“ im Valenzband von Atom zu Atom. Der energetische Aufwand, die Elektronen in die benachbarten Löcher zu befördern, ist relativ gering [31]. Durch Anlegen einer Spannung am p-dotierten Silizium, wird demnach ein Strom an Löchern verursacht, der sich in Feldrichtung bewegt [34]. 8.2.2 Halbleiterdiode Eine Diode bildet das Grundbauelement in der Halbleitertechnik und wird durch einen pnÜbergang (eine p-dotierte Schicht grenzt an eine n-dotierte Schicht) realisiert. Die pdotierte Schicht der Diode ist der Anodenanschluss; die n-dotierte Schicht der Diode ist der Kathodenanschluss (Abbildung 20). Abbildung 20: Schaltbild der Diode [36] Die Diode leitet den Strom lediglich in eine Richtung, wobei die Flussrichtung abhängig von der angelegten Spannung ist. Wird die Diode in Durchlassrichtung (𝑈𝐷 > 0 𝑉) betrie- 64 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ ben, kann ein Strom durch die Diode fließen. Die von außen angelegte Spannung ist dabei so anzulegen, dass an der p-Schicht der Pluspol und an der n-Schicht der Minuspol anliegt [34]. Für negative Spannungen (𝑈𝐷 < 0 𝑉) sperrt die Diode den Stromfluss und verhält sich somit wie ein Isolator. Für diesen Betriebsmodus muss an der Kathode der Pluspol und an der Anode der Minuspol anliegen [34]. Die Diode wird in Sperrrichtung betrieben. Wie sich die Diode bei Gleichspannung in Durchlass- und Sperrrichtung verhält, ist in Abbildung 21 dargestellt. Abbildung 21: links: Betrieb der Diode in Durchlassrichtung, rechts: Betrieb der Diode in Sperrrichtung nach [37] Der Bereich der Anwendungsgebiete der Diode ist groß. Ein Schwerpunkt liegt zum einen auf dem Bereich der Spannungsstabilisierung (Zener-Dioden) und zum anderen auf dem Bereich der Gleichrichtung von Wechselstrom in Gleichstrom [31]. 8.2.2.1 Funktionsweise der Diode Für ein genaueres Verständnis der physikalischen Eigenschaften einer Diode, wird im Folgenden die Funktionsweise des Halbleiterbauelements analysiert. Im Kapitel 8.2.1 wurden n-dotierte und p-dotierte Halbleiter vorgestellt, durch deren Kombination sich der Aufbau der Diode ergibt. An dem pn-Übergang bildet sich aufgrund von Diffusion der Löcher und Elektronen eine Raumladungszone aus, in der keine freien Ladungen mehr vorhanden sind [34]. 65 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Abbildung 22: oben: Diffusionsvorgang am pn-Übergang; unten: Ausbildung der Raumladungszone [38] Freie Elektronen „wandern“ aufgrund thermischer Bewegungen und wegen des Konzentrationsgefälles aus der n-Schicht in Löcher der p-Schicht und hinterlassen somit Löcher in der n-Schicht (Abbildung 22, Bild oben). Allerdings geschieht dieser Vorgang lediglich in unmittelbarer Nähe der Grenzschicht [31]. Die Gebiete um die Grenzschicht sind auf Grund der abgewanderten freien Ladungsträger entweder positiv geladen (n-dotiert) oder negativ geladen (p-dotiert). Durch eine große Rekombinationsrate der Ladungsträger nimmt die Breite der Raumladungszone und folglich die Spannungsdifferenz zwischen dem n-dotierten und dem p-dotierten Gebiet zu. Ab einer bestimmten Höhe des Potentialgefälles stoppt der Vorgang der Rekombination (Abbildung 22, Bild unten), da sich ein elektrisches Feld aufgebaut hat, welches der Rekombination entgegenwirkt. Das elektrische Feld erzeugt eine Gegenspannung (Diffusionsspannung), die beispielsweise für Silizium bei Raumtemperatur bei 0,7 𝑉 liegt [20, p. 8]. 66 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Abbildung 23: oben: Ausbildung eines sperrenden pn-Übergangs; unten: Ausbildung eines leitenden pnÜbergangs [39] Beim Anlegen einer äußeren Spannung verändert sich nun die Breite der Raumladungszone, je nachdem welches Vorzeichen die angelegte Spannung aufweist. Das Sperrverhalten der Diode äußert sich dann, wenn an dem pn-Übergang ein äußeres elektrisches Feld angelegt wird, sodass sich die freien Ladungsträger von der Raumladungszone entfernen. Durch ihre Fortbewegung aus der Raumladungszone wird diese verbreitert (Abbildung 23, Bild oben) [31]. Um eine Diode in Durchlassrichtung zu betreiben, wird das äußere elektrische Feld so angelegt, dass sich die freien Ladungsträger zur Raumladungszone hinbewegen. Bei einer ausreichend großen Spannung kommt ein Stromfluss durch die schmaler werdende Raumladungszone zustande, was einen leitenden pn-Übergang zur Folge hat (Abbildung 23, Bild unten) [31]. 67 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 8.2.2.2 Diode im Wechselstromkreis Die Funktion einer Diode wird durch das Anlegen einer Wechselspannung 𝑈𝑒 ersichtlich. Lediglich die Spannungsbögen in Durchlassrichtung können die Diode passieren, d.h. für die positiven Spannungsbögen stellt die Diode einen Leiter dar. Für die negativen Spannungsbögen hingegen stellt die Diode einen Isolator dar (Abbildung 24). Abbildung 24: Verhalten einer Diode im Wechselstromkreis nach [40] Eine Diode im Wechselstromkreis bewirkt somit einen pulsierenden Gleichstrom. Viele Anwendungen benötigen einen konstanten Gleichstrom, weshalb der pulsierende Gleichstrom zu glätten ist. Die Bauelemente mit deren Hilfe dies möglich ist, werden im Kapitel 8.3 näher ausgeführt. Durch folgende Anordnung von vier Dioden kann eine geringere Welligkeit des gleichgerichteten Wechselstroms realisiert werden (Abbildung 25). Abbildung 25: Brückengleichrichter nach [41] Je nach anliegender Spannung sperren oder leiten die Dioden in unterschiedlicher Kombination. Um dies anschaulich nachvollziehen zu können, kann die obige Schaltung, wie folgt, analog dargestellt werden (Abbildung 26). 68 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Abbildung 26: Analoge Darstellung des Brückengleichrichters [41] Für die positive Spannungshalbwelle leiten die Dioden 𝐷3 und 𝐷2. Während der negativen Spannungshalbwelle leiten die Dioden 𝐷1 und 𝐷4. Die Folge ist eine glattere Ausgangsspannung, als dies eine Diode ausschließlich im Schaltkreis zu verrichten mag [42]. Einerseits ergibt sich daraus ein geringerer Aufwand für die Glättung des Stroms und zum anderen ein höherer Wirkungsgrad, da die Energie sowohl aus der positiven als auch aus der negativen Halbwelle genutzt werden kann. 8.2.2.3 Zener-Diode Wird eine Diode durch Anlegen einer Sperrspannung im Sperrrichtungsmodus betrieben, fließt ein geringer Sperrstrom. Bei Übersteigen einer bestimmten Sperrspannung, der sogenannten Durchbruchspannung, steigt der Sperrstrom rasant an, da die an sich in der Gitterstruktur stabil positionierten Elektronen innerhalb kurzer Zeit herausgelöst werden, was einen Anstieg des Sperrstroms zur Folge hat [31] (Durchbrucheffekt). Bei einer nicht für hohe Sperrströme ausgelegten Diode führt dies zur Zerstörung [34]. Eine Zener-Diode, die sich das Prinzip des Sperrstroms zunutze macht, arbeitet im Durchlassbetrieb wie eine herkömmliche Diode, weist allerdings Vorteile bei der Nutzung im Sperrbetrieb auf. Liegt eine bestimmte Sperrspannung an, tritt der Zener-Effekt auf, der bei Erreichen der Durchbruchspannung einen hohen Sperrstrom auslöst. Bei zunehmender Sperrspannung tritt der sogenannte Lawinen-Effekt (Avalanche-Effekt) auf. Dabei verursacht die steigende Sperrspannung eine höhere Beweglichkeit der freien Elektronen, die durch die somit hohe aufgenommene Energie durch Stöße weitere Elektronen aus der Git- 69 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ terstruktur lösen [31]. Die Zener-Diode findet Einsatz in der Spannungsstabilisierung elektronischer Schaltungen, da die Zener-Spannung unabhängig vom Zener-Strom ist und für die Erzeugung konstanter Spannungen eingesetzt werden kann [31]. 8.2.2.4 Reale Diode Ideale Dioden leiten für 𝑈𝐷 > 0 𝑉 (mit 𝑅𝐷 = 0 Ω) und sperren bei einem angelegten Strom von 𝑈𝐷 < 0 𝑉 (mit 𝑅𝐷 = ∞), sodass das Verhalten einer idealen Diode als im Allgemeinen unidirektional leitend zusammengefasst werden kann. Allerdings weist eine reale Diode Verluste und Nebeneffekte auf, die im Folgenden kurz behandelt werden. Die reale Diode (Abbildung 27) wird durch eine Erweiterung der idealen Diode mit einer Spannung 𝑈𝐹0 und einem Widerstand 𝑅𝐷 beschrieben. Abbildung 27: Darstellung der realen Diode nach [20] Bei Betrieb der realen Diode im Sperrbetrieb sperrt die Diode nicht wie im idealen Fall, sondern es fließt ein geringer Sperrstrom durch die Diode. Für den Betrieb in Sperrrichtung gilt bis zu einer gewissen Durchbruchspannung 𝐼𝐷 ≈ 0 𝐴. Der vernachlässigbare Sperrstrom steigt bei Überschreiten der Durchbruchspannung schlagartig an. Die Durchbruchspannung ist somit die maximale Spannung, mit der die Diode im Sperrbetrieb belastet werden darf. Wird der Wert für längere Zeit überschritten, führt dies zur Zerstörung der Diode. Für positive Spannungen sind reale Dioden leitend, da die Raumladungszone schmaler wird und ein Stromfluss möglich ist (vgl. Abbildung 23). In Durchlassrichtung (𝐼𝐷 > 0 𝐴) gilt: 𝑈𝐹 = 𝑈𝐹0 + 𝑅𝐷 ⋅ 𝐼𝐷 70 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ wobei 𝑈𝐹0 , 𝑅𝐷 temperaturabhängige Größen sind. Dabei ergibt sich die Durchlassspannung 𝑈𝐹 aus dem Verhalten einer idealen Diode und dem ohmschen Spannungsabfall am Widerstand 𝑅𝐷 [20]. Die Verlustleistung 𝑃𝑉 , die sich in Abhängigkeit der Temperatur ergibt, wird bei realen Dioden durch den Mittelwert der momentanen Leistung 𝑝(𝑡) berechnet: 1 𝑇 𝑃𝑉 = 𝑇 ⋅ ∫0 𝑈𝐹 ⋅ 𝐼𝐷 𝑑𝑡 = 𝑈𝐹0 𝑇 𝑇 ⋅ ∫0 𝐼𝐷 𝑑𝑡 + 𝑅𝐷 𝑇 𝑇 2 ⋅ ∫0 𝐼𝐷2 𝑑𝑡 = 𝑈 ⋅ 𝐼𝐷𝐴𝑉 + 𝑅𝐹 ⋅ 𝐼𝐷𝑅𝑀𝑆 mit 𝐼𝐷𝐴𝑉 (AV: average): arithmetischer Mittelwert von 𝐼𝐷 , 𝐼𝐷𝑅𝑀𝑆 (RMS: root mean square): Effektivwert des Stromes 𝐼𝐷 𝑇: Periodendauer 𝑈𝐹 : Durchlassspannung der realen Diode 𝑅𝐷 : differenzieller Widerstand 𝑈𝐹0 : Schwellenspannung [20]. 8.2.2.5 Kennlinie einer Diode Über die Strom-Spannungs-Kennlinie lässt sich das statische Verhalten einer realen Diode beschreiben. In Abbildung 28 sind die Kennlinien von Dioden aus dem Halbleitermaterial Germanium und Silizium aufgeführt. Am Verlauf der Kennlinie ist zu erkennen, dass Germaniumdioden im Vergleich zu Siliziumdioden kleinere Durchlassspannungen aufweisen, die einer weniger abrupten Änderung unterliegen. 71 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Abbildung 28: reale Kennlinie der Diode [36] 8.2.2.6 Schottky-Diode Eine neben der Zener-Diode häufig eingesetzte Diode ist die sogenannte Schottky-Diode, die anstatt eines pn-Übergangs einen Metall-Halbleiterübergang aufweist (Abbildung 29). Abbildung 29: Aufbau einer Schottky-Diode nach [43] Auch hier bildet sich ohne Anlegen einer äußeren Spannung eine Raumladungszone im Halbleitergebiet aus, da die freien Ladungsträger aus dem Halbleiter in das Metall diffundieren. Durch die Diffusion baut sich im Halbleiter eine positive Raumladung auf, die eine Ausbildung einer Diffusionsspannung zur Folge hat. Im Metall kann sich allerdings keine Raumladung ausbilden. Bei Betrieb der Schottky-Diode in Durchlassrichtung wird an die Metallseite eine positive Spannung angelegt. Die Schottky-Diode hat eine wesentlich kleinere Durchlassspannung als Siliziumdioden [31] und verhält sich bei Betrieb in Sperrrichtung wie herkömmliche Dioden. Es fließt ein minimaler, temperaturabhängiger Sperrstrom und die Raumladungszone hat sich aufgrund der Elektronenbewegung stark verbreitert. Im Gegensatz zu pn-Dioden weisen Schottky-Dioden allerdings ein sehr gutes Schaltverhalten 72 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ auf, d.h. eine schnelle Anpassung bei Änderung der von außen angelegten Spannung. Beim Wechsel vom leitenden in den sperrenden Zustand entstehen folglich weniger Verluste. Eine Erklärung hierfür ist das Fehlen der Löcher im Metall. Aufgrund der geringen Schaltverluste finden diese Art von Dioden in der Hochfrequenztechnik und als Leistungsschaltdioden in Schaltnetzteilen ihre Anwendung [31]. 8.2.3 Thyristor Ein Thyristor ist eine Kombination aus drei pn-Übergängen und drei Anschlüssen. Neben den Anschlüssen der Anode A und der Kathode K, die auch die Dioden aufweisen, besitzt ein Thyristor noch einen zusätzlichen Anschluss zur Steuerung, das Gate G (Abbildung 30) [34]. Der Thyristor kann also als eine Diode mit Steueranschluss betrachtet werden [22]. Abbildung 30: Aufbau eines Thyristors [44] Über den Anschluss G kann der Thyristor gesteuert werden (bzw. mittels eines Stromimpulses an G, dem sogenannten Zündimpuls), wodurch der Thyristor leitend wird. Nach dem Zündvorgang des Thyristors, behält dieser den Modus „leitend“ ohne weitere Zündung so lange bei, bis der Stromfluss durch ihn unterbrochen wird bzw. die Spannung über ihm zu Null wird. Bei Betrachtung eines Thyristors im Gleichstromkreis ist dieser nach einem einmaligen Zündvorgang dauerhaft leitend. Bei dem Einsatz eines Thyristors in einem Wechselstromkreis hingegen wird dieser durch den Spannungsnulldurchgang ausgeschaltet [45]. 73 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 8.2.3.1 Kennlinienverlauf des Thyristors Die genaue Funktionsweise des Thyristors soll anhand des Kennlinienverlaufs erklärt werden (Abbildung 31). Abbildung 31: reale Kennlinie einer Thyristordiode [46] Der grobe Verlauf der realen Kennlinie des Thyristors lässt sich in drei Bereiche unterteilen: sperren, blockieren, leiten [22]. Wird der Thyristor bei negativer Spannung 𝑈 < 0 𝑉 betrieben, verhält sich der Thyristor wie eine Diode und sperrt den Stromfluss bis zum Erreichen der Durchbruchspannung, durch die der Thyristor zerstört wird [22]. Der Thyristor kann auch – im Gegensatz zur Diode – Spannungen sperren bzw. blockieren, die in Flussrichtung gepolt sind. Tritt dieser Zustand auf, kann auch bei positiver angelegter Spannung lediglich ein vernachlässigbar kleiner Sperrstrom fließen [22]. Der dritte Modus des Thyristors, das Leiten, wird durch die Zündung initiiert. Dabei wird unter einer kontrollierten und einer unkontrollierten Zündung unterschieden. Überschreitet der Thyristorstrom einen Mindeststrom, wird der Thyristor „dauerleitend“. Für den Erhalt des Stromflusses durch den Thyristor ist kein weiteres Zünden durch den Steueranschluss mehr nötig. Der weitere Verlauf der Kennlinie entspricht dem leitenden Kennlinienast der Diode und gleicht in diesem Betriebsmodus deren Verhalten [22]. Das kontrollierte Zünden versetzt den Thyristor mittels eines gezielt gesetzten, positiven Zündimpulses am Steueranschluss in den leitenden Zustand [22]. Der positive Stromimpuls, der so lange aufrechterhalten werden muss, bis der Einraststrom 𝐼𝐿 (L=Latch) erreicht wird, führt zu einem Stromfluss von Anode zur Kathode. Durch den Stromimpuls werden Ladungsträger in die 74 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ mittlere Sperrschicht des Thyristors eingebracht. Dadurch können die freie Elektronen in die Löcher diffundieren, was zu einer Auflösung der Raumladungszone führt [34]. Das Abschalten und Sperren eines Thyristors geschieht durch das Unterschreiten des sogenannten Haltestroms 𝐼𝐻 . Ein kontrolliertes Ausschalten des Halbleiterbauelements ist also nicht möglich. Somit eignet sich der Thyristor nicht für Schaltungen, in denen ein Abschalten des Thyristors zu einer bestimmten Zeit gefordert ist. In Wechselspannungskreisen mit fester Frequenz ist ein Einsatz allerdings sinnvoll [22]. Häufig eingesetzte Thyristoren sind beispielsweise der asymmetrisch sperrende Thyristor (ASCR), der rückwärts leitende Thyristor (RLT), Abschaltthyristoren (GTO), der Triac, Vierschichtdioden und Diacs [20], auf die im Rahmen dieser Arbeit nicht näher eingegangen werden kann. 8.2.3.2 Einsatz von Thyristoren in HGÜs Die Technologie der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) wird innerhalb des CAS-Moduls im Kapitel „Anwendungen der Leistungselektronik bzw. Betriebsmittel aus der Leistungselektronik“ näher behandelt, soll jedoch an dieser Stelle kurz erwähnt werden, da Thyristoren in klassischen HGÜs ihren Einsatz finden [47]. In der Gleichrichtung des Stroms hat der Thyristor bzw. die Serienschaltung vieler Thyristoren (Thyristorventil) eine elementare Rolle [48]. Ab einer Entfernung von 1000 km (bei Zweipunktverbindungen) wird die elektrische Energie mittels „Gleichstrom-Freileitungen“ transportiert. Grund hierfür sind nach Schwab die geringen Transportkosten und die fehlenden Stabilitätsprobleme, wie sie bei vergleichbaren Wechselstromleitungen auftreten. Klassische HGÜ-Strecken arbeiten mit dem Thyristor als Schalter [47]. Die Thyristorventile sind dafür zuständig, den ankommenden Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln [49], damit dieser anschließend verlustarm über große Entfernungen transportiert werden kann. Wie im Kapitel 8.2.3.1 beschrieben, kann ein Thyristor lediglich über den Gateanschluss gesteuert eingeschaltet, nicht aber gesteuert ausgeschaltet werden. Das Stromnetz arbeitet mit einer Frequenz von 𝑓 = 50 𝐻𝑧, was dazu führt, dass durch den Nulldurchgang der Netzspannung der Thyristor ausgeschaltet wird. Somit muss für eine Gleichrichtung des dreiphasigen Wechselstroms eine phasenversetzte Ausschaltung durch das Stromnetz 75 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ vorgenommen werden [49], sodass der Gleichstrom aus den „Amplituden gleicher Polarität zyklisch von einer Phase zur nächsten herausgeschnitten und auf den Gleichstromkreis geschalten [werden].