Reka Bentuk dan Teknologi nota, bab 4

Aplikasi teknologi (2.3): Reka bentuk elektrik

Buku teks Reka Bentuk dan Teknologi Tingkatan 2 KSSM (Sasbadi, 2017), halaman 60–80

Matlamat bab ini

Murid boleh mengenal pasti dan menjelaskan elemen sistem elektrik, iaitu sumber, medium, beban dan kawalan (2.3.1)
Murid boleh menunjukkan cara reka bentuk litar peralatan elektrik: keselamatan, kedudukan peranti dalam litar dan sambungan litar (2.3.2)
Murid boleh membuat pengiraan parameter elektrik dalam reka bentuk litar (2.3.3)
Murid boleh menghasilkan lakaran reka bentuk litar elektrik yang akan dibuat (2.3.4)
Murid boleh menganalisis elemen sistem elektrik pada gajet yang akan dihasilkan (2.3.5)
Murid boleh membina gajet elektrik berfungsi (2.3.6)
Murid boleh membuat pengujian dan penilaian kefungsian gajet (2.3.7)
Murid boleh mencadangkan penambahbaikan ke atas reka bentuk gajet yang telah dibina (2.3.8)

Sistem elektrik ialah gabungan komponen yang membolehkan arus elektrik mengalir untuk menggerakkan sesuatu peralatan. Reka bentuk elektrik meliputi empat elemen (sumber, medium, beban dan kawalan), reka bentuk litar yang selamat, pengiraan parameter (voltan, arus, rintangan, kuasa) dan pembinaan gajet yang diuji, dinilai dan ditambah baik.

2.3.1Elemen sistem elektrik

Dalam sistem elektrik terdapat empat elemen utama: sumber, medium, beban dan kawalan.

Elemen	Maksud	Contoh
A. Sumber	Punca tenaga elektrik: jana kuasa, bateri, solar dan sebagainya.	Bateri, sel solar, dinamo, stesen hidroelektrik
B. Medium	Perantara antara sumber dengan beban; berfungsi mengalirkan arus elektrik. Ada dua jenis: berwayar dan tanpa wayar.	Wayar, kabel; pengecas telefon tanpa wayar
C. Beban	Peralatan elektrik yang disambungkan pada litar supaya berfungsi dan beroperasi. Beban menghasilkan kesan.	Mentol (cahaya), motor kipas (putaran), pembesar suara (bunyi)
D. Kawalan	Mengawal arus secara selamat dengan memutuskan dan menyambungkan litar. Boleh dilakukan secara manual atau automatik.	Suis, kawalan suhu seterika (manual), pemutus litar (automatik)

Sumber tenaga elektrik

Boleh diperbaharui	Tidak boleh diperbaharui
Boleh digunakan semula dan bekalannya kekal selama-lamanya. Contoh: angin, air, matahari dan ombak.	Akan habis dan tidak dapat dikitar semula. Contoh: petroleum, arang batu, gas dan tenaga nuklear.

Sumber elektrik di negara kita terhasil daripada jana kuasa hidroelektrik selain sumber gas dan arang batu. Dalam stesen hidroelektrik, air dari empangan mengalir ke turbin, turbin memutarkan generator, dan transformer menaikkan voltan sebelum dihantar melalui kabel dan menara penghantaran.

Rajah proses penjanaan hidroelektrik: sumber air masuk, empangan, turbin, generator, transformer dan menara penghantaran — Proses penjanaan hidroelektrik.

Rajah: buku teks RBT Tingkatan 2, Rajah 2.3.1, ms. 63.

Jenis-jenis arus

	Arus ulang-alik (AU)	Arus terus (AT)
Arah arus	Arah arus berubah secara bergilir.	Cas elektrik mengalir dalam satu arah sahaja.
Voltan	Boleh dinaikkan dan diturunkan dengan transformer.	Hanya satu kekutuban voltan.
Punca	Stesen jana kuasa; dibekalkan ke rumah (240 V).	Bateri, sel solar dan dinamo jenis komutator.

