Kakšne so funkcije vezja?

Tiskano vezje ali PCB najdemo v skoraj vseh vrstah elektronskih naprav. Te plastične plošče in njihove vgrajene komponente zagotavljajo osnovno tehnologijo za vse, od računalnikov in mobilnih telefonov do pametnih ur. Povezave vezja na PCB-ju omogočajo učinkovito usmerjanje električnega toka med miniaturiziranimi komponentami na plošči, kar nadomešča večje naprave in obsežno ožičenje.

Odvisno od aplikacije, za katero je zasnovana, lahko računalniška plošča opravlja različne naloge, povezane z računalništvom, komunikacijo in prenosom podatkov. Poleg nalog, ki jih opravlja, je morda najpomembnejša funkcija tiskanega vezja zagotavljanje načina za integracijo elektronike za napravo v kompaktnem prostoru. PCB omogoča, da so komponente pravilno priključene na vir napajanja, hkrati pa so varno izolirane. Prav tako so vezja cenejša od drugih možnosti, ker jih je mogoče oblikovati z orodji za digitalno načrtovanje in izdelati v velikem obsegu s tovarniško avtomatizacijo.

Sodobno vezje je običajno izdelano iz plasti različnih materialov. Različne plasti se zlijejo skupaj s postopkom laminiranja. Osnovni material mnogih plošč so steklena vlakna, ki zagotavljajo togo jedro. Sledi plast bakrene folije na eni ali obeh straneh plošče. Nato se s kemičnim postopkom določi bakrene sledi, ki postanejo prevodne poti. Te sledi nadomestijo neurejeno ovijanje žice, ki ga najdemo v metodi gradnje od točke do točke, ki se je uporabljala za prejšnje sklope elektronike.

A plast maske za spajkanje je dodan na vezje za zaščito in izolacijo bakrene plasti. Ta plastična plast pokriva obe strani plošče in je pogosto zelena. Sledi a plast sitotiske s črkami, številkami in drugimi identifikatorji, ki pomagajo pri sestavljanju plošče. Komponente vezja je mogoče pritrditi na ploščo na različne načine, vključno s spajkanjem. Nekateri načini pritrditve uporabljajo majhne luknje, znane kot vias ki so izvrtane skozi vezje. Njihov namen je omogočiti pretok električne energije z ene strani plošče na drugo.

A vezje je zanka prevodnega materiala, po kateri lahko potuje elektrika. Ko je zanka zaprta, lahko električna energija nemoteno teče iz vira energije, kot je baterija, skozi prevodni material in nato nazaj do vira energije. Zasnova tokokroga temelji na dejstvu, da želi elektrika teči iz napetosti višje moči, ki je merilo električnega potenciala, v nižjo napetost.

Vsako vezje je sestavljeno iz vsaj štirih osnovnih elementov. Prvi element je an vir energije za AC ali DC napajanje. Drugi element je prevodni material, kot je žica, po kateri se lahko premika energija. Ta prevodna pot je znana kot skladbo oz sled. Tretji element je obremenitev, ki je sestavljen iz vsaj ene komponente, ki porabi nekaj moči za izvedbo naloge ali operacije. Četrti in zadnji element je vsaj eden krmilnik oz stikalo za nadzor pretoka moči.

Ko obremenitev vstavite v zaprto pot vezja, lahko obremenitev uporabi tok električnega toka za izvedbo dejanja, ki zahteva moč. Na primer, komponento svetleče diode (LED) je mogoče narediti tako, da zasveti, ko moč teče skozi vezje, kjer je vstavljena. Obremenitev mora porabiti energijo, saj lahko preobremenitev z električno energijo poškoduje priključene komponente.

