Technik

Beschlüsse der KultusministerkonferenzEinheitliche Prüfungsanforderungenin der AbiturprüfungTechnikDie Länder werden gebeten, die neu gefassten EinheitlichenPrüfungsanforderungen für das Fach Technikspätestens zur Abiturprüfung im Jahr 2010 umzusetzen.

Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Technik(Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 01.12.1989 i.d.F. vom 16.11.2006)InhaltsverzeichnisFachpräambel ................................................................................................................................. 5I. Festlegungen für die Gestaltung der Abiturprüfungen....................................................... 61 Kompetenzen und fachliche Inhalte .................................................................................. 61.1 Kompetenzen..................................................................................................................... 61.1.1 Sachkompetenz ................................................................................................................. 61.1.2 Methodenkompetenz ......................................................................................................... 71.1.3 Sozialkompetenz ............................................................................................................... 81.1.4 Selbstkompetenz ............................................................................................................... 91.2 Fachliche Inhalte ............................................................................................................... 91.3 Differenzierung zwischen Unterricht mit grundlegendem und Unterricht mit erhöhtemAnforderungsniveau.......................................................................................................... 92 Anforderungsbereiche ..................................................................................................... 102.1 Allgemeine Hinweise ...................................................................................................... 102.2 Anforderungsbereiche und fachspezifische Beispiele ..................................................... 102.2.1 Beschreibung der Anforderungsbereiche......................................................................... 102.2.2 Beispiele aus der Werkstofftechnik................................................................................. 123 Schriftliche Prüfung ........................................................................................................ 133.1 Allgemeine Hinweise ...................................................................................................... 133.2 Verfahren zum Erstellen einer Prüfungsaufgabe ............................................................. 143.3 Beschreibung der erwarteten Prüfungsleistungen (Erwartungshorizont)......................... 143.4 Bewerten von Prüfungsleistungen................................................................................... 154 Mündliche Prüfung.......................................................................................................... 164.1 Besonderheiten und Aufgabenstellung............................................................................ 164.2 Kriterien für die Bewertung............................................................................................. 165 Fünftes Prüfungsfach ...................................................................................................... 175.1 Besonderheiten................................................................................................................ 175.2 Bewertung ....................................................................................................................... 17II. Aufgabenbeispiele........................................................................................................... 181 Aufgabenbeispiele für die schriftliche Abiturprüfung..................................................... 181.1 Bautechnik (Bauphysik).................................................................................................. 181.2 Bautechnik (Dachkonstruktion)....................................................................................... 201.3 Bautechnik (Stahlbetonbau) ............................................................................................ 241.4 Datenverarbeitungstechnik.............................................................................................. 261.5 Elektrotechnik (Filter)..................................................................................................... 311.6 Elektrotechnik ( Steuerungstechnik) ............................................................................... 361.7 Informationstechnik ........................................................................................................ 501.8 Maschinenbautechnik...................................................................................................... 571.9 Mechatronik .................................................................................................................... 671.10 Medientechnik (Bild und Ton) ........................................................................................ 802 Beispiel für eine mündliche Abiturprüfung..................................................................... 943

FachpräambelIm mathematisch-naturwissenschaftlich-technischen Aufgabenfeld sollen Verständnis für denVorgang der Abstraktion, die Fähigkeit zu logischem Schließen, Sicherheit in einfachen Kalkülen,Einsicht in die Mathematisierung von Sachverhalten, in die Besonderheiten naturwissenschaftlicherMethoden, in die Entwicklung von Modellvorstellungen und deren Anwendung aufdie belebte und unbelebte Natur und in die Funktion naturwissenschaftlicher Theorien vermitteltwerden.Technik ist ein Teilbereich menschlicher Kultur. Sie ist sowohl Prozess als auch Ergebnismenschlicher Arbeit. Sie ist schöpferische Umgestaltung der Natur mit dem Ziel, das Überlebenzu ermöglichen und die individuelle und gesellschaftliche Lebensführung zu erleichtern. Damit istdie Technik auch ein wesentlicher Bestandteil der Wirtschaft und des Wirtschaftens.Reale, komplexe technische Aufgabenstellungen oder Vorhaben erfordern zunehmend interdisziplinäreLösungsansätze und damit korrespondierend eine interdisziplinäre Kommunikations- undKooperationsfähigkeit zwischen den fachlichen Schwerpunkten der Technik sowie bezüglich derAnforderungen der Ökonomie, der Ökologie und der Gesellschaft.Hier setzt das Fach Technik an. In einer maßgeblich durch Wissenschaft und Technik geprägtenUmwelt soll das Unterrichtsfach Technik in der gymnasialen Oberstufe einen Beitrag zur Grundbildungund zur Studierfähigkeit leisten sowie den Weg in eine berufliche Ausbildung bzw.Tätigkeit eröffnen. Dazu ist ein verlässliches technisches Orientierungswissen notwendig, dassowohl durch wissenschaftspropädeutisches Lernen als auch durch handlungsorientiertes Lernenangeeignet wird.Angesichts der Vielfalt technischer Systeme und Verfahren kann Handlungskompetenz im FachTechnik nur in exemplarischer Begegnung mit ausgewählten Technikinhalten vermittelt werden.Eine vollständige Aufzählung der fachlichen Schwerpunkte des Faches Technik soll hier nichterfolgen, da sich neben den traditionellen fachlichen Schwerpunkten Metalltechnik/Maschinenbau,Bautechnik, Elektrotechnik sowie Daten- und Informationstechnik durch diefortschreitende interdisziplinäre Entwicklung weitere fachliche Schwerpunkte herausgebildethaben. Beispielhaft für diese Entwicklung sei hierbei neben der Biologie-, Chemie- und Physiktechnikdie Mechatronik, die Umwelttechnik, die Gestaltungs- und Medientechnik und die Medizintechnikgenannt. Hierbei können auch schwerpunktübergreifende Profile gebildet werden.Diese einheitlichen Prüfungsanforderungen im Fach Technik sollen auch für zukünftig sich herausbildendefachliche Schwerpunkte gelten. Die Nennung der Inhaltsbereiche der fachlichenSchwerpunkte soll den curricularen Vorgaben der Länder vorbehalten sein. Exemplarisch werdenin den Beispielen für Prüfungsaufgaben im Teil II fachliche Schwerpunkte und Inhaltsbereicheberücksichtigt.5

I. Festlegungen für die Gestaltung der Abiturprüfungen1 Kompetenzen und fachliche Inhalte1.1 KompetenzenDie Anforderungen für die schriftliche und mündliche Prüfung sowie für alternative Prüfungskomponentensind so zu gestalten, dass ein möglichst breites Spektrum von Qualifikationen undKompetenzen an geeigneten Technikfeldern überprüft werden kann. Die im Folgenden aufgeführtenvier Kompetenzbereiche sind ein Instrument der Analyse und dürfen in der Anwendungauf Prüfungsaufgaben nicht isoliert von Inhalten gesehen werden. Die nachzuweisenden Kompetenzengelten sowohl für die Prüfungen mit grundlegendem Anforderungsniveau als auch für diePrüfungen mit erhöhtem Anforderungsniveau.1.1.1 SachkompetenzZur Sachkompetenz gehört:Technische Probleme analysieren, Wirkungszusammenhänge ermitteln, Lösungen entwickeln undderen Wirksamkeit beurteilen.Technische Aufgabenstellungen und Lösungen unter den Aspekten ihrer Zweckbestimmung,Funktionalität und Übertragbarkeit analysieren und die Folgen unter Beachtung humaner, ökonomischerund ökologischer Aspekte bewerten.Optimieren von Lösungen für technische Aufgabenstellungen durch Strukturieren von Lösungswegen,Feststellen möglicher Lösungsvarianten, Vergleichen der Lösungsvarianten, Auswähleneiner Variante und Darstellen des Kompromisscharakters der bevorzugten Lösung.Theorien und Gesetzmäßigkeiten sowie möglicher Analyse- und Syntheseverfahren mittels Reduktiontechnischer Sachverhalte auf Modelldarstellungen unter Berücksichtigung ihres Geltungsbereichsbereitstellen und anwenden.Sachkompetenz kann z.B. nachgewiesen werden durch:– Lösung einfacher technischer Fragestellungen durch Wiedergabe von Daten und Faktensowie von Begriffen, Größen und Einheiten sowie deren Definitionen– Anwendung von naturwissenschaftlichen Gesetzen sowie deren Erläuterung– Fachsprachlich korrektes Fassen technischer Sachverhalte– Darstellen einfacher historischer Bezüge zur Technik– Beschreiben von Bezügen zu Ökologie und Ökonomie– Beschreiben einer Werkstoffprüfung– Umformen von Gleichungen und Berechnen von Größen aus Formeln– Systematisiertes Auswerten von Ergebnissen6

– Fachgerechtes Wiedergeben von komplexeren technischen Problemstellungen, deren Analyseund der Darstellung der komplexen Zusammenhänge– Lösung der technischen Problemstellung durch Auswählen und Verknüpfen von Daten,Fakten und Methoden eines abgegrenzten Gebiets– Mathematisches Beschreiben technischer Phänomene– Einordnen von Sachverhalten in historische und gesellschaftliche Bezüge– Auswählen und Verknüpfen von Daten, Fakten und Methoden– Problembezogenes Einordnen und Nutzen von Wissen aus verschiedenen technischen Wissensbereichen– Kreative eigenständige Lösung technischer Problemstellungen– Beurteilung der Wirksamkeit der Lösungsvarianten– Entwickeln eigener Fragestellungen bzw. sinnvolles Präzisieren einer offenen Aufgabenstellung– Erklären komplexer technischer Lösungen– Begründetes Herleiten der mathematischen Beschreibung eines technischen Sachverhaltes– Entwickeln alternativer Lösungswege, wenn dieses in der Aufgabenstellung gefordert wird.1.1.2 MethodenkompetenzZur Methodenkompetenz gehört:Erkenntnismethoden der Technik beschreiben und situationsgerecht nutzen.Mit technischen Geräten, Maschinen und Anlagen zur Durchführung technischer Experimentesowie experimentelles Ermitteln der Funktionen konkreter technischer Systeme umgehen.Informationen selbstständig unter Nutzung zeitgemäßer informationstechnischer Möglichkeitenbeschaffen, verarbeiten und präsentieren sowie den Gültigkeitsbereich von modellbezogenenAussagen kritisch abwägen und deren Aktualität beurteilen.Fachbezogene Kommunikationstechniken anwenden und technische Komponenten planen undkonstruieren.Typische Lösungsverfahren erfassen, auswählen, anwenden und bewerten.Ergebnisse in Form von Tabellen, Grafiken, Diagrammen und Abbildungen darstellen.Hypothesen formulieren und überprüfen.Modellvorstellungen entwickeln, simulieren, darstellen und gegebenenfalls modifizieren.7

Methodenkompetenz kann z.B. nachgewiesen werden durch:– Entnehmen von Informationen aus einfachen Texten– Aufbauen einer Messeinrichtung nach vorgelegtem Plan oder einer bekannten Messeinrichtungaus der Erinnerung– Durchführen von Messungen nach einfachen Verfahren– Sachgerechtes Nutzen einfacher Software– Visualisierung von technischen Sachverhalten in verschiedenen Darstellungsformen (z.B.Tabelle, Graph, Skizze, Text, Bild, Diagramm, Mindmap, Formel)– Schriftliches oder mündliches Präsentieren einfacher Sachverhalte– Entnehmen von Informationen aus komplexen Texten– Übertragen von Betrachtungsweisen und naturwissenschaftlichen Gesetzen– Strukturieren und schriftliches oder mündliches Präsentieren komplexer Sachverhalte– Führen eines Fachgespräches auf angemessenem Niveau zu einem Sachverhalt– Exzerpieren von Informationen aus komplexen Texten– Erheben von Daten zur Überprüfung von Hypothesen– Darstellen eines eigenständig bearbeiteten komplexen Sachverhalt für ein Fachpublikum (z.B.in einer Facharbeit)– Kommunizieren mit Hilfe technischer Argumentationsketten.1.1.3 SozialkompetenzZur Sozialkompetenz gehört:Im interdisziplinären Raum der Technikbereiche und im gesellschaftspolitischen Raum kommunizierenund dabei die Fachsprache in die Umgangssprache transformieren.Übergreifende Zusammenhänge und deren Berücksichtigung bei der Bearbeitung technischerFragestellungen erkennen und berücksichtigen.Die Abhängigkeit des Spielraums für Alternativen in der Technikgestaltung von den ökonomischen,ökologischen und gesellschaftspolitischen Bedingungsrahmen untersuchen, darstellen undbewerten.Die Technik als ambivalentes Mittel zur Gestaltung menschlicher Lebensbedingungen aus historischerund gegenwärtiger Perspektive untersuchen, darstellen und beurteilen.Nachweis der Sozialkompetenz:Neben dem Nachweis theoretischer Kenntnisse über Sozialkompetenz in schriftlichen und mündlichenPrüfungsteilen bietet das fünfte Prüfungsfach insbesondere in möglichen Gruppen- oderTeamprüfungen Gelegenheit sozialkompetentes Verhalten zu zeigen und zu thematisieren.8

1.1.4 SelbstkompetenzZur Selbstkompetenz gehört:Eigene Bezüge zur Technik reflektieren.Selbstkompetenz kann z.B. nachgewiesen werden durch:– Sorgfalt bei der Bearbeitung der Aufgabenstellung– Reflexives Beschreiben einfacher Phänomene aus Natur und Technik– Beschreiben von Stärken und Schwächen der gewählten technischen Lösung.– Darstellen der eigenen reflektierten Position zur Technik und den gesellschaftlich relevantenFragen– Begründen, Verteidigen und gegebenenfalls revidieren der eigenen Position in einem Diskurs.1.2 Fachliche InhalteIn der Abiturprüfung im Fach Technik werden technische Gegenstände und Verfahren behandelt,die fachlichen Schwerpunkten der Technikwissenschaften zuzuordnen und unter verschiedenen,auch Technikwissenschaften übergreifenden Fragestellungen zu untersuchen sind. Die Prüfung istso zu gestalten, dass Inhalte aus mindestens zwei Kurshalbjahren Grundlagen der Prüfungsaufgabensind.Die unter 1.1.1 angeführten Sachkompetenzen sind an den fachlichen Inhalten nachzuweisen, diedurch curriculare Vorgaben der Länder bzw. in curricularer Verantwortung der Lehrkräfte bestimmtwerden. Die curricularen Vorgaben ermöglichen unterschiedliche Abfolgen und Schwerpunktsetzungenbei der Behandlung von Inhalten, einschließlich der Anwendungsbezüge.1.3 Differenzierung zwischen Unterricht mit grundlegendem und Unterricht mit erhöhtemAnforderungsniveauGemäß der Vereinbarung zur Gestaltung der gymnasialen Oberstufe in der Sekundarstufe II vom07.07.1972 (i.d.F. vom 02.06.2006) wird der Fachunterricht auf unterschiedlichen Anspruchsebenenerteilt: Der Unterricht mit grundlegendem Anforderungsniveau dient der Vermittlung einerwissenschaftspropädeutisch orientierten Grundbildung, der Unterricht mit erhöhtem Anforderungsniveauder systematischen, vertieften und reflektierten wissenschaftspropädeutischen Arbeit.Fächer mit erhöhtem und Fächer mit grundlegendem Anforderungsniveau fördern die Entwicklunggrundlegender Kompetenzen als Teil der Allgemeinbildung und als Voraussetzung für Studiumund Beruf.Das Fach Technik auf grundlegendem Anforderungsniveau soll in grundlegende Fragestellungen,Sachverhalte, Problemkomplexe und Strukturen des Faches einführen. Es soll wesentliche Arbeits-und Fachmethoden, Darstellungsformen des Faches bewusst und erfahrbar machen sowieZusammenhänge im Fach und über die Grenzen dessen hinaus in exemplarischer Form erkennbarwerden lassen. Der Unterricht auf grundlegendem Anforderungsniveau fördert durch lebenswelt-9

liche Bezüge Einsicht in die Alltagsbedeutung der Technik sowie durch schülerzentriertes undhandlungsorientiertes Arbeiten die Selbstständigkeit der Schülerinnen und Schüler.Fächer mit erhöhtem Anforderungsniveau zielen zusätzlich auf eine systematische Auseinandersetzungmit Inhalten, Theorien und Modellen, welche die Komplexität und den Aspektreichtumdes Faches verdeutlichen. Der Unterricht ist gerichtet auf eine vertiefende Beherrschung derArbeits- und Fachmethoden, deren selbstständige Anwendung, Übertragung und Reflexion.Fächer mit erhöhtem Anforderungsniveau erzielen einen hohen Grad an Selbstständigkeit derSchülerinnen und Schüler bei der Erarbeitung technischer Problemlösungen.Die Prüfungsanforderungen im Fach mit erhöhtem und mit grundlegendem Anforderungsniveausollen sich nicht nur quantitativ, sondern vor allem qualitativ unterscheiden. Die Prüfungen unterscheidensich insbesondere durch den Umfang und den Spezialisierungsgrad des Fachwissens, dertechnischen Modellbildung und der technischen Lösungsansätze, durch den Grad der Elementarisierungtechnischer Sachverhalte und den Anspruch an die verwendete Fachsprache sowie durchdie Komplexität der technischen Sachverhalte, Theorien und Modelle.2 Anforderungsbereiche2.1 Allgemeine HinweiseDie Abiturprüfung soll das Leistungsvermögen der Prüflinge möglichst differenziert erfassen.Dazu werden im Folgenden drei Anforderungsbereiche unterschieden. Obwohl sich weder dieAnforderungsbereiche scharf gegeneinander abgrenzen noch die zur Lösung einer Prüfungsaufgabeerforderlichen Teilleistungen in jedem Einzelfall eindeutig einem bestimmten Anforderungsbereichzuordnen lassen, kann die Berücksichtigung der Anforderungsbereiche wesentlich dazubeitragen, ein ausgewogenes Verhältnis der Anforderungen zu erreichen, die Durchschaubarkeitund Vergleichbarkeit der Prüfungsaufgaben zu erhöhen sowie die Bewertung der Prüfungsleistungentransparent zu machen.Beim Entwurf einer Prüfungsaufgabe (siehe 3.2) wird jede von den Prüflingen erwartete Teilleistungmindestens einem der drei Anforderungsbereiche zugeordnet. Die Zuordnung zu den Anforderungsbereichenhängt davon ab, ob die jeweils aufgeworfene Problematik eine selbstständigeAuswahl unter Bearbeitungsansätzen in einem durch Übung bekannten Zusammenhang erfordertoder ob kreatives Erarbeiten, Anwenden und Bewerten in komplexeren und neuartigen Zusammenhängenerwartet wird. Sie ist abhängig vom vorangegangenen Unterricht bzw. von im Lehrplanverbindlich vorgeschriebenen Zielen und Inhalten sowie von der Leistungsfähigkeit zugelassenerHilfsmittel.2.2 Anforderungsbereiche und fachspezifische BeispieleDie in 1.1 beschriebenen Kompetenzbereiche geben die Breite der Anforderungen an. Die Anforderungsbereichebeschreiben deren Tiefe. In schriftlichen und mündlichen Prüfungen werdensowohl die Breite als auch die Tiefe des Wissens in angemessener Weise geprüft.2.2.1 Beschreibung der AnforderungsbereicheIm Anforderungsbereich I beschränken sich die Aufgabenstellungen auf die Reproduktion und dieAnwendung einfacher Sachverhalte und Fachmethoden, das Darstellen von Sachverhalten invorgegebener Form sowie die Darstellung einfacher Bezüge.10

Im Anforderungsbereich II verlangen die Aufgabenstellungen die Reorganisation und das Übertragenkomplexerer Sachverhalte und Fachmethoden, die situationsgerechte Anwendung vontechnischen Kommunikationsformen, die Wiedergabe von Bewertungsansätzen sowie das Herstellenvon Bezügen, um technische Problemstellungen entsprechend den allgemeinen Regeln derTechnik zu lösen.Im Anforderungsbereich III verlangen die Aufgabenstellungen das problembezogene Anwendenund Übertragen komplexer Sachverhalte und Fachmethoden, die situationsgerechte Auswahl vonKommunikationsformen, das Herstellen von Bezügen und das Bewerten von Sachverhalten.In der folgenden Liste wird an Beispielen der Zusammenhang zwischen den Anforderungsbereichen,den erwarteten Leistungen und den dazugehörenden Operatoren konkretisiert. Diese Listeerhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Analog zum Hinweis in der Präambel auf zukünftigeEntwicklungen in der Technik sind auch die Operatoren entsprechend erweiterbar.Zuordnung zuden AnforderungsbereichenOperator Beschreibung der erwarteten LeistungI II IIIBeschreibenNennenBerechnen/BestimmenDarstellenErläutern/ErklärenVergleichenZeichnenAbleitenAbschätzenAuswertenBegründenDurchführenSachverhalte oder Zusammenhänge strukturiert und fachsprachlichrichtig mit eigenen Worten wiedergebenElemente, Sachverhalte, Begriffe, Daten ohne ErläuterungenaufzählenErgebnisse von einem bekannten Ansatz ausgehend durchRechenoperationen oder grafische Lösungsmethoden gewinnen.Sachverhalte, Zusammenhänge, Methoden usw. strukturiertund gegebenenfalls fachsprachlich wiedergebenEinen technischen Sachverhalt in einen Zusammenhangeinordnen sowie ihn nachvollziehbar und verständlichmachenGemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermittelnEinen technischen Sachverhalt mit zeichnerischen Mittelnunter Einhaltung der genormten Symbole darstellenAuf der Grundlage wesentlicher Merkmale sachgerechteSchlüsse ziehenEine technische Einrichtung nach den Verfahren der jeweiligenTechnikwissenschaft entsprechend der gestelltenAnforderung grob Dimensionieren ohne genaue BerechnungendurchzuführenDaten, Einzelergebnisse oder andere Elemente in einenZusammenhang stellen und ggf. zu einer GesamtaussagezusammenführenSachverhalte auf Regeln und Gesetzmäßigkeiten bzw.kausale Beziehungen von Ursachen und Wirkung zurückführenEine vorgegebene oder eigene Anleitung (z.B. für ein Experimentoder eine Befragung) umsetzen.11