“ wird [48, p. 401]. Nachteilig hierbei ist, dass lediglich die Wirkleistung übertragen wird [47]. Selbstgeführte HGÜs setzen ein- und ausschaltbare Halbleiterelemente ein, wie beispielsweise IGBTs (Kapitel 8.2.4.2.2) oder GTO-Thyristoren, die es ermöglichen, die Wirk- und Blindleistung unabhängig voneinander zu regeln [47]. 8.2.4 Transistor Das wichtigste Halbleiterbauelement, das in leistungselektronischen Schaltungen Einsatz findet, ist der Transistor. In der Praxis werden zwei unterschiedliche Bauformen realisiert, der Bipolartransistor und der Feldeffekttransistor. 8.2.4.1 Feldeffekttransistor Feldeffekttransistoren (FET) besitzen drei Anschlüsse Gate (G), Drain (D) und Source (S) (Abbildung 32). FETs sind spannungsgesteuert, d.h. sie werden über die Gate-SourceSpannung angesteuert [45]. Abbildung 32: Schaltbilder zu Feldeffekttransistoren [50] FETs zeichnen sich mit der Eigenschaft aus, dass mit zunehmender Frequenz die auftretenden Kapazitäten im FET nicht unberücksichtigt und ohne Auswirkung bleiben [45]. Der Eingangswiderstand ist groß, aber unabhängig von der angelegten Steuerspannung [31]. FETs können wiederum nach verschieden Bauarten eingruppiert werden. Es lassen sich zwei große Untergruppen bilden, die sich durch verschiedene Herstellungsverfahren unterscheiden und zu differenzierten Aufbauten und Funktionsweisen führen. Eine der beiden 76 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Untergruppen bilden die FETs mit nicht isoliertem Gate, die sogenannten SperrschichtFETs. Die zweite Untergruppe bilden die FETs mit isoliertem Gate, die sogenannten Isolierschicht-FETs (Abbildung 33) [31]. Abbildung 33: Untergliederung der Feldeffekttransistoren nach [31] Die Anschlüsse S und D werden mittels eines halbleitenden, hochohmigen Bereichs (Kanal) verbunden, dessen Leitfähigkeit über das elektrische Feld geregelt werden kann [31]. Der Stromfluss zwischen dem Anschluss S und D kann somit über das Regeln der Ansteuerspannung 𝑈𝐺𝑆 (Gate-Source-Spannung) beeinflusst werden. Der Kanal (n- oder pdotiert) wird im Zuge dessen entweder breiter oder schmäler – es bildet sich demnach entweder eine Anreicherungs- oder eine Verarmungszone aus. 77 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 8.2.4.1.1 Sperrschicht-FET Sperrschicht-Feldeffekttransistoren zeichnen sich durch Vorhandensein des eben beschriebenen Kanals zwischen den Anschlüssen S und D aus (Abbildung 34). Dieser wird von dem das Gate umschließende, aber dem Kanal entgegengesetzt dotierte Halbleitermaterial [31] eingeschlossen. Abbildung 34: Aufbau eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors [51] Wird ein Sperrschicht-FET im Betriebsmodus geschaltet, befindet sich die Steuerspannung zwischen den Anschlüssen G und S. Im Betriebsfall dehnt sich die Sperrschicht (Raumladungszone) in den Kanal hinein aus, wobei folglich mit größer werdender Gate-Spannung der Kanal an Breite abnimmt, bis hin zur vollständigen Abschnürung. Zusammenfassend ergibt sich, dass mit zunehmender Gate-Spannung der Kanalwiderstand zunimmt. Bei Betrieb des Sperrschicht-FETs in umgepolter Spannungsrichtung nimmt die Sperrschicht mit steigender Gate-Source-Spannung immer mehr ab. Obwohl es möglich ist, bei bestimmten Grenzdaten den Sperrschicht-FET mit dieser Spannungspolung zu betreiben, wird dies in der Realität vermieden. Eine weitere Unterscheidung der Sperrschicht-FETs wird durch die Differenzierung zwischen n- und p-Kanaltypen vorgenommen (Abbildung 33) [31]. 78 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 8.2.4.1.2 Isolier-Schicht-FET Isolierschicht-FETs besitzen keine Sperrschicht, sondern eine Isolierschicht, die je nach Bauteil aus einem unterschiedlichen Material gefertigt wird. Analog zum Sperrschicht-FET verläuft ein Kanal zwischen den Anschlüssen D und S, der allerdings vom Gate her mit der charakteristischen Isolierschicht ummantelt wird (Abbildung 35). Als Substrat/Bulk B wird der Grundkörper der Isolierschicht-FETs bezeichnet [31]. Abbildung 35: Aufbau eines Isolierschicht-FET [52] Der Anschluss G und das Substrat B können als Platten eines Kondensators gesehen werden, zwischen denen sich ein elektrisches Feld aufbaut, das durch unterschiedliche Spannungen an G und B kontrolliert wird und die Ladungsträgerkonzentration4 im Kanal verändert. Die Konzentration der Ladungsträger hat Auswirkungen darauf, ob die Steuerspannung benötigt wird oder nicht, um den Kanal in den leitenden Zustand zu versetzen. Daraus ergibt sich eine weitere Unterscheidung der Isolierschicht-FETs in Verarmungstypen und Anreicherungstypen (Abbildung 33) [31]. Ladungsträger entstehen durch die Influenz im elektrischen Feld. Zwischen der Isolierschicht und dem halbleitenden Material entstehen bei der Herstellung der Isolierschicht Ladungsträger [31]. 4 79 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 8.2.4.1.3 MOSFET Das Halbleiterbauelement MOSFET ist ein Isolierschicht-FET, dessen Namensgebung durch die Art der Isolierschicht bestimmt wird: Metall-Oxid-Semiconductor (MOS). Die am häufigsten verwendeten Isolierschichten sind Silizium-Dioxid (SiO2) oder SiliziumNitrid (Si3N4). Des Weiteren besteht das Gate aus einer aufgedampften Metallschicht, beispielsweise Aluminium [31]. Der MOSFET ist der wichtigste Leistungsschalter im unteren Leistungsbereich, da es gelang, den Durchlasswiderstand 𝑅𝑜𝑛 durch sogenannte TO-Gehäuse erheblich zu senken [53]. Abbildung 36: Aufbau eines MOSFET [54] Über die Anschlüsse G und B kann im MOSFET ein elektrisches Feld aufgebaut und geregelt werden (Abbildung 36). Zwischen den Anschlüssen befindet sich ein p-dotierter Bereich, in dem durch Anlegen einer äußeren Spannung Influenzladungen gebildet werden und das Substrat somit eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die zwei n+-dotierten5, im Substrat angebrachten Anschlüsse S und D sind für den gesteuerten Stromfluss zuständig. Das Gate wird durch eine Metalloxidschicht vom Substrat isoliert. Liegt keine äußere Durch n+, p+ werden stark dotierte Schichten gekennzeichnet, durch n,p „normal“ dotierte Schichten und wenig stark dotierte Schichten werden durch n-, p- gekennzeichnet. 5 80 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Spannung an den Anschlüssen G und B an, so können sich an den pn-Übergängen keine Raumladungszonen ausbilden [20]. Abbildung 37: Schaltbild eines n-Kanal MOSFETs mit Inversdiode [55] Aufbaubedingt enthalten alle MOSFETs die sogenannte Inversdiode oder Body-Diode, die in leistungselektronischen Schaltungen störend ist [56], da der Transistor entgegen seiner Schaltrichtung durch sie überbrückt wird (Abbildung 37). Für das Schalten induktiver Lasten ist diese allerdings von Vorteil [22]. Abbildung 38: Strukturbilder zu den unterschiedlichen Kennlinien-Bereichen des MOSFET [57] Liegt an den Anschlüssen D und S eine positive Drain-Source-Spannung 𝑈𝐷𝑆 > 0 𝑉 an, so ist der rechte pn-Übergang (Abbildung 38, Bild links oben) in Sperrrichtung geschaltet, der linke pn-Übergang ist leitend. Somit ist der MOSFET für diesen angelegten Spannungsbe- 81 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ reich selbstsperrend, d.h. das Halbleiterbauelement sperrt ohne eine von außen angelegte Spannung [20], [22]. Abbildung 39: Kennlinie des MOSFET [58] Das zusätzliche Anlegen einer Gate-Source-Steuerspannung 𝑈𝐺𝑆 mit 𝑈𝐺𝑆 > 𝑈𝐺𝑆(𝑡ℎ) 6 führt dazu, dass sich zwischen den Anschlüssen D und S ein leitfähiger Elektronenkanal ausbildet (Abbildung 38, Bild rechts oben) und folglich ein Elektronenstrom von D zu S zustande kommt [20], der MOSFET schaltet sich also ein [22]. In diesem Bereich der Spannung verhält sich der MOSFET wie ein Ohm‘scher Widerstand, weshalb dieser Bereich der Kennlinie des MOSFETs auch als der Ohm‘sche oder lineare Bereich bezeichnet wird (Abbildung 39). In diesem Spannungsbereich wird der Kanalquerschnitt mit der Steigerung von 𝑈𝐺𝑆 vergrößert, der Widerstand 𝑅𝐷𝑆,𝑜𝑛 7 sinkt und die Steigung der Kennlinie ist abhängig von 𝑈𝐺𝑆 . Der lineare Bereich der Kennlinie ist der Arbeitsbereich des MOSFETs. Übersteigt die Drain-Source-Spannung die Gate-Source-Spannung (𝑈𝐷𝑆 > 𝑈𝐺𝑆 ), sperrt der 6 Schwellenspannung 𝑈𝐺𝑆(𝑡ℎ) (Threshhold) [21] 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛) bezeichnet den Widerstand des Kanals bei Zimmertemperatur von 25°C. Bei steigenden Temperaturen kann er das Doppelte seines Wertes annehmen. p-Kanal-Typen weisen im Gegensatz zu n-Kanal-Typen stets einen höheren Widerstand auf, weshalb bei höherer elektrischer Leistung der n-Kanal-Typ seinen Einsatz findet [21]. 7 82 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ rechtsseitige pn-Übergang, da sich eine Raumladungszone ausbildet. Ab einem bestimmten Spannungswert 𝑈𝐷𝑆,𝑠𝑎𝑡 wird der Kanal durch die sich ausbreitende Raumladungszone abgeschnürt (Abbildung 38, Bild links unten). Die Abschnürung breitet sich immer weiter aus und die Kennlinie des MOSFETs geht weiter über in den Sättigungsbereich (Abbildung 38, Bild rechts unten). Die Spannungsänderung hat lediglich Auswirkungen auf die Raumladungszone. Bis zum Durchbruch der Raumladungszone verbleibt der MOSFET in dem Sättigungsbereich, was einen annähernd konstanten Drainstrom impliziert [20]. Für kleine Spannungen und Ströme eignet sich ein n-Kanal-MOSFET, der durch eine Parallelschaltung mehrerer MOSFETs einem höheren Spannungsbereich zugänglich gemacht werden kann. Die auftretenden Nachteile in Form von Verlustleistung in den oberen stromführenden Schichten und die komplizierte Verbindung der MOSFETs untereinander können durch eine „vertikale Anordnung der stromführenden Bereiche“ [20, p. 52] kompensiert werden. Beispielsweise lässt sich durch die neue Strukturierung der Schichten eine gleichmäßige Verteilung der Verlustleistung erzielen. Ebenso kann die im Element entstehende Wärme durch das Substrat und den Drainkontakt abgeleitet werden [20]. 8.2.4.2 Bipolartransistor Bipolartransistoren wurden anfänglich bei der Entwicklung abschaltbarer Bauelemente im unteren und mittleren Leistungsbereich eingesetzt, sind im Laufe der Zeit aber durch MOSFETs und IGBTs (Kapitel 8.2.4.2.2) in den Hintergrund gedrängt worden [22] und zeichnen sich zum einen durch ein hohes Sperr- und Schaltvermögen aus und zum anderen durch kleine Durchlassverluste. Der Bipolartransistor ist stromgesteuert [20]. 83 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Abbildung 40: links: Schichtaufbau, Mitte: Diodenanalogie; rechts: Schaltzeichen des Bipolartransistors [59] Drei unterschiedlich dotierten Halbleiterschichten machen den Aufbau des Bipolartransistors aus (Abbildung 40). Aus der unterschiedlichen Anordnung der dotierten Halbleiterschichten ergibt sich die jeweilige Namensgebung: npn-Transistor oder pnp-Transistor [31]. Die Diodenanalogie (Abbildung 40), mit der der Transistor vereinfacht dargestellt werden kann, erlaubt ein intuitiveres Verständnis des Bipolartransistors. Eine Realisierung des Transistors als Kopplung zweier Dioden ist nicht möglich [45]. Der Bipolartransistor weist, ähnlich dem Thyristor, drei Anschlüsse auf: den Kollektoranschluss (C), den Basisanschluss (B) und den Emitteranschluss (E) (Abbildung 40). 84 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 8.2.4.2.1 Funktionsweise und Kennlinienverlauf des Bipolartransistors Die Funktion des Bipolartransistors wird anhand des npn-Transistors und dem Kennlinienverlauf (Abbildung 41) erklärt. Abbildung 41: Kennlinie des Bipolartransistors [60] Bei einer positiven Kollektor-Emitter-Spannung 𝑈𝐶𝐸 > 0 𝑉 und der offenen Basis (es liegt kein Basisstrom 𝐼𝐵 an) baut sich eine Raumladungszone auf. Bei Überschreiten der höchstzulässigen Kollektor-Emitter-Spannung bei offener Basis 𝑈𝐶𝐸 > 𝑈𝐶𝐸0 kommt es zum Durchbruch der Sperrschicht [20]. Im Sättigungsbetrieb (𝑈𝐶𝐸 < 𝑈𝐵𝐸 ) ist keine Raumladungszone vorhanden – der Kollektor-Basis-Übergang leitet den Strom und der Transistor ist gesättigt. Folglich kann die Spannung an Kollektor und Emitter nie die Spannung an Basis und Emitter übersteigen, weshalb die Kennlinie bei der Spannung 𝑈𝐵𝐸 = 0 𝑉 einer Diodenkennlinie gleicht [20]. 85 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Abbildung 42: Funktionsweise des npn-Transistors im aktiven Betrieb [61] Wird neben der Kollektor-Emitter-Spannung 𝑈𝐶𝐸 > 𝑈𝐵𝐸 an die Basisschicht ein Basisstrom 𝐼𝐵 angelegt, ergibt sich eine Bewegung der Elektronen aus der Emitterschicht in die Basisschicht (Abbildung 42). Die an der Raumladungszone liegenden Elektronen werden vom Kollektor aus der Basisschicht angezogen und tragen zum Sperrstrom, dem Kollektorstrom 𝐼𝐶 , bei [20]. Der Stromfluss 𝐼𝐶 ist höher als die im Basis-Emitter-Kreis vorherrschende Stromstärke [31]. Je kleiner die Basisschicht und je geringer der Dotierungsgrad der Schicht ist, desto weniger Löcher können mit den Elektronen rekombinieren und ein Großteil an Elektronen erreicht den Kollektoranschluss [31]. Über den Basisstrom lässt sich der Kollektorstrom regeln: 𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐶 Mit dem Quotienten 𝛼, der das Verhältnis zwischen 𝐼𝐶 und 𝐼𝐸 beschreibt, ergibt sich: 𝛼= 𝐼𝐶 𝐼𝐸 ⇒ 𝐼𝐶 = 𝛼 ⋅ (𝐼𝐶 + 𝐼𝐵 ) ⇔ 𝐼𝐶 = Der Quotient 𝛼 1−𝛼 𝛼 1−𝛼 ⋅ IB heißt Stromverstärkung [31]. Bei zunehmender Spannung 𝑈𝐶𝐸 nimmt die Breite der Raumladungszone zu, diejenige der Basisschicht ab. Somit nimmt der Kollektorstrom 𝐼𝐶 trotz des konstanten Basisstroms 𝐼𝐵 zu („Early-Effekt“) [20]. Dieser Vorgang schaltet den Bipolartransistor ein [22]. Eingeschaltete Bipolartransistoren werden im 86 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Sättigungsmodus betrieben, da in diesem Bereich der kleinste Spannungsabfall am Transistor auftritt, was eine geringe Verlustleistung zur Folge hat [20]. Durch Umstellen der Polarität aller vorhandenen Elemente kann die Funktionsweise des pnp-Transistors analog durchdacht werden [45]. Wie oben erwähnt, ist der Bipolartransistor im Gegensatz zum FET ein stromgesteuertes Halbleiterbauelement. Um den leitenden Zustand des npn-Bipolartransistors aufrechterhalten zu können, muss der Basisstrom 𝐼𝐵 ohne Unterbrechung fließen. Das Ausschalten des Transistors ist durch 𝐼𝐵𝐸 = 0 𝐴 möglich. Das volle Sperrverhalten äußert sich bei einer großen negativen Spannung zwischen Basis und Emitter. Trotz kleinerer Durchlassverluste der MOS-Transistoren verringert sich die Häufigkeit des Einsatzes [22]. 8.2.4.2.2 IGBT Der Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) ist ein Transistor mit isoliertem Steueranschluss, der die positiven Eigenschaften des Bipolartransistors (u.a. gutes Durchlassverhalten) und des Feldeffekttransistors (u.a. geringe Schaltverluste durch Spannungssteuerung) [34] verknüpft [22]. Zusammengefasst kann der IGBT als Bipolartransistor mit integriertem MOSFET aufgefasst werden und ist ein spannungsgesteuertes Halbleiterbauelement [22]. Abbildung 43: links: Vereinfachtes Ersatzschaltbild des IGBTs ; rechts: Aufbau des IGBTs [62] 87 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Der IGBT fasst die in den vorigen Kapiteln behandelten Halbleiterbauelemente in einem Element zusammen: einen Bipolartransistor, einen MOSFET und einen weiteren Transistor8. Der Bipolartransistor und der Transistor bilden eine Thyristorstruktur9 aus. Im normalen Betrieb des IGBT ist allerdings lediglich der MOSFET und der Bipolartransistor zu beobachten, weshalb das obige Ersatzschaltbild, wie obig dargestellt, vereinfacht wird (Abbildung 43) [20]. Der Einschaltvorgang wird durch den MOSFET bestimmt. Bei einer angelegten GateEmitter-Spannung 𝑈𝐺𝐸 > 𝑈𝐺𝐸(𝑡ℎ) wird der MOSFET, also die pnp-Schicht, zu einem leitfähigen Elektronenkanal [20], sodass der Drainstrom im MOSFET einsetzt [34]. Dabei laufen folgende Vorgänge ab: Die Elektronen verlassen den Source-Anschluss und bewegen sich in die n- -Schicht. Des Weiteren wandern auch die Löcher aus der p-Schicht in die n- -Schicht, was letztlich dazu führt, dass in der n- -Schicht ein hoher Anteil an Ladungsträgern vorherrscht, der zu einer guten Leitfähigkeit beiträgt. Vereinfacht lässt sich demnach der eingeschaltete IGBT als einen Bipolartransistor beschreiben, der von einem MOSFET angesteuert wird [20]. Der Bipolartransistor hingegen dominiert gegenüber dem MOSFET beim Ausschaltvorgang. Die schwache Dotierung der Vierschichtstruktur des IGBT bewirkt eine langsame Rekombination von Löchern und Elektronen in der n- -Schicht und charakterisiert den Verlauf des Kollektorstroms 𝐼𝐶 als einen schweifförmigen Ausklang [20]. Der IGBT wird durch die angelegte Spannung 𝑈𝐺𝐸 = 0 𝑉 ausgeschaltet [22]. Da der Ausschaltvorgang im Vergleich zu dem des MOSFETs länger ist, resultiert daraus ein höherer Schaltverlust, der durch eine relativ geringe Schaltfrequenz abhängig von der Leistung kompensiert wird [20]. 