Jak všichni víme, desky plošných spojů (PCB) jsou jádrem a páteří moderních elektronických zařízení. Od chytrých telefonů a počítačů až po domácí spotřebiče a průmyslová zařízení se s deskami plošných spojů setkáváme téměř každý den. Deska plošných spojů nejenže obsahuje různé klíčové elektronické součástky, ale také poskytuje stabilní komunikační kanály mezi těmito součástkami a slouží jako základ pro normální provoz zařízení. Přestože desky plošných spojů podporují každý aspekt našeho moderního života, mnoho lidí se jen zřídka skutečně zamýšlí nad technickými principy, které je řídí.
V rámci těchto základních znalostí o deskách plošných spojů se ponoříme do toho, co je deska plošných spojů v elektronice, pochopíme její složení a běžné pojmy, analyzujeme různé typy desek plošných spojů a vysvětlíme, jak jsou tyto komponenty desek plošných spojů kombinovány a tvoří páteř moderních elektronických výrobků. Tento tutoriál je zamýšlen jako úvodní materiál do návrhu desek plošných spojů pro začátečníky, který jim pomůže lépe porozumět světu elektroniky.
Co je to PCB?
Deska plošných spojů (PCB) je tenká deska vyrobená z izolačních materiálů, jako jsou sklolaminátové desky, na které jsou vyleptány nebo vytištěny vodivé dráhy. Tyto obvody umožňují průtok proudu mezi různými součástkami PCB. Jednoduše řečeno, desky plošných spojů jsou kostrou a nervovým systémem elektronických výrobků.
Historie desek plošných spojů (PCB) sahá až do počátku 20. století. V té době se běžně používalo zapojení bod-bod, kdy se vodiče pájely jeden po druhém k připojovacím bodům. Později se objevilo navíjení drátů, které zvyšovalo spolehlivost pevným navíjením tenkých drátů kolem připojovacích pólů. S postupným nahrazováním elektronek a relé křemíkovými čipy a integrovanými obvody však stále roste poptávka po miniaturizaci, nízkých nákladech a vysoké spolehlivosti, což vedlo k popularizaci desek plošných spojů (PCB).
Během druhé světové války vyžadovala vojenská technika menší a spolehlivější obvody, a proto se technologie desek plošných spojů (PCB) rychle rozvíjela. Po válce, zejména mezi 1950. a 1970. lety XNUMX. století, se desky plošných spojů začaly hromadně vyrábět a staly se jádrem spotřební elektroniky, počítačů a komunikačních zařízení. Mezitím se postupně rozvíjela technologie vícevrstvých desek plošných spojů, díky čemuž se návrh obvodů stal kompaktnějším a efektivnějším.
Základní složení desek plošných spojů
Každá deska plošných spojů (PCB) se skládá z různých materiálů a vrstev, které dohromady tvoří spolehlivou obvodovou platformu. Pro ty, kteří se teprve začínají učit základy desek plošných spojů nebo se seznamují s návrhem desek plošných spojů pro začátečníky, je pochopení tohoto základního složení desky plošných spojů prvním krokem k pochopení principu fungování plošných spojů.
FR4 substrát
Základním materiálem většiny desek plošných spojů je FR4, což je epoxidový laminát vyztužený skelnými vlákny. Může poskytnout pevnost, odolnost a izolaci. Pro desky plošných spojů je FR4 jako základ domu, který se používá k podepření všech součástek desek plošných spojů.
Měděná vrstva
FR4 je pokryt tenkou vrstvou mědi. Leptáním se měď vytvoří přesné vodivé stopy, které se používají k propojení různých součástek a přenosu proudu. Tloušťka měděné vrstvy je velmi důležitá, protože určuje, jak velký proud deska plošných spojů unese, a ovlivňuje celkový výkon.
Pájecí maska
Nejznámějším znakem desky plošných spojů je její barevný povlak, kterým je pájecí maska. Běžná je zelená, ale může být také modrá, červená nebo černá. Pájecí maska dokáže chránit měděný obvod před oxidací a také zabránit vzniku pájecích můstků během pájení. Díky ní deska plošných spojů vypadá čistěji a profesionálněji.
Sítotisk
Sítotisk je vrstva bílého textu a symbolů vytištěná na povrchu desky plošných spojů, která se používá k označení názvů a pozic součástek, což usnadňuje instalaci a odstraňování problémů s součástkami plošných spojů. Sítotisk je jako mapa, která nám jasně ukazuje, kam by měly být součástky umístěny.