OperatorErmittelnKonstruierenOptimierenSkizzierenStrukturieren /OrdnenAnalysierenundUntersuchenBeurteilenBewerten/StellungnehmenEine eigene Position nach ausgewiesenen Kriterien vertreten.DimensionierenÜbertragenEntwickeln/EntwerfenÜberprüfenund NachweisenDokumentierenBeschreibung der erwarteten LeistungEinen Zusammenhang oder eine Lösung finden und dasErgebnis formulierenForm und Bau eines technischen Objektes durch Ausarbeitungdes Entwurfs, durch technische Berechnungen, Überlegungenusw. maßgebend gestaltenEinen gegebenen technischen Sachverhalt oder eine gegebenetechnische Einrichtung so zu verändern, dass diegeforderten Kriterien unter einem bestimmten Aspekt erfülltwerdenSachverhalte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentlichereduzieren und diese grafisch oder als Text übersichtlichdarstellenVorliegende Objekte oder Sachverhalte kategorisieren undhierarchisierenWichtige Bestandteile oder Eigenschaften auf eine bestimmteFragestellung hin herausarbeiten.Untersuchen beinhaltet ggf. zusätzlich praktische Anteile.Zu einem Sachverhalt ein selbstständiges Urteil unter Verwendungvon Fachwissen und Fachmethoden formulierenund begründenEine technische Einrichtung nach den Verfahren der jeweiligenTechnikwissenschaft entsprechend der gestelltenAnforderung bestimmenLösungen für komplexe Probleme erarbeitenSachverhalte oder Aussagen an Fakten oder innerer Logikmessen und eventuelle Widersprüche aufdeckenEinen bekannten Sachverhalt oder eine bekannte Methodeauf etwas Neues beziehen.entscheidende Erklärungen, Herleitungen und Skizzendarstellen.Zuordnung zuden AnforderungsbereichenI II III2.2.2 Beispiele aus der WerkstofftechnikIm Anforderungsbereich I:– Beschreiben einer Werkstoffprüfung– Auswerten von Ergebnissen nach einfachen Verfahren12

– sachgerechtes Nutzen einfacher Software– reflexives Beschreiben einfacher Phänomene aus Natur und Technik.Im Anforderungsbereich II:– Lösung der technischen Problemstellung durch Auswählen und Verknüpfen von Daten,Fakten und Methoden eines abgegrenzten Gebiets– Einordnen von Sachverhalten in historische und gesellschaftliche Bezüge.– Führen eines Fachgespräches auf angemessenem Niveau zu einem Sachverhalt– Beschreiben von Stärken und Schwächen der gewählten technischen Lösung.Im Anforderungsbereich III:– problembezogenes Einordnen und Nutzen von Wissen aus verschiedenen technischen Wissensbereichen– Erheben von Daten zur Überprüfung von Hypothesen– präzises Kommunizieren technischer Argumentationsketten– Darstellen der eigenen reflektierten Position zur Technik und den gesellschaftlich relevantenFragen, Begründen und Verteidigen dieser Position in einem Diskurs.3 Schriftliche Prüfung3.1 Allgemeine HinweiseDie Prüfung setzt sich in der Regel aus mehreren Aufgaben zusammen. Dabei ist die einzelneAufgabe durch einen einheitlichen thematischen Zusammenhang definiert. Die Aufgabenstellungsoll eine vielschichtige Auseinandersetzung mit komplexen Problemen zulassen. Die Aufgabenkönnen in begrenztem Umfang in Teilaufgaben gegliedert sein. Diese sollen so unabhängig voneinandersein, dass eine Fehlleistung – insbesondere am Anfang - nicht die weitere Bearbeitungder Aufgabe unmöglich macht.Für die schriftliche Prüfung sind folgende Aufgabenarten geeignet:– Technische Problemstellung: Analysieren, dimensionieren, entwickeln in bekanntem undverändertem Kontext.– Materialgebundene Aufgaben: Auswerten, Interpretieren und Bewerten von technischenUnterlagen. Mit Hilfe des zur Verfügung gestellten Materials sollen vorgegebene Sachverhalteund Probleme selbstständig dargestellt und analysiert werden. Die Materialien dürfen indiesem Zusammenhang nicht im Unterricht verwendet worden sein.– Aufgaben mit Experimenten: Beschreiben und Auswerten vorgeführter, selbst durchgeführteroder dokumentierter Experimente und Verwendung der Ergebnisse für anschließende Aufgabenstellungen.13

Nicht zugelassen sind:– Prüfungen, in denen ausschließlich aufsatzartig zu arbeiten ist– Prüfungen, in denen eine überwiegend mathematische Bearbeitung gefordert wird– Prüfungen ohne Kontextorientierung.3.2 Verfahren zum Erstellen einer PrüfungsaufgabeEine Prüfungsaufgabe muss sich auf alle drei in Kapitel 2.2.1 beschriebenen Anforderungsbereicheerstrecken. Die Prüfungsaufgaben sowohl für den Unterricht mit grundlegendem Anforderungsniveauals auch für den Unterricht mit erhöhtem Anforderungsniveau erreichen dann einangemessenes Niveau, wenn das Schwergewicht der zu erbringenden Prüfungsleistung im AnforderungsbereichII (ca. 40 %) liegt und daneben die Anforderungsbereiche I und III (mit ca. je 30%) berücksichtigt werden. Entsprechende Anteile der Anforderungsbereiche können insbesonderedurch geeignete Wahl der nachzuweisenden fachlichen und methodischen Kompetenzen, durchdie Struktur der Prüfungsaufgabe sowie durch entsprechende Formulierung des Textes erreichtwerden (vgl. 2.1). Diese Wahl sollte so erfolgen, dass eine prüfungsdidaktisch sinnvolle, selbstständigeLeistung gefordert wird, ohne dass der Zusammenhang zur bisherigen Unterrichts- undKlausurpraxis verloren geht.Grundlage jeder Prüfungsaufgabe sollte eine übergeordnete Thematik sein, die gewährleistet, dassTeilaufgaben einen gemeinsamen Bezug haben.Die Aufgliederung einer Prüfungsaufgabe darf nicht so detailliert sein, dass dadurch ein Lösungswegzwingend vorgezeichnet wird. Die erste Teilaufgabe sollte nicht mit einer Fragestellungaus dem Anforderungsbereich III beginnen. Ausdrücklich erwünscht sind offene Aufgabenstellungen,die mehrere Lösungswege ermöglichen.Bei experimentellen Aufgabenstellungen ist für den Fall des Misslingens vorab eine Datensicherungvorzunehmen.Aus der Aufgabenstellung gehen Art und Umfang der geforderten Leistung hervor. Dazu ist dieVerwendung der im Kapitel 2.2.1 genannten Operatoren hilfreich. Diese Operatoren gelten sowohlfür die schriftliche wie die mündliche Prüfung, als auch für die fünfte Prüfungskomponente.3.3 Beschreibung der erwarteten Prüfungsleistungen (Erwartungshorizont)„Den Aufgaben der schriftlichen Prüfung werden von der Aufgabenstellerin bzw. dem Aufgabenstellereine Beschreibung der von den Prüflingen erwarteten Leistungen einschließlich derAngabe von Bewertungskriterien beigegeben. Dabei sind von der Schulaufsichtsbehörde gegebeneHinweise für die Bewertung zu beachten und auf die gestellten Aufgaben anzuwenden.“ (§ 5Absatz 3 der „Vereinbarung über die Abiturprüfung der gymnasialen Oberstufe in der SekundarstufeII“ Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 13.12. 1973 i.d.F. vom 16.06.2000)Die erwarteten Prüfungsleistungen sind stichwortartig darzustellen. Werden Prüfungsaufgabennicht zentral gestellt, so ist der vorangegangenen Unterricht, aus dem die vorgeschlagene Prüfungsaufgabeerwachsen ist, so weit kurz zu erläutern, wie dies zum Verständnis der Aufgabenotwendig ist. Damit soll zugleich der Bezug zu den Anforderungsbereichen einsichtig gemachtwerden.14

Zugelassene Hilfsmittel sind anzugeben. Beim Einsatz der Hilfsmittel muss der Grundsatz derGleichbehandlung gewahrt bleiben. Bei dezentraler Aufgabenstellung sind die Quellen, die zurErstellung der Aufgabe herangezogen wurden, und das eingeführte Lehrbuch anzugeben.3.4 Bewerten von PrüfungsleistungenNach § 6 Absatz 5 der „Vereinbarung über die Abiturprüfung der gymnasialen Oberstufe in derSekundarstufe II“ (Beschluss der Kultusministerkonferenz vom 13.12.1973 i.d.F. vom16.06.2000) soll aus der Korrektur und Beurteilung der schriftlichen Arbeit hervorgehen, „welcherWert den von der Schülerin bzw. dem Schüler vorgebrachten Lösungen, Untersuchungsergebnissenoder Argumenten beigemessen wird und wieweit die Schülerin bzw. der Schüler dieLösung der gestellten Aufgaben durch gelungene Beiträge gefördert oder durch sachliche oderlogische Fehler beeinträchtigt hat. Die zusammenfassende Beurteilung schließt mit einer Bewertunggemäß Ziffer 9.1 und 9.2 der Vereinbarung vom 07.07.1972 i.d.F. vom 16.06.2000 (Anm.:jetzt 02.06.2006).“Das Beurteilen der von den Prüflingen erbrachten Prüfungsleistung erfolgt unter Bezug auf diebeschriebene erwartete Gesamtleistung. Den Beurteilenden steht dabei ein Beurteilungsspielraumzur Verfügung.Liefern Prüflinge zu einer gestellten Aufgabe oder Teilaufgabe Bearbeitungen, die in der Beschreibungder erwarteten Prüfungsleistungen nicht erfasst waren, so sind die erbrachten Leistungenangemessen zu berücksichtigen. Dabei kann der vorgesehene Bewertungsrahmen für dieTeilaufgabe nicht überschritten werden.Mangelhafte Gliederung, Fehler in der Fachsprache, Ungenauigkeiten in Zeichnungen oder falscheBezüge zwischen Zeichnungen und Text sind als fachliche Fehler zu werten.Darüber hinaus sind schwerwiegende und gehäufte Verstöße gegen die sprachliche Richtigkeit inder deutschen Sprache (Unterrichtssprache) oder gegen die äußere Form gem. § 6 Abs. 5 letzterSatz der Vereinbarung über die Abiturprüfung der neu gestalteten gymnasialen Oberstufe - Beschlussder Kultusministerkonferenz vom 13. 12. 1973 in der jeweils gültigen Fassung - zu bewerten.Die Note „gut“ soll erteilt werden, wenn ca. 75 % der geforderten Gesamtleistung und auchLeistungen im Anforderungsbereich III erbracht worden sind. Sie kann erteilt werden, wenn– zentrale Aussagen und bestimmende Merkmale von Materialien und Sachverhalten differenzierterfasst und umfassend bearbeitet werden– die Aussagen präzise und umfassend auf die Aufgabe bezogen sind– selbstständige Bezüge und eigenständiges Arbeiten erkennbar ist– fachspezifische Verfahren und Begriffe sicher angewendet werden– die Darstellung in gedanklicher Ordnung und sprachlicher Gestaltung überzeugt– komplexe Gedankengänge entfaltet und eigenständige Urteile dargestellt werden.15

Die Note „ausreichend“ soll erteilt werden, wenn ca. 45 % der geforderten Gesamtleistung erbrachtworden sind. Sie soll erteilt werden, wenn– zentrale Aussagen und bestimmende Merkmale von Materialien und Sachverhalten in Grundzügenerfasst sind– die Aussagen insgesamt auf die Aufgaben bezogen sind– grundlegende Verfahren und Begriffe angewendet werden– die Darstellung verständlich ausgeführt und erkennbar geordnet ist– die sprachlichen und fachsprachlichen Anforderungen im Ganzen erfüllt sind– erkennbare Strukturen und Verbindungen vorhanden sind.4 Mündliche Prüfung4.1 Besonderheiten und AufgabenstellungDie mündliche Prüfung muss alle drei in Kapitel 2.2.1 beschriebenen Anforderungsbereichebeinhalten. Sie erstreckt sich möglichst auf alle vier beschriebenen Kompetenzbereiche undbezieht sich auf die Unterrichtsinhalte von mindestens zwei Kurshalbjahren. Die Prüfung muss soangelegt sein, dass unter Beachtung der Anforderungsbereiche grundsätzlich jede Note erreichbarist.In der mündlichen Prüfung zeigen die Prüflinge, dass sie über technische Sachverhalte und zufachspezifischen Frage- und Problemstellungen Position beziehen können. Dies geschieht ineinem Prüfungsgespräch oder in freiem Vortrag oder in einer Präsentation oder in Kombinationendaraus. Grundlage dafür kann eine gegliederte Aufgabe mit Material sein, die dem Prüfling zuBeginn der Vorbereitung schriftlich vorgelegt wird. Schließt das Prüfungsgespräch an einenfreien Vortrag oder an eine Präsentation an, geht es über die vorher zu lösende Aufgabe hinausund hat weitere Themen bzw. größere Zusammenhänge zum Gegenstand. Das Prüfungsgesprächerfordert Überblickswissen sowie Flexibilität und Reaktionsfähigkeit des Prüflings. Die Gesprächsführungmuss dem Prüfling Spielraum für eigene Entwicklungen einräumen und bezüglichder Prüfungsnote ergebnisoffen gestaltet werden.In einer Gruppenprüfung ist auf eine gerechte Chancenverteilung zu achten. Gegenstand derBewertung ist in jedem Fall die Leistung des einzelnen Prüflings.4.2 Kriterien für die BewertungFür die Bewertung der Prüfungsleistungen gelten in der mündlichen Prüfung die gleichen Grundsätzewie in der schriftlichen Prüfung. Es sollen neben den beschriebenen Kompetenzen vor allemfolgende Kriterien berücksichtigt werden:– Erschließung technischer Problemstellungen– Umfang und Qualität der nachgewiesenen technischen Kenntnisse– sachgerechte Gliederung und folgerichtiger Aufbau der Darstellung16

– Beherrschung der Fachsprache– Verständlichkeit der Darlegungen und die Fähigkeit, das Wesentliche herauszustellen– Sicherheit des Reagierens und Flexibilität in der Argumentation– der Grad der Selbstständigkeit5 Fünftes Prüfungsfach„Die Abiturprüfung umfasst vier oder fünf Prüfungsfächer. Verpflichtend sind mindestens dreischriftliche Prüfungsfächer und mindestens ein mündliches Prüfungsfach ....“ (Vereinbarung zurGestaltung der gymnasialen Oberstufe in der Sekundarstufe II [Beschluss der Kultusministerkonferenzvom 07.07.1972 i d. F. vom 02.06.2006], Ziff. 8.2.). Bei fünf Abiturprüfungsfächern könnendie Länder im Rahmen des fünften Prüfungsfachs neue Prüfungsformen entwickeln, z.B. einemündliche Präsentationsprüfung; für alle Formen gelten die Abschnitte 1 bis 4.2 sinngemäß. ImRahmen der Abiturprüfung kann auch eine besondere Lernleistung eingebracht werden.5.1 BesonderheitenDas fünfte Prüfungsfach zielt auf die Einbeziehung größerer technischer Zusammenhänge undfachübergreifender Aspekte in die Abiturprüfung. Es ist deshalb vor allem gekennzeichnet durcheinen längeren zeitlichen Arbeitsverlauf und einen besonderen Stellenwert einer vom Prüflingvorbereiteten Präsentation. Die Gewährung eines längeren zeitlichen Vorlaufs kann insbesonderebei Aufgaben mit komplexerer Fragestellung oder aufwändigerer Erschließung nötig sein.Hinzu kommt die Möglichkeit, Gruppenprüfungen durchzuführen. Dabei ist durch Begrenzungder Gruppengröße, die Aufgabenstellung und die Gestaltung des Prüfungsgesprächs dafür Sorgezu tragen, dass die individuelle Leistung eindeutig erkennbar und bewertbar ist. Für Gruppenprüfungeneignen sich Prüfungsaufgaben, bei denen unterschiedliche Aspekte eines Problems behandeltwerden.5.2 BewertungBei der Bewertung des fünften Prüfungsfachs als „mündliche Prüfung in neuer Form“ kommtneben der nachgewiesenen Fach- und Methodenkompetenz folgenden Merkmalen besondereBedeutung zu:– der dokumentierten Vorbereitung– der Klarheit, Vollständigkeit und Angemessenheit von Dokumentation und Präsentation– der Selbstständigkeit und der Breite der Argumentation bei der Ausführung der Arbeitsanteileund Arbeitsschritte– dem Grad der Durchdringung und den aufgezeigten Vernetzungen– der Souveränität im Prüfungsgespräch.17

II.Aufgabenbeispiele1 Aufgabenbeispiele für die schriftliche AbiturprüfungDie folgenden Aufgabenbeispiele greifen auf bewährte Aufgabenstellungen zurück und berücksichtigenneuere fachdidaktische Entwicklungen. Diese Aufgabenbeispiele genügen den Anforderungendieser EPA im Teil I.Die einzelnen Aufgaben können in der Regel in dieser Form nicht in allen Bundesländern geschriebenworden sein. Aufgrund der großen Differenzierung des Faches Technik hinsichtlich derfachlichen Schwerpunkte und ihrer Kombinationen sowie der Unterschiede bei den Inhaltsbereichenin den curricularen Vorgaben und im Unterrichtsumfang in den Ländern, ist eine starkeNormierung der Aufgabenbeispiele nicht möglich. Ziel ist es, exemplarisch das erwartete Anforderungsniveauals Orientierungsmaßstab darzustellen. Die Beachtung der Anforderungsbereichestellt ein wesentliches Kriterium bei der Aufgabenentwicklung dar.Die vorgelegten Aufgabenbeispiele sollen aufgrund der Fülle der möglichen Varianten als rahmensetzende,weiterzuentwickelnde Orientierungen gesehen werden. Jeder Aufgabe wird eineÜbersicht über die unterrichtlichen Voraussetzungen vorangestellt, die wichtige Informationenzur Einordnung der Aufgabe gibt.Sie sind folgendermaßen gegliedert:– Übersicht über die unterrichtlichen Voraussetzungen– Thema und Aufgabe– Beschreibung der erwarteten Prüfungsleistung (Erwartungshorizont)1.1 Bautechnik (Bauphysik)Übersicht über die unterrichtlichen VoraussetzungenBezeichnung des Schwerpunktes Fach mit erhöhtem Anforderungsniveau: BautechnikInhaltsbereich dieser Aufgabe BauphysikUnterrichtsumfang des Unterrichtsfaches6 Wochenstunden über 4 SchulhalbjahreUnterrichtsumfang für diesen Inhaltsbereich6 Wochenstunden über ein SchulhalbjahrInhaltsbereiche der curricularen Vorgabenin Stichpunktenbauphysikalische Nachweise, konstruktiveBautenschutz; bauphysikalische Anforderungen,Maßnah-Bearbeitungszeit für das Fachdavon geplante EinlesezeitBearbeitungszeit für diese Teildisziplindavon geplante Einlesezeitweitere vom Schüler zu bearbeitendeTeildisziplinenHilfsmittelmen des Bautenschutzes240 Minuten30 Minuten70 Minuten10 MinutenGrundbau, Stahlbetonbau, HolzbauTabellenbuch, Taschenrechner, Zeichenmaterial18

