מהן הפונקציות של לוח מעגלים?

מעגל מודפס, או PCB, נמצא כמעט בכל סוג של מכשיר אלקטרוני. לוחות הפלסטיק הללו והרכיבים המשובצים שלהם מספקים את הטכנולוגיה הבסיסית לכל דבר, ממחשבים וטלפונים ניידים ועד לשעונים חכמים. חיבורי המעגל על ​​גבי PCB מאפשרים ניתוב יעיל של זרם חשמלי בין הרכיבים הממוזערים על הלוח, תוך החלפת התקנים גדולים יותר וחיווט מגושם.

בהתאם ליישום עבורו הוא מיועד, לוח PC עשוי לבצע מגוון משימות הקשורות למחשוב, תקשורת והעברת נתונים. מלבד המשימות שהוא מבצע, אולי התפקיד החשוב ביותר של לוח מעגלים הוא לספק דרך לשלב את האלקטרוניקה של מכשיר בחלל קומפקטי. PCB מאפשר חיבור נכון של רכיבים למקור מתח תוך בידוד בטוח. כמו כן, לוחות מעגלים זולים יותר מאפשרויות אחרות מכיוון שניתן לעצב אותם עם כלי עיצוב דיגיטליים וליצור בנפח גבוה באמצעות אוטומציה של המפעל.

לוח מעגלים מודרני עשוי בדרך כלל משכבות של חומרים שונים. השכבות השונות מתמזגות יחד בתהליך למינציה. חומר הבסיס בלוחות רבים הוא פיברגלס, המספק ליבה קשיחה. שכבת נייר כסף נחושת בצד אחד או משני הצדדים של הלוח מגיעה אחר כך. לאחר מכן נעשה שימוש בתהליך כימי להגדרת עקבות נחושת שהופכים לנתיבים מוליכים. עקבות אלה תופסים את מקומם של עטיפת חוט מבולגנת שנמצאת בשיטת הבנייה מנקודה לנקודה ששימשה למכלולי אלקטרוניקה קודמים.

א שכבת מסכת הלחמה מתווסף ללוח המעגלים כדי להגן ולבודד את שכבת הנחושת. שכבת פלסטיק זו מכסה את שני צידי הלוח ולעתים קרובות היא ירוקה. אחריו מופיע א שכבת משי עם אותיות, מספרים ומזהים אחרים המסייעים בהרכבת הלוח. ניתן לחבר את רכיבי המעגל ללוח במגוון דרכים, כולל הלחמה. חלק משיטות ההתקשרות עושות שימוש בחורים קטנים הידועים בשם vias שקודחים דרך המעגל. מטרתם היא לאפשר לחשמל לזרום מצד אחד של הלוח לצד השני.

א מעגל חשמלי הוא לולאה של חומר מוליך שחשמל יכול לנוע לאורכו. כאשר הלולאה סגורה, החשמל יכול לזרום ללא הפרעה ממקור מתח כגון סוללה דרך החומר המוליך ואז חזרה אל מקור הכוח. תכנון המעגל מבוסס על העובדה שהחשמל מבקש לזרום ממתח הספק גבוה יותר, שהוא מדד לפוטנציאל חשמלי, למתח נמוך יותר.

כל מעגל מורכב מארבעה אלמנטים בסיסיים לפחות. האלמנט הראשון הוא an מקור אנרגיה עבור מתח AC או DC. היסוד השני הוא חומר מוליך כמו חוט שהאנרגיה יכולה לנוע לאורכו. נתיב מוליך זה ידוע בשם מַסלוּל אוֹ זֵכֶר. האלמנט השלישי הוא ה לִטעוֹן, המורכב לפחות ממרכיב אחד שמרוקן חלק מהכוח לבצע משימה או פעולה. המרכיב הרביעי והאחרון הוא אחד לפחות בקר אוֹ החלף לשלוט בזרימת הכוח.

כאשר אתה מכניס עומס למסלול הסגור של מעגל, העומס יכול להשתמש בזרימת הזרם החשמלי כדי לבצע פעולה הדורשת חשמל. לדוגמה, ניתן לגרום לרכיב דיודה פולטת אור (LED) להידלק כאשר הכוח זורם דרך המעגל שבו הוא מוכנס. העומס צריך לצרוך אנרגיה מכיוון שעומס יתר במתח עלול לגרום נזק לרכיבים המחוברים.

