Mitkä ovat piirilevyn toiminnot?

Painettu piirilevy tai PCB löytyy lähes kaikista elektronisista laitteista. Nämä muovilevyt ja niiden sulautetut komponentit tarjoavat perustekniikan kaikkeen tietokoneista ja matkapuhelimista älykelloihin. Piirilevyn piirikytkennät mahdollistavat sähkövirran tehokkaan ohjaamisen levyn pienikokoisten komponenttien välillä korvaten suurempia laitteita ja tilaa vieviä johdotuksia.

Riippuen sovelluksesta, johon se on suunniteltu, PC-levy voi suorittaa erilaisia ​​​​laskentaan, tietoliikenteeseen ja tiedonsiirtoon liittyviä tehtäviä. Sen suorittamien tehtävien lisäksi piirilevyn ehkä tärkein tehtävä on tarjota tapa integroida laitteen elektroniikka kompaktiin tilaan. Piirilevyn avulla komponentit voidaan liittää oikein virtalähteeseen samalla kun ne on eristetty turvallisesti. Myös piirilevyt ovat muita vaihtoehtoja halvempia, koska ne voidaan suunnitella digitaalisilla suunnittelutyökaluilla ja valmistaa suuria määriä tehdasautomaatiolla.

Nykyaikainen piirilevy on tyypillisesti valmistettu eri materiaalikerroksista. Eri kerrokset sulatetaan yhteen laminointiprosessin kautta. Monien levyjen pohjamateriaali on lasikuitu, joka muodostaa jäykän ytimen. Seuraavaksi tulee kuparifoliokerros levyn toiselle tai molemmille puolille. Kemiallista prosessia käytetään sitten määrittämään kuparijälkiä, joista tulee johtavia polkuja. Nämä jäljet ​​korvaavat aiemmissa elektroniikkakokoonpanoissa käytetyssä point-to-point -rakennusmenetelmässä sotkuisen lankakääreen.

A juotosmaskin kerros on lisätty piirilevyyn suojaamaan ja eristämään kuparikerrosta. Tämä muovikerros peittää laudan molemmat puolet ja on usein vihreä. Sitä seuraa a silkkipainokerros kirjaimilla, numeroilla ja muilla tunnisteilla, jotka auttavat levyn kokoamisessa. Piirilevyn komponentit voidaan kiinnittää piirilevyyn useilla tavoilla, mukaan lukien juottamalla. Jotkut kiinnitystavat käyttävät pieniä reikiä, jotka tunnetaan nimellä kautta jotka porataan piirilevyn läpi. Niiden tarkoitus on päästää sähkö virtaamaan levyn toiselta puolelta toiselle.

A piiri on johtavaa materiaalia oleva silmukka, jota pitkin sähkö voi kulkea. Kun silmukka on kiinni, sähkö voi virrata keskeytyksettä virtalähteestä, kuten akusta, johtavan materiaalin läpi ja sitten takaisin virtalähteeseen. Piirin suunnittelu perustuu siihen, että sähkö pyrkii virtaamaan korkeammasta tehojännitteestä, joka on sähköpotentiaalin mitta, pienempään jännitteeseen.

Jokainen piiri koostuu vähintään neljästä peruselementistä. Ensimmäinen elementti on an energian lähde joko vaihto- tai tasavirralle. Toinen elementti on johtavaa materiaalia, kuten lanka, jota pitkin energia voi liikkua. Tämä johtava polku tunnetaan nimellä seurata tai jäljittää. Kolmas elementti on ladata, joka koostuu vähintään yhdestä komponentista, joka kuluttaa osan tehosta tehtävän tai toiminnon suorittamiseen. Neljäs ja viimeinen elementti on vähintään yksi ohjain tai vaihtaa hallitsemaan voimankulkua.

Kun asetat kuorman piirin suljetulle tielle, kuorma voi käyttää sähkövirran virtaa tehoa vaativan toiminnan suorittamiseen. Esimerkiksi valodiodi (LED) -komponentti voidaan saada syttymään, kun virta kulkee piirin läpi, johon se on asetettu. Kuorman on kulutettava energiaa, koska ylikuormitus voi vahingoittaa kiinnitettyjä osia.