Thema und AufgabeEin Blumenhändler möchte in den Wintermonaten ein Nebengebäude zur Lagerung von Pflanzennutzen. Um die Lagerung der Pflanzen zu ermöglichen, hat er sich eine Klimaanlage gekauft, dieihm in den Wintermonaten gleichmäßige Klimabedingungen liefert (+30°C bei 80% Luftfeuchte).Um Energie zu sparen, hat er den Raum an der Außenseite mit einer Wärmedämmung versehen.AußenInnenKalksandstein, Rohdichte 1000kg/m 3 (175mm)PS-Hartschaum nach DIN 18164,Wärmeleitfähigkeitsgruppe 040 (80mm)Wärmedämmputz nach DIN 18550,1. Untersuchen Sie das Bauteil auf Tauwasserbildung. Führen Sie die dazu notwendigen normgerechtenNachweise und bewerten Sie den Aufbau. (30 Punkte)2. Ein Bekannter des Blumenhändlers schlägt vor, die Wand durch Aufbringen einer zusätzlichenDämmung auf der Innenseite zu verbessern. Wie bewerten Sie von diesem Vorschlag?Erläutern Sie ihre Aussage mit Hilfe von Skizzen. (40 Punkte)3. Wie könnte Ihrer Meinung nach das Bauteil optimiert werden? Machen Sie einen konstruktivenVorschlag und weisen sie diesen nach! (30 Punkte)Erwartete PrüfungsleistungTeilaufgabe12Lösungsskizze / Hinweise I II IIIDiffusionstechnische Berechnung der Außenwand unter Berücksichtigungder geänderten klimatischen Randbedingungen; für U =0,38 W/m2K; für q = 15,27 W/m2.Erstellung von Glaserdiagrammen für die Tau- und die Verdunstungsperiode.Berechnung der Tau- und Verdunstungsmenge; für mW,T =0,686kg/m2; für mW,V = 3,277kg/m2.Tauwasserausfall zwischen Wärmedämmputz und Wärmedämmungist schädliche Tauwassermenge, da mW,T kleiner als mW,V, jedochgrößer als zul. mW,T. 15 10 5Vorschlag führt zu keiner Verringerung der Tauwassermenge.Vorschlag führt zu einer Verringerung der Wärmstromdichte.Wird eine zusätzliche Wärmedämmung auf der Innenseite aufgebracht,wird pi kleiner, dadurch kommt es zu einer Verschiebungder Tauwasserebene in das Bauteil, letztendlich zu einem Tauwasserausfallin einer Schicht. 10 20 1019

Teilaufgabe3Lösungsskizze / Hinweise I II IIIHinweis auf Problemstellung: Durchfeuchtung des Bauteilinnerenim Winter; im Sommer gibt es keine feuchteschutztechnischenProbleme.Verhinderung der Feuchtigkeit im Bauteilinnern ist nur möglichdurch eine Erhöhung des Sperrwertes auf der Innenseite.Die Erhöhung des sd-Wertes auf der Innenseite ist durch Anbringeneiner Sperrfolien / eines Abdichtungsstoffes zu erreichen.Möglichkeit: Keramik, sd-Wert geht gegen unendlich.Diffusionstechnische Berechnung der Außenwand, unter Berücksichtigungder geänderten klimatischen Randbedingungen.Das Ergebnis ist abhängig von gewählter Dicke des Bauteils.Erstellung von Glaserdiagrammen für die Tauperiode.Ergebnis: kein Tauwasserausfall.5 10 15Insgesamt 100 Bewertungseinheiten 30 40 301.2 Bautechnik (Dachkonstruktion)Übersicht über die unterrichtlichen VoraussetzungenBezeichnung des Schwerpunktes Fach mit erhöhtem Anforderungsniveau: BautechnikInhaltsbereich dieser AufgabePlanungstechnik, Baukonstruktionslehre, Baustatikund Festigkeitslehre, Energietechnik, Holzbautechnik,PrüftechnikWärme- und FeuchteschutztechnikUnterrichtsumfang des Unterrichtsfaches6 Wochenstunden über ein Schulhalbjahr6 Wochenstunden über 4 SchulhalbjahreUnterrichtsumfang für diesen InhaltsbereichInhaltsbereiche der curricularen Vorgabenin StichpunktenBearbeitungszeit für das FachAuswahl- und EinlesezeitHilfsmittelTragwerksystemeEnergiesparende GebäudetechnikPlanung von Dachkonstruktionen240 Minuten30 MinutenTabellenbuch, Taschenrechner, ZeichenmaterialThema und AufgabeDargestellt ist eine Garage mit auszubauenden Dachgeschoss mit einfach, stehendem Pfettendachals Satteldach, mit aufgesetzter Solaranlage und einem allseitigen Dachüberstand von ca. 60cm.Der geplante Sparrenquerschnitt ist 8/14 cm, (NH S10), die Stützweite des schrägen Sparrensbeträgt 4,29 m, das geplantes Bundmaß liegt zwischen 70 und 80 cm. Der Ortgangsüberstand istselbst zu wählen.Die Firstpfette liegt auf den gemauerten Giebelwänden auf und ist in der Mitte der Garage miteinem Pfosten unterstützt. Als Aussteifung sind Kopfbänder und Laschen an dem Pfosten angebracht.Die Anschlüsse der Kopfbänder und des Pfostens an die Firstpfette erfolgen stumpf.20

Anzunehmende Lasten: Ständige Last: g= 0,80 kN/m² auf Dachfläche; veränderliche Lasten:Schneelast s= 0,75 kN/m² und Windlast nach Berechnung.Schnitt und Grundriss Garage:Berechnen Sie die Anzahl der Sparren, das genaue Bundmaß und konstruieren Sie den Firstpunktim Querschnitt einschließlich Lasche in einem sinnvollen Maßstab. Fehlende Querschnittsmaßesind angemessen festzulegen.(25 Punkte)21

1. Für die gesamte Dachkonstruktion ist eine Holzliste zu erstellen. Die hierzu erforderlichenQuerschnittsmaße sowie fehlende Werte und Längen sind zu ergänzen bzw. dem Detailpunktzu entnehmen.(20 Punkte)2. Für den geplanten Ausbau des Dachgeschosses ist ein Dachaufbau nach bauphysikalischenund energietechnischen Gesichtspunkten zu bestimmen und in einer Querschnittsskizze mitdazugehörigen Schichtdicken darzustellen. Berechnen Sie den mittleren Wärmedurchgangskoeffizientendes Steildaches und vergleichen bzw. bewerten Sie den Wert mit den Anforderungender Energieeinsparungsverordnung nach dem vereinfachten Nachweisverfahren!(23 Punkte)3. Die vorgegebenen Sparren des Pfettendaches sollen als Einfeldträger bemessen bzw. nachgewiesenwerden. Der Sparrenabstand ist aus der ersten Teilaufgabe ersichtlich bzw., wennnicht gelöst, anzunehmen! Führen Sie hierzu den statischen Nachweis des Sparrens mit derBemessung auf Biegung und überprüfen Sie, ob der gewählte Sparrenquerschnitt ausreichenddimensioniert ist!(20 Punkte)4. Skizzieren Sie am Beispiel der auszubauenden Garage das Schema einer solarthermischenAnlage zur Warmwasserbereitung mit den notwendigen Komponenten. Erläutern Sie den innerenAufbau des Speichers sowie die Anschlüsse und Strömungsrichtungen und wählen Sieeinen möglichen Kollektortyp.(12 Punkte)Erwartete PrüfungsleistungTeilaufgabe12Lösungsskizze / Hinweise I II IIIUnter Berücksichtigung des Dachüberstandes werden die Felder unddie Sparrenanzahl sowie das genaue Bundmaß errechnet, der Überstandfestgestellt. Firstpunkt zeichnerisch darstellen mit entsprechendenAngaben zu den fehlenden Querschnittsmaßen. Hierbeisind je nach Sparrenanzahl und Bundmaß sind verschiedene Lösungenmöglich. 6 12 7Holzliste erstellen, notwendige Dachkonstruktionsteile erkennendazugehörige Längen und Volumina ausrechnen und eintragen. MitHilfe der Zeichnung aus Aufgabe 1 fehlende Längen abtragen undPfostenlänge ungefähr ermitteln; Kopfband und Zangen annehmen.Gesamte Holzvolumen in m³ berechnen. Hierbei sind je nach Annahmeunterschiedliche Lösungen möglich. 6 8 622

Teilaufgabe345Lösungsskizze / Hinweise I II IIIEin eigenständiger Aufbau bzgl. des ausgebauten Dachgeschosseswird vorgenommen und in einer Querschnittsskizze mit entsprechenderSchraffur von einem Feld mit zwei Sparren dargelegt. DieWärmeleitzahlen der ausgewählten Materialien und die Wärmeübergangswiderständewerden anhand von Tabellen zur U-WertBerechnung herangezogen, dabei ist zu beachten, dass zunächst dieU-Werte im Bereich des Balkens und des Gefaches getrennt unddann der Mittelwert errechnet wird. Der errechnete U-Wert wird mitdem geforderten Wert nach EnEV verglichen und beurteilt. 6 7 10Errechnung der Schneelast mit dem Abminderungsbeiwert k s aufGrundfläche; Umrechnung der Eigenlast auf Grundfläche; Windlastmit q = 0,5 kN/m² und c p-Wert sowie mit 25 % Erhöhung auf Dachflächeerrechnen; Ermittlung des Biegemomentes aus Eigenlast,Schnee und Wind unter Beachtung des (evtl. angenommenen)BundmaßesM =2l 8 ⋅2l 8 s( g + s) ⋅ a + w ⋅ ⋅adDas erforderliche Widerstandsmoment aus dem Moment wird mitdem vorhandenen Widerstandsmoment verglichen und beurteilt. 6 10 4Schematische Darstellung der Kollektoranlage zur Warmwasserbereitungbeinhaltet Sonnenkollektoren, Solarkreisstation (mit Solarregler,Solarkreispumpe und Ausdehnungsgefäß), Solarspeicher undNachheizung sowie mögliche Entnahmestellen. Die Zuordnungdieser einzelnen Teile erfolgt über Kalt- und Warmwasserstränge.Über den Solarspeicher wird unten Kaltwasser zugeführt und obenWarmwasser entnommen. bzgl. der beiden Varianten Flachkollektorund Vakuumkollektor sind technische und wirtschaftliche Gesichtspunktegegeneinander abzuwägen. 6 3 3Insgesamt 100 Bewertungseinheiten 30 40 3023

1.3 Bautechnik (Stahlbetonbau)Übersicht über die unterrichtlichen VoraussetzungenBezeichnung des Schwerpunktes Fach mit erhöhtem Anforderungsniveau: BautechnikInhaltsbereich dieser AufgabeStahlbetonbau, BetontechnologieUnterrichtsumfang des Unterrichtsfaches 24 Wochenstunden über 4 SchulhalbjahreUnterrichtsumfang für diesen Inhaltsbereich6 Wochenstunden über ein SchulhalbjahrInhaltsbereiche der curricularen Vorgabenin StichpunktenBearbeitungszeit für das Fachdavon geplante EinlesezeitBearbeitungszeit für diese Teildisziplindavon geplante Einlesezeitweitere vom Schüler zu bearbeitendeTeildisziplinHilfsmittelAnwendungsgebiete und Möglichkeiten des BetonundStahlbetonbaus, Einfluss des Wasserzementwertes,Bemessungsverfahren biegebeanspruchterStahlbetonbauteile300 Minuten30 Minuten60 Minuten10 MinutenSchallschutz, Holzbau, TiefbauBautabellen, Taschenrechner, ZeichenmaterialThema und AufgabeEine Maueröffnung im Innenbereich des dritten Obergeschosses eines Wohngebäudes ist miteinem Stahlbetonbalken aus C 25/30 und BSt 500 S zu überdecken.Die Lichtweite ln beträgt 3,20 m, die Balkenabmessungen 23/45cm. Der Balken wird durch ein24-er Mauerwerk mit einer Höhe h von 1,60 m (Steinrohdichte = 1,8 g/cm2) und einer Geschossdecke( l = 4,00 m, gk = 5,5 kN/m2, qk = 0,75 kN/m2 ) belastet.Schnitt und AnsichtSchnittAnsicht24

1. Bemessen Sie den Stahlbetonbalken. (35 Punkte)2. Als Montageeisen liegen 2 Stäbe ∅ 12 im Balken, für die Schubsicherung werden Bügel ∅ 6,a = 15cm eingebaut. Dimensionieren Sie die Zugbewehrung des Stahlbetonbalkens und stellenSie die Bewehrung in einer technischen Zeichnung dar. (30 Punkte)3. Für den Stahlbetonbalken wird Beton (CEM III A 32,5) mit dem w/z-Wert 0,65 der KonsistenzklasseF 5 geliefert. Beurteilen Sie die zu erwartende Qualität des Betons. (35 PunktErwartete PrüfungsleistungTeilaufgabe1Lösungsskizze / Hinweise I II IIIBestimmung der Expositionsklasse: XC3Bestimmung der Betondeckung: nom c min 3 cmBerechnung der Stützweite: 2 leff = 3 , 36m≥ ln+ ⋅0,24= 3,36m 3 Berechnung der Nutzhöhe:d = 45 cm (h) - 3,0 cm (nom c) - 0,6 cm (∅ Bügel) - 0,8 cm (angen. ½∅ Tragstab) = 40,6 cmBestimmung der Eigenlasten g k für Stahlbetonbalken, Stahlbetondeckeund MauerwerkErmittlung der Verkehrslasten der GeschossdeckeSystem und Belastung :2leff = 3,36 m g k = 20,61 kN/m; q k = 1,50 kN/mBestimmung der Teilsicherheitsbeiwerte: γ G = 1,35; γ Q = 1,50Berechnung der Bemessungslasten: g D = 30,07 kN/m 2Berechnung des Biegemomentes: M d = 42,43 kN/m 20 15Bestimmung von k d = 3,05Bestimmung von k S = 2,29Berechnung der Betonstahlfläche: A S = 2,39cm 2Auswahl der Betonstahldurchmesser und der Anzahl: Bspw.2 Stäbe ∅ 14 (3,08 cm 2 ) BSt 500 S4 Stäbe ∅ 10 (3,14 cm 2 ) BSt 500 SSkizze Querschnitt Balken:2 Ø 12---------Bü Ø 6/ 15 cm2 Ø 1410 15 525

3w/z –Wert 0,65: deutlich zu hoch (ideal 0,4 – 0,5); starke Wassersaugfähigkeit,niedrige Druckfestigkeit, starkes Schwinden und starkes Bluten.Konsistenzklasse F6: fließfähiger Beton ist nicht nötig, da es sich um einschlichtes Bauteil handelt, hohe Kosten (größerer Zementanteil), Entmischungsgefahr10 25Insgesamt 100 Bewertungseinheiten 30 40 301.4 DatenverarbeitungstechnikÜbersicht über die unterrichtlichen VoraussetzungenBezeichnung des SchwerpunktesInhaltsbereich dieser AufgabeUnterrichtsumfang des UnterrichtsfachesUnterrichtsumfang für diesen InhaltsbereichInhaltsbereiche der curricularen Vorgabenin StichpunktenBearbeitungszeit für das Fach(einschließlich Einlesezeit)Bearbeitungszeit für diese Teilaufgabe(einschließlich Einlesezeit)weitere Teilaufgaben im Rahmen dieserPrüfungHilfsmittelFach mit erhöhtem Anforderungsniveau: DatenverarbeitungstechnikEntwicklung von Windows- Anwendungen6 Wochenstunden über 4 Schulhalbjahre2 Wochenstunden über 3 SchulhalbjahreDie Schülerinnen u. Schüler kennen wesentlicheZusammenhänge zwischen Klassen und Instanzensowie die Prinzipien der Datenkapselung, Vererbungund Polymorphie.Sie sind in der Lage, Windows- Klassen zu entwickelnbzw. diese unter Verwendung entsprechenderEntwicklungsumgebungen mit Hilfe der darinimplementierten Assistenten aus Klassenbibliothekenabzuleiten.Sie verfügen über die sachliche und methodischeKompetenz, Problemstellungen zu analysieren undunter Berücksichtigung softwareergonomischerGrundforderungen gemäß DIN EN 9241 in einemvereinfachten softwaretechnischen Prozess eineeingabe- und systemsichere sowie mathematischkorrekte Windows- Anwendung zu programmieren.270 Minuten115 Minuten– Grundlagen prozedurale Programmierung– Betriebssysteme, Netze, Hardwarekomponenten– Datenbank- EntwicklungStandard Hilfesystem der verwendeten Programm-Entwicklungsumgebung und von der Fachkonferenzder Schule bestätigte Programmbefehlsliste26

Thema und AufgabeAbrechnung einer AutovermietungDas Autohaus „Rasender Michel“ möchte den Rechnungsbetrag für die Autovermietung ihrerKunden über den PC ermitteln lassen. Folgende Tariftabelle, welche in geeigneter Form als Textdateizu erstellen ist, dient als Berechnungsgrundlage.Nr.: Autotyp Kennzeichen km-Tarif Tagestarif Stundentarif1 BMW UH-KL98 0,44 € 100,00 € 16,99 €2 Opel UH-AU34 0,30 € 75,00 € 15,00 €3 VW UH-SU15 0,26 € 58,00 € 11,44 €4 Mercedes UH-R177 0,45 € 102,50 € 17,00 €In einem Unterdialog soll der zu leihende Wagen ausgewählt werden. Nach Eingabe der Daten(gefahrene Kilometer, Mietzeit in vollen Tagen und restliche Stunden) soll die Anwendung denRechnungsbetrag ermitteln und alle Mietdaten anzeigen. Der Mietpreis setzt sich entsprechenddes gewählten Autotyps aus der Summe von Kilometerpreis und Zeittarif wie folgt zusammen:Der Kilometerpreis ergibt sich aufgrund der gefahrenen Kilometer und dem zugehörigen km-Tarif.Der Zeittarif berechnet sich aus der Ausleihzeit in Tagen zuzüglich der restlichen Stunden, unterBerücksichtigung des jeweiligen Tages- bzw. Stundentarifs. Übersteigt der Mitpreis für die Stundenden Tagestarif, so ist der für den Kunden günstigere Tagestarif anzusetzen.1. Entwickeln Sie eine benutzerfreundliche Programmoberfläche zur Realisierung der notwendigenEin- und Ausgaben. (21 Punkte)2. Setzen Sie die Aufgabenstellung in ereignisorientierte Prozeduren um. Logisch unvereinbareEingabekombinationen (kein Wagen gewählt, Fahrstrecke ohne Fahrzeiten, negative Werteetc.) sind entsprechend abzuweisen. (59 Punkte)3. Bieten Sie eine Möglichkeit an, aus dem Hauptdialog der Anwendung heraus dem Benutzerdie Tariftabelle auf dem Bildschirm ohne Editier- bzw. Erweiterungsmöglichkeit anzuzeigen.(12 Punkte)4. Formulieren Sie schriftlich mindestens 4 allgemeine, softwareergonomische Grundforderungenan die Bedieneroberfläche eines Computerprogramms gemäß DIN EN 9241 und weisenSie nach, dass die von Ihnen entwickelte Anwendung diesen Kriterien genügt. (8 Punkte)Es ist zur Lösung ausschließlich die im Unterricht des Faches Technik vermittelte Programmiersprachezu verwenden. Die Verwendung von Standardsoftware ist unzulässig.27

Erwartete PrüfungsleistungDie konkrete Umsetzung der Aufgabenstellung ist wesentlich von der eingesetzten Programmierumgebungabhängig.Teilaufgabe1.MöglicheGewichtungLösungsskizze/ Hinweiseder AnforderungsbereicheI II IIIDie Schülerinnen u. Schüler entwickeln die Programmoberfläche des Hauptdialoges.Sie entwerfen ein Konzept zur sicheren, fehlertoleranten Eingabealler erforderlicher Daten, indem sie die logisch zusammenhängenden Fahrzeugdatenüber einen Unterdialog abfordern, um Übersichtlichkeit undeindeutige Benutzerführung bei der Eingabehandlung zu unterstützen.12Dabei wählen sie unter softwareergonomischen Aspekten begründbareSteuerelemente und planen die zugehörigen programmsteuernde Ereignisse(Mauseklick, Auswahl, Fokuserhalt, etc). Sie berücksichtigen, dass derBenutzer zu jeder Zeit im Hauptdialog über den Stand bisheriger Eingabeninformiert ist.5Sie legen aussagekräftige Objektnamen und die erforderliche Objekteigenschaftenfür die verwendeten Steuerelemente bzw. Membervariablen fest.428

2.Die Schülerinnen u. Schüler erstellen die erforderlichen Objekte und Verarbeitungsprozeduren,um die Eingaben von Fahrstrecke, und Benutzungsdauerim Hauptdialog zu erfassen und an Membervariable zu binden.6Die Schülerinnen u. Schüler entwickeln einen Unterdialog zur Fahrzeugauswahl.Dabei ist zu realisieren, dass:– die erforderliche Dialogfeldklasse mit allen notwendigen Attributengeplant und formal korrekt programmiert wurde;64– die Fahrzeugdaten aus einer ASCII- Datei, welche von den Schülerinnenu. Schülern unter Verwendung eines Texteditorsselbst zu erstellen ist,gelesen werden. Fehlt diese Datei im aktuellen Programmverzeichnis, istder Benutzer mit einer entsprechenden Meldung darauf aufmerksam zumachen;6– die Daten des ausgewählten Fahrzeugs im Unterdialog zur Kontrolledem Benutzer angezeigt werden;5– die Daten des ausgewählten Fahrzeugs beim Schließen des Unterdialogsin geeigneter Weise zur Weiterverarbeitung an den Hauptdialog übergebenwerden.Die Schülerinnen u. Schüler entwickeln die erforderliche(n) Ereignisprozedur(en)um aus den aktuellen Eingabewerten den Mietpreis zu berechnen.– Die Berechnung berücksichtigt, dass wenn der Mietpreis für die Stundenden Tagestarif übersteigt der für den Kunden günstigere Tagestarif anzusetzenist. Letzteres ist dem Benutzer durch das Programm zu signalisieren.366– Der aktuelle Mietpreis wird dem Benutzer angezeigt.33– Bei nachträglicher Änderung des Wagentyps muss der Benutzer über dieNeuberechnung des Mietpreises informiert werden.5629

