Lernfeld 7 · Prüfung Teil 2

Intelligente Sensoren und Ansteuerung von Aktoren

Intelligente Sensoren am Bus und Ansteuerung von Aktoren: Transistor, MOSFET, H-Brücke, Schrittmotor, Servo, Freilaufdiode und Regelung.

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Darum geht es

Intelligente Sensoren enthalten Messelement, Verstärker, AD-Umsetzer und einen kleinen Controller. Sie liefern linearisierte, kalibrierte Werte über I²C, SPI oder IO-Link, lassen sich parametrieren und melden Fehler. Bei der Inbetriebnahme prüfst du Versorgung und Adresse, suchst den Sensor mit einem Bus-Scan, schreibst die Konfiguration und vergleichst die Messwerte mit einer Referenz.

Aktoren hängen nie direkt am Pin. Ein NPN-Transistor oder ein Logic-Level-MOSFET als Lowside-Schalter schaltet Relais, Ventile und Lampen; den Basiswiderstand legst du mit Übersteuerung aus, damit der Transistor sicher sättigt. Induktive Lasten brauchen eine Freilaufdiode, sonst zerstört die Abschaltspannung den Schalter. Eine H-Brücke kehrt die Drehrichtung eines Gleichstrommotors um, PWM stellt seine Drehzahl. Schrittmotoren drehen je Impuls um einen festen Winkel, Servos stellen sich nach der Impulsdauer ein.

Steuerung und Regelung unterscheiden sich durch die Rückführung: Ein fester PWM-Wert ist gesteuert, Störgrößen bleiben unbemerkt. Misst der Controller den Istwert, etwa über das Tachosignal eines Lüfters, und vergleicht ihn mit dem Sollwert, entsteht ein Regelkreis, der Störgrößen ausgleicht.

Das solltest du dir merken

Spule abschalten ohne Freilaufdiode zerstört den Transistor.
Basisstrom mit Übersteuerungsfaktor auslegen, nicht mit dem knappen Mindestwert.
Ein Schrittmotor merkt verlorene Schritte nur mit Drehgeber.
Gate-Widerstand gegen Source hält den MOSFET beim Reset sicher aus.
Regelung braucht eine Rückführung des Istwerts, Steuerung nicht.

Formeln

Basisvorwiderstand: $R_{B} = \frac{U _{Pin} - U _{BE}}{u ¨ \cdot I _{C} / B _{min}}$; $U_{Pin}$ Ausgangsspannung des Pins, $U_{BE}$ Basis-Emitter-Spannung, $u ¨$ Übersteuerungsfaktor, $I_{C}$ Kollektorstrom, $B_{min}$ kleinste Stromverstärkung
Impulse für einen Verfahrweg: $N = \frac{s}{h} \cdot \frac{36 0 ^{\circ}}{α} \cdot m$; $s$ Weg, $h$ Spindelsteigung, $α$ Schrittwinkel, $m$ Mikroschritte je Vollschritt

Typische Fehler in der Prüfung

Die Basis-Emitter-Spannung beim Basiswiderstand vergessen.
Mikroschritte bei der Impulszahl nicht berücksichtigt.
Freilaufdiode falsch herum eingebaut, sie schließt dann die Versorgung kurz.
Steuerung und Regelung gleichgesetzt.

Tipps aus der Werkstatt

Spulen von Relais und Ventilen brauchen eine Freilaufdiode, Kathode an Plus. Den Basiswiderstand rechnest du mit Übersteuerung und ziehst 0,7 V für U_BE ab. Bei Schrittmotoren die Mikroschritte nicht vergessen: 1,8° und 16 Mikroschritte ergeben 3200 Impulse je Umdrehung.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

14 Aufgaben zu „Intelligente Sensoren und Ansteuerung von Aktoren“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

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Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Elektroniker/-in für Geräte und Systeme (2003 i. d. F. 2018), Lernfeld 7 (Baugruppen hard- und softwareseitig konfigurieren). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.