Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
 
 


 
 

Examensarbeit

Thema: „Der Bewegungsmelder- ein Beispiel für Steuerungstechnik im Technikunterricht"

Schriftliche Hausarbeit zur Prüfung für das Lehramt an Haupt- und Realschulen

Thema: „Der Bewegungsmelder- ein Beispiel für Steuerungstechnik im Technikunterricht"

Fakultät 2- Institut für Technische Bildung

Dozent: Prof. Dr. Kurt Henseler

Zweitgutachter: Prof. Dr. Gert Reich

Bearbeitung durch: Jan Kuiper

LA HS/RS Mathematik/ Technik

7. Semester

Matrikelnummer: 7782800

Oldenburg, den 10.05.2005


Ansprechpartner: Jan Kuiper

Haagstr.13

26826 Weener

Tel.: 0171/1448304

JanOl@gmx.net



Inhalt:

0. Einleitung *

Erster Teil: Der Bewegungsmelder als Bestandteil der Steuerungstechnik *

1. Grundlagen der Steuerungstechnik *

1.1 Mechanisierung und Automatisierung von Prozessen *

1.1.1 Automatisierung durch Zeitplansteuerung *

1.1.2 Automatisierung durch Ablaufsteuerung *

1.1.3 Automatisierung durch Führungssteuerung *

1.2 Prinzipieller Aufbau einer Steuerung *

2. Optoelektronik * 2.1 Das Licht *

2.2 Optoelektronische Bauteile *

2.2.1 Fotowiderstand *

2.2.2 Die Fotodiode *

2.2.3 Der Fototransistor *

2.2.4 Der Fotothyristor *

2.2.5 Vergleichstabelle *

3. Die Anwesenheitskontrolle von Personen * 3.1 Möglichkeiten der Anwesenheitskontrolle * 3.2 Der Bewegungsmelder * 3.2.1 Der PIR- Bewegungsmelder * a) Der PIR- Sensor *

b) Fresnellinse *

c) Leistungsteil und Schaltstufe *

c) Signalauf- und Signalverarbeitung *

3.2.2 Der Induktionsbewegungsmelder *
 
 
Zweiter Teil: Der Bewegungsmelder im Unterricht - Beschreibung einer Unterrichtssequenz *

5. Unterrichtssequenz: Technik *

5.1 Organisatorische und inhaltliche Voraussetzungen *

5.2 Sachanalyse *

5.3 Didaktische Überlegungen *

5.4 Methodische Überlegungen *

5.4.1 Methodische Überlegungen: 1. Doppelstunde *

5.4.2 Methodische Überlegungen: 2. Doppelstunde *

5.4.3 Methodische Überlegungen 3.Doppelstunde *

5.4.4 Methodische Überlegungen: 4.Doppelstunde *

5.4.5 Methodische Überlegung: 5.Doppelstunde *

5.5 Lernziele *

5.5.1 Groblernziele *

5.5.2 Feinlernziele *
 
 

6 Reflexion *
 
 

7. Anhang *

7.1 Abkürzungsverzeichnis *

7.1.1 Allgemeine Abkürzungen *

7.1.2 Fachliches Abkürzungsverzeichnis *

7.1.3 Maßzahlen *

7.2 Literaturverzeichnis *

7.2.1. Monographien *

7.2.2 Artikel in Herausgeberbänden *

7.2.3 Computerartikel *

7.2.4 Internetartikel *

7.2.5 Aufsätze *

7.2.6 Sonstige *
 
 

7.3 Arbeitsblatt 59

7.4 Sonstiges #9; #9; 60

7.5 Erklärung


 
 
 
 

0. Einleitung

Ich schreibe in meiner Examensarbeit über das Thema des Bewegungsmelders als ein Beispiel für Steuerungstechnik im Technikunterricht. Die Begründung dafür liegt in dem sehr lebensnahen Bezug des Bewegungsmelders für Schülerinnen und Schüler. Sensoren zur Anwesenheits- und Bewegungskontrolle sind heutzutage in vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken. In vielen Automatisierungskonzepten sind diese Sensoren ein Grundbestandteil der Steuerungstechnik. So finden sie ihren Einsatz in vielen Transporteinheiten, wie Rolltreppen oder Fahrstühlen, um dort den reibungslosen Betrieb zu gewährleisten. Aber auch in der Sicherheitstechnik sind Bewegungsmelder von äußerster Wichtigkeit. Der Luxus, den ein Bewegungsmelder seinem Besitzer bietet, wenn er den Weg zum Haus erhellt, ist nahezu jedem Leser bekannt. In meiner vorliegenden Hausarbeit möchte ich diese Technik des Bewegungsmelders genauer erläutern. Besonders die Möglichkeiten der Umsetzung in der Schule reizen mich an diesem Thema. Viele Schüler nutzen jeden Tag viele technische Gegenstände, ohne sie zu verstehen oder über ihre Funktionsweisen nachzudenken. Diese Technik möchte ich den Schülerinnen und Schülern später als Lehrer näher bringen und ihr Interesse daran wecken.

Dieses Thema bietet meiner Meinung nach die Möglichkeit, so etwas durchzuführen. Denn der Bewegungsmelder kann auch innerhalb der Rahmenrichtlinien der Haupt- und Realschulen Platz finden.

Im ersten Teil möchte ich mich mit dem Bewegungsmelder als Bestandteil der Steuerungstechnik beschäftigen. Hierbei möchte ich erst die Grundlagen der Steuerungstechnik erläutern und danach die Technik der Anwesenheits- und Bewegungskontrolle.

Der zweite Teil der Arbeit wird sich mit der Umsetzung dieses Themas in der Schule beschäftigen. Dafür werde ich eine Unterrichtseinheit zu diesem Thema entwickeln, um eine schülergerechte Ebene zu finden.



Erster Teil:

Der Bewegungsmelder als Bestandteil der Steuerungstechnik



. Grundlagen der Steuerungstechnik

1.1 Mechanisierung und Automatisierung von Prozessen

Die Steuerungs- und Regelungstechnik ist der Grundbestandteil der Automatisierungstechnik, daher soll diese Komponente auch den Beginn meiner Arbeit darstellen. Möchte man nun den Begriff Steuerungstechnik erklären, sollte man mit dem wesentlichen Begriff, nämlich der Automatisierung beginnen, was ich auch in dieser Arbeit tun möchte.

Die Grundform der Arbeit begann schon in der Steinzeit mit einfachen Werkzeugen. Die zu dieser Zeit benutzten Werkzeuge sind mit der Hand zu bedienen (Hammer, Pfeile, Schraubendreher, usw.). Auch benötigt man, um mit ihnen zu arbeiten, ein gewisses handwerkliches Geschick. Der Arbeiter sollte z. B. in der Lage sein, eine Fläche plan zu feilen. Die dazu benötigte Energie geht vom Arbeiter selbst aus und wird als Muskelkraft bezeichnet.

Erst sehr viel später, im Zeitalter der Industrialisierung, kam es zu einer grundlegenden Änderung der Arbeitsweisen - und zwar zu immer mehr „Mechanisierte(n) Arbeitsprozesse(n)", die die Arbeit der Angestellten angenehmer und körperlich einfacher werden lies. Durch die Wahl geeigneter Maschinen konnten die Werkstücke präziser und einheitlicher hergestellt werden. Die dafür aufzubringende Energie wird sehr häufig durch Elektroantriebe geleistet. Dies hatte zur Folge, dass die körperliche Arbeit im Laufe der Jahre immer einfacher wurde. Im Gegenzug dazu bekam der Arbeiter jedoch neue, andere Aufgabenfelder hinzu. Er ist jetzt in erster Linie für Einrichtung, Bedienung und Wartung einer Maschine zuständig.

Ein mechanisierter Arbeitsprozess wird durch Maschinen oder andere Einrichtungen ausgeführt. Der Antrieb erfolgt durch geeignete Energieformen (häufig durch elektrische Energie). Der Mensch wird dadurch von körperlicher Arbeit weitgehend entbunden. Ihm verbleiben Funktionen, die mit der [...] Kontrolle des Arbeitsergebnisses zusammenhängen.
 
 
Eine Mechanisierung des Arbeitsprozesses sollte bzw. muss bereits vorhanden sein, wenn man eine Automatisierung einführen möchte.

Arbeitet man mit einer automatisierten Anlage, benötigt man heutzutage im Prinzip keine Fähigkeiten im Bereich „lenkendes Eingreifen und Kontrolle". Denn diese Prozesse werden nun von der Anlage durchgeführt. Man kann also sagen; die Anlage erhält am Anfang ihrer Produktion ein Rohmaterial und am Ende bekommt man das fertige Produkt. Dies wäre lt. mehrfach angegebener Lektüre (siehe Fußnoten) eine „automatisierte Anlage". Besser noch die Bezeichnung vollautomatisierte Anlage, da die Anlage vollkommen selbstständig arbeitet.

Bei einem automatisierten Arbeitsprozess werden alle Funktionen, die der Kontrolle und Lenkung des Prozesses dienen, Maschinen und Geräten übertragen. Dem Menschen verbleiben die Aufgaben der Pflege und Instandhaltung dieser Einrichtungen.
 
 
Automatisierung wird in drei Teilbereiche unterteilt: Automatisierung durch Zeitplansteuerung

Automatisierung durch Ablaufsteuerung

Automatisierung durch Führungssteuerung
 
 

Diese drei Bereiche möchte ich anhand jeweils eines Beispiels erklären, da dies meiner Meinung nach dem einfacheren Verständnis dient. Im nun folgenden Teil meiner Arbeit möchte ich die o. g. Bereiche nun näher erläutern:

1.1.1 Automatisierung durch Zeitplansteuerung

Als Beispiel für diese Form der Automatisierung könnte man die Schaufensterbeleuchtung eines Geschäftes wählen. Die Beleuchtung innerhalb solcher Schaufenster ist im Regelfall durch feste Zeiten bestimmt. Genau diese Voraussetzung muss erfüllt sein, damit eine Zeitplansteuerung zum Einsatz kommen kann.

Die Anfangs- und Endpunkte der Beleuchtungszeit des Schaufensters werden in einer Schaltuhr eingestellt. Durch ein Schütz wird dann, bei einem Signal der Schaltuhr, die Beleuchtung ein- und ausgeschaltet.

Abb. 1 : Zeitplansteuerung

Die Zeiten für die Beleuchtung kann man in Blöcke einteilen, in denen die Beleuchtung ein- bzw. ausgeschaltet sein soll. Diese Blöcke werden in einen Zeitplanspeicher eingegeben. In diesem Beispiel wird der Zeitplanspeicher durch die Schaltuhr dargestellt. Des Weiteren wird das Schütz, welches die Anlage schaltet, als Stellglied bezeichnet. Die geschaltete Lichtanlage der Beleuchtungsanlage nennt man Steuerstrecke. Auch wichtig ist die Tatsache, dass die Stromversorgung zur Steuerstrecke dazuzählt.

Bei einer Zeitplansteuerung wird an einem Zeitplanspeicher ein Zeitplan eingestellt. Nach diesem Zeitplan wird das Stellglied betätigt, das seinerseits den gewünschten Eingriff an der Steuerstrecke vornimmt.
 
 
1.1.2 Automatisierung durch Ablaufsteuerung

Eine Ampel ist für die Automatisierung durch Ablaufsteuerung ein gutes Beispiel. Im Folgenden möchte ich die einfache Fußgängerampel beschreiben und an ihr die Ablaufsteuerung erläutern.