3.Schülerinnen u. Schüler entwickeln einen weiteren, einfachen Unterdialogzur Darstellung der Tariftabelle in einer übersichtlichen, mehrspaltigenForm. Dabei sind folgende Teillösungen zu realisieren:– Erstellen der entsprechenden Klasse des Unterdialoges; 4– Auslesen der Tarifdaten- Datei und Speicherung der Werte auf geeignetenDatenelementen. Aufbereitung (Typkonvertierung) der Daten zumZwecke der Anzeige. Fehlt diese Datei im aktuellen Programmverzeichnis,ist der Benutzer mit einer entsprechenden Meldung darauf aufmerksamzu machen.44.– Programmierung eines geeigneten Objektes im Unterdialog, welchesauch bei unterschiedlicher Länge der Einträge, die Daten in Tabellenformkorrekt zur Anzeige bringt.Die Anzeige von Spaltenüberschriften verbessert die Lesbarkeit. Änderungenam Dateninhalt der Tariftabelle sollen nicht vorgenommen werden.Die Schülerinnen u. Schüler benennen softwareergonomische Grundforderungen(Aufgabenangemessenheit, Steuerbarkeit, Selbstbeschreibungsfähigkeit,Erwartungskonformität, Fehlertoleranz etc.) und weisen deren Umsetzunganhand der erstellten Anwendung in schriftlicher Form nach.44 4Anteile der Anforderungsbereiche 30 42 2830

1.5 Elektrotechnik (Filter)Übersicht über die unterrichtlichen VoraussetzungenBezeichnung des SchwerpunktesFach mit erhöhtem Anforderungsniveau:ElektrotechnikInhaltsbereich dieser TeilaufgabeWechselstromtechnikUnterrichtsumfang des Unterrichtsfaches 5 Wochenstunden über 4 SchulhalbjahreUnterrichtsumfang für diesen Inhaltsbereich5 Wochenstunden über 1 SchulhalbjahreInhaltsbereiche der curricularen Vorgaben inStichpunktenFrequenzabhängigkeit von WechselstromwiderständenBearbeitungszeit für das Fach300 Minutengeplante Einlesezeit30 MinutenBearbeitungszeit für diese (Teil)Aufgabe 50 Minutendavon geplante Einlesezeit- Minutenweitere vom Schüler zu bearbeitende TeildisziplinGleichstromtechnik, Digitaltechnik,SteuerungstechnikHilfsmittelgrafikfähiger Taschenrechner,Formelsammlung, MillimeterpapierDudenThema und AufgabeDimensionieren Sie einen passiven elementaren Hochpass-Filter mit minimaler Bauelementezahlund untersuchen Sie seine Eigenschaften.1. Zeichnen Sie die zwei mögliche Schaltbilder eines elementaren Hochpass-Filters mit minimalerBauelementezahl und bezeichnen Sie alle Einzelheiten. (16 Punkte)2. Dimensionieren Sie die Bauelemente eines RC-Filters, wenn bei dessen Grenzfrequenz von500kHz das Übertragungsverhalten Ua/Ue = π/4 betragen soll und bei einer Eingangsspannungvon 7,2V maximal 2mA fließen dürfen. (20 Punkte)3. Berechnen Sie die Frequenz, bei der das Übertragungsverhalten Ua/Ue = 0,5 beträgt. SkizzierenSie die Durchlasskurve näherungsweise. (12 Punkte)4. Leiten Sie den funktionalen Zusammenhang zwischen Grenzfrequenz und Kapazität für einenelementaren RC-Filter allgemein her und entwickeln Sie eine zugeschnittene Größengleichungfür die Berechnung der Kapazität in Farad in Abhängigkeit von der Grenzfrequenz inHz. Die Größe des Widerstands beträgt 3300Ω, für der Grenzfrequenz gilt die Vereinbarungfür das Übertragungsverhalten von Ua/Ue = π/4. (16 Punkte)5. Stellen Sie den in Teilaufgabe 4 ermittelten funktionalen Zusammenhang zwischen Grenzfrequenzund Kapazität für Frequenzen im Bereich von 10Hz bis 100MHz quantitativ grafischauf Millimeterpapier dar. Skalieren Sie die Achsen sinnvoll. Achten Sie auf Sauberkeit dergrafischen Darstellung. (12 Punkte)31

6. Entwerfen Sie zu einem RL-Hochpass-Filter mit einem Widerstand von 3,3kΩ und einerInduktivität von 1,5mH den dualen RC-Filter für die gleiche maximale Strombelastung undberechnen Sie die Größe der Bauelemente des RC-Filters.(24 Punkte)Hinweis: Nutzen Sie zur Aufgabenlösung den grafikfähigen TaschenrechnerErwartete PrüfungsleistungenmöglicheGewichtungim Anforde-Lösungsskizzerungsbe-reichTeilaufgabe1. Zeichnen Sie die zwei mögliche Schaltbilder eines elementaren Hochpass-Filters mit minimaler Bauelementezahl und bezeichnen Sie alle Einzelheiten.I II III10 6 0RC-HochpassRL-Hochpass2. Dimensionieren Sie die Bauelemente eines RC-Filters, wenn bei dessenGrenzfrequenz von 500kHz das Übertragungsverhalten Ua/Ue = π/4 betragensoll und bei einer Eingangsspannung von 7,2V maximal 2mA fließendürfen.5 10 5Berechnung des Widerstandswertes R für den Fall X c( f ∞ ) = 0:R = U e/ Imax = 7,2V/2mA = 3,6kΩBerechnung der Kapazität über die Spannungsteilerregel der Beträge derbeteiligten Spannungen (Spannungs-Übertragungs-Verhalten):UUae=R2 1 R +2 π ⋅ ⋅ f ⋅C2π=4Eingabe der Gleichung als y1(x) mit x als Frequenz in das GRAPH-Menüdes grafikfähigen Taschenrechner32

linker Teil der Eingaberechter Teil der EingabeAuflösung mittels SOLVER für f=500kHz x=500000Hz, R = 3600Ω undUa/Ue=π/4 =0,785...Die Kapazität ergibt sich zuC = 1,122E-10As/V = 112,2pF3. Berechnen Sie die Frequenz, bei der das Übertragungsverhalten U a/U e = 0,5beträgt. Skizzieren Sie die Durchlasskurve näherungsweise.2 4 6Das Ergebnis wird durch nochmalige Nutzung des SOLVER für die ermittelteKapazität mit exp = 0,5 für das Übertragungsverhalten U a/U e berechnet:Die Frequenz beträgt f = 227512Hz = 227,5kHzDurchlasskurve:33

4. Leiten Sie den funktionalen Zusammenhang zwischen Grenzfrequenz undKapazität für einen elementaren RC-Filter allgemein her und entwickeln Sieeine zugeschnittene Größengleichung für die Berechnung der Kapazität inFarad in Abhängigkeit von der Grenzfrequenz in Hz. Die Größe des Widerstandsbeträgt 3300Ω, für der Grenzfrequenz gilt die Vereinbarung für dasÜbertragungsverhalten von U a/U e = π/4.4 6 6Aus der Spannungsteilerregel ergibt sich:RC - Hochpass-FilterKapazität [Farad]1E-051E-061E-071E-081E-091E-101E-111E-121E-131E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06 1E+07 1E+08 1E+09Grenzfrequenz [Hz]5. Stellen Sie den in Teilaufgabe 4 ermittelten funktionalen Zusammenhangzwischen Grenzfrequenz und Kapazität für Frequenzen im Bereich von10Hz bis 100MHz quantitativ grafisch auf Millimeterpapier dar. SkalierenSie die Achsen sinnvoll. Achten Sie auf Sauberkeit der grafischen Darstellung.3 4 5RC - Hochpass-FilterKapazität [Farad]1E-051E-061E-071E-081E-091E-101E-111E-121E-131E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05 1E+06 1E+07 1E+08 1E+09Grenzfrequenz [Hz]34

6. Entwerfen Sie zu einem RL-Hochpass-Filter mit einem Widerstand von3,3kΩ und einer Induktivität von 1,5mH den dualen RC-Filter für die gleichemaximale Strombelastung und berechnen Sie die Größe der Bauelementedes RC-Filters.Ansatz über die Spannungsteilerregel:Ua2⋅π⋅ fgrenz⋅ L π==U 22e R + ( 2⋅π⋅ f ⋅ L) 4grenzDer Widerstand behält wegen der gleichen Strombelastung den Wert von3,3kΩ.Das Übertragungsverhalten wird als y2(x) mit x für die Frequenz im grafikfähigemTaschenrechner vereinbart.6 10 8linker Teil der Eingaberechter Teil der EingabeBerechnung der Grenzfrequenz über den SOLVER für y2(x):Die Grenzfrequenz f grenz = 444271Hz = 444,3kHzBerechnung der Kapazität mittels SOLVER und der Funktion y1(x) für denRC-Hochpass-Filter:Die Kapazität des dualen RC-Hochpass-Filters beträgtC =1,377E-10Farad = 138pF.Anteile der Anforderungsbereiche 30 40 3035

1.6 Elektrotechnik ( Steuerungstechnik)Übersicht über die unterrichtlichen VoraussetzungenBezeichnung des Schwerpunktes Fach mit erhöhtem Anforderungsniveau:ElektrotechnikBezeichnung des SchwerpunktesInhaltsbereich dieser AufgabeUnterrichtsumfang des UnterrichtsfachesUnterrichtsumfang für diesen InhaltsbereichInhaltsbereiche der curricularen Vorgaben inStichpunktenBearbeitungszeit für das Fachgeplante EinlesezeitBearbeitungszeit für Teilaufgabe 3weitere vom Schüler zu bearbeitende Teilaufgaben:HilfsmittelSchwerpunkt: ElektrotechnikPulsbreitensteuerung, Drehzahlsteuerung6 Wochenstunden über 4 Schulhalbjahre6 Wochenstunden über 1 SchulhalbjahreElektrische Steuerungen300 Minuten30 Minuten140 MinutenAntriebkonzept und Energieversorgung,Gleichstrommotor, Funktion und Verhalten,Schaltverstärker, AnsteuerungLeistungssteuerungOriginaldatenblätter und Applikationsschriftenin englischer Sprache zum MOS-FET STE180PC mit Simulationssoftware PSpice36

Thema und AufgabePressemitteilung:Stuttgart, 4. November 2003Weltweit größter kommerzieller Großflottentest mit Brennstoffzellen-FahrzeugenDrei Mercedes-Benz Citaro Stadtbusse mit Brennstoffzellenantrieb sind heute von DaimlerChrysler an die Stuttgarter Straßenbahnen übergeben worden. Ab 5. November 2003 werdendiese emissionsfreien Brennstoffzellen-Busse auf der Linie 44 im anspruchsvollen täglichenLinienverkehr im Einsatz sein. So können die rund 4500 Fahrgäste diese innovative Antriebstechnologieim Alltagsbetrieb selbst erfahren.(Quelle: http://www.daimlerchrysler.com/dccom)Teilaufgabe 1 (15 Punkte)Stellen Sie kurz die historische Entwicklung von Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben dar.Skizzieren Sie ein mögliches Antriebskonzept einschließlich der Energiebereitstellung einesFahrzeuges mit Brennstoffzellen (wie oben beschrieben).Vergleichen Sie dieses Antriebskonzept mit dem Antriebskonzept eines herkömmlichen Fahrzeugsmit Verbrennungsmotor und begründen Sie die Vor- und Nachteile dieser beiden Konzepteunter der Voraussetzung, dass sie an gleichartigen Fahrzeugen realisiert werden. Beachten Siedabei mindestens:– die Energiebereitstellung,– die Prinzipien der Geschwindigkeitssteuerungen,– Wirkungsgrad / Verluste,– Schadstoffemission37

Teilaufgabe 2 (22 Punkte)Für Elektrofahrzeuge werden häufig Gleichstrommotoren Servo-Antriebe und eingesetzt.1. Erläutern Sie den prinzipiellen Aufbauund die Funktionsweise eines Gleichstrommotorsanhand der nebenstehendenSkizze am Beispiel eines Reihenschlussmotors.Erläutern Sie dabei mit einerSkizze auch die Drehrichtungsumkehr beidiesem Motorprinzip.2. Von einem kleinen Servo-Gleichstrommotor wurde für die Ermittlung von Kenndaten im Leerlauf die Kennlinie messtechnischermittelt. Beschreiben Sie die Kennlinie und erläutern Sie das Verhalten des Motorsanhand dieser Kennlinie.I/mA500Motor im Leerlauf400I = f(U)300200100124 6 810 12U/V3. Der Motor soll bei einem Steuersignal von U Steuer = 5V eingeschaltet und bei einem Signalvon U Steuer = 0V ausgeschaltet sein. Die Steuerschaltung darf nur mit einem maximalen Stromvon I Steuer ≤ 5mA belastetwerden. Für die Schaltstufestehen 2 unterschiedlichenSi-NPN-Transistorenzur Verfügung.– Typ 1: I Cmax = 500mA, B =200– Typ 2: I Cmax = 1,5A, weitere Daten siehe die beiden folgenden Kennlinien:38

Entwickeln und Dimensionierung Sie die Motorsteuerung unter Berücksichtigung folgenderBedingungen:• Dieser Servomotor soll mit einer Spannung von U Motor = 9V betrieben werden.• Die Motorspannung darf im EIN-Zustand nicht unter 8,5V absinken.• Die Transistoren dürfen auch im ungünstigsten Betriebsfall nicht überlastet werden.Teilaufgabe 3 (40 Punkte)Für die Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen werden unterschiedliche Konzepte realisiert. Beieinem Einsatz von Gleichstrommotoren wird für die Geschwindigkeitssteuerung häufig das Verfahrender Pulsbreitensteuerung verwendet.1. Erläutern Sie das Verfahren der Pulsbreitensteuerung und begründen Sie die Vorteile diesesVerfahren gegenüber einem einfachen Verfahren mit Vorwiderstand besonders im Hinblickauf die Energiebilanz.2. Zur Geschwindigkeitssteuerung eines Elektrofahrzeugs ist das „Gaspedal” als einstellbarerWiderstand ausgelegt. Entwickeln Sie ein Blockschaltbild mit diesem „Gaspedal“ für einePulsbreitensteuerung, in dem für die Periodendauer und für die Einstellung der Pulsdauer jeweilsein Zeitgeber eingesetzt wird.3. Als Zeitgeber hat sich der integrierte Schaltkreis NE555 bewährt und etabliert.Leiten Sie aus dem folgenden Schaltbild des NE555 ein reduziertes Blockschaltbild ab, sodass die einzelnen Funktionsblöcke durch genormte Symbole dargestellt werden. BeschreibenSie an diesem reduzierten Blockschaltbild die Funktion des „Flip-Flop“ anhand der EingängeThreshold, Trigger und Reset sowie des Ausgangs Pin 3.39

4. Entwickeln und dimensionieren Sie die Zeitsteuerung für die beschriebene Pulsbreitensteuerungmit dem Zeitgebeberbaustein NE555. Die Periodendauer soll ungefähr 100 ms betragen.Die Pulsdauer soll mit dem „Gaspedal“ zwischen ungefähr 2ms und 90ms verändert werdenkönnen. Die einzusetzenden zeitbestimmenden Kapazitäten sollten zwischen 1µF und 10µFliegen. Beschreiben Sie kurz die Funktion Ihrer Schaltung.5. Nachdem Sie die Schaltung dimensioniert haben simulieren Sie diese Schaltung zur Überprüfungmit der Simulationssoftware Pspice an einem PC-Arbeitsplatz. Zur Ergebnissicherungdrucken Sie sowohl den Schaltungsentwurf als auch die Simulation mit der kürzesten und derlängsten Pulsdauer aus.Beachten Sie bitte, dass - wenn die Dimensionierung in die Bewertung einfließen soll - Sieerst nach einer vollständigen Dimensionierung der Schaltung die Simulation durchführen dürfen.Ihre vollständige Dimensionierung wird vom aufsichtführenden Lehrer vor der Simulationgekennzeichnet. Sollten Sie die Dimensionierung nicht durchführen können, wird dies vondem aufsichtführenden Lehrer vermerkt. Eine begründete Korrektur der Dimensionierung istnach der Simulation möglich.Teilaufgabe 4 (23 Punkte)Der Leistungsteil einer Pulsbreitensteuerung für die Antriebsmotoren eines Elektrofahrzeugs sollhier mit einem Leistungs-MOS-FET vom Typ STE180 realisiert werden.Die Versorgungsspannung für den Motor beträgt 40 V. Der maximal auftretende Strom unterVolllastbedingungen wurde zu I max=100A ermittelt.1. Entwickeln Sie eine Schaltung für den Leistungsteil der Motorsteuerung. DimensionierenSie die Schaltung so, dass auch ein möglicher Spitzenstrom von 350A sicher geschaltet wirdund dass zur Vermeidung von Strom- und Spannungsspitzen die Umschaltzeiten auf 1 µseingestellt werden.2. Berechnen Sie die Leistung, die während einer Periode der Ansteuerung im MOS-FETumgesetzt wird, wenn die Einschaltzeit 90% der Periodendauer von 10ms beträgt. BerechnenSie den Temperaturunterschied zwischen dem Halbleiterkristall und der Gehäuseoberfläche.Überprüfen Sie, ob der Transistor ohne weitere Kühlmaßnahme eingesetzt werdenkann, wenn der Wärmewiderstand Gehäuse-Luft mit 20K/W und die Lufttemperatur imMotorraum mit 60°C angenommen werden kann!3. Erläutern Sie anhand des Ersatzschaltbildes eines MOS-FET die folgenden Aussagen:Obwohl ein MOS-FET fast leistungslos gesteuert wird,müssen für die Ansteuerung von Leistungstransistorendie Werte der Gate-Widerstände relativ niedrig sein.Beim Ausschaltvorgang kann eine kurze Ausschaltzeitzur Zerstörung der Transistoren führen.40

Erwartete PrüfungsleistungDie erwarteten Leistungen der Teilaufgaben 1, 2 sowie 4 werden nur skizziert, um den Kontextder Aufgabenstellung zu verdeutlichen. Die Teilaufgabe 3 wird ausführlicher behandelt.MöglicheGewichtung imAnforderungsbereichLösungsskizzeI II III1 Antriebskonzept:Hier bietet sich ein Blockschaltbild an bestehend aus: Treibstofftank(hoher Druck), Steller, Brennstoffzelle, Steuerungselektronik einschließlichGeschwindigkeitsteuerung , Elektromotoren für jedes Rad(evtl. einstufiges Getriebe), RäderVergleich: Die wesentlichen Funktionsgruppen eines Antriebskonzeptsmit einem Verbrennungsmotor müssen genannt werden, umeinen Vergleich erstellen zu können.Verbrennungsmotor: Treibstofftank für flüssigen Treibstoff, zentralerMotor, (mehrstufiges ) Getriebe, Kupplung; Differenzial, RäderEnergiebereitstellung: Verbrennungsmotor: Lagerung des Energieträgereinfach, geringes Gewicht des TanksBrennstoffzellenfahrzeug: Hohes Tankgewicht, da Speicherung desWasserstoffes unter hohem DruckGeschwindigkeitsteuerung: Verbrennungsmotor: Wirkungsgrad undDrehmoment stark abhängig von der Drehzahl des Motors, Motornicht selbstanlaufend. Motor muss ständig drehen, Trennung von denAntriebsrädern im Stillstand über eine Kupplung, grobe Geschwindigkeitssteuerungüber ein mehrstufiges Getriebe (Wirkungsgrad,Drehmoment), feine Geschwindigkeitssteuerung über Treibstoffzufuhr,Verteilung der Antriebsenergie auf die Räder wegen unterschiedlicherDrehzahlen in Kurven über DifferenzialBrennstoffzellenfahrzeug: Elektromotor selbstanlaufend, hohesDrehmoment auch im Stillstand, Energiebereitstellung durch Treibstoffzufuhran die Brennstoffzelle, Drehzahlsteuerung elektronischz.B. durch Pulspreitensteuerung, beim Bremsen kann der Motor alsGenerator genutzt werden, so dass die „Bremsenergie“ für den Antriebgenutzt werden kann und nicht –wie beim konventionellenAntrieb - „vernichtet“ werden muss. Die Antriebsenergie kann überjeweils einen Motor an jedes Antriebsrad übertragen werden. Verzichtauf mehrstufiges Getriebe und Differenzial (Gewicht, Wirkungsgrad)Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad ist bei Verbrennungsmotorenphysikalisch begrenzt.TeilaufgabeDer Wirkungsgrad von Elektromotoren kann sehr hoch liegen. Auchder Wirkungsgrad der Brennstoffzelle liegt heute technisch schon sehr 6 6 341

hoch.Schadstoffemission: Beim Verbrennungsmotor entstehen physikalischbedingt Emissionen (C0, C02 und Stickoxide).Bei der Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie entstehenin der Brennstoffzelle lediglich Wasser und Sauerstoff, also keineumweltschädlichen Emissionen.2.1 Reihenschlussmotor: Feststehendes und drehbares Magnetfeld gebildetdurch Stator und Rotor jeweils als Spulen, die vom gleichen Stromdurchflossen werden (Reihenschaltung); Änderung des Magnetfeldesan den Polen des Rotors durch Stromwender auf der Achse des Rotorsin Abhängigkeit des Drehwinkels (Drehfeld).USStatorSRotorDrehrichtungsumkehr: Änderung der Stromrichtung in Stator oderRotor. Änderung der Stromrichtung in Stator und Rotor führt zukeiner Änderung der Drehrichtung, da sich beide Magnetfelder ändern.Schaltungsskizze mit mechanischen Schaltern zum Umschalten derStromrichtung durch den Stator bei gleich bleibender Stromrichtungdurch den Rotor.2.2I/mA500Motor im Leerlauf400300I = f(U)200100124 6 810 12U/VA-B: I steigt proportional zu U, Motor im Stillstand, nur ohmscherWiderstand der Spulen wirksam; 2 4 142