Najpomembnejše komponente na vezju vključujejo:

• baterija: Zagotavlja napajanje za vezje, običajno prek naprave z dvojnim terminalom, ki zagotavlja napetostno razliko med dvema točkama v vezju
• kondenzator: komponenta, podobna bateriji, ki lahko hitro zadrži ali sprosti električni naboj
• Dioda: Nadzira elektriko na vezju tako, da jo prisili, da teče v eno smer
• Induktor: Energijo električnega toka shranjuje kot magnetno energijo
• IC (integriranvezje): Čip, ki lahko vsebuje veliko vezij in komponent v miniaturizirani obliki in običajno opravlja določeno funkcijo
• LED (SvetlobaOddajanjeDioda): Majhna lučka, ki se uporablja na vezju za zagotavljanje vizualne povratne informacije
• Upor: Uravnava pretok električnega toka z zagotavljanjem upora
• stikalo: Bodisi blokira tok ali mu dovoli, da teče, odvisno od tega, ali je zaprt ali odprt
• Tranzistor: Vrsta stikala, ki ga nadzorujejo električni signali

Vsaka od komponent na vezju opravlja določeno nalogo ali niz nalog, ki jih določa celotna funkcija tiskanega vezja. Nekatere komponente, kot so tranzistorji in kondenzatorji, delujejo neposredno na električni tok. Služijo kot gradniki v bolj zapletenih komponentah, znanih kot integrirana vezja.

Izraz PCBA (akronim za sklop tiskanega vezja) se uporablja za opis vezja, ki je v celoti napolnjeno s komponentami, pritrjenimi na ploščo in povezanimi z bakrenimi sledmi. Imenuje se tudi vtični sklop. Plošča, ki ima bakrene sledi, vendar nima nameščenih komponent, se pogosto imenuje a gola deska ali a tiskano vezje.

Zasnova sodobnih tiskanih vezij omogoča njihovo množično proizvodnjo po nižji ceni kot starejše plošče z žico. Potem ko je bila faza načrtovanja plošče postavljena s pomočjo specializirane računalniške programske opreme, sta proizvodnja in montaža – za večino – avtomatizirana. Šteje se, da je PCBA dokončan in pripravljen za uporabo po končanem testiranju zagotavljanja kakovosti.

An odprto vezje je tisti, ki ni zaprt zaradi pretrgane žice ali ohlapne povezave. Odprti tokokrog ne bo deloval, ker ne more prevajati električne energije. Čeprav je napetost lahko na voljo v odprtem tokokrogu, ne more teči. V nekaterih primerih je zaželeno odprto vezje. Na primer, stikalo, ki se uporablja za vklop in izklop luči, odpre in zapre vezje, ki povezuje luč z njenim virom napajanja.

Druga vrsta okvarjenega vezja je kratek stik, ki se lahko pojavi, ko se preveč moči premika skozi vezje in poškoduje prevodni material ali napajalnik. Kratek stik lahko povzročita dve točki v tokokrogu, ki se povezujeta, ko ne bi smeli, na primer dva priključka napajalnika, ki sta med njimi povezana brez obremenitvene komponente, da odteče nekaj tok. Kratek stik napajalnika na ta način je lahko nevaren in lahko povzroči celo požar ali eksplozijo.

Vakuumske cevi in ​​električni releji so opravljali osnovne funkcije zgodnjih računalnikov. Uvedba integriranih vezij je privedla do zmanjšanja velikosti in stroškov elektronskih komponent. Kmalu so bila razvita vezja, ki so vsebovala vso ožičenje naprave, ki je prej zasedala celo sobo. Te zgodnje plošče so bile izdelane iz različnih materialov, vključno z masonitom, bakelitom in kartonom, konektorji pa so bili sestavljeni iz medeninastih žic, ovitih okoli stebrov.

Od štiridesetih let prejšnjega stoletja so vezja postala učinkovitejša in cenejša za proizvodnjo, ko je bakrena žica nadomestila medenino. Zgodnje plošče z bakrenimi napeljavami so bile uporabljene na vojaških radiih, do petdesetih let prejšnjega stoletja pa so se uporabljale tudi za potrošniške naprave. Kmalu so se enostranske plošče, ki so vsebovale ožičenje samo na eni strani, razvile v dvostranske in večplastne PCB, ki so trenutno v široki uporabi.

