Ποιες είναι οι λειτουργίες μιας πλακέτας κυκλώματος;

Μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, ή PCB, βρίσκεται σχεδόν σε κάθε τύπο ηλεκτρονικής συσκευής. Αυτές οι πλαστικές σανίδες και τα ενσωματωμένα εξαρτήματά τους παρέχουν τη βασική τεχνολογία για τα πάντα, από υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα μέχρι smartwatches. Οι συνδέσεις κυκλώματος σε ένα PCB επιτρέπουν την αποτελεσματική δρομολόγηση του ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ των μικροσκοπικών εξαρτημάτων στην πλακέτα, αντικαθιστώντας μεγαλύτερες συσκευές και ογκώδη καλωδίωση.

Ανάλογα με την εφαρμογή για την οποία έχει σχεδιαστεί, μια πλακέτα υπολογιστή μπορεί να εκτελέσει μια ποικιλία εργασιών που σχετίζονται με υπολογιστές, επικοινωνίες και μεταφορά δεδομένων. Εκτός από τις εργασίες που εκτελεί, ίσως η πιο σημαντική λειτουργία μιας πλακέτας κυκλώματος είναι να παρέχει έναν τρόπο ενσωμάτωσης των ηλεκτρονικών για μια συσκευή σε έναν συμπαγή χώρο. Ένα PCB επιτρέπει στα εξαρτήματα να συνδέονται σωστά σε μια πηγή ρεύματος ενώ είναι μονωμένα με ασφάλεια. Επίσης, οι πλακέτες κυκλωμάτων είναι λιγότερο ακριβές από άλλες επιλογές, επειδή μπορούν να σχεδιαστούν με εργαλεία ψηφιακής σχεδίασης και να κατασκευαστούν σε μεγάλο όγκο χρησιμοποιώντας εργοστασιακό αυτοματισμό.

Μια σύγχρονη πλακέτα κυκλώματος συνήθως κατασκευάζεται από στρώματα διαφορετικών υλικών. Τα διάφορα στρώματα συγχωνεύονται μεταξύ τους μέσω μιας διαδικασίας ελασματοποίησης. Το βασικό υλικό σε πολλές σανίδες είναι το fiberglass, το οποίο παρέχει έναν άκαμπτο πυρήνα. Ακολουθεί ένα στρώμα φύλλου χαλκού στη μία ή και στις δύο πλευρές της σανίδας. Στη συνέχεια χρησιμοποιείται μια χημική διεργασία για τον καθορισμό ιχνών χαλκού που γίνονται αγώγιμα μονοπάτια. Αυτά τα ίχνη αντικαθιστούν το ακατάστατο τύλιγμα του σύρματος που βρέθηκε στη μέθοδο κατασκευής από σημείο σε σημείο που χρησιμοποιήθηκε για προηγούμενα ηλεκτρονικά συγκροτήματα.

ΕΝΑ στρώμα μάσκας συγκόλλησης προστίθεται στην πλακέτα κυκλώματος για την προστασία και τη μόνωση του στρώματος χαλκού. Αυτό το πλαστικό στρώμα καλύπτει και τις δύο πλευρές του πίνακα και είναι συχνά πράσινο. Ακολουθείται από ένα στρώμα μεταξοτυπίας με γράμματα, αριθμούς και άλλα αναγνωριστικά που βοηθούν στη συναρμολόγηση του πίνακα. Τα εξαρτήματα μιας πλακέτας κυκλώματος μπορούν να συνδεθούν στην πλακέτα με διάφορους τρόπους, συμπεριλαμβανομένης της συγκόλλησης. Ορισμένες μέθοδοι προσάρτησης χρησιμοποιούν μικρές οπές γνωστές ως vias που τρυπούνται μέσω της πλακέτας κυκλώματος. Σκοπός τους είναι να επιτρέπουν στον ηλεκτρισμό να ρέει από τη μια πλευρά της σανίδας στην άλλη.