Můžeme říci, že substrát, měděná vrstva, pájecí maska a sítotisková vrstva společně tvoří kompletní desku plošných spojů. Nejenže poskytují fyzickou oporu, ale také vytvářejí elektrické cesty a usnadňují sestavení a identifikaci desek plošných spojů.
Typy desek plošných spojů
Podle různých struktur, materiálů, elektrických vlastností a použití můžeme plošné spoje rozdělit do následujících čtyř typů:
Podle počtu vrstev
Jednostranná deska plošných spojů
Jedná se o nejjednodušší desku plošných spojů, která má pouze jednu vrstvu mědi, s komponenty koncentrovanými na jedné straně. Tyto desky plošných spojů mají nízkou cenu a jednoduchou strukturu a často se používají v základních elektronických výrobcích, jako jsou rádia, hračky a kalkulačky.
Oboustranná deska plošných spojů
Obě strany oboustranné desky jsou potaženy mědí a obvody na obou stranách jsou propojeny průchozími otvory. Oboustranné desky mají širokou škálu použití, například v řídicích deskách domácích spotřebičů, osvětlovacích zařízeních, průmyslových řídicích systémech atd.
Vícevrstvá deska plošných spojů
Tento typ desky se skládá ze tří nebo více vrstev mědi naskládaných dohromady s izolační vrstvou mezi nimi. Lze s nimi dosáhnout složitějších a kompaktnějších konstrukcí a často se používají v základních deskách počítačů, komunikačních zařízeních a lékařské elektronice.
Podle materiálu
Pevné PCB
Je to nejběžnější typ desek plošných spojů s tvrdými materiály, jako je FR4 (epoxidová pryskyřice ze skelných vláken), a nelze ji ohýbat. Je široce používána v počítačích, televizorech a elektronice.
Flexibilní deska plošných spojů, flexibilní tisková karta
Lze jej ohýbat a skládat, přičemž základním materiálem je PI (polyimid) nebo PET. Běžně se používá v mobilních telefonech, fotoaparátech a nositelných zařízeních.
Pevná deska plošných spojů
Kombinací pevných a flexibilních desek nabízí pevnost i flexibilitu. Běžně se používá v leteckých a kosmických systémech, lékařské elektronice a vysoce spolehlivých zařízeních.
Elektrickým výkonem
Vysokofrekvenční PCB
Používá speciální materiály, jako je PTFE (teflon), a podporuje vysokorychlostní přenos signálu. Je použitelný pro RF obvody, radary, satelitní komunikaci a 5G zařízení.
Výkonová deska plošných spojů
Jeho měď je silnější (například 2 oz, 3 oz a více) a může vést velké proudy. Tento typ desek plošných spojů se běžně vyskytuje v automobilové elektronice, energetických zařízeních a průmyslovém řízení.
HDI PCB
Použitím mikroprochodů, slepých prochodů, zapuštěných prochodů a dalších procesů je směrování hustší. Často se používá v malých vysoce výkonných produktech, jako jsou chytré telefony a tablety.
Podle aplikace
DPS spotřební elektroniky
Používá se pro mobilní telefony, počítače, televizory a domácí spotřebiče.
Automobilové PCB
Používá se pro řídicí jednotky motoru, ADAS (pokročilé asistenční systémy pro řidiče), osvětlení vozidel a palubní zábavní systémy.
Průmyslová řídicí deska
Používá se pro automatizaci výroby, roboty, senzory atd.
Lékařské PCB
Používá se pro monitory elektrokardiogramů, diagnostická zařízení a implantabilní zdravotnické prostředky.
Letecký/obranný průmysl s plošnými spoji
Používá se v satelitech, radarech, avionice a vojenských komunikačních systémech.
Seznam součástí desky plošných spojů
Abychom pochopili desku plošných spojů, musíme také vědět, jaké komponenty se na desce plošných spojů nacházejí a jaké jsou jejich funkce. Různé komponenty desky plošných spojů jsou zodpovědné za různé funkce, jako je připojení, řízení, ochrana nebo zpracování signálů. Společně určují, zda celé elektronické zařízení může fungovat stabilně a spolehlivě. Níže si představíme běžné komponenty desek plošných spojů z několika hlavních kategorií.
