Wat zijn de functies van een printplaat?

Een printplaat, of PCB, is te vinden in bijna elk type elektronisch apparaat. Deze plastic borden en hun ingebouwde componenten bieden de basistechnologie voor alles, van computers en mobiele telefoons tot smartwatches. Dankzij de circuitaansluitingen op een PCB kan elektrische stroom efficiënt tussen de geminiaturiseerde componenten op het bord worden geleid, ter vervanging van grotere apparaten en omvangrijke bedrading.

Afhankelijk van de toepassing waarvoor het is ontworpen, kan een pc-kaart verschillende taken uitvoeren met betrekking tot computergebruik, communicatie en gegevensoverdracht. Afgezien van de taken die het uitvoert, is misschien wel de belangrijkste functie van een printplaat het bieden van een manier om de elektronica voor een apparaat in een compacte ruimte te integreren. Met een PCB kunnen componenten correct worden aangesloten op een stroombron en tegelijkertijd veilig worden geïsoleerd. Ook zijn printplaten minder duur dan andere opties, omdat ze kunnen worden ontworpen met digitale ontwerptools en in grote hoeveelheden kunnen worden vervaardigd met behulp van fabrieksautomatisering.

Een moderne printplaat is meestal gemaakt van lagen van verschillende materialen. Door middel van een lamineerproces worden de verschillende lagen met elkaar versmolten. Het basismateriaal in veel boards is glasvezel, dat zorgt voor een stijve kern. Daarna volgt een laag koperfolie aan één of beide zijden van het bord. Vervolgens wordt een chemisch proces gebruikt om kopersporen te definiëren die geleidende paden worden. Deze sporen nemen de plaats in van rommelige draadomwikkeling die wordt aangetroffen in de punt-naar-punt constructiemethode die werd gebruikt voor eerdere elektronica-assemblages.

EEN soldeer maskerlaag wordt toegevoegd aan de printplaat om de koperlaag te beschermen en te isoleren. Deze kunststof laag bedekt beide zijden van het bord en is vaak groen. Het wordt gevolgd door een zeefdruk laag met letters, cijfers en andere identificatiemiddelen die helpen bij het samenstellen van de kaart. De componenten van een printplaat kunnen op verschillende manieren op de printplaat worden bevestigd, waaronder solderen. Sommige bevestigingsmethoden maken gebruik van kleine gaatjes die bekend staan ​​als: via's die door de printplaat worden geboord. Hun doel is om elektriciteit van de ene kant van het bord naar de andere te laten stromen.

EEN stroomkring is een lus van geleidend materiaal waar elektriciteit mee kan reizen. Wanneer de lus gesloten is, kan elektriciteit ononderbroken stromen van een stroombron zoals een batterij door het geleidende materiaal en vervolgens terug naar de stroombron. Het ontwerp van het circuit is gebaseerd op het feit dat elektriciteit probeert te stromen van een hogere voedingsspanning, wat een maat is voor het elektrische potentieel, naar een lagere spanning.

Elke schakeling is opgebouwd uit minimaal vier basiselementen. Het eerste element is een energiebron voor zowel wisselstroom als gelijkstroom. Het tweede element is een geleidend materiaal zoals een draad waar de energie mee kan bewegen. Dit geleidende pad staat bekend als de spoor of spoor. Het derde element is de laden, die uit ten minste één onderdeel bestaat dat een deel van de stroom verbruikt om een ​​taak of bewerking uit te voeren. Het vierde en laatste element is minstens één controleur of schakelaar om de stroom van macht te beheersen.

Wanneer u een belasting in het gesloten pad van een circuit plaatst, kan de belasting de stroom van elektrische stroom gebruiken om een ​​actie uit te voeren waarvoor stroom nodig is. Er kan bijvoorbeeld een component met een lichtemitterende diode (LED) worden gemaakt om op te lichten wanneer er stroom door het circuit stroomt waar het is ingevoegd. De belasting moet energie verbruiken, omdat een overbelasting de aangesloten componenten kan beschadigen.