Die Fußgängerampel ist in verschiedene Blöcke eingeteilt. In der Zeit, in der sie nicht von Fußgängern benötigt wird, ist die Ampel außer Betrieb gestellt. Wenn nun ein Fußgänger durch Betätigung des Tasters eine Anforderung an die Ampel stellt, beginnt die Ampel nach in Abb. 2 dargestelltem Rhythmus durchzuschalten.
 
Block Nr.
Geschehen
Fußgängerleuchten
Fahrzeugleuchten
1
Fahrzeuge halten Rot Orange
2
  Rot Rot
3
Fußgänger überqueren Grün Rot
4
  Rot Rot
5
  Rot Orange
6
Fahrzeuge fahren an Rot Aus

Abb. 2: Ablaufdiagramm einer Fußgängerampel

Das Geschehen ist in Blöcke oder in einen Ablauf eingeteilt. Jeder Block ist von Bedingungen abhängig. Er kann nur dann beginnen, wenn der vorherige Block erfüllt wurde. Der Ablauf ist also Bedingungen ausgesetzt. Diese Bedingungen können logisch erfasst werden und so, mit Hilfe der Schaltalgebra, in Gesetzen formuliert werden. Die so gewonnen Gleichungen werden in einem Bedingungsspeicher erfasst und von dort in ein Stellglied übermittelt.

Abb. 3: Steuerkette mit Bedingungsspeicher

Das Stellglied wiederum sendet das Signal an die Steuerstrecke. In diesem Fall könnte der Bedingungsspeicher durch eine C-Control-Einheit oder durch ein Logo dargestellt werden. Den Aufbau einer solchen Anlage möchte ich nun näher beschreiben:

Abb. 4: Schematischer Ablauf eines Speichergliedes

Die Eingänge fragen die Bedingungen, die in einem Moment n gegeben sind, ab. Die im Bedingungsspeicher gespeicherten Gleichungen führen jetzt zur Schaltung des Stellgliedes, das an den Ausgängen der Anlage angeschlossen wird. Die in Abb. 4 dargestellte Skizze ist nur ein Schema dieser o. g. Anlagen und entspricht nicht der realen Anzahl der dargestellten Ein- und Ausgänge.

Das Stellglied in dieser Anlage könnte ein Schütz oder ein Relais sein, das die Befehle der Ausgänge umsetzt. Die Steuerstrecke ist in diesem Fall die Anlage selbst, wie Lampen, Stromversorgung usw.

Der am oben beschriebenen Beispiel geschilderte Sachverhalt nennt sich Ablaufsteuerung. In der Lektüre wird diese wie folgt beschrieben:

Bei einer Ablaufsteuerung wird der Arbeitsprozess in einzelne Takte zerlegt. Beginn und Beendigung jedes Taktes werden durch Bedingungen im Bedingungsspeicher festgelegt, die sich aus dem Ablauf des Prozesses ergeben. Die Hauptbestandteile sind der Bedingungsspeicher, die Stellglieder und die Steuerstrecke.
 
 
1.1.3 Automatisierung durch Führungssteuerung

Als Beispiel für eine Führungssteuerung soll eine Dämmerungsschaltung dienen. Denn eine Dämmerungsschaltung wird in der Schule oft als Grundschaltung für den Technikunterricht eingesetzt.

Abb. 5: Schaltung einer Dämmerungsschaltung

Wie in Abb. 5 zu sehen, wird am Spannungsteiler zwischen dem Potentiometer und dem Fotowiderstand (LDR genannt) die Basis für den Transistor abgegriffen. Durch das Potentiometer ist die Empfindlichkeit der Schaltung einzustellen. Bei Beleuchtung des Widerstandes (LDR) liegt sein Wert im unteren Ohmbereich. Verdunkelt man den Fotowiderstand, so liegt dieser Wert im Megaohmbereich.

Die Schaltung ist also in ihrer Funktion lichtabhängig. So lange der LDR beleuchtet wird, liegt an der Basis des Transistors negatives Potential an und der Transistor sperrt.

Falls nun die Schwelle zur Dunkelheit übertreten wird, diese wird im Übrigen mit dem Potentiometer definiert, leuchtet die Lampe. Dies geschieht durch das positive Potential der Basis.

Der LDR, auch als Führungseinrichtung zu verstehen, liefert einen kontinuierlichen Widerstandswert. Die Führungsgröße ist jedoch das Licht, das im LDR verarbeitet wird. Die Führungseinrichtung steuert nun das Stellglied, welches wiederum die Steuerstrecke schaltet.

Eine Führungssteuerung besteht aus der Messeinrichtung für die Führungsgröße, der Führungseinrichtung, dem Stellglied und der Steuerstrecke.

Nach einer vorgegebenen Gesetzmäßigkeit wird in Abhängigkeit von einer Führungsgröße das Stellglied betätigt und damit der Prozess in gewünschter Weise gesteuert.
 
 

1.2 Prinzipieller Aufbau einer Steuerung

Stellt man die in den vergangenen drei Teilen gewonnenen Erkenntnisse gegenüber, so fällt auf, dass sie sich nur im ersten Teil unterscheiden. In Abb. 6 wird dieser Sachverhalt genauer dargestellt.

Abb. 6: Darstellung verschiedener Steuerketten

Jede dieser Automatisierungsformen ist von einer Eingangsgröße abhängig. Sie alle besitzen also zusammengefasst eine Steuereinrichtung, die in einer bestimmten Abhängigkeit das Stellglied betätigt. Dieses wiederum schaltet die Steuerstrecke.

Alle Automatisierungen die so ablaufen, nennt man Steuerungsablauf. Dieser ist in Abb. 7 durch die einzelnen Komponenten Eingangsgröße, Steuereinrichtung, Stellglied und Steuerstrecke dargestellt. Das in Abb. 7 dargestellte Schema stellt in seiner Gesamtheit den Vorgang einer Steuerkette dar. Die Reihenfolge dieser Steuerkette ist nicht veränderbar und wird nur von links nach rechts durchlaufen.
 
 

Abb. 7: Blockschaltbild einer Steuerkette

Man unterscheidet die Steuerungen in zwei Kategorien, „die Programmsteuerung mit Zeitplansteuerung" und „Ablaufsteuerung und die Führungssteuerung".

Zusammengefasst kann man sagen:

Bei einer Steuerung wird in Abhängigkeit von einem Eingangssignal (oder mehreren Eingangssignalen) mit Hilfe einer Steuereinrichtung das Stellglied (oder mehrere Stellglieder) nach einer vorgegebenen Gesetzmäßigkeit betätigt. Das Prinzip einer Steuerung ist durch eine Steuerkette gekennzeichnet. Diese wird wirkungsmäßig nur in einer Richtung durchlaufen. Bei einer Steuerung kann der Einfluss von Störungen nur in begrenztem Maß berücksichtigt werden.
 
 
2. Optoelektronik

Die Optoelektronik (Optik, [gr.- lat.] Wissenschaft vom Licht, seiner Entstehung, Ausbreitung und Wahrnehmung) ist ein Teilgebiet der modernen Elektronik. Die Bauteile der Optoelektronik sind aus der Elektronik nicht mehr wegzudenken. Sie sind in der Lage, auf elektrisch berührungslosem Weg Schaltvorgänge zu übernehmen. Die Bauteile sind Wandler. Diese wandeln das Licht in elektrische Signale oder elektrische Signale in Licht. Für optoelektronische Bauteile ist also Licht das Medium, mit dem Signale übertragen werden. Hier möchte ich zunächst mit dem Licht beginnen und danach einige optoelektronische Bauteile vorstellen, die später in dieser Arbeit von Bedeutung sind.

2.1 Das Licht

Das Licht ist eine durch das Auge wahrgenommene elektromagnetische Schwingung. Sie setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen, die bestimmte Eigenschaften besitzen. Diese Eigenschaften möchte ich nun beschreiben:

Abb. 8 : Wellendarstellung des Lichts

Die in Abb. 8 dargestellten blauen Wellen werden als elektrische Wellen bezeichnet und stehen orthogonal zu den grünen Wellen, die auch magnetische Wellen heißen. Diese beiden Formen von Wellen stellen die elektromagnetische Schwingung dar, deren sichtbaren Bereich fürs menschliche Auge wir als Licht bezeichnen. Die anderen Bereiche der elektromagnetischen Schwingung werde ich später beschreiben.

Zunächst möchte ich das Licht näher beschreiben. Seine Bestandteile sind wie folgt aufgebaut:

Ich beginne mit der Wellenlänge. Als Wellenlänge bezeichnet man die Strecke zwischen den Wellenspitzen. Diese Wellenlänge stellt auch eine Schwingung dar, deren Anzahl pro Sekunde als Frequenz bezeichnet wird.

Die Frequenz wird in der Technik mit dem Buchstaben „f" abgekürzt. Mit dem griechischen Buchstaben „?" (gesprochen: lambda) wird die Wellenlänge bezeichnet. Multipliziert man diese beiden Größen so erhält man „c" die Lichtgeschwindigkeit.

Formel 1

Aus dieser genannten Formel lässt sich schließen, dass sich die Frequenz und die Wellenlänge antiproportional verhalten.

Dies wird auch in der Abb. 9 deutlich. Dort ist das ganze Spektrum des Lichts, wie es im Volksmund genannt wird, dargestellt. Doch nur der fürs menschliche Auge sichtbare Bereich wird tatsächlich Licht genannt. Bei den anderen Bereichen spricht man von Strahlen. In Abb. 9a ist dieses gesamte Spektrum aufgezeichnet. Ausgeschnitten hieraus ist in Abb. 9b das sichtbare Licht und deren Aufschlüsselung in die Farben dargelegt.

Abb. 9: Darstellung der Wellenlängen

Die Wellenlänge der Lichtstrahlen, die unser Auge aufnimmt, bestimmt die Farbe die wir sehen. Das Spektrum unserer Augen bewegt sich zwischen Rot und Violett. Eines der am häufigsten genutzten Lichtbereiche in der Technik, die ein Mensch nicht mehr wahrnehmen kann, ist die Infrarotstrahlung.

Infrarotstrahlen:

Das an das rote Ende dieses Spektrums anschließende Wellengebiet umfasst den Bereich der infraroten Strahlen. Sie werden auch als Wärmestrahlen bezeichnet, weil sie von erwärmten Körpern ausgehen und sich beim Auftreten auf andere Körper nur durch Wärmewirkungen bemerkbar mit machen.
 
 
Diese Form der Strahlung begegnet jedem, der eine IR-Fernbedienung (IR= Infrarot) nutzt oder am Handy die IR-Schnittstelle zur Datenübertragung verwendet.

In Abb. 10 ist zu erkennen, welche Formen der verschiedenen Strahlungen wo in der Technik zum Einsatz kommt. Beginnend mit den Langwellen für Rundfunkgeräte, über Radar bis zum Ende bei den Röntgenstrahlen ist so deutlich, wo diese Strahlung genutzt wird.

Abb. 10: Verwendung der unterschiedlichen Wellen in der Technik

2.2 Optoelektronische Bauteile

Wie schon oben in Kapitel 2.1 beschrieben, wird die Infrarotstrahlung in der Technik oft verwendet. Im Folgenden möchte ich einige optoelektronische Bauteile beschreiben, die unter anderem Infrarotstrahlen verarbeiten. Dieser Zusammenhang ist zum Verständnis des Bewegungsmelders erforderlich und somit von mir in die Arbeit aufgenommen worden.