Mechanické součásti
Mechanické komponenty se používají hlavně k zajištění strukturální podpory a pomocných funkcí, což může zvýšit celkovou stabilitu a mechanickou pevnost desky plošných spojů. Mezi typické mechanické komponenty patří:
• Konektory: používá se k propojení desky plošných spojů s jinými obvody nebo externími zařízeními.
• Montážní otvory: používá se k upevnění desky plošných spojů, aby mohla být bezpečně instalována v pouzdře nebo zařízení.
• Chladiče: pomáhají součástkám, jako jsou výkonové tranzistory a regulátory napětí, rychle odvádět teplo a zajišťují tak, aby obvod fungoval v bezpečném teplotním rozsahu.
Elektrické komponenty
Elektrické součástky jsou zodpovědné především za přenos elektrické energie a pomáhají obvodům při dosahování vstupu, výstupu a ochrany. Zajišťují především stabilní napájení a bezpečnost obvodu. Mezi běžné elektrické součástky patří:
• Spínače: Používá se k ovládání, zda je obvod zapnutý nebo vypnutý.
• ReléPoužívá se pro automatické řízení nebo izolaci v obvodech.
• PojistkyZajišťují ochranu proti nadproudu; když je proud příliš vysoký, roztaví se a přeruší obvod, aby jej ochránily.
Pasivní komponenty
Pasivní součástky aktivně negenerují ani nezesilují signály, ale ukládají, distribuují nebo omezují elektrickou energii. Tento typ součástky je nejběžnější na deskách plošných spojů.
• Kondenzátory (C)Jednotky jsou obvykle μF (mikrofarady) nebo mF (milifarady). Kondenzátor ukládá náboj mezi dvěma vodiči oddělenými izolantem a používá se hlavně k filtrování, vazbě nebo dočasnému ukládání energie.
• Rezistory (R)Jednotkami jsou ohmy (Ω). Jejich funkcí je omezit proud. Různé hodnoty odporu řídí úrovně proudu. Rezistory mají obvykle barevné proužky, které označují hodnotu odporu.
• Induktory (L)Jednotky jsou henry (H). Induktor je cívka, která generuje magnetické pole a ukládá energii, když jí protéká proud. Běžně se používá k filtrování a potlačování šumu.
Aktivní prvky
Aktivní součástky mohou řídit, zesilovat nebo generovat elektrické signály a jsou jádrem obvodů.
• Diody: Jsou označeny písmenem „D“ a mohou vést proud pouze v jednom směru a často se používají k zabránění poškození obvodů zpětným proudem. Světelné diody (LED) mohou nejen vést elektřinu, ale také vyzařovat světlo.
• Tranzistory: Mohou zesilovat signály nebo fungovat jako spínač a jsou jednou z hlavních součástí moderních elektronických výrobků. Mezi běžné typy patří bipolární tranzistory NPN a PNP.
• Integrované obvody (IO): Jsou známé jako „mozek“ desek plošných spojů, protože interně integrují součástky, jako jsou tranzistory, rezistory a kondenzátory, a používají se pro zpracování signálu a logické řízení.
Další součásti desek plošných spojů
Kromě výše uvedených typů existují i některé speciální funkční komponenty:
• Krystalový oscilátor: Poskytuje přesné a stabilní hodinové signály a běžně se nachází v mikrokontrolérech a základních deskách počítačů.
• Tyristory (SCR): Skládají se ze čtyř vrstev křemíkového materiálu, kombinují vlastnosti diod a tranzistorů a často se používají v řízení spínání vysokého proudu a vysokého napětí.
• Senzory: Převádějí fyzikální veličiny, jako je světlo, teplota, vlhkost a tlak, na elektrické signály a jsou důležitou součástí inteligentních elektronických produktů.
O PCBasicu
Čas jsou ve vašich projektech peníze – a PCBasic chápe PCBasic je Firma pro montáž desek plošných spojů který pokaždé přináší rychlé a bezchybné výsledky. Náš komplexní Montážní služby PCB zahrnují odbornou technickou podporu v každém kroku, což zajišťuje špičkovou kvalitu každé desky. Jako přední Výrobce osazování desek plošných spojů, Nabízíme komplexní řešení, které zefektivní váš dodavatelský řetězec. Spolupracujte s naší pokročilou Továrna na prototypy plošných spojů pro rychlé vyřízení a vynikající výsledky, na které se můžete spolehnout.