הרכיבים החשובים ביותר בלוח מעגלים כוללים:

• סוֹלְלָה: מספק חשמל למעגל, בדרך כלל באמצעות התקן דו-טרמינלי המספק הפרש מתח בין שתי נקודות במעגל
• קַבָּל: רכיב דמוי סוללה שיכול להחזיק או לשחרר במהירות מטען חשמלי
• דיודה: שולט בחשמל על לוח מעגלים על ידי אילוץ לזרום בכיוון אחד
• מַשׁרָן: אוגר אנרגיה מזרם חשמלי כאנרגיה מגנטית
• IC (משולבמעגל חשמלי): שבב שעשוי להכיל מעגלים ורכיבים רבים בצורה ממוזערת ובדרך כלל מבצע פונקציה ספציפית
• לד (אוֹרפולטדיודה): אור קטן המשמש על לוח מעגלים כדי לספק משוב חזותי
• נַגָד: מסדיר את זרימת הזרם החשמלי על ידי מתן התנגדות
• החלף: או חוסם זרם או מאפשר לו לזרום, תלוי אם הוא סגור או פתוח
• טרָנזִיסטוֹר: סוג של מתג הנשלט על ידי אותות חשמליים

כל אחד מהרכיבים בלוח מעגלים מבצע משימה או קבוצת משימות ספציפיים שנקבעים על ידי פונקציית ה-PCB הכוללת. חלק מהרכיבים כגון טרנזיסטורים וקבלים פועלים ישירות על זרמים חשמליים. הם משמשים כאבני בניין בתוך רכיבים מורכבים יותר המכונים מעגלים משולבים.

המונח PCBA (ראשי תיבות של Printed Circuit Board Assembly) משמש לתיאור לוח מעגלים המאוכלס לחלוטין ברכיבים המחוברים ללוח ומחוברים לעקבות הנחושת. זה מכונה גם מכלול פלאגין. לוח שיש בו עקבות נחושת אך לא מותקנים בו רכיבים מכונה לעתים קרובות א לוח חשוף או א לוח מעגלים מודפסים.

העיצוב של לוחות מעגלים מודרניים מאפשר לייצור המוני בעלות נמוכה יותר מאשר לוחות עטופים בחוטים ישנים. לאחר פריסת שלב התכנון של לוח בעזרת תוכנות מחשב מיוחדות, הייצור וההרכבה הם - לרוב - אוטומטיים. PCBA נחשב לגמור ומוכן לשימוש לאחר סיום בדיקות אבטחת האיכות.

א מעגל פתוח הוא כזה שאינו סגור עקב חוט שבור או חיבור רופף. מעגל פתוח לא יעבוד כי הוא לא יכול להוליך חשמל. למרות שמתח יכול להיות זמין במעגל פתוח, אין דרך שהוא יזרום. במקרים מסוימים, רצוי מעגל פתוח. לדוגמה, המתג המשמש להדלקה וכיבוי של אור פותח וסוגר את המעגל שמחבר את האור למקור הכוח שלו.

סוג אחר של מעגל פגום הוא קצר, אשר יכול להתרחש כאשר כוח רב מדי עובר במעגל ופוגע בחומר המוליך או בספק הכוח. קצר חשמלי יכול להיגרם על ידי שתי נקודות במעגל שמתחברות כאשר הן לא אמורות, כמו שני מסופים של ספק כוח מחוברים ללא רכיב עומס בין אז כדי לנקז חלק מה נוֹכְחִי. ניתוק אספקת החשמל בדרך זו עלול להיות מסוכן ואף עלול לגרום לשריפה או פיצוץ.

צינורות ואקום וממסרים חשמליים ביצעו את הפונקציות הבסיסיות של מחשבים מוקדמים. הכנסת מעגלים משולבים הובילה להפחתה הן בגודל והן בעלות של רכיבים אלקטרוניים. עד מהרה פותחו לוחות מעגלים שהכילו את כל החיווט של מכשיר שכבש בעבר חדר שלם. הלוחות המוקדמים הללו נעשו ממגוון חומרים, כולל מאסונייט, בקליט וקרטון, והמחברים היו מורכבים מחוטי פליז שנכרכו סביב עמודים.

החל משנות הארבעים של המאה הקודמת, לוחות מעגלים הפכו יעילים יותר וזולים יותר לייצור כאשר חוטי נחושת החליף את הפליז. לוחות מוקדמים עם חיווט נחושת שימשו במכשירי רדיו צבאיים, ועד שנות ה-50, הם שימשו גם למכשירי צריכה. עד מהרה לוחות חד-צדדיים שהכילו חיווט רק בצד אחד התפתחו ל-PCB הדו-צדדיים והרב-שכבתיים שנמצאים כיום בשימוש נרחב.