De belangrijkste componenten op een printplaat zijn:

• Batterij: Levert stroom voor een circuit, meestal via een apparaat met twee aansluitingen dat zorgt voor een spanningsverschil tussen twee punten in het circuit
• Condensator: Een batterijachtig onderdeel dat snel een elektrische lading kan vasthouden of afgeven
• Diode: Regelt elektriciteit op een printplaat door deze in één richting te laten stromen
• Spoel: Slaat energie van een elektrische stroom op als magnetische energie
• IC (geïntegreerd)Stroomkring): Een chip die veel circuits en componenten in geminiaturiseerde vorm kan bevatten en die typisch een specifieke functie vervult
• LED (LichtuitzendenDiode): Een klein lampje dat op een printplaat wordt gebruikt om visuele feedback te geven
• Weerstand: Reguleert de stroom van elektrische stroom door weerstand te bieden
• Schakelaar: Blokkeert de stroom of laat deze stromen, afhankelijk van of deze gesloten of open is
• Transistor: Een type schakelaar bestuurd door elektrische signalen

Elk van de componenten op een printplaat voert een specifieke taak of reeks taken uit die worden bepaald door de algehele PCB-functie. Sommige componenten zoals transistors en condensatoren werken rechtstreeks op elektrische stromen. Ze dienen als bouwstenen binnen complexere componenten die bekend staan ​​als geïntegreerde schakelingen.

De term PCBA (een acroniem voor Printed Circuit Board Assembly) wordt gebruikt om een ​​printplaat te beschrijven die volledig is gevuld met componenten die aan het bord zijn bevestigd en zijn verbonden met de koperen sporen. Het wordt ook wel een plug-in-assemblage genoemd. Een bord dat kopersporen heeft, maar waarop geen componenten zijn geïnstalleerd, wordt vaak een kaal bord of een printplaat.

Door het ontwerp van moderne printplaten kunnen ze in massaproductie worden geproduceerd tegen lagere kosten dan oudere met draad omwikkelde borden. Nadat de ontwerpfase van een bord met behulp van gespecialiseerde computersoftware is ingericht, is de fabricage en montage voor de meesten geautomatiseerd. Een PCBA wordt als voltooid en gebruiksklaar beschouwd nadat de kwaliteitsborgingstesten zijn voltooid.

Een open Circuit is er een die niet is gesloten vanwege een draadbreuk of een losse verbinding. Een open circuit werkt niet omdat het geen elektriciteit kan geleiden. Hoewel er spanning beschikbaar kan zijn in een open circuit, is er geen manier om deze te laten stromen. In sommige gevallen is een open circuit gewenst. De schakelaar die wordt gebruikt om een ​​lamp aan en uit te zetten, opent en sluit bijvoorbeeld het circuit dat de lamp met de stroombron verbindt.

Een ander type defect circuit is de kortsluiting, wat kan optreden wanneer te veel stroom door een circuit gaat en het geleidende materiaal of de voeding beschadigt. Een kortsluiting kan worden veroorzaakt doordat twee punten in een circuit met elkaar in verbinding staan ​​wanneer dat niet de bedoeling is, zoals de twee klemmen van een voeding die zijn aangesloten zonder een belastingscomponent ertussen om een ​​deel van de af te voeren stroom. Het op deze manier kortsluiten van een voeding kan gevaarlijk zijn en kan zelfs leiden tot brand of een explosie.

Vacuümbuizen en elektrische relais vervulden de basisfuncties van vroege computers. De introductie van geïntegreerde schakelingen leidde tot een vermindering van zowel de omvang als de kosten van elektronische componenten. Al snel werden er printplaten ontwikkeld die alle bedrading bevatten van een apparaat dat voorheen een hele kamer in beslag nam. Deze vroege borden waren gemaakt van een verscheidenheid aan materialen, waaronder masonite, bakeliet en karton, en de connectoren bestonden uit koperen draden die om palen waren gewikkeld.

Vanaf de jaren veertig werden printplaten efficiënter en goedkoper om te produceren toen koperdraad messing verving. Vroege borden met koperen bedrading werden gebruikt op militaire radio's en tegen de jaren vijftig werden ze ook gebruikt voor consumentenapparatuur. Al snel evolueerden enkelzijdige printplaten met bedrading aan slechts één kant naar de dubbelzijdige en meerlaagse PCB's die momenteel veel worden gebruikt.

