Lehrplan. Technologie. Gymnasiale Oberstufe. Berufsbezogene Fachrichtung Technik. Schwerpunkt Elektrotechnik. Hauptphase. G-Kurs

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1 Lehrplan Technologie Gymnasiale Oberstufe Berufsbezogene Fachrichtung Technik Schwerpunkt Elektrotechnik Hauptphase G-Kurs Ministerium für Bildung, Familie, Frauen und Kultur Hohenzollernstraße 60, Saarbrücken Postfach , Saarbrücken Saarbrücken 2009 Hinweis: Der Lehrplan ist online verfügbar unter LP-Saarland: GOS Technik Elektrotechnik Technologie (Hauptphase, G-Kurs), 2009 Seite 1 von 12

2 Einleitende Dem vorliegenden Lehrplan für das Fach Technologie Elektrotechnik der Hauptphase am Technischen Gymnasium liegen die Verordnung - Schulordnung und Prüfungsordnung - über die gymnasiale Oberstufe und die Abiturprüfung im Saarland (GOS-VO) vom sowie die Vereinbarung zur Gestaltung der gymnasialen Oberstufe in der Sekundarstufe II -, Beschluss der Kultusministerkonferenz - vom i. d. F. vom sowie die einheitlichen Prüfungsanforderungen im Fach Technik vom zu Grunde. Die Hauptphase der Oberstufe umfasst vier Halbjahre. Mit dem Eintritt in die gymnasiale Oberstufe wachsen neben den inhaltlichen und methodischen Anforderungen auch die Anforderungen an die Selbstständigkeit des Lernens und Arbeitens, an die Verantwortung für die Gestaltung des eigenen Bildungsganges sowie an die Fähigkeit und Bereitschaft zur Verständigung und Zusammenarbeit in wechselnden Lerngruppen mit unterschiedlichen Lebens- und Lernerfahrungen. Das Fach Technologie Elektrotechnik dient in der Hauptphase (G-Kurs) vor allem dazu, den Lernenden einen Einblick in die Grundlagen der berufsorientierten Handlungskompetenz im Berufsfeld Elektrotechnik zu ermöglichen. Die tatsächlich in Anspruch genommene Zeit ist methodenabhängig. Angestrebt wird eine Vielfalt von Methoden unter Berücksichtigung von Schüleraktivität. Auf nachstehende formale Vorgaben wird verwiesen: Die sind mit Blick auf einen stringenten Umfang des Lehrplanes als Groblernziele formuliert. Die Zeitrichtwerte sind als vorgeschlagene zeitliche Empfehlung zu verstehen. Sie sind stets als Jahresstunden ausgewiesen, um Vergleiche mit den gymnasialen Oberstufen anderer Bundesländer zu ermöglichen. Die Zeiten für Wiederholungen, Leistungsüberprüfungen etc. sind in den ausgewiesenen Stundenanteilen enthalten. Außerdem sind sie von der jeweiligen Lehrperson an die Länge des jeweiligen Schuljahres anzupassen. Saarbrücken, Mai 2009 LP-Saarland: GOS Technik Elektrotechnik Technologie (Hauptphase, G-Kurs), 2009 Seite 2 von 12

3 LERNGEBIETSÜBERSICHT Lfd. Nr. Lerngebiet Halbjahre 1 und 2 der Hauptphase Zeitrichtwert (Stunden) Elektrische Netzwerke Elektrisches Feld und magnetisches Feld Grundlagen der Wechselstromtechnik Summe 80 Lfd. Nr. Lerngebiet Halbjahre 3 und 4 der Hauptphase Zeitrichtwert (Stunden) Schaltungen der Wechselstromtechnik Analogtechnik Digitale Schaltungstechnik Summe 160 LP-Saarland: GOS Technik Elektrotechnik Technologie (Hauptphase, G-Kurs), 2009 Seite 3 von 12

