Koje su funkcije strujne ploče?

Tiskana ploča ili PCB nalazi se u gotovo svim vrstama elektroničkih uređaja. Ove plastične ploče i njihove ugrađene komponente pružaju osnovnu tehnologiju za sve, od računala i mobilnih telefona do pametnih satova. Priključci krugova na PCB-u omogućuju učinkovito usmjeravanje električne struje između minijaturiziranih komponenti na ploči, zamjenjujući veće uređaje i glomazno ožičenje.

Funkcije strujne ploče

Ovisno o primjeni za koju je dizajnirana, PC ploča može obavljati razne zadatke vezane uz računalstvo, komunikacije i prijenos podataka. Osim zadataka koje obavlja, možda je najvažnija funkcija tiskane ploče pružanje načina integriranja elektronike za uređaj u kompaktnom prostoru. PCB omogućuje pravilno spajanje komponenti na izvor napajanja dok je sigurno izoliran. Također, strujne ploče jeftinije su od ostalih opcija jer se mogu dizajnirati alatima za digitalni dizajn i proizvoditi u velikim količinama korištenjem tvorničke automatizacije.

Sastav strujne ploče

Moderna tiskana ploča obično je izrađena od slojeva različitih materijala. Različiti slojevi međusobno se spajaju postupkom laminiranja. Osnovni materijal u mnogim pločama je stakloplastika, koja daje krutu jezgru. Slijedi sloj bakrene folije na jednoj ili obje strane ploče. Zatim se koristi kemijski proces za definiranje tragova bakra koji postaju vodljivi putevi. Ovi tragovi zamjenjuju neuredno omatanje žice koje se nalazi u metodi konstrukcije od točke do točke korištenoj za ranije sklopove elektronike.

Sloj maske za lemljenje se dodaje na strujnu ploču za zaštitu i izolaciju bakrenog sloja. Ovaj plastični sloj prekriva obje strane ploče i često je zelene boje. Slijedi sloj sitotiska sa slovima, brojevima i drugim identifikatorima koji pomažu u sastavljanju ploče. Komponente tiskane ploče mogu se pričvrstiti na ploču na različite načine, uključujući lemljenje. Neki načini pričvršćivanja koriste male rupe poznate kao prozori koji su probušeni kroz tiskanu ploču. Njihova je svrha omogućiti protok struje s jedne strane ploče na drugu.

Funkcija osnovnog kruga

Krug je petlja vodljivog materijala kroz koju može putovati elektricitet. Kada je petlja zatvorena, struja može teći bez prekida iz izvora energije kao što je baterija kroz vodljivi materijal i zatim natrag u izvor energije. Dizajn strujnog kruga temelji se na činjenici da električna energija nastoji teći iz višeg napona, koji je mjera električnog potencijala, na niži napon.

Svaki strujni krug sastoji se od najmanje četiri osnovna elementa. Prvi element je izvor energije za AC ili DC napajanje. Drugi element je vodljivi materijal kao što je žica po kojoj se energija može kretati. Ovaj vodljivi put poznat je kao traka ili trag . Treći element je opterećenje , koji se sastoji od najmanje jedne komponente koja crpi dio snage za obavljanje zadatka ili operacije. Četvrti i posljednji element je najmanje jedan kontroler ili zamijeni za kontrolu protoka energije.

Funkcija PCB komponenti

Kada umetnete opterećenje u zatvorenu putanju strujnog kruga, opterećenje može koristiti protok električne struje za izvođenje radnje koja zahtijeva snagu. Na primjer, dioda koja emitira svjetlo (LED) može se natjerati da svijetli kada struja teče kroz strujni krug gdje je umetnuta. Opterećenje treba trošiti energiju jer bi preopterećenje moglo oštetiti priključene komponente.

