Aké sú funkcie dosky s plošnými spojmi?

Doska plošných spojov alebo PCB sa nachádza takmer v každom type elektronického zariadenia. Tieto plastové dosky a ich vložené komponenty poskytujú základnú technológiu pre všetko od počítačov a mobilných telefónov až po inteligentné hodinky. Pripojenia obvodov na doske plošných spojov umožňujú efektívne smerovanie elektrického prúdu medzi miniaturizovanými komponentmi na doske, čím nahrádzajú väčšie zariadenia a objemnú kabeláž.

V závislosti od aplikácie, pre ktorú je určená, môže doska PC vykonávať rôzne úlohy súvisiace s výpočtovou technikou, komunikáciou a prenosom údajov. Okrem úloh, ktoré vykonáva, je možno najdôležitejšou funkciou dosky plošných spojov spôsob integrácie elektroniky zariadenia do kompaktného priestoru. Doska plošných spojov umožňuje správne pripojenie komponentov k zdroju napájania, pričom sú bezpečne izolované. Dosky plošných spojov sú tiež lacnejšie ako iné možnosti, pretože ich možno navrhnúť pomocou nástrojov digitálneho dizajnu a vyrobiť vo veľkom objeme pomocou automatizácie v továrni.

Moderná obvodová doska je zvyčajne vyrobená z vrstiev rôznych materiálov. Rôzne vrstvy sa spájajú pomocou procesu laminácie. Základným materiálom mnohých dosiek je sklolaminát, ktorý poskytuje tuhé jadro. Nasleduje vrstva medenej fólie na jednej alebo oboch stranách dosky. Chemický proces sa potom použije na definovanie stôp medi, ktoré sa stanú vodivými cestami. Tieto stopy nahrádzajú chaotické ovíjanie drôtov, ktoré sa nachádza v metóde konštrukcie point-to-point používanej pre staršie elektronické zostavy.

A vrstva spájkovacej masky sa pridáva do dosky plošných spojov na ochranu a izoláciu medenej vrstvy. Táto plastová vrstva pokrýva obe strany dosky a je často zelená. Po ňom nasleduje a sieťotlačová vrstva s písmenami, číslami a inými identifikátormi, ktoré pomáhajú pri montáži dosky. Komponenty dosky plošných spojov môžu byť pripevnené k doske rôznymi spôsobmi, vrátane spájkovania. Niektoré spôsoby pripevnenia využívajú malé otvory, tzv vias ktoré sú vyvŕtané cez obvodovú dosku. Ich účelom je umožniť prúdenie elektriny z jednej strany dosky na druhú.

A obvod je slučka vodivého materiálu, po ktorej môže prúdiť elektrina. Keď je slučka uzavretá, elektrina môže bez prerušenia prúdiť zo zdroja energie, ako je batéria, cez vodivý materiál a potom späť do zdroja energie. Návrh obvodu je založený na skutočnosti, že elektrina sa snaží prúdiť z vyššieho výkonového napätia, ktoré je mierou elektrického potenciálu, do nižšieho napätia.

Každý obvod sa skladá najmenej zo štyroch základných prvkov. Prvým prvkom je an Zdroj energie pre striedavý alebo jednosmerný prúd. Druhým prvkom je vodivý materiál, ako je drôt, po ktorom sa môže energia pohybovať. Táto vodivá dráha je známa ako trať alebo stopa. Tretím prvkom je naložiť, ktorý pozostáva z aspoň jedného komponentu, ktorý odoberá časť energie na vykonanie úlohy alebo operácie. Štvrtý a posledný prvok je aspoň jeden ovládač alebo prepínač na kontrolu toku sily.

Keď vložíte záťaž do uzavretej dráhy okruhu, záťaž môže využiť tok elektrického prúdu na vykonanie činnosti, ktorá si vyžaduje napájanie. Napríklad komponent diódy vyžarujúcej svetlo (LED) môže byť vyrobený tak, aby sa rozsvietila, keď prúd preteká obvodom, do ktorého je vložená. Záťaž potrebuje spotrebovať energiu, pretože preťaženie by mohlo poškodiť pripojené komponenty.