Terminologie týkající se desek plošných spojů
Nakonec se podívejme na některé odborné termíny, se kterými se často setkáváme v odvětví desek plošných spojů:
Prstencový prstenec – Měděný kroužek kolem vyvrtaného otvoru. Zajišťuje, aby otvor zůstal připojen k obvodu.
DRC (Kontrola návrhových pravidel) – Kontrola prováděná softwarem pro desky plošných spojů. Hledá konstrukční chyby, jako například příliš malé rozteče.
Vrtačka – Jak přesný je vyvrtaný otvor v porovnání s návrhem. Dobrá přesnost znamená, že díly správně pasují.
Prst – Odkrytá měď na okraji desky. Umožňuje zapojit desku plošných spojů do jiného zařízení, například do slotu pro kartu.
Kousnutí myší – Malé otvory v řadě na okraji desky. Usnadňují oddělování desek plošných spojů po výrobě.
Podložka – Měděné místo, kde jsou součástky pájeny. Každá součástka potřebuje kontaktní plošku pro připojení k desce.
Panel – Velká deska, která pojme mnoho menších desek plošných spojů. Pomáhá urychlit výrobu.
Vložit šablonu – Tenký kovový plech s otvory pro kontaktní plošky. Používá se k nanesení pájecí pasty na desku.
Vybrat a umístit – Stroj, který rychle osazuje součástky na desku plošných spojů. Je to rychlejší a přesnější než ručně.
Rovina – Velká měděná plocha, obvykle pro uzemnění nebo napájení. Udržuje obvod stabilní a snižuje šum.
Pokovený průchozí otvor (PTH) – Otvor s kovem uvnitř. Propojuje signály mezi vrstvami desky.
Pogo Pin – Pružinový kolík používaný k testování. Dotýká se desky, aniž by ji poškodil.
Přeformátovat – Krok zahřívání, při kterém se roztaví pájecí pasta. Díky tomu se součástky trvale přilepí.
Sítotisk – Vytištěný text nebo značky na desce plošných spojů. Ukazuje, kam patří součástky, a usnadňuje montáž.
štěrbina – Výřez nebo otvor v desce. Používá se pro konektory nebo speciální tvary.
Pájecí pasta – Šedá pasta s drobnými kuličkami pájky. Používá se před přetavováním k upevnění součástek.
Pájecí hrnec – Lázeň s horkou tekutou pájkou. Do ní se ponořují desky s pájkou pro pájení průchozích otvorů.
Pájecí maska – Barevný povlak na desce plošných spojů, často zelený. Chrání měď a zabraňuje zkratům.
Pájecí propojka – Když pájka omylem spojí dva kontakty. Způsobí to zkrat a je nutné to opravit.
Pro povrchovou montáž – Způsob umístění součástek přímo na povrch. Umožňuje menší a lehčí elektroniku.
Termální – Měděná konstrukce, která lépe odvádí teplo. Zlepšuje chlazení a usnadňuje pájení.
Zloději – Během výroby se přidává další měď. Díky tomu je měděný povlak rovnoměrný po celé ploše.
Sledovat – Měděné vedení, které vede proud. Je to jako drát na desce plošných spojů.
V-skóre – Výřez v desce ve tvaru V. Usnadňuje rozdělování panelů.
Přes – Malý pokovený otvor, který spojuje vrstvy desky. Umožňuje přenos signálů mezi vrstvami.
Vlnová pájka – Proces, při kterém se součástky pájejí přejetím desky přes tekoucí pájku.
Kusovník (kusovník) – Kompletní seznam všech součástek potřebných pro desku plošných spojů. Továrně přesně říká, co má koupit a použít.
Gerberovy soubory – Standardní formát souborů pro výrobu desek plošných spojů. Řídí továrně, jak vytvářet měděné vrstvy, otvory a sítotisk.
Pour měď – Velká vyplněná plocha mědí. Pomáhá s uzemněním a odvodem tepla.
Šířka stopy – Tloušťka měděného vodiče. Určuje, kolik proudu může bezpečně vést.
Odbavení – Minimální vzdálenost mezi dvěma měděnými prvky. Dobrá vzdálenost zabraňuje zkratům.
Naskládání – Pořadí vrstev ve vícevrstvé desce plošných spojů. Ovlivňuje výkon a cenu.
