Die Schaltung des OP als Differenzverstärker ist die bestmögliche Lösung für die Verstärkung des Messwertes. Da diese Schaltung sehr komplex und schwer nachzuvollziehen ist, sollen die Schüler zunächst die einfachere Schaltung des invertierenden Verstärkers kennen lernen und verstehen. Nach dem Impedanzwandler ist dies die zweite Schaltung mit einer Rückkopplung auf den Eingang. Im weiteren Verlauf des Unterrichts sollen in einem iterativen Verfahren nach und nach die möglichen anderen Verstärkerschaltungen mit dem OP ausgeschlossen werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Bedingungsanalyse
1.1 Informationen zur Klasse
1.2 Einordnung der Stunde in den Lehrplan und die Unterrichtssequenz
2 Didaktische Analyse
2.1 Thematische Überlegungen
2.2 Intentionen der Unterrichtsstunde
3 Methodische Überlegungen
4 Tabellarische Verlaufsplanung
5 Anhang
5.1 Erwartetes Tafelbild
5.2 Arbeitsblatt
5.3 Literatur
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Unterrichtsentwurf zur Anwendung des Operationsverstärkers innerhalb einer Wetterstation im Fach Elektrotechnik. Ziel ist es, den Schülern die schaltungstechnische Verstärkung von Messwerten praktisch näherzubringen, wobei die Eignung des invertierenden Verstärkers für das konkrete Projekt kritisch geprüft wird.
- Anwendung und Analyse des Operationsverstärkers (OP)
- Dimensionierung von Verstärkerschaltungen
- Einsatz von Temperatursensoren (PT100)
- Projektspezifische Bewertung der Messergebnisse
- Förderung der beruflichen Handlungskompetenz
Auszug aus dem Buch
1.2 Einordnung der Stunde in den Lehrplan und die Unterrichtssequenz
Das Lernfeld 6 „Schnittstellen in industriellen Systemen analysieren und Fehler lokalisieren“ beinhaltet laut Lehrplan (KMK, S. 14) Schnittstellen für analoge und digitale Signale, Bussysteme und Protokolle, Sensoren und Aktoren sowie eine AD/DA-Umwandlung und eine Seriell/Parallel-Umsetzung. Diese Inhalte werden an der Beruflichen Schule in Gaarden in einem Projekt umgesetzt. Die Wetterstation der Beruflichen Schule in Gaarden soll wieder in Betrieb genommen werden bzw. ist zu erweitern. Dabei soll die Temperatur in der Wetterstation mit einem geeigneten Sensor aufgenommen werden und nach einer Übertragungsstrecke von mindestens 20m im Schulgebäude grafisch dargestellt werden. (vgl. Abb.1)
Die thematische Begleitung dieses Projektes ist zwischen einem Kollegen und mir thematisch aufgeteilt. Meine Aufgabe ist die Umsetzung der Messwertaufnahme bis zur Übergabe an den A/D-Wandler. In den Stunden zuvor haben die Schüler den Temperatursensor PT100 ausgewählt und durch erste Messungen kennen gelernt. Als ersten Einstieg in die Messverstärker wurde in dieser Woche der Operationsverstärker (OP) als Bauteil und als Impedanzwandler eingeführt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Bedingungsanalyse: Dieses Kapitel beschreibt die Zusammensetzung der Schülerschaft sowie die fachliche Einordnung der Thematik in den geltenden Rahmenlehrplan.
2 Didaktische Analyse: Hier werden die inhaltlichen Überlegungen zur Verstärkerschaltung dargelegt und die Lernziele hinsichtlich der fachlichen, sozialen und methodischen Kompetenzen formuliert.
3 Methodische Überlegungen: Dieser Abschnitt erläutert die didaktische Vorgehensweise, bei der die Schüler durch eine theoretische Bewertung der Schaltung die Eignung für das Projekt Wetterstation prüfen.
4 Tabellarische Verlaufsplanung: Diese Übersicht stellt den zeitlichen Ablauf der Unterrichtsstunde inklusive Lehrer- und Schülerhandlungen sowie den Medieneinsatz dar.
5 Anhang: Der Anhang enthält ergänzende Materialien, namentlich das erwartete Tafelbild, das Arbeitsblatt für die Schüler sowie das Literaturverzeichnis.
Schlüsselwörter
Elektrotechnik, Operationsverstärker, Wetterstation, PT100, Lernfeld 6, Verstärkerschaltung, Unterrichtsentwurf, Fachkompetenz, Messwertaufnahme, Impedanzwandler, Differenzverstärker, Analog-Digital-Wandlung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit stellt einen detaillierten Unterrichtsentwurf für das Fach Elektrotechnik dar, der sich mit der Verstärkung von Messwerten für eine Wetterstation befasst.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die Anwendung des Operationsverstärkers, die Nutzung von PT100-Sensoren sowie die Dimensionierung analoger Verstärkerschaltungen.
Was ist das primäre Ziel der Unterrichtsstunde?
Das Ziel ist, dass die Schüler die Verstärkerformel für einen invertierenden Verstärker herleiten und bewerten, ob diese Schaltung zur Verstärkung von PT100-Messwerten in der Wetterstation geeignet ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein iterativer Ansatz verfolgt, bei dem die Schüler theoretische Berechnungen durchführen und deren Ergebnisse auf das reale Projekt (Wetterstation) beziehen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Bedingungs- und didaktische Analyse sowie die methodische Planung, die auf die Förderung beruflicher Handlungskompetenz abzielt.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Operationsverstärker, Elektrotechnik, Fachkompetenz, PT100, Wetterstation und Verstärkerformel.
Warum wird der invertierende Verstärker als Beispiel gewählt?
Er dient als Einstieg, da er einfacher nachzuvollziehen ist als ein Differenzverstärker und das Verständnis für Rückkopplungen fördert.
Zu welchem Ergebnis kommen die Schüler bei der Bewertung der Schaltung?
Die Schüler stellen fest, dass die Schaltung nicht für die Wetterstation geeignet ist, da die Eingangswerte des A/D-Wandlers nicht optimal ausgenutzt werden.
Welche Rolle spielt die Widerstandstabelle des PT100?
Sie wird von den Schülern zur Bestimmung der korrekten Messwerte und zur Dimensionierung der Widerstände in der Verstärkerschaltung verwendet.
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- Meike Herbers (Author), 2009, Unterrichtsplanung Systeminformatiker: Anwendung des Operationsverstärkers in der Wetterstation, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/196956