B-C: Strom sinkt (schlagartig), magnetisches Drehmoment größer alsMoment der Haftreibung, Haftreibung und Trägheit der Masse wirdüberwunden, Motor dreht, Induktion, Spannungserzeugung im Rotor,äußere und innere Spannung heben sich tlw. auf, Leerlaufstrom;C-D: U steigt, I steigt nur geringfügig, Drehzahl steigt, innere Spannungin Abhängigkeit der Drehzahl steigt;D-E: U wird verringert (Umkehrung von C-D), bei geringerer Spannungals bei B-C bleibt Rotor stehen (Reibungsmoment größer alsmagnetisches Moment); F-A wie A-B.2.3 Schaltungsskizze: NPN-Transistor mit Basisvorwiderstand und Motorim Kollektorkreis.Auswahl des Transistors (als Schalter):I Cmax beim Stillstand des Motors an U Batterie = 9V.Aus der Kennlinie (Bereich A-B) läßt sich der ohmsche Widerstandder Motorspulen ermitteln: R Motor _ Still= 6ΩIU=R1, ABatterieC max= 5Motor _ StillAuswahl: Transistor Typ 2 als SchalttransistorAus der Forderung U Motor min = 8,5V geht hervor, dass U CEsat

T1: Si-Transistor > U BE ohne Übersteuerung ungefähr 0,6V (entsprechendder Diffusionsspannung bei Silizium)T2: aus Kennlinie bei I C=1,5A und B=5 > U BE=1,15VUBE Darlington75= 1, VR= 3, 25VR B= 2, 17kΩUB3.1 Pulsbreitensteuerung: Betreiben des Motors mit einer Rechteckspannungeiner Polarität mit konstanter Amplitude und mit veränderbaremTastverhältnis (häufig mit konstanter Periodendauer).Die Periodendauer ist abhängig von der Induktivität der Motorspulensowie des Trägheitsmoments des Rotors und des Antriebsstranges(hohe Induktivität des Motors lange Periodendauer / geringesTrägheitsmoment (hohe Änderung der Winkelgeschwindigkeit desRotors) geringe Periodendauer).Dem Motor zugeführte Energie: Integral des Pulses über die Periodendauer.Die dem Motor zugeführte Energie (W=U*I*t) ist damit(unter Vernachlässigung der Induktivität) bei konstanter Amplitudeproportional zur Pulsbreite. Im Stillstand des Motors ist die Pulsbreite0. Mit der geringsten Pulsbreite muss dem Antrieb soviel Energiezugefügt werden, dass die Leerlaufverluste ausgeglichen wird.Bei einer Schaltung mit einem Vorwiderstand wird die dem Motorzugeführte Energie verringert, in dem ein Teil der Batteriespannungan dem Vorwiderstand abfällt und als Produkt mit dem Motorstrom inWärme umgesetzt wird.Die Schaltung mit einem Vorwiderstand lässt sich zwar technischeinfach realisieren. Bis auf den Sonderfall, dass dem Motor die maximalemögliche Energie zur Verfügung gestellt wird, arbeitet dieSchaltung mit Verlusten. Die Verlustleistung am Vorwiderstand steigtbei Verringerung des Motorstromes bis zu der halben Motorleistung.Sie erreicht in diesem Fall den Wert der Motorleistung. Der Wirkungsgradbeträgt dann 50%.3 3 4Bei der Pulsbreitenmodulation treten bei idealer Betrachtungsweisekeine Verluste auf (Umschaltzeit t=0, Sättigungsspannungen derschaltenden Bauelemente bzw. Restspannung beim Schalten über denBauelementen U Sätt=0). Trotzdem gibt es Verluste beim Umschalten(Puls), da die Umschaltzeit mit elektronischen Bauteilen nicht t=0beträgt und während dieser Umschaltzeit sowohl eine Spannung andem Bauelement anliegt als auch ein Strom durch das Bauelementfließt, also eine Leistung umgesetzt wird. Weiterhin liegt auch imdurchgeschalteten Zustand eine Spannung (Sättigungsspannung) überdem Bauelement die als Produkt mit dem Schaltstrom (Motorstrom)zu einer Verlustleistung führt. Diese Summe dieser Verluste ist abersehr gering im Verhältnis zu der Verlustleitung an einem Vorwiderstand,so dass sich der technische Aufwand zunehmend lohnt. 1 2 344

3.2 Blockschaltbild: astabiler Mutivibrator (Periodendauer) triggert monostabilenMultivibrator (Pulsdauer). „Gaspedal“ als veränderbarerWiderstand im zeitbestimmenden RC-Kreis des monostabilen Multivibrators2 2 23.3 Der Eingang Threshold wird mittels Differenzverstärker mit 2/3U Battverglichen und an den R(eset)-Eingang des Flip-Flop geführt.Threshold kleiner als 2/3 U Batt R Flip-Flop = 0Threshold größer als 2/3 U Batt R Flip-Flop = 1Der Eingang Trigger wird mittels Differenzverstärker mit 1/3U Battverglichen und an den S(et)-Eingang des Flip-Flop geführt.Trigger kleiner als 1/3 U Batt S Flip-Flop = 1Trigger gößer als 1/3 U Batt S Flip-Flop = 0Sinkt die Spannung am Eingang Trigger unter 1/3 U Batt ab, so wird dasFlip-Flop gesetzt.Der Zustand Threshold gößer als 2/3 U Batt (R=1) und Trigger kleinerals 1/3 U Batt (S=1) ist danach nicht definiert.Der Eingang Reset wird direkt an den statischen Eingang Reset(Rücksetzen) des Flip-Flop geführt. Dieser Eingang hat Vorrang vorden anderen Eingängen.Der Q-Ausgang des Flip-Flop wird über den Inverter invertiert an Pin3 geführt, so dass bei gesetztem Flip-Flop die Ausgangsspannungungefähr 0V beträgt und bei einem zurückgesetzten Flip-Flop dieAusgangsspannung ungefähr der Betriebsspannung entspricht. 2 3 145

3.4 Schaltungsskizze(Entwurf):U BattPeriodendauerR 2VccR 1 TriggerR 3ResetPulsdauerVccTriggerResetControlOutputControlOutputThresholdThresholdDischargeDischargeC 1 GNDC 2GND1 1 2R 1 und C 1 bestimmen die Periodendauer (astabiler Multivibrator): DerTriggerimpuls für den folgenden monostabilen Multivibrator solltemaximal so lang sein wie die kürzeste Pulsdauer zum Ansteuern desMotors. Beim Erreichen der Spannung U C1 > 2/3 U Batt am EingangThreshold wird das interne Flip-Flop gesetzt und die Ausgangsspannung(Output) geht gegen 0V. Beim Unterschreiten der Spannung U C1

R 2+R 3 und C 2 bestimmen die Pulsdauer. Mit R 2 wird die kürzestePulsdauer eingestellt, R 3 bildet das „Gaspedal“ nach, mit dem diePulsdauer variiert wird.Zum Beginn der Pulsdauer kann die Kapazität C 2 als entladen angenommenwerden (U C2=0V). Am Ende der Pulsdauer muss die SpannungU C2 = 2/3U Batt sein. Die Pulsdauer liegt zwischen t 1=2ms (Berechnungvon R 2) und t 2=90ms (Berechnung von R 2+R 3).C 2 wird gewählt zu C 2=1µFt1R = − = 1, 82kΩ 1 ln • C2 3 R3= 81,9kΩ − R2= 80, 1kΩU2= UC2(t1 )3Batt= UBattt 1 ln • C2 3 −U22 R2+ R3= − = 81, 9kΩ3.5 Simulation mit PSpice (Schaltung):Battt1−τ1• e1 1 2R114.4kR21.82k8X1R38X212VdcV1V24567VCCTRIGGERRESET OUTPUTCONTROLTHRESHOLDDISCHARGEGND555D380.1kV24567VCCTRIGGERRESET OUTPUTCONTROLTHRESHOLDDISCHARGEGND555D3C11C2110uC31uC41n1n0Schaltung und Simulation mit der längsten PulsdauerR114.4kR21.82k8X1R38X212VdcV1V24567VCCTRIGGERRESET OUTPUTCONTROLTHRESHOLDDISCHARGEGND555D380.1kV24567VCCTRIGGERRESET OUTPUTCONTROLTHRESHOLDDISCHARGEGND555D3C11C2110uC31uC41n1n047

Simulation mit der kürzesten Pulsdauer (R3 wurde zu 0Ω gesetzt)12V10V8V6V4V2V0V180ms 200ms 220ms 240ms 260ms 280ms 300ms 320msV(C1:2) V(X2:DISCHARGE) V(X2:OUTPUT)TimeDie Simulation bestätigt die berechneten Werte, so dass auf eineKorrektur verzichtet werden kann. (Eventuell findet hier der Prüflingeinen Widerspruch zu seiner bisherigen Lösung, so dass er die bisherigeLösung begründet korrigieren muss) 2 2 34.1 Schaltungsskizze mit N-Kanal-Anreicherungstyp und Gatewiderstandin Source-Grundschaltung. Ermittlung der erforderlichen U GS anhandDatenblatt STE180N05 zu U GS=7V, Ermittlung der Gateladung zuQ G=200nC, Berechnung des erforderlichen Gate-Verschiebungsstromes aus Q G und geforderter Umschaltzeit zuI G=200mA, Berechnung von R aus I G und U GS zu R=35Ω. 2 5 14.2 Die Verlustleistung setzt sich zusammen aus der Verlustleistungwährend der Schaltzeiten von jeweils 1µs und der Leistung währenddes leitenden Zustandes. Wegen des induktiven Anteils des Motorskann die Stromänderung während des Umschaltens als linear und dieSpannung als konstant angenommen werden Die Verlustenergiewährend des Umschaltens berechnet sich zu W=(U*I/2)*t. Für dieEinschaltzeit wird der R DS aus der Tabelle Static Drain-source OnResistance ermittelt. Die Energie ergibt sich zu W EIN=I 2 *R DS*t. Umdie Verlustleistung zu erhalten, werden die Energieanteile addiert unddurch die Periodendauer dividiert. Zur Berechnung des Unterschiedeszwischen Gehäusetemperatur und Kristalltemperatur muss der WärmewiderstandR thj-case aus der Tabelle Thermal Data ermittelt werden.Die Temperaturdifferenz Gehäuse-Umgebungstemperatur ergibt sichaus dem Wärmewiderstand Gehäuse-Luft. Anhand der so ermitteltenKristalltemperatur und der maximalen Kristalltemperatur (TabelleAbsolute Maximum Ratings, Tj=150°C) ist zu entnehmen, dass diemaximale Kristalltemperatur überschritten wird und ein Kühlkörpererforderlich ist. 2 5 348

4.3Aufgrund der Kapazität C GS und der Millerkapazität C GD (abhängigvom Abstand Gate-Kanal und damit abhängig von U GS) ist zum Umladendieser Kapazitäten eine Ladung zu den Kapazitäten zu transportieren(Strom * Zeit). Wenn die Kapazitäten umgeladen sind (derTransistor umgeschaltet ist), ist kein Ladungstransport (Strom) mehrerforderlich. Je höher U GS, desto größer C GD. Steigt beim Ausschaltendie Spannung U DS zu schnell an, so wird über die Kapazität C DS derparasitäre bipolare Transistor leitend und der FET aufgrund des hohenStromflusses zerstört. 1 2 2Anteile der Anforderungsbereiche 30 40 3049

1.7 InformationstechnikÜbersicht über die unterrichtlichen VoraussetzungenBezeichnung des Schwerpunktes Profilfach: InformationstechnikPrüfungsaufgabe Teil 1 (von 3):Die Fachlehrerinnen und Fachlehrer wählen in denPrüfungsteilen 1 und 2 je eine Aufgabe aus 2vorgelegten Aufgaben aus.Im Teil 3 wählen Schülerinnen und Schüler aus 2ihnen vorgelegten PrüfungsaufgabenInhaltsbereich dieser AufgabeTechnische InformatikUnterrichtsumfang des Unterrichtsfaches 6 Wochenstunden über 4 SchulhalbjahreUnterrichtsumfang für diesen Inhaltsbereich3 Wochenstunden über 3 SchulhalbjahreInhaltsbereiche der curricularen Vorgaben Schaltnetze und Schaltwerke. Technische Kommunikationim Bereich der Technischen Informa-in Stichpunktentik. Mikrocontrollersysteme – Analyse und Pro-Bearbeitungszeit für das Fachdavon geplante EinlesezeitBearbeitungszeit für diese Teildisziplindavon geplante Einlesezeitgrammierung auf unterschiedlichen Ebenen.270 Minuten30 Minuten90 Minuten10 Minutenweitere vom Schüler zu bearbeitendeTeildisziplinen:Teil 2: Objektorientierte Analyse und Design(OOP)Teil 3: Datenbank- Betriebs- und vernetzteSysteme ( geplante Einlesezeit 10 Minuten).Hilfsmittel – Einheitliche Formelsammlung– Befehlslisten für die an den Schulen eingeführtenEntwicklungssystemeThema und AufgabeHelligkeitssteuerung einer LeuchtdiodeDie Helligkeit einerLeuchtdiode (LED)kann über zweiSchalter S1 und S0gesteuert werden,indem die Impulsdauerdes periodischenSignals A ander LED verändertwird.TaktTSchaltwerkA0A1A2A3SchaltnetzS1S0ARvLED50

Gefordert sind4 Helligkeitstufen:A0 (dunkel)A1 (etwas heller)A2 (deutlich heller)A3 (hell)TA0A1A2A3Nebenstehende Tabelle beschreibt den Zusammenhangzwischen den beiden Steuerleitungen S1 bzw.S0, den Eingangssignalen A0…A3 und dem AusgangssignalA (s. Blockschaltbild).SchaltwerkS1 S0 A0 0 A00 1 A11 0 A21 1 A36. Beschreiben Sie das o.a. Schaltwerk mit Hilfe eines Zustandsdiagramms; entwickeln Sie einepassende Codierung der einzelnen Zustände (in tabellarischer Form) und skizzieren Sie einBlockschaltbild das die Struktur Ihres Lösungskonzeptes veranschaulicht. (14 Punkte)Schaltnetz2.1 Erstellen Sie eine Funktionstabelle für den Ausgang A in Abhängigkeit von den SignalenA0 … A3 bzw. S1 und S0 und leiten Sie daraus die Funktionsgleichung (disjunktive Form)für das Signal A ab. (12 Punkte)2.2 Zeichnen Sie die Schaltung für das (Ausgangs-) Schaltnetz unter Verwendung von AND undOR –Bausteinen (Negationen dürfen vereinfacht dargestellt werden). (8 Punkte)Schaltwerk + Schaltnetz3. Die Schaltung kann ohne Ausgangsschaltnetz aufgebaut werden. Skizzieren Sie ein entsprechendesZustandsdiagramm. (12 Punkte)Lauflicht mit HelligkeitssteuerungDie Helligkeitssteuerung wirdnun auf ein einfaches Lauflicht(ein Leuchtpunkt wandertzyklisch von unten nachoben (LED_0 … LED_7)) Taktangewandt.S1S0MikrocontrollerRv_7Rv_0LED_7LED_051

Es steht Ihnen ein Mikrocontroller mit folgenden Eigenschaften zur Verfügung:• 8-Bit- Ports (P0 … P3) / 16-Bit-Timer (T0, T1) / 1MZ (Maschinenzyklus) = 2µs• bei der Codierung können Sie sich zwischen ASSEMBLER und C wählen.• Die Lösung muss modular strukturiert sein (s. Programmablaufplan)4.1 Beschreiben Sie stichwortartig Lösungskonzepte für folgende Teilprobleme:Abfrage der beiden Steuerleitungen S1 und S0 durch „Ausmaskieren“ (es stehen ausschließlich8-Bit-Ports zur Verfügung).und „Zeitverzögerung“ (Übergang von einer LED zur nächsten LED). Beurteilen Sie dieseVarianten bezüglich ihrer Effizienz. (16 Punkte)Folgender PAP veranschaulicht den geforderten modularen Aufbau.LauflichtInit1 aus 8 / zyklischPortzuweisung (Liste)Registerauswahl (Startwerte)Timer- & InterruptinitialisierungS1 und S0erfassenS0 und S1 steuerndie LED-Helligkeit (s. Tabelle)HelligkeitAusgabeImpulsbreitensteuerung (4 Stufen)Timer kontrolliert das Umschalten von einer LED zurnächsten (ca. 1Sekunde / LED)4.2 Zeichnen Sie ein PAP (oder ein Struktogramm) für das Unterprogramm: „S1 und S0 erfassen“und erstellen Sie ein entsprechendes Programm in ASSEMBLER (oder in C).(22 Punkte)4.3 Bewerten Sie stichwortartig den Vorschlag (s. Kommentar im PAP), die Ausgabe mit Hilfeeines Timers zu steuern. Skizzieren Sie Alternativlösungen und beurteilen Sie Ihren Vorschlagvergleichend. (16 Punkte)Erwartete PrüfungsleistungTechnische Problemstellungen erfordern flexible Lösungsansätze. Daher werden an dieser Stellenur Impulse und Anregungen für die Beurteilung gegeben. Im konkreten Fall müssen unterrichtlicheVoraussetzungen organisatorische Rahmenbedingungen berücksichtigt werden.52

TeilaufgabeLösungsskizzen / Hinweise1 Die Schülerinnen und Schüler erstellen aufgrund der vorliegenden Informationen(Blockschaltbild und Impulsdiagramm) ein Zustandsdiagramm.Dabei handelt sich um eine aussagekräftige grafische Problembeschreibungdie alternativ zu textlichen oder tabellarischen Beschreibungen Verwendungfindet.Die Darstellungssyntax ist in der eingeführten (einheitlichen) Formelsammlungbeschrieben.MöglicheGewichtungim AnforderungsbereichI II III4 10RESETZ11111TaktZ2TaktZ3 Takt01110011Z40011TaktTaktZ7TaktZ6TaktZ5000000010001Die konkrete Codierung der Zustände verlangt eine Entscheidung bezüglichder Lösungsstrategie (z.B. „minimales Schaltwerk + Umcodierer“ oder„angepasstes Schaltwerk“ oder „Einsatz von Standardkomponenten“ …).Im ersten Fall ist der Einschaltzustand unkritisch und muss nicht besondersberücksichtigt werden – andere Konzepte erfordern eine intensivere Auseinandersetzungmit redundanten Zuständen.Die Darstellung als Blockschaltbild kann sehr unterschiedlich ausfallen. Jenach Strategie sind u.a. folgende Fälle denkbar:a) Schaltwerk + Schaltnetzb) angepasstes Schaltwerk (Startzustand berücksichtigen)c) Einsatz von Standardbauelementen (Register / Multiplexer /Zähler …)53

2.1 Die Schülerinnen und Schüler erweitern die angegeben Funktionstabelleeines Multiplexers so, dass sich daraus eine Funktionsgleichung ableitenlässt.zu 2.1S1 S0 A0 A1 A2 A3 A0 0 0 x x x 00 0 1 x x x 10 1 x 0 x x 00 1 x 1 x x 11 0 x x 0 x 01 0 x x 1 x 11 1 x x x 0 01 1 x x x 1 1Der Anforderungsbereich III wird nur dann erfüllt, wenn der Lösungswegerkennen läßt, dass die Schülerinnen und Schüler ökonomisch im Sinnereduzierter Gleichungen (geringem Schaltungsaufwand) vorgehen.2.2 Die zeichnerische Umsetzung einer Funktionsgleichung in eine Schaltung mitkonkreten Schaltzeichen entspricht einer einfachen Zuordnungsaufgabe. DaMultiplexer zu den Grundelemente der technischen Informatik zählen, kannman diesen Aufgabenteil u. U. auch dann lösen, wenn Teil 2.1 nicht bearbeitetwurde.3 Hier ist die Darstellung der Gesamtschaltung in einem Zustandsdiagramm gefordert.Diese Aufgabenstellung erfordert ein hohes Maß an Erfahrung und Überblick.Die Schülerinnen und Schüler müssen sich der einzelnen Zustände desgesamten Systems und aller möglicher Übergänge bewusst sein.Die Darstellung erfordert auch Sorgfalt und Konzentration.88 412RESETTaktZ00Takt & !S1 & !S0Takt TaktTakt TaktZ1Z2Z3Z41000Z50TaktZ60TaktZ70Takt & (S0 # S1)Takt & !S1Z81Takt & S1Z91TaktTakt & !S0Z101Takt & S0Z111TaktZ121Takt54