8 Dieser Transistor wird von einem Widerstand angesteuert. 9 Die Thyristorstruktur kommt zum Einsatz, wenn der IGBT im Überlastfall seine Steuerbarkeit verliert. 88 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 8.2.4.3 Neue Entwicklungstrends Aktuelle Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungsarbeit auf dem Gebiet der Halbleiterbauelemente lassen sich, wie folgt, zusammenfassen: Senkung des Durchlassspannungsabfalls Senkung der Schaltverluste Verbesserung der Robustheit Integration von Überwachungs-, Schutz- und Treiberfunktionen10 Dabei wurde in jüngster Zeit das Augenmerk auf eine Verbesserung der horizontalen und vertikalen Zellstruktur und auf eine Untersuchung der Zellschichten gelegt. Die Entwicklung des Trench-Gates realisiert die Gate-Elektrode nicht als Ebene, sondern als senkrechten Kanal (Abbildung 44). Die großen Vorteile des neuen Entwicklungsschritts sind die kompaktere Struktur des elektronischen Schalters und der geringere Durchlasswiderstand. Allerdings treten auch hier Nachteile auf, die sich in Form einer circa dreifach erhöhten Gatekapazität11 äußern und eine verminderte Kurzschlussfestigkeit aufweisen [20]. Abbildung 44: Entwicklung des IGBTs von einer planaren Gate-Struktur zu einem vertikal angeordneten Trench-Gate [63] Treiberschaltungen sind für die Ansteuerung eines Transistors zuständig und bilden das Bindeglied zwischen der digitalen Welt und den Leistungsschaltern [19]. 10 11 An der Gate-Elektrode liegt eine Eingangskapazität an [19]. 89 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ In Abbildung 45 ist die Entwicklung der IGBTs innerhalb der letzten Jahre zusammengefasst. Deutlich wird der Trend hin zu immer kompakteren Bauweisen und der senkrechten Anordnung des Gates. Abbildung 45: Entwicklungsschritte des IGBT in den letzten Jahren [64] Ziele auf dem Gebiet der MOSFET-Weiterentwicklung sind die Verringerung der Durchlassverluste und die Verbesserung der Spannungsfestigkeit. Abbildung 46: Entwicklung des MOSFET [65] 90 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Durch Einbringen zweier p-dotierter, mit der p+-Schicht verbundenen Gebiete in die n-Schicht wird die sogenannte CoolMOS-Struktur realisiert. Die CoolMOS-Struktur (Abbildung 46) führt zu einem abweichenden Verhalten im Sperrmodus. Die zusätzlichen p-dotierten Schichten verändern das Verhalten der Ausbildung des elektrischen Felds in der n- -Schicht. Folglich kann sich bei gleicher Spannungsbelastung eine schmälere n- -Zone ausbilden und das „Silicon Limit“12 zwischen Sperrspannung und Durchlasswiderstand ist aufgehoben. Der Zusammenhang zwischen dem Durchlasswiderstand 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛) und der Spannungsfestigkeit des MOSFET hängt nunmehr linear zusammen, was einen geringeren Durchlasswiderstand 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛) zur Folge hat [20]. Dadurch sinken die Verluste im leitenden Zustand. 8.3 Passive Bauelemente Passive Bauelemente unterscheiden sich von aktiven Halbleiterbauelementen in der Hinsicht, dass durch sie keine Verstärkung der Signale durchgeführt werden kann [45]. Zu den in der Leistungselektronik eingesetzten passiven Bauelementen zählen Drosseln, Transformatoren und Kondensatoren, wobei auf Drosseln und Kondensatoren im Folgenden eingegangen wird. 8.3.1 Drossel In der Elektrotechnik wird eine aus der Physik bekannte Spule als Drossel bezeichnet. Sie besteht aus Drahtwicklungen ohne zusätzlichen Kern oder um einen optional aus Eisen oder Ferrit aufgebauten Kern (Abbildung 47). Die Verdopplung der Spannungsfestigkeit zwischen den Anschlüssen D und S bewirkt ein Verfünffachen des Durchlasswiderstands 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛) [19]. 12 91 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Abbildung 47: Aufbau einer Drossel [66] Die Eigenschaften einer Drossel werden durch die Induktivität 𝐿 beschrieben. Es gilt folgender Zusammenhang: 𝐴 𝐿 = 𝜇0 ⋅ 𝜇𝑅 ⋅ 𝑙 ⋅ 𝑁 2 mit 𝐿: Induktivität, 𝑁: Windungszahl, 𝑙: Länge der Drossel, 𝜇𝑅 : Materialkonstante, 𝜇0 : Permeabilitätskonstante, 𝐴: Querschnittsfläche der Drossel [31]. Die Energie wird im Magnetfeld der Drossel gespeichert und wird durch den Zusammen1 hang 𝑊 = 2 ⋅ 𝐿 ⋅ 𝐼 2 beschrieben [45]. Folgende verschiedene Bauformen der Drosseln werden in der Elektronik eingesetzt. Ringkerndrosseln finden ihren Einsatz bei Entstörgliedern. Luftdrosseln werden beispielsweise bei Lautsprecher-Frequenzweichen eingesetzt und Eisenkerndrosseln werden vor allem in der Hochfrequenztechnik angewendet [45]. 8.3.1.1 Reale Drossel In der idealisierten Betrachtung bestehen Drosseln lediglich aus Induktivitäten. Eine realistische Betrachtung ergibt Verluste und störende Nebeneffekte, die beispielsweise durch den elektrischen Widerstand des Leiters, parasitäre Kapazitäten, elektronische Resonanz92 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ stellen und Remanenz durch den Drosselkern entstehen. Außerdem gilt zu berücksichtigen, dass die Parameter einer Drossel abhängig von Temperatur und Frequenz sind. Durch Vorschalten eines Widerstandes wird versucht, die Nebeneffekte so weit wie möglich zu kompensieren. Das Ersatzschaltbild einer realen Drossel berücksichtigt, dass jede Windung Verluste verursacht, da jede Windung einen Ohm‘schen Widerstand und teilweise Kernverluste verursacht. Ein exaktes Ersatzschaltbild einer Drossel würde dementsprechend 𝑛 Induktivitäten und 𝑛 Wirkwiderstände aufweisen, die jeweils zu einer Induktivität 𝐿 und zu einem Wirkwiderstand 𝑅𝑉 zusammengefasst werden, da die Windungen in Reihe geschalten sind (Abbildung 48) [56]. Abbildung 48: links: ideale Drossel; rechts: Ersatzschaltung der realen Drossel nach [56] 8.3.1.2 Drossel im Wechselstromkreis Befindet sich eine Drossel in einem Gleichspannungs-Schaltkreis, so kann der Strom die Drossel problemlos passieren. Befindet sich die Drossel hingegen in einem Wechselspannungs-Schaltkreis, ist eine Phasenverschiebung zwischen der Spannung und dem Strom zu beobachten. Die angelegte Wechselspannung 𝑈𝑒 = 𝑈0 ⋅ cos(𝜔 ⋅ 𝑡) induziert in der idealen Drossel eine der Eingangsspannung entgegengesetzte Spannung 𝑈𝑖𝑛𝑑 (𝑡) = −𝐿 ⋅ 𝑑𝑖(𝑡) 𝑑𝑡 . Mit Hilfe der Kirchhoff’schen Maschenregel ergibt sich folgender Zusammenhang: 𝑈𝑒 + 𝑈𝑖𝑛𝑑 = 0 𝑑𝐼 ⇒ 𝑈0 ⋅ cos(𝜔 ⋅ 𝑡) = 𝐿 ⋅ 𝑑𝑡 ⇒𝐼= 𝑈0 𝐿 𝑈 0 ⋅ ∫ 𝑐𝑜𝑠(𝜔 ⋅ 𝑡) 𝑑𝑡 = 𝜔⋅𝐿 ⋅ 𝑠𝑖𝑛(𝜔 ⋅ 𝑡) = = 𝐼0 ⋅ 𝑠𝑖𝑛(𝜔 ⋅ 𝑡) 93 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Damit ist ersichtlich, dass Strom und Spannung nicht mehr in Phase verlaufen, sondern um 90° phasenverschoben sind. Der Strom eilt der Spannung hinterher. Der induktive Widerstand ergibt sich als Betrag der komplexen Impedanz 𝑍𝐿 der Drossel mittels des Quotienten |𝑍𝐿 | = 𝑈0 𝐼0 = 𝑈0 𝑈0 𝜔⋅𝐿 = 𝜔 ⋅ 𝐿 [42]. 8.3.1.3 Lade- und Entladeverhalten der Drossel Wird an eine Drossel über einen Widerstand 𝑅 eine Spannung angelegt, so fließt aufgrund des hochohmigen Bauteils im ersten Moment kein Strom. Durch die Zunahme des Stroms und die Abnahme der Spannung nähert sich der Strom asymptotisch dem Maximum an (Abbildung 49). Zu diesem Zeitpunkt erreicht die Spannung ihr Minimum. Durch Abschalten der Spannung wird die gespeicherte magnetische Energie abgebaut, wodurch folglich ein abnehmender Strom durch die Drossel verursacht wird. Mit fortschreitender Zeit nähert der Strom sich asymptotisch seinem Minimum (Abbildung 49). Abbildung 49: Lade- und Entladelinie einer Drossel Die Zusammenhänge für den Strom und die Spannung der Drossel werden hier ohne Her𝐿 leitung angegeben. Für den Ladevorgang der Drossel gilt (mit 𝜏 = 𝑅): 94 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 𝐼𝐿 = 𝑡 𝑈 ⋅ (1 − 𝑒 −τ ) 𝑅 𝑡 𝑈𝐿 = 𝑈 ⋅ 𝑒 −𝜏 Für den Entladevorgang der Drossel gilt: 𝑡 𝑈𝐿 = 𝐼 ⋅ 𝑅 ⋅ 𝑒 −𝜏 𝐼𝐿 = 𝑈 𝑅 𝑡 ⋅ 𝑒 −𝜏 8.3.1.4 Einsatz der Drossel als Glättungsdrossel Die Drosseln haben in ihrer technischen Anwendung viele Aufgaben13. Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Drossel ist die Stromglättung, die durch die Unterdrückung hochfrequenter Störsignale die Welligkeit des Wechselstroms minimiert. Glättungsdrosseln finden ihren Einsatz in der Leistungselektronik, der Stromversorgung elektrischer und elektronischer Geräte und in der Hochfrequenztechnik. Werden Gleichrichter mit Verbrauchern höherer Leistung belastet, ist der Einsatz von Glättungskondensatoren (Kapitel 0) aufgrund der limitierten Ladungsmengenaufnahme ungünstig, weshalb Glättungsdrosseln eingesetzt werden. Die Glättungsdrossel erzeugt bei einer Stromänderung eine der Stromänderung entgegengesetzte Selbstinduktionsspannung, die folglich eine Glättung verursacht [34]. 8.3.2 Kondensator Grundsätzlich besteht ein Kondensator aus zwei Leiterflächen, die mittels Influenz mit der Ladung 𝑄 entgegengesetzt geladen sind. In der Praxis gibt es eine Vielzahl an Bautypen von Kondensatoren, beispielsweise Metall-Papier-Motoren-Kondensatoren, ElektrolytKondensatoren, Polypropylen-Kondensatoren und Keramik-Kondensatoren [45]. Wichtige Beispiele hierfür sind Speicherdrosseln: Speicherung der Energie in Form von magnetischer Feldenergie im Eisen und im vorhandenen Luftspalt des Eisens [31] 13 Stromkompensierenden Drosseln: Schaltung vor hochfrequente Störer [31] 95 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Der Kondensator dient als Energiespeicher. Die im elektrostatischen Feld gespeicherte 1 Energie 𝑊 ergibt sich aus dem Zusammenhang 𝑊 = 2 ⋅ 𝐶 ⋅ 𝑈 2 . Je höher die Kapazität 𝐶 eines Kondensators und je größer die angelegte Spannung 𝑈 ist, desto mehr elektrische Ladung kann ein Kondensator speichern (𝑄 = 𝐶 ⋅ 𝑈). Im Gegensatz zur Drossel spielt hier die Spannung eine wichtige Rolle [45]. 8.3.2.1 Realer Kondensator Der idealisierte Kondensator weist lediglich eine Kapazität 𝐶 auf. Der reale Kondensator hingegen berücksichtigt neben der Kapazität 𝐶 die parasitären Induktivitäten 𝐿 [56] und die Selbstentladung mit fortschreitender Zeit. Abbildung 50 stellt die beiden Ersatzschaltbilder gegenüber. Abbildung 50: links: Schaltbild des idealen Kondensators; rechts: Ersatzschaltbild des realen Kondensators nach [56] 8.3.2.2 Kondensator im Wechselstromkreis Befindet sich ein Kondensator in einem Gleichspannungs-Schaltkreis (𝑓 = 0 𝐻𝑧), so wirkt ein Kondensator als Isolator. In einem Wechselspannungskreis mit nung 𝑈𝑒 = 𝑈0 ⋅ cos(𝜔 ⋅ 𝑡) hingegen, wobei 𝜔 = 2 ⋅ 𝜋 ⋅ 𝑓 und somit 𝑓 ≠ 0 𝐻𝑧, wird er ständig auf- und entladen, was zu einem Stromfluss führt und der Kondensator somit keinen Isolator im Wechselstromkreis darstellt. Mit dem Zusammenhang 𝜔 = 2 ⋅ 𝜋 ⋅ 𝑓 ist ersichtlich, dass mit steigender Frequenz der kapazitive Widerstand des Kondensators geringer wird, weshalb hohe Frequenzen über einen Kondensator kurzgeschlossen werden. 96 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 𝑄 Mit Hilfe der zeitlichen Differentiation des Zusammenhangs 𝑈 = 𝐶 lässt sich zwischen dem Strom und der Spannung am Kondensator eine Phasenverschiebung von 90° ausmachen, wobei die Spannung dem Strom hinterher eilt: 𝑈= 𝑑𝑈 𝑑𝑡 = 𝑄 𝐶 1 𝐶 ⋅ 𝑑𝑄 𝑑𝑡 1 =𝐶⋅𝐼 ⇒ 𝐼 = −𝜔 ⋅ 𝐶 ⋅ 𝑈0 ⋅ sin(𝜔 ⋅ 𝑡) = = 𝜔 ⋅ 𝐶 ⋅ 𝑈0 ⋅ cos(𝜔 ⋅ 𝑡 + 90°) Der kapazitive Widerstand des Kondensators berechnet sich mittels des Betrags der komplexen Impedanz 𝑍𝐶 : |𝑍𝐶 | = 𝑈0 𝐼0 1 = 𝜔⋅𝐶 [42], [45]. 8.3.2.3 Lade- und Entladevorgang des Kondensators Wird ein Kondensator über einen Widerstand 𝑅 aufgeladen (Abbildung 51), verläuft der Spannungsverlauf am Kondensator nicht linear. Durch das Ansteigen der Spannung am Kondensator fällt die Spannung am Widerstand 𝑅 ab und senkt folglich den Ladestrom, der die Aufladung des Kondensators verlangsamt. Somit nähert sich die Spannung beim Aufladen des Kondensators asymptotisch einer oberen Schranke an [45]. Abbildung 51: Lade- und Entladelinie des Kondensators [67] 97 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Rechnerisch betrachtet ergibt sich: 𝐼(𝑡) = 𝑈0 −𝑈(𝑡) = 𝑅 𝑈0 𝑅 − 𝑄(𝑡) 𝑅⋅𝐶 Mit 𝑈0 , die an der Spannungsquelle anliegenden Spannung, gilt: 𝑈(0) = 0 𝑉. Weiter ergibt sich durch zeitliche Differentiation des obigen Zusammenhangs und 𝐼(𝑡) = 𝑑𝐼 𝑑𝑡 𝑑𝑄 𝑑𝑡 : 1 = − 𝑅⋅𝐶 ⋅ 𝐼(𝑡) Durch Integration mit der Anfangsbedingung 𝐼(0) = 𝐼0 ergibt sich: 𝑡 𝐼(𝑡) = 𝐼0 ⋅ 𝑒 −𝑅⋅𝐶 Somit gilt für die Spannung am Kondensator: 𝑡 𝑈(𝑡) = 𝑈0 ⋅ (1 − 𝑒 −𝑅⋅𝐶 ) Wird der Kondensator in einem zweiten Schritt über den Widerstand 𝑅 entladen (Abbildung 51), so ist der Entladungsstrom zunächst aufgrund der Kondensatorspannung groß, was zu einem schnellen Abfall der Spannung am Kondensator führt. Verlangsamt sich nun der Entladungsstrom, wird dementsprechend auch der Spannungsabfall am Kondensator gebremst und verlangsamt [45]. Auch hier liefert die rechnerische Betrachtung folgende Zusammenhänge. Für den Stromfluss durch den Lastwiderstand 𝑅 gilt beim Entladevorgang: 𝑑𝑄 𝐼(𝑡) = − = −𝐶 ⋅ 𝑑𝑡 𝑑𝑈 𝑑𝑡 = 𝑈(𝑡) 𝑅 Integrieren liefert folgende Zusammenhänge für die Spannung und den Strom [42]: 𝑡 𝑈(𝑡) = 𝑈0 ⋅ 𝑒 −𝑅⋅𝐶 𝑡 𝐼(𝑡) = 𝐼0 ⋅ 𝑒 −𝑅⋅𝐶 98 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 8.3.2.4 Einsatz des Kondensators als Glättungskondensator In leistungselektronischen Schaltungen wird der Kondensator als Glättungskondensator eingesetzt und dient zur Verminderung der Restwelligkeit gleichgerichteter Spannung. Der Kondensator wird in seiner Funktion als Glättungskondensator parallel zu einem Gleichrichter bzw. zum Verbraucher geschaltet. Während der positiven Halbwellen des angelegten Wechselstroms wird der Kondensator aufgeladen und während der negativen Halbwellen über den Verbraucher entladen. Abbildung 52: oben: B2-Schaltung ohne Spannungsglättung, unten: B2-Schaltung mit Spannungsglättung nach [68] 𝑈𝑎 beschreibt in Abbildung 52 die durch den Kondensator gleichgerichtete Wechselspannung. Mit 𝑈𝑒 wird die angelegte Wechselspannung bezeichnet. Überschreitet die angelegte Wechselspannung 𝑈𝑒 den Wert 𝑈𝑎 schalten die Dioden in den Durchlassbetrieb. Dabei ist der Ladestrom des Kondensators 𝐼𝐶 abhängig von der Kapazität des Glättungskondensators 𝐶 und der Höhe der angelegten Netzspannung 𝑈𝑒 . Im Idealfall lädt sich der Kondensator schlagartig auf die Spannung 𝑈𝑒 auf, was einen hohen Stromimpuls impliziert. Unterschreitet die angelegte Wechselspannung 𝑈𝑒 den Wert 𝑈𝑎 , gehen die Dioden in den Sperrzustand über und der Kondensator 𝐶 entlädt sich über den Lastwiderstand, bis in der nächsten Halbwelle wieder gilt: 𝑈𝑒 > 𝑈𝑎 [20]. 99 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Im Modul „Energieelektronik“ wird neben der Drossel und dem Kondensator als passives Bauelement noch auf den Transformator eingegangen, worauf im Folgenden verzichtet werden soll. 8.4 Methode zu den Bauelementen der Leistungselektronik Inhaltlich haben sich die Studierenden nun mit der Thematik der obigen Kapitel 8.2 und 8.3 auseinandergesetzt. Zusätzlich wurden den Lerninhalt vertiefende Aufgaben bearbeitet. Die nachfolgend vorgestellte Methode schließt das Kapitel „Bauelemente der Leistungselektronik“ ab und dient nochmals einem Rückblick auf die absolvierte Lerneinheit. Die Studierenden erhalten vier Dokumente, die jeweils identisch aufgebaut sind und sich auf die vorgestellten Halbleiterbauelemente Diode, Thyristor, MOSFET und IGBT beziehen. Jedes Dokument umfasst die Komponenten Schaltzeichen Steuerbarkeit Aufbau Kennlinie Arbeitsweise Aufgabe der Studierenden ist es, zu jedem Halbleiterbauelement das ausgehändigte Arbeitsblatt zu bearbeiten. Dazu wird lernflankierend ein Forum eingerichtet, das den Teilnehmenden untereinander die Möglichkeit bieten soll, sich über die gestellte Aufgabe auszutauschen. Die bearbeiteten Bögen müssen an die zugehörige, betreuende Lehrperson geschickt werden und fließen bewertend in die Endnote ein. Im Anhang befinden sich die beispielhaft ausgefüllten Dokumente zu den vier Halbleiterbauelementen. Abbildung 53 stellt ein Muster der eben aufgeführten Methode vor. Die ausführlichen Beispiele zu den Halbleiterbauelementen Diode, Thyristor, MOSFET und IGBT befinden sich im Anhang. 