Welche Funktionen hat eine Leiterplatte?

Eine Leiterplatte oder PCB findet sich in fast jedem elektronischen Gerät. Diese Kunststoffplatinen und ihre eingebetteten Komponenten bieten die Basistechnologie für alles von Computern über Mobiltelefone bis hin zu Smartwatches. Die Schaltungsverbindungen auf einer Leiterplatte ermöglichen die effiziente Weiterleitung von elektrischem Strom zwischen den miniaturisierten Komponenten auf der Platine, wodurch größere Geräte und sperrige Verdrahtung ersetzt werden.

Abhängig von der Anwendung, für die sie entwickelt wurde, kann eine PC-Platine eine Vielzahl von Aufgaben in Bezug auf Computer, Kommunikation und Datenübertragung ausführen. Die vielleicht wichtigste Funktion einer Leiterplatte ist neben den Aufgaben, die sie erfüllt, die Möglichkeit, die Elektronik eines Geräts auf kleinstem Raum zu integrieren. Eine Leiterplatte ermöglicht den korrekten Anschluss von Komponenten an eine Stromquelle und ist gleichzeitig sicher isoliert. Außerdem sind Leiterplatten kostengünstiger als andere Optionen, da sie mit digitalen Designtools entworfen und mithilfe von Fabrikautomatisierung in großen Stückzahlen hergestellt werden können.

Eine moderne Leiterplatte besteht typischerweise aus Schichten unterschiedlicher Materialien. Die verschiedenen Schichten werden durch einen Laminierungsprozess miteinander verschmolzen. Das Grundmaterial vieler Boards ist Fiberglas, das einen steifen Kern bietet. Als nächstes kommt eine Kupferfolienschicht auf einer oder beiden Seiten der Platine. Ein chemischer Prozess wird dann verwendet, um Kupferspuren zu definieren, die zu leitenden Pfaden werden. Diese Spuren ersetzen die unordentliche Drahtwicklung, die bei der Punkt-zu-Punkt-Konstruktion für frühere Elektronikbaugruppen verwendet wurde.

EIN Lötstopplackschicht wird der Leiterplatte hinzugefügt, um die Kupferschicht zu schützen und zu isolieren. Diese Kunststoffschicht bedeckt beide Seiten der Platine und ist häufig grün. Es folgt ein a Siebdruckschicht mit Buchstaben, Zahlen und anderen Kennungen, die bei der Platinenmontage helfen. Die Komponenten einer Leiterplatte können auf verschiedene Weise, einschließlich Löten, an der Leiterplatte befestigt werden. Einige Befestigungsmethoden verwenden kleine Löcher, die als. bekannt sind Vias die durch die Platine gebohrt werden. Ihr Zweck besteht darin, den Stromfluss von einer Seite der Platine zur anderen zu ermöglichen.

EIN Schaltkreis ist eine Schleife aus leitfähigem Material, entlang derer Strom transportiert werden kann. Wenn die Schleife geschlossen ist, kann Strom ununterbrochen von einer Stromquelle wie einer Batterie durch das leitfähige Material und dann zurück zur Stromquelle fließen. Das Design der Schaltung basiert auf der Tatsache, dass der Strom versucht, von einer höheren Netzspannung, die ein Maß für das elektrische Potenzial ist, zu einer niedrigeren Spannung zu fließen.

Jede Schaltung besteht aus mindestens vier Grundelementen. Das erste Element ist ein Energiequelle für Wechsel- oder Gleichstrom. Das zweite Element ist ein leitendes Material wie ein Draht, entlang dem sich die Energie bewegen kann. Dieser leitfähige Weg wird als bekannt Spur oder verfolgen. Das dritte Element ist das Belastung, das aus mindestens einer Komponente besteht, die einen Teil der Leistung entzieht, um eine Aufgabe oder Operation auszuführen. Das vierte und letzte Element ist mindestens eins Regler oder schalten um den Kraftfluss zu kontrollieren.

Wenn Sie eine Last in den geschlossenen Pfad eines Stromkreises einfügen, kann die Last den elektrischen Stromfluss verwenden, um eine Aktion auszuführen, die Strom erfordert. Beispielsweise kann eine Leuchtdioden-(LED)-Komponente zum Leuchten gebracht werden, wenn Strom durch die Schaltung fließt, in der sie eingefügt ist. Die Last muss Energie verbrauchen, da eine Stromüberlastung angeschlossene Komponenten beschädigen könnte.

