Jaké jsou funkce desky s plošnými spoji?

Deska s plošnými spoji neboli PCB se nachází téměř v každém typu elektronického zařízení. Tyto plastové desky a jejich vložené komponenty poskytují základní technologii pro vše od počítačů a mobilních telefonů až po chytré hodinky. Zapojení obvodů na desce plošných spojů umožňuje efektivní vedení elektrického proudu mezi miniaturizovanými součástkami na desce, což nahrazuje větší zařízení a objemné kabely.

V závislosti na aplikaci, pro kterou je navržena, může deska PC provádět různé úkoly související s počítačem, komunikací a přenosem dat. Kromě úkolů, které plní, je snad nejdůležitější funkcí desky plošných spojů způsob, jak integrovat elektroniku pro zařízení do kompaktního prostoru. Deska plošných spojů umožňuje správné připojení součástí ke zdroji napájení, přičemž jsou bezpečně izolovány. Desky plošných spojů jsou také levnější než jiné možnosti, protože je lze navrhovat pomocí digitálních návrhových nástrojů a vyrábět ve velkých objemech pomocí tovární automatizace.

Moderní obvodová deska je obvykle vyrobena z vrstev různých materiálů. Různé vrstvy se spojí dohromady procesem laminace. Základním materiálem mnoha desek je sklolaminát, který zajišťuje tuhé jádro. Na řadu přichází vrstva měděné fólie na jedné nebo obou stranách desky. Chemický proces se pak používá k definování stop mědi, které se stanou vodivými cestami. Tyto stopy nahrazují chaotické ovíjení drátů, které se vyskytují v metodě konstrukce point-to-point používané pro dřívější elektronické sestavy.

A vrstva pájecí masky se přidává do desky plošných spojů pro ochranu a izolaci měděné vrstvy. Tato plastová vrstva pokrývá obě strany desky a je často zelená. Následuje a vrstva sítotisku s písmeny, čísly a dalšími identifikátory, které pomáhají při montáži desky. Součásti desky plošných spojů lze k desce připevnit různými způsoby, včetně pájení. Některé způsoby připevnění využívají malé otvory známé jako vias které jsou provrtány přes obvodovou desku. Jejich účelem je umožnit proudění elektřiny z jedné strany desky na druhou.

A obvod je smyčka vodivého materiálu, po které může proudit elektřina. Když je smyčka uzavřena, elektřina může bez přerušení proudit ze zdroje energie, jako je baterie, skrz vodivý materiál a poté zpět do zdroje energie. Návrh obvodu je založen na skutečnosti, že elektřina se snaží proudit z vyššího výkonového napětí, které je mírou elektrického potenciálu, do nižšího napětí.

Každý obvod se skládá minimálně ze čtyř základních prvků. Prvním prvkem je an Zdroj energie pro AC nebo DC napájení. Druhým prvkem je vodivý materiál, jako je drát, po kterém se může energie pohybovat. Tato vodivá cesta je známá jako dráha nebo stopa. Třetím prvkem je zatížení, který se skládá z alespoň jedné součásti, která odebírá část energie k provedení úkolu nebo operace. Čtvrtým a posledním prvkem je alespoň jeden ovladač nebo přepínač k ovládání toku energie.

Když vložíte zátěž do uzavřené dráhy obvodu, zátěž může využít tok elektrického proudu k provedení akce, která vyžaduje napájení. Například součást diody emitující světlo (LED) může být vyrobena tak, aby se rozsvítila, když obvodem, do kterého je zapojena, proudí proud. Zátěž musí spotřebovávat energii, protože přetížení by mohlo poškodit připojené součásti.