4.1 Die Beschreibung von Lösungskonzepten für die Abfrage von Steuerleitungenim Bereich der Mikrocontrollertechnik ist auch als ein Aspekt der technischenKommunikation zu verstehen. Die Schülerinnen und Schüler könnensich aufgrund der Vorgabe: „Maskierung aus 8-Bit-Port“ nicht auf einfacheBitverarbeitung beschränken.10 6Zeitverzögerungen sind in Mikrokontrollersystemen von großer Bedeutungund entsprechend berücksichtigt.An dieser Stelle sind Konzepte (Zählschleifen oder Timer) und keine konkretenLösungen gefragt. Die Darstellung kann textlich – stichwortartig oderauch mit zusätzlichen Skizzen erfolgen. Der Anforderungsbereich III wirddann erfüllt, wenn die einzelnen Konzepte kritisch beurteilt werden4.2 Die Schülerinnen und Schüler können frei entscheiden, ob Sie die Lösung inAssembler (dann mit zugehörigem Programmablaufplan – PAP) oder in C(dann mit zugehörigem Struktogramm) erstellen wollen.14 8Die Darstellungssyntax für PAPs und Struktogramme ist in der eingeführtenFormelsammlung beschrieben. Die Zuordnung PAP – Assembler bzw.Struktogramm – Cist verbindlich.S1 und S0erfassenS1 und S0 aus P1ausmaskierenS1,S0 = 00 A0S1,S0 = 01 A1S1,S0 = 10 A2S1,S0 = 11 A300h? neinja01h? neinja 02h? neinjatp = 10ti = 60tp = 20ti = 50tp = 40ti = 30tp = 60ti = 10RETDa die Prüfung nicht am PC durchgeführt wird, ist es nicht sinnvoll, dieCodierung von Problemen in den Vordergrund zu stellen.Syntaxfehler sind nicht entscheidend (vergl. Rechtschreibfehler in Aufsätzen).55

4.3 Der Einsatz von Timern erfordert entsprechende Vorbereitung (Initialisierung/ Startwert und „Periodendauer“ / Freigabe / Priorität / Freiraum für Interruptadressen/ ISR-Handling…). Timer ermöglichen exakte Impulsweiten undschaffen Freiraum für das Hauptprogramm (Programmzyklus wird entlastet).Wenn man auf Timer verzichtet (Polling) wird die Berechnung der Periodendauerschwierig (insbesondere wenn das Problem in einer Hochsprachebeschrieben wird). Allerdings wird die Programmstruktur einfacher – esmüssen weniger Randbedingungen berücksichtigt werden.10 6Die Schülerinnen und Schüler haben in diesem Aufgabenteil die Möglichkeit,ihre Methodenkompetenz zu dokumentieren. Die Beurteilung sollte dementsprechendnicht nur die Sachkompetenz – sondern auch die Darstellung(Strukturierung) dieser komplexen Sachverhalte berücksichtigenAnteile der Anforderungsbereiche 22 48 3056

1.8 MaschinenbautechnikÜbersicht über die unterrichtlichen VoraussetzungenBezeichnung des Schwerpunktes Fach mit erhöhtem Anforderungsniveau: MetalltechnikInhaltsbereich dieser Aufgabe Statik, Festigkeitslehre, Maschinenelemente, WerkstofftechnikUnterrichtsumfang des Unterrichtsfaches5 Wochenstunden über 4 SchulhalbjahreUnterrichtsumfang für diesen Inhaltsbereich3 Wochenstunden über 2 SchulhalbjahreInhaltsbereiche der curricularen Vorgabenin StichpunktenKräften, Dimensionierung von Bauteilen,Zeichnerische und rechnerische Bestimmung vonWärmebe-Bearbeitungszeit für das Fachdavon geplante EinlesezeitBearbeitungszeit für diese Teildisziplindavon geplante Einlesezeitweitere vom Schüler zu bearbeitendeTeildisziplinenHilfsmittelhandlung von Stählen300 Minuten- Minuten180 Minuten- MinutenSteuerungstechnik, LegierungslehreEinheitliche Formelsammlung, Datenblätter1. Thema und AufgabenstellungDas vereinfacht und unmaßstäblich skizzierte Stützelement ist Teil einer aus mehreren, gleichartigerElemente zusammengesetzten Gesamtkonstruktion, die zum Innenausbau eines Tunnelseingesetzt wird. Die Elemente sind in Wabenbauweise hergestellt.In dieser Aufgabenstellung sollen Sie die konstruktiven Aspekte eines Einzelelementes bearbeiten.Mittels Motor und einem Getriebe wird das Stützelement über die Rolle B angetrieben und kannauf einer Schiene verfahren werden. Beim Bewegen des Stützelementes werden über die Antriebswelleder Rolle B über Zahnkränze Lüftungsschieber geöffnet bzw. geschlossen.Die angegebenen Kräfte beziehen sich auf ein solches Einzelelement und werden in den PunktenA und B durch jeweils eine Rolle, in C durch zwei hintereinander angeordnete Rollen aufgenommen.Bei einer Gewichtskraft von F G = 75 kN werden für die weiteren Betrachtungen bezüglich derDimensionierung ausgesuchter Bauteile die Belastungskräfte mit F 1 = 20 kN und F 2 = 25 kNangesetzt.Die Abstände betragen: l = 5,4 m; l 1 = 1,8 m und l G = 3,4 m.57

1. Stützelement1.1 Ermitteln Sie mit einem zeichnerischem Verfahren Ihrer Wahl die Resultierende FR derangreifenden Kräfte F1, F2 und FG, deren Wirkabstand zum Lager B sowie die RollenkräfteFA, FB und FC.Maßstäbe: ML: 1m/1cm ; MK: 10kN/1cmBeurteilen Sie die skizzierte Lagerung des Stützelementes für den Fall, dass die Kräfte F1 undF2 nicht vorhanden sind!(16 Punkte)1.2 Überprüfen Sie die zeichnerischen Lösungen aus 1.1 mit den Ihnen bekannten analytischenMethoden der Statik.Begründen Sie die Wahl Ihres Drehpunktes für die Momentengleichung.(8 Punkte)58

1.3 Wählen Sie einen geeigneten Werkstoff und dimensionierenSie den konstruktiv zu wählenden Bolzendurchmesserd im Lager C unter der Annahme einer Gesamtbelastungvon 60 kN bei einer gleichmäßigen Verteilungdieser Kraft auf die beiden Rollen.(6 Punkte)2. AntriebswelleDas fahrbare Stützelement wird durch einenMotor mit nachgeschaltetem Getriebe übereine Kupplung durch die nebenstehendskizzierte Antriebswelle der Rolle B bewegt.Die Rollenbelastung in B, die mit FB = 54kN anzusetzen ist, wird als Streckenlast mitF´ = 18 kN/100mm auf der Antriebswelleabgelegt.Beim Bewegen des Stützelementes werdenüber zwei Zahnkränze Lüftungsschieber undNotausgänge geöffnet bzw. geschlossen,sodass die Welle mit den zusätzlichen BiegekräftenF1= 10 kN und F2 = 15 kN belastetwird.Die Lagerkräfte der Antriebswelle wurden mit L1 = 38,11 kN und L2 = 40,88 kN berechnet.2.1 Dimensionieren Sie den Durchmesser d des Antriebszapfens unter der Annahme, dass überdie Kupplung ein maximales Drehmoment von 800 Nm eingeleitet wird und eine zulässigeTorsionsspannung von 100 N/mm2 nicht überschritten werden dar.(2 Punkte).2.2 Ermitteln Sie Lage und Größe des maximalen Biegemomentes unter Berücksichtigung desQuerkraftdiagramms. Dokumentieren Sie den Biegemomentenverlauf(18 Punkte).2.3 Dimensionieren Sie den Durchmesser D der Antriebswelle, wenn ein maximales Biegemomentvon 13 kNm zugrunde gelegt wird und die zulässige Biegespannung 150 N/mm2 beträgt.Bewerten Sie den vorgegebenen Ansatzes zur Dimensionierung der Welle unter Berücksichtigung,dass an der Welle zusätzlich das angenommene maximale Drehmoment von 800 Nmauftritt.(10 Punkte)59

3. GetriebeAn der Kupplung der Antriebswelle ist das skizzierte Schrägzahn-Kegelradgetriebe angeflanscht.Die Kegelräder sind mit i1 = 2 und die Schrägverzahnung mit i2 = 3 übersetzt. Der Getriebewirkungsgradkann pro Stufe mit η = 0,9 angenommen werden.3.1 Ermitteln Sie die Drehzahl, mit der die Antriebswelle angetrieben werden muss, wenn dieLaufrolle im Lager B einen Durchmesser von d = 240 mm besitzt und das Stützelement miteiner Geschwindigkeit von v = 3 m/min bewegt werden soll und berechnen Sie die notwendigeMotordrehzahl, mit der das Getriebe angetrieben werden muss(4 Punkte).Die zum Bewegen des Stützelements notwendige Umfangskraft im Lager B (Rolle B) wurdemit FU = 6,5 kN ( ca. 5% aller Lagerkräfte ) ermittelt.3.2 Berechnen Sie die Drehmomente am Ausgang und am Eingang des Getriebes und bestimmenSie die notwendige Antriebsleistung des Motors.Beurteilen Sie die bisher vorgenommene Dimensionierung der Antriebswelle.(4 Punkte)Das Antriebskegelrad wird mit einer Radiallast von FRZ =2400 N und einer Axiallast von Fa = 800 N belastet.Wegen der Gefahr einer Klemmwirkung darf sich dasWellenende mit dem Kegelrad nur um f = 0,1 mm durchbiegen.( a = 80 mm , b = 100 mm )60

3.3 Bestimmen Sie für eine Vollwelle das notwendige Trägheitsmoment I und den Durchmesserder Welle unter alleiniger Berücksichtigung der Durchbiegung (7 Punkte).3.4 Dimensionieren Sie ein geeignetes Pendelrollen- und Rillenkugellager wenn davon auszugehenist, dass die Axiallast nur vom Pendelrollenlager übernommen wird.Die Lager sollen für eine Lebensdauer von Lh = 20.000 h ausgelegt werden und einen Innendurchmesservon 35 mm besitzen. (10 Punkte)3.5 Beschreiben Sie Alternativen zu der angegebenen Lagerung mit einem Pendel- und einemRillenkugellager und beurteilen Sie diese im Vergleich zur Vorgabe (5 Punkte).3.6 Zur Vermeidung der „Grübchenbildung“ an der Verzahnung ist ein Härten der Verzahnungnotwendig.Nennen und beschreiben Sie ein geeignetes Härteverfahren und begründen Sie Ihre Wahl(5 Punkte).3.7 Wie kann die Härte des Werkstoffes überprüft werden? Beschreiben Sie ein mögliches HärteprüfverfahrenIhrer Wahl(5 Punkte).61

Erwartete PrüfungsleistungTeilaufgabeLösungsskizzen / HinweiseMögliche GewichtungimAnforderungsbereich1.1 Ermittlung der Resultierenden mittels Seileckverfahren.Zur Ermittlung der Rollenkräfte besteht Wahlmöglichkeit zwischen 3-Kräfte- (wenn F A und F B zunächst als Komponenten einer Kraft angenommenwerden), 4-Kräfte- und Schlusslinienverfahren.In Anbetracht der zuerst ermittelten Resultierenden ist das 4-Kräfteverfahren am günstigsten.I II III8 4 4Durch den Wegfall der horizontalen Kraftkomponente ist die sichereSeitenführung nicht gewährleistet. Konstruktiv ist eine zweite seitlicheFührung erforderlich.62

1.2 Ermittlung der unbekannten Kräfte mittels Gleichgewichtsbedingungen.Vorteilhafter Drehpunkt für die Momentengleichung ist der Schnittpunktder Wirklinien von F A und F C – erspart die Ermittlung sonsterforderlicher geometrischer Größen.o Fx = 0 F − F = 0 F = F ⋅cos452x A A 2FA = 17,68kN Fy = 0 F − F − F − F + F = 0B 2y G 1 CF + F = 112, 68 kNB C( ) ( ) MAB= 0 −F2y ⋅l−F ⋅ l−l G G −F ⋅ l− l1 1 + F ⋅ l = 0CFC= 58,79 kN,FB=53,89 kNF A + F B = Festlager, F C= Loslager1.3 Gewählt: τ azul = 60 N/mm 2 . Daraus folgt:τ FC FC FSd Ca = 4S ⋅ ≤ τ azul erf≥ 4⋅τ ≥azul τazul⋅πd ≥ 17,84 mm ; gewählt: d = 18mm4 42 42.116⋅Td ≥ 3 d ≥ 34,4 mm; gewählt : d=35 mmerf π⋅τtzul1 163

2.2L1−F F 0 x 1q = = ; x=156,2mmF´bmax = 12627 Nm10 8( 156,16mm) 2= ⋅ − ⋅ − ⋅bmax 1 1 2M L 456,16mm F 256,16mm F´M2.3 Mit M bmax = 13 kNm folgt:3 32 ⋅D ≥ M bmax D≥ 95,005 mm; gewählt : D=96 mmπ⋅σbzul.Vergleichsmoment (nach Böge):2 822 2 2Mv= Mb + 0,75⋅( α0⋅ T) = ( 12627 Nm) + 0,75⋅( 1⋅800Nm)M 12646Nm Derf95,05mm< Dv = = gewählt3.1vn = n 4,17min−1abab =d⋅π4ni = zu n = i ⋅i ⋅ n , n 25min−1g zu 1 2 ab zu =n ab64

3.2 M B = Drehmoment im Lager BdM FB U 2 MB780NmM =MBzu i g ⋅η g Mzu= 160,5NmMzu⋅nP zuMot =9550 PMot= 0,4kWM < TBvorh angenommen Dimensionierungen i.O.3.3 Für Kragträger des vorliegenden Belastungsfalles gilt:F2RZ⋅a ⋅ ( b+a)f =3EI ⋅ ⋅(nachRoloff / Matek) F2RZ⋅a ⋅ ( b+a)I = ,3Ef ⋅ ⋅I = 43886mm4π 4 464⋅II = ⋅d (Vollwelle) d ≥ , d≥30,8mm64π3.4 Berechnung der Lagerkräfte F und F :RA RB( a+b)FM 0 FRZ B= RA= , FRA= 4320 N, FRB=1920 NbDas Pendelrollenlager überträgt die Radiallast FRA = 4320 Nund die Axiallast Fa = 800 NDas Rillenkugellager überträgt die Radiallast FRB = 1920Np Lh10 p 33,33f ,mitp fL3,0,f ,fn1,1L= 500 = 3 = n= n=Zu bestimmen ist die dynamische Tragzahl C, da n≥10min −1FP= x⋅ F y F , mit aRA + ⋅ a = 0,18≤ e=0,26 gilt:F RAx= 1 und y= 2,55 P=6360NEs ist ein Pendelrollenlager Typ 21307E mit C = 71 kNeinzubauen.fL⋅PC = = 17345 kN das gewählte Pendelrollenlager reicht aus.f n44 32 8Für das Rillenkugellager gilt:3Lh 333,33f fL3,42 f fn1,12L= 500 = n= n =fL⋅PC = , mit FRB= P C=5863 Nf nMit dem gleichen Lagerdurchmesser d= 35 mm und der selben Kennzahl,erhält man das Rillenkugellager 6007 mit C=16,3 kN65

3.5 Alternative: Einbau von zwei Kegelrollenlager in X-Anordnung imLager B und ein Zylinderrollenlager als Loslager in A.53.6 Vorschlag:Oberflächenhärteverfahren. Aufkohlung der Oberfläche mittels Diffusion5im Einsatz. Danach Flamm- oder Induktionshärten.3.7 Härteprüfverfahren nach Brinell, Rockwell oder Vickersz.B. Brinell ( Kugeleindringverfahren)Eine gehärtete Stahlkugel mit definiertem Durchmesser und definierterDruckkraft erzeugt an der zu prüfenden Oberfläche einen Kugelkalotteneindruck.4 1Der Durchmesser der gemessenen Kugelkalotte ist einMaß für die Eindringtiefe und damit für den Härtegrad, gemessen inHB.Anteile der Anforderungsbereiche 30 40 3066

1.9 MechatronikÜbersicht über die unterrichtlichen VoraussetzungenBezeichnung des Schwerpunktes Fach mit erhöhtem Anforderungsniveau: MechatronikInhaltsbereiche dieser Aufgabe Wechselstromtechnik, Automatisierungstechnik,Funktionseinheiten zur EnergieübertragungUnterrichtsumfang des Unterrichtsfaches5 Wochenstunden über 4 SchulhalbjahreUnterrichtsumfang für diesen Inhaltsbereich5 Wochenstunden über 3 SchulhalbjahreInhaltsbereiche der curricularen Vorgabenin StichpunktenBauformen, Funktion und Aufbau von Getrieben;Berechnungen an Getrieben, Schaltvorgänge anSpulen, Stromfunktionen grafisch darstellen undinterpretieren, Binär- und Digitalsteuerungen, Speicher-programmierbareSteuerungenBearbeitungszeit für das Fachdavon mögliche maximale EinlesezeitBearbeitungszeit für diese PrüfungsaufgabeEinlesezeitweitere vom Schüler zu bearbeitendeTeildisziplinenHilfsmittel240 Minuten30 Minuten240 Minuten------Tabellenbücher, Taschenrechner1. Thema und AufgabenstellungTransfersystemIn einer Montagelinie werden mit Hilfe eines Transfersystems Werkstücke von Station zu Station(Handarbeitsplätze oder Automatikstationen) befördert. Auf zwei stetig umlaufenden Gurten,Zahnriemen oder Rundriemen werden Werkstückträger über Reibung mitgenommen. Die Werk-67

stückträger nehmen die Werkstücke auf. Alle Bearbeitungen erfährt das Werkstück auf demWerkstückträger. An den Stationen wird der Werkstückträger durch Vereinzeler angehalten,während das Fördermittel weiterläuft. Vor einzelnen Stationen können mehrere Werkstückträgeraufgestaut werden. Damit können kleine Puffer gebildet werden. Nach beendetem Arbeitsgang ander jeweiligen Station wird der Werkstückträger für den Transport zur nächsten Arbeitsstationfreigegeben. Am Ende des Montageablaufes wird das fertig montierte Werkstück von dem Werkstückträgerentnommen. Der komplette Ablauf wird über eine Speicherprogrammierbare-Steuerung gesteuert.In unserer weiteren Betrachtung sollen Sie sich mit einem Handarbeitsplatz näher beschäftigen,bei dem folgende Einzelteile von Bedeutung sind :Aufgabe 1Antrieb der QuerstreckeDer Antrieb des Förderbandes erfolgt durch einen Elektromotor mit einer Nenndrehzahl vonn an(Motor) = 1400 min -1 und einem angeflanschten Schneckengetriebe. Das Förderband soll sich miteiner konstanten Geschwindigkeit von v F=0,15 m/s bewegen. Der Durchmesser der Riemenscheibebeträgt 100 mm .100v F68

1.1 Beschreiben Sie den Aufbau und erläutern Sie die Eigenschaften des Schneckengetriebes. (5Punkte)1.2 Nennen und beschreiben Sie ein alternatives Getriebe für diese Aufgabe und beurteilen Siedie Auswahl des Schneckengetriebes im Verhältnis zu Ihrem Alternativ-Vorschlag. (9 Punkte)1.3 Bestimmen Sie das notwendige Übersetzungsverhältnis des Getriebes. (5 Punkte)1.4 Bestimmen Sie die erforderliche Leistung des Antriebsmotors bei einem Abtriebsdrehmomentvon M ab = 200 Nm und einem Getriebewirkungsgrad von η = 65%. Gehen Sie von einer Abtriebsdrehzahln ab(Welle) = 30 min -1 aus.Welcher Motortyp wäre für diesen Antrieb geeignet ? Begründen Sie Ihre Auswahl.(8 Punkte)1.5 Ermitteln Sie die grundlegenden Zahnraddaten für den verwendeten Schneckentrieb.(6 Punkte)Zusätzliche Angaben:ZylinderschneckeZNÜbersetzungsverhältnis i = 50Modulm=2,5 mmMittenkreisdurchmesser der Schnecke dm1= 25 mmProfilverschiebungsfaktor χ = 0Aufgabe 2SPS- AusgabebaugruppeAn das Automatisierungsgerät (SPS) schließen wir die für die Funktion der Steuerung notwendigenSensoren (Schalter, Taster, Lichtschranke, …) sowie alle zu steuernden Aktoren (Schütze,Ventile, Leuchtmelder, …) an.Prinzip:69

Es soll der Ausgang A4.1 der SPS näher untersucht werden. Dazu wird das folgende Schaltbildzugrunde gelegt:2.1 Erläutern Sie den Stromverlauf beim Einschaltvorgang. Nach welcher Zeit fließt ein konst.Strom durch das Ventil ?(5 Punkte)2.2 Zum Zeitpunkt t = 0 wird der Ausgang 4.1 durch Schließen des Schalters S aktiviert (= Ventilbetätigt). Dokumentieren Sie den Verlauf des Ventilstromes graphisch.(10 Punkte)2.3 Das angeschlossene Ventil reagiert, wenn der Strom 70% seines Maximalwertes erreicht hat.Berechnen Sie die Reaktionszeit für die Aktivierung.Laut technischem Datenblatt ist die Aktivierungszeit unterschiedlich zur Deaktivierungszeit.Erklären Sie diesen Sachverhalt. (7 Punkte)2.4 Laut Angabe eines anderen Herstellers erreicht dessen Ventil 50 ms nach dem Einschaltenschon 90% seines maximalen Stromes bei gleichem Wicklungswiderstand. Ermitteln Sie dieInduktivität.Begründen Sie die Reaktionszeit bei sonst gleichen Bedingungen. (10 Punkte)Aufgabe 3 SPS-Programmierung- Programmerstellung für einen KnotenpunktHub-Quereinheiten haben die Aufgabe, Werkstückträger von einer Längsstrecke auf eine Querstreckeoder einer Querstrecke auf eine Längsstrecke einzuschleusen. Allen Hub-Quereinheitengemeinsam sind die pneumatische Vertikalbewegung und der horizontale Transport.Damit immer nur ein Werkstückträger auf die Hub-Quereinheit fahren kann, wird vor dieser einVereinzeler (Stopper) angebracht. Dieser sperrt die Bahn für nachfolgende Werkstückträger ab.Ein Sensor nach dem Vereinzeler signalisiert, dass ein Werkstückträger eingefahren ist. EinSensor an der Hub-Quereinheit signalisiert, dass der Werkstückträger die Position erreicht hat undangehoben werden kann, damit er auf der Querstrecke ausfahren kann. Das Ausfahren wird wiederumvon einem Sensor erfasst, um ein Signal zur Wiederholung des Vorgangs zu geben.70