100 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ Abbildung 53: Muster für die vorgestellte Methode („Steckbrief") 101 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ 8.5 Diskussion der Methode Wie im Kapitel 3.2 ausgeführt wurde, verlangt ein Online-Studiengang ein hohes Maß an Selbstorganisation, welches im Rahmen eines derartigen Weiterbildungsangebots erlernt, gefördert und weiter ausgeprägt werden kann. Darüber hinaus sind Fähigkeiten, wie beispielsweise Selbstorganisation und Selbstdisziplin, in jedem Beruf von großem Vorteil und nicht selten ein wichtiges Einstellungskriterium; ebenso im Bereich der Familie sind diese Fähigkeiten in Form von Koordination und Tagesplanung elementar. Gleich zu Beginn der Online-Phasen steht das Kapitel „Bauelemente der Leistungselektronik“. Es kann davonausgegangen werden, dass nicht alle Teilnehmenden bereits diesen erforderlichen Stand an Selbstorganisation und Selbstdisziplin aufweisen. Daher soll die vorgestellte Methode eine angeleitete Zusammenfassung bieten. Dieser Vorgang garantiert eine Wiederholung und die daraus resultierende Festigung des Wissens. Vor allem aber garantiert die vorgestellte Methode eine strukturierte Handreichung, an der sich die Teilnehmenden orientieren können und innerhalb der Fülle existierender Informationen auf die grundlegenden Eigenschaften fokussiert werden. Durch das Zusammenfassen der wichtigsten Eigenschaften erlernen die Studierenden somit, hinsichtlich der folgenden Online-Phasen, eine Systematik, die sie problemlos auf weitere, folgende Modulinhalte übertragen können. Vorausblickend betrachtet kann das Anfertigen einer Vorlage zu jeder im Modul vorgestellten Schaltungen, bezüglich etlicher Details wie Bauelemente, schalttechnische Realisierungen und rechentechnischer Zusammenhänge, erwähnt werden. Ein Forum (Kapitel 9.5) wird lernbegleitend zur Bearbeitung der Aufgabe eingerichtet, damit die Studierenden aufgezeigt bekommen, dass die Kommunikation mit anderen Studierenden erwünscht ist, im Online-Studiengang erwartet wird und sich hilfreich auf den eigenen Lernprozess auswirkt. Folglich lässt sich die vorgestellte Methode in den Bereich der lerner-/ teamzentrierten Arbeitsweise einordnen. Die erstellte Zusammenfassung der Halbleiterbauelemente soll letztlich nicht für eine Erfolgskontrolle zum Abschluss der Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ dienen, sondern ein Bestandteil der Klausurvorbereitung sein. Vor dem Lernen für die Ab102 8. Lerneinheit „Bauelemente der Leistungselektronik“ schlussklausur können die angefertigten und korrigierten Dokumente hinzugezogen werden, um eine Wiederholung über das Gelernte zu erhalten und sich im Zuge der Vorbereitung daran orientieren zu können. Da das Weiterbildungsangebot von Teilnehmenden besucht wird, die parallel ihrer beruflichen Tätigkeit nachgehen und/oder Familienpflichten zu erfüllen haben, ist solch eine Methode, die schon im frühen Stadium des OnlineStudiengangs Strategien des effektiven Lernens anbietet, hinsichtlich des Motivationserhaltungsfaktors äußerst hochwertig. Wird die gestellte Aufgabe in der gegenwärtigen Phase konzentriert und gewissenhaft erfüllt, ist bereits ein wesentlicher Bestandteil hinsichtlich der Klausurvorbereitung geleistet. Ein kritisches Betrachten der Methode liefert allerdings folgende Bedenken: Durch die große Vernetzung der Studierenden bietet sich für alle Teilnehmenden die Gelegenheit des allgemeinen Austauschs der angefertigten Dokumente und deren Übertrag inhaltlich relevanter Strukturen. Dies wirkt dem Prozess der Wiederholung und der individuellen Strukturierung des Gelernten kontraproduktiv entgegen. Allerdings lässt sich diese Problematik selbst in Präsenzstudiengängen kaum unterbinden, zumal die negativen Folgen die Studierenden letztendlich selber zu tragen haben. Eine mögliche Umgestaltung der Aufgabe wäre dahingehend sinnvoll, diese in Form eines Selbsttests (Kapitel 9.6) zu absolvieren, welchen sich die Studierenden nach Korrektur durch die betreuende Lehrperson in einer überarbeiteten Version ausdrucken können. Ein Ziel ist es, durch die Einführung verschiedener, den Lernprozess strukturierende Methoden, die sowohl innerhalb des Moduls übertragbar sind, jedoch auch auf alltägliche Tätigkeiten transferiert werden können, für die Weiterbildung im persönlichen Bereich zu sorgen. 103 9. Lernflankierende Methoden 9 Lernflankierende Methoden Die Komponenten eines erfolgreichen und nachhaltigen Lernprozesses von webbasierten Lernprogrammen wurden vor allem in Kapitel 7.3 behandelt. Auch auf die Aspekte, die für einen Lernprozess innerhalb der Erwachsenenweiterbildung relevant sind, wurde in Kapitel 4.6 eingegangen. Im Folgenden werden lernflankierende Methoden (Kapitel 9.2 bis 9.6) vorgestellt, die die obigen Aspekte berücksichtigen sollen, um in die methodische Umsetzung einfließen zu können. Damit ein Überblick über ausgewählte Methoden des Modulkapitels „Grundschaltungen der Leistungselektronik“ (Tabelle 11) geboten werden kann, erfolgt zu jeder vorgestellten Methode ein kurzes Beispiel. Zur Konkretisierung der jeweiligen Beispiele wurde die leistungselektronische Schaltung des Abwärtswandlers gewählt. Die Präsentation der Lerninhalte wird innerhalb dieses Modulabschnittes vor allem durch Folien und E-Lectures realisiert (Kapitel 9.1). Angestrebt werden die nachstehenden Lehrziele für die Lerneinheit des Abwärtswandlers [29]: Die Studierenden können die Grundschaltung des Abwärtswandlers wiedergeben. Die Studierenden realisieren die schalttechnische Umsetzung des Abwärtswandlers. Die Studierenden schildern den Spannungs- und Stromverlauf des Abwärtswandlers. Die Studierenden berechnen die Stromwelligkeit und die Ausgangsspannung des Abwärtswandlers. 9.1 Auditive E-Lectures In der Orientierungs- und Vorbereitungsphase (Kapitel 7.3) wurde bewusst, dass sich die einzelnen vorzustellenden Schaltungen weniger für eine reine Selbsterarbeitung oder eine reine Folienvermittlung eignen. Daraus folgte die Vermittlung der Wissensinhalte auf die „herkömmliche“, lehrerzentrierte Art. Dementsprechend wird die Lernmethode Online Teaching (Kapitel 4.5.2), realisiert mittels besprochener Foliensätze (auditive E-Lectures), für die inhaltliche Wissensvermittlung eingesetzt. 104 9. Lernflankierende Methoden 9.1.1 Beschreibung Der Lehrende kann ausgewählte Folien der E-Lecture einer Lerneinheit besprechen. Dies stellt die Online-Version des herkömmlichen Lehrervortrags dar und bietet die Gelegenheit, komplexe Zusammenhänge, Tabellen, Bilder oder Diagramme verbal zu erläutern und somit ein größeres Spektrum an Wissensinhalten zu vermitteln. Da während der Vorbereitung des Kapitels „Grundschaltungen der Leistungselektronik“ deutlich wurde, dass eine ausschließlich folienbasierte Vermittlung von Inhalten zum Erfassen des gesamten Lernstoffs nicht vollständig ausreicht, wurde die Folienvermittlung um eine verbale Komponente erweitert. 9.1.2 Beispiel Um sich in die Thematik des Abwärtswandlers und die Situation der Lernenden einfinden zu können, wurde im Anhang eine mögliche Version des besprochenen Foliensatzes zur leistungselektronischen Schaltung „Abwärtswandler“ beigelegt. Ebenso finden sich im Anhang die Folien der Präsentation wieder. Die Audioaufnahmen wurden mit Hilfe der Software Adobe Presenter durchgeführt. 9.1.3 Diskussion Das Besprechen von Folien ist vergleichbar mit der herkömmlichen Art des Lehrervortrags, in welchem Wissen vom Experten zu den Lernenden übertragen wird. Folien der Präsentation werden durch Audiospuren hinterlegt, mittels derer eine größere Bandbreite an Wissensinhalten zu vermitteln möglich ist. Diagramme, Tabellen und Folien lassen sich vom Lehrenden ausführlich behandeln ohne Zustandekommen eines großen Foliensatzes und beugt somit Fehlinterpretationen bzw. Ignorieren komplexer Schaubilder seitens der Lernenden vor. Die Methode der auditiven E-Lectures wurde gerade deshalb gewählt, da, nach Abschätzung der kognitiven Zielsetzung14 und dem Umfang an zu vermittelnden Informationen, 14 Die Vermittlung von deklarativem UND prozeduralem Wissen steht im Vordergrund. 105 9. Lernflankierende Methoden deutlich wurde, dass eine lehrerzentrierte Methode die Lehrinhalte am nachhaltigsten repräsentiert (vgl. Kapitel 7.3). Beispielsweise ist es bei der Auseinandersetzung mit der Thematik elektronischer Schaltungen wichtig, einen Blick für die physikalischen und technischen Zusammenhänge zu entwickeln. Diese lassen sich verbal verständlicher übermitteln, wie auch die verschiedenen Schaltzustandskombinationen oder die Spannungs- und Stromverläufe an den einzelnen Bauelementen. Da den Studierenden neben deklarativem Wissen im Abschnitt über den Abwärtswandler aber vor allem prozedurales Wissen vermittelt wird, kann die Methode aus dem Bereich Online Teaching (Kapitel 4.5.2) gerechtfertigt werden. Ein großer Vorteil der Methode liegt in der Berücksichtigung der Lern- und Alltagssituation, in der sich die Studierenden befinden. Da die Folien von den Studierenden berufsbegleitend, also während eines arbeitsreichen Alltags bearbeitet werden, bedeutet die Tatsache, die Folien nicht komplett selbst erarbeiten zu müssen, eine große Unterstützung in ihrem jeweiligen Weiterbildungsbemühen, welche eine motivierende Komponente innerhalb des Lernprozesses der Teilnehmenden darstellt. Darüber hinaus führt der Einsatz des Mediums der verbalen Kommunikation zu einer prägnanten und übersichtlichen Zusammenfassung der Lehrinhalte auf Foliensätzen. Die Lernenden werden folglich dazu motiviert, eigenständig aus dem Gehörten wichtige Aspekte zu notieren und derart zu formulieren, dass sich diese bei wiederholtem Lesen rekapitulieren lassen. Folglich fordert und fördert das Bearbeiten der Folien eine aktive Mitarbeit der Lernenden, die einen Beitrag zu einem erfolgreichen und nachhaltigen Lernprozess leistet (Kapitel 4.5.1). Der Nachteil auditiver E-Lectures äußert sich in der zeitaufwändigen Vorbereitung für die Lehrperson hinsichtlich der Gestaltung präziser Folien und des Besprechens dieser. So, wie die Erarbeitung und Konzeption der Folien mit hohem Zeitaufwand verbunden ist, gestaltet sich in gleichem Maße die Aufnahme und Bearbeitung der Tonspur. Weitere Bedenken könnten insofern auftreten, indem letztlich einige Studierende nicht mehr zur aktiven Mitarbeit angeregt werden und das eigene Denken somit vernachlässigen. Diesbezügliche Abhilfe kann durch eine weitere Methode der Lernplattform ILIAS realisiert werden. Diese bietet sogenannte Umfragen an, bei denen es sich um kurze, bearbeitungsbegleitende, inhaltliche Abfragen handelt, welche folienspezifisch zu beantworten sind. 106 9. Lernflankierende Methoden Zusammenfassend stellen die auditiven E-Lectures einen Mittelweg zwischen der ausschließlichen Inhaltvermittlung anhand von Folien und einer zeitgebundenen Vorlesung dar. Trotz des lehrerzentrierten Charakters der Lernmethode bleibt die individuelle Bearbeitungskomponente seitens der Lernenden erhalten. Abschließend sollen Komponenten festgehalten werden, die im Rahmen der Erprobung der Methode, welche im Anhang wieder zu finden ist, beobachtet wurden und in weiteren Realisierungen zu berücksichtigen sind. Zunächst muss garantiert sein, dass eine Räumlichkeit zur Verfügung steht, die dem Lehrenden ein ruhiges und ungestörtes Arbeiten ermöglicht. Vor allem kann dies durch den Ausschluss äußerer Komponenten gewährleitstet werden, in dem ein Aufnahmeort mit schallisolierten Fenstern und Hinweisen auf Tonaufnahmen für Außenstehende organisiert wird. Das Gestalten einer entspannten Atmosphäre für den Lehrenden schafft die nötigen Voraussetzungen für eine sonore Stimmlage und führt zu einer stressfreien Aufnahmesituation, die wiederum fehlerfreie Tonsequenzen liefert. Bei Berücksichtigung der erwähnten Faktoren, kann die Nachbearbeitungszeit der Audiospur stark reduziert werden. Im Vorfeld ist darüber hinaus zu beachten, dass die Aufnahmen zu den einzelnen Folien in einem zeitlich flexiblen Kontext geschehen sollten, um eine möglichst effiziente Arbeitsweise zu schaffen. Eine weitere Komponente, die die Bearbeitung der Tonspuren minimiert, ist ein Mikrophon mit einer guten Aufnahmequalität. 9.2 Glossar Das Glossar stellt eine lernerzentrierte Methode dar, die für eine Strukturierung und Fokussierung bezüglich elementarer Gesichtspunkte einer Thematik sorgt. 9.2.1 Beschreibung Unter dem Glossar wird ein virtuelles Wörterbuch verstanden. Sowohl Teilnehmende als auch Lehrende können hier (neu gelernte) Begriffe passend zur Lerneinheit festhalten. Aufgabe der Studierenden wird es sein, innerhalb des ganzen Moduls mindestens fünf Glossareinträge zu verfassen. Diese müssen von der dozierenden Person auf Vollständigkeit und Richtigkeit überprüft werden, bevor der Eintrag für alle sichtbar veröffentlicht 107 9. Lernflankierende Methoden wird. Dazu muss vor Beginn des Moduls eine Auflistung der Begriffe seitens der Veranstalter entworfen werden, die das Glossar mindestens umfassen soll. Zu Beginn des Moduls werden die Glossarüberschriften an alle Teilnehmenden aufgeteilt und müssen zu den Selbsttests der jeweiligen Lerneinheit zeitlich passend verfasst werden. Weiterhin ist das Anfertigen zusätzlicher Glossareinträge über die erstellte Liste hinaus möglich. 9.2.2 Beispiel Ein Beispiel für einen Glossareintrag für den Abwärtswandler könnte, wie folgt, lauten: „Ein Abwärtswandler ist ein Gleichspannungswandler (auch: DC/DC-Converter, Tiefsetzsteller, Buck Converter, Step-Down-Converter), dessen Funktion es ist, die Ausgangsspannung auf einen geringeren Wert als die Eingangsspannung zu regeln. Da die Spannungswandlung mittels eines periodisch schaltenden Wandlers realisiert wird, ist der erreichte Wirkungsgrad größer als bei einem herkömmlichen Spannungsteiler oder Spannungsregler.“ Abbildung 54: Möglicher Glossareintrag [20], [22] Abbildung 55 zeigt den beispielhaften Glossareintrag in der ILIAS-Umgebung. 108 9. Lernflankierende Methoden Abbildung 55: Screenshot eines beispielhaften Glossareintrags auf der Lernplattform ILIAS 109 9. Lernflankierende Methoden 9.2.3 Diskussion Der Glossarbeitrag zu einem Begriff fasst kurz und bündig die wichtigsten Informationen zusammen, ersetzt allerdings nicht eine weitere Beschäftigung mit der Thematik. Es dient dazu, dem Lesenden überschaubar zu verdeutlichen, worum es sich bei dem Begriff handelt. Nachdem eine teilnehmende Person beispielsweise den Eintrag zum Abwärtswandler gelesen hat, weiß sie, dass es sich bei diesem um einen Gleichspannungswandler handelt, was den Lesenden die Zuordnung der Grundschaltung zur richtigen Stromrichterart ermöglicht. Anschließend wird die Aufgabe des Abwärtswandlers eingängig beschrieben. Die letzte Angabe innerhalb des Glossareintrags bezieht sich auf den Wirkungsgrad der Grundschaltung, da dieser in der Leistungselektronik von besonderem Interesse ist. Das Lesen dieses Eintrags ermöglicht den Studierenden nun die thematische Einordnung des Abwärtswandlers, jedoch ohne detaillierte Aussagen zu einzelnen Bauelementen oder unterschiedlichen Schaltmodi treffen zu können. Im Prozess der Entwicklung des jeweiligen Glossareintrags wird ein weiterer Fortschritt im Erlernen der Selbstorganisation geleistet. Die Studierenden müssen selbstständig berücksichtigen, dass vor Erscheinen des Glossareintrags die dozierende Person den Artikel zu korrigieren hat, was ein frühzeitiges Verfassen des Glossareintrags zur Folge hat. Beim Verfassen dieser Einträge werden die Studierenden dazu angehalten, die Lerneinheit nochmals aktiv zu wiederholen und eine Sondierung der wichtigsten Informationen vorzunehmen. Im Zuge dessen lernen die Studierenden, aus einer Fülle von Information die elementarsten Aspekte herauszufiltern, um sich auf diese zu fokussieren. Hinsichtlich der Klausurvorbereitung ist das kontinuierliche Einpflegen von Glossareinträgen besonders wichtig. Zur Klausurvorbereitung bieten die Glossareinträge eine solide Basis der behandelten Themenbereiche. ILIAS bietet eine übersichtliche Druckversion der Glossareinträge an. Allerdings muss den Studierenden kommuniziert werden, dass ein ausschließliches Lernen der Glossareinträge für die Abschlussklausur keine ausreichende Vorbereitung bieten kann. Der Glossareintrag bzw. das gesamte Glossar dient dazu, den Studierenden Faktenwissen 110 9. Lernflankierende Methoden als Übersicht zur Verfügung zu stellen, bietet allerdings kein prozedurales Wissen an, das in der finalen Modulklausur prüfungsrelevant für die Lernenden ist. 9.3 Wiki Das ILIAS-Wiki ist ähnlich strukturiert wie das bekannte Wikipedia und hat für die Studierenden einen großen Wiedererkennungswert. Die lernerzentrierte Lernmethode kann demnach intuitiv durch die Lernenden genutzt werden. 9.3.1 Beschreibung Das Wiki unterscheidet sich lediglich in wenigen Details vom Glossar, welche allerdings für eine interaktivere Struktur sorgen. Das Verlinken selbst verfasster Einträge ermöglicht den Lernenden die Gestaltung eines Informationsnetzes, welches kein starres Wörterbuch im herkömmlichen Sinn darstellt. Außerdem lassen sich zu jedem Eintrag Kommentare verfassen, die themenbezogen den Inhalt diskutieren. Eine Aufgabe der Studierenden wird es sein, innerhalb des gesamten Moduls selbstgesteuert Wikieinträge zu verfassen, welche von den betreuenden Lehrpersonen auf Richtigkeit überprüft werden. 