ΕΝΑ κύκλωμα είναι ένας βρόχος αγώγιμου υλικού στον οποίο μπορεί να ταξιδέψει ο ηλεκτρισμός. Όταν ο βρόχος είναι κλειστός, η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να ρέει αδιάκοπα από μια πηγή ενέργειας όπως μια μπαταρία μέσω του αγώγιμου υλικού και στη συνέχεια να επιστρέψει στην πηγή ενέργειας. Ο σχεδιασμός του κυκλώματος βασίζεται στο γεγονός ότι η ηλεκτρική ενέργεια επιδιώκει να ρέει από μια τάση υψηλότερης ισχύος, η οποία είναι ένα μέτρο του ηλεκτρικού δυναμικού, σε μια χαμηλότερη τάση.

Κάθε κύκλωμα αποτελείται από τουλάχιστον τέσσερα βασικά στοιχεία. Το πρώτο στοιχείο είναι ένα ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ για τροφοδοσία AC ή DC. Το δεύτερο στοιχείο είναι ένα αγώγιμο υλικό όπως ένα σύρμα στο οποίο η ενέργεια μπορεί να κινηθεί κατά μήκος. Αυτή η αγώγιμη διαδρομή είναι γνωστή ως το πίστα ή ίχνος. Το τρίτο στοιχείο είναι το φορτώνω, το οποίο αποτελείται από τουλάχιστον ένα στοιχείο που εξαντλεί μέρος της ισχύος για την εκτέλεση μιας εργασίας ή μιας λειτουργίας. Το τέταρτο και τελευταίο στοιχείο είναι τουλάχιστον ένα ελεγκτής ή διακόπτης για τον έλεγχο της ροής της εξουσίας.

Όταν εισάγετε ένα φορτίο στην κλειστή διαδρομή ενός κυκλώματος, το φορτίο μπορεί να χρησιμοποιήσει τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος για να εκτελέσει μια ενέργεια που απαιτεί ισχύ. Για παράδειγμα, ένα εξάρτημα διόδου εκπομπής φωτός (LED) μπορεί να γίνει για να ανάβει όταν η ισχύς ρέει μέσω του κυκλώματος όπου έχει εισαχθεί. Το φορτίο πρέπει να καταναλώνει ενέργεια, καθώς μια υπερφόρτωση ρεύματος μπορεί να καταστρέψει τα προσαρτημένα εξαρτήματα.

Τα πιο σημαντικά στοιχεία σε μια πλακέτα κυκλώματος περιλαμβάνουν:

• Μπαταρία: Παρέχει ισχύ για ένα κύκλωμα, συνήθως μέσω μιας συσκευής διπλού τερματικού που παρέχει διαφορά τάσης μεταξύ δύο σημείων του κυκλώματος
• Πυκνωτής: Εξάρτημα που μοιάζει με μπαταρία που μπορεί να συγκρατήσει ή να απελευθερώσει γρήγορα ένα ηλεκτρικό φορτίο
• Δίοδος: Ελέγχει την ηλεκτρική ενέργεια σε μια πλακέτα κυκλώματος αναγκάζοντάς την να ρέει προς μία κατεύθυνση
• Επαγωγέας: Αποθηκεύει ενέργεια από ηλεκτρικό ρεύμα ως μαγνητική ενέργεια
• IC (ΕνσωματωμένοΚύκλωμα): Ένα τσιπ που μπορεί να περιέχει πολλά κυκλώματα και εξαρτήματα σε μικρογραφία και που συνήθως εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία
• LED (ΦωςΑναδοτικόςΔίοδος): Ένα μικρό φως που χρησιμοποιείται σε μια πλακέτα κυκλώματος για την παροχή οπτικής ανάδρασης
• Αντίσταση: Ρυθμίζει τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος παρέχοντας αντίσταση
• Διακόπτης: Είτε μπλοκάρει το ρεύμα είτε του επιτρέπει να ρέει, ανάλογα με το αν είναι κλειστό ή ανοιχτό
• Τρανζίστορ: Ένας τύπος διακόπτη που ελέγχεται από ηλεκτρικά σήματα