Medzi najdôležitejšie komponenty na doske plošných spojov patria:

• Batéria: Poskytuje napájanie obvodu, zvyčajne prostredníctvom zariadenia s dvoma svorkami, ktoré poskytuje rozdiel napätia medzi dvoma bodmi v obvode
• Kondenzátor: Komponent podobný batérii, ktorý dokáže rýchlo zadržať alebo uvoľniť elektrický náboj
• Dióda: Riadi elektrinu na obvodovej doske tým, že ju núti prúdiť jedným smerom
• Induktor: Ukladá energiu z elektrického prúdu ako magnetickú energiu
• IC (Integrovanýokruh): Čip, ktorý môže obsahovať mnoho obvodov a komponentov v miniaturizovanej forme a ktorý zvyčajne vykonáva špecifickú funkciu
• LED (SvetloVyžarovanieDióda): Malé svetlo používané na doske plošných spojov na poskytovanie vizuálnej spätnej väzby
• Rezistor: Reguluje tok elektrického prúdu poskytovaním odporu
• Prepínač: Buď blokuje prúd, alebo mu umožňuje prúdiť v závislosti od toho, či je zatvorený alebo otvorený
• Tranzistor: Typ spínača ovládaného elektrickými signálmi

Každý z komponentov na doske plošných spojov vykonáva špecifickú úlohu alebo súbor úloh, ktoré sú určené celkovou funkciou PCB. Niektoré zo súčiastok, ako sú tranzistory a kondenzátory, pracujú priamo s elektrickými prúdmi. Slúžia ako stavebné bloky v rámci zložitejších komponentov známych ako integrované obvody.

Pojem PCBA (skratka pre zostavu dosky s plošnými spojmi) sa používa na opis dosky plošných spojov, ktorá je úplne osadená komponentmi pripojenými k doske a pripojenými k medeným stopám. Označuje sa aj ako zásuvná zostava. Doska, ktorá má medené stopy, ale nemá nainštalované komponenty, sa často označuje ako a holá doska alebo a vytlačená obvodová doska.

Dizajn moderných dosiek plošných spojov umožňuje ich hromadnú výrobu pri nižších nákladoch ako staršie dosky s drôteným obalom. Po návrhu fázy dosky pomocou špecializovaného počítačového softvéru je výroba a montáž väčšinou automatizovaná. PCBA sa považuje za dokončenú a pripravenú na použitie po dokončení testovania zabezpečenia kvality.

An otvorený okruh je taký, ktorý nie je zatvorený v dôsledku prerušeného drôtu alebo uvoľneného spojenia. Otvorený okruh nebude fungovať, pretože nemôže viesť elektrinu. Aj keď môže byť napätie dostupné v otvorenom okruhu, neexistuje žiadny spôsob, ako prúdiť. V niektorých prípadoch je potrebný otvorený okruh. Napríklad spínač, ktorý sa používa na zapnutie a vypnutie svetla, otvára a zatvára obvod, ktorý spája svetlo s jeho zdrojom energie.

Ďalším typom chybného obvodu je skrat, čo môže nastať, keď obvodom prejde príliš veľa energie a poškodí vodivý materiál alebo napájací zdroj. Skrat môže byť spôsobený tým, že sa dva body v obvode spoja vtedy, keď sa to nemá, ako napr dva terminály napájacieho zdroja sú spojené bez záťažového komponentu medzi nimi, aby sa vyčerpali niektoré z nich prúd. Skrat napájacieho zdroja týmto spôsobom môže byť nebezpečný a môže dokonca spôsobiť požiar alebo výbuch.

Vákuové trubice a elektrické relé vykonávali základné funkcie prvých počítačov. Zavedenie integrovaných obvodov viedlo k zníženiu veľkosti a ceny elektronických komponentov. Čoskoro boli vyvinuté obvodové dosky, ktoré obsahovali všetky káble zariadenia, ktoré predtým zaberalo celú miestnosť. Tieto rané dosky boli vyrobené z rôznych materiálov vrátane Masonitu, bakelitu a kartónu a konektory pozostávali z mosadzných drôtov omotaných okolo stĺpikov.

Počnúc 40. rokmi 20. storočia sa dosky plošných spojov stali efektívnejšie a lacnejšie na výrobu, keď medený drôt nahradil mosadz. Prvé dosky s medeným vedením sa používali na vojenských rádiách a v 50. rokoch minulého storočia sa používali aj pre spotrebné zariadenia. Čoskoro sa jednostranné dosky, ktoré obsahovali vedenie len na jednej strane, vyvinuli na obojstranné a viacvrstvové dosky plošných spojov, ktoré sú v súčasnosti široko používané.