Arus ulang-alik dari tiang elektrik ke sebuah rumah melalui meter kWj dengan bekalan 240 V — AU dialirkan ke rumah

Litar mudah dengan bateri, suis, mentol dan ammeter yang menunjukkan arus terus — AU dialirkan ke rumah

Buku teks, Rajah 2.3.2 dan 2.3.3, ms. 64.

Elektrik dihantar dengan voltan tinggi supaya nilai arus rendah. Tujuannya ialah mengurangkan kehilangan kuasa semasa penghantaran. Kawasan perindustrian berat menerima 33 kV, kawasan perindustrian ringan 11 kV, manakala pejabat dan rumah 240 V.

Jauhi kawasan pencawang elektrik. Voltannya tinggi dan boleh menyebabkan renjatan.

Mengapakah elektrik dihantar dari stesen jana kuasa pada voltan yang tinggi?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Voltan tinggi menjadikan nilai arus rendah, jadi kehilangan kuasa semasa penghantaran berkurang.

2.3.2Cara reka bentuk litar peralatan elektrik

Reka bentuk litar diperlihatkan melalui tiga aspek: keselamatan, kedudukan peranti dalam litar dan sambungan litar.

A. Keselamatan

Litar peralatan elektrik direka dengan ciri keselamatan untuk melindungi pengguna dan peralatan daripada litar pintas.
Contoh periuk nasi: litar di bahagian bawah periuk, kedudukannya tersembunyi, tidak dapat dicapai tangan dan tidak terdedah.
Pastikan tangan kering apabila menyentuh peralatan elektrik yang sedang mengalirkan arus. Tangan basah boleh menyebabkan renjatan.

B. Kedudukan peranti dalam litar

Peranti seperti sensor tekanan, sensor suhu dan elemen pemanas diletakkan bersama litar elektrik. Tujuannya menjimatkan ruang, menekankan keselamatan, dan menjadikan susunan litar kemas serta menarik (sesuai untuk tujuan komersial).

Keratan rentas periuk nasi dengan elemen pemanas, papan fleksibel rata, sensor suhu, sensor tekanan dan struktur rangka — Kedudukan peranti dalam litar elektrik periuk nasi.

Buku teks, Rajah 2.3.4, ms. 65.

C. Sambungan litar

Jenis litar	Ciri	Contoh
Litar tertutup	Ada satu kitaran lengkap pergerakan arus, voltan dan kuasa.	Mentol menyala apabila suis ditutup.
Litar buka	Tiada kitaran lengkap, jadi arus tidak mengalir.	Mentol tidak menyala kerana suis dibuka atau wayar terputus.
Litar pintas	Wayar positif (+) yang bocor bersentuhan dengan wayar negatif (–) tanpa melalui beban. Menghasilkan percikan bunga api yang boleh menyebabkan kebakaran.	Dua wayar tanpa penebat bersentuhan.
Litar bypass	Wayar sambungan dibuat pada fius yang sama untuk soket perkakasan yang berlainan. Wayar menjadi lebih panas daripada kebolehan penebat dan boleh mengakibatkan litar pintas.	Satu fius di papan agihan digunakan untuk peti sejuk dan pendingin hawa.

Litar tertutup: bateri, suis dan mentol menyala — Litar tertutup

Litar buka: suis dibuka dan mentol tidak menyala — Litar tertutup

Buku teks, Rajah 2.3.5 hingga 2.3.7, ms. 66.

Dua mentol disambung secara siri dengan satu laluan arus dan secara selari dengan dua laluan arus — Sambungan siri dan selari.

Litar salah kekutuban dan litar arus bocor

Salah kekutubankaki katod LED disambung pada kutub positif bateri, jadi LED tidak menyala. Betulkan: kaki katod ke kutub negatif.

Arus bocorarus bocor daripada wayar hidup ke badan logam perkakasan. Arus bocor berbahaya kepada pengguna kerana boleh menyebabkan renjatan elektrik. Rajah buku teks menunjukkan fius dalam litar cerek.