9.3.2 Diskussion Das Wiki bietet den Studierenden eine weitere Möglichkeit, das Gelernte aktiv zu bearbeiten und in einer eher unkonventionellen Umgebung zu reproduzieren. Im Wikieintrag zur leistungselektronischen Schaltung des Abwärtswandlers würde beispielsweise verlangt werden, dass neben einer einführenden, glossarähnlichen Zusammenfassung vertiefende Informationen bereitgestellt und präsentiert werden. Möglichkeiten hierfür wären die konkrete Herleitung der Formel für die Berechnung der Stromwelligkeit oder die Auflistung verschiedener Anwendungsgebiete der Schaltung in der Praxis. Obwohl das Verfassen des Wikieintrags zunächst lernerzentriert gestaltet ist, entwickelt sich das Wiki mit zunehmenden Einträgen und deren Vernetzung zu einer teamzentrierten Lernform. Diskussionen zu den einzelnen Einträgen sorgen für ein kommunikatives und bereicherndes Wissensportal, das zudem durch die Verlinkung der einzelnen Beiträge dazu beisteuert, dass Zusammenhänge zwischen den portionsweise präsentierten Lerneinheiten erfasst werden. 111 9. Lernflankierende Methoden Bei kritischer Betrachtung der Methode ist zu berücksichtigen, dass aufgrund der Lernerund Teamzentriertheit der Lernmethode eine erhöhte Aufmerksamkeit in der inhaltlichen Überprüfung der Wikieinträge seitens des Lehrenden gegeben sein muss, um für die Korrektheit der fachlichen Details zu sorgen. Ebenso gilt zu beachten, dass die Dynamik des Wikis rasch zunehmen kann, sodass Themenbereiche einfließen, die nicht thematischen Inhalts des Moduls „Energieelektronik“ sind. Um dieser Entwicklung entgegenzusteuern, muss den Studierenden vor Beginn des Moduls, im Rahmen der technischen Einweisung, kommuniziert werden, dass fehlplatzierte Einträge durch den Administrator entfernt werden. Zusammenfassend lässt sich die Methode als inhaltliche Reflexion beschreiben, die andere Studierende zur Auseinandersetzung mit der Thematik, zur Vernetzung mit anderen Inhalten und zu weiterführenden Diskussionen anregen soll. 9.4 Übungen Das Bearbeiten von Übungsaufgaben jeglicher Art ist eine „altbewährte“ Methode aus Präsenzveranstaltungen, die auch innerhalb webbasierter Lernprogramme den Lernprozess aktiv unterstützt. 9.4.1 Beschreibung Nach Vermittlung einer Lerneinheit muss das Erlernte angewandt und gefestigt werden. Dieser Prozess soll zum Großteil im Erarbeiten von Übungsaufgaben umgesetzt werden. Zu einer Lerneinheit werden von den veranstaltenden Verantwortlichen Aufgaben verfasst, die die Inhalte des Moduls zum einen wiederholen, zum anderen aber durch eigenständiges Bearbeiten und Recherchieren erweitert werden sollen. Die Teilnehmenden bearbeiten die bereitgestellten Aufgaben innerhalb einer vorgegebenen Zeit und reichen diese bei der dozierenden Lehrperson ein. Die administrativen Angelegenheiten, wie beispielsweise Bearbeitungszeit und Abgabe der Übungsaufgaben, werden über die Lernplattform ILIAS abgewickelt. Während der Bearbeitungszeit stehen den Lernenden sämtliche Hilfsmittel zur Verfügung – sowohl innerhalb des Kurses als auch außerhalb. Der Austausch zwischen den Studierenden ist erwünscht (Foren, Mail, Chat, Wiki), ebenso Internet- und Literatur- 112 9. Lernflankierende Methoden recherchen oder Korrespondenz mit dem betreffenden Fachtutor. Nach Abgabe der Aufgaben werden diese durch die verantwortliche Person korrigiert, bewertet und an den Studierenden zurückgegeben. In Präsenzstudiengängen sind vergleichbare Verfahren in der Bearbeitung von Übungsaufgaben und im Besuch von Tutorien zu einer Vorlesung wieder zu finden. Übungsaufgaben (u.a. rechentechnischer Aufgabenstellung) werden zu jeder Lerneinheit des Kapitels „Grundschaltungen der Leistungselektronik“ gestellt, da sich schon in Präsenzstudiengängen gezeigt hat, dass Übungsaufgaben eine bewährte Methode zur Wissensfestigung darstellen. 9.4.2 Beispiel Im Anhang finden sich einige konkret ausgearbeitete Übungsaufgaben und deren Lösungen zum Abwärtswandler, die von den Studierenden in Einzel- und Gruppenarbeit bearbeitet werden sollen. 9.4.3 Diskussion Aufgabe der vorlesungsbegleitenden Übungen ist es, das Gelernte zu vertiefen und weiteres Wissen zur Thematik anzusammeln. Zu Beginn stehen Aufgabenstellungen mit geringerem Schwierigkeitsgrad, um die Studierenden zu motivieren und das deklarative Wissen zu überprüfen („Kurzaufgaben“: Abbildung 67 und Abbildung 68). Die im Anhang aufgeführten Einstiegsfragen beziehen sich auf das Allgemeinwissen, das im Bereich Stromversorgung innerhalb des Moduls „Energieelektronik“ vermittelt werden soll. Im Laufe des stetigen Bearbeitens von Aufgaben steigt der Schwierigkeitsgrad kontinuierlich an. Neben der Überprüfung des Faktenwissens wird das Augenmerk vor allem auf die Entwicklung prozeduralen Wissens gelegt (Aufgabe: „Berechnung der Induktivität 𝐿 eines Gleichstrommotors“ und „Der Spannungs- und Stromerlauf“: Abbildung 74 bis Abbildung 76). Im Zuge dessen sollen vorwiegend reale Anwendungsbeispiele einfließen, um den Teilnehmenden den Alltagsbezug zu veranschaulichen (Aufgabe: „Bestimmung der Halbleiterverluste in einem Abwärtswandler“: Abbildung 68 bis Abbildung 74). Durch das Bearbeiten der Übungsaufgaben wird der Denkprozess durch das „Learning by Doing“ (vgl. 4.5.1) angeregt. Die Studierenden müssen aktiv mitarbeiten, um am Entwick- 113 9. Lernflankierende Methoden lungsprozess einer Lösungsfindung teilzunehmen, der sowohl lernerzentriert als auch teamzentriert gestaltet sein kann. Lösungen, die selbst durchdacht oder in Gruppen eigenständig erarbeitet wurden, werden wirksam verinnerlicht und wirken sich motivierend auf das weitere Lernverhalten aus. Aus Sicht der Dozierenden bieten Übungsaufgaben eine gute Erfolgskontrolle. Alle Studierenden haben innerhalb einer bestimmten Zeit die Aufgaben zu bearbeiten und dürfen diese auf individuelle Art präsentieren. Zudem ermöglicht die Staffelung der Aufgaben in unterschiedliche Schwierigkeitsgrade dem Dozierenden eine Einsicht in den aktuellen Lernprozess der Studierenden. Zweierlei Kritikpunkte lassen sich hinsichtlich dieser Methode darlegen. Zum einen ermöglichen die technischen Rahmenbedingungen einen Austausch der Lösungsergebnisse, welchem nicht entgegengewirkt werden kann. Jedoch auch in Präsenzstudiengängen herrscht diese Problematik vor und es kann kein klarer Lösungsansatz dazu geschaffen werden. Zum anderen ist – aus Sicht der Studierenden – die Bearbeitung der Übungsaufgaben sehr zeitintensiv. Das Recherchieren, die Kommunikation mit den Mitstudierenden, der Lösungsfindungsprozess und das Niederschreiben der Lösungen beschreibt einen langen Arbeitsverlauf, der nicht unterschätzet werden darf. Somit muss vor Entwurf der Aufgaben darauf geachtet werden, dass die Bearbeitung der Aufgaben innerhalb eines gewissen zeitlichen Rahmens zu realisieren ist. Abschließend lässt sich festhalten, dass durch das Bearbeiten von Übungsaufgaben dreierlei Kompetenzbereiche abgedeckt werden: Wissensinhalte werden vertieft und erweitert, Lösungsstrategien werden antrainiert und die Teamfähigkeit wird gefördert. 9.5 Forum Das Forum dient den Studierenden zur Diskussion und zum Austausch untereinander. Zu verschiedenen Themenbereichen können diese angelegt werden und müssen sowohl durch die Lernenden als auch durch die Lehrenden gepflegt werden. 9.5.1 Beschreibung Das Forum unterliegt vor allem der asynchronen Kommunikationsstruktur. Zu bestimmten thematischen Bereichen können sowohl durch den Lernenden als auch durch die 114 9. Lernflankierende Methoden Lehrenden Gesprächsräume eröffnet werden. Folglich wissen die Studierenden, an welcher Stelle ihre Fragen oder Diskussionen thematisch korrekt zu platzieren sind, sodass sie qualifizierte Antworten auf die gestellten Fragen erhalten. 9.5.2 Diskussion Das Forum ist eine stark lernerzentrierte Methode, die sowohl reflektierenden als auch vertiefenden Charakter hat. Durch den Austausch multipler Perspektiven der Studierenden zu einem Thema werden Denkanstöße initiiert und Unsicherheiten revidiert. In der Vorbereitung muss berücksichtigt werden, dass das Führen von Foren eine zeitintensive Aufgabe ist, da Forumsbeiträge, vor allem Antworten auf Fragen, eine gründliche Recherche erfordern. Auch aus Sicht der Lehrenden ist das Pflegen von Foren und das Überprüfen der Forumsbeiträge eine zeitfordernde Aufgabe. Die Studierenden müssen zum Arbeiten innerhalb eines Forums Orientierungswissen und fundierte Kenntnisse über die Thematik mitbringen. Das Forum soll die Studierenden dazu animieren, sowohl ihr deklaratives Wissen einzubringen, als auch dazu anregen, das prozedurale Wissen einzusetzen und zu erweitern. Kritisch betrachtet können die unterschiedlichen Lernniveaus der Teilnehmenden allerdings dazu führen, dass sich einige Lernende, die weniger zügig mit dem Lernpensum vorankommen, nicht an den Diskussionen beteiligen können und das Selbstvertrauen derjenigen sinkt, einen Forumsbeitrag zu verfassen. Folglich sollten Lehrende regelmäßig die Forumsdiskussionen lesen, um sich neben der inhaltlichen Aspekte auch darüber zu informieren, inwiefern die Studierenden den Beiträgen folgen können. ILIAS bietet darüber hinaus die Möglichkeit, Moderatorenrollen innerhalb eines Forums zu verteilen. Demnach können in verschiedenen Foren Lernende zu Moderatoren ernannt werden, die für das Forum und dessen „Pflege“ zuständig sind. 115 9. Lernflankierende Methoden 9.6 Selbsttest Zum Abschluss jeder Lerneinheit stehen sogenannte Selbsttests (Tabelle 12), welche einen reflektierenden Charakter haben und die jeweilige Lerneinheit inhaltlich abrunden sollen. 9.6.1 Beschreibung Um eine effektive Bearbeitung der Lerneinheiten zu garantieren, werden zu jeder Wissenseinheit Selbsttests entworfen. Diese nehmen jeweils circa 30 Minuten in Anspruch und reflektieren dem Lernenden, inwieweit das Kapitel verstanden wurde und in welchen Bereichen noch Informationsbedarf besteht. Des Weiteren erhält der Lehrende Einblick in die Lernfortschritte der Studierenden und deren aktuellen Wissensstand. Der Aufbau der Selbsttests kann unter Zuhilfenahme verschiedener Elemente abwechslungsreich gestaltet werden: beispielsweise Multiple Choice, Single Choice, freie Textfelder, Anordnungen, Lückentexte oder Zuordnungen. 9.6.2 Beispiel Mögliche Testfragen in verschiedener Ausführung sind in den Abbildungen Abbildung 56 bis Abbildung 61 dargestellt. Frage 1 (Single Choice) Wie berechnet sich das Tastverhältnis zwischen mittlerer Eingangs- und Ausgangsspannung? (1) 𝐷 = 𝑈𝑎 𝑈𝑒 (2) 𝐷 = 𝑡 𝑡𝑒 𝑒 +𝑡 𝑎 𝑈 (3) 𝐷 = 𝑈𝑒 𝑎 (4) 𝐷 = 𝑡𝑆 𝑡𝑒 Abbildung 56: Frage 1 des Selbsttests 116 9. Lernflankierende Methoden Frage 2 (Multiple Choice) Das Tastverhältnis eines Tiefsetzstellers ist 𝐷 = 0,4 mit mittlerer Ausgangsspannung von 250𝑉. Wie groß ist die Eingangsspannung? (1) 𝑈𝑒 = 100𝑉 (2) 𝑈𝑒 = 115𝑉 (3) 𝑈𝑒 = 625𝑉 (4) 𝑈𝑒 = 550𝑉 Abbildung 57: Frage 2 des Selbsttests Frage 3 (Multiple Choice) Was gilt für die Ausgangsspannung? (1) 𝑈𝑎 = 𝐷 ⋅ 𝑈𝑒 (2) 𝑈𝑒 = 𝐷 ⋅ 𝑈𝑎 Abbildung 58: Frage 3 des Selbsttests Frage 4 (Lückentext/horizontale Anordnung) Die Abschätzung 𝐿𝑀𝑖𝑛 = 4⋅𝑓 𝑈𝑎 𝑆 ⋅𝛥𝐼𝐿,𝑠𝑜𝑙𝑙 gibt die erforderliche Induktivität einer Drossel an, damit eine vorgegebene Stromwelligkeit nicht überschritten wird. Ordnen Sie die Begriffe (Schaltfrequenz, Stromwelligkeit, Induktivität, kleiner, größer) richtig in die Lücken ein: „Je größer die Schaltfrequenz des Schalters ist, desto kleiner kann die Induktivität werden, um eine geforderte Stromwelligkeit einzuhalten.“ Abbildung 59: Frage 4 des Selbsttests 117 9. Lernflankierende Methoden Frage 5 (Freier Text) Beschreiben Sie anhand der Schaltung des Abwärtswandlers das Verhalten der Spannungsverläufe 𝑈𝐷 , 𝑈𝐿 und den Stromverlauf 𝐼𝐿 im Zustand des leitenden Schalters und im Zustand des sperrenden Schalters. Abbildung 60: Frage 5 des Selbsttests Frage 6 (Image Map) Markieren Sie die aufgelisteten Elemente und Begriffe im angegebenen Schaltbild. a) Transistor b) Glättungskondensator c) Freilaufdiode d) Drossel e) Drain f) Gate g) Source h) Diodenstrom Abbildung 61: Frage 6 des Selbsttests 9.6.3 Diskussion Die Variationsmöglichkeiten der Fragestellungen in ILIAS sind vielfältig, weshalb ein abschließender Selbsttest in jeder Lerneinheit abwechslungsreich gestaltet und technisch auf die Inhalte abgestimmt werden kann. Wie in der Einleitung des Kapitels erwähnt, bietet der Selbsttest zum einen den Studierenden eine Rückmeldung über den eigenen Lernprozess innerhalb der Lerneinheit, zum anderen dient er den dozierenden Lehrpersonen als Überblick, wie die Lerneinheit im kursübergreifenden Kontext verstanden wurde und wie die individuellen Fortschritte der Lernenden diesbezüglich vonstatten gingen. Überlegungen in der Modulplanung gehen dahin, dass ohne Absolvieren des Selbsttests nicht die Möglichkeit besteht, auf die nächste Lerneinheit zugreifen zu können, da das Durchführen einer abschließenden Reflexion eine fundierte Basis für den weiteren Lern- 118 9. Lernflankierende Methoden prozess bildet. Somit wäre gewährleistet, dass die Studierenden die aufbauenden Lektionen nacheinander abarbeiten und daraus ein lückenloser Lernprozess entsteht15. Der Selbsttest unterliegt einer asynchronen Struktur, da die Lernenden die Fragen zu einem Zeitpunkt ihrer Wahl bearbeiten können. Um allerdings einen homogenen Kursverlauf zu garantieren, werden von den Veranstaltern zeitliche Grenzen gesetzt, bis zu denen bestimmte Selbsttests und folglich Lerneinheiten abgeschlossen sein müssen. Anhand der folgenden Testfragen zum Abwärtswandler werden einige Formen der technisch möglichen Fragestellungen der Lernplattform ILIAS vorgestellt: Frage 1 ist in Form einer Multiple Choice-Darstellung (MC) gewählt. Die Frage bezieht sich auf die Wiederholung der relativen Einschaltzeit des Abwärtswandlers. Die Lernenden sollen diese grundlegende Beziehung der Schaltung und verschiedene Umformungen des Tastverhältnisses wiedergeben können. Die Fragen 2 und 3 wurden in einer Single ChoiceDarstellung (SC) entworfen. Sie beziehen sich nun konkret auf die Ausgangsspannung, die der Abwärtswandler im Vergleich zur Eingangsspannung herunterregelt. In Frage 2 sollen die Studierenden zeigen, dass die Formel auf ein einfaches Beispiel konkret angewendet werden kann. Frage 3 wiederholt nochmals den Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung in einer anderen Darstellung, als dies in Frage 1 der Fall war. Frage 4 stellt ein Beispiel für eine Frage in Lückentextform vor. In dem einleitenden Text ist die Thematik der Frage näher erläutert. Außerdem wird nochmals der Zusammenhang zwischen der Induktivität 𝐿, der Schaltfrequenz 𝑓𝑆 und der Stromwelligkeit Δ𝐼𝐿 angegeben. Aufgabe der Studierenden ist es nun, die angegebenen Begriffe in die Lücken einzutragen und sich somit einen Merksatz zu erarbeiten. Dabei wird die analytische Arbeit mit Hilfe von Formeln geschult. Die Studierenden begreifen, dass durch die Betrachtung der einzelnen Größen in einer Formel allgemeine Aussagen und Zusammenhänge geäußert werden können. Frage 5 dient dazu, dass die Lernenden das Verhalten des Abwärtswandlers während der Einschalt- und der Ausschaltzeit betrachten und in eigenen Worten wiedergeben. Selbstverständlich können die Lernenden die einzelnen Elemente der Lerneinheit in einer umstrukturierten Weise bearbeiten. In diesem Fall wird allerdings keine Garantie für ein umfassendes Verständnis gegeben, da die veranstaltenden Verantwortlichen die Lerneinheiten aufeinander aufbauend entwarfen. 15 119 9. Lernflankierende Methoden Die Erklärungen sollen mittels der Spannungs- und Stromverläufe wiedergegeben werden, wobei das Lesen und Interpretieren von Diagrammen geübt wird. Frage 6 zeigt eine Image Map. Die Schaltung des Abwärtswandlers wird interaktiv und die Studierenden müssen bestimmte Komponenten in der Schaltung wiedererkennen und benennen können. Dadurch erhalten sowohl der Lernende als auch der Lehrende einen Einblick darüber, ob die Grundzüge der Schaltung verstanden wurden und ob der Studierende mit einem gezeichneten Schaltkreis umgehen kann. Die dargestellten Fragen bieten lediglich einen Einblick in die verschiedenen Möglichkeiten, die den Veranstaltern unter anderem zur Verfügung stehen. In der endgültigen Version wird der Selbsttest einen größeren Umfang an Fragen umfassen. Die technischen Möglichkeiten weisen allerdings Grenzen auf: Zwar ist es möglich, dass Graphiken für die Studierenden hochgeladen werden können – erklärende Skizzen, die die Lernenden vergleichsweise in Präsenzphasen auf Papier optional anfertigen können, entfallen hierbei jedoch. Auch besteht in Präsenzveranstaltungen die Möglichkeit, formale Probleme oder Unklarheiten zur Aufgabenstellung persönlich zu klären. Dies kann innerhalb der Bearbeitungszeit in einer webbasierten Lernsituation nicht gegeben werden, zumal der Bearbeitungsvorgang asynchron vorgenommen wird. Für die Realisierung der Testsituation bietet ILIAS die Möglichkeit einer sogenannten „Kiosk-Ansicht“. Innerhalb dieses Modus haben die Studierenden keinen Zugriff auf die komplette Lernplattform und damit keinen Zugang zu den Lernmaterialien. Nichtsdestotrotz besteht die Möglichkeit, dass die Lernenden während der Bearbeitung des Testes ihre persönlichen Aufschriebe zu Rate ziehen. Eine Option, dem entgegenzuwirken, wäre, dass pro Frage eine bestimmte Bearbeitungszeit vorgegeben wird, innerhalb der die Frage zu beantworten ist. Diese Zeit kann durch die Lehrperson für jede Frage individuell bestimmt werden. 