2.2.1 Fotowiderstand

Der Fotowiderstand, auch LDR (engl. Light Dependent Resistor) genannt, ist lichtempfindlich und besteht aus einem Halbleitermaterial (Cadmium-/ Bleisulfid), das sich durch Anteile von lichtempfindlichen Werkstoffen auszeichnet.

Seine Funktionalität zeichnet sich besonders dadurch aus, dass sich bei einer etwaigen Lichteinstrahlung im Halbleiter weitere Ladungsträger lösen. Diese machen das Kristall niederohmiger und somit leitfähiger. Daraus folgt, dass je mehr Licht auf einen LDR fällt, desto mehr Ladungsträger werden frei, desto niederohmiger wird das Kristall an sich und desto mehr ist der LDR leitfähig. Die Ohmwerte bewegen sich hierbei zwischen 100 bis in den Megaohmbereich. Die Fotowiderstände sind außerdem gleichermaßen für Wechsel- und Gleichstrom zu verwenden, da die freibeweglichen Ladungsträger stromrichtungsunabhängig sind. Jedoch ist die Widerstandsänderung bei Lichteinwirkung nicht frei von Trägheit. Hieraus folgt, dass die Anstiegs- und Abfallszeiten, die von der Beleuchtungsstärke bestimmt werden, die Gesamtfrequenz bestimmen. Der Betriebsspannungsbereich liegt zwischen 3- 300 Volt und ist typenabhängig.

2.2.2 Die Fotodiode

Die Fotodiode ist, im Gegensatz zum Fotowiderstand, stromrichtungsabhängig. Denn sie haben, wie andere Dioden auch, einen PN- Übergang, der jedoch in ihrem Falle lichtzugänglich gemacht wurde. Die Fotodiode wird in Sperrrichtung betrieben. Dies bedeutet, dass bei Lichteinstrahlung Ladungsträgerpaare entstehen, die den Sperrstrom (Fotostrom) je nach Intensität der Einstrahlung vergrößern. Die Fotodiode wird für schnelle Signalübertragungen benutzt, da ihre Grenzfrequenz sehr hoch liegt. Um eine Fotodiode in ihrem Wirkungsgrad (Empfindlichkeit, Richtungsabhängigkeit) zu verbessern, benutzt man eine Linse. Die Sperrkapazität der Dioden, die durch Grenzfrequenzen beeinträchtigt wird, nimmt mit der Zunahme der Spannung ab. Unausweichlich ist dabei die hochohmige Anpassung der Auswertelektronik, da Fotodioden, wie oben genannt, in Sperrrichtung benutzt werden. Des Weiteren kann man auch Fotodioden im Reverse- Betrieb (Betrieb ohne Hilfsspannung) als Fotoelement verwenden.

2.2.3 Der Fototransistor

Der Fototransistor besitzt, im Vergleich zur Fotodiode, eine 100- 1000mal größere Lichtempfindlichkeit. Ein Fototransistor hat eine Lichtöffnung, durch die Licht auf den Kollektor- PN- Übergang fällt.

Durch eben dieses Licht entstehen Ladungspaare, die auch hier den Sperrstrom erhöhen und der Kollektorstrom nimmt gemäß dem Verstärkungsfaktor des Transistors zu. Der Nachteil von Fototransistoren ist die niedrige Grenzfrequenz und die große Nichtlinearität. Hier kann ein Basisanschluss helfen. Er ermöglicht die Festsetzung eines stabilen Arbeitspunktes und eine Verbesserung des Schaltverhaltens, jedoch zum Nachteil der Verstärkung.

2.2.4 Der Fotothyristor

Dies ist ein Vierschicht- Halbleiterbauelement und wird durch Lichteinfall auf dieses Element aktiviert. Dann verhält der Fotothyristor sich wie ein normaler Thyristor. Jedoch ist sein Thyristor- Kippverhalten nur nach seiner Zündung durch Licht wieder abschaltbar mit einem polaritätsmäßig entgegengesetzten Impuls auf die Annode oder durch die Unterbrechung des Stromkreises.
 
 

2.2.5 Vergleichstabelle

Diese Vergleichstabelle dient dem besseren Verständnis der Unterschiede zwischen den o. g. optoelektronischen Bauteilen. Des Weiteren dient die Tabelle dazu, bei einem bestimmen Verwendungszweck schneller des optimalste Bauteil für verschiedenste Nutzungsbereich zu finden.
 
Name Gleichstrom Wechselstrom Hellwiderstand Dunkelwiderstand Grenzfrequenz Spektrale Empfindlichkeit
Fotowiderstand Ja Ja 40? - 1k? 100 M? XXXXX 400- 800nm
Fotodiode Ja Nein Strom: 

60 µA

Strom: 

1 nA

sehr hoch Infrarotbereich
Fototransistor Ja Nein Strom: 

0,1-10mA

Strom: 

50-500 nA

Niedrig 750-850 nm 

Infrarotbereich

Fotothyristor Ja  Ja XXXXXXX XXXXXXXX XXXXX XXXXXXXXXX

 

3. Die Anwesenheitskontrolle von Personen

Zunächst galt es für mich herauszufinden, als mir das Thema bekannt wurde, wie ein Bewegungsmelder funktioniert. Mit Erstaunen stellte ich fest, wie viele Objekte in der Technik als Bewegungsmelder bezeichnet werden. Ich hatte mir vorgestellt, dass ein Bewegungsmelder ausschließlich so aussieht, wie man ihn häufig an Häusern oder unter Außenlampen findet. Jedoch lernte ich in der Literatur viele verschiedene Formen des Bewegungsmelders kennen. Da mir die technische Funktion eines Bewegungsmelders bis zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt war, fand ich die Auseinandersetzung damit sehr interessant. Folgend möchte ich einen Überblick über verschiedene Bewegungsmelder geben und zunächst einen ersten Überblick über die große Anzahl von Bewegungsmeldern geben.

3.1 Möglichkeiten der Anwesenheitskontrolle

Während es für das menschliche Auge kein Problem darstellt, eine Person zu erkennen, ist es für Technik ein komplizierter Vorgang, eine sog. Anwesenheitskontrolle vorzunehmen, da die hohe Auflösung der Konturen des menschlichen Auges noch nicht auf technische Art und Weise nachzuahmen ist. Der größte Unterschied ist aber, dass ein Mensch in Verbindung mit seinem Gehirn „wahrnimmt" (sehen und das Gesehene umsetzen), was um ihn herum, in seinem Sichtfeld geschieht. Die Technik ist mit optischen Elementen nur in der Lage zu „sehen". Man muss ihr aber auch erklären, was sie aufnehmen (sehen) soll und was nicht.

Als ich auf der Suche nach dem Aufbau von Bewegungsmeldern war, fand ich eine Doktorarbeit über Sensorkonzepte der Anwesenheitskontrolle. In dieser Arbeit gab es eine interessante Übersicht, die ich in Abb. 11 übernommen habe.

Abb. 11: Darstellung verschiedener Formen der Personenkontrolle

An dieser in Abb. 11 dargestellten Aufschlüsselung möchte ich mich halten. Jedoch erhebt diese Abbildung keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Es sind aber alle für meine Arbeit wichtigen Teile der Möglichkeiten zur Personenkontrolle enthalten. Es werden drei große Bereiche von technischen Formen der Personenerkennung unterschieden. Hier wären zunächst die Bild verarbeitenden Verfahren, die unterscheiden können müssen, welche Bestandteile des Bildes wahr zu nehmende Objekte sind und welche nur Hintergründe.

Als zweite Möglichkeit gibt es die messtechnische Erfassung körpereigener Vitalfunktionen. Hierbei handelt es sich um die Erkennung von Herzschlag und Atmungsbewegung.

Den letzten Teil stellen die Bewegungsmelder dar. Sie versuchen eine Bewertung von Veränderungen im Vergleich zu einer vorher gemessenen Referenzszene.

Ich möchte meine Arbeit auf diese Gruppe der Bewegungsmelder beschränken, da die anderen beiden Gruppen in der Schule nicht mehr realisierbar wären und somit über das Thema dieser Arbeit hinausgingen.

3.2 Der Bewegungsmelder

Wenn sich innerhalb des Erfassungsgebietes eines Bewegungsmelders eine Person bewegt, gibt es viele verschiedene Messwerte, die man zur Erkennung von Personen nutzen kann (Abb. 11). Zu ihnen gehören der Geräuschpegel, die Tiefeninformation, die Geschwindigkeit, die Helligkeit oder Farbe und die Temperaturverteilung. In der Gebäudesicherung haben sich im Wesentlichen zwei Formen der Bewegungserkennung durchgesetzt. Diese sind in der Abb. 12 dargestellt.

Abb. 12: Arbeitsbereiche der Bewegungsmelder

Man unterscheidet die elektromagnetischen Wellen und die Schallwellen als die zwei großen Formen, die ein Bewegungsmelder nutzen kann. Der große Unterschied ist die Geschwindigkeit der Wellen. Wie schon in Kapitel 3.1 beschrieben, erreichen die elektromagnetischen Wellen die Lichtgeschwindigkeit von ca. 300000 m/s. Die Schallwellen jedoch erreichen nur eine Geschwindigkeit von ca. 333m/s. Aber auch ob sie passiv oder aktiv arbeiten, unterscheidet die Bewegungsmelder grundlegend.

Ultraschall- und Mikrowellenbewegungsmelder gehören zu den aktiven Meldern, da sie ein künstliches Signal brauchen, um zu detektieren. Das bedeutet, dass sie ein Signal aussenden, um an der Reflektion des Signals Bewegung zu signalisieren.

Zu den passiven Meldern gehören die Passiv- Infrarot- Bewegungsmelder (PIR- Sensoren), die im fernen Infrarotbereich (IR-C) arbeiten. Dahingegen arbeiten Fernbedienungen oder Lichtschranken im sichtbaren Licht (VIS) oder nahem Infrarotbereich (IR-A). Unter passiven Meldern versteht man diejenigen, die mit dem von Körpern ausgehenden (Infrarot-) Wellen arbeiten. Hierzu gehören auch die PIR- Sensoren. Sie nutzen die vom Körper ausgehende Wärmestrahlung (auch Infrarotstrahlen in Kapitel 3.1 genannt). Im Folgenden werde ich mich mit einem Infrarotmelder beschäftigen und seine Funktion erläutern:

3.2.1 Der PIR- Bewegungsmelder

Um einen Bewegungsmelder zu verstehen, demontierte ich einen Bewegungsmelder aus dem Baumarkt. Hierbei ergaben sich die in Abb. 13 dargestellten Bauteile.

Fresnellinse Leistungsteil Schaltstufe

PIR- Sensor Fotowiderstand Signalauf- und Signalverarbeitung

Abb. 13: Bauteile des Bewegungsmelders

Im Foto A der Abb. 13 ist die Fresnellinse zu erkennen, deren Funktion ich später noch erläutern möchte. Der PIR- Sensor, der im Foto B zu sehen ist, wird von der Schaltlogik, Signalauf- und Signalverarbeitungselektronik umschlossen. Das Leistungsteil und die Schaltstufe sind im Foto C zu erkennen. Einzelne Komponenten werde ich in den folgenden Punkten darstellen, um ihre Funktion zu erläutern.

