Berufliches Gymnasium Technik

Schwerpunkt: Elektrotechnik

Einführungsphase - Jahrgang 11

Einführungsphase

In der Einführungsphase, also in der Klasse 11 sind in allen Technikschwerpunkten die selben Lerngebiete vorgeschrieben. Diese sind:

Lerngebiet T1: Technische Informationen nutzen und erstellen
Lerngebiet T2: Technische Systeme hinsichtlich Aufbau und Funktion analysieren
Lerngebiet T3: Technische Produkte entwerfen und deren Herstellung planen

Aus diesen Rahmenrichtlinien wird ein schulischer Lehrplan entwickelt. Dieser enthält die anvisierten Ziele und Inhalte des Unterrichts.

Entwicklung eines Solarbootes

Planung der Vorgehensweise

In der Einführungsphase Technik Elektrotechnik bekommen die Schüler die Aufgabe, ein funktionstüchtiges und schwimmfähiges solarbetriebenes Modellboot zu konzipieren, die Entwicklung zu planen, zu dokumentieren und ihr Projekt mit einer Methode ihrer Wahl zu präsentieren. Dabei sind der Phantasie keine Grenzen gesetzt. Die Kreativität der Schüler ist dabei wohl unerschöpflich. Die Ideen, die dabei bis jetzt gezeigt wurden, erstaunen immer wieder. Neben Katamaran oder Trimaran ist auch bereits ein U-Boot realisiert worden. Alle Boote waren voll funktionsfähig, obwohl der Schaltplan nicht vorgegeben wird. Natürlich werden der Schaltplan und die Technik im Unterricht besprochen, so dass keiner elektrotechnische Vorkenntnisse mitbringen muss.

Die Ziele der Schüler sind meistens weiter gesteckt

Erstaunlich ist auch, dass sehr viele Schülergruppen ihre Boote mit mehr Ausstattung versehen als gefordert. Die Boote sollen nur mit Solarzellen fahren können, bei bewölktem Himmel muss Akkubetrieb möglich sein, bei Sonnenschein muss das Laden der Akkus funktionieren und die rote und grüne Positionslampe müssen einschaltbar sein. Sehr häufig haben wir bereits Lauflichter auf den Booten, zusätzliche Motoren verstärken den Antrieb, eine „alte“ Fernbedienung wird in das Solarboot integriert und steuert es. Als Highlight hat eine Gruppe es geschafft, das Solarboot mit einer selbstgebauten Funkeinrichtung mit einem Notebook vom Rande des Sees zu steuern.

Jungfernfahrt

Die Jungfernfahrt wird natürlich im Rahmen des Unterrichts mit den Schülern des „Schnupperkurses“ Elektrotechnik begannen. Dabei gehen wir zum Maschteich, der in der Nähe der Schule liegt. Auch dabei sind bereits Kuriositäten aufgetreten. Da die meisten Boote keine Fernbedienung an Bord haben, besteht die Gefahr, dass die Boote auf dem See die Runden drehen und nicht zurückkommen. Um dies zu verhindern, haben die Schüler findige Ideen, wie sie ihr Boot im Notfall zurückholen wollen, jedoch mit unterschiedlichen Erfolgen. Einige Schülergruppen banden zu Sicherheit einen Bindfaden an ihr Boot, um es im Notfall an Land ziehen zu können. Die mitgebrachte hochseetaugliche Angel half zwar bei kurzen Entfernungen, bei großen Entfernungen war es jedoch zu schwierig, das Boot mit dem Angelhaken auch zu treffen. Das mitgebrachte eigene ferngesteuerte „Rettungsboot“ erschien als nicht Leistungsfähig genug. Ein aufgetuntes Solarboot drehte seine Runden mitten auf den Maschteich, ohne Anstalten zu machen, wieder an Land zu kommen. Das „herbeigeeilte“ Rettungsboot sah allerdings nur die „Rückleuchten“, ohne auch nur die geringste Chance gehabt zu haben es auf neuen Kurs zu bringen. Eine Kollision war für das Rettungsboot zu gefährlich, es hätte gegen das massive Solarboot wohl keine Chance gehabt und hätte möglicherweise als U-Boot ein Ende gefunden.