120 10. Reflexion der Methodenarbeit 10 Reflexion der Methodenarbeit Nachdem einzelne ausgewählte Methoden aus dem CAS-Modul „Energieelektronik“ thematisiert und diskutiert wurden, steht an dieser Stelle der Arbeit eine allgemeine Betrachtung der Methoden (Kapitel 10.1). Darüber hinaus folgt eine Betrachtung der bisherigen, entwicklungsbegleitenden Beobachtungen während der Konzeption der Inhalte und Methoden für das Modul „Energieelektronik“ (Kapitel 10.2). 10.1 Modulüberblickende Betrachtung der Methoden Das Teilvorhaben „Energiesystemtechnik“ bewegt sich in dem Bereich der Erwachsenenweiterbildung, weshalb in der Gesamtkonzeption des Moduls letztlich eine Kombination der Gesichtspunkte für einen nachhaltigen Lernerfolg in der webbasierten Lernumgebung aus Kapitel 4.6 mit den Gesichtspunkten für einen nachhaltigen Lernerfolg in der Erwachsenenweiterbildung aus Kapitel 7.3 zu wählen ist (Tabelle 13). 121 10. Reflexion der Methodenarbeit Tabelle 13: Gegenüberstellung der Aspekte, die für einen nachhaltigen Lernerfolg sorgen, zum einen in einer webbasierten Lernumgebung und zum anderen in der Erwachsenenweiterbildung Daraus lassen sich folgende Elemente herausarbeiten, die eine nachhaltige und effektive webbasierte Erwachsenenbildung aufweisen sollte: zeitliche und örtliche Flexibilität handlungs-, erfahrungs- und problemorientiertes Lernen in Form von aufgabenorientierten, didaktischen Konzepten, lernerzentrierten Aufgaben, realitäts- und alltagsnaher Beispiele, rückmeldungsbasierter Reflexion und Förderung des individuellen und selbstgesteuerten Lernprozesses Gestaltung übersichtlich strukturierter Lernumgebungen Förderung der Schnittmenge zwischen Bildung und Unterhaltung („Edutainment“) mittels Förderung der Medienkompetenz, realitäts- und alltagsnaher Beispiele, lernerzentrierte Aufgabenstellungen und Teamarbeit Vermittlung der fachlichen Inhalte (nicht die Lehre der Inhalte) 122 10. Reflexion der Methodenarbeit Im Rahmen einer modulüberblickenden Betrachtung wird deutlich, inwieweit die Aspekte in das CAS-Modul übernommen wurden. Die zeitliche und örtliche Flexibilität wird durch das Blended Learning-Konzept garantiert. Die Gestaltung einer strukturierten und übersichtlichen Lernumgebung ist durch die Lernplattform ILIAS erfüllt, nichtsdestotrotz muss bei der Implementierung darauf geachtet werden, dass logische Strukturpfade aufgebaut und beibehalten werden. Dies wird durch eine theoretische Konzeption des gesamten Moduls geschehen, sodass während des Kursbetriebes keine „Experimente“ durchgeführt werden müssen und somit eine strukturierte Lernsituation geschaffen wird. Die geforderten methodisch-didaktischen Elemente werden vor allem durch die lernflankierenden und lernerzentrierten Methoden (Kapitel 9) erfüllt. Jede Lerneinheit ist geprägt durch einen hohen Anteil an Eigenarbeit im methodischen Bereich, die zum einen das Wissen vertiefen und zum anderen die Aufgabenorientierung des webbasierten Lernprogramms unterstützen. Dementsprechend steht die Vermittlung der Lerninhalte anhand realitätsnaher Aufgaben und Beispiele, wie sie in Kapitel 9.4 präsentiert wurden, im Vordergrund, um den forschungs- und entwicklungsnahen Bezug zu ermöglichen. An dieser Stelle sei ausblickend erwähnt, dass Projektarbeiten für Studierende anhand aktueller Forschungsgebiete in Planung sind. Eine Komponente ist das Erteilen regelmäßiger Rückmeldungen des Lehrenden an die Studierenden. Da die Lerneinheiten innerhalb des Moduls durch einen Selbsttest abgeschlossen werden und die Übungsaufgaben durch die Tutoren korrigiert werden, ist ein gewisses Maß an individueller Rückmeldung über den Lernprozess vorhanden. Die Motivation während der Online-Phasen wird unter anderem durch den Einsatz abwechselnder Methoden und deren Kombinationen gesichert. Auch wird die Motivation dadurch gefördert, dass den Studierenden hinsichtlich der methodischen Vertiefung (Forumsbeitrag, Wikigestaltung) viele Freiheiten gelassen werden. 10.2 Entwicklungsbegleitende Beobachtungen Das Verbundprojekt „Freiräume für wissenschaftliche Weiterbildung – Windows for Continuing Education“ ist ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt, weshalb die entworfenen Methoden theoretische Überlegungen sind, deren Wirkung auf die Teilnehmenden erst nach der Pilotphase evaluiert werden kann. Zum momentanen Zeitpunkt der inhaltlichen Entwicklung des Projektes können die Methoden lediglich, basierend auf den vorhandenen 123 10. Reflexion der Methodenarbeit Theorien, durchdacht und kritisch diskutiert werden. Dies entspricht dem Prozess der Entwicklung, der die Umsetzung von der Theorie hin zur Praxis beschreibt und die Auswertung der damit verbundenen Probleme und Schwierigkeiten beinhaltet [69]. Durch die Evaluation können die Methoden entweder bestätigt oder mit Hilfe der Aussagen der Teilnehmenden optimiert werden, womit innerhalb des Projekts neue Kenntnisse über die Wissensvermittlung und den Wissenstransfer technischer Inhalte in das Blended LearningKonzept erlangt werden. Dies entspricht dem Prozess der Forschung, die für den Erwerb neuer Kenntnisse steht [69]. Im Rahmen der Erstellung des CAS-Moduls „Energieelektronik“ konnten einige, die Projektarbeit begleitenden Beobachtungen, festgehalten werden. Beispielsweise musste dynamisches und spontanes Zeitmanagement praktiziert werden, da die Teamarbeit von vielen äußeren Faktoren beeinflusst wird. Dementsprechend konnten persönlich entwickelte Zeitpläne nicht starr eingehalten werden, sondern mussten flexibel und effektiv angepasst werden. Bei Projektbeginn musste der DAS-Studiengang, bis auf einige vorgegebene Details, von Grund auf sowohl inhaltlich als auch methodisch entwickelt werden. Demzufolge wurde während der inhaltlichen Konzeption klar, dass die Lerneinheiten nicht geplant werden konnten, bevor nicht die Lehrziele und Zielgruppen klar definiert waren (Kapitel 7.3). Das Prinzip des „Primats der Didaktik“ hat sich bestätigt und die Methoden und Medien konnten erst dann konzipiert werden, nachdem die Ziele und Inhalte der Lerneinheit feststanden. Die inhaltliche Konzeption des CAS-Moduls „Energieelektronik“ zeigte auffallend die Unterschiede der physikalischen und der technischen Denkweise. Während die physikalische Denkweise nach der Funktionsweise und deren Erklärung fragt, stand demgegenüber die Technik und Elektronik, welche sich mit der Anwendung und der Vereinbarkeit innerhalb verschiedener Kontexte beschäftigt. Neben den Kompromissen, die zwischen Physik und Technik geschlossen wurden, mussten darüber hinaus weitere Kompromisse zwischen der didaktisch-medientechnischen Seite und den zu vermittelnden Inhalten geschlossen werden. Nicht alle Inhalte eigenen sich für eine webbasierte Darstellung bzw. durch die Lernplattform gilt es, bestimmte Einschränkungen zu umgehen. So mussten verschiedene Varianten und Methoden der lehrerzentierten Wissensvermittlung durchdacht werden, bis sich letztlich auf die Variante mittels auditiver E-Lectures geeinigt wurde. 124 11. Zusammenfassung 11 Zusammenfassung Die webbasierte Lernform im Bereich der Erwachsenenweiterbildung gewinnt zunehmend an Bedeutung, da vor allem die zeitliche und örtliche Flexibilität einen großen Vorteil für im Beruf stehende Personen oder Personen mit verpflichtendem Familienhintergrund bietet. Da der mangelnde soziale Kontakt zwischen den Studierenden untereinander und zwischen den Studierenden und der dozierenden Lehrperson unverzichtbar ist, entwickelte sich aus dem E-Learning das Blended Learning-Konzept, welches dem Teilprojekt „Energiesystemtechnik“ zugrunde liegt. Das hier eingesetzte Blended Learning-Konzept weist einen hohen Anteil an Online-Phasen auf, weshalb die methodischen Ansätze innerhalb der webbasierten Phase zum einen zur Motivationserhaltung und zum anderen zur Wissensvertiefung eine wichtige Komponente darstellen. Da jede Lerneinheit nach gleicher Struktur durchlaufen wird, wurde im Kapitel 8 nach der Vorstellung einer beispielhaften Lerneinheit eine abschließende, die Lerninhalte zusammenfassende Methode vorgestellt („Steckbriefe“). Zudem wurden in Kapitel 9 die den Lernprozess begleitende Methoden vorgestellt, die den lehrerzentrierten, auditiven ELectures eine lerner- und teamzentrierte Arbeitsweise entgegenstellen. Um die Inhalte des Moduls „Energieelektronik“ methodisch nachhaltig umsetzen zu können, wurden dazu die Komponenten für einen effektiven Lernerfolg in einer webbasierten Lernumgebung denen einer erfolgreichen Erwachsenenweiterbildung gegenübergestellt. In der zusammenfassenden Reflexion in Kapitel 10 konnten folgende Aspekte herauskristallisiert werden, an denen sich die Methoden in der webbasierten Erwachsenenweiterbildung orientieren sollten, um einen effektiven und nachhaltigen Lernprozess garantieren zu können. Des Weiteren wurde innerhalb der Projektarbeit deutlich, dass sich nicht alle fachlichen Inhalte zur webbasierten Vermittlung eignen bzw. die Vermittlung durch technische Grenzen beeinträchtigt wird. Wie in Kapitel 9 dargestellt, eignen sich die leistungselektronischen Schaltungen nicht für eine ausschließliche Folienvermittlung bzw. es sind punktuell verbale Anmerkungen durch die dozierende Lehrperson hilfreich, weshalb die lehrerzentrierte Methode der auditiven E-Lectures eingeführt wurde. Durch lernerzentrierte Methoden, die den Lernprozess begleiten, wird eine abwechslungsreiche Lernumgebung geschaffen. 125 11. Zusammenfassung Abbildung 62 veranschaulicht, Bezug nehmend auf Abbildung 10, die in der Arbeit thematisierten und diskutierten Methoden (schwarz hervorgehoben) und bietet gleichzeitig einen Ausblick auf die geplanten Methoden. Abbildung 62: Einteilung der Lernmethoden mit Hervorhebung der in der vorliegenden Arbeit diskutierten Methoden in eigener Darstellung 126 12. Ausblick 12 Ausblick Vor allem innerhalb des ersten Kapitels „Einführung in die Energieelektronik“ sollen Methoden lehrerzentrierten Charakters verstärkt zum Einsatz kommen, damit sich die Studierenden in der neuen Lernsituation orientieren können. Das zweite Kapitel „Grundschaltungen der Leistungselektronik“ wird, wie in Kapitel 8 und 9 dargestellt, sowohl lehrerentriert als auch lernerzentriert gestaltet. Mittels der lernflankierenden Methoden sollen Lernstrukturen vermittelt werden, die selbstständiges Lernen fordern und fördern. Im letzten Kapitel „Anwendungen der Leistungselektronik bzw. Betriebsmittel aus der Leistungselektronik“ sollen vermehrt lernerzentrierte Methoden eingesetzt werden, da sich die Anwendungen der Leistungselektronik an aktuellen und entwicklungsnahen Gebieten (beispielsweise der Einsatz von Leistungselektronik in der Elektromobilität) diskutieren lassen und sich deshalb unter anderem für Projektarbeiten oder Kurzpräsentationen eignen. Um den Studierenden während der Bearbeitung des Moduls eine kontinuierliche Selbstreflexion und sowohl den Lernenden als auch den Lehrenden einen Einblick in den Lernprozess bieten zu können, soll ein selbstgestalteter Lernblog – ähnlich eines Lerntagebuchs – eingerichtet werden. Die Projektplanung sieht vor, dass das CAS-Modul „Energieelektronik“ im Dezember 2014 in die Erprobungsphase geht. Die eingesetzten Methoden werden unter anderem im Zuge der Evaluationsphase ausgewertet, sodass deren Gestaltung gegebenenfalls diskutiert und optimiert werden kann. 127 III Anhang III. Anhang 128 III Anhang A. Steckbriefe der Halbleiterbauelemente Abbildung 63: Lösungsvorschlag für die Diode mit [36], [70], [71] 129 III Anhang Abbildung 64: Lösungsvorschlag für den Thyristor mit [72], [44], [46] 130 III Anhang Abbildung 65: Lösungsvorschlag für den MOSFET mit [58], [73], [74] 131 III Anhang Abbildung 66: Lösungsvorschlag für den IGBT mit [75], [76] 132 III Anhang B. Foliensatz der auditiven E-Lecture 133 III Anhang 134 III Anhang 135 III Anhang 136 III Anhang 137 III Anhang 138 III Anhang C. Übungsaufgaben Kurzaufgaben Frage 1 Wieviel Prozent der weltweiten Stromproduktion werden aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen? Antwort 1 20% stammen aus erneuerbaren Energiequellen, davon wiederum stammen 80% aus Wasserkraft [Quelle: IEA von 2008] Frage 2 a) Warum darf eine Spannungsquelle nicht kurzgeschlossen werden? b) Warum darf eine Stromquelle kurzgeschlossen werden? c) Wie verhält sich ein PV Generator? Darf ein PV Generator kurzgeschlossen werden? Antwort 2 a) Wird eine Spannungsquelle kurzgeschlossen, führt dies zu unkontrollierbaren Kurzschlussströmen. b) Eine Stromquelle, die nicht kurzgeschlossen wird (sich also im Leerlauf befindet), führt zu unkontrollierbaren Überspannungen. c) Ein PV Generator ist eine nicht-ideale Stromquelle. Aus diesem Grund steigt im Leerlauf die Spannung nicht ins Unendliche an, sondern nur bis zu einer bestimmten Spannung, der sogenannten Leerlaufspannung 𝑈0𝐶 . Somit kann ein PV Generator im Kurzschluss betrieben werden oder auch im Leerlaufbetrieb. Frage 3 Nennen Sie drei Vorteile des dreiphasigen Stromnetzes im Vergleich zu einphasigen Systemen. Abbildung 67: Seite 1 der möglichen Übungsaufgaben 139 III Anhang Antwort 3 Ein dreiphasiges System kann… …einfach durch Generatoren erzeugt werden (rotierendes System). ...eine konstante Leistung übertragen (über alle drei Phasen). …kann mit 50% mehr Kabeln 73% mehr Leistung übertragen (im Vergleich zu einphasigen Systemen). …kann direkt ein gleichmäßiges Drehfeld erzeugen, welches mit Drehstrommaschinen für Antriebe genutzt wird. Bestimmung der Halbleiterverluste in einem Abwärtswandler Zur Steigerung des Eigenverbrauchs soll in eine PV-Anlage auf einem Einfamilienhaus (2 kW Leistung, einphasiges System) ein Batteriespeicher integriert werden. Über die Batterieladeelektronik soll eine Lithium-Ionen Batterie an den Eingang des Wechselrichters angeschlossen werden. Zur Vereinfachung der Berechnungen (für eine idealisierte Betrachtung), werden folgende Annahmen getroffen bzw. folgende Angaben sind bekannt: - Der Widerstand der Drossel ist vernachlässigbar, d.h. 𝑅𝐿 = 0 Ω. - Die Stromwelligkeit ist ebenfalls vernachlässigbar klein, da eine große Induktivität 𝐿𝐻 bei einer hohen Schaltfrequenz 𝑓𝑆 gewählt wird. - Die PV-Spannung beträgt 𝑈𝑀𝑃𝑃 = 350 𝑉. - Die Netzspannung beträgt 𝑈𝑁 = 230 𝑉. - Die Generator-Leistung beträgt 𝑃𝑃𝑉−𝐺𝑒𝑛 = 2 𝑘𝑊. - Die Batteriespannung beträgt 𝑈𝐵𝑎𝑡 = 50 𝑉. Abbildung 68: Seite 2 der möglichen Übungsaufgaben 140 III Anhang Teilaufgabe 1 Um die Batterie laden zu können, muss die Spannung am PV-Generator an die Batteriespannung angepasst werden. Dazu soll ein Abwärtswandler eingesetzt werden. Wie sieht das Schaltbild des Tiefsetzstellers aus? Lösung der Teilaufgabe 1 𝑰𝑴𝑷𝑷 = 𝑃 𝑈𝑀𝑃𝑃 𝑰𝑩𝒂𝒕 = = 2 𝑘𝑊 2000 𝑊 = ≈ 𝟓, 𝟕𝟏 𝑨 350 𝑉 350 𝑉 𝑃 2 𝑘𝑊 2000 𝑊 = = = 𝟒𝟎 𝑨 𝑈𝐵𝑎𝑡 50 𝑉 50 𝑉 Teilaufgabe 2 Die PV-Spannung beträgt 𝑈𝑀𝑃𝑃 = 350 𝑉. Die Batterie hat eine Arbeitsspannung von 𝑈𝐵𝑎𝑡 = 50 𝑉. Mit welcher relativen Einschaltdauer D wird der Abwärtswandler getaktet? Lösung der Teilaufgabe 2 𝑫= 𝑈𝐵𝑎𝑡 50 𝑉 1 = = ≈ 𝟎, 𝟏𝟒 𝑈𝑀𝑃𝑃 350 𝑉 7 Teilaufgabe 3 Das Batterieladegerät arbeitet mit einer Taktfrequenz von 𝑓𝑆 = 20 𝑘𝐻𝑧. Wie lange fließt der Strom über die Diode und wie lange über den Transistor (während einer Periode)? Abbildung 69: Seite 3 der möglichen Übungsaufgaben 141 III Anhang Lösung der Teilaufgabe 3 𝑇= 1 1 1 = = = 50 𝜇𝑠 𝑓𝑆 20 𝑘𝐻𝑧 20.000 𝐻𝑧 𝑻𝑻𝒓𝒂𝒏𝒔𝒊𝒔𝒕𝒐𝒓 = 𝑻𝑫𝒊𝒐𝒅𝒆 = 1 ⋅ 50 𝜇𝑠 ≈ 𝟕, 𝟏𝟒 𝝁𝒔 7 6 ⋅ 50 𝜇𝑠 ≈ 𝟒𝟐, 𝟖𝟔 𝝁𝒔 7 Teilaufgabe 4 Welche Spannungen liegen an den Anschlüssen des Transistors während der AUS-Phase (Strom fließt über Diode) an? Welche Spannung fällt über der Diode während der AN-Phase (Strom fließt über Transistor) ab? Lösung der Teilaufgabe 4 Diode leitet 𝑈𝑆𝑝𝑒𝑟𝑟 _𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 = 350 𝑉 Transistor leitet 𝑈𝑆𝑝𝑒𝑟𝑟 _𝐷𝑖𝑜𝑑𝑒 = 350 𝑉 Teilaufgabe 5 Das Batterieladegerät soll so ausgelegt sein, dass die maximal von PV-Generator erzeugte Leistung in der Batterie zwischengespeichert werden kann. Für welchen maximalen Eingangsstrom 𝐼𝑒𝑖𝑛 und für welchen maximalen Ausgangsstrom 𝐼𝑎𝑢𝑠 muss die Ladeelektronik ausgelegt werden? Lösung der Teilaufgabe 5 𝑃𝑃𝑉−𝐺𝑒𝑛 = 2 𝑘𝑊 ⇒ 𝑰𝒆𝒊𝒏 = 𝑰𝒂𝒖𝒔 = 𝑃 2 𝑘𝑊 2000 𝑊 = = ≈ 𝟓, 𝟕𝟏 𝑨 𝑈𝑒𝑖𝑛 350 𝑉 350 𝑉 𝑃 2 𝑘𝑊 2000 𝑊 = = = 𝟒𝟎 𝑨 𝑈𝑎𝑢𝑠 50 𝑉 50 𝑉 Abbildung 70: Seite 4 der möglichen Aufgaben 142 III Anhang Teilaufgabe 6 Als Transistor wird ein Silicon SuperFET™ FCP47F60 (600 𝑉/47 𝐴) verwendet. Als Diode findet eine Ultra Fast Recovery FFB47U60S (600 𝑉/47 𝐴) von Fairchild Semiconductor™ ihren Einsatz. Der integrierte Kühlkörper ist für eine Arbeitsspannung der Halbleiter bei 𝑇 = 100 °𝐶 dimensioniert. Es wird angenommen, dass der Kanalwiderstand des MOSFETs einen Temperaturgradienten der Größe +1,35 𝑚𝛺/ 𝐾 hat, die Durchlassspannung 𝑈𝐹0 der Diode einen Temperaturgradienten der Höhe ‐ 2 𝑚𝑉/𝐾 aufweist und der Serienwiderstand der Diode 𝑅𝐷 (𝑇) bei variierender Temperatur konstant bleibt. Stellen Sie die Gleichungen der Leitungsverluste für beide