Dua litar LED: atas salah kekutuban, bawah kekutuban yang betul, dengan suis, perintang tetap dan bateri — Salah kekutuban dan kekutuban yang betul

Cerek elektrik dengan elemen pemanas, fius dan arus bocor ke badan logam — Salah kekutuban dan kekutuban yang betul

Buku teks, ms. 66.

Jangan keliru: litar buka tidak mengalirkan arus kerana kitaran terputus, manakala litar pintas mengalirkan arus yang terlalu besar kerana laluan tanpa beban.

Namakan litar yang berlaku apabila wayar positif yang bocor bersentuhan dengan wayar negatif tanpa melalui mentol. Apakah bahayanya?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Litar pintas. Percikan bunga api boleh menyebabkan kebakaran.

2.3.3Pengiraan parameter elektrik

Parameter elektrik ialah voltan (V), arus (I), rintangan (R) dan kuasa (P). Voltan dan arus berkadar terus (voltan bertambah, arus bertambah). Rintangan dan arus berkadar songsang (rintangan bertambah, arus berkurang). Hubungan ini diringkaskan sebagai hukum Ohm.

Segi tiga hukum Ohm dengan V di atas serta I dan R di bawah, dan rumus V = I × R, I = V ÷ R, R = V ÷ I dan P = V × I — Segi tiga hukum Ohm: tutup parameter yang dicari.

Parameter	Simbol	Unit	Rumus
Voltan	V	volt (V)	V = I × R
Arus	I	ampere (A)	I = V ÷ R
Rintangan	R	ohm (Ω)	R = V ÷ I
Kuasa	P	watt (W)	P = V × I

Contoh 1: cari voltan dan kuasa

Litar lengkap mempunyai arus 0.5 A dan rintangan 3 Ω.

V = I × R = 0.5 A × 3 Ω = 1.5 V
P = V × I = 1.5 V × 0.5 A = 0.75 W

Contoh 2: cari arus

Voltan 3 V dan rintangan 5 Ω. I = V ÷ R = 3 ÷ 5 = 0.6 A.

Contoh 3: cari rintangan

Voltan 3 V dan arus 0.5 A. R = V ÷ I = 3 ÷ 0.5 = 6 Ω.

Contoh pengiraan: buku teks, ms. 67 dan 68.

Litar siri dan litar selari

	Litar siri	Litar selari
Laluan arus	Satu laluan	Lebih daripada satu laluan
Jumlah rintangan	R_J = R₁ + R₂ + R₃ + …	1/R_J = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + …
Jumlah arus	I_J = I₁ = I₂ = I₃ (sama)	I_J = I₁ + I₂ + I₃ + …
Jumlah voltan	V_J = V₁ + V₂ + V₃ + …	V_J = V₁ = V₂ = V₃ (sama)
Jika satu mentol terbakar	Semua mentol padam.	Mentol lain masih menyala.

Contoh 4: litar siri

Bateri 9 V disambung pada dua mentol bersiri, 10 Ω dan 20 Ω.

R_J = 10 + 20 = 30 Ω
I = V ÷ R = 9 ÷ 30 = 0.3 A (sama di kedua-dua mentol)
Voltan pada mentol 20 Ω = 0.3 × 20 = 6 V

Contoh 5: litar selari

Dua mentol 6 Ω dan 12 Ω disambung selari pada bateri 12 V.

1/R_J = 1/6 + 1/12 = 2/12 + 1/12 = 3/12, maka R_J = 4 Ω
I_J = 12 ÷ 4 = 3 A. Semak: 12 ÷ 6 = 2 A dan 12 ÷ 12 = 1 A, jumlahnya 3 A.

Contoh 6: gabungan siri dan selari

Perintang 20 Ω dan 30 Ω bersiri, dan gabungan itu selari dengan perintang 50 Ω.

Langkah 1 (siri): 20 + 30 = 50 Ω
Langkah 2 (selari): 1/R_J = 1/50 + 1/50 = 2/50, maka R_J = 25 Ω

Dalam litar selari, jumlah rintangan sentiasa lebih kecil daripada rintangan yang terkecil. Jika jawapan anda lebih besar, semak semula. Dua perintang yang sama nilai selari memberi separuh daripada nilai itu.

