Übungsaufgaben zu Blockschaltbild und Schaltungsanalyse: Funktionsblöcke, Signalfluss und Fehlersuche

Kopiere den Text in ein KI-Sprachmodell Deiner Wahl und passe Kompetenzstufe, Anzahl, Bearbeitungszeit und Szenario bei Bedarf an. Wie die Aufgaben aufgebaut sind, beschreibt der Artikel Wie sind die Aufgaben aufgebaut?. Prüfe die Ergebnisse mit dem Lehrartikel: KI-Sprachmodelle machen Fehler.

Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Blockschaltbild und
Schaltungsanalyse: Funktionsblöcke, Signalfluss und Fehlersuche“.

Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/blockschaltbild-schaltungsanalyse
- https://oer-informatik.de/schaltplaene-schaltzeichen
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/blockschaltbild-schaltungsanalyse-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Blockschaltbild
- Funktionsblock
- Signalfluss
- Energieversorgung
- Stromlaufplan
- Steckverbinder
- Relais
- Fehlersuche

Kompetenzstufe: Kernkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Profilkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

Geg.: Stromlaufplan des Wassermelders mit -X1, -C1, -X2, -S1, -R1, -R2, -K1, -P1, -P2, -R3; Versorgung 5 V DC

Ges.: Funktionsblöcke mit zugeordneten Bauelementen und Steckverbindern

Bewertung: je sinnvoll benanntem Block mit vollständig richtiger Zuordnung 1 Punkt (4 Punkte), Steckverbinder -X1 und -X2 richtig zugeordnet je 1 Punkt. Gleichwertige Namen sind möglich (z. B. „Eingang“ statt „Fühlereingang“, „Treiber“ statt „Schaltstufe“, „Anzeige“ statt „Signalgeber“). Der Basiswiderstand -R1 begrenzt den Basisstrom und gehört damit zur Schaltstufe; als vertretbar gilt auch die Zuordnung zum Fühlereingang, wenn sie begründet wird. Der Pull-down-Widerstand -R2 hält die Basis bei trockenen Elektroden sicher auf 0 V und gehört zum Fühlereingang.

Ges.: Blockschaltbild mit Signalfluss, Energieversorgung und Steckverbindern

Der gestrichelte Block „Meldeausgang“ gehört zu Teilaufgabe c).

Bewertung:

• vier Blöcke mit Namen, Signalweg von links nach rechts (Fühlereingang → Schaltstufe → Signalgeber) mit Pfeilen in Wirkrichtung (2 Punkte),

• Signalpfeile sinnvoll beschriftet, z. B. „Signal“, „Ein/Aus“, „Ton, Licht“ (1 Punkt),

• Stromversorgung als eigener Block mit Energiepfeilen zu Fühlereingang (über -X2:1) und Signalgeber, durch Farbe oder Linienart vom Signalfluss unterschieden (2 Punkte),

• -X1 am Eingang der Stromversorgung und -X2 am Fühlereingang (1 Punkt).

Die Schaltstufe bekommt keinen eigenen Energiepfeil: Der Transistor -K1 schaltet nur den Strom, den der Signalgeber aus der Versorgung bezieht. Ein zusätzlicher Pfeil zur Schaltstufe wird nicht als Fehler gewertet.

Ges.: Ergänzung des Blockschaltbilds, Bauelemente und Steckverbinder des neuen Blocks mit Aufgabe

Im Blockschaltbild aus b) kommt der Block „Meldeausgang“ hinzu (gestrichelt). Er erhält das Ein/Aus-Signal der Schaltstufe, wird aus der Stromversorgung versorgt und führt die Meldung über -X3 hinaus (1 Punkt).

Je Bauelement bzw. Steckverbinder mit Aufgabe 1 Punkt:

• Relais -K2: Die Spule liegt wie der Summer am Kollektor von -K1 und zieht im Alarmfall an; ihr Schließer stellt die Meldung als potenzialfreien Kontakt bereit.

• Freilaufdiode (z. B. -R4): liegt in Sperrrichtung parallel zur Relaisspule und nimmt beim Abschalten die Induktionsspannung auf, damit -K1 nicht zerstört wird.

• Steckverbinder -X3 (nächste freie Nummer): Klemmen für den Schließer, an die die Gebäudeleittechnik angeschlossen wird.