Diese Komponenten sind in vielen Bewegungsmeldern so oder so ähnlich zu finden. Aus diesem Grunde habe ich oben dargestellten Bewegungsmelder als Beispiel ausgewählt.

a) Der PIR- Sensor

Ein PIR- Sensor ist ein so genannter pyroelektrischer Detektor („...pyroelektrisch [gr.-nlat.]: die Pyroelektrizität betreffend..."). Ein solcher Detektor besteht aus einem pyroelektrischen Festkörper, den man als Dielektrikum (Isolierschicht) bezeichnen kann. Diese Isolierschicht weist ein Dipolmoment auf, ohne dass von außen Kräfte auf sie einwirken (Abb. 14). Wenn die Temperatur innerhalb des Festkörpers ansteigt, verkleinert sich das Dipolmoment. Dies geschieht so lange, bis oberhalb der Curie- Temperatur die Polarisation vollkommen verschwindet.
 

A B

Abb. 14: Darstellung des PIR- Sensors

Das infolge der Polarisation P vorhandene innere elektrische Feld EI wird durch freie Oberflächenladungen aus der Umgebung kompensiert, so dass der Festkörper im thermodynamischen Gleichgewicht nach außen hin elektrisch neutral scheint. [Abbildung 14 A] verdeutlicht den Kompensationseffekt. Ändert sich das Dipolmoment infolge einer Temperaturänderung, erfolgt der Zufluss oder Abfluss von Oberflächenladungen nur langsam, da das Dielektrikum einen hohen Isolationswiderstand besitzt. Demzufolge tritt eine extern messbare Differenzspannung auf, die sich durch den geringen Isolationsstrom nur langsam abbaut und die ein Maß für die absolute Temperaturänderung ist [Abbildung 14 B]. Dieser beschriebene Effekt nennt sich pyroelektrischer Effekt, den man kurz so beschreiben kann:

Falls bei einem pyroelektrischen Sensor eine Temperaturänderung auftritt, erzeugt er an seinen Ausgängen eine Differenzspannung. Man könnte den Sensor auch als Kondensator mit einem temperaturabhängigen Dielektrikum bezeichnen. Die Temperaturänderungen können bauartbedingt auch durch Infrarotwellen ausgelöst werden.

b) Fresnellinse
 

Fresnel, Augustin Jean war ein französischer Physiker der sich mit der Wellentheorie des Lichts auseinandersetzte. Seine arbeiten über Optik trugen zur Aufstellung der Relativitätstheorie bei.
 
 
 
 

Abb. 15 Foto des Herrn Fresnel
 
 

In der angewandten Optik entwickelte Fresnel einen Typ von Linsen, die seinen Namen tragen. Sie sind mit wenig Materialaufwand in der Lage, einen großen Bereich zu verkleinern.

 
 

herkömmliche Linse
 
 

Fresnellinse
 
 
 
 

Abb. 16: Aufbau einer Fresnellinse

Durch Zerlegung der Linse in Teilabschnitte und deren neue Zusammensetzung wird dieser Effekt erzeugt. Diese neue Zusammensetzung führt dazu, dass sich radial ausbreitende Strahlen in parallele Strahlen umformen lassen. So wird eine Konzentration des Strahls erzeugt, deren Nutzen man heute z. B. bei Leuchttürmen oder Bühnenscheinwerfern und beobachten kann.

In Bewegungsmeldern werden die Fresnellinsen eingesetzt, um einen großen Erfassungsbereich auf den Sensor zu übermitteln. Ihre Undurchsichtigkeit ist durch ihre Anwendung zu erklären, da Infrarotwellen keine transparenten Linsen erfordern (siehe Kapitel 3.1 ).

c) Leistungsteil und Schaltstufe

Das Leistungsteil hat in diesem Bewegungsmelder die Aufgabe, die Betriebsspannung für die Elektronik zu liefern. Eine Möglichkeit, um eine Spannung zu reduzieren, wäre ein Transformator. Jedoch ist ein Transformator ein sehr teures Bauteil. Weiterhin könnte ein Widerstand dienen, um den Strom zu begrenzen. Doch ein tatsächlicher Widerstand würde im Betrieb zu viel Wärme abgeben. Somit macht man sich einen kapazitiven Blindwiderstand zu Nutze, um den Strom zu begrenzen, da dieser im Betrieb kaum Wärme produziert. Der Kondensator ist in Abb. 13B zu erkennen. Folgende Schaltung ergibt sich aus der in Abb. 13B dargestellten Platine bei genauerer Betrachtung.
 
 
 

R

XC

U~ R Z

C

a) b)

Abb. 17: a) Reihenschaltung b)Zeigerdiagramm

Es ist eine Reihenschaltung eines Kondensators mit einem Widerstand, wie in Abb. 17a dargestellt. Da die Schaltung an einer Wechselspannung von 230V liegt, ergibt sich das in Abb. 17b dargestellte Zeigerdiagramm.

Der kapazitive Blindwiderstand XC eilt dem Wirkwiderstand R um 90° nach. Somit ergibt sich der Scheinwiderstand Z der Schaltung, wenn man die Wurzel der Summe der Quadrate von R und XC zieht. Als Formel geschrieben:

Z²=R² XC²

Die so gewonnene Wechselspannung, wird durch einen Brückengleichrichter gerichtet. Ein Brückengleichrichter dient zur Gleichrichtung der nun schon reduzierten Wechselspannung.

Abb. 18: Schaltung eines Brückengleichrichters

Eine Wechselspannung besteht aus einem Strom, der periodisch seine Richtung wechselt. Er beschreibt eine Sinuskurve, die sich zur Hälfte sowohl im negativen als auch im positiven Bereich bewegt. Durch die Zusammenstellung der Dioden, wie in Abb. 18 zu sehen, erreicht man die Umkehrung des negativen Bereichs der Sinuskurve ins Positive. Durch Benutzung eines parallel geschalteten Kondensators, auch Glättkondensator genannt, erreicht man nun annähernd die Gleichspannung.

Als Schaltstufe werden die Komponenten bezeichnet, die die Signale der Elektronik an die Verbraucher weitergeben. In der Steuerungstechnik wird die Schaltstufe als Stellglied bezeichnet. In diesem Bewegungsmelder in Abb. 13 wird ein Relais benutzt, um die Signale der Elektronik umzusetzen.

Ein Relais ist ein elektromagnetischer Schalter und besteht aus zwei Stromkreisen. Einen Steuerstromkreis, dessen Strom eine Spule durchfließt und sie bei eingeschaltetem Schalter S1 magnetisch werden lässt. Hierdurch wird eine Blattfeder an den magnetisierten Eisenkern der Spule gezogen. Der nun von der Blattfeder geschlossene Schalter S2 schaltet den Arbeitskreislauf ein.
 

Blattfeder und Kontakt S2

Steuerstromkreis

Arbeitsstromkreis

Spule mit Eisenkern

a b

Abb.19: a) Relais als Bauteil b) Funktionsschema eines Relais

Durch die Entmagnetisierung der Spule, Öffnen des Schalters S1, wird der Arbeitsstromkreis stromfrei geschaltet. Durch diese Komponente ist es möglich, mit einem kleinen Strom einen großen Strom zu schalten.
 
 

c) Signalauf- und Signalverarbeitung

Als Beispiel dient hier nicht mehr der Bewegungsmelder aus Abb. 13. Denn bei diesem Bewegungsmelder war es mir nicht möglich, das Ersatzschaltbild für das IC herauszubekommen, da das IC eine Eigenproduktion der Firma Luchs darstellt. Daher habe ich die von mir in dem Bewegungsmelder vermutete Schaltung in diesem IC in Abb. 20 dargestellt. Der Schaltplan stammt aus einer Schaltungssammlung und stellt die häufigste Form der Beschaltung eines PIR- Sensors da. Um eine Signalverarbeitung ausführen zu können, benötigt man zunächst eine Verstärkung des vom Sensor gelieferten Signals. Dies wird oft durch einen Operationsverstärker erreicht. Diese Form der Verstärkung ist in der Technik üblich. Zunächst besteht ein Operationsverstärker aus verschieden Verstärkerstufen. An den Eingängen befindet sich ein Differenzverstärker, der im Anschluss durch einen Spannungsverstärker, auch Treiberstufe genannt, ergänzt wird.

Die nachfolgende Endstufe wird oft durch einen Gegentaktverstärker übernommen. Operationsverstärker können in drei Betriebszuständen genutzt werden:

invertierender Betrieb

nichtinvertierender Betrieb

Differenzbetrieb

PIR- Sensor Verstärkungsstufe Fensterkomperator Timer LED
 

Abb. 20: Schaltplan eines Bewegungsmelders

Die Empfindlichkeit eines solchen Operationsverstärkers im Leerlaufbetrieb ist so hoch, dass man durch eine Gegenkopplung die gewünschte Verstärkung einstellen muss. Hierzu wird das Ausgangssignal des Verstärkers über einen Spannungsteiler wieder in einen Eingang des Operationsverstärkers gegeben. Zwei hintereinander geschaltete Operationsverstärker verstärken das Signal des PIR Sensors ca. um das 160000fache. Jeder der Operationsverstärker hat eine Verstärkung um das 400fache (Dies ergibt sich aus der Berechnung mit den Drossel-Widerständen.). Um nun das verstärkte Signal bearbeiten zu können, benötigt man einen Fensterkomperator. Dieses Bauteil ist deshalb erforderlich, da es den Arbeitsbereich der Schaltung definiert. Der obere der beiden Operationsverstärker des Fensterkomperators (Abb. 20) beschreibt die obere Schranke des Arbeitsbereiches. Der zweite Operationsverstärker schließt das Arbeitsfenster nach unten hin ab. Diese beiden Operationsverstärker vermeiden Fehlauslösungen, da sie das oben genannte Fenster bilden.

Dieses Fenster vermeidet auch, dass der Bewegungsmelder z. B. bei Tieren auslöst. Von diesem Arbeitsfenster hat der Fensterkomperator seinen Namen. Durch das Potentiometer R11 in Abb. 20 lässt sich dieses Fenster einstellen. In dem Falle, dass der Fensterkomperator anspricht, erhält das Timerglied ein Signal und gibt auf den Steuerkreis des oben beschriebenen Relais für eine einstellbare Zeit ein positives Signal weiter. In Abb. 20 wird diese Einheit durch eine LED simuliert. Also ergibt sich für den in Abb. 13 dargestellten Bewegungsmelder zusammengefasst folgendes Blockschaltbild:

Die von einem menschlichen Körper ausgehende Wärmestrahlung, die Störquellen und die Hintergrundstrahlung werden durch eine Fresnellinse auf den „Pyroelektrischen Detektor" gebündelt.

Abb. 21: Blockschaltbild der Funktion eines Bewegungsmelders

Durch die Signalaufbereitung sowie dessen Verarbeitung und die Entscheidungslogik wird das Leistungsteil betätigt und der Bewegungsmelder schaltet durch.

Diese beschriebene Form des Bewegungsmelders stellt für Schüler die wohl bekannteste Form des Bewegungsmelders dar. Im Folgenden möchte ich, der Vollständigkeit halber, noch andere Bauformen des Bewegungsmelders vorstellen.

3.2.2 Der Induktionsbewegungsmelder

Ein Induktionsbewegungsmelder ist ein hochempfindlicher Bewegungsmelder. Durch seine Bauart (Abb.22) ist er in erster Linie zum Schutz von Objekten gedacht. Die hohe Empfindlichkeit entsteht durch einen Magneten, der an einem 20 bis 30 mm langen und dünnen Faden über einer Relaisspule L1 hängt. Bei kleinster Erschütterung beginnt nun der Magnet über der Spule zu schwingen.