Κάθε ένα από τα εξαρτήματα σε μια πλακέτα κυκλώματος εκτελεί μια συγκεκριμένη εργασία ή ένα σύνολο εργασιών που καθορίζονται από τη συνολική λειτουργία PCB. Μερικά από τα εξαρτήματα όπως τα τρανζίστορ και οι πυκνωτές λειτουργούν απευθείας με ηλεκτρικά ρεύματα. Χρησιμεύουν ως δομικά στοιχεία σε πιο πολύπλοκα εξαρτήματα γνωστά ως ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Ο όρος PCBA (ακρωνύμιο για το Printed Circuit Board Assembly) χρησιμοποιείται για να περιγράψει μια πλακέτα κυκλώματος που είναι πλήρως γεμάτη με εξαρτήματα που είναι προσαρτημένα στην πλακέτα και συνδέονται με τα χάλκινα ίχνη. Αναφέρεται επίσης ως συγκρότημα plug-in. Μια πλακέτα που έχει ίχνη χαλκού αλλά δεν έχει εγκατεστημένα εξαρτήματα αναφέρεται συχνά ως α γυμνή κάρτα ή α πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος.

Ο σχεδιασμός των σύγχρονων πλακών κυκλωμάτων τους επιτρέπει να παράγονται μαζικά με χαμηλότερο κόστος από τις παλαιότερες πλακέτες τυλιγμένες με σύρμα. Αφού σχεδιαστεί η φάση σχεδιασμού μιας πλακέτας με τη βοήθεια εξειδικευμένου λογισμικού υπολογιστή, η κατασκευή και η συναρμολόγηση είναι – για τους περισσότερους – αυτοματοποιημένες. Ένα PCBA θεωρείται ότι έχει τελειώσει και είναι έτοιμο για χρήση μετά την ολοκλήρωση των δοκιμών διασφάλισης ποιότητας.

Ενα ανοικτό κύκλωμα είναι ένα που δεν είναι κλειστό λόγω σπασμένου καλωδίου ή χαλαρής σύνδεσης. Ένα ανοιχτό κύκλωμα δεν θα λειτουργήσει επειδή δεν μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό. Αν και η τάση μπορεί να είναι διαθέσιμη σε ένα ανοιχτό κύκλωμα, δεν υπάρχει τρόπος να ρέει. Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι επιθυμητό ένα ανοιχτό κύκλωμα. Για παράδειγμα, ο διακόπτης που χρησιμοποιείται για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση ενός φωτός ανοίγει και κλείνει το κύκλωμα που συνδέει το φως με την πηγή τροφοδοσίας του.

Ένας άλλος τύπος ελαττωματικού κυκλώματος είναι το βραχυκύκλωμα, το οποίο μπορεί να συμβεί όταν υπερβολική ισχύς κινείται μέσω ενός κυκλώματος και καταστρέφει το αγώγιμο υλικό ή την παροχή ρεύματος. Ένα βραχυκύκλωμα μπορεί να προκληθεί από δύο σημεία σε ένα κύκλωμα που συνδέονται όταν δεν πρέπει, όπως δύο ακροδέκτες ενός τροφοδοτικού που συνδέονται χωρίς εξάρτημα φορτίου μεταξύ τους για να αποστραγγίσουν μέρος του ρεύμα. Η διακοπή της παροχής ρεύματος με αυτόν τον τρόπο μπορεί να είναι επικίνδυνη και μπορεί ακόμη και να προκαλέσει πυρκαγιά ή έκρηξη.

Οι σωλήνες κενού και τα ηλεκτρικά ρελέ εκτελούσαν τις βασικές λειτουργίες των πρώιμων υπολογιστών. Η εισαγωγή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων οδήγησε σε μείωση τόσο του μεγέθους όσο και του κόστους των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων. Σύντομα αναπτύχθηκαν πλακέτες κυκλωμάτων που περιείχαν όλη την καλωδίωση μιας συσκευής που προηγουμένως καταλάμβανε ένα ολόκληρο δωμάτιο. Αυτές οι πρώιμες σανίδες κατασκευάζονταν από μια ποικιλία υλικών, όπως ο μασονίτης, ο βακελίτης και το χαρτόνι, και οι σύνδεσμοι αποτελούνταν από ορειχάλκινα σύρματα τυλιγμένα γύρω από στύλους.