משנות ה-70 ועד שנות ה-90, עיצוב PCB הפך למורכב יותר. במקביל, גם הגודל הפיזי וגם עלות הלוחות המשיכו להתכווץ. ככל שהלוחות הפכו צפופים יותר עם רכיבים מחוברים, פותחו יישומי עיצוב בעזרת מחשב (CAD) כדי לסייע ביצירתם. כיום יש מגוון כלים זמינים לעיצוב PCB דיגיטלי, החל מאפשרויות חינמיות ובעלות נמוכה ועד לחבילות פונקציונליות מלאות במחיר גבוה המסייעות בתכנון, ייצור ובדיקה.

האלקטרוניקה המודרנית לא הייתה יכולה להתקיים ללא המעגל המשולב, שהוצג בסוף שנות ה-50. IC הוא אוסף ממוזער של מעגלים ורכיבים כגון טרנזיסטורים, נגדים ודיודות המורכבים על שבב מחשב כדי לבצע פונקציה מסוימת. שבב IC בודד עשוי להכיל אלפי או אפילו מיליוני רכיבים. הסוגים הנפוצים ביותר של מעגלים משולבים כוללים שערים לוגיים, טיימרים, מונים ואוגרי משמרות.

מלבד ICs ברמה נמוכה, ישנם גם מיקרו-מעבדים ומיקרו-בקרים מורכבים יותר שיש להם את היכולת לשלוט במחשב או במכשיר אחר. מעגלים משולבים מורכבים אחרים כוללים חיישנים דיגיטליים כגון מדי תאוצה וג'ירוסקופים שנמצאים בטלפונים ניידים ובמכשירים אלקטרוניים אחרים. כמו חלקים אחרים של PCB, גודלם של מעגלים משולבים ירד בהתמדה במהלך העשורים האחרונים.

הרכבה של רכיבים על PCB חד-צדדיים מוקדמים בשימוש טכנולוגיית חור דרך, כאשר רכיב הוצמד לצד אחד של הלוח והוצמד דרך חור לעקבות חוטים מוליכים בצד השני באמצעות הלחמה. בזמן שהוא הוצג, טכנולוגיית חורי דרך הייתה התקדמות על פני בנייה מנקודה לנקודה, אבל חורים קדח ב-PCB לצורך הרכבה הוביל למספר בעיות עיצוב, במיוחד בעקבות כניסתה של רב שכבתי לוחות. מכיוון שחורים היו צריכים לעבור דרך כל השכבות, בוטל אחוז גדול מהנדל"ן הזמין בלוח.

טכנולוגיית הרכבה על פני השטח (SMT) פתר רבות מהבעיות שנגרמו על ידי חורים דרך. זה הפך בשימוש נרחב בשנות ה-90, למרות שהוא הוצג כמה עשורים קודם לכן. הרכיבים שונו כך שיהיו מחוברים רפידות קטנות שניתן להלחים ללוח מעגלים ישירות במקום דרך חוט. SMT אפשר ליצרני PCB לארוז בצפיפות מספר רב של רכיבים משני הצדדים של PCB. סוג זה של הרכבה קל יותר גם לייצור עם אוטומציה.

התקנת SMT לא ביטלה את הצורך בחורים במעגלים. חלק מתכנוני PCB עדיין עושים שימוש ב-vias כדי לאפשר חיבורים בין רכיבים בשכבות שונות. עם זאת, חורים אלה אינם פולשניים כמו החורים החודרים ששימשו בעבר להרכבת רכיבים.

המכשירים האלקטרוניים המורכבים ביותר עשויים לכלול PCBs רב שכבתיים. לוחות אלו מורכבים לפחות משלוש שכבות של חומר מוליך כמו נחושת לסירוגין עם שכבות בידוד. תצורות נפוצות עבור לוחות רב שכבתיים כוללות ארבע, שש, שמונה או 10 שכבות. יש לרדד את כל השכבות יחד כדי להבטיח שלא ייכלא אוויר בין השכבות. תהליך זה נעשה בדרך כלל תחת טמפרטורה ולחץ גבוהים.

היתרונות של PCBs רב שכבתיים כוללים צפיפות גבוהה יותר של רכיבים ומעגלים בחלל קטן יותר. הם משמשים עבור מחשבים, שרתי קבצים, טכנולוגיית GPS, מכשירי בריאות ומערכות לוויין וחלל. עם זאת, ללוחות רב שכבתיים יש גם כמה חסרונות. הם מורכבים יותר וקשים יותר לתכנון וייצור מאשר לוחות חד ודו צדדיים, מה שמייקר אותם. הם יכולים להיות גם קשים לתיקון כאשר משהו משתבש בתוך השכבות הפנימיות של הלוח.