Abb.23: Schaltplan eines Induktionsbewegungsmelders

Hierdurch beginnt sich das Magnetfeld der Spule zu verändern und es wird eine winzige elektrische Spannung induziert. Die Schwellspannung, die Spannung an der Basis, bei der die UCE– Strecke leitend wird, beträgt 0,7 Volt. Diese 0,7 Volt sind durch das Schwingen des Magneten nicht zu erreichen. Darum wird durch einen Spannungsteiler eine Spannung von 0,6V geliefert. Betrachtet man die Schaltung, erkennt man die Reihenschaltung der Widerstände R1-R4.

So ergibt sich für den Abgreifpunkt der Spule L1 ungefähr der zwanzigste Teil der Betriebsspannung. Bei einer Betriebsspannung von 12 Volt sind dies 0,6 Volt. Der Magnet über der Spule muss somit nur noch 0,1 Volt erzeugen, um die Schaltung auszulösen.
 
 

Zweiter Teil:

Der Bewegungsmelder im Unterricht

Beschreibung einer Unterrichtssequenz

5. Unterrichtssequenz: Technik

Thema lt. Lehrplan: TE 11 HS/RS: „Vom elektronischen Bauteil zur elektronischen Schaltung"

Thema der Unterrichtssequenz: „Der Bewegungsmelder- ein Beispiel für Steuerungstechnik"

5.1 Organisatorische und inhaltliche Voraussetzungen

(Bild der Lerngruppe )

Mein Unterrichtskonzept bezieht sich auf den lt. Rahmenrichtlinien vorgesehenen Lehrplan TE 11 RS/HS mit dem Titel: „Vom elektronischen Bauteil zur elektronischen Schaltung." Dafür sind 12 Schulstunden als Zeitrichtwert vorgesehen.

Seit den Sommerferien 2004 unterrichte ich eine Arbeitsgemeinschaft der Hauptschule Weener selbstständig im Fach Technik. Dies ist ein freiwilliges Angebot einer Arbeitsgemeinschaft, die ich den 10. Klassen der Schule anbiete. Es gelang mir fünf Jungen zwischen 16 und 17 Jahren für die AG zu gewinnen und ich begann mit der Arbeit am Anfang des Schuljahres. Die Schülerinnen und Schüler kommen aus allen drei der 10. Klassen. Sie kennen sich allerdings bereits seit vier Jahren. Bis zum Ende der 9.Klasse, danach wurden die Schüler neu sortiert, gingen die Jungen in die gleiche Klasse. Sie kennen sich also bereits aus dem anderen Unterricht und stehen in einer guten Beziehung zueinander. Meine Person kennen sie bereits aus meinem Allgemeinen Schulpraktikum im Jahr 2002, als ich in ihrer Klasse das Fach Mathematik unterrichtete. Nach meinem Praktikum habe ich immer wieder in dieser Klasse unterrichtet und kenne die Schüler daher sehr gut.

T. und I. sind zwei Schüler, die auch in ihrer Freizeit viel Zeit miteinander verbringen. Sie stehen in einer guten Freundschaft zueinander und arbeiten auch im Unterricht als Team zusammen. Eine weitere Zweiergruppe bilden H. und J.. Sie fallen im normalen Unterricht oft extrem durch Störungen auf. Ihre hohe Motivation in dieser AG ist umso erfreulicher, da sie hier Leistungen zeigen, die sie im täglichen Unterricht nicht Bringen. Besonders J. ist sehr motiviert und zeichnet sich durch starke konstruktive Mitarbeit aus. Diese stößt leider bei seinen motorischen Fähigkeiten an Grenzen, da er bei Nichtgelingen einer Arbeit schnell das Interesse verliert. H. arbeitet zwar sehr gut im Unterricht mit, ist aber ziemlich egoistisch im Umgang mit seinen Mitschülern. C. ist der ruhigste Schüler und befindet sich etwas in einer Außenseiterrolle. Er arbeitet sehr langsam an Werkstücken. Jedoch ist die Genauigkeit seiner Arbeit nicht zu übertreffen. Die Ausdauer der Schüler bewegt sich leider auf einem großen Spektrum. H. und J. können kaum lange an einem Gegenstand arbeiten, während die anderen drei mit einem Arbeitsauftrag die ganze Stunde beschäftigt werden können.

Leider muss man sagen, dass T. und C. es sehr schwer haben. Ihre Eltern befinden sich beide momentan in der Scheidungsphase, was die beiden manchmal emotional aufwühlt. Diese Scheidungssituation führt dazu, dass sich die Eltern kaum um ihre Kinder sorgen. Manchmal kommt es mir vor, als wären die beiden glücklich, noch länger in der Schule bleiben zu können. Die anderen Schüler kommen aus intakten Elternhäusern, die sich sehr um die Schulbildung ihrer Kinder kümmern.

Aus dem normalen Unterricht kennen die Schüler in der Regel nur wenige Arbeitsformen. Auch der Werkunterricht ist oftmals als Einzelarbeit geplant. Besondere Formen wie z. B. Stationenlernen, sind den Schülern nicht bekannt.

Das Leistungsniveau der Gruppe insgesamt ist für eine Hauptschule sehr hoch. Die Schüler beabsichtigen alle, einen Beruf im elektrotechnischen Arbeitsfeld zu ergreifen. Daher ist die Lernbereitschaft der Schüler auch sehr hoch und sie sind intensiv bei der Sache. Hier stoßen C. und I. jedoch an ihre Leistungsgrenze. Bei Berechnungen mit dem Ohmschen Gesetz fehlen ihnen oft die mathematischen Grundlagen für die Rechnung, so dass man dies in der Stundenplanung berücksichtigen muss.

Die Hauptschule Weener ist im vergangenem Jahr in das ehemalige Orientierungsstufengebäude gezogen und hat dort einen neuen Anbau für die Fächer Werken und Technik bekommen. Zu meinem Bedauern sind diese Räume wie Werkräume eingerichtet und kaum für Elektrotechnik geeignet. So muss man aus der Physiksammlung Netzteile ausleihen, um die gebauten Schaltungen testen zu können. Auch die Möglichkeit des Lötens ist durch die nur minderwertigen Lötkolben stark eingeschränkt. Dies führt auch bei den Schülern zur Resignation, wenn die erwünschte Hitze beim Löten nicht entsteht.

Allerdings gibt es auch gute Seiten an den Räumen. Die Holzmaschinen sind in einem guten Zustand, so dass man Abrichter, Dickenhobel, Drechselbank, Kreissäge, Bandsäge und Dekupiersäge stets nutzen kann. Auch die Schülerwerkzeuge, die in ausreichender Zahl vorhanden sind, werden stets kontrolliert und gepflegt. Trotz der erwähnten Hindernisse lässt sich mit ausreichender Planung eine gute Grundsituation für den Unterricht schaffen. Die wesentlichen Materialien für diese Arbeitsgemeinschaft werden von der Schule getragen, so dass auch die Schüler T. und I. an ihr teilnehmen können, da die Finanzierung von zu Hause nicht möglich wäre.

5.2 Sachanalyse

Fachwissenschaftlich gesehen, stellen die Bewegungsmelder einen wichtigen Teilbereich der Elektronik dar. Durch ihre unterschiedlichen Bauformen finden sie in vielen Bereichen der Technik, wie z. B. der Gebäudesicherung oder der Wegebeleuchtung, einen festen Platz.

Der Komplexitätsgrad ist bei Bewegungsmeldern sehr unterschiedlich, da ihre Einsatzgebiete sehr vielfältig sind. Daher ist es wichtig, für Schüler einen Bewegungsmelder zu finden, der nicht zu umfangreich aufgebaut ist. Jedoch sollte der Melder repräsentativ für Bewegungsmelder sein.

Die von mir gewählte Bauform könnte auch als Lichtschranke bezeichnet werden. Des Weiteren bietet sie die Option der Weiterführung zu Analog- Digitalwandlern, da die Transistoren einen Schmitt- Trigger- Effekt erzeugen.

Besonders dieser Effekt wird für die Schüler eventuell eine Schwierigkeit darstellen, da für den Nachweis der Funktion des Schmitt- Triggers die genauen Spannungsverhältnisse erkannt werden müssen. Den Schülern muss zuvor die Funktion eines Transistors bekannt sein.

Jedoch sind fachliche Schwierigkeiten in größerem Ausmaße meiner Meinung nach nicht zu erwarten, da die Vorkenntnisse der Schüler ausreichend eingeübt sein sollten.

Die Funktionen der Steuereinrichtung soll in meiner Unterrichtseinheit durch den Bewegungsmelder dargestellt werden.

Die Grundlage hierfür ist der technische Begriff der Steuerkette, der sich aus verschiedenen Komponenten zusammensetzt. Dies möchte ich an dieser Stelle nur noch kurz beschreiben, da sich die genauere Beschreibung im ersten Teil befindet. Zunächst wird dort die Eingangsgröße durch die Steuereinrichtung registriert.

Von dort bekommt das Stellglied sein Signal und schaltet somit die Steuerstrecke.

Als Grundlage für den Bewegungsmelder dient eine modifizierte Dämmerungsschaltung.(vgl. Kapitel 1) Die nun folgenden Erklärungen zum Bewegungsmelder ergeben sich aus dem Grundlagenskript Elektrotechnik:

Abb.24: Blockschaltbild einer Steuerkette

Wenn eine Person den Lichteinfall auf den LDR Widerstand verhindert, so ändert er seinen Widerstandswert. Bei erneutem Lichteinfall wird er niederohmig und lässt die Spannung am Spannungsteiler ins Negative fallen.

Diese Spannungsänderung wird vom Kondensator übertragen und sperrt den ersten Transistor BC 548.

Diese Sperrung hat zur Folge, dass der zweite Transistor BC 548 leitend wird und die Leuchtdiode einschaltet.

Dieser Vorgang dauert jedoch nur so lange, bis sich der Kondensator über den Widerstand 1M? auf den Einschaltwert aufgeladen hat.

Am Piezo-Summer und an der Leuchtdiode kann man kurzzeitig erkennen, dass eine Bewegung vorhanden war.

Abb. 25 Schaltplan eines einfachen Bewegungsmelders

Genau für diesen kurzen Moment wird die Schmitt- Trigger Eigenschaft benutzt. Der Arbeitsbereich des Schmitt- Triggers beträgt ca. 0,5V und lässt den Piezo- Summer für ca. 0,75 sec. ertönen.
 
 

5.3 Didaktische Überlegungen

Die Rahmenrichtlinien für Arbeit/Wirtschaft- Technik des Niedersächsischen Kultusministeriums schreiben in LPE 7-8 für das Fach Technik an Haupt- sowie auch an Realschulen in LPE 7-10 vor, dass die Schüler an konkreten Modellen das Entwerfen und Fertigen eines Produkts erfahren sollen. Sie fordern, dass zunächst die Funktionsweise ausgesuchter, zum Thema passender elektronischer Bauteile erschlossen werden. Danach sollen die Schüler elektronische Schaltungen begreifen lernen, denn diese stellen für die spätere Praxisarbeit, zusammen mit den ebenfalls zu erarbeitenden Verbindungstechniken für die o. g. Bauteile, die Grundlage dar.

Im Folgenden müssen die Funktionsprüfung und Fehlersuche sowie der Vergleich von elektronischen Schaltungen noch eingeführt werden, um eine erfolgreiche Praxisarbeit zu gewährleisten.

Den Schülern ist der Bereich der Elektrotechnik und damit auch der Bewegungsmelder bestens aus dem Alltag bekannt. Sie sehen oder benutzen ihn täglich, ohne zu wissen, welche elektronischen Bauteile oder Baugruppen sich darin befinden. Aber auch andere elektrische Gegenstände wie etwa Fernseher, Computer, Licht usw. werden täglich benutzt.