4 Lerngebiet 1: ELEKTRISCHE NETZWERKE Zeitrichtwert: 30 Stunden den Aufbau und das Verhalten realer Spannungsquellen Ströme und Spannungen in Gleichstromnetzwerken mit verschiedenen Lösungsverfahren berechnen. Anpassungsarten in Netzwerken unterscheiden. - Innenwiderstand - Leerlaufspannung - Kurzschlussstrom - Verbraucherzählpfeilsystem - Maschensatz, Knotenpunktsatz - Kombination der beiden Sätze bei der Berechnung vermaschter Netze (maximal 3 Zweigströme) - Elektrische Spannung als Potenzialdifferenz - Spannungsanpassung - Stromanpassung - Leistungsanpassung als Extremwertproblem Messtechnische Ermittlung von U 0 und R i einer Spannungsquelle Aufnahme der Strom- Spannungs-Kennlinie von Solarmodulen z. B. Netzgeräte, Solarzelle, galvanisches Element Einsatz von Mathematik- Programmen zum Lösen der linearen Gleichungssysteme Besichtigung eines elektr. Versorgungsnetzes Lautsprecheranpassung an ein Audioanlage Leistungsanpassung bei Solarzellen LP-Saarland: GOS Technik Elektrotechnik Technologie (Hauptphase, G-Kurs), 2009 Seite 4 von 12

5 Lerngebiet 2: ELEKTRISCHES FELD UND MAGNETISCHES FELD Zeitrichtwert: 20 Stunden die Eigenschaften und die Größen des elektrischen Feldes die Kapazität als Speichervermögen für elektrische Ladungen erklären. die Eigenschaften und Größen des magnetischen Feldes nennen. Kräfte und deren Wirkung im Magnetfeld das Induktionsgesetz - Kraftwirkungen auf elektrische Ladungen im elektrischen Feld - Beschreibung des elektrischen Feldes durch Feldlinien (homogene und inhomogene Felder) - Elektrische Feldstärke im U homogenen Feld E = d - Aufbau und Eigenschaften eines Kondensators - Kapazität als Verhältnis zwischen Ladung und Q Spannung; C = U - Eigenschaften des magnetischen Feldes - magnetische Durchflutung, magnetischer Fluss, magnetische Flussdichte, Permeabilität - Ferromagnetismus, Magnetisierungskennlinie - gerader stromdurchflossener Leiter - Spule - parallele stromdurchflossene Leiter - Induktionsgesetz - Generatorprinzip - Transformatorprinzip Messübungen: Wirkung von Glättungskondensatoren in Netzteilen Analogie elektrischer/ magnetischer Kreis Messgerät, Motor, Lautsprecher Prinzip eines dynamischen Mikrofons LP-Saarland: GOS Technik Elektrotechnik Technologie (Hauptphase, G-Kurs), 2009 Seite 5 von 12

6 Lerngebiet 2: ELEKTRISCHES FELD UND MAGNETISCHES FELD Zeitrichtwert: 20 Stunden 2.6 die Induktivität als charakteristische Größe einer Spule - Induktivität einer Spule Technische Anwendungen: Zündvorgang bei der Leuchtstofflampe Selbstinduktionsspannung beim Abschalten einer Spule Lerngebiet 3: GRUNDLAGEN DER WECHSELSTROMTECHNIK die Entstehung einer sinusförmigen Wechselspannung - Entstehung einer sinusförmigen Wechselspannung Zeitrichtwert: 30 Stunden Einsatz von Simulationssoftware die Kenngrößen einer sinnusförmigen Wechselspannung definieren und berechnen Wechselgrößen aus Oszillogrammen ermitteln die Darstellungsmöglichkeiten sinusförmiger Wechselgrößen kennen und anwenden die Mittelwerte von Wechselgrößen bestimmen. - Momentanwert, Maximalwert, Periodendauer, Frequenz, Kreisfrequenz, Phasenwinkel, Grad- und Bogenmaß - Auswertung eines Oszillogramms bezogen auf Effektivwert und Frequenz - Liniendiagramm u( t) = û sin ( ω t + ϕ) - Zeigerdiagramm sinusförmiger Wechselgrößen - Definition des Effektivwertes Messübungen mit dem Oszilloskop Erläuterung der Begriffe durch Liniendiagramme LP-Saarland: GOS Technik Elektrotechnik Technologie (Hauptphase, G-Kurs), 2009 Seite 6 von 12