Mezi nejdůležitější součásti na desce plošných spojů patří:

• baterie: Poskytuje napájení obvodu, obvykle prostřednictvím zařízení se dvěma svorkami, které poskytuje rozdíl napětí mezi dvěma body v obvodu
• Kondenzátor: Součást podobná baterii, která dokáže rychle udržet nebo uvolnit elektrický náboj
• Dioda: Ovládá elektřinu na desce plošných spojů tím, že ji nutí proudit jedním směrem
• Induktor: Uchovává energii z elektrického proudu jako magnetickou energii
• IC (IntegrovanýObvod): Čip, který může obsahovat mnoho obvodů a součástek v miniaturizované podobě a který obvykle plní specifickou funkci
• VEDENÝ (SvětloVysíláníDioda): Malé světlo používané na obvodové desce k poskytování vizuální zpětné vazby
• Rezistor: Reguluje tok elektrického proudu poskytnutím odporu
• Přepínač: Buď blokuje proud, nebo mu umožňuje proudit v závislosti na tom, zda je zavřený nebo otevřený
• Tranzistor: Typ spínače ovládaného elektrickými signály

Každá ze součástek na desce plošných spojů provádí konkrétní úkol nebo sadu úkolů, které jsou určeny celkovou funkcí desky plošných spojů. Některé součásti, jako jsou tranzistory a kondenzátory, pracují přímo s elektrickými proudy. Slouží jako stavební bloky v rámci složitějších součástí známých jako integrované obvody.

Termín PCBA (zkratka pro Printed Circuit Board Assembly) se používá k popisu desky plošných spojů, která je kompletně osazena součástkami připojenými k desce a připojenými k měděným trasám. Označuje se také jako zásuvná sestava. Deska, která má měděné stopy, ale nemá nainstalované součásti, se často nazývá a holá deska nebo a tištěný spoj.

Konstrukce moderních desek plošných spojů umožňuje jejich hromadnou výrobu s nižšími náklady než starší desky s drátěným obalem. Poté, co byla navržena fáze návrhu desky pomocí specializovaného počítačového softwaru, je výroba a montáž – ve většině případů – automatizována. PCBA se považuje za dokončenou a připravenou k použití po dokončení testování zajištění kvality.

An otevřený obvod je takový, který není uzavřený kvůli přerušenému drátu nebo uvolněnému spojení. Otevřený obvod nebude fungovat, protože nemůže vést elektřinu. Přestože napětí může být k dispozici v otevřeném obvodu, neexistuje žádný způsob, jak protékat. V některých případech je žádoucí otevřený obvod. Například spínač, který se používá k zapínání a vypínání světla, otevírá a zavírá obvod, který spojuje světlo s jeho zdrojem energie.

Dalším typem vadného obvodu je zkrat, ke kterému může dojít, když obvodem prochází příliš mnoho energie a poškozuje vodivý materiál nebo napájecí zdroj. Zkrat může být způsoben tím, že se dva body v obvodu spojí, když se to nemá, jako např dva terminály napájecího zdroje jsou připojeny tak, aby mezi nimi nebyla žádná zátěž, aby se vyčerpaly některé z nich aktuální. Zkratování napájecího zdroje tímto způsobem může být nebezpečné a může dokonce způsobit požár nebo výbuch.

Elektronky a elektrická relé plnily základní funkce raných počítačů. Zavedení integrovaných obvodů vedlo ke snížení jak velikosti, tak nákladů na elektronické součástky. Brzy byly vyvinuty desky plošných spojů, které obsahovaly veškerou kabeláž zařízení, které dříve zabíralo celou místnost. Tyto rané desky byly vyrobeny z různých materiálů, včetně Masonitu, bakelitu a lepenky, a konektory se skládaly z mosazných drátů omotaných kolem sloupků.

Od 40. let 20. století se desky plošných spojů staly efektivnějšími a levnější na výrobu, když měděný drát nahradil mosaz. Rané desky s měděným vedením se používaly na vojenských rádiích a v 50. letech 20. století se používaly i pro spotřební zařízení. Z jednostranných desek, které obsahovaly kabeláž pouze na jedné straně, se brzy vyvinuly oboustranné a vícevrstvé desky plošných spojů, které jsou v současnosti široce používány.