Zu den wichtigsten Komponenten auf einer Leiterplatte gehören:

• Batterie: Versorgt einen Stromkreis mit Strom, normalerweise über ein Gerät mit zwei Anschlüssen, das eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Punkten im Stromkreis erzeugt
• Kondensator: Eine batterieähnliche Komponente, die eine elektrische Ladung schnell halten oder abgeben kann
• Diode: Steuert den Strom auf einer Leiterplatte, indem er zwingt, in eine Richtung zu fließen
• Induktor: Speichert Energie aus einem elektrischen Strom als magnetische Energie
• IC (integriert)Schaltkreis): Ein Chip, der viele Schaltkreise und Komponenten in miniaturisierter Form enthalten kann und der typischerweise eine bestimmte Funktion ausführt
• LED (HellAusstrahlenDiode): Ein kleines Licht, das auf einer Platine verwendet wird, um visuelles Feedback zu geben
• Widerstand: Reguliert den Stromfluss durch Bereitstellung von Widerstand
• Schalten: Blockiert entweder den Strom oder lässt ihn fließen, je nachdem, ob er geschlossen oder geöffnet ist
• Transistor: Ein Schaltertyp, der durch elektrische Signale gesteuert wird

Jede der Komponenten auf einer Leiterplatte führt eine bestimmte Aufgabe oder einen Satz von Aufgaben aus, die durch die gesamte PCB-Funktion bestimmt werden. Einige der Komponenten wie Transistoren und Kondensatoren arbeiten direkt mit elektrischem Strom. Sie dienen als Bausteine ​​in komplexeren Komponenten, die als integrierte Schaltkreise bekannt sind.

Der Begriff PCBA (ein Akronym für Printed Circuit Board Assembly) wird verwendet, um eine Leiterplatte zu beschreiben, die vollständig mit Komponenten bestückt ist, die auf der Platine angebracht und mit den Kupferleiterbahnen verbunden sind. Sie wird auch als Steckbaugruppe bezeichnet. Eine Platine mit Kupferleiterbahnen, auf der jedoch keine Komponenten installiert sind, wird oft als a. bezeichnet blankes Brett oder ein Leiterplatte.

Das Design moderner Leiterplatten ermöglicht eine Massenproduktion zu geringeren Kosten als ältere drahtumwickelte Leiterplatten. Nachdem die Designphase einer Platine mit Hilfe spezialisierter Computersoftware ausgelegt wurde, erfolgt die Fertigung und Bestückung weitestgehend automatisiert. Ein PCBA gilt nach Abschluss der Qualitätssicherungsprüfung als fertig und einsatzbereit.

Ein offener Kreislauf ist eine, die aufgrund eines Kabelbruchs oder einer losen Verbindung nicht geschlossen ist. Ein offener Stromkreis funktioniert nicht, weil er keinen Strom leiten kann. Obwohl Spannung in einem offenen Stromkreis verfügbar sein kann, kann sie nicht fließen. In einigen Fällen ist ein offener Stromkreis erwünscht. Zum Beispiel öffnet und schließt der Schalter, der zum Ein- und Ausschalten eines Lichts verwendet wird, den Stromkreis, der das Licht mit seiner Stromquelle verbindet.

Eine andere Art von fehlerhafter Schaltung ist die Kurzschluss, die auftreten kann, wenn zu viel Strom durch einen Stromkreis fließt und das leitende Material oder die Stromversorgung beschädigt. Ein Kurzschluss kann durch zwei Punkte in einem Stromkreis verursacht werden, die sich nicht verbinden, wie z zwei Klemmen einer Stromversorgung ohne zwischengeschaltete Lastkomponente angeschlossen werden, um einen Teil der abzuleiten Strom. Ein solches Kurzschließen einer Stromversorgung kann gefährlich sein und sogar zu einem Brand oder einer Explosion führen.

Vakuumröhren und elektrische Relais führten die grundlegenden Funktionen der frühen Computer aus. Die Einführung integrierter Schaltkreise führte zu einer Reduzierung sowohl der Größe als auch der Kosten elektronischer Komponenten. Bald wurden Platinen entwickelt, die die gesamte Verkabelung eines Gerätes enthielten, das zuvor einen ganzen Raum einnahm. Diese frühen Bretter wurden aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt, darunter Masonite, Bakelit und Pappe, und die Verbinder bestanden aus Messingdrähten, die um Pfosten gewickelt waren.

Ab den 1940er Jahren wurden Leiterplatten effizienter und billiger in der Herstellung, als Kupferdraht Messing ersetzte. Frühe Platinen mit Kupferverdrahtung wurden in Militärradios verwendet, und in den 1950er Jahren wurden sie auch für Verbrauchergeräte verwendet. Bald entwickelten sich einseitige Leiterplatten, die nur auf einer Seite verdrahtet waren, zu den derzeit weit verbreiteten doppelseitigen und mehrlagigen Leiterplatten.