Van de jaren zeventig tot de jaren negentig werd het ontwerp van PCB's complexer. Tegelijkertijd bleven zowel de fysieke omvang als de kosten van platen krimpen. Naarmate borden dichter werden met bijgevoegde componenten, werden computerondersteunde ontwerptoepassingen (CAD) ontwikkeld om te helpen bij het maken ervan. Tegenwoordig is er een verscheidenheid aan tools beschikbaar voor het ontwerpen van digitale PCB's, van gratis en goedkope opties tot volledig functionele, dure pakketten die helpen bij het ontwerpen, produceren en testen.

Moderne elektronica zou niet kunnen bestaan ​​zonder de geïntegreerde schakeling, die eind jaren vijftig werd geïntroduceerd. Een IC is een geminiaturiseerde verzameling circuits en componenten zoals transistors, weerstanden en diodes die op een computerchip zijn geassembleerd om een ​​specifieke functie uit te voeren. Een enkele IC-chip kan duizenden of zelfs miljoenen componenten bevatten. De meest voorkomende typen geïntegreerde schakelingen zijn logische poorten, timers, tellers en schuifregisters.

Naast low-level IC's zijn er ook complexere microprocessor- en microcontroller-IC's die een computer of een ander apparaat kunnen besturen. Andere complexe geïntegreerde schakelingen omvatten digitale sensoren zoals versnellingsmeters en gyroscopen die te vinden zijn in mobiele telefoons en andere elektronische apparaten. Net als andere delen van PCB's is de omvang van geïntegreerde schakelingen de afgelopen decennia gestaag afgenomen.

Componentmontage op vroege enkelzijdige PCB's gebruikt through-hole technologie, waarbij een onderdeel aan de ene kant van het bord werd bevestigd en door een gat aan de andere kant met behulp van solderen aan geleidende draadsporen werd bevestigd. Op het moment dat het werd geïntroduceerd, was through-hole-technologie een vooruitgang ten opzichte van point-to-point constructie, maar gaten geboord in de printplaat voor montage leidde tot verschillende ontwerpproblemen, vooral na de introductie van meerlagen planken. Omdat gaten door alle lagen moesten gaan, werd een groot percentage van het beschikbare onroerend goed op het bord geëlimineerd.

Surface-mount technologie (SMT) loste veel van de problemen op die werden veroorzaakt door doorlopende gaten. Het werd op grote schaal gebruikt in de jaren negentig, hoewel het enkele decennia eerder was geïntroduceerd. Componenten werden gewijzigd om kleine pads te hebben die direct op een printplaat konden worden gesoldeerd in plaats van via een draad. Met SMT konden PCB-fabrikanten een groot aantal componenten aan beide zijden van een PCB dicht verpakken. Dit type montage is ook gemakkelijker te vervaardigen met automatisering.

SMT-montage elimineerde de noodzaak van gaten in printplaten niet. Sommige PCB-ontwerpen maken nog steeds gebruik van via's om onderlinge verbindingen tussen componenten op verschillende lagen mogelijk te maken. Deze gaten zijn echter niet zo opdringerig als de doorgaande gaten die eerder werden gebruikt voor de montage van componenten.

De meest complexe elektronische apparaten kunnen meerlagige PCB's bevatten. Deze platen bestaan ​​uit minimaal drie lagen van een geleidend materiaal zoals koper, afgewisseld met isolatielagen. Veelgebruikte configuraties voor meerlaagse platen omvatten vier, zes, acht of tien lagen. Alle lagen moeten aan elkaar worden gelamineerd om ervoor te zorgen dat er geen lucht tussen de lagen wordt opgesloten. Dit proces wordt meestal uitgevoerd onder hoge temperatuur en druk.

De voordelen van meerlaagse PCB's zijn onder meer een hogere dichtheid van componenten en circuits in een kleinere ruimte. Ze worden gebruikt voor computers, bestandsservers, GPS-technologie, apparaten voor de gezondheidszorg en satelliet- en ruimtevaartsystemen. Meerlaagse platen hebben echter ook enkele nadelen. Ze zijn ingewikkelder en moeilijker te ontwerpen en te vervaardigen dan enkel- en dubbelzijdige platen, waardoor ze duurder zijn. Ze kunnen ook moeilijk te repareren zijn als er iets misgaat in de interne lagen van het bord.