Ξεκινώντας τη δεκαετία του 1940, οι πλακέτες κυκλωμάτων έγιναν πιο αποτελεσματικές και φθηνότερες στην παραγωγή όταν το χάλκινο σύρμα αντικατέστησε τον ορείχαλκο. Οι πρώτες σανίδες με χάλκινη καλωδίωση χρησιμοποιήθηκαν σε στρατιωτικά ραδιόφωνα και μέχρι τη δεκαετία του 1950 χρησιμοποιήθηκαν και για καταναλωτικές συσκευές. Σύντομα οι πλακέτες μονής όψης που περιείχαν καλωδιώσεις μόνο στη μία πλευρά εξελίχθηκαν στα PCB διπλής όψης και πολλαπλών στρωμάτων που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε ευρεία κλίμακα.

Από τη δεκαετία του 1970 έως τη δεκαετία του 1990, ο σχεδιασμός των PCB έγινε πιο περίπλοκος. Ταυτόχρονα, τόσο το φυσικό μέγεθος όσο και το κόστος των σανίδων συνέχισαν να συρρικνώνονται. Καθώς οι πλακέτες έγιναν πιο πυκνές με προσαρτημένα εξαρτήματα, αναπτύχθηκαν εφαρμογές σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD) για να βοηθήσουν στη δημιουργία τους. Σήμερα, υπάρχει μια ποικιλία εργαλείων διαθέσιμα για ψηφιακή σχεδίαση PCB, από δωρεάν και χαμηλού κόστους επιλογές έως πλήρως λειτουργικά πακέτα υψηλών τιμών που βοηθούν στο σχεδιασμό, την κατασκευή και τη δοκιμή.

Τα σύγχρονα ηλεκτρονικά δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν χωρίς το ολοκληρωμένο κύκλωμα, το οποίο εισήχθη στα τέλη της δεκαετίας του 1950. Το IC είναι μια μικροσκοπική συλλογή κυκλωμάτων και εξαρτημάτων όπως τρανζίστορ, αντιστάσεις και δίοδοι που συναρμολογούνται σε ένα τσιπ υπολογιστή για να εκτελέσουν μια συγκεκριμένη λειτουργία. Ένα μεμονωμένο τσιπ IC μπορεί να περιέχει χιλιάδες ή και εκατομμύρια εξαρτήματα. Οι πιο συνηθισμένοι τύποι ολοκληρωμένων κυκλωμάτων περιλαμβάνουν λογικές πύλες, χρονόμετρα, μετρητές και καταχωρητές μετατόπισης.

Εκτός από τα IC χαμηλού επιπέδου, υπάρχουν επίσης πιο πολύπλοκα IC μικροεπεξεργαστή και μικροελεγκτή που έχουν τη δυνατότητα να ελέγχουν έναν υπολογιστή ή άλλη συσκευή. Άλλα πολύπλοκα ολοκληρωμένα κυκλώματα περιλαμβάνουν ψηφιακούς αισθητήρες όπως επιταχυνσιόμετρα και γυροσκόπια που βρίσκονται σε κινητά τηλέφωνα και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές. Όπως και άλλα μέρη των PCB, το μέγεθος των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μειώνεται σταθερά τις τελευταίες δεκαετίες.