Piirilevyn tärkeimpiä komponentteja ovat:

• Akku: Antaa virtaa piirille, yleensä kaksinapaisen laitteen kautta, joka tarjoaa jännite-eron piirin kahden pisteen välillä
• Kondensaattori: Akkumainen komponentti, joka voi nopeasti pitää tai vapauttaa sähkövarauksen
• Diodi: Ohjaa piirilevyn sähköä pakottamalla sen virtaamaan yhteen suuntaan
• Induktori: Tallentaa sähkövirran energiaa magneettisena energiana
• IC (integroituPiiri): Siru, joka voi sisältää monia piirejä ja komponentteja pienessä muodossa ja joka tyypillisesti suorittaa tietyn toiminnon
• LED (KevytLähettääDiodi): Pieni valo, jota käytetään piirilevyllä antamaan visuaalista palautetta
• Vastus: Säätelee sähkövirran kulkua antamalla vastusta
• Vaihtaa: Joko estää virran tai antaa sen kulkea sen mukaan, onko se kiinni vai auki
• Transistori: Kytkintyyppi, jota ohjataan sähköisillä signaaleilla

Jokainen piirilevyn komponentti suorittaa tietyn tehtävän tai joukon tehtäviä, jotka määräytyvät PCB: n kokonaistoiminnon mukaan. Jotkut komponentit, kuten transistorit ja kondensaattorit, toimivat suoraan sähkövirroilla. Ne toimivat rakennuspalikoina monimutkaisemmissa komponenteissa, jotka tunnetaan nimellä integroidut piirit.

Termiä PCBA (lyhenne sanoista Printed Circuit Board Assembly) käytetään kuvaamaan piirilevyä, joka on täysin täytetty piirilevyyn kiinnitetyillä komponenteilla, jotka on kytketty kuparijälkiin. Sitä kutsutaan myös plug-in-kokoonpanoksi. Levyä, jossa on kuparijäämiä, mutta johon ei ole asennettu komponentteja, kutsutaan usein nimellä a paljas lauta tai a painettu piirilevy.

Nykyaikaisten piirilevyjen suunnittelu mahdollistaa niiden massatuotannon halvemmalla kuin vanhemmat lankakääreiset levyt. Kun levyn suunnitteluvaihe on aseteltu erikoistietokoneohjelmiston avulla, valmistus ja kokoonpano ovat suurimmaksi osaksi automatisoituja. PCBA: n katsotaan olevan valmis ja käyttövalmis, kun laadunvarmistustestaus on suoritettu.

An avoin rata on sellainen, joka ei ole kiinni katkenneen johdon tai löysän liitännän vuoksi. Avoin virtapiiri ei toimi, koska se ei voi johtaa sähköä. Vaikka avoimessa piirissä saattaa olla jännitettä, se ei voi virrata. Joissakin tapauksissa avoin piiri on toivottava. Esimerkiksi kytkin, jota käytetään valon sytyttämiseen ja sammuttamiseen, avaa ja sulkee piirin, joka yhdistää valon sen virtalähteeseen.

Toinen viallisen piirin tyyppi on oikosulku, joka voi tapahtua, kun liian paljon tehoa liikkuu piirin läpi ja vahingoittaa johtavaa materiaalia tai virtalähdettä. Oikosulku voi johtua siitä, että kaksi pistettä piirissä yhdistyvät, kun niiden ei ole tarkoitus, kuten virtalähteen kaksi liitintä on kytketty ilman kuormaa komponenttia niiden välillä tyhjentämään osa virtalähteestä nykyinen. Virtalähteen oikosulku tällä tavalla voi olla vaarallista ja voi jopa aiheuttaa tulipalon tai räjähdyksen.

Tyhjiöputket ja sähköreleet suorittivat varhaisten tietokoneiden perustoiminnot. Integroitujen piirien käyttöönotto johti elektronisten komponenttien koon ja kustannusten pienenemiseen. Pian kehitettiin piirilevyt, jotka sisälsivät kaikki aiemmin koko huoneen miehitetyn laitteen johdot. Nämä varhaiset levyt valmistettiin useista eri materiaaleista, kuten masoniitista, bakeliitista ja pahvista, ja liittimet koostuivat messinkilangoista, jotka oli kiedottu pylväiden ympärille.

1940-luvulta lähtien piirilevyt tulivat tehokkaammiksi ja halvemmiksi valmistaa, kun kuparilanka korvasi messingin. Varhaisia ​​kuparijohdotuslevyjä käytettiin sotilasradioissa, ja 1950-luvulla niitä alettiin käyttää myös kuluttajalaitteissa. Pian yksipuolisista levyistä, jotka sisälsivät johdotuksen vain toisella puolella, kehittyivät tällä hetkellä laajasti käytössä olevat kaksipuoliset ja monikerroksiset piirilevyt.