Tukar unit sebelum mengira: 1 A = 1000 mA. Maka 83.33 mA = 0.08333 A dan 0.65 mA = 0.00065 A. Jangan lupa unit pada jawapan (V, A, Ω, W).

Litar lengkap mempunyai voltan 12 V dan rintangan 8 Ω. Hitung arus dan kuasa.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

I = 12 ÷ 8 = 1.5 A. P = 12 × 1.5 = 18 W.

2.3.4Lakaran reka bentuk litar elektrik

Contoh projek: gajet lampu almari pakaian yang menerangi seluruh ruang apabila pintu dibuka. Sebelum membina gajet, lakaran litar dibuat sebagai gambaran awal untuk memastikan kuantiti dan kedudukan yang betul bagi komponen (mentol atau LED, suis, bateri dan panjang wayar).

Lakaran tangan litar lampu almari: empat mentol, bateri dan suis mikro — Lakaran litar lampu almari

Litar skematik siri: bateri 3 V, suis mikro dan empat mentol M1 hingga M4, arus 0.08333 A — Lakaran litar lampu almari

Buku teks, Rajah 2.3.11 dan 2.3.12, ms. 69.

Pengiraan parameter

Litar bateri 3 V dengan arus 0.08333 A (83.33 mA):

R_J = V ÷ I = 3 ÷ 0.08333 = 36 Ω (ms. 70). Pemilihan mentol perlu sesuai dengan voltan yang dihasilkan dalam litar supaya kecerahan maksimum.

Suis mikro ialah suis yang ditekan oleh tuil penolak. Apabila pintu almari ditutup, suis ditekan, litar menjadi terbuka dan mentol padam. Apabila pintu dibuka, tekanan dilepaskan, litar tertutup dan mentol menyala.

Tukarkan 0.65 mA kepada ampere.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

0.65 ÷ 1000 = 0.00065 A.

2.3.5Analisis elemen sistem elektrik pada gajet

Analisis dibuat pada sumber, medium, beban dan kawalan untuk memastikan setiap elemen mencukupi dan mematuhi nilainya. Contoh gajet lampu almari:

Elemen	Komponen	Kuantiti	Nilai parameter	Sambungan
Sumber	Bateri saiz AA	2	3 V	Positif bekalan ke mentol 1
Beban	Mentol	4	36 Ω (jumlah)	Mentol 1 ke 2 ke 3 ke 4
Medium	Wayar lembar tunggal	Mengikut saiz almari	–	Bateri ke mentol dan ke terminal suis mikro
Kawalan	Suis mikro	1	–	Mentol 4 ke terminal NC; terminal COM ke negatif bateri

Berdasarkan Jadual 2.3.2, ms. 73.

Terminal suis mikro

Terminal	Maksud	Sambungan
COM	Common	Sentiasa digunakan
NO	Normally Opened	COM + NO: suis tekan tutup
NC	Normally Closed	COM + NC: suis tekan buka

Dua keratan suis mikro berlabel tuil penolak, penolak, spring, terminal COM, NO dan NC — Suis mikro sebagai suis tekan buka (kiri) dan suis tekan tutup (kanan).

Buku teks, ms. 72.

Suis tekan buka menggunakan COM dan NC (litar tertutup ketika suis tidak ditekan). Suis tekan tutup menggunakan COM dan NO.

Untuk menjadikan suis mikro sebagai suis tekan buka, wayar disambung pada terminal yang mana?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Terminal COM dan NC.

2.3.6Membina gajet elektrik berfungsi

Lakaran litar diterjemahkan kepada litar bergambar (litar asas yang memberi gambaran awal kedudukan elemen dan penyambungan pada terminal). Litar bergambar tidak mengambil kira saiz dan panjang wayar yang sebenar dalam almari.

Litar bergambar gajet: empat mentol di sudut almari, bateri dan pemegang bateri, suis mikro — Litar bergambar gajet elektrik.

Buku teks, Rajah 2.3.16, ms. 74.