Halbleiter auf und berechnen Sie die Leitungsverluste (Angabe in [W]) bei einem Strom von 𝐼𝐷𝑆 = 7 𝐴 und der Temperatur 𝑇 = 100 °𝐶. Aus der Vorlesung sind folgende Zusammenhänge bekannt: - MOSFET: 𝑈𝐷𝑆 = 𝑅𝐷𝑆,𝑜𝑛 (𝑇) ⋅ 𝐼𝐷𝑆 mit 𝑅𝐷𝑆,𝑜𝑛 (25°𝐶) = 15 𝑚Ω - Diode: 𝑈𝐹 = 𝑈𝐹0 (𝑇) + 𝑅𝐷 (𝑇) ⋅ 𝐼𝐷 bei 𝑈𝐹0 = 0,65 𝑉 und 𝑅𝐷 (25°𝐶) = 0,07 Ω Lösung der Teilaufgabe 6 2 𝑃𝐿𝑒𝑖𝑡 _𝑀𝑂𝑆 = 𝑈𝐷𝑆 ⋅ 𝐼𝐷𝑆 ⋅ 𝐷 = 𝑅𝐷𝑆,𝑜𝑛 (100 °𝐶) ⋅ 𝐼𝐷𝑆 ⋅𝐷 𝑅𝐷𝑆,𝑜𝑛 (100 °𝐶) = 𝑅𝐷𝑆,𝑜𝑛 (25 °𝐶) + 1,35 = 15 𝑚𝛺 + 1,35 𝑚𝛺 ⋅ (𝑇100 °𝐶 − 𝑇25 °𝐶 ) 𝐾 𝑚𝛺 ⋅ 75 𝐾 = 0,11625 𝛺 = 116 𝑚𝛺 𝐾 ⇒ 𝑷𝑳𝒆𝒊𝒕_𝑴𝑶𝑺 = 116 𝑚𝛺 ⋅ (7 𝐴)2 ⋅ 0,14 = 𝟎, 𝟕𝟗𝟓𝟖 𝑾 𝑃𝐿𝑒𝑖𝑡 _𝐷𝑖𝑜𝑑𝑒 = 𝑈𝐹 ⋅ 𝐼𝐷𝑆 ⋅ 𝐷 = (𝑈𝐹0 (100 °𝐶) + 𝑅𝐷 (100 °𝐶) ⋅ 𝐼𝐷 ) ⋅ 𝐼𝐷𝑆 ⋅ (1 − 𝐷) = (𝑈𝐹0 (100 °𝐶) + 𝑅𝐷 (25 °𝐶) ⋅ 𝐼𝐷𝑆 ) ⋅ 𝐼𝐷𝑆 ⋅ 𝐷 𝑈𝐹0 (25 °𝐶) = 𝑈𝐹0 − 2 𝑚𝑉 𝑉 ⋅ (𝑇100 °𝐶 − 𝑇25 °𝐶 ) = 0,65 𝑉 − 0,002 ⋅ 75 𝐾 𝐾 𝐾 = 0,5 𝑉 Abbildung 71: Seite 5 der möglichen Übungsaufgaben 143 III Anhang Teilaufgabe 7 Die Einschaltverluste des SuperFET™ betragen 𝐸𝑂𝑁 = 0,35 𝑚𝐽 und 𝐸𝑂𝐹𝐹 = 0,16𝑚𝐽 beim Ausschalten bei einer Sperrspannung 𝑈𝑆𝑝𝑒𝑟𝑟 _𝑀𝑂𝑆 = 350 𝑉 und einem Drainstrom 𝐼𝐷 = 7 𝐴. Welche Schaltverluste entstehen bei der oben angenommenen Schaltfrequenz? Lösung der Teilaufgabe 7 𝑷𝑺𝒄𝒉𝒂𝒍𝒕_𝑴𝑶𝑺 = (𝐸𝑂𝑁 + 𝐸𝑂𝐹𝐹 ) ⋅ 𝑓𝑆 = (0,35 𝑚𝐽 + 0,16 𝑚𝐽) ⋅ 20 𝑘𝐻𝑧 = (0,00035 𝐽 + 0,00016 𝐽) ⋅ 20.000 𝐻𝑧 = 𝟏𝟎, 𝟐 𝑾 Teilaufgabe 8 a) Die Ladung des Reverse-Recovery-Effekts 𝑄𝑅𝑅 der Diode betrage 𝑄𝑅𝑅 = 180 𝑛𝐶. Es wird eine Sperrspannung von 𝑈𝑆𝑝𝑒𝑟𝑟 _𝐷𝑖𝑜𝑑𝑒 = 350 𝑉 angenommen. Wie groß ist die parasitäre Kapazität der Diode? b) Es wird angenommen, dass die komplette Ladung der parasitären Kapazität beim Einschalten verloren geht. Welcher Energie entspricht dies (Angabe in [𝑚𝐽])? c) Der Ladevorgang eines Kondensators ist verlustbehaftet. Es wird davon ausgegangen, dass beim Ladevorgang die Hälfte der notwendigen Energie verloren geht. Wieviel Energie ist nötig, damit die parasitäre Kapazität der Diode geladen werden kann? Lösung der Teilaufgabe 8 a) 𝑪𝑫𝒊𝒐𝒅𝒆 = 𝑈 1 𝑄 𝑀𝑃𝑃 = 180 𝑛𝐶 350 𝑉 ≈ 𝟎, 𝟓𝟏 𝒏𝑭 1 2 b) 𝑬 = 2 ⋅ 𝐶 ⋅ 𝑈𝑀𝑃𝑃 = 2 ⋅ 0,51 𝑛𝐹 ⋅ (350 𝑉)2 ≈ 𝟎, 𝟎𝟑𝟏𝟐 𝒎𝑱 c) 𝟐 ⋅ 𝑬 = 𝟎, 𝟎𝟔𝟐𝟒 𝒎𝑱 Abbildung 72: Seite 6 der möglichen Übungsaufgaben 144 III Anhang Teilaufgabe 9 Welche Schaltverluste entstehen bei der gegebenen Schaltfrequenz der Diode? Lösung der Teilaufgabe 9 𝑷𝑺𝒄𝒉𝒂𝒍𝒕_𝑫𝒊𝒐𝒅𝒆 = 𝐸 ⋅ 𝑓𝑆 = 0,0624 𝑚𝐽 ⋅ 20 𝑘𝐻𝑧 = 𝟏, 𝟐𝟒 𝑾 Teilaufgabe 10 Wieviel Schaltverluste entstehen in dem Batterieladegerät (Diode + Transistor)? Berechnen Sie die entstehenden Leitverluste. Lösung der Teilaufgabe 10 𝑷𝑺𝒄𝒉𝒂𝒍𝒕 = 𝑃𝑆𝑐ℎ𝑎𝑙𝑡 _𝑀𝑂𝑆 + 𝑃𝑆𝑐ℎ𝑎𝑙𝑡 _𝐷𝑖𝑜𝑑𝑒 = 10,2 𝑊 + 1,24 𝑊 = 𝟏𝟏, 𝟒𝟒 𝑾 𝑷𝑳𝒆𝒊𝒕 = 𝑃𝐿𝑒𝑖𝑡 _𝑀𝑂𝑆 + 𝑃𝐿𝑒𝑖𝑡 _𝐷𝑖𝑜𝑑𝑒 = 0,7958 𝑊 + 5,96 𝑊 = 𝟔, 𝟕𝟓𝟓𝟖 𝑾 Teilaufgabe 11 Falls keine anderen Verluste betrachtet werden, wie groß ist der Wirkungsgrad des Batterieladegeräts beim Laden? Lösung der Teilaufgabe 11 𝑃𝑒𝑖𝑛 = 7 𝐴 ⋅ 350 𝑉 = 2450 𝑊 = 2,45 𝑘𝑊 𝑃𝛴 = 𝑃𝑆𝑐ℎ𝑎𝑙𝑡 + 𝑃𝐿𝑒𝑖𝑡 = 11,44 𝑊 + 6,7558 𝑊 = 18,1958 𝑊 𝜂= 𝑃𝑎𝑢𝑠 𝑃𝑒𝑖𝑛 − 𝑃𝛴 2450 𝑊 − 18,1958 𝑊 = = ≈ 0,993 𝑃𝑒𝑖𝑛 𝑃𝑒𝑖𝑛 2450 𝑊 ⇒ 𝜼 = 𝟗𝟗, 𝟑 % Teilaufgabe 12 Die Diode des Batterieladegeräts wird durch einen baugleichen Transistor ausgetauscht. Welche Möglichkeit ergibt sich dadurch? Abbildung 73: Seite 7 der möglichen Übungsaufgaben 145 III Anhang Lösung der Teilaufgabe 12 Durch Ersatz der Diode durch einen weiteren Schalter erhält man einen Synchronwandler, der durch Vertauschen des Eingangs und Ausgangs als Aufwärtswandler eingesetzt werden kann. Berechnung der Induktivität 𝑳 eines Gleichstrommotors (Übungsaufgabe nach Probst, 2008) Ein Gleichstrommotor wird aus einer Batterie mittels eines Gleichstromstellers versorgt. An der Batterie liegt eine Spannung von 175 𝑉 an. Die Schaltfrequenz, mit der der Transistor betrieben wird, beträgt 8,45 𝑘𝐻𝑧. Die Ankerspannung des Motors hat einen Wert von 115 𝑉, wobei der mittlere Ankerstrom mit 𝐼𝐴 = 150 𝐴 fließt. Wie groß muss die Induktivität 𝐿 gewählt werden, damit die Welligkeit des Ankerstroms 10 % Abweichung nicht übersteigt? Lösung 𝑇𝑆 = 1 1 = ≈ 0,00012 𝑠 𝑓𝑆 8450 𝐻𝑧 𝐷= 𝑈𝑎 115 𝑉 = ≈ 0,657 𝑈𝑒 175 𝑉 𝛥𝐼𝐿 = 0,1 ⇒ 𝛥𝐼𝐿 = 0,1 ⋅ 150 𝐴 = 15 𝐴 𝐼𝐿 𝑳𝑴𝒊𝒏 = 𝑈𝑒 − 𝑈𝑎 𝑇𝑆 60 𝑉 0,00012 𝑠 ⋅ = ⋅ ≈ 0,00024 𝐻 = 𝟐𝟒𝟎 𝝁𝑯 𝛥𝐼𝐿,𝑠𝑜𝑙𝑙 2 15 𝐴 2 Abbildung 74: Seite 8 der möglichen Übungsaufgaben 146 III Anhang Der Strom- und Spannungsverlauf Skizzieren Sie für das Tastverhältnis 𝐷 = 𝑡 𝑒𝑖𝑛 𝑇𝑆 = 𝑈𝑎 𝑈𝑒 = 0,42 den Verlauf von 𝑈𝐷 (𝑡), 𝑈𝐿 (𝑡) und 𝐼𝐿 (𝑡). Es wird der nichtlückende Betrieb (= kontinuierlicher Stromfluss in der Induktivität) angenommen. Folgende Angaben sind gegeben: - 𝑈𝑒 = 75 𝑉 - 𝐿 = 100 𝜇𝐻 - 𝑅 = 6Ω - 𝑓𝑆 = 𝑇 = 25 𝑘𝐻𝑧 1 𝑆 Lösung Berechnung der Angaben für den Spannungsverlauf an der Diode 𝑈𝐷 (𝑡): 𝑓𝑠 = 25 𝑘𝐻𝑧 ⇒ 𝑇𝑆 = 1 1 = = 4 ⋅ 10−5 𝑠 𝑓𝑆 25000 𝐻𝑧 𝑡𝑒𝑖𝑛 = 𝐷 ⋅ 𝑇𝑆 = 0,42 ⋅ 4 ⋅ 10−5 𝑠 = 1,68 ⋅ 10−5 𝑠 𝑡𝑎𝑢𝑠 = 𝑇𝑆 − 𝑡𝑒𝑖𝑛 = 2,32 ⋅ 10−5 𝑠 Berechnung der Angaben für den Spannungsverlauf an der Induktivität 𝑈𝐿 (𝑡): 𝑈𝐿𝑒𝑖𝑛 = 𝑈𝑒 − 𝑈𝑎 = 𝑈𝑒 − 𝐷 ⋅ 𝑈𝑒 = 𝑈𝑒 ⋅ (1 − 𝐷) = 0,58 ⋅ 75 𝑉 = 43,5 𝑉 𝑈𝐿𝑎𝑢𝑠 = −𝑈𝑎 = −𝐷 ⋅ 𝑈𝑒 = −0,42 ⋅ 75 𝑉 = −31,5 𝑉 Abbildung 75: Seite 9 der möglichen Übungsaufgaben 147 Fehler! Verwenden Sie die Registerkarte 'Start', um Kein Leerraum;Verzeichnisse dem Text zuzuweisen, der hier angezeigt werden soll. Fehler! Verwenden Sie die Registerkarte 'Start', um Kein Leerraum;Verzeichnisse dem Text zuzuweisen, der hier angezeigt werden soll. III Anhang Berechnung der Angaben für den Stromverlauf an der Induktivität 𝐼𝐿 (𝑡): 𝛥𝐼𝐿 = (𝑈𝑒 − 𝑈𝑎 ) ⋅ 𝑡𝑒𝑖𝑛 1,68 ⋅ 10−5 𝑠 = (75 𝑉 − 31,5 𝑉) ⋅ = 7,31 𝐴 𝐿 100 𝜇𝑠 𝑈𝑎 𝑈𝑒 75 𝑉 =𝐷⋅ = 0,42 ⋅ = 5,25 𝐴 𝑅 𝑅 6𝛺 𝛥𝐼𝐿 7,31 𝐴 𝐼𝐿𝑀𝑖𝑛 = 𝐼𝐿 − = 5,25 𝐴 − = 1,595 𝐴 2 2 𝛥𝐼𝐿 7,31 𝐼𝐿𝑀𝑎𝑥 = 𝐼𝐿 + = 5,25 𝐴 + 𝐴 = 8,91 𝐴 2 2 𝐼𝐿 = Abbildung 76: Seite 10 der möglichen Übungsaufgaben 148 IV Abbildungsverzeichnis IV. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Anforderungen an neue Bildungskonzepte [3] .................................................. 4 Abbildung 2: Dreigeteilte Rolle des Lehrenden in eigener Darstellung: Teaching, Tutoring, Coaching ................................................................................................ 9 Abbildung 3: Grundgerüst des Blended Learning-Konzepts nach [7] ................................. 18 Abbildung 4: Sortierung der Lernmethoden nach [3] ............................................................. 27 Abbildung 5: Betriebliche Bildungsanbieter im Laufe der Zeit nach [8] ............................. 33 Abbildung 6: Logos der Verbundpartner ................................................................................. 35 Abbildung 7: Förderer und Unterstützer des Projektes ......................................................... 36 Abbildung 8: Baukastenprinzip der Swissuni ........................................................................... 36 Abbildung 9: Modulstruktur des DAS-Studiengangs Energiesystemtechnik ...................... 39 Abbildung 10: Lernmethoden der Plattform ILIAS in eigener Darstellung .......................... 40 Abbildung 11: Darstellung der thematischen Bereiche der Energieelektronik in eigener Darstellung ............................................................................................................ 41 Abbildung 12: Ablauf der Module Energieelektronik und Intelligente Energienetze .......... 43 Abbildung 13: Variationsmöglichkeiten der Präsenz- und Online-Phasen nach [19]........... 44 Abbildung 14: Gruppierung der vier Stromrichterarten ........................................................... 47 Abbildung 15: Weiterentwicklungstendenzen von Leistungsmodulen [24] ........................... 50 Abbildung 16: Der Prozess der methodischen Arbeit nach [3] ............................................... 54 Abbildung 17: Überblick der Methoden im Orientierungsmodell nach [3] ........................... 55 Abbildung 18: Leiter, Halbleiter und Isolatoren im Bändermodell nach [33]........................ 62 Abbildung 19: links: Grundstruktur von Silizium, Mitte: n-Dotierung von Silizium, rechts: p-Dotierung von Silizium [35]............................................................................ 63 Abbildung 20: Schaltbild der Diode [36] ..................................................................................... 64 149 IV Abbildungsverzeichnis Abbildung 21: links: Betrieb der Diode in Durchlassrichtung, rechts: Betrieb der Diode in Sperrrichtung nach [37] ....................................................................................... 65 Abbildung 22: oben: Diffusionsvorgang am pn-Übergang; unten: Ausbildung der Raumladungszone [38] ........................................................................................ 66 Abbildung 23: oben: Ausbildung eines sperrenden pn-Übergangs; unten: Ausbildung eines leitenden pn-Übergangs [39]............................................................................... 67 Abbildung 24: Verhalten einer Diode im Wechselstromkreis nach [40] ................................ 68 Abbildung 25: Brückengleichrichter nach [41] ........................................................................... 68 Abbildung 26: Analoge Darstellung des Brückengleichrichters [41] ....................................... 69 Abbildung 27: Darstellung der realen Diode nach [20] ............................................................. 70 Abbildung 28: reale Kennlinie der Diode [36] ............................................................................ 72 Abbildung 29: Aufbau einer Schottky-Diode nach [43] ............................................................ 72 Abbildung 30: Aufbau eines Thyristors [44] ............................................................................... 73 Abbildung 31: reale Kennlinie einer Thyristordiode [46].......................................................... 74 Abbildung 32: Schaltbilder zu Feldeffekttransistoren [50] ....................................................... 76 Abbildung 33: Untergliederung der Feldeffekttransistoren nach [31]..................................... 77 Abbildung 34: Aufbau eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors [51] ...................................... 78 Abbildung 35: Aufbau eines Isolierschicht-FET [52] ................................................................ 79 Abbildung 36: Aufbau eines MOSFET [54] ............................................................................... 80 Abbildung 37: Schaltbild eines n-Kanal MOSFETs mit Inversdiode [55] ............................. 81 Abbildung 38: Strukturbilder zu den unterschiedlichen Kennlinien-Bereichen des MOSFET [57] ....................................................................................................... 81 Abbildung 39: Kennlinie des MOSFET [58] .............................................................................. 82 Abbildung 40: links: Schichtaufbau, Mitte: Diodenanalogie; rechts: Schaltzeichen des Bipolartransistors [59].......................................................................................... 84 150 IV Abbildungsverzeichnis Abbildung 41: Kennlinie des Bipolartransistors [60] ................................................................. 85 Abbildung 42: Funktionsweise des npn-Transistors im aktiven Betrieb [61] ........................ 86 Abbildung 43: links: Vereinfachtes Ersatzschaltbild des IGBTs ; rechts: Aufbau des IGBTs [62] .......................................................................................................................... 87 Abbildung 44: Entwicklung des IGBTs von einer planaren Gate-Struktur zu einem vertikal angeordneten Trench-Gate [63] ......................................................................... 89 Abbildung 45: Entwicklungsschritte des IGBT in den letzten Jahren [64] ............................ 90 Abbildung 46: Entwicklung des MOSFET [65] ......................................................................... 90 Abbildung 47: Aufbau einer Drossel [66].................................................................................... 92 Abbildung 48: links: ideale Drossel; rechts: Ersatzschaltung der realen Drossel nach [56] . 93 Abbildung 49: Lade- und Entladelinie einer Drossel ................................................................ 94 Abbildung 50: links: Schaltbild des idealen Kondensators; rechts: Ersatzschaltbild des realen Kondensators nach [56]........................................................................... 96 Abbildung 51: Lade- und Entladelinie des Kondensators [67] ................................................ 97 Abbildung 52: oben: B2-Schaltung ohne Spannungsglättung, unten: B2-Schaltung mit Spannungsglättung nach [68] .............................................................................. 99 Abbildung 53: Muster für die vorgestellte Methode („Steckbrief")....................................... 101 Abbildung 54: Möglicher Glossareintrag [20], [22] .................................................................. 108 Abbildung 55: Screenshot eines beispielhaften Glossareintrags auf der Lernplattform ILIAS ................................................................................................................... 109 Abbildung 56: Frage 1 des Selbsttests ........................................................................................ 116 Abbildung 57: Frage 2 des Selbsttests ........................................................................................ 117 Abbildung 58: Frage 3 des Selbsttests ........................................................................................ 117 Abbildung 59: Frage 4 des Selbsttests ........................................................................................ 117 Abbildung 60: Frage 5 des Selbsttests ........................................................................................ 118 151 IV Abbildungsverzeichnis Abbildung 61: Frage 6 des Selbsttests........................................................................................ 118 Abbildung 62: Einteilung der Lernmethoden mit Hervorhebung der in der vorliegenden Arbeit diskutierten Methoden in eigener Darstellung .................................. 126 Abbildung 63: Lösungsvorschlag für die Diode mit [36], [70], [71] ...................................... 129 Abbildung 64: Lösungsvorschlag für den Thyristor mit [72], [44], [46] ............................... 130 Abbildung 65: Lösungsvorschlag für den MOSFET mit [58], [73], [74] .............................. 131 Abbildung 66: Lösungsvorschlag für den IGBT mit [75], [76] .............................................. 132 Abbildung 67: Seite 1 der möglichen Übungsaufgaben .......................................................... 139 Abbildung 68: Seite 2 der möglichen Übungsaufgaben .......................................................... 140 Abbildung 69: Seite 3 der möglichen Übungsaufgaben .......................................................... 141 Abbildung 70: Seite 4 der möglichen Aufgaben ....................................................................... 142 Abbildung 71: Seite 5 der möglichen Übungsaufgaben .......................................................... 143 Abbildung 72: Seite 6 der möglichen Übungsaufgaben .......................................................... 144 Abbildung 73: Seite 7 der möglichen Übungsaufgaben .......................................................... 145 Abbildung 74: Seite 8 der möglichen Übungsaufgaben .......................................................... 146 Abbildung 75: Seite 9 der möglichen Übungsaufgaben .......................................................... 147 Abbildung 76: Seite 10 der möglichen Übungsaufgaben ........................................................ 148 152 V Tabellenverzeichnis V. Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Übersicht einiger Vor- und Nachteile des E-Learnings in eigener Darstellung nach [6], [7] ........................................................................................ 7 Tabelle 2: Vergleich verschiedener Komponenten des Behaviorismus, des Kognitivismus und des Konstruktivismus nach [9] ........................................ 14 Tabelle 3: Vor- und Nachteile der CBTs in eigener Darstellung nach [4], [6] .............. 15 Tabelle 4: Bekannteste Beispiele für synchrone Kommunikation in eigener Darstellung nach [6] .................................................................................................................. 21 Tabelle 5: Bekannteste Beispiele für asynchrone Kommunikation in eigener Darstellung nach [6] ............................................................................................. 22 Tabelle 6: Übersicht einiger Vor- und Nachteile des Blended Learnings in eigener Darstellung nach [5], [8], [10] ............................................................................. 24 Tabelle 7: Die lehrerzentrierten Methoden des Bereichs Online Teaching in eigener Darstellung nach [3] ............................................................................................. 