Die Skizze und der Pneumatikplan stellen den Sachverhalt dar.VereinzelerHub-QuereinheitHub-Quereinheit221 31 3Querstrecke- Signalisierung des Materialvorrates am HandarbeitsplatzDamit am Handarbeitsplatz immer genügend Material zur Verfügung steht soll eine Signalampel(rot, gelb, grün) angebracht werden. Diese soll dem Zulieferer signalisieren, dass genügend Materialvorhanden ist (grün), mindestens 80% des Vorrates aufgebraucht sind (gelb) oder dass dasMaterial aufgebraucht ist (rot). Die Zählung der verbrauchten Teile soll über die ausfahrendenWerkstückträger erfolgen, weshalb das Signal zur Zählung der Teile von dem Sensor nach demVorvereinzeler verwendet werden kann.Der Bandantrieb erfolgt permanent und muss nicht berücksichtigt werden.Das Startsignal und ein Richtimpuls werden vom Betriebsartenteil bereitgestellt.3.1 Entwerfen Sie für den Funktionsablauf des Knotenpunktes einen Ablauf-Funktionsplan (Ablaufkette).Benennen Sie die Bauteile im Pneumatikplan !(9 Punkte)3.2 Erstellen Sie eine Zuordnungstabelle in der Reihenfolge A/E/M .Entwickeln Sie für den Ablauf-Funktionsplan ein Steuerungsprogramm in der Funktionsbausteinsprache.(Funktionsplandarstellung(13 Punkte)3.3 Entwerfen und erläutern Sie für die Meldeleuchtensteuerung eine Programmstruktur.(4 Punkte)3.4 Entwickeln Sie für die Meldeleuchtensteuerung ein Steuerungsprogramm in der Funktionsbausteinspracheund erklären Sie die Anschlüsse des verwendeten Zählers.(9 Punkte)71

2. Erwartete PrüfungsleistungTeilaufgabeLösungsskizzen / Hinweise1.1 Beschreibung des Schneckengetriebes- besteht aus Schnecke und Schneckenrad- Winkelgetriebe mit niedrigem Wirkungsgrad und möglicherSelbsthemmung- hohe Gleitreibung erfordert gute Schmierung- bei kleiner Baugröße sind große Übersetzungen möglich- geräuscharmer Lauf1.2 z.B. Beschreibung eines KegelradgetriebesMöglicheGewichtung imAnforderungsbereichI II III2 3- Winkel zwischen den Achsen in der Regel 90°- besteht aus Kegelrädern mit unterschiedlichen Verzahnungsmöglichkeiten- Übersetzungsbereich circa 1:1 bis 1:7Begründung:Im vorliegenden Fall ist die Wahl eines Schneckengetriebessinnvoll, da keine großen Lasten zu erwarten sind. Dadurch fälltder geringere Wirkungsgrad im Gegensatz zum Kegelradgetriebenicht so arg ins Gewicht, da genügend Reserven vorhanden sind.Ebenso von Vorteil ist die geringere Baugröße, da die Realisierungder geforderten Übersetzung mit nur einer Getriebestufemöglich ist. Der geräuschärmere Lauf mag zwar von Vorteil sein,dürfte aber in einer automatisierten Fertigungsstraße wenigerstark auffallen.2 3 472

1.3 Bestimmung der Abtriebsdrehzahl:vF= dR⋅ π ⋅nRnab(Welle)vF=d ⋅πRErmitteln des Übersetzungsverhältnisses:nn1i = =2nnan(Motor)ab(Welle)3 29000 mmnab(Welle)== 28,65 minmin ⋅100mm ⋅π-1n1400min28,65min− 1i =an(Motor)na b(Welle)=− 1=48,871.4 Bestimmen der abgegebenen Leistung am Getriebe:P = M ⋅ 2 ⋅ π n2 ab⋅− 1P2= 200Nm ⋅ 2 ⋅ π ⋅ 0 ,5 s = 628,3WAlternativ kann die Lösung auch mit der Zahlenwertgleichungerstellt werden:P2Mab= 9550 ⋅ Mab⋅ nab(Welle)P2=n9550ab(Welle)mit M in Nm; n in min -1 ;P in kW−1200Nm ⋅ 30 minP2 == 0,6283 kW = 628,3W95501 3 4Bestimmen der Motorleistung:628,3WP 1==0,65966,6WP2P2η =P1=P1η- Motorarten benennen und geeigneten Motor auswählen73

1.5Zähnezahlverhältnisz2u = i =z1Bei einer Übersetzung über i>30 wird für die Zähnezahl derSchnecke üblicherweise z 1 = 1 festgelegt.Damit istz2= u ⋅ z1= 50 ⋅1= 50Axialteilungp = m ⋅πp = 2,5mm ⋅ π = 7,85mmTeilkreisdurchmesser des Schneckenradesd22= m ⋅ z = 2,5mm⋅50= 125mmAchsabstand ohne Profilverschiebungd=+ d225mm + 125mm=22a m1 =Grundabmessungen der SchneckeKopfhöheh a1= m =2,5mm75mm3 3Kopfkreisdurchmesserda1= dm1+ 2ha1= 25mm + 2 ⋅ 2,5mm = 30mmFußhöheh f1= 1,2 ⋅ m = 3mmFußkreisdurchmesserdf1= dm1− 2hf1= 25mmSchneckenbreite− 2 ⋅ 3mm = 19mmb1 ≈2 222da2 − d2= (130mm) − (125mm) = 35,7mmausgeführt:b1 = 36mm74

Grundabmessungen des SchneckenradesKopfhöheh a2= m (1 + χ ) = 2,5mm ⋅ (1 + 0) =2,5mmKopfkreisdurchmesserda2= d2+ 2ha2= 125mm + 2 ⋅ 2,5mm = 130mmFußhöheh f2= m ⋅ (1 - χ ) + c = m ⋅ (1 - 0) + 0,2 ⋅ m =Fußkreis2,5mm + 0,2 ⋅ 2,5mm = 3mmdurchmesserdf2= d2− 2hf2= 1 25mm − 2 ⋅ 3mm = 1 1 9 mmRadbreite2 222b2≈ da1− dm1+ 2m = (30mm) − (25mm) + 2 ⋅ 2,5mm = ausg21,58mmeführt: b2= 22 mmMittensteigungswinkeltanγm=m ⋅ zdm11=2 ,5 mm ⋅ 1= 0 ,125 mmγm≈ 5 , 71°2.1 Wegen der hohen Gegenspannung an der Induktivität L fließt imSchaltmoment kein Strom; i (t) = 0.Zeitkonstante T = L/R w = 0,95H / 95Ω = 10ms5*T = 50 msDer Strom steigt nach einer e- Funktion an und erreicht nach 50ms nahezu seinen Endwert (> 99%).2.2 Aktivierung (S geschlossen):i (t) = U/R w * (1- e -(t/T) ), i max = U/R w = 24V / 95Ω =252,6 ms, T = 10 msTabelle:i /mA 0 160 218 240 248 251 252,6t / ms 0 10 20 30 40 50 ∞3 26 475

Deaktivierung (S offen)i (t) =i max * e -t/T Zeitkonstante T =L / (R w+R SPS) =0,95H / (95+95)Ω = 5 msTabelle:i /mA 252,6 93 34 13 5 2t / ms 0 5 10 15 20 25AktivierungDeaktivierung300250200i / mA1501005000 20 40 60 80 100 120 140 160t / ms2.3 Reaktionszeit (=Zeit zum Erreichen von 70% des Endwertes)i (t) = i max * (1 – e -t/T ) nach Formelumstellung erhält man:t = -T * ln (1 – ( i(t)/ i max))= (L / R) * ln (1 – 0,7)= 12 ms Das Ventil ist nach 12 ms aktiv.- Unterschiedliche Zeitkonstanten- mechanischer Aufbau …2.4 i (t) = i max (1 – e -t/T ) nach Formelumstellung erhält man:T = t / -ln (1 – ( i(t) / i max)) = 21,7 msL = T * R = 21,7 ms * 95Ω = 2,1 H70% des Endwertes werden erreicht nach:t = -T * ( ln (1- 0,7 ))= 21,7 ms * 1,204= 26 ms.Damit ist dieses Ventil im Vergleich nur etwa halb so schnell.4 32 4 476

3.12 3 43.2Zylinder, einfachwirkendZylinder, einfachwirkend, Rückstellfeder im KolbenraumDrosselrückschlagventil3/2 Wegeventil, federzentriert, magn. betätigt, vorgesteuertWartungseinheitDruckluftquelle3 5 577

3.3 Es wird ein Rückwärtszähler eingesetzt. Das Sensorsignal (evtl.Flankenauswertung) wird auf den Zähleingang gelegt. Der Zählwertwird bei Neulieferung von Teilen durch einen Schalter aufden Ausgangswert 140 gesetzt. Durch einen weiteren Schalterbesteht die Möglichkeit den Zähler rückzusetzen. Am binärenAusgang des Zählers kann die rote Meldeleuchte angeschlossenwerden. Zur weiteren Auswertung muss der aktuelle Zählerstandabgefragt werden. Dieser Zählerwert muss durch eine Vergleichsfunktionweiter ausgewertet werden. Zur Ansteuerung der grünenLampe kann die grösser-gleich Funktion, zur Ansteuerung dergelben Lampe die kleiner-gleich Funktion verwendet werden,wobei der Wert 0 noch ausgeblendet werden muss.2 278

3.43 3 3ZR – Zähle Rückwärts (Anschluss der Zählsignals)S – Setzen (mit einer pos. Flanke wird der Zähler auf den anstehendenAnfangswert gesetzt)ZW – Zählwert (Angabe des Vorgabewertes im Bereich 0 bis 999,kann im BCD-Code oder als Konstante vorgegeben werden)R – Rücksetzen der Zählerfunktion (bei Signalzustand 1 wird derZählwert auf 0 gesetzt, solange 1 anliegt haben die anderen Eingängekeine Wirkung)DUAL – Ausgabe des aktuellen Zählerstandes als DualzahlDEZ – Ausgabe des aktuellen Zählerstandes als BCD Zahl(3 Dekaden)Q – Status des Zähloperanden ( Zählwert >0, Ergebnis 1; Zählwert= 0, Ergebnis 0)Gesamt 28 42 3079

1.10 Medientechnik (Bild und Ton)Übersicht über die unterrichtlichen VoraussetzungenBezeichnung des SchwerpunktesInhaltsbereiche dieser AufgabeUnterrichtsumfang des UnterrichtsfachesUnterrichtsumfang für diesen InhaltsbereichInhaltsbereiche der curricularenVorgaben in StichpunktenBearbeitungszeit für das Fachgeplante EinlesezeitBearbeitungszeit für Teilaufgabe 1weitere vom Schüler zu bearbeitendeTeilaufgaben:HilfsmittelFach mit erhöhtem Anforderungsniveau: MedientechnikVideoerstellung, Mikrofonierung, Licht, Kunsturheberrecht6 Wochenstunden über 4 Schulhalbjahre6 Wochenstunden über 1 SchulhalbjahreAudioprojekt, Videoprojekt300 Minuten30 Minuten140 MinutenMikrofonierung, Lichtgestaltung, KunsturheberrechtProgramme zur Videobearbeitung und zur Erstellungvon Mind-MapsVerschiedene Audio-, Bild- und VideodateienGesetz betreffend das Urheberrecht an Werken derbildenden Künste und der Photographie (Kunsturheberrecht)Datenblätter von den entsprechenden MikrofonenAufgabenhintergrund:Die Aufgabe ist eine Gesamtaufgabe, die in Teilaufgaben untergliedert ist, die voneinander unabhängigzu lösen sind. Die Gesamtaufgabe ist aufgeteilt in eine experimentelle Aufgabe mit einemhohen Zeitanteil und drei theoretisch zu bearbeitenden Aufgaben. Die für die experimentelleAufgabe von der Schule bereitgestellten Audio-, Bild- und Videomaterialen müssen vielfältigeLösungsmöglichkeiten zulassen. Der kreative gestalterische Anteil wird anhand der Originalitätder Idee und Stimmigkeit zwischen der Idee und der Realisierung bewertet. Die Schule muss dieentsprechende Hardware (Rechner, Kopfhörer etc.) und Softwareausstattung zur Verfügungstellen.80

Thema und AufgabeTeilaufgabe 1 (40 Punkte) Praktische Aufgabe VideobearbeitungHilfsmittel: Programm zur Videobearbeitung (z.B. Mediastudio Pro oder Premiere Pro)Programm zur Erstellung von Mind-Maps (z.B. MindManager oder OpenMind)10 Videodateien ohne Audio unterschiedlicher Länge: Aufstehen_und_duschen.avi, Radfahren.avi,Autofahren.avi, U_Bahn_fahren.avi, Schulhof_mit_Schuelern.avi, Schulhof_ohneSchueler.avi, Schueler_im_Schultreppenhaus_laufend.avi, Schueler_beim_Eintritt in den Klassenraum.avi,Lehrer_im_Klassenraum.avi, Schueler_beim_Schreiben im Klassenraum.aviVerschiedene Bilder: Wanduhren und Armbanduhren mit relevanten Zeitanzeigen, leerer Klassenraum,Klassenraumtür (Sicht vom Klassenraum und Sicht vom Flur).Drei Audiodateien (lizenzfreie Instrumental-Musikstücke) von jeweils 60 Sekunden Länge:schneller, harter Beat (Techno, ca. 110 Beats per minute BPM, 4/4 Takt), Swing (4/4 Takt),Walzer (3/4 Takt)Die bereitgestellten Audio-, Bild- und Videomaterialen lassen vielfältige Lösungsmöglichkeitenzu. Der kreative gestalterische Anteil wird anhand der Originalität der Idee und Stimmigkeitzwischen der Idee und der Realisierung bewertet.Mit dem vorliegenden Video- und Audiomaterial soll ein Video-Produkt mir dem Titel „Morgens,an einem ganz normalen Schultag“ von 40 Sekunden Dauer erstellt werden. Wählen Sie die fürIhre Produktion erforderlichen Materialien aus. Sollten Ihnen einzelne Bild-Materialien fehlen, soersetzen Sie diese durch einen Zwischentitel.Am Anfang soll sich der Titel innerhalb von ca. 5 s waagerecht über den Bildschirm bewegen. ImAbspann sollen sich Ihre Prüfungsdaten (Prüfungsnummer und Schulnummer) für ca. 3 s senkrechtvon unten aus dem Bild kommend nach oben aus dem Bild verschwindend bewegen.Wesentliche Abschnitte sollten durch einen kurzen Zwischentitel eingeleitet werden. Setzen Siein dem gesamten Produkt jeweils einen Übergangseffekt, einen Bewegungsverlauf und ein Videofilterals Effekt ein. Unterlegen Sie den Clip entsprechend Ihrer Idee mit Musik. Video und Musiksollten möglichst synchron sein (beat- oder taktgenaues Schneiden etc.).1. Nach der Sichtung des Video- und Audiomaterials entwickeln Sie eine Idee für Ihren Videoclip.2. Strukturieren und erweitern Sie Ihre Idee mittels einer Mind-Map so, dass die Mind-Map alsVorlage zur Erstellung des Video-Produkts dienen kann. Ergänzen Sie die Mind-Map mit denBezeichnungen für die einzusetzenden Audio- und Videomaterialien und den erforderlichenAnweisungen für den Schnitt. Drucken Sie die Mind-Map aus.3. Erstellen Sie das Video-Produkt und speichern Sie das Produkt als „Projekt“ und als AVI-Datei jeweils unter ihren Prüfungsdaten in dem dafür vorgesehenen Verzeichnis.81

4. Wählen Sie für die AVI-Datei folgende Optionen und erläutern Sie die vorgegebenen Einstellungen:Microsoft AVI Dateien24 Bits, 640 x 480, 25 fpsUnteres Halbbild zuerstMicrosoft MPEG-4 Video Codec V2Interleave von Audio für jedes 1 BildPCM, 32,000 kHz; 8 Bit; Stereo5. Begründen Sie, warum eine Videodatei für die weitere Bearbeitung möglichst nicht imMPEG-Verfahren abgespeichert sein sollte und erläutern Sie erforderliche Vorkehrungen undmögliche Auswirkungen, wenn eine MPEG-Datei Grundlage für eine Videobearbeitung ist.Teilaufgabe 2 (30 Punkte) AudiotechnikFür einen Mitschnitt einer Schulveranstaltung soll der gesamte Schalleindruck an den Aufstellungsortenvon zwei gleichen Mikrofonen aufgenommen werden. Als Mikrofone stehen dieTypen MD 22 und MD 425 zur Verfügung (Datenblätter siehe Anhang).Die Schalldruckpegel liegen beim Einmessen mit einem Ton von 1kHz an dem Aufstellungsorteines Mikrofons bei 96dB SPL und an dem Ort des anderen Mikrofons bei 80db SPL.1. Wählen Sie einen Mikrofontyp aus und begründen Sie die Auswahl.2. Erläutern Sie die akustische Arbeitsweise des ausgewählten Mikrofontyps.3. Jeweils ein Mikrofon wird alleine an ein Aufnahmegerät mit einem Eingangswiderstand von1kΩ angeschlossen. Ermitteln Sie jeweils die Eingangsspannungen an dem Aufnahmegerät.4. Weil am Aufnahmegerät nur ein Eingang für beide Mikrofone zur Verfügung steht, werdendie Mikrofone versuchsweise parallel an den einen Eingang angeschlossen. Berechnen Sie diemaximale Eingangsspannung am Aufnahmegerät, wenn die Schalldrücke an den beiden Mikrofonenmit gleicher Phasenlage auftreffen und wenn die Phasenlage exakt 180° beträgt. DerEingangswiderstand des Aufnahmegerätes beträgt 1 kΩ.5. Zur Trennung der beiden Mikrofone und zum Anschluss an das Aufnahmegerät soll mittelseiner Schaltung mit einem Operationsverstärkers für jedes Mikrofon ein Eingang zur Verfügunggestellt werden. Entwerfen und dimensionieren Sie die Schaltung so, dass für jedesMikrofon ein Abschlusswiderstand realisiert wird wie bei dem Anschluss an das Aufnahmegerätund dass bei einem Schalldruck von 100dB SPL an einem Mikrofon die Ausgangsspannungder Schaltung 1V beträgt.6. Vergleichen Sie die berechneten Eingangsspannungen der Teilaufgaben 3, 4 und 5 an demAufnahmegerät und begründen Sie Unterschiede.82

Sollten Sie die Spannungen an den Mikrofonen bei den entsprechenden Schalldrücken nichtermitteln können, so rechnen Sie mit folgenden Werten:Schalldruck L=80dB SPL, U Mikrofon = 0,5mVSchalldruck L=96dB SPL, U Mikrofon = 3mVSchalldruck L=100dB SPL, U Mikrofon = 5mVTeilaufgabe 3 (20 Punkte) Licht und LichtgestaltungEine Filmsequenz für ein Schulvideo wird an einem normalen Sommertag um ca. 18 Uhr imFreien aufgenommen. Die Sequenz soll durch Einstellungen im Studio ergänzt werden. DerLichteindruck im Studio soll möglichst dem im Freien entsprechen.1. Begründen sie, warum eine Ausleuchtung der Einstellung mit Glühlampen zu einem anderenFarbeindruck führt als die Tageslichtaufnahmen.2. Das Intensitätsmaximum einer Lampe soll zur Nachbildung von Tageslicht bei einer Wellenlängevon λ = 720 nm liegen. Berechnen sie die Temperatur der Leuchtwendel und erläuternsie die spektrale Zusammensetzung des abgestrahlten Lichtes.Eine weitere Ausleuchtung soll die Lichtstimmung von sonnigem Tageslicht zur Mittagszeitnachbilden.3. Begründen Sie, warum diese Lichtstimmung nicht mit einem Temperaturstrahler erreichtwerden kann und beschreiben Sie den prinzipiellen Aufbau. Erläutern Sie die Funktion einesLeuchtmittels, mit dem die geforderte Lichtstimmung erreicht werden kann. Begründen Siedabei auch eventuelle Abweichungen in der spektralen Zusammensetzung dieses Lichtes imVergleich zum Tageslicht außerhalb des Studios.Das Aufnahmeobjekt wird mit dem Scheinwerfer nach nebenstehender Abbildung beleuchtet. DieObjektfläche beträgt 2m 2 , der Abstand des Scheinwerfers zum Objekt beträgt 4m und derLichstrom wird mit 1200 lm festgestellt.4. Berechnen Sie die Beleuchtungsstärke unddie Leuchtdichte, wenn das vom Objekt reflektierteLicht eine Stärke von 150 cd aufweist.Ermitteln Sie die Leuchtdichte, wennder Abstand des Scheinwerfers zum Objektauf 8m vergrößert wird. Erläutern Sie dieÄnderungen in der Leuchtdichte, wenn derWinkel zwischen der optischen Achse derKamera und dem Scheinwerfer kleiner wird.Bei der Ausleuchtung von Objekten im Studio werden häufig 3 Lichtquellen eingesetzt. BearbeitenSie die folgenden Aufgaben am Beispiel der Beleuchtung eines Gesichtes.5. Begründen Sie, warum bei einer Ausleuchtung einer Filmszene mit Kunstlicht mindestens 3Lichtquellen erforderlich sind und erläutern Sie die Aufgabe und Lichtverteilung dieser dreiLichtquellen.83