Langkah pembinaan

Sediakan bahan berdasarkan lakaran atau litar bergambar.
Sediakan 4 mentol 3 V, 2 bateri AA dengan pemegang bateri, suis mikro dan wayar lembar tunggal mengikut saiz.
Tentukan susunan dan kedudukan gajet pada almari.
Lakukan penyambungan litar gajet.
Pasang litar yang lengkap di dalam almari.

2.3.7Pengujian dan penilaian kefungsian gajet

Peringkat	Apa yang dibuat
A. Pengujian	Memastikan gajet berfungsi seperti dikehendaki. Ujian dibuat apabila suis mikro dilepaskan dan semua mentol menyala.
B. Penilaian	Dilakukan selepas pengujian ke atas semua komponen: mentol, pendawaian wayar, litar, bateri dan suis mikro (berfungsi atau tidak).
C. Hasil penilaian	Kecerahan mentol tidak dapat menerangi seluruh almari, terutamanya waktu siang. Kedudukan wayar dan pemegang bateri perlu dikemaskan, dan gajet perlu ditambah baik supaya lebih cekap.

Nyatakan satu sebab mentol menyala tetapi tidak cukup terang untuk menerangi seluruh almari.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Contoh: jumlah rintangan litar siri terlalu tinggi, jadi arus dan kecerahan setiap mentol rendah; atau kedudukan mentol tidak sesuai.

2.3.8Penambahbaikan reka bentuk gajet

Satu uji kaji dilakukan ke atas litar siri dan litar selari dengan komponen yang sama untuk membandingkan kecerahan dan jumlah rintangan.

	Litar siri (3 V)	Litar selari (3 V)
Arus	83.33 mA = 0.0833 A	0.5 A
Jumlah rintangan	3 ÷ 0.0833 = 36 Ω	3 ÷ 0.5 = 6 Ω
Kecerahan	Malap (rintangan tinggi)	Lebih terang (rintangan rendah)

Litar siri dengan arus 83.33 miliampere dan litar selari dengan arus 0.5 ampere, kedua-duanya dengan empat mentol dan suis mikro — Litar siri dan litar selari semasa suis mikro tidak ditekan.

Buku teks, Rajah 2.3.20 dan 2.3.21, ms. 77.

Cadangan penambahbaikan: tukar litar siri kepada litar selari, kerana mentol lebih terang dan jika satu mentol terbakar, fungsi mentol lain tidak terjejas. Pemegang bateri dan wayar lembar tunggal juga perlu diperkemas (dimasukkan dalam kotak khas di bahagian bawah almari, pendawaian di sebelah luar).

Rintangan kecil memberi kecerahan tinggi kerana arus yang lebih besar mengalir pada voltan yang sama (I = V ÷ R).

Nyatakan dua kelebihan litar selari berbanding litar siri bagi lampu almari.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Mentol lebih terang kerana jumlah rintangan lebih rendah; jika satu mentol terbakar, mentol lain masih menyala.

Rumusan

Empat elemen sistem elektrik: sumber, medium (berwayar atau tanpa wayar), beban dan kawalan (manual atau automatik).
Sumber: boleh diperbaharui (angin, air, matahari, ombak) atau tidak boleh diperbaharui (petroleum, arang batu, gas, nuklear).
Arus ulang-alik boleh dinaikkan dan diturunkan voltannya dengan transformer; arus terus mengalir satu arah (bateri, sel solar, dinamo).
Reka bentuk litar: keselamatan, kedudukan peranti dan sambungan litar (tertutup, buka, pintas, bypass).
Hukum Ohm: V = I × R, I = V ÷ R, R = V ÷ I; kuasa P = V × I. 1 A = 1000 mA.
Siri: R_J = R₁ + R₂, arus sama. Selari: 1/R_J = 1/R₁ + 1/R₂, voltan sama.
Suis mikro: terminal COM, NO dan NC; COM + NC ialah tekan buka, COM + NO ialah tekan tutup.
Proses projek: lakaran litar, litar skematik, litar bergambar, pembinaan, pengujian, penilaian, penambahbaikan.