Besondere Herausforderungen

Aber nicht nur die Elektrotechnik stellte die Schülergruppen vor schwierige Aufgaben. Auch die Physik stellte Herausforderungen. Es zeigte sich, dass die Schüler den Schwerpunkt des Bootes nicht ganz sauber geplant haben. Es kam vor, das die Propeller bei der Jungfernfahrt aus dem Wasser herausschauten, ohne mit diesem Medium in Kontakt zu kommen. Mit einer kurzfristigen Umverlagerung der Akkus und Solarzellen konnte das Problem dann gelöst werden. Die Berücksichtigung des Schwerpunktes führte auch schon dazu, dass ein Boot bei einer leichten Windbö oder Vorbeifahrt eines Wellen machendes Rennboliden sich kurzerhand auf den Kopf stellte und seine Weiterfahrt einstellte.

Fazit

Alles in allem kann man wohl sagen, dass die angewandte Elektrotechnik sehr vielseitig ist und in Verbindung mit der Praxis den Schülern auch viel Spaß bereitet. Taucht man tiefer in die Materie ein, so wird sie abstrakter und man braucht natürlich Übung um sie zu verstehen, aber dabei helfen die Lehrer stets gerne.

Einführungsphase Fachpraxis E-Technik

 

Erkunden elementarer Stromkreise

Widerstände

Die Schülerinnen und Schüler berechnen Widerstände nach dem Farbcode und überprüfen ihre Ergebnisse mit dem Digitalmultimeter.

Layout

Um das Lernziel des Einführungskurses erreichen zu können, lernen die SUS einfache Layoutregeln mit Hilfe der EDV kennen, indem sie einen 3D-Widerstandswürfel auf eine Lochrasterplatine bringen.

Qualifikationsphase - Jahrgang 12

Die Halbjahresthemen dieses Jahrganges lauten:

      • Technische Produkte gestalten und dimensionieren sowie
      •  Herstellung und Prüfung technischer Produkte planen

Hier geht es im ersten Halbjahr darum, auf der Grundlage der Regeln des Projektmanagements und der Aussagen der VDI-Richtlinie zum Gestalten technischer Produkte einen Projektauftrag sachgerecht zu bearbeiten. Ergebnis ist eine technische Konstruktion mit den entsprechenden technischen Unterlagen wie Berechnungen, Festigkeitsnachweisen, Entwürfen, Zeichnungen sowie Stück- und Bestelllisten.
Die Anwendung der erworbenen Kompetenzen erfolgt anschließend während der Projektarbeit. Hier werden weitere Projektaufträge bearbeitet.
Im zweiten Kurshalbjahr wird die Fertigung der erarbeiteten Konstruktionen geplant. Anschließend werden im Praxisunterricht die am besten gelungenen Projekte realisiert.
Die so zustande gekommenen Produkte werden auf Messen und Wettbewerben präsentiert.
In den vergangenen Jahren konnten Schülerinnen und Schüler unserer Schule bei der alle zwei Jahre stattfindende Messe „Technik verbindet“ sowie auf verschiedenen Berufsbildungsmessen ihre Konstruktionen vorstellen.
Erfolgreich waren wir außerdem bei mehreren „Jugend forscht“ – Wettbewerben, bei bisher beiden IdeenExpo-Wettbewerben sowie bei der Leibniz-Challenge und beim Wettbewerb „Invent a chip“.

Qualifikationsphase Fachpraxis E-Technik

Klasse 12: Programmieren mit dem Arduino

Unter Verwendung des Arduino–UNO Boards lernen die Schülerinnen und Schüler die Funktionsweise von Mikrocontrollern kennen. Sie planen Anwendungen, erstellen Schaltpläne und programmieren. Das Übertragen der Programme, Funktionskontrollen, Fehlersuche und –Behebung tragen zum Verständnis bei.

Diese Kenntnisse sind wichtig für die Durchführung der Projektarbeit im zweiten Halbjahr. Da fast alle modernen technischen Geräte mit Mikrocontrollern arbeiten benötigen auch die Schülerinnen und Schüler für ihr Projekt dieses Wissen.

Qualifikationsphase - Jahrgang 13

Qualifikationsphase Technik Elektrotechnik

Im Jahrgang 13 lauten ein Kursthema „Schaltungen der Kommunikationstechnik analysieren und erstellen“. Hierbei wird u. a. der Tassenfüllstandswarner besprochen.