28 Tabelle 8: Die lernerzentrierten Methoden des Bereichs Online Assignments in eigener Darstellung nach [3] ............................................................................... 29 Tabelle 9: Die teamzentrierten Methoden des Bereichs Online Discussions in eigener Darstellung nach [3] ............................................................................................. 31 Tabelle 10: Die lerner-/teamzentrierten Methoden des Bereichs Online Tutorials in eigener Darstellung nach [3] ............................................................................... 31 Tabelle 11: Darstellung der Gliederung des Moduls "Energieelektronik" ....................... 46 Tabelle 12: Beispielhafter Ablauf der Lerneinheit "Bauelemente der Leistungselektronik" mit den zugehörigen Icons, die auf der Lernplattform ILIAS ihre Anwendung finden werden ............................................................ 59 153 V Tabellenverzeichnis Tabelle 13: Gegenüberstellung der Aspekte, die für einen nachhaltigen Lernerfolg sorgen, zum einen in einer webbasierten Lernumgebung und zum anderen in der Erwachsenenweiterbildung ................................................................... 122 154 VI Literaturverzeichnis VI. [1] Literaturverzeichnis S. Magnus, E-Learning: Die Zukunft des digitalen Lernens im Betrieb, Wiesbaden: Gabler Verlag, 2001, ISBN 3-409-11769-5. [2] V. Uhl, Virtuelle Hochschulen auf dem Bildungsmarkt, Wiesbaden: Deutscher Universitäts-Verlag GmbH, 2003, ISBN 978-3-8244-0681-4. [3] S. Seufert, A. Back und M. Häusler, E-Learning - Weiterbildung im Internet: Das "Plato-Cookbook" für internetbasiertes Lernen, Kilchberg: SmartBooks Publishing AG, 2001, ISBN 3-908490-53-7. [4] A. Pachner, Entwicklung und Förderung von selbst gesteuertem Lernen in BlendedLearning-Umgebungen: Eine Interventionsstudie zum Vergleich von Lernstrategietraining und Lerntagebuch, Münster: Waxmann Verlag GmbH, 2009, ISBN 978-3-8309-2231-5. [5] I. Schmidt, Blended E-Learning: Strategie, Konzeption, Praxis, Saarbrücken: VDM Verlag Dr. Müller, 2005, ISBN 978-3865501363. [6] W. Moriz, Blended-Learning: Entwicklung, Gestaltung, Betreuung und Evaluation von E-Learningunterstütztem Unterricht, Norderstedt: Books on Demand GmbH, 2008, ISBN 978-3-8370-4283-2. [7] H. Kröger und A. Reisky, Blended Learning - Erfolgsfaktor Wissen, Bielefeld: W. Bertelsmann Verlag GmbH&Co.KG, 2004, ISBN 3-7639-3141-4. [8] A. M. Sauter, W. Sauter und H. Bender, Blended Learning: Effiziente Integration von E-Learning und Präsenztraining, Unterschleißheim/München: Wolters Kluwer Deutschland GmbH, 2004, ISBN 3-472-05592-8. [9] G. Maresch, Blended-Learning-Didaktik, Innsbruck/Wien/Bozen: StudienVerlag, 2008, ISBN 978-3-7065-4550-1. [10] P. Arnold, L. Kilian, A. Thillosen und G. Zimmer, E-Learning: Handbuch für 155 VI Literaturverzeichnis Hochschulen und Bildungszentren: Didaktik, Organisation, Qualität, Nürnberg: BW Bildung und Wissen/Verlag und Software GmbH, 2004, ISBN 3-8214-7235-9. [11] S. Dietrich und M. Herr, Support für Neue Lehr- und Lernkulturen, Bielefeld: W. Bertelsmann Verlag GmbH&Co.KG, 2005, ISBN 3-7639-1916-3. [12] M. Fredebeul, Situiertes Lernen und Blended Learning: Didaktische Konzeption und methodische Gestaltungsansätze, Saarbrücken: VDM Verlag Dr. Müller, 2007, ISBN 978-3-8364-1447-0. [13] P. Arnold, L. Kilian, A. Thillosen und G. Zimmer, Handbuch E-Learning: Lehren und Lernen mit digitalen Medien, Bielefeld: W. Bertelsmann Verlag, 2011, ISBN 978-3-7639-4888-8. [14] S. Walter, Blended Learning in der Hochschule: Entwicklung, Implementation und Evaluation eines didaktischen Konzepts am Beispiel der Wirtschaftsinformatik, Freiburg i. Br.: Rudolf Haufe Verlag, 2007, ISBN 978-3-448-08664-5. [15] S. Münzer und U. Lindner, Gemeinsam online lernen, Bielefeld: W. Bertelsmann Verlag GmbH&Co.KG, 2004, ISBN 3-7639-3206-2. [16] „Fraunhofer Academy,“ 24 März 2014. [Online]. Available: http://www.academy.fraunhofer.de/. [Zugriff am 31 März 2014]. [17] M. Kunkel, Das offizielle ILIAS 4-Praxishandbuch: Gemeinsam online lernen, arbeiten, kommunizieren, München: Addison-Wesley-Verlag, 2011, ISBN 978-38273-2963-9. [18] „Albert-Ludwigs-Universität Freiburg,“ 2014. [Online]. Available: https://www.rz.uni-freiburg.de/services/elearning/ewerkzeuge/lmsilias/ilias. [Zugriff am 11 März 2014]. [19] U. Iberer, Bildungsmanagement von Blended Learning: Integrierte Lernkonzepte steuern und gestalten, Marburg: Tectum Verlag, 2010, ISBN 978-3-8288-2314-3. 156 VI Literaturverzeichnis [20] J. Specovius, Grundkurs Leistungselektronk: Bauelemente, Schaltungen und Systeme, Wiesbaden: Vieweg + Teubner Verlag, 2009, ISBN 978-3-8348-0557-7. [21] R. Lappe, H. Conrad und M. Kronberg, Leistungselektronik, Berlin: Verlag Technik GmbH, 1991, ISBN 3-341-00970-1. [22] U. Probst, Leistungselektronik für Bachelors, München: Carl Hanser Verlag, 2008, ISBN 978-3-446-40784-8. [23] D. G. Miller, „Elektroniknet,“ 25 November 2011. [Online]. Available: http://www.elektroniknet.de/halbleiter/leistungshalbleiter/artikel/84079/0/. [Zugriff am 26 Februar 2014]. [24] U. Nicolai, „Elektronik Praxis,“ 27 Februar 2013. [Online]. Available: http://www.elektronikpraxis.vogel.de/leistungselektronik/articles/396193/index2.h tml. [Zugriff am 19 März 2014]. [25] F. E. Weinert, Leistungsmessungen in der Schule, Weinheim/Basel: Beltz Verlag, 2002, ISBN 3-407-25243-9. [26] S. Döring, „Formulierung von Lernzielen,“ 2010. [Online]. Available: http://www.thyssenweb.de/assets/files/fd_documents/planungshilfen/Handreichung_Formulierung%2 0von%20Lernzielen_secolayout_100302.pdf. [Zugriff am 3 April 2014]. [27] G. Steindorf, Grundbegriffe des Lehrens und Lernens, Bad Heilbrunn/Obb.: Klinkhardt, 2000, ISBN 3-7815-1069-7. [28] H. Merkens, Pädagogische Institutionen, Wiesbaden: VS Verlag für Sozialwissenschaften/ GWV Fachverlage GmbH, 2006, ISBN 3-531-14971-7. [29] J. K. Weichler und A. Pichler, „Freiräume für Wissenschaftliche Weiterbildung,“ 2014. [Online]. Available: http://www.offenehochschule.unifreiburg.de/Teilprojekte/energiesystemtechnik_ISE. [Zugriff am 31 März 2014]. 157 VI Literaturverzeichnis [30] L. Preis, Problemorientiertes Lernen anhand der Erstellung des CAS Moduls Intelligente Energienetze, Freiburg, 2014. [31] F. W. Garbrecht, Basiswissen Elektronik, Berlin/Offenbach: VDE Verlag GmbH, 2003, ISBN 3-8007-2730-7. [32] W. Demtröder, Experimentalphysik 3: Atome, Moleküle und Festkörper, Heidelberg/ London/ New York: Springer-Verlag, 2010. [33] P. Laube, „Halbleitertechnologie von A bis Z,“ 1 Februar 2013. [Online]. Available: http://www.halbleiter.org/grundlagen/leiter/. [Zugriff am 20 März 2014]. [34] D. Zastrow, Elektronik, Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag, Springer Fachmedien, 2012, ISBN 978-3-8348-2451-6. [35] [Online]. Available: http://olli.informatik.unioldenburg.de/weTEiS/weteis/halbleiter.htm. [Zugriff am 19 März 2014]. [36] „Elektronik Kompendium,“ 2014. [Online]. Available: https://www.elektronikkompendium.de/sites/bau/0201113.htm. [Zugriff am 19 März 2014]. [37] E. Moltrecht, „Amateurfunklehrgang Klasse A,“ 30 Juni 2010. [Online]. Available: http://www.dj4uf.de/lehrg/a05/a05.html. [Zugriff am 20 März 2014]. [38] „Die Chemie-Schule,“ [Online]. Available: http://www.chemieschule.de/chemie_Wiki/index.php?title=Datei:Sperrschicht.svg&page=1. [Zugriff am 20 März 2014]. [39] 1 Juli 1999. [Online]. Available: http://web.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/webhu-lectures/hu-lectures/www-eep.physik.huberlin.de/_hebbeker/lectures/i299_l12.html. [Zugriff am 20 März 2014]. [40] „Elektrik,“ [Online]. Available: http://www.beyenbach.de/physik/elektrik.htm. [Zugriff am 19 März 2014]. [41] „Elektronik Kompendium,“ 2014. [Online]. Available: http://www.elektronik- 158 VI Literaturverzeichnis kompendium.de/sites/slt/1807181.htm. [Zugriff am 20 März 2014]. [42] W. Demtröder, Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik, Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, 2009, ISBN 978-3-540-68210-3. [43] E. Moltrecht, „Amateurfunklehrgang Klasse A,“ 30 Juni 2010. [Online]. Available: http://www.dj4uf.de/lehrg/a05/a05.html. [Zugriff am 19 März 2014]. [44] D. Mietke, „Elektronik Tutor,“ [Online]. Available: http://elektroniktutor.de/bauteilkunde/thyrist.html. [Zugriff am 20 März 2014]. [45] M. Ebner, Basiskurs Elektronik, Elektor-Verlag GmbH: Aachen, 2006, ISBN 389576-159-1. [46] „Elektronik Kompendium,“ 2014. [Online]. Available: https://www.elektronikkompendium.de/sites/bau/0407061.htm. [Zugriff am 20 März 2014]. [47] A. J. Schwab, Elektroenergiesysteme, Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3642219573. [48] V. Crastan und D. Westermann, Elektrische Energieversorgung, Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3642223457. [49] „ABB in Deutschland,“ 11 Oktober 2011. [Online]. Available: http://www.abb.de/cawp/seitp202/4fb8299acb81989dc12579260030c3a8.aspx,. [Zugriff am 20 März 2014]. [50] „Circuits Today,“ 8 September 2009. [Online]. Available: http://www.circuitstoday.com/how-to-test-fets-jfet-and-mosfet. [Zugriff am 19 März 2014]. [51] „Elektronik Kompendium,“ 2014. [Online]. Available: https://www.elektronikkompendium.de/sites/bau/1101211.htm. [Zugriff am 19 März 2014]. [52] „Wikipedia,“ 13 März 2014. [Online]. Available: http://de.wikipedia.org/wiki/Isolierschicht-Feldeffekttransistor. [Zugriff am 19 159 VI Literaturverzeichnis März 2014]. [53] J. Lutz, Halbleiter-Leistungsbauelemente, Berlin/Heidelberg: Springer-Verlag, 2012, ISBN 978-3-642-29796-0. [54] „University of Cambridge,“ 2013. [Online]. Available: http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/semiconductors/mosfet.php. [Zugriff am 19 März 2014]. [55] „Electronics,“ [Online]. Available: http://electronics.stackexchange.com/questions/48646/in-an-nmos-does-currentflow-from-source-to-drain-or-vice-versa. [Zugriff am 20 März 2014]. [56] U. Schlienz, Schaltnetzteile und ihre Peripherie, Wiesbaden: Vieweg+Teubner Verlag/Springer Fachmedien, 2012, ISBN 978-3-8348-1646-7. [57] „Wikipedia,“ [Online]. Available: http://de.wikipedia.org/wiki/Metall-OxidHalbleiter-Feldeffekttransistor. [Zugriff am 19 März 2014]. [58] [Online]. Available: http://www.iris.unistuttgart.de/lehre/eggenberger/eti/09_Halbleiter/Kennlinien.htm. [Zugriff am 19 März 2014]. [59] D. Mietke, „Elektronik Tutor,“ [Online]. Available: http://elektroniktutor.de/bauteilkunde/transi.html. [Zugriff am 19 März 2014]. [60] „Elektronik-Kurs,“ [Online]. Available: http://elektronikkurs.net/elektronik/kennlinien-von-bipolartransistoren/. [Zugriff am 20 März 2014]. [61] „Elektronik Kompendium,“ 2014. [Online]. Available: https://www.elektronikkompendium.de/sites/bau/0201291.htm. [Zugriff am 20 März 2014]. [62] A. Wintrich, „Verhaltensmodellierung von Leistungshalbleitern für den rechnergestützten Entwurf leistungselektronischer Schaltungen,“ 1 Juli 1998. [Online]. Available: 160 VI Literaturverzeichnis http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4108/data/Kap4_1.htm . [Zugriff am 19 März 2014]. [63] Fairchild Semiconductor Corporation, 3 März 2013. [Online]. Available: http://www.rlocman.ru/i/File/apnote/Fairchild/Power/FGA50S110P_FGA15S12 5P_FGA20S120M_FGA20S1.pdf. [Zugriff am 3 April 2014]. [64] S. Clemente und S. Widmar, „Power Electronics Technology,“ Februar 2011. [Online]. Available: http://powerelectronics.com/sitefiles/powerelectronics.com/files/archive/powerelectronics.com/images/Semicondu ctors211.pdf. [Zugriff am 3 April 2014]. [65] L. Lorenz, I. Zverev und J. Hancock, „Power Electronics Technology,“ November 2010. [Online]. Available: http://powerelectronics.com/sitefiles/powerelectronics.com/files/archive/powerelectronics.com/images/OnPowerf ulDecade-1110.pdf. [Zugriff am 3 April 2014]. [66] fehertamas, 7 Januar 2010. [Online]. Available: http://fehertamas.com/2010/derstromdurchflossene-leiter/. [Zugriff am 20 März 2014]. [67] „Elektronik Kompendium,“ 2014. [Online]. Available: https://www.elektronikkompendium.de/sites/grd/0205301.htm. [Zugriff am 20 März 2014]. [68] H. L. Dang, „Spannung glätten,“ Projektlabor 2009. [Online]. Available: http://service.projektlabor.tu-berlin.de/projekte/sens-othek/unterlagen/referate/Folien_Spannung-Glaettung_Le-Dang_2009-06-25.pdf. [Zugriff am 3 April 2014]. [69] P. D. K.-I. Voigt, M.-S. P. D. Günter, P. D. M. Möhrle und P. D. D. Specht, „Gabler Wirtschaftslexikon,“ Springer Gabler, [Online]. Available: http://www.wirtschaftslexikon.gabler.de. [Zugriff am 3 April 2014]. [70] „Angewandte Mikroelektronik,“ 4 August 2011. [Online]. Available: http://www.vias.org/mikroelektronik/diodes.html. [Zugriff am 1 April 2014]. 161 VI Literaturverzeichnis [71] E. K. Moltrecht, „Deutscher Amateur-Radio-Club e. V.,“ 9 März 2014. [Online]. Available: http://www.darc.de/referate/ajw/ausbildung/darc-onlinelehrgang/technik-klasse-a/technik-a05/?tx_felogin_pi1[forgot]=1. [Zugriff am 1 April 2014]. [72] „Elektronik-Kurs,“ [Online]. Available: http://elektronikkurs.net/elektronik/thyristor-grundlagen/. [Zugriff am 1 April 2014]. [73] R. Wang, 26 März 2014. [Online]. Available: http://fourier.eng.hmc.edu/e84/lectures/ch4/node11.html. [Zugriff am 1 April 2014]. [74] „Elektronik-Kurs,“ [Online]. Available: http://elektronikkurs.net/elektronik/mosfet-mos-feldeffekttransistor/. [Zugriff am 1 April 2014]. [75] H. Bernstädt, „H.T.B.: Wissenstransfer Veranstaltungstechnik,“ [Online]. Available: http://www.hbernstaedt.de/knowhow/dimmer/dimmer_6.htm. [Zugriff am 19 März 2014]. [76] [Online]. Available: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:IGBT_symbol.gif. [Zugriff am 1 April 2014]. [77] „Halbeiter-Scout,“ [Online]. Available: http://www.halbleiterscout.de/informationen/elektronik/chip.html. [Zugriff am 20 März 2014]. [78] „Bundesministerium für Bildung und Forschung,“ [Online]. Available: http://www.bmbf.de/de/lebenslangeslernen.php. [Zugriff am 24 März 2014]. [79] B. Hanus, So steigen Sie erfolgreich in die Elektronik ein, Poing: Franzis' Verlag GmbH, 1998, ISBN 3-7723-4244-2. 162 VII Danksagungen VII. Danksagungen An erster Stelle möchte ich mich ganz herzlich bei Herrn Prof. Dr. Oskar von der Lühe bedanken, der durch sein großes Interesse und seine ansteckende Begeisterung die Arbeit unter anderem motivierend unterstützt hat. Ein weiteres Dankeschön geht an Dr. Thomas Schlegl, der es mir ermöglichte in der Abteilung RENIP/IL meine Abschlussarbeit zu verfassen. Des Weiteren möchte ich mich bei Dr. Olivier Stalter und Dr.-Ing. Christof Wittwer bedanken, die mir es möglich machten in den Abteilungen IES und Leistungselektronik kompetent fachlich betreut zu werden. Vielen Dank sagen möchte ich auch Dipl.-Ing. Florian Reiners und Dr.-Ing. Bernhard Wille-Haussmann für die Möglichkeit mich jederzeit bei Fragen an sie wenden zu können. Ein herzliches Dankeschön möchte ich an Jeanette Kristin Weichler, M.Sc. aussprechen, die stets hilfsbereit zur Stelle ist und für eine schöne Arbeitsatmosphäre sorgt. Ein besonderes Dankeschön gilt Dipl.-Ing. Michael Eberlin, der sich für die fachliche Betreuung sehr viel Zeit genommen hat und der E-Lecture geduldig seine Stimme verliehen hat. Vielen Dank auch an Frieda Stolle für die Beratung in erziehungswissenschaftlichen Fragen und an Marko Glaubitz vom Rechenzentrum der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg für seine abwechslungsreiche Einführung in ILIAS und die darauffolgenden Unterweisungen. Der lieben Leonie Preis möchte ich ein besonders herzliches DANKE sagen für das geduldige Zuhören, die hilfreichen Ratschläge zur richtigen Zeit und das schöne Gestalten der langen Arbeitszeiten. Ein Dankeschön gilt Dennis Freiberger, B.Eng, der bei technischen Schwierigkeiten viel Zeit in die zuverlässige Behebung dieser verwendet hat und an Elena Janßen, die sich geduldig um die Graphiken und die gewünschten Abänderungen gekümmert hat. 163 VII Danksagungen Der Abteilung IES und meinen Büromitbewohnern gilt ein gesondertes Dankeschön. Sie haben es geschafft, dass ich jeden Tag gerne ins Geschäft kam, komme und kommen werde. Ein herzliches Dankeschön geht an meine Freunde und Mitbewohner, die mich durch sämtliche Aktionen und Taten unterstützt haben, die ich nicht vergessen werde! Meiner großartigen Familie gebührt der liebste und herzlichste Dank, da sie – im wahrsten Sinne des Wortes – nicht müde wurden, mich zu jeder Tages- und Nachtzeit zu unterstützen und auf die ich mich einfach immer verlassen kann. 164 VIII Erklärung VIII. Erklärung „Ich erkläre, dass ich die Arbeit selbstständig angefertigt und nur die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe. Alle Stellen, die dem Wortlaut oder dem Sinne nach anderen Werken, gegebenenfalls auch elektronischen Medien, entnommen sind, sind von mir durch Angabe der Quelle und des Zugriffsdatums sowie dem Ausdruck der ersten Seite belegt; sie liegen zudem für den Zeitraum von zwei Jahren entweder auf einem elektronischen Speichermedium im PDF-Format oder in gedruckter Form vor.“ Datum, Unterschrift 165