Od 70. do 90. let se návrh PCB stal složitějším. Současně se jak fyzická velikost, tak cena desek nadále zmenšovaly. Jak desky byly hustší s připojenými součástmi, byly vyvinuty aplikace pro počítačově podporovaný design (CAD), které napomáhaly jejich vytváření. Dnes je k dispozici celá řada nástrojů pro návrh digitálních desek plošných spojů, od bezplatných a levných variant až po plně funkční balíčky s vysokou cenou, které pomáhají s návrhem, výrobou a testováním.

Moderní elektronika by nemohla existovat bez integrovaného obvodu, který byl představen koncem 50. let. IC je miniaturizovaná sbírka obvodů a součástek, jako jsou tranzistory, rezistory a diody sestavené na počítačovém čipu, aby vykonávaly určitou funkci. Jeden IC čip může obsahovat tisíce nebo dokonce miliony součástek. Mezi nejběžnější typy integrovaných obvodů patří logická hradla, časovače, čítače a posuvné registry.

Kromě nízkoúrovňových integrovaných obvodů existují také složitější integrované obvody mikroprocesorů a mikrokontrolérů, které mají schopnost ovládat počítač nebo jiné zařízení. Mezi další složité integrované obvody patří digitální senzory, jako jsou akcelerometry a gyroskopy, které se nacházejí v mobilních telefonech a dalších elektronických zařízeních. Stejně jako ostatní části desek plošných spojů se velikost integrovaných obvodů v posledních několika desetiletích neustále zmenšuje.

Osazení komponent na dřívějších jednostranných DPS průchozí technologie, kde byla součástka připevněna k jedné straně desky a připevněna otvorem k vodivým stopám drátu na druhé straně pomocí pájení. V době, kdy byla představena, byla technologie průchozích děr pokrokem oproti konstrukci z bodu do bodu, ale děr vrtání do PCB pro montáž vedlo k několika konstrukčním problémům, zejména po zavedení vícevrstvých desky. Vzhledem k tomu, že díry musely projít všemi vrstvami, velké procento dostupných nemovitostí na desce bylo eliminováno.

Technologie povrchové montáže (SMT) vyřešil mnoho problémů způsobených průchozími otvory. To stalo se široce používáno v 90-tých letech, ačkoli to bylo představeno několik dekád dříve. Komponenty byly změněny tak, aby měly připojené malé podložky, které bylo možné připájet k desce plošných spojů přímo namísto drátu. SMT umožnil výrobcům PCB hustě zabalit velké množství součástek na obě strany PCB. Tento typ montáže je také jednodušší na výrobu s automatizací.

Montáž SMT neeliminovala potřebu otvorů v deskách plošných spojů. Některé návrhy desek plošných spojů stále využívají prokovy, které umožňují propojení mezi součástmi na různých vrstvách. Tyto otvory však nejsou tak rušivé jako průchozí otvory používané dříve pro montáž součástí.

Nejsložitější elektronická zařízení mohou zahrnovat vícevrstvé PCB. Tyto desky se skládají z nejméně tří vrstev vodivého materiálu, jako je měď, střídajících se s vrstvami izolace. Běžné konfigurace pro vícevrstvé desky zahrnují čtyři, šest, osm nebo 10 vrstev. Všechny vrstvy musí být laminovány dohromady, aby se zajistilo, že mezi vrstvami nebude zachycen žádný vzduch. Tento proces se obvykle provádí za vysoké teploty a tlaku.

Mezi výhody vícevrstvých desek plošných spojů patří vyšší hustota součástek a obvodů na menším prostoru. Používají se pro počítače, souborové servery, technologii GPS, zdravotnická zařízení a satelitní a letecké systémy. Vícevrstvé desky však mají i některé nevýhody. Jsou složitější a náročnější na design a výrobu než jednostranné a oboustranné desky, což je prodražuje. Mohou být také obtížně opravitelné, když se něco pokazí uvnitř vnitřních vrstev desky.