Von den 1970er bis in die 1990er Jahre wurde das PCB-Design komplexer. Gleichzeitig gingen sowohl die physische Größe als auch die Kosten der Boards weiter zurück. Als Platinen mit angeschlossenen Komponenten dichter wurden, wurden Computer-Aided-Design-Anwendungen (CAD) entwickelt, um deren Erstellung zu unterstützen. Heutzutage steht eine Vielzahl von Tools für das digitale PCB-Design zur Verfügung, von kostenlosen und kostengünstigen Optionen bis hin zu voll funktionsfähigen, hochpreisigen Gehäusen, die bei Design, Herstellung und Test helfen.

Die moderne Elektronik könnte ohne den integrierten Schaltkreis, der Ende der 1950er Jahre eingeführt wurde, nicht existieren. Ein IC ist eine miniaturisierte Ansammlung von Schaltungen und Komponenten wie Transistoren, Widerständen und Dioden, die auf einem Computerchip montiert sind, um eine bestimmte Funktion auszuführen. Ein einzelner IC-Chip kann Tausende oder sogar Millionen von Komponenten enthalten. Die gebräuchlichsten Arten von integrierten Schaltungen umfassen Logikgatter, Zeitgeber, Zähler und Schieberegister.

Neben Low-Level-ICs gibt es auch komplexere Mikroprozessor- und Mikrocontroller-ICs, die einen Computer oder ein anderes Gerät steuern können. Andere komplexe integrierte Schaltungen umfassen digitale Sensoren wie Beschleunigungsmesser und Gyroskope, die in Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten zu finden sind. Wie andere Teile von PCBs hat die Größe integrierter Schaltkreise in den letzten Jahrzehnten stetig abgenommen.

Bestückung auf frühen einseitigen Leiterplatten verwendet Durchstecktechnik, bei dem ein Bauteil auf einer Seite der Platine angebracht und auf der anderen Seite durch ein Loch durch Löten an Leiterbahnen befestigt wurde. Zum Zeitpunkt ihrer Einführung war die Durchgangslochtechnologie eine Weiterentwicklung gegenüber der Punkt-zu-Punkt-Konstruktion, aber Löcher Bohrungen in der Leiterplatte zur Montage führten zu mehreren Designproblemen, insbesondere nach der Einführung von Multilayer Bretter. Da Löcher durch alle Schichten gehen mussten, wurde ein großer Prozentsatz des verfügbaren Platzes auf der Platine eliminiert.

Aufputz-Technologie (SMT) löste viele der durch Durchgangslöcher verursachten Probleme. Es wurde in den 1990er Jahren weit verbreitet, obwohl es mehrere Jahrzehnte zuvor eingeführt worden war. Die Komponenten wurden so geändert, dass kleine Pads angebracht wurden, die direkt anstelle durch eine Drahtleitung auf eine Leiterplatte gelötet werden konnten. SMT ermöglichte es Leiterplattenherstellern, eine große Anzahl von Komponenten auf beiden Seiten einer Leiterplatte dicht zu verpacken. Auch diese Art der Befestigung ist durch Automatisierung einfacher zu fertigen.

Die SMT-Montage machte Löcher in Leiterplatten nicht überflüssig. Einige PCB-Designs verwenden immer noch Durchkontaktierungen, um Verbindungen zwischen Komponenten auf verschiedenen Schichten zu ermöglichen. Diese Löcher sind jedoch nicht so aufdringlich wie die Durchgangslöcher, die zuvor für die Komponentenmontage verwendet wurden.

Die komplexesten elektronischen Geräte können mehrschichtige PCBs umfassen. Diese Platten bestehen aus mindestens drei Schichten eines leitfähigen Materials wie Kupfer im Wechsel mit Isolierschichten. Übliche Konfigurationen für Multilayer-Platinen umfassen vier, sechs, acht oder 10 Schichten. Alle Schichten müssen zusammenlaminiert werden, um sicherzustellen, dass keine Luft zwischen den Schichten eingeschlossen wird. Dieser Prozess wird normalerweise unter hoher Temperatur und hohem Druck durchgeführt.

Zu den Vorteilen von Multilayer-Leiterplatten gehört eine höhere Dichte von Bauteilen und Schaltungen auf kleinerem Raum. Sie werden für Computer, Dateiserver, GPS-Technologie, Gesundheitsgeräte sowie Satelliten- und Luft- und Raumfahrtsysteme verwendet. Multilayer-Platinen haben jedoch auch einige Nachteile. Sie sind komplizierter und schwieriger zu entwerfen und herzustellen als ein- und doppelseitige Platten, was sie teurer macht. Sie können auch schwer zu reparieren sein, wenn in den inneren Schichten der Platine etwas schief geht.