Die Unterrichtssequenz soll den Schülern zeigen, wie mit den Teilthemen umzugehen ist. Das Arbeiten mit elektronischen Bauteilen ist nicht immer schwierig. Der Umgang mit dem Bewegungsmelder und seinen Bauteilen soll daher in der nun folgenden Sequenz gemeinsam erarbeitet, gesichert sowie die neu gewonnenen Erkenntnisse geübt und weiter gefestigt werden.

Die bereits fundierten Grundkenntnisse der Schüler im Bereich Elektrotechnik und Elektronik sollten diese Einheit leicht begreiflich machen. So sollten die Schüler in der Lage sein, Parallel- und Reihenschaltung sowie Berechnung von Widerständen und Grundfunktion von Transistoren erklären zu können.

Die Zukunftsbedeutung für die Schüler ist bei diesem Thema sehr hoch. Diese Tatsache beruht darauf, dass sich die Schüler freiwillig in dieser Arbeitsgemeinschaft befinden und sich besonders für Elektrotechnik interessieren. Drei Schüler haben bereits eine Lehrstelle in einem elektrotechnischen Beruf. Die anderen zwei suchen noch nach einem Ausbildungsplatz. Somit ist diese Form der Schaltung für sie sehr wichtig. Die Verwendung von Transistoren in der Technik ist in nahezu allen Bereichen als Standard zu betrachten. Daher ist der Transistor eines der Grundbauteile der Elektrotechnik und somit die Schaltung des Bewegungsmelder mit einer großen Zukunftsbedeutung behaftet.

Wie bereits in der Sachanalyse erwähnt, bietet die Schaltung eine sehr gute Möglichkeit in die Wandlertechnik (Analog/ Digital) einzusteigen. Aber auch der spätere Transfer zu IC- Bauteilen ist hier möglich. So könnte man die beiden Transistoren durch ein IC ersetzen. Jedoch wird die Technik dann sehr schnell unübersichtlich.

5.4 Methodische Überlegungen

Im Vordergrund stand für mich, wie ich die Elektronik an die Schüler vermitteln kann, so dass sie leicht verständlich und nicht zu abstrakt ist. Ich habe viele Ideen aus den verschiedensten Technikbüchern gesammelt und durchdacht, sowie auch die Umwelt der Schüler betrachtet, um ein sinnvolles elektronisches Bauteil zu finden, mit dem sich das Thema erschließen lässt. Schließlich begegnete mir der Bewegungsmelder und ich war davon überzeugt, dass es ein gutes Beispiel für meinen Unterricht darstellt.

5.4.1 Methodische Überlegungen: 1. Doppelstunde

Thema der Stunde: Die Steuerkette ein Schmuckstück der Technik?

Zu Beginn der Stunde möchte ich die Schüler zu einem kleinen Rollenspiel anleiten. Hierfür benötige ich die im Anhang dargestellten Schilder, einen kleinen Stromkreis und die fünf Schüler. Einer bekommt die Aufgabe, zwei der Schüler zu beobachten und bei geringster Bewegung einem nächsten Schüler am Ärmel zu zupfen. Dieser soll bei Auslösung den Lichtschalter betätigen. Der letzte Schüler produziert mit einem kleinen Kurbeldynamo (Physiksammlung) Strom für die Lampe. Nach zwei Durchgängen sollen die Schüler, die die Bewegung simuliert haben, die vier Schilder mit den Aufschriften Eingangsgröße, Steuereinrichtung, Stellglied und Steuerstrecke an die richtigen Positionen verteilen. Der Vorteil dieser Einstiegsmethode ist, dass alle Schüler eingebunden sind und eine Außenseiterrolle (siehe Klassensituation) vermieden wird.

Als nächstes sollen die Schüler den anderen ihre Handlung erklären. Danach fassen dann die Schüler ihre Ergebnisse anhand eines Tafelbildes zusammen, das wie folgt aussehen könnte:

Abb. 26

Wenn dann dieses Tafelbild entwickelt wurde, sollen die Schüler die Begriffe beschreiben können und ihre Bedeutung verstehen. Als Hilfestellung hierfür können die Schüler das Tafelbild (Abb.26) und die Erlebnisse des Rollenspiels benutzen.

Nach diesen Erkenntnissen möchte ich zum Praxisteil überleiten. Der Bewegungsmelder soll nun die Augen des Schülers ersetzen, der zuvor die Steuereinrichtung darstellte.

Für die Umsetzung werde ich den Schülern die Schaltung in Originalgröße zur Verfügung stellen.

Abb. 27: Schaltplan des Bewegungsmelders für Praxisaufgabe

Diese sollen die Schüler auf eine Weichfaserplatte kleben. Die Verbindungen, die mit einem Kreuz gekennzeichnet sind, werden mit Reiszwecken bestückt. Die Oberfläche dieser Reiszwecken sollen die Schüler mit dem Lötkolben verzinnen. Den Schülern sollte diese Arbeit bekannt sein, da sie bereits vorher Schaltungen in dieser Form aufgebaut haben.

Als didaktische Reserve habe ich die Wiederholung des LDR’ s vorgesehen. Die Schüler sollen sie die Eigenschaften dieses Bauteils noch einmal vor Augen führen. Die genaue Beschreibung dieser Sequenz ist in 9.2 zu finden.
 

Phase/ Zeit

Lehrerverhalten

Schülerverhalten Methode/ Medien
Einführung

13.00-13.10

Lehrer erläutert kurz das Rollenspiel und teilt die Rollen der Schüler ein. 

Auf evtl. Verständnisfragen, zum Inhalt nicht zum Rollenspiel an sich, möchte ich an dieser Stelle nicht eingehen und später erläutern.

Schüler führen das Rollenspiel durch. Stellen hierbei evtl. Verständnisfragen. Rollenspiel
Erarbeitung

13.10-13.20

Lehrer verteilt die Schilder und lässt die Schüler die Schilder zuteilen. Bei Problemen mit Zuteilung Hilfestellung durch Unterrichtsgespräch. Schüler versuchen die Schilder zuzuteilen und die Eigenschaften der Begriffe zu klären. Unterrichtsgespräch / Schilder
Ergebnis- sicherung

13.20-13.30

„ Gibt es jetzt die Möglichkeit, das als Ablaufdiagramm darzustellen?"

Lehrer entwickelt mit Hilfe der Schüler das Tafelbild.

Schüler nennen ihre Vorschläge und beschreiben den Sachverhalt noch einmal mit eigenen Worten. Unterrichtsgespräch/ Tafel
Einleitung Praxisteil

13.30-13.35

Name hat uns gerade seine Augen zur Verfügung gestellt, um die Bewegung zu registrieren. Diese Augen kann man in der Technik..." Schüler stellen Rückfragen zu ihrer Aufgabe und der Bearbeitung der Weichholzplatte. Unterrichtsgespräch
Praxisteil

13.35-14.20

Lehrer gibt Material und Werkzeug aus.
 
 

Während dieser Einzelarbeit geht der Lehrer durch die Reihen und gibt Hilfestellungen bei Problemen.

Schüler arbeiten in Einzelarbeit an ihrem Werkstück Einzelarbeit
Schluss

14.20-14.30

Lehrer ruft Schüler zusammen: „ Habt ihr noch Fragen ? Beim nächsten Mal werden wir...." 

Anweisung zum Aufräumen!

Schüler stellen Fragen und beginnen danach mit dem Aufräumen Gesprächskreis

5.4.2 Methodische Überlegungen: 2. Doppelstunde

Thema der Stunde: LDR, C, was ist das?

Zu Beginn dieser Stunde möchte ich den Schülern die Möglichkeit geben, die Erfahrungen aus anderen Unterrichten zu berichten. Mir ist bekannt, dass der LDR schon in einem Unterricht vorgestellt wurde. Um jetzt mit den Schülern den Umgang mit dem Messgerät einzuüben, möchte ich folgende Übung machen. Da den Schülern das Verhalten eines LDR’ s bekannt sein sollte, möchte ich, dass sie mit dem Multimeter verschiedene Situationen beim LDR durchmessen und auf der Tafel festhalten. Hierbei sollen die Schüler die Widerstandsmessfunktion kennen lernen. Hierbei ist es wichtig, ihnen dies in einem Stromkreis zu zeigen. Ein häufig auftretender Fehler ist die Nichtrennung des LDR’s vom Stromkreis. So entstehen häufig Messfehler, die in der Elektronik fatale Folgen haben können.

Um die Zusammenarbeit in der Gruppe zu stärken, bietet es sich an, die Schüler in dieser Stunde in zwei Gruppen (zu je zwei Personen) aufzuteilen. Dies ist daher möglich, da ein Schüler zu einem Bewerbungsgespräch muss und sich bereits in der Stunde zuvor abgemeldet hat. Ganz bewusst möchte ich die Gruppen einteilen, um die Gegensätze zusammenzubringen (vgl. Klassensituation) und so den Teamgeist zu fördern.

Nachdem sie nun das Messgerät wiederholt haben und somit die Lernschwachen die Chance hatten, den Sachverhalt neu zu verstehen, sollen sie noch eine zweite Aufgabe lösen. Das Bauteil Kondensator ist den Schülern nur als „Speicher" bekannt. Dies möchte ich über Messungen ändern. Hierzu bauen die Schüler die Schaltung in Abb. 28 auf und führen die auf dem Arbeitsblatt (vgl. Anhang) aufgeführten Messungen durch. Hierbei ist sicherlich auf die sachgemäße Handhabung des Messgerätes zu achten, da sie Strom und Spannungsmessung durchführen sollen.

Abb. 28: Abbildung einer Kondensatorschaltung für den Praxisunterricht
 
 
 
Phase/ Zeit

Lehrerverhalten

Schülerverhalten Methode/ Medien
Einführung

13.00-13.10

Lehrer hält LDR in der Hand

„Ihr habt im regulären Technikunterricht einen Fotowiderstand- LDR- kennen gelernt. Könnt ihr diesen beschreiben?"

Schüler beschreiben das Bauteil und nennen evtl. Begriffe wie: hell, dunkel, hochohmig, niederohmig  Unterrichtsgespräch
Erarbeitung

13.10-13.20

Lehrer ordnet die Begriffe und erläutert die erste Aufgabe des Arbeitsblattes. 

Anwendung des Messgerätes wird vom Lehrer erläutert.

Während der Aufgabe geht der Lehrer durch die Reihen und gibt Hilfestellungen.

Schüler führen Messungen durch und stellen evtl. Verständnisfragen zum Messen.  Unterrichtsgespräch

Partnerarbeit

Tafel

Ergebnis- sicherung

13.20-13.25

„Welches Verhalten zeigt der LDR?"

Lehrer sammelt verbal die Ergebnisse und lässt Notizen auf dem Arbeitsblatt machen.

Schüler stellen ihre Ergebnisse vor und ergänzen, wenn nötig. Unterrichtsgespräch/

Tafel

Einleitung Praxisteil

13.25-13.30

„Theoretisch haben wir vor ein paar Wochen dieses Bauteil schon behandelt. Heute möchte ich mit der Aufgabe auf dem Arbeitsblatt..."

Lehrer gibt Material aus.

Schüler stellen Fragen und holen sich das benötigte Material hierfür. Unterrichtsgespräch
Praxisteil

13.30-14.20

Während dieser Einzelarbeit geht der Lehrer durch die Reihen und gibt Hilfestellungen bei Problemen. Schüler arbeiten an der Aufgabe und stellen evtl. Fragen. Partnerarbeit
Schluss

14.20-14.30

Lehrer lässt Ergebnisse vergleichen und beantwortet Nachfragen. 