1970-luvulta 1990-luvulle piirilevyjen suunnittelusta tuli monimutkaisempi. Samaan aikaan sekä levyjen fyysinen koko että hinta jatkoivat pienenemistä. Kun levyt tiivistyivät liitettyjen komponenttien kanssa, tietokoneavusteisia suunnittelusovelluksia (CAD) kehitettiin auttamaan niiden luomisessa. Nykyään digitaaliseen piirilevyjen suunnitteluun on saatavilla useita työkaluja ilmaisista ja edullisista vaihtoehdoista täysin toimiviin, kalliisiin pakkauksiin, jotka auttavat suunnittelussa, valmistuksessa ja testauksessa.

Moderni elektroniikka ei voisi olla olemassa ilman integroitua piiriä, joka otettiin käyttöön 1950-luvun lopulla. IC on pieni kokoelma piirejä ja komponentteja, kuten transistoreita, vastuksia ja diodeja, jotka on koottu tietokonesirulle suorittamaan tiettyä toimintoa. Yksi IC-siru voi sisältää tuhansia tai jopa miljoonia komponentteja. Yleisimpiä integroitujen piirien tyyppejä ovat logiikkaportit, ajastimet, laskurit ja siirtorekisterit.

Matalan tason IC: iden lisäksi on olemassa myös monimutkaisempia mikroprosessori- ja mikrokontrolleri-IC: itä, joilla on kyky ohjata tietokonetta tai muuta laitetta. Muita monimutkaisia ​​integroituja piirejä ovat digitaaliset anturit, kuten kiihtyvyysmittarit ja gyroskoopit, joita löytyy matkapuhelimista ja muista elektronisista laitteista. Muiden piirilevyjen osien tavoin integroitujen piirien koko on jatkuvasti pienentynyt viime vuosikymmeninä.

Komponenttien asennus aikaisemmille yksipuolisille piirilevyille läpireiän tekniikkaa, jossa komponentti kiinnitettiin levyn yhdelle puolelle ja kiinnitettiin reiän kautta johtaviin lankajälkiin toiselle puolelle juottamalla. Kun se esiteltiin, läpireikätekniikka oli edistysaskel pisteestä pisteeseen -rakentamisen, mutta reikien sijaan Porattu piirilevyyn asennusta varten johti useisiin suunnitteluongelmiin, erityisesti monikerroksisen käyttöönoton jälkeen levyt. Koska reikien piti kulkea kaikkien kerrosten läpi, suuri osa käytettävissä olevista kiinteistöistä laudalla eliminoitiin.

Pintaliitostekniikka (SMT) ratkaisi monet läpimenevien reikien aiheuttamista ongelmista. Se tuli laajalti käyttöön 1990-luvulla, vaikka se oli otettu käyttöön useita vuosikymmeniä aikaisemmin. Komponentit muutettiin siten, että niihin kiinnitettiin pieniä tyynyjä, jotka voitiin juottaa piirilevyyn suoraan johdon sijaan. SMT salli piirilevyjen valmistajien pakata tiiviisti suuren määrän komponentteja piirilevyn molemmille puolille. Tämän tyyppinen kiinnitys on myös helpompi valmistaa automaatiolla.

SMT-asennus ei poistanut reikien tarvetta piirilevyissä. Joissakin piirilevymalleissa käytetään edelleen läpivientiä eri kerrosten komponenttien välisten liitäntöjen mahdollistamiseksi. Nämä reiät eivät kuitenkaan ole yhtä häiritseviä kuin aiemmin komponenttien asennukseen käytetyt läpimenevät reiät.

Monimutkaisimmat elektroniset laitteet voivat sisältää monikerroksisia piirilevyjä. Nämä levyt koostuvat vähintään kolmesta kerroksesta johtavaa materiaalia, kuten kuparia, jotka vuorottelevat eristekerrosten kanssa. Yleiset monikerroksisten levyjen kokoonpanot sisältävät neljä, kuusi, kahdeksan tai 10 kerrosta. Kaikki kerrokset tulee laminoida yhteen, jotta kerrosten väliin ei jää ilmaa. Tämä prosessi suoritetaan yleensä korkeassa lämpötilassa ja paineessa.

Monikerroksisten piirilevyjen etuja ovat komponenttien ja piirien suurempi tiheys pienemmässä tilassa. Niitä käytetään tietokoneissa, tiedostopalvelimissa, GPS-tekniikassa, terveydenhuollon laitteissa sekä satelliitti- ja ilmailujärjestelmissä. Monikerroksisilla levyillä on kuitenkin myös joitain haittoja. Ne ovat monimutkaisempia ja vaikeampi suunnitella ja valmistaa kuin yksi- ja kaksipuoliset levyt, mikä tekee niistä kalliimpia. Niitä voi myös olla vaikea korjata, jos jokin menee pieleen levyn sisäkerroksissa.