Najvažnije komponente na tiskanoj ploči uključuju:

• Baterija :Osigurava strujni krug, obično putem uređaja s dva priključka koji osigurava razliku napona između dvije točke u strujnom krugu
• Kondenzator :komponenta slična bateriji koja može brzo zadržati ili osloboditi električni naboj
• Dioda :Kontrolira struju na tiskanoj ploči prisiljavajući je da teče u jednom smjeru
• Induktor :Pohranjuje energiju iz električne struje kao magnetsku energiju
• IC (Integrirani Krug) :Čip koji može sadržavati mnoge sklopove i komponente u minijaturiziranom obliku i koji obično obavlja određenu funkciju
• LED (Svjetlo Emitiranje Dioda ):Malo svjetlo koje se koristi na tiskanoj ploči za pružanje vizualne povratne informacije
• Otpornik :Regulira protok električne struje pružajući otpor
• Prebacivanje: Ili blokira struju ili joj dopušta protok, ovisno o tome je li zatvoren ili otvoren
• Tranzistor :Tip prekidača kojim upravljaju električni signali

Svaka od komponenti na tiskanoj pločici obavlja određeni zadatak ili skup zadataka koji su određeni cjelokupnom funkcijom PCB-a. Neke od komponenti kao što su tranzistori i kondenzatori rade izravno na električnim strujama. Služe kao građevni blokovi unutar složenijih komponenti poznatih kao integrirani krugovi.

PCB naspram PCBA

Izraz PCBA (akronim za Printed Circuit Board Assembly) koristi se za opisivanje pločice sklopa koja je u potpunosti ispunjena komponentama pričvršćenim na ploču i spojenim na bakrene tragove. Također se naziva utični sklop. Ploča koja ima bakrene tragove, ali nema ugrađene komponente često se naziva gola ploča ili tiskanu ploču .

Dizajn modernih ploča omogućuje njihovu masovnu proizvodnju po nižoj cijeni od starijih ploča omotanih žicom. Nakon što je faza projektiranja ploče postavljena uz pomoć specijaliziranog računalnog softvera, proizvodnja i montaža su – za većinu – automatizirani. PCBA se smatra dovršenim i spremnim za upotrebu nakon završetka testiranja osiguranja kvalitete.

Mogući problemi sa strujnim krugom

Otvoreni krug je onaj koji nije zatvoren zbog puknute žice ili labave veze. Otvoreni krug neće raditi jer ne može provoditi struju. Iako napon može biti dostupan u otvorenom krugu, ne postoji način da teče. U nekim slučajevima poželjan je otvoreni krug. Na primjer, prekidač koji se koristi za paljenje i gašenje svjetla otvara i zatvara krug koji povezuje svjetlo s izvorom napajanja.

Druga vrsta neispravnog kruga je kratki spoj , što se može dogoditi kada se previše struje kreće kroz strujni krug i ošteti vodljivi materijal ili napajanje. Kratki spoj može biti uzrokovan spajanjem dviju točaka u strujnom krugu kada to ne bi trebalo, kao što su spojena dva priključka napajanja bez komponente opterećenja kako bi se ispraznio dio struje. Kratki prekid napajanja na ovaj način može biti opasan i čak može dovesti do požara ili eksplozije.

Evolucija strujne ploče

Vakuumske cijevi i električni releji obavljali su osnovne funkcije ranih računala. Uvođenje integriranih sklopova dovelo je do smanjenja veličine i cijene elektroničkih komponenti. Ubrzo su razvijene strujne ploče koje su sadržavale sve ožičenje uređaja koji je prije zauzimao cijelu sobu. Ove rane ploče bile su izrađene od raznih materijala, uključujući masonit, bakelit i karton, a konektori su se sastojali od mjedenih žica omotanih oko stupova.

Počevši od 1940-ih, tiskane ploče postale su učinkovitije i jeftinije za proizvodnju kada je bakrena žica zamijenila mjed. Rane ploče s bakrenim žicama korištene su na vojnim radijima, a do 1950-ih korištene su i za potrošačke uređaje. Ubrzo su se jednostrane ploče koje su sadržavale ožičenje samo na jednoj strani razvile u dvostrane i višeslojne tiskane ploče koje su trenutno u širokoj upotrebi.