„Beim nächsten Mal werden wir... „

Schüler stellen Fragen und beginnen danach mit dem Aufräumen. Unterrichtsgespräch

5.4.3 Methodische Überlegungen 3.Doppelstunde

Thema der Stunde: Die magische Black Box

Zu Beginn dieser Stunde möchte ich ein altes Bügeleisen einsetzen, um die Neugierde der Schüler zu wecken. Mit einem digitalen Kesselthermometer der Firma Brötje, ist es den Schülern möglich, die genaue Temperatur der Bodenplatte des Bügeleisens auf 0,1°C genau zu messen. Aber auch die Reaktionsgeschwindigkeit des Thermometers, die sehr hoch ist, spielt hier eine große Rolle. Die Schüler sollen mit dem Thermometer den Arbeitsbereich des Bügeleisens praktisch ermitteln. Wenn sie nun die Ergebnisse auf einem Blatt festhalten, sehen sie das genaue Arbeitsfenster des Bügeleisens. Diese Funktion weist auch der Schmitt- Trigger auf. So kann man in einem kleinen Frontalunterrichtsteil diese zentrale Funktion anschaulich darstellen, ohne auf die Spannungen in der Schaltung eingehen zu müssen. Wichtig hierbei ist die Durchführung einer Gruppenarbeit, die so zu einer eigenständigen Aufteilung der Arbeiten führen soll.

Wie soeben angedeutet, könnte man den Bewegungsmelder auch von den Schülern erst fertig stellen lassen und dann durch Messen den Schmitt- Trigger erklären. Aber dies halte ich für nicht richtig, da man so am Ende einen unnötig langen Theorieteil erhält, der auch die Schüler demotivieren würde.

Im Anschluss an diesen Teil sollen die Schüler damit beginnen, den Bewegungsmelder zu bestücken. Schon in der letzten Unterrichtsstunde war es von mir ein Fehler, die Bestückung der Schaltung auf diese Stunde zu verschieben. Jedoch fand ich es für wichtig, erst das Bauteil des Kondensators zu verstehen, bevor man zur Gesamterklärung kommt. Des Weiteren hatten sie so die Möglichkeit, das Löten noch einmal zu üben, bevor sie ihren Bewegungsmelder bestücken müssen.

Für mich ist es von großer Bedeutung, die Bauteile bzw. Bauteilgruppen in Einzelschritten zu erklären, um später die Einzelbilder zu einem Gesamtbild der Schaltung zusammensetzen zu können. Die zentrale Begründung hierfür liefert mir der Psychologe Ebbinghaus. Er erkannte schon 1975 die hohe Bedeutung der Wiederholung für einen Lernprozess.
 

Phase/ Zeit

Lehrerverhalten

Schülerverhalten Methode/ Medien
Einführung

13.00-13.10

Lehrer präsentiert Gegenstände auf dem Tisch und fordert die Schüler zur Beschreibung auf.

Lehrer erklärt verschiedene Teile auf dem Tisch. 

Schüler nennen Begriffe: Bügeleisen, evtl. Thermometer Unterrichtsgespräch
Erarbeitung

13.10-13.25

Lehrer stellt und erläutert die Aufgabe. 

Beobachtet Schüler, um die Sicherheit zu beachten.

Schüler tragen die gemessenen Ergebnisse in ein Diagramm auf einem Blatt ein. Gruppenarbeit 
Ergebnis- sicherung

13.25-13.35

„Wenn ihr euch jetzt eure Kurve anschaut, werdet ihr feststellen, dass ihr eine obere und eine untere Grenze habt.  Schüler stellen evtl. Nachfragen. Frontalunterricht
Einleitung Praxisteil

13.35-13.40

„Bereits beim vorletzten Mal, haben wir mit dem Bau...." Schüler stellen Fragen und holen ihr Material Unterrichtsgespräch
Praxisteil

13.40-14.20

Während dieser Einzelarbeit geht der Lehrer durch die Reihen und gibt Hilfestellungen bei Problemen. Schüler arbeiten an ihrem Werkstück und stellen evtl. Fragen. Einzelarbeit
Schluss

14.20-14.30

Lehrer ruft Schüler zusammen: „ Habt ihr noch Fragen ? 

Beim nächsten Mal werden wir...." 

Anweisung zum Aufräumen!

Schüler stellen Fragen und beginnen danach mit dem Aufräumen Gesprächskreis

5.4.4 Methodische Überlegungen: 4.Doppelstunde

Thema de Stunde: Flakkern im Scheinwerfer!

Zu Beginn dieser Stunde möchte ich mit den Schülern vor den Technikraum gehen. (Man kann mit dem Auto unmittelbar vor dem Anbau parken). Hier möchte ich ihnen demonstrieren, dass man mit Hilfe einer Musikanlage in einem Auto die Scheinwerfer zum Flakkern bringen kann. Bei genügender Lautstärke nimmt der Verstärker in den Bassspitzen so viel Leistung auf, dass es ohne Stützkondensator zum Flakkern kommt. Da die Schule sehr einsam liegt und die Arbeitsgemeinschaft in der siebten Stunde (nach Schulschluss) stattfindet, ist die Lautstärke nicht problematisch. Die Motivation ist für die Schüler sehr hoch, da gerade die Schüler in der Hauptschule Stereoanlagen als „cool" betrachten. Da kein Schüler einen Gehörschaden davontragen soll, werde ich Einweggehörstöpsel verpflichtend machen und sie verteilen.

Um den Stützkondensator nicht permanent laden zu müssen, ist dieser aus dem System mittels einer Schaltweiche ausbaubar. Nach ein paar Sekunden und dem eindeutigen Erkennen des Flakkerns, werde ich den Kondensator wieder einbauen. Die Schüler sollen nun versuchen, eine Erklärung dafür zu finden, was geschehen ist. Um das Flakkern besser sehen zu können, werde ich ein schwarzes Stück Pappe vor die Scheinwerfer halten.

Ihre Vorschläge werde ich nun im Klassenraum an der Tafel sammeln. Um nun den Vorgang etwas zu beschleunigen, werde ich diesen Teil im Frontalunterricht durchführen. Hier ist es wichtig, mit einem Wassermodell an der Tafel das Geschehen im Auto zu erklären. Das Wassermodell ist hier besonders geschickt, da es die Vorstellungskraft der Schüler nicht überfordert.

Im Praxisteil dieser Stunde sollen die Schüler die Bestückung des Bewegungsmelders vornehmen und wenn möglich abschließen. Jedoch gehe ich davon aus, dass C. und J. die Aufgabe nicht pünktlich erledigen werden (vgl. Klassensituation). Sie sind in ihrer Arbeit eher langsam und bremsen die Gruppe oft. Für diesen Fall muss ich in der nächsten Doppelstunde vorsorgen.
 
 
 
 
 
 
 

Phase/ Zeit

Lehrerverhalten

Schülerverhalten Methode/ Medien
Einführung

13.00-13.10

Lehrer fordert die Schüler auf sich auf den Parkplatz vor den Anbau zu begeben.

„ Dies ist eine Musikanlage dessen Verstärker eine Leistung.... „

Lehrer lenkt Schüler auf das Wesentliche.

Lehrer erzeugt mit der Anlage ein Flakkern.

Lehrer baut Kondensator ein und führt die Anlage erneut vor.

Schüler begeben sich zum Parkplatz.

Schüler stellen Fragen zu der Anlage.
 
 

Schüler beobachten die Scheinwerfer.

Schüler stellen evtl. Rückfragen

Unterrichtsgespräch
Erarbeitung

13.10-13.25

„Versucht einmal eure Beobachtungen zu schildern."

Lehrer sammelt Stichpunkte an der Tafel und ordnet sie.

„In der vorletzten Stunde hatten wir eine Schaltung über den Kondensator...." 

Schüler versuchen, das Beobachtete zu beschreiben.
 
 

Schüler stellen evtl. Fragen.

Unterrichtsgespräch
 
 
 
 

Frontalunterricht

Ergebnis- sicherung

13.25-13.35

Der Lehrer fordert auf, das Tafelbild zu übernehmen. Schüler notieren sich Tafelbild Einzelarbeit
Einleitung Praxisteil

13.35-13.40

„Bereits beim letzten Mal, haben wir mit dem Bestücken...." Schüler stellen Fragen und holen ihr Material Unterrichtsgespräch
Praxisteil

13.40-14.20

Während dieser Einzelarbeit geht der Lehrer durch die Reihen und gibt Hilfestellungen bei Problemen. Schüler arbeiten an ihrem Werkstück und stellen evtl. Fragen. Einzelarbeit
Schluss

14.20-14.30

Lehrer ruft Schüler zusammen: „ Habt ihr noch Fragen ? 

Beim nächsten mal werden wir...." 

Anweisung zum Aufräumen!

Schüler stellen Fragen und beginnen danach mit dem Aufräumen Gesprächskreis

5.4.5 Methodische Überlegung: 5.Doppelstunde

Thema der Stunde: Das Gesamtkonzert der Bauteile

Zu Beginn dieser Stunde möchte ich nun mit einem Brainstorming beginnen, um die letzten Stunden zu wiederholen. Die Schüler sollen alles zum Begriff „Schaltung des Bewegungsmelders" sagen, was ihnen einfällt. So können sich auch die Schüler, die sonst relativ ruhig sind, am Unterricht beteiligen. Leider führt diese Methode dazu, dass man auch viele unwichtige Dinge zugerufen bekommt. Aber ich gehe davon aus, dass die wesentlichsten Punkte genannt werden.

Aus diesen Punkten heraus möchte ich die einzelnen Komponenten der Schaltung wiederholen. Wichtig ist mir dabei, dass alle Schüler den Anschluss behalten. Deshalb werde ich auf Aufmerksamkeit der Schüler besonderen Wert legen.

Nach dieser Wiederholung möchte ich die Schaltung im Frontalunterricht erklären und das Wissen der Schüler mit einbeziehen. Jede andere Variante ist in meinen Augen zu riskant für die schwächeren Schüler. Die Komplexität der Schaltung, dies zeigten die ersten Stunden, ist speziell für zwei Schüler doch sehr hoch. Am Ende der Erklärung möchte ich ganz bewusst, dass C. oder I. versuchen, den Inhalt mit ihren eigenen Worten wiederzugeben.

Im Anschluss meiner Erklärung möchte ich den Schülern die Gelegenheit geben, ihre Werkstücke zu beenden. In der Zwischenzeit werde ich mit den restlichen Schülern die Stellwände für die Präsentation der AG auf dem Schulfest am 10.06.05 planen. Dies ist das nächste Projekt für diese AG. Die Schüler sollen hier selber planen, was sie darstellen möchten, um ihre Arbeiten zu zeigen. Dies ist deshalb besonders wichtig, da in immer mehr Berufen erwartet wird, dass man seine Ergebnisse vorstellen kann.

Wenn die Arbeiten der restlichen Schüler am Werkstück beendet sind, möchte ich noch ein Abschlussgespräch führen. Innerhalb dieses Gespräches möchte ich nun die Funktion der Schaltungen prüfen lassen. Hauptsächlich liegt die Begründung darin, dass die Schüler sich bei der evtl. Fehlersuche gegenseitig unterstützen sollen. Dies funktioniert nur, wenn man als Lehrer darauf achtet, dass kein Schüler persönlich kritisiert wird. Jede Form von unsachlicher Kritik muss daher unterbunden werden.