Τοποθέτηση εξαρτημάτων σε πρώιμα PCB μονής όψης που χρησιμοποιούνται τεχνολογία διαμπερούς οπής, όπου ένα εξάρτημα προσαρτήθηκε στη μία πλευρά της σανίδας και στερεώθηκε μέσω μιας οπής σε αγώγιμα ίχνη σύρματος στην άλλη πλευρά χρησιμοποιώντας συγκόλληση. Την εποχή που εισήχθη, η τεχνολογία διαμπερούς οπής ήταν μια πρόοδος σε σχέση με την κατασκευή από σημείο σε σημείο, αλλά οι τρύπες τρυπημένο στο PCB για τοποθέτηση οδήγησε σε αρκετά προβλήματα σχεδιασμού, ειδικά μετά την εισαγωγή του πολυστρωματικού σανίδες. Δεδομένου ότι οι τρύπες έπρεπε να περάσουν από όλα τα στρώματα, ένα μεγάλο ποσοστό της διαθέσιμης ακίνητης περιουσίας στον πίνακα εξαλείφθηκε.

Τεχνολογία επιφανειακής τοποθέτησης (SMT) έλυσε πολλά από τα προβλήματα που προκλήθηκαν από τις διαμπερείς οπές. Χρησιμοποιήθηκε ευρέως τη δεκαετία του 1990, αν και είχε εισαχθεί αρκετές δεκαετίες νωρίτερα. Τα εξαρτήματα άλλαξαν ώστε να έχουν προσαρτημένα μικρά τακάκια που θα μπορούσαν να συγκολληθούν απευθείας σε μια πλακέτα κυκλώματος αντί μέσω ενός καλωδίου. Η SMT επέτρεψε στους κατασκευαστές PCB να συσκευάζουν πυκνά μεγάλο αριθμό εξαρτημάτων και στις δύο πλευρές ενός PCB. Αυτός ο τύπος τοποθέτησης είναι επίσης ευκολότερος να κατασκευαστεί με αυτοματισμό.

Η τοποθέτηση SMT δεν εξάλειψε την ανάγκη για τρύπες στις πλακέτες κυκλωμάτων. Ορισμένα σχέδια PCB εξακολουθούν να χρησιμοποιούν vias για να επιτρέπουν διασυνδέσεις μεταξύ εξαρτημάτων σε διαφορετικά επίπεδα. Ωστόσο, αυτές οι οπές δεν είναι τόσο παρεμβατικές όσο οι διαμπερείς οπές που χρησιμοποιήθηκαν προηγουμένως για την τοποθέτηση εξαρτημάτων.

Οι πιο περίπλοκες ηλεκτρονικές συσκευές μπορεί να περιλαμβάνουν πολυστρωματικά PCB. Αυτές οι σανίδες αποτελούνται από τουλάχιστον τρία στρώματα αγώγιμου υλικού όπως ο χαλκός που εναλλάσσονται με στρώματα μόνωσης. Οι συνήθεις διαμορφώσεις για πολυστρωματικές σανίδες περιλαμβάνουν τέσσερα, έξι, οκτώ ή 10 στρώματα. Όλα τα στρώματα πρέπει να είναι πλαστικοποιημένα μαζί για να διασφαλιστεί ότι δεν παγιδεύεται αέρας μεταξύ των στρωμάτων. Αυτή η διαδικασία γίνεται συνήθως υπό υψηλή θερμοκρασία και πίεση.

Τα οφέλη των πολυστρωματικών PCB περιλαμβάνουν μεγαλύτερη πυκνότητα εξαρτημάτων και κυκλωμάτων σε μικρότερο χώρο. Χρησιμοποιούνται για υπολογιστές, διακομιστές αρχείων, τεχνολογία GPS, συσκευές υγειονομικής περίθαλψης και δορυφορικά και αεροδιαστημικά συστήματα. Ωστόσο, οι πολυστρωματικές σανίδες έχουν επίσης ορισμένα μειονεκτήματα. Είναι πιο περίπλοκα και πιο δύσκολο να σχεδιαστούν και να κατασκευαστούν από τις σανίδες μονής και διπλής όψης, γεγονός που τις καθιστά πιο ακριβές. Μπορεί επίσης να είναι δύσκολο να επισκευαστούν όταν κάτι πάει στραβά στα εσωτερικά στρώματα της πλακέτας.