Teilaufgabe 4 (10 Punkte)Gesetz betreffend das Urheberrecht an Werken der bildenden Künste und der Photographie(Kunsturhebergesetz)Für einen Videoclip für die Schule wurden auch Szenen aufgenommen, die später veröffentlichtwerden sollen (z.B. für einen Internetauftritt der Schule).Vor dem Unterricht wurden der Schulhof und das Schulgebäude aufgenommen. In diesem Videoschneidet ein Schüler, der sich mehr im Vordergrund aufhält, gut erkennbar Grimassen (sieheAufgabe 1: Videodatei Schulhof_mit_Schuelern.avi). Die Jury, die die Sequenzen auswählt,entscheidet sich für diese Szene, weil das Schulgebäude eindeutig der Hauptzweck des Fotos istund die Schüler auf dem Schulhof nur als „Beiwerk“ angesehen werden. Der Grimassen schneidendeSchüler möchte die Veröffentlichung verhindern.6. Begründen Sie anhand des vorliegenden Gesetzes, ob die Szene veröffentlich werden darf.Schüler haben ein Bild aus dieser Szene herausgenommen und das Gesicht des Grimassen schneidendenSchülers mit einer Bildbearbeitung „künstlerisch“ verzerrt und in ihrer Homepage gestellt.Der „verunglimpfte“ Schüler hat durch einen Zufall dieses Bild entdeckt und verlangt nun dieHerausgabe der Bilddateien. Die Homepagebetreiber versprechen, das Bild zu entfernen, wollenaber die Bilddateien nicht herausgeben, weil sie sie mit einem hohen Aufwand erstellt haben.7. Erläutern Sie die Möglichkeiten der beiden Parteien anhand des vorliegenden Gesetzes.Erwartete PrüfungsleistungTeilaufgabeLösungsskizzeMöglicheGewichtungim AnforderungsbereichI II III1 1.: Der Prüfling muss anhand der Aufgabenstellung und des vorliegendenMaterials (Sichtung z.B. mit MS-Mediaplayer) eine Idee für diesesProdukt entwerfen:Idee (z.B.): Fröhliches Aufstehen, gehetzte Fahrt mit dem Fahrrad, nochrechtzeitige Ankunft, Entspannung 0 1 384

2.: Mind-Map:Für die drei Hauptzweige wird jeweils ein Zwischentitel auf schwarzemHindergrund erstellt.Die Idee und die Mind-Map müssen stimmig sein. Dabei sollte dieMusik die gewollte Stimmung anhand der Idee unterstützen. FehlendeVideosequenzen können durch Titel (Schrifttafeln) ersetzt werden. 3 2 385

3.: Mit einem Videobearbeitungsprogramm wird das Projekt eröffnetund die in der Aufgabe geforderten Parameter eingestellt (BeispielMediastudio Pro).2 0 0Die ausgewählten Materialen werden importiert und grob geschnittenund arrangiert. 2 0 0Die Titel und Zwischentitel und Effekte werden erstellt und eingefügt2 2 486

und arrangiert.2 0 0Danach kann das exakte synchronisieren zwischen Audio und Video undbeat- bzw. taktgenaues Schneiden erfolgen. Die Gesamtzeit von 40 smuss exakt eingehalten werden.4.: Erläuterung der Einstellungen: 2 2 2Microsoft AVI Dateien Audio Video Interleave24 Bits Farbtiefe 24 Bit pro Bildpunkt (8 Bit fürjede Grundfarbe R, G, B)640 x 480 640 Bildpunkte pro Zeile bei 480 Zeilen25 fps 25 Bilder pro SekundeUnteres Halbbild zuerst Halbbildmodus für die Wiedergabe aufeinem Fernsehgerät, das untere Halbbildwir zuerst ausgegeben.Microsoft MPEG-4 Video Codes zur Komprimierung der VideodatenCodec V2Interleave von Audio fürjedes 1 BildAudio- und Videodaten sind für jedes Bildineinander verzahntPCMPuls-Code-Modulation der Audiodaten32,000 kHz Abtastfrequenz für die Digital-Analogwandlung8 Bit Abtasttiefe der Digital-AnalogwandlungStereo 2 Audiokanäle 2 2 087

5.: Begründung: Im MPEG-Verfahren werden nicht alle Bildinhalte injedem Bild gespeichert. Nur in bestimmten Abständen werden vollständigeBilder (Schlüsselbilder) gespeichert. Für die zwischen 2 Schlüsselbildernliegenden Bilder werden die sich ändernden Bildanteile ermittelt(Interframe-Codierung) und in Abhängigkeit zu den Schlüsselbilderngespeichert. Die Schlüsselbilder selber werden nach dem JPEG-Verfahren (Intraframe-Codierung) komprimiert, so dass auch dieSchlüsselbilder schon verlustbehaftet sein können. Zur Wiedergabemüssen die Bilder zwischen den Schlüsselbildern wieder erzeugt werden.Beim Schneiden sollten nur die Schlüsselbilder benutzt werden, dabei diesen Bildern nur Verluste aufgrund der Intraframe-Codierungvorhanden sind. Würde zwischen zwei Schlüsselbildern geschnittenwerden, so müsste das erste Bild anhand der Interframe-Codierungberechnet werden. Dieses (verlustbehaftete) Bild würde dann als Schlüsselbilddienen, von dem die folgende Interframe-Codierungen für diefolgenden Bilder abgeleitet werden. Die Fehler in diesem Bild könntensehr groß sein, so dass bis zum nächsten originären Schlüsselbild in denweiteren Bildern ebenfalls große Bildfehler vorliegen können. 0 2 21.: Auswahl: MD 22, Begründung: gesamter Schalleindruck > RichtcharakteristikKugel (siehe Polardiagramm bei 1kHz): 0 3 22. 2.: Druckempfänger, geschlossenes Mikrofonkapsel, Innendruck derMikrofonkapsel quasi konstant (Luftdruck der Umgebung), Aussendruckentspricht Luftdruck und Schalldruck, Schalldruckänderung führtzur Auslenkung der Membran. 3 2 03.: Berechnung der Ausgangsspannung des Mikrofons bei dem lautestenSchallereignisGegeben:Schalldruckpegel L=96dB SPLFreifeldübertragungsfaktor 2mV/Pa (aus Datenblatt)Gesucht:PL = 20 • logP0UMikrofon= 2mV/ Pa • 1,26Pa= 2, 52mVAusgangsspannung im Leerlauf des Mikrofon L=96dB SPL:L = 80db SPL, U Mikrofon =0,4mVL = 100db SPL, U Mikrofon = 4mVMikrofon angeschlossen an das Aufnahmegerät:Gegeben: R M1 = R M2 = 250Ω, R Eingang = 1kΩREingangU Eingang1 = U M1•= 2, 02mVR + RM1EingangREingangUEingang2 = UM 2•= 0, 32mVR + RM2Eingang3 2 088

4.: Parallelschaltung von 2 Spannungsquellen mit unterschiedlichenSpannungenBerechnung der resultierenden Mikrofonspannung am Eingangswiderstanddes Aufnahmegerätes:Vorgehen: Jeweils eine Spannungsquelle wird kurzgeschlossen und derStrom durch den Eingangswiderstand ermittelt. Die Addition der Einzelströmeergibt den GesamtstromR M1 = R M2 = 250Ω (Datenblatt MD 22 Nennimpedanz bei 1kHz)R Eingang = 1kΩFall 1 (gleiche Phasenlage):U M1=2,52mV, U M2=0,4mVBerechnung:U M2 kurzgeschlossen, R M2 parallel R EingangRp11 1 1 URp1= UM 1• = 1,12mV= +RM1+ Rp1Rp1RM2REingangURp1Rp1= 200ΩIREingang1= = 1,12µ AREingangU M1 kurzgeschlossen, R M1 parallel R EingangR P2 = R P1 da R M2 = R M1UIRp2= UREingang 2M 2Rp2•R + RU=RM 2Rp2Eingangp2= 0,178mV= 0,178µ AErmittlung des Gesamtstromes und der Gesamtspannung am Eingangdes Aufnahmegerätes2 2 1IUREingangEingang= I= RREingang1Eingang+ I• IREingangREingang2 = 1,12µA + 0,178µA = 1,298µA ≈ 1,3µA= 1kΩ • 1,3µA = 1,3mVFall 2: Phasenlage 180°Die Amplitude der Spannung eines Mikrofons ist negativ zur Amplitudedes anderen Mikrofons. Die Berechnung ist gleich, nur ist ein Stromnegativ, d.h.,IUREingangEingang= I= RREingang1Eingang− I• IREingangREingang2 = 1,12µA − 0,178µA = 1,298µA ≈ 0,942µA= 1kΩ • 0,942µA = 0,942mV89

5.: Da zwei Mikrofone an den OP angeschlossen werden sollen, mussder OP als Summierverstärker betrieben werden.Gegeben:U M1 bei L=100dB SPL, Ua = 1V; R1 = R2 = 1kΩAusgangsspannung im Leerlauf des Mikrofon L=96dB SPL:L = 20 • logPP0U Mikrofon = 2mV/ Pa • 2Pa= 4mVSpannungsverstärkung der Operationsverstärkerschaltung bei invertierendemBetriebUa1Vvu= = = 250U M 1 4mVR3vu=R1R = R • ( v ) = 1kΩ • 250 = 250kΩ31u6.: Mikrofon als Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand von 250Ωbei 1kHz an unterschiedlichen Belastungswiderständen.Teilaufgabe 3) Lastwiderstand > Innenwiderstand: größerer Spannungsabfallam Lastwiderstand (entsprechend Eingangsspannung des Aufnahmegerätes)Teilaufgabe 4) Lastwiderstand jeweils die Parallelschaltung der Innenwiderständedes anderen Mikrofons und des Aufnahmegerätes: Lastwiderstand< Innenwiderstand: geringerer Spannungsabfall am Lastwiderstand(entsprechend Eingangsspannung des Aufnahmegerätes)2 3 0Teilaufgabe 4) Mittels des Summierverstärkers ist der Lastwiderstandfür jedes Mikrofon wie unter 3) Lastwiderstand > Innenwiderstand:größerer Spannungsabfall am Lastwiderstand, mittels des Verstärkerskann die Mikrofonspannung an die Eingangsbedingungen des Aufnahmegerätesangepasst werden. 0 2 390

1.: Die Sonne verhält sich wie ein Temperaturstrahler mit sehr hoherTemperatur. Temperaturstrahler senden ein kontinuierliches Lichtspektrumaus, dessen Intensitätsmaxium (Wellenlänge mit derhöchsten Intensität) von der Temperatur des Strahler abhängig ist.Auf dem Weg von der Sonne zur Erde ändert sich die spektrale Zusammensetzungdes Lichtes. Deswegen ändert sich das Spektrum des Sonnenlichtesmit dem Stand der Sonne. Die entsprechende Temperaturliegt zwischen 4500K und 10 000K. Das Intensitätsmaximum liegt imblauen bis ultravioletten Farbbereich. Glühlampen erreichen Glühwendeltemperaturbis 2750K. Damit liegt das Intensitätsmaximum im rotenbis infraroten Bereich. 0 2 22.: Für das Intensitätsmaximum gilt das Wiensche Verschiebungsgesetzλmax * T = const. = 2880 µm * KFür ein Intensitätsmaximum von λ = 720 nm berechnet sich die TemperaturzuT = 2880*10-6m*K/720*10 -9 m = 4000K. 2 2 091

3. 3.: Für das Tageslicht zur Mittagszeit müsste die Temperatur 5500Kbetragen. Diese Temperatur ist mit Metallwendeln nicht - auch nichtunter Druck in einer Edelgasatmosphäre - erreichbar, weil das Metallverdampfen würde. Die theoretisch maximale Temperatur beträgt3650K.Licht mit einer Farbtemperatur von 5500K (bzw. einer Wellenlänge desIntensitätsmaximums von 527 nm) lässt sich nur mit Entladungslampenherstellen.Das Licht in Entladungslampen wird durch das Anregen von Gasen oderMetalldämpfen erzeugt. Hierzu wird in einem mit Edelgasen oder Metalldämpfengefüllten Entladungsgefäß eine Spannung zwischen zweiElektroden erzeugt, die für einen Elektronenstrom zwischen den Elektrodensorgt. Auf ihrem Weg durch das Entladungsgefäß prallen dieElektronen mit Gasatomen zusammen, die bei ausreichender Geschwindigkeitder Elektronen zur Abgabe von Strahlung angeregt werden. Fürjedes Gas ist dabei eine bestimmte Kombination abgegebener Wellenlängencharakteristisch; es wird jeweils Strahlung eines oder mehrererschmaler Frequenzbereiche abgegeben.Wird die Geschwindigkeit der Elektronen noch größer, so werden dieGasatome beim Zusammenprall ionisiert; das Gasatom wird in ein freiesElektron und ein positiv geladenes Ion zerlegt. Die Zahl der elektrischgeladenen, wirksamen Teilchen im Entladungsgefäß wird so zunehmenderhöht und bewirkt einen entsprechenden Anstieg der Strahlung.Glühlampen > kontinuierliches Spektrum, Maximum abhängig von derWendeltemperaturEntladungslampen > Spektrum mit einzelnen, für die verwendeten Gaseoder Metalldämpfe charakteristischen Linien, spektrale Verteilungentspricht also nicht dem natürlichen Licht. Durch Kombinationen kanndas natürliche Licht in wesentlichen Anteilen nachgebildet werden.Bei Entladungslampen müssen besondere Zünd- und Betriebsbedingungengegeben sein. 1 2 14.: Gegeben:Lichtstrom Φ = 1200lmLichtstärke I = 150cdObjektfläche A=2m292E =L =ΦAIA==1502lm= 600 lx2mcd= 75 cd22mm12002Abstand Scheinwerfer Objekt: Der Abstand geht quadratisch in dieBeleuchtungsgrößen ein. Bei der Verdoppelung der Entfernung verringernsich die Beleuchtungsstärke und die Leuchtdichte um den Faktor 4.Verringerung des Winkels führt zu einem größeren Anteil des vomObjekt reflektierten Lichtes. Die Leuchtdichte nimmt zu. 2 2 0

5.: Um einen plastischen Bildeindruck von Objekten zu erhalten,müssen Licht- (evtl. auch Reflexionen) und Schattenbildungenvorhanden sein. Mit nur einer Lampe von vorne würde z.B. ein Gesichtschattenlos sein und damit flach wirken. Zusätzlich sollte derHandlungsträger heller erscheinen, um die Aufmerksamkeit auf ihnzu lenken. Zur plastischen Schattenbildung sind mindestens 2Lampen erforderlich (Fülllicht/Aufhelllicht und Führungslicht).Das Führungslicht ist das hellste Licht, weil es das Objekt (denHandlungsträger) hervorheben soll. Das Aufhelllicht sorgt dafür,dass die Schatten am Objekt dem natürlichen Sehen entsprechen.Es übernimmt häufig auch die Aufgabe des Fülllichtes, das dieGrundhelligkeit des Bildes herstellt. Es ist meistens das schwächsteLicht. Ein weiteres Licht (Spitzlicht) sorgt für einen entsprechendenKontrast des Objektes vor dem Hintergrund. Seine Helligkeitliegt zwischen dem Führungslicht und dem Fülllicht. 0 2 21.: Auch wenn das Bauwerk eindeutig im Mittelpunkt steht und dergrimassenschneidende Schüler lediglich Beiwerk ist (§23 (1) 1.),kann sein „berechtigtes Interesse“ durch die Veröffentlichung imInternet verletzt werden (§23 (2)). Weiterhin gilt hier §22 (Rechtam eigenen Bild). Wäre der Schüler „normal“ abgebildet, so wäreer auch nur „Beiwerk“ 0 2 32.: Grimassenschneidender Schüler: Nach §38 kann die Herausgabealler Exemplare verlangt werden.Veröffentlicher: Sie können für die Herausgabe höchstens dieKosten für die Herstellung der Bilder verlangen (§ 38). 0 3 24. Anteile der Anforderungsbereiche 30 40 3093

2 Beispiel für eine mündliche AbiturprüfungElektrotechnikÜbersicht über die unterrichtlichen VoraussetzungenBezeichnung des Schwerpunktes Fach mit erhöhtem Anforderungsniveau: ElektrotechnikInhaltsbereich dieser Aufgabe Energieversorgung, TechnikfolgenabschätzungUnterrichtsumfang des Unterrichtsfaches6 Wochenstunden über 4 SchulhalbjahreUnterrichtsumfang für diesen Inhaltsbereich6 Wochenstunden über ein SchulhalbjahrInhaltsbereiche der curricularen Vorgabenin Stichpunktensysteme, nachhaltige Energieversorgung, Sicherheits-Einführung in Energietechnik, Energieversorgungsstandardstechnischer SystemeDauer der mündlichen Prüfung 30 MinutenVorbereitungszeit30 MinutenHilfsmittelMaterialien und Medien für die PräsentationThema und Aufgabenstellung„Nicht nur wenn die Technik böswillig, d. h. für böse Zwecke, missbraucht wird, sondern selbstwenn sie gutwillig für ihre eigentlichen und höchst legitimen Zwecke eingesetzt wird, hat sie einebedrohliche Seite an sich, die langfristig das letzte Wort haben könnte.“(Quelle: Jonas Hans: Warum die Technik ein Gegenstand der Ethik ist: Fünf Gründe. In: Rohpohl(Hg.): Technik und Ethik, Reclam Stuttgart, 1993)Nehmen Sie zu dieser These hinsichtlich des Problems der Energieversorgung in der BundesrepublikDeutschland Stellung. Gehen Sie dabei auf folgende Schwerpunkte ein:8. Beschreiben und vergleichen Sie wesentliche Primärenergiequellen. (35 Punkte)9. Stellen Sie technische, ökonomische und ökologische Aspekte der Nutzung dar und bewertenSie sie. (40 Punkte)10. Entwerfen Sie mögliche Handlungsfelder einer nachhaltigen Energienutzung. (25 Punkte)94

Mögliche weiterführende Themen im Prüfungsgespräch:Probleme der technischen Sicherheit in der Versorgung mit Elektroenergie und Möglichkeiten derEinflussnahme.Möglichkeiten und Grenzen der Energieversorgung mit alternativen Energieträgern.TeilaufgabeLösungsskizzen / HinweiseMögliche GewichtungimAnforderungsbereichI II III1. Beschreibung wesentlicher Energiequellen (auch hinsichtlich ihrerGrößenordnung).150Darstellen, ob es sich jeweils um regenerative bzw. nicht regenerativeEnergiequellen handelt und in welchem Maße sie in der BundesrepublikDeutschland zur Verfügung stehen5152. Zusammenhang von Lebensstandard und Energieversorgung:Die Möglichkeit, Energie in ausreichender Menge zur Verfügung zustellen, hat das Leben der Menschen grundlegend verändert, z. B.:Ablösung schwerer körperlicher Arbeit durch Maschinen, Versorgungder Haushalte mit Wärme, Licht, Informationen, Entwicklungder Mobilität, Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit der Arbeit.5555Dieser Zusammenhang wird deutlich, wenn die Lebensbedingungenin den Ländern der dritten Welt mit denen der ersten Welt zumeinen und der jeweilige Energieverbrauch zum anderen verglichenwerden.Die Bereitstellung der Nutzenergie erfolgt in der Bundesrepublik imWesentlichen über fossile Brennstoffe oder über Kernenergie. Diedabei auftretenden Probleme sind u. a.:EnergiequelleBraunkohleErdölKernkraftauftretende ProblemeBeeinträchtigung der Landschaft durch Tagebauegroßer Transportaufwand zum KraftwerkCO2-Produktion durch VerbrennungsprozessGefahr der Verschmutzung der WeltmeereCO2-Produktion durch VerbrennungsprozessProblem der BetriebssicherheitProblem der Endlagerung radioaktiven Mülls5595

Als regenerative Energiequellen werden in der BundesrepublikDeutschland im Wesentlichen die Energie des Wassers, Windenergieund die Energie der Temperaturstrahlung genutzt. Dabei auftretendeProbleme sind u. a.:Energiequelle auftretende ProblemeWasserWindrelativ geringes Angebot, das nahezu erschlossenistwirtschaftlich sinnvolles Angebot nur in einigenRegionenAngebot zeitlich nicht konstantVerunstaltung der Landschafthohe Gestehungskosten5 5SonneAngebot in einigen Regionen gut, aber zeitlich(täglich, jährlich) stark schwankend und insgesamtschlechter als in südlichen Ländernhohe Gestehungskostengroßer Flächenbedarf3. Erörterung des Widerspruchs zwischen einer kostengünstigen undeiner nachhaltigen Energieerzeugung10 15Anteile der Anforderungsbereiche 30 40 3096