7 Lerngebiet 3: GRUNDLAGEN DER WECHSELSTROMTECHNIK das Verhalten ohmscher Widerstände im Wechselstromkreis - Linien- und Zeigerdiagramm für Strom und Spannung Zeitrichtwert: 30 Stunden Versuch zum Verhalten ohmscher Widerstände im Wechselstromkreis für Strom und Spannung mit dem Oszilloskop zeigen 3.2 das Verhalten induktiver und kapazitiver Widerstände im Wechselstromkreis - Linien- und Zeigerdiagramm für Strom und Spannung - Phasenverschiebung - induktiver Widerstand - kapazitiver Widerstand Versuch zum Verhalten induktiver und kapazitiver Widerstände im Wechselstromkreis für Strom und Spannung mit dem Oszilloskop zeigen LP-Saarland: GOS Technik Elektrotechnik Technologie (Hauptphase, G-Kurs), 2009 Seite 7 von 12

8 Lerngebiet 4: SCHALTUNGEN DER WECHSELSTROMTECHNIK 4.1 das Verhalten von Reihen- und Parallelschaltungen im Wechselstromkreis - RC- und RL-Reihenschaltung (Zeiger- und Liniendiagramm für Strom und Spannung, Scheinwiderstand, Leistungsfaktor) Zeitrichtwert: 20 Stunden Messungen an RC- und RL-Reihenschaltungen - RC und RL-Parallelschaltung (Zeigerdiagramme, Scheinleitwert, Leistungsfaktor) Messungen an RC- und RL-Parallelschaltungen 4.2 das Verhalten von Reihenschwingkreisen darstellen die Definitionen der verschiedenen Wechselstromleistungen nennen den Wirkleistungsfaktor definieren die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Wechselstromleistungen darstellen. - Anwendungen: Hoch- und Tiefpass (Frequenzgang, Grenzfrequenz) - Reihenschwingkreis (R, L, C) (Zeigerdiagramme, Resonanz, Resonanzfrequenz, Scheinwiderstand, Spannungsüberhöhung, Filterverhalten). - Wirkleistung - Blindleistung - Scheinleistung - Wirkleistungsfaktor - Beziehungen im Leistungsdreieck Messtechnische Aufnahme des Frequenzganges von RC-Hoch- und RC- Tiefpässen Messtechnische Aufnahme und Auswertung von Resonanzkurven Einsatz als Saugkreis LP-Saarland: GOS Technik Elektrotechnik Technologie (Hauptphase, G-Kurs), 2009 Seite 8 von 12

9 Lerngebiet 5: ANALOGTECHNIK den Aufbau und die Funktion der Diode Beispiele für Diodenanwendungen erklären den Aufbau und die Funktion von NPN- Transistoren mit den wichtigsten Transistorkennlinien arbeiten Kenngrößen von NPN-Transistoren interpretieren. 5.3 den bipolaren Transistors als Schalter erklären und anwenden. - Halbleiterdiode in Durchlassund in Sperrrichtung - Kennlinien - Reihenschaltung von Diode und Vorwiderstand - Arbeitsgerade - Begrenzer- und Schwellwert schaltung - Aufbau und Funktion - Zonenfolge - Stromverstärkung - Ströme und Spannungen - Eingangskennlinie - Stromsteuerkennlinie - Ausgangskennlinie - Vierquadrantenkennlinienfeld - Wichtige Kenndaten und Grenzwerte (B, P tot, I cmax, U CEmax, U CEsat ) - Arbeitsgerade im Ausgangskennlinienfeld (ohmsche Last) - Dimensionierung von Treiberschaltungen (Übersteuerung, Schaltschwelle, Belastungsfälle) - Bauteilauswahl nach Widerstandsnormwahl E12 Zeitrichtwert: 80 Stunden Aufnahme der Durchlasskennlinie und der Sperrkennlinie Kennlinienaufnahme von NPN-Transistoren Datenblätter und Bauformen Belastungsfälle: LED gegen Betriebsspannung, LED gegen Masse LP-Saarland: GOS Technik Elektrotechnik Technologie (Hauptphase, G-Kurs), 2009 Seite 9 von 12