Od sedemdesetih do devetdesetih let prejšnjega stoletja je zasnova PCB postala bolj zapletena. Hkrati sta se tako fizična velikost kot tudi stroški plošč še naprej krčili. Ko so plošče postale gostejše s priloženimi komponentami, so bile razvite aplikacije za računalniško podprto načrtovanje (CAD), ki so pomagale pri njihovem ustvarjanju. Danes je na voljo različna orodja za načrtovanje digitalnih PCB, od brezplačnih in poceni možnosti do popolnoma funkcionalnih in cenovno ugodnih paketov, ki pomagajo pri načrtovanju, izdelavi in ​​testiranju.

Sodobna elektronika ne bi mogla obstajati brez integriranega vezja, ki je bilo uvedeno v poznih petdesetih letih prejšnjega stoletja. IC je miniaturizirana zbirka vezij in komponent, kot so tranzistorji, upori in diode, sestavljeni na računalniškem čipu za izvajanje določene funkcije. En sam IC čip lahko vsebuje na tisoče ali celo milijone komponent. Najpogostejše vrste integriranih vezij vključujejo logična vrata, časovnike, števce in prestavne registre.

Poleg nizkonivojskih IC obstajajo tudi bolj zapletene mikroprocesorske in mikrokrmilniške IC, ki imajo zmožnost krmiljenja računalnika ali druge naprave. Druga zapletena integrirana vezja vključujejo digitalne senzorje, kot so merilci pospeška in žiroskopi, ki jih najdemo v mobilnih telefonih in drugih elektronskih napravah. Tako kot drugi deli PCB-jev se je velikost integriranih vezij v zadnjih nekaj desetletjih vztrajno zmanjševala.

Montaža komponent na zgodnje uporabljene enostranske PCB tehnologija skozi luknjo, kjer je bila komponenta pritrjena na eno stran plošče in pritrjena skozi luknjo na prevodne žice na drugi strani s spajkanjem. V času, ko je bila uvedena, je bila tehnologija skozi luknjo napredek v primerjavi s konstrukcijo od točke do točke, vendar luknje vrtanje v PCB za montažo je povzročilo več težav pri načrtovanju, zlasti po uvedbi večplastnega plošče. Ker so luknje morale potekati skozi vse plasti, je bil velik odstotek razpoložljivih nepremičnin na plošči odpravljen.

Tehnologija površinske montaže (SMT) je rešil številne težave, ki jih povzročajo skoznje luknje. Široko se je začel uporabljati v devetdesetih letih prejšnjega stoletja, čeprav je bil uveden nekaj desetletij prej. Komponente so bile spremenjene tako, da so imele pritrjene majhne blazinice, ki jih je bilo mogoče spajkati neposredno na vezje namesto prek žičnega kabla. SMT je proizvajalcem PCB omogočil gosto pakiranje velikega števila komponent na obeh straneh tiskanega vezja. To vrsto montaže je tudi lažje izdelati z avtomatizacijo.

Montaža SMT ni odpravila potrebe po luknjah v vezjih. Nekatere zasnove PCB še vedno uporabljajo prehode, ki omogočajo medsebojne povezave med komponentami na različnih plasteh. Vendar te luknje niso tako vsiljive kot skoznje luknje, ki so bile prej uporabljene za montažo komponent.

Najbolj zapletene elektronske naprave lahko vključujejo večplastne PCB. Te plošče so sestavljene iz vsaj treh plasti prevodnega materiala, kot je baker, ki se izmenjujejo s plastmi izolacije. Običajne konfiguracije za večplastne plošče vključujejo štiri, šest, osem ali 10 plasti. Vse plasti morajo biti laminirane skupaj, da se zagotovi, da se med sloji ne ujame zrak. Ta postopek se običajno izvaja pri visoki temperaturi in tlaku.

Prednosti večplastnih PCB vključujejo večjo gostoto komponent in vezij v manjšem prostoru. Uporabljajo se za računalnike, datotečne strežnike, GPS tehnologijo, zdravstvene naprave ter satelitske in vesoljske sisteme. Vendar imajo večplastne plošče tudi nekaj pomanjkljivosti. So bolj zapletene in težje za načrtovanje in izdelavo kot eno- in dvostranske plošče, zaradi česar so dražje. Prav tako jih je težko popraviti, če gre kaj narobe v notranjih plasteh plošče.