Als didaktische Reserve könnte man noch einen kleinen Wettkampf organisieren, um herauszufinden, welcher Bewegungsmelder am besten detektiert.
 

Phase/ Zeit

Lehrerverhalten

Schülerverhalten Methode/ Medien
Einführung

13.00-13.10

Lehrer fordert die Schüler zu einem Brainstorming zum Thema auf.

Lehrer sammelt Begriffe an der Tafel und sortiert sie im Anschluss.

Schüler rufen Begriffe dem Lehrer zu.
 
 

Schüler beteiligen sich an Einteilung.

Unterrichtsgespräch / Tafel
Erarbeitung

13.10-13.25

Lehrer nutzt die sortierten Ergebnisse, um die Schaltung zu erläutern.

Lehrer stellt immer wieder Nachfragen, um das Verständnis zu sichern.

Schüler Stellen Fragen zum Thema.
 
 

 

Frontalunterricht / Tafel

Unterrichtsgespräch

Ergebnis- sicherung

13.25-13.35

Name versuch mal, die Funktion der Schaltung mit deinen Worten wiederzugeben."

„Unterstützt mal euren Mitschüler und ergänzt bitte."

I. oder C. geben Inhalt mit eignen Worten wieder. Unterrichtsgespräch
Lehrer fordert Schüler auf, ihre Werkstücke zu beenden. „Am 10.06. ist Schulfest. Hierfür sollen wir uns vorstellen und..." Schüler arbeiten an ihren Werkstücken und stellen evtl. Nachfragen. Schüler sammeln Ideen für die Vorstellung.
Lehrer beantwortet auftretende Fragen und gibt Hilfestellung an die Gruppen. Schüler bitten evtl. um Hilfe.
Abschlussgespräch

13.40-14.20

Lehrer fordert Schüler auf, ihre Schaltungen zu präsentieren und auf Funktion zu prüfen. 

Lehrer fordert bei Problemen auf im Team zusammenzuarbeiten. 

Schüler probieren ihre Schaltungen aus und beheben evtl. Fehler in Teamarbeit. Gesprächskreis
Schluss

14.20-14.30

Lehrer sagt kurze Abschlussworte und fordert zum Aufräumen auf. Schüler räumen auf. Gesprächskreis

5.5 Lernziele

5.5.1 Groblernziele

Die Schüler sollen

wissen, dass elektronische Schaltungen aus verschiedenen Bauteilen bestehen.

wissen, dass diese Bauteile gemäß ihrer Kenndaten eingesetzt werden.

erkennen, dass jedes Bauteil genau definierte Aufgaben in Zusammenhang mit anderen Bauteilen erfüllt.

eine elektronische Schaltung nach einem vorgegebenen Schaltplan aufbauen können.

das Weichlöten als wichtige Verbindungstechnik kennen lernen.

erkennen, dass eine defekte Schaltung nach systematischer Fehlersuche meistens repariert werden kann.

durch den Vergleich von eigenem Bauteil mit industriellem Bauteil erkennen, dass elektronische Bauteile zu unterschiedlichen Elektronikschaltungen verbunden werden können.

wissen, dass es hierbei wichtig ist, die Ein- und Ausgangsdaten zu beachten.

erkennen, dass ein Zusammenhang besteht zwischen Einsatz der Mikroelektronik und der zunehmenden Automation sowie dem damit verbundenen Strukturwandel.
 
 

5.5.2 Feinlernziele

Die Schüler sollen:

präzise Weichlöten lernen.

ein Tafelbild korrekt in ihr Heft übertragen und anschließend die geforderten Aufgaben mit Hilfe dessen lösen können.

Bereitschaft zum Mit- und Nachdenken zeigen.

sich konstruktiv an der Problemlösung beteiligen.

sich bemühen, wenn gefordert, leise zu arbeiten, um weder sich noch andere abzulenken.

sich bemühen, wenn gefordert, in Gruppen konstruktiv zu arbeiten und sich dabei in angemessener Lautstärke zu verhalten.

aktiv am Unterricht teilzunehmen und Aufgaben, wenn gefordert, auch schriftlich zu bearbeiten.

sich bemühen, wenn gefordert, auch praktische Anteile konstruktiv zu bearbeiten und zu Ende zu bringen.
 
 

6. Reflexion

Insgesamt würde ich die Unterrichtseinheit als Erfolg sehen. Die Schüler haben mir gegenüber bestätigt, dass sie die Einheit sehr interessant fanden. Aber auch das Gefühl für Transistoren sei bei den Schülern laut eigener Aussage besser geworden. Die größten Probleme während der Unterrichtseinheit sind auf das Material zurückzuführen. Sicherlich kann man über einige Bauteile der Firma Opitec streiten, jedoch würde der Fehler beim Lehrer selbst liegen. Ich hatte bereits zuvor mit unserem Meister für Elektrotechnik gesprochen, um Fehler in der Schaltung zu vermeiden. So wurde der Stützkondensator vergrößert und ein Widerstand erhöht. Hiermit möchte ich Herrn Hermanns danken.

Die Gesamtstruktur der Einheit liefert ein gutes Endergebnis, jedoch sind ein paar Kleinigkeiten zu beachten. Die Vorkenntnisse der Schüler sind im Verhältnis sehr gut. Man wird im Regelschulbetrieb nur wenige Klassen finden, die so sicher mit Elektrotechnik umgehen. So würde ich davon abraten, diese Unterrichtseinheit ohne gute Vorübungen einzusetzen.

Nach der Einheit muss ich sagen, würde ich in dieser Gruppe dazu neigen, bei erneuter Durchführung den Schmitt- Trigger genauer zu erklären. Das Black Box- Verfahren führt zum guten Verständnis, aber die Spannungserklärung wäre für die besseren Schüler zusätzlich sehr interessant gewesen.

Die Auswahl der Schaltung halte ich für gelungen, da die einzelnen Bauteile gut zu erkennen waren und so keine für Schüler evtl. undurchsichtige IC-Technik vorhanden war.

Abb. 28: Arbeiten der Schüler

Die Arbeit an dieser Hausarbeit fand ich sehr interessant. Zuvor hätte ich es mir nicht träumen lassen, wie groß der Bereich der Bewegungsmelder ist. Aber nach anfänglichen Problemen hat mir die Arbeit sehr viel Spaß gemacht. Zu den Problemen gehörte die Literaturbeschaffung zum Thema Bewegungsmelder. So gibt nahezu jeder Hersteller die guten Eigenschaften von seinem Bewegungsmelder in einer Niederschrift heraus, jedoch ist die wirkliche Funktion nie beschrieben. Auch nutzen die großen Hersteller oft firmeneigene IC- Bauteile, deren Funktion so nicht erschließbar ist. Besonders möchte ich jetzt dem Dipl. Ing. Elektrotechnik Herrn Buss danken. Er arbeitet als Lehrender an der Fachhochschule Emden und stand mir stets mit Rat und Tat zur Seite.

Aber auch der Hauptschule Weener möchte ich danken. Sie geben mir seit nunmehr drei Jahren die Möglichkeit, regelmäßig zu unterrichten, was sicherlich nicht selbstverständlich ist. Ganz besonderen Dank möchte ich natürlich an die fünf Schüler richten, die meine Versuche immer wieder erdulden. Sie sind die besten Kritiker, die man haben kann. 

7. Anhang

7.1 Abkürzungsverzeichnis

7.1.1 Allgemeine Abkürzungen

z.B. zum Beispiel

usw. und so weiter

lt. laut

vgl. vergleiche

o. g. oben genannt

AG Arbeitsgemeinschaft

HS Hauptschule

RS Realschule

m Meter

7.1.2 Fachliches Abkürzungsverzeichnis

f Frequenz

LDR Light Dependent Resistor

? Wellenlänge

U Formelzeichen für Spannung

I Formelzeichen für Strom

R Formelzeichen für Widerstand

C Formelzeichen für Kondensator

Z Formelzeichen für Scheinwiderstand

XC Formelzeichen für kapazitiver Blindwiderstand

V Volt

A Ampère

? Ohm

Hz Herz

LED Light Emitting Diode

IR Infrarot

IR-A Elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich des nahen Infrarot

IR-B Elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich des mittleren Infrarot

IR-C Elektromagnetische Strahlung im Spektralbereich des fernen Infrarot

S1 Schalter 1

L1 Relaisspule 1

T1 Transistor 1

UCE Spannung zwischen Collector und Emitter am Transistor

TE Technikeinheit

7.1.3 Maßzahlen

n 1*10-9

? 1*10-6

m 1*10-3

k 1*103

M 1*106

G 1*109

T 1*1012

7.2 Literaturverzeichnis

7.2.1. Monographien

Bär, D.; Gottschalk, H.; Hantke, D. und H. (Hrsg.). Steuern und Regeln in der Elektrotechnik. Vierte Auflage. Berlin. VEB Verlag Technik. (1966).

Awißus, H. (Hrsg.). Grundlagen der Elektrotechnik. Oldenburg. Institut für Technische Bildung der Carl- von- Ossietzky Universität Oldenburg.

Wirsum, S. (Hrsg.). Optoelektronik- Schalten, Steuern und Übertragen mit Licht. München. Franzis Verlag GmbH. (1990).

Fröhr, F.; Orttenburger, F. (Hrsg.). Einführung in die elektronische Regelungstechnik. Berlin, München. Siemens Aktiengesellschaft. (1970).

Hille, W./Schneider, O./Großmann, K./Lensch, K.(Hrsg.). Elektro-Fachkunde 2, Energietechnik. B. G. Teubner Stuttgart. (1991)

Blume, D. /Fels, G. /Homolka, T. /Kuhn, K./ Liesenfeld F.(Hrsg.). Das Leben Band3, Organismus-Umwelt-Mensch, Ernst Klett Verlag. (1986)

Kretschmer, H./ Stary, J. (Hrsg.). Schulpraktikum: Eine Orientierungshilfe zum Lernen und Lehren. Cornelsen Skriptor. (1998)

7.2.2 Artikel in Herausgeberbänden Dose, M./ Folz, J./ Mang, D./ Schrupp, C. (Hrsg.). Duden Band 5 Das Fremdwörterbuch. Dudenverlag. Auflage 5 (1990)

Kuhn, W./ Bang, G./ Lochhaas, H./ Pientka, H.(Hrsg.). Physik Band I. Westermann Schulbuchverlag. (1994)

Geißler, M.; Winklhofer, K. (Hrsg.). Das Ravensburger Technik Lexikon . Ravensburger Buchverlag. (2000)

Professionelle Schaltungstechnik Band 7&8. Kap.55 Bewegungsmelder & Näherungsschalter. Franzis Verlag. (1997)

7.2.3 Computerartikel Microsoft Encarta Professional 2002.Version 11.0.0.0816 . Microsoft Corporation. 1993-2001.
 
 
7.2.4 Internetartikel Krieger, T. (Hrsg.). Innovative Sensorkonzepte und Signalverarbeitungsstrategien zur Bewegungserkennung und Präsenzkontrolle von Personen. Dissertationsarbeit. (2002) http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=965787230&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=965787230.pdf Datum des Zugriffs: 31.03.2005. 7.2.5 Aufsätze · Microchip technology, Window Comperator, 2355 W.Chandler Blvd.,AZ 85224 USA, 2004 DS41215B 7.2.6 Sonstige Fa. Conrad (Hrsg.). Jährlicher Katalog. Köln. Conrad Verlag. (2005)

Opitec, Jährlicher Katalog, Hobbyfix Handel GmbH, Giebelstedt, (2004/05)