10 Lerngebiet 5: ANALOGTECHNIK Verhalten und Funktion des Operationsverstärkers die Grundschaltungen des Operationsverstärkers erklären und anwenden. 5.5 Sensoren in Verstärkerschaltungen anwenden. - Ideale und reale Kenndaten (Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand, Leerlaufverstärkung in Dezibel) - Grundschaltungen (Invertirender- und nichtinvertieren der Verstärker) - Anwendungen (Addierer, Subtrahierer, Impedanzwandler, Brückenschaltung mit Sensoren) - Brückenschaltung mit passiven Sensoren - OP-Schaltungen mit aktiven Sensoren Zeitrichtwert: 80 Stunden Elektrometerverstärker als hochohmiges Spannungsmessgerät Messtechnische Bestimmung von Kenngrößen eines invertierenden oder nichtinvertierenden Operationsverstärkers (Verstärkung, Frequenzgang) Thermoelemente, NTC - negative temperature coefficient, PTC - positive temperatur coefficient, LDR - light dependent resistor, Fotoelement, MDR - magnetic dependent resistor, AMR - anisotrope magnetic resistor, GMR - giant magnetic resistor, DMS - Dehnungsmessstreifen. LP-Saarland: GOS Technik Elektrotechnik Technologie (Hauptphase, G-Kurs), 2009 Seite 10 von 12

11 Lerngebiet 6: DIGITALE SCHALTUNGSTECHNIK DIGITALE SCHALTUNGSTECHNIK 6.1 den Grundaufbau von Zahlensystemen erklären die logischen Grundfunktionen nennen und anwenden. - Stellenbewertete Zahlensys teme (Dezimalsystem, Dual system, Hexadezimalsystem) - BCD- Code - Zahlenumwandlung - Addition von Dualzahlen - logische Grundfunktionen (UND, ODER, NICHT) - NAND und NOR - Äquivalenz und Antivalenz Zeitrichtwert: 60 Stunden Wiederholung der allgemeinen mathematischen Beziehung der stellenbewerteten Zahlensysteme. Funktionsüberprüfungen mit Hilfe eines Digitalboards oder eines Simulationsprogramms die Rechenregeln der Schaltalgebra anwenden die Analyse logischer Schaltungen durchführen die Synthese logischer Schaltungen durchführen. - Theoreme der Schaltalgebra - Kommutativgesetz - Assoziativgesetz - Distributivgesetz - De Morgansche Regeln - Ermittlung der Wahrheitstabelle - Ermittlung der Funktionsgleichung - Ermittlung der Wahrheitstabelle aus verbalen Aufgabenstellungen - Disjunktive-Normalform - Konjunktive-Normalform - Minimierung einer Schaltfunktion mittels KV-Diagrammen - Umsetzung der Schaltfunktion in eine logische Schaltung - Anwendungsbeispiel Dual-7-Segment-Code- Wandler) KV-Diagramme bis zu vier Variablen Nutzung von Redundanzen zur Schaltungsvereinfachung LP-Saarland: GOS Technik Elektrotechnik Technologie (Hauptphase, G-Kurs), 2009 Seite 11 von 12

12 Lerngebiet 6: DIGITALE SCHALTUNGSTECHNIK DIGITALE SCHALTUNGSTECHNIK 6.4 Eigenschaften der logischen Schaltungsfamilien die Funktionsweise und die typischen Eigenschaften von bistabilen Kippgliedern erläutern und anwenden. - TTL, CMOS - Betriebsspannungen - Ein- und Ausgangspegel - Leistungsbedarf - Fan-In, Fan-Out - Wahrheitstabelle, Schaltungssymbole, Signal-Zeit-Pläne, Ansteuerarten (taktunabhägig, taktzustand- und taktflankengesteuert): RS-Kippglied mit vorrangigem Setzen und Rücksetzen (Realisierung auch mit NANDund NOR-Gattern), D-Kippglied, JK-Kippglied - Ansteuerung von Kippgliedern (zustands- und flankengesteuert) Zeitrichtwert: 80 Stunden Gegenüberstellung von TTL-Technik und CMOS- Technik Arbeiten mit Datenblättern Schaltungssimulation Arbeiten mit Datenblättern Integrierte Bausteine LP-Saarland: GOS Technik Elektrotechnik Technologie (Hauptphase, G-Kurs), 2009 Seite 12 von 12