Analyse eines Tassenfüllstandswarner

bgt_technikschwerpunkt_13_tasse1

Im Kurs werden elektrotechnische Schaltungen analysiert und verändert. Bei der Analyse teilt man den Schaltplan in Funktionsblöcke und erarbeitet jede einzelne Funktion. Dabei analysiert man auch die Funktion von einzelnen Bauteile. Kennt man alle Teilfunktionen kann man auf die Gesamtfunktion schließen. Bei der Ermittlung der Funktionen geht man immer nach dem EVA-Prinzip voran. Welches Signal kommt rein (Eingang), dieses wird verarbeitet (V), verändert und an den Ausgang (A) weiter ge-geben. Nachfolgend sehen wir als Beispielschaltplan einen Tassenfüllstandswarner. Der Schaltplan ist bereits in Funktionsblöcke (gestrichelte Linien) aufgeteilt.

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Nachfolgend dargestelltes Signal ist das Ausgangssignal der „A-stabilen-Kippstufe“. Es führt sowohl zum Sensor als auch zum Laut-sprecher. Der Sensor sendet ein Infrarotsignal aus, welche auf der Oberfläche der Flüssigkeit reflektiert wird, dann vom Sensor weiterverarbeitet und an den Verstärker weitergeleitet wird. Es handelt sich hierbei um ein Impulssignal.

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Nachfolgend dargestelltes Signal ist das Ausgangssignal der „Monostabilen Kippstufe“. Es wirkt auf den Ausgang der Schaltung, auf den Lautsprecher. D. h. kommt dieses Signal am Lautsprecher an, piepst der Lautsprecher für 1,5s und gibt somit das Signal dass die Tasse voll ist.

bgt_technikschwerpunkt_13_kippstufe2

Wandeln von Wechsel- zu Gleichspannung

Zu Beginn werden natürlich erst einfache Schaltungen analysiert. Sehr viele elektrische Betriebsmittel benötigen eine Gleichspannung. Da in jedem Haushalt aber nur Wechselspannung vom EVU zur Verfügung gestellt wird, muss aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung gewandelt werden. Hierfür benutzt man Gleichrichterschaltungen. Bei der Analyse von Schaltplänen, werden Schaltungsauszüge mit Hilfe von LTspice IV simuliert. Dabei werden Verläufe von Spannungen, Strömen und Leistungen diskutiert.

Neben der Analyse von Kennlinien werden die Schaltungen mit Hilfe von LTspice IV simuliert. Dabei werden Verläufe von Spannungen, Strömen und Leistungen diskutiert.

Simulation einer Ein-Puls-Gleichrichterschaltung

Gleichrichterschaltungen kommen sehr häufig in der Elektrotechnik vor. Immer wenn aus der Netzspannung eine Gleichspannung z. B. für Ladegeräte von Handys gewandelt werden muss, werden Gleichrichterschaltungen ein-gesetzt.
Die nachfolgende Schaltung wird zwar selten eingesetzt, zur Verdeutlichung der Funktionsweise ist sie dafür sehr gut einsetzbar.

Mögliche Aufgabenstellung:
Analysieren Sie die folgende Schaltung und skizzieren Sie die Verläufe u1 = f(t), uc = f (t) und id1 = f(t) und simulieren Sie anschließend die Schaltung mit Hilfe von LT-spice.

  • Simulationsergebnisse einer Ein-Puls-Gleichrichterschaltung

  • Eingangsspannungsverlauf

  • Spannungsverlauf am Kondensator

  • Stromstärke durch die Diode

Qualifikationsphase Fachpraxis E-Technik

Klasse 13: Projekt Fahrradrücklicht

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln mit Hilfe der EDV eine Experimentierplatine für ein Fahrradrücklicht (160mmx50mm). Sie sehen sinnvolle Messpunkte und Jumper vor.

Nach der Produktion der Platine nehmen sie sie in Betrieb und untersuchen die Schaltung beispielsweise hinsichtlich folgender Stichworte: Wechselspannung, Dioden, Lastwiderstand, Kondensator, Effektivwert, Gleichrichtung, Glättung, Brummspannung, Goldcap, Ladespannung, Z-Diode, Basis, Emitter, Stromregelung, Spannungsbegrenzung…

Das Projekt ist eng mit der Theorie verzahnt und wird durchgängig dokumentiert.

Klasse 13: Regelungstechnik an einer Füllstandsstrecke