Geg.: I_\mathrm{P1} = 30\ \mathrm{mA}, I_\mathrm{P2} = 10\ \mathrm{mA}, I_\mathrm{St} = 1{,}0\ \mathrm{mA}, R_\mathrm{K2} = 125\ \Omega, U = 5{,}0\ \mathrm{V}, Reserve 30 %, Netzteil 5 V / 0,5 A

Ges.: Mindeststrom des Netzteils I_\mathrm{N}, Beurteilung des Netzteils

\begin{aligned} &\text{(I)} && I_\mathrm{K2} = \frac{U}{R_\mathrm{K2}} \\ &\text{(II)} && I_\mathrm{ges} = I_\mathrm{P1} + I_\mathrm{P2} + I_\mathrm{K2} + I_\mathrm{St} \\ &\text{(III)} && I_\mathrm{N} = 1{,}3 \cdot I_\mathrm{ges} \end{aligned}

I in II (Strom der Relaisspule und Gesamtstrom, 2 Punkte):

\def\arraystretch{2.3} \begin{array}{rcl|l} I_\mathrm{ges} & = & I_\mathrm{P1} + I_\mathrm{P2} + \frac{U}{R_\mathrm{K2}} + I_\mathrm{St} & \\ I_\mathrm{ges} & = & 30\ \mathrm{mA} + 10\ \mathrm{mA} + \frac{5{,}0\ \mathrm{V}}{125\ \Omega} + 1{,}0\ \mathrm{mA} & \\ I_\mathrm{ges} & = & 30\ \mathrm{mA} + 10\ \mathrm{mA} + 40{,}0\ \mathrm{mA} + 1{,}0\ \mathrm{mA} & \\ I_\mathrm{ges} & = & 81{,}0\ \mathrm{mA} & \end{array}

II in III (1 Punkt):

I_\mathrm{N} = 1{,}3 \cdot 81{,}0\ \mathrm{mA} = 105{,}3\ \mathrm{mA} \approx \underline{\underline{105\ \mathrm{mA}}}

Beurteilung (1 Punkt): Das Steckernetzteil liefert bis zu 500 mA und damit fast das Fünffache des benötigten Stroms von rund 105 mA. Es reicht auch mit der Erweiterung aus.

Ges.: fehlerhafter Funktionsblock, mögliche Ursachen, Messung zur Unterscheidung

• Stromversorgung in Ordnung: An -C1 liegen 5,02 V (1 Punkt).

• Fühlereingang in Ordnung: Bei gedrücktem -S1 liegt -X2:2 auf 5,02 V; das Signal verlässt den Block also richtig.

• Fehler in der Schaltstufe: Obwohl am Eingang der Schaltstufe 5,02 V anliegen, ist die Basis von -K1 auf 0,00 V und der Kollektor auf 5,02 V; der Transistor schaltet nicht durch. Eingang richtig, Ausgang falsch, also liegt der Fehler in diesem Block (1 Punkt).

• Mögliche Ursachen (1 Punkt): Basiswiderstand -R1 unterbrochen (oder Lötstelle bzw. Leiterbahn zwischen -X2:2 und -R1 bzw. -R1 und Basis unterbrochen) oder Basis-Emitter-Strecke von -K1 kurzgeschlossen (dann wäre der Transistor defekt).

• Unterscheidung (1 Punkt): Melder spannungsfrei schalten und -R1 mit dem Ohmmeter messen (Sollwert laut Stückliste) sowie die Basis-Emitter-Strecke von -K1 mit der Diodenprüfung des Multimeters prüfen (Durchlassrichtung etwa 0,6 V bis 0,7 V, Sperrrichtung kein Durchgang). Der Signalgeber kann ebenfalls defekt sein; das lässt sich aber erst prüfen, wenn die Schaltstufe wieder schaltet.

Ges.: Begründung der Aufteilung

• Die Haustechnik will den Melder bedienen, prüfen und anschließen. Dafür braucht sie den Überblick über Funktionen und Anschlüsse (-X1, -X2, später -X3), den das Blockschaltbild ohne Bauteildetails gibt (1 Punkt).

• Für Reparatur und Fehlersuche bis zum Bauteil braucht die Elektrofachkraft jede Verbindung und jedes Bauteil mit Kennzeichnung, also den Stromlaufplan; das Blockschaltbild hilft ihr dabei, den fehlerhaften Block zuerst einzugrenzen (1 Punkt).