Od 70. do 90. rokov 20. storočia sa návrh PCB stal zložitejším. Súčasne sa fyzická veľkosť a cena dosiek naďalej zmenšovali. Keďže dosky boli hustejšie s pripojenými komponentmi, boli vyvinuté aplikácie počítačového dizajnu (CAD), ktoré pomáhajú pri ich tvorbe. Dnes je k dispozícii množstvo nástrojov pre digitálny dizajn PCB, od bezplatných a lacných možností až po plne funkčné balíky s vysokou cenou, ktoré pomáhajú pri návrhu, výrobe a testovaní.

Moderná elektronika by nemohla existovať bez integrovaného obvodu, ktorý bol predstavený koncom 50. rokov minulého storočia. Integrovaný obvod je miniaturizovaná zbierka obvodov a komponentov, ako sú tranzistory, odpory a diódy zostavené na počítačovom čipe, aby vykonávali špecifickú funkciu. Jeden IC čip môže obsahovať tisíce alebo dokonca milióny komponentov. Medzi najbežnejšie typy integrovaných obvodov patria logické hradla, časovače, čítače a posuvné registre.

Okrem nízkoúrovňových integrovaných obvodov existujú aj zložitejšie integrované obvody mikroprocesorov a mikrokontrolérov, ktoré majú schopnosť ovládať počítač alebo iné zariadenie. Ďalšie zložité integrované obvody zahŕňajú digitálne senzory, ako sú akcelerometre a gyroskopy, ktoré sa nachádzajú v mobilných telefónoch a iných elektronických zariadeniach. Rovnako ako ostatné časti dosiek plošných spojov, veľkosť integrovaných obvodov sa za posledných niekoľko desaťročí neustále zmenšovala.

Osadenie komponentov na skoré použité jednostranné dosky plošných spojov technológia priechodných otvorov, kde bol komponent pripevnený na jednu stranu dosky a pripevnený cez otvor k vodivým stopám drôtu na druhej strane pomocou spájkovania. V čase, keď bola predstavená, bola technológia priechodných dier pokrokom oproti konštrukcii z bodu do bodu, ale diery vyvŕtané do DPS na montáž viedli k niekoľkým problémom s dizajnom, najmä po zavedení viacvrstvových dosky. Keďže diery museli prejsť všetkými vrstvami, veľké percento dostupných nehnuteľností na doske bolo odstránené.

Technológia povrchovej montáže (SMT) vyriešil mnohé problémy spôsobené priechodnými otvormi. Vo veľkej miere sa začal používať v 90. rokoch, hoci bol predstavený o niekoľko desaťročí skôr. Komponenty boli zmenené tak, aby mali pripevnené malé podložky, ktoré bolo možné prispájkovať na dosku plošných spojov priamo namiesto vodiča. SMT umožnilo výrobcom PCB husto zabaliť veľké množstvo komponentov na obe strany PCB. Tento typ montáže je tiež jednoduchší na výrobu s automatizáciou.

Montáž SMT neodstránila potrebu otvorov v doskách plošných spojov. Niektoré návrhy dosiek plošných spojov stále využívajú priechody na umožnenie prepojenia medzi komponentmi na rôznych vrstvách. Tieto otvory však nie sú také rušivé ako priechodné otvory používané predtým na montáž komponentov.

Najzložitejšie elektronické zariadenia môžu zahŕňať viacvrstvové PCB. Tieto dosky pozostávajú z najmenej troch vrstiev vodivého materiálu, ako je meď, striedavo s vrstvami izolácie. Bežné konfigurácie pre viacvrstvové dosky zahŕňajú štyri, šesť, osem alebo 10 vrstiev. Všetky vrstvy musia byť laminované dohromady, aby sa zabezpečilo, že medzi vrstvami nebude zachytený vzduch. Tento proces sa zvyčajne vykonáva pri vysokej teplote a tlaku.

Medzi výhody viacvrstvových DPS patrí vyššia hustota komponentov a obvodov na menšom priestore. Používajú sa pre počítače, súborové servery, technológiu GPS, zdravotnícke zariadenia a satelitné a letecké systémy. Viacvrstvové dosky však majú aj niektoré nevýhody. Sú zložitejšie a ťažšie sa navrhujú a vyrábajú ako jednostranné a obojstranné dosky, čo ich predražuje. Môžu byť tiež ťažké opraviť, keď sa niečo pokazí vo vnútorných vrstvách dosky.