Kontrola impedance – Úprava šířky a rozteče stop pro vysokofrekvenční signály. Zajišťuje správný přenos signálů.
Slepá cesta – Propojení, které začíná na povrchu, ale neprochází celou deskou.
Pohřben Via – Průchod skrytý uvnitř vrstev, není viditelný zvenčí.
Testovací bod – Malá ploška nebo otvor používaný ke kontrole signálů nebo napájení během testování.
Výchozí – Malé referenční značky na desce plošných spojů. Stroje je používají k přesnému zarovnání součástek.
Okrajový konektor – Sada měděných prstů na okraji desky. Často se používají v počítačových kartách a zásuvných modulech.
Hmotnost mědi – Tloušťka měděné vrstvy, obvykle měřená v uncích na čtvereční stopu.
SMD (zařízení pro povrchovou montáž) – Součást určená k montáži přímo na povrch desky.
Technologie THT (Through-Hole Technology) – Součástka s piny, které procházejí otvory v desce plošných spojů.
Přes-in-Pad – Propojovací otvor umístěný přímo uvnitř kontaktní plošky. Šetří místo, ale vyžaduje zvláštní péči při výrobě.
Návrh vaší první desky plošných spojů (tipy pro začátečníky)
Když se s návrhem desek plošných spojů začínáme učit, může se nám tento proces zdát velmi složitý. Pokud si ho ale rozdělíme do několika malých kroků, bude to mnohem jednodušší. Zde je několik praktických tipů pro začátečníky, které nám pomohou s návrhem naší první desky plošných spojů.
Vyberte si CAD software
Prvním krokem je výběr softwaru pro návrh desek plošných spojů.
• KiCAD: Zdarma a s otevřeným zdrojovým kódem, ideální pro studenty a amatéry.
• OrelJednoduché rozhraní s množstvím online tutoriálů, které usnadňují začátek.
• Návrhář AltiumVýkonnější, široce používaný v profesionálních inženýrských týmech a poskytující bohaté a pokročilé návrhářské nástroje.
Začněte se schématy
Nekreslete rozvržení desky plošných spojů hned od začátku. Nejprve můžeme nakreslit schéma zapojení. Schéma zapojení je jako plán projektu, který jasně ukazuje zapojení mezi různými součástkami. Jakmile se ověří, že schéma je správné, budeme si jistější při přechodu k návrhu desky plošných spojů.
Učte se od open source designů
Jedním z dobrých způsobů, jak se učit, je nahlédnout do existujících open source projektů desek plošných spojů. Mnoho komunit elektronických nadšenců sdílí své návrhy desek. Studiem těchto rozvržení se můžeme dozvědět, jak jsou zapojeny, umístěny součástky a jak zvládat napájení a uzemnění. To nám může pomoci vyhnout se běžným chybám a také nám to poskytne praktické reference pro návrh.
Přijměte chyby jako nevyhnutelné
Naše první deska plošných spojů bude téměř jistě mít problémy – například nesprávné umístění součástek, zkřížené vodiče nebo nevhodné velikosti plošek. To je zcela normální. Berte první návrh jako cvičení, nikoli jako finální produkt. S nabíráním zkušeností budeme dále postupovat a naše znalosti pravidel návrhu desek plošných spojů se budou stále prohlubovat.
Procvičování jednoduchých projektů
Než se pustíte do složitých obvodů, začněte s malými projekty, jako je malá deska plošných spojů, která dokáže rozsvítit LED diody, rozšiřující deska pro teplotní nebo pohybové senzory nebo malý napájecí modul se stabilizačním čipem napětí a kondenzátory. Tyto projekty se snadno provedou a mají nízké náklady, takže jsou velmi vhodné pro procvičování.
Proč investovat do čističky vzduchu?
Osvojení základů desek plošných spojů je prvním krokem do světa elektroniky. Tato příručka poskytuje komplexní úvod do toho, co deska plošných spojů je, jaké jsou běžné typy desek plošných spojů, jaké jsou součástky a jaké jsou některé běžné termíny používané při návrhu a výrobě desek plošných spojů.
Pro začátečníky v oblasti desek plošných spojů je učení se až do tohoto bodu jen začátek. Po zvládnutí těchto součástek a termínů týkajících se desek plošných spojů musíme dále porozumět CAD softwaru, schématickému návrhu a simulačním nástrojům.