Od 1970-ih do 1990-ih, PCB dizajn je postao složeniji. U isto vrijeme, fizička veličina i cijena ploča nastavile su se smanjivati. Kako su ploče postajale sve gušće s pričvršćenim komponentama, razvijene su aplikacije računalno potpomognutog dizajna (CAD) koje pomažu u njihovoj izradi. Danas postoji niz dostupnih alata za dizajn digitalnih tiskanih ploča, od besplatnih i jeftinih opcija do potpuno funkcionalnih skupih paketa koji pomažu u dizajnu, proizvodnji i testiranju.

Uloga integriranih krugova

Moderna elektronika ne bi mogla postojati bez integriranog kruga, koji je predstavljen kasnih 1950-ih. IC je minijaturizirana zbirka krugova i komponenti kao što su tranzistori, otpornici i diode sklopljeni na računalni čip za obavljanje određene funkcije. Jedan IC čip može sadržavati tisuće ili čak milijune komponenti. Najčešći tipovi integriranih sklopova uključuju logička vrata, mjerače vremena, brojače i registre posmaka.

Osim IC-ova niske razine, postoje i složeniji IC-ovi mikroprocesora i mikrokontrolera koji imaju sposobnost upravljanja računalom ili drugim uređajem. Drugi složeni integrirani sklopovi uključuju digitalne senzore kao što su akcelerometri i žiroskopi koji se nalaze u mobilnim telefonima i drugim elektroničkim uređajima. Poput drugih dijelova PCB-a, veličina integriranih sklopova se stalno smanjivala tijekom posljednjih nekoliko desetljeća.

Tehnologije montiranja komponenti

Montaža komponenti na ranim jednostranim tiskanim pločama koristila je tehnologiju kroz rupu , gdje je komponenta bila pričvršćena na jednu stranu ploče i pomoću lemljenja pričvršćena kroz rupu na vodljive žice na drugoj strani. U vrijeme kada je uvedena, tehnologija kroz rupe bila je napredak u odnosu na konstrukciju od točke do točke, ali rupe izbušene u PCB-u za montažu dovele su do nekoliko problema s dizajnom, posebno nakon uvođenja višeslojnih ploča. Budući da su rupe trebale proći kroz sve slojeve, veliki postotak dostupnih nekretnina na ploči je eliminiran.

Tehnologija površinske montaže (SMT) riješio je mnoge probleme uzrokovane prolaznim rupama. Postala je naširoko korištena 1990-ih, iako je uvedena nekoliko desetljeća ranije. Komponente su promijenjene tako da imaju pričvršćene male jastučiće koji se mogu zalemiti na tiskanu ploču izravno umjesto kroz žičani vod. SMT je proizvođačima PCB-a omogućio gusto pakiranje velikog broja komponenti na obje strane PCB-a. Ovu vrstu montaže također je lakše proizvesti uz automatizaciju.

SMT montaža nije eliminirala potrebu za rupama u tiskanim pločama. Neki PCB dizajni još uvijek koriste vias kako bi omogućili međusobno povezivanje komponenti na različitim slojevima. Međutim, ove rupe nisu toliko nametljive kao prolazne rupe koje su se ranije koristile za montažu komponenti.

Višeslojne strujne ploče

Najsloženiji elektronički uređaji mogu uključivati ​​višeslojne tiskane ploče. Ove se ploče sastoje od najmanje tri sloja vodljivog materijala kao što je bakar koji se izmjenjuju sa slojevima izolacije. Uobičajene konfiguracije za višeslojne ploče uključuju četiri, šest, osam ili 10 slojeva. Svi slojevi moraju biti laminirani zajedno kako bi se osiguralo da između slojeva ne ostane zarobljen zrak. Ovaj se proces obično izvodi pod visokom temperaturom i pritiskom.

Prednosti višeslojnih PCB-a uključuju veću gustoću komponenti i sklopova u manjem prostoru. Koriste se za računala, poslužitelje datoteka, GPS tehnologiju, zdravstvene uređaje te satelitske i zrakoplovne sustave. Međutim, višeslojne ploče imaju i neke nedostatke. Zamršenije su i teže ih je dizajnirati i proizvesti od jednostranih i dvostranih ploča, što ih čini skupljima. Također ih je teško popraviti ako nešto pođe po zlu unutar unutarnjih slojeva ploče.