Quali sono le funzioni di un circuito stampato?
Un circuito stampato, o PCB, si trova in quasi tutti i tipi di dispositivi elettronici. Queste schede di plastica e i loro componenti incorporati forniscono la tecnologia di base per qualsiasi cosa, dai computer ai telefoni cellulari agli smartwatch. Le connessioni del circuito su un PCB consentono di instradare in modo efficiente la corrente elettrica tra i componenti miniaturizzati sulla scheda, sostituendo dispositivi più grandi e cablaggi ingombranti.
Funzioni di un circuito stampato
A seconda dell'applicazione per cui è progettata, una scheda PC può eseguire una varietà di attività relative all'informatica, alle comunicazioni e al trasferimento di dati. A parte i compiti che svolge, forse la funzione più importante di un circuito stampato è fornire un modo per integrare l'elettronica per un dispositivo in uno spazio compatto. Un PCB consente di collegare correttamente i componenti a una fonte di alimentazione pur essendo isolati in modo sicuro. Inoltre, i circuiti stampati sono meno costosi di altre opzioni perché possono essere progettati con strumenti di progettazione digitale e prodotti in grandi volumi utilizzando l'automazione di fabbrica.
Composizione di un circuito stampato
Un moderno circuito stampato è in genere costituito da strati di materiali diversi. I vari strati vengono fusi insieme attraverso un processo di laminazione. Il materiale di base in molte tavole è la fibra di vetro, che fornisce un nucleo rigido. Segue uno strato di lamina di rame su uno o entrambi i lati della scheda. Un processo chimico viene quindi utilizzato per definire tracce di rame che diventano percorsi conduttivi. Queste tracce prendono il posto del disordinato avvolgimento del filo che si trova nel metodo di costruzione punto a punto utilizzato per i precedenti assemblaggi elettronici.
Un livello di maschera di saldatura viene aggiunto al circuito per proteggere e isolare lo strato di rame. Questo strato di plastica copre entrambi i lati della tavola ed è spesso verde. È seguito da un livello serigrafia con lettere, numeri e altri identificatori che aiutano nell'assemblaggio della scheda. I componenti di una scheda a circuito stampato possono essere collegati alla scheda in vari modi, inclusa la saldatura. Alcuni metodi di fissaggio utilizzano piccoli fori noti come via che vengono perforati attraverso il circuito. Il loro scopo è consentire all'elettricità di fluire da un lato all'altro della scheda.
Funzione circuito di base
Un circuito è un anello di materiale conduttivo lungo il quale l'elettricità può viaggiare. Quando il circuito è chiuso, l'elettricità può fluire ininterrottamente da una fonte di alimentazione come una batteria attraverso il materiale conduttivo e quindi tornare alla fonte di alimentazione. Il design del circuito si basa sul fatto che l'elettricità cerca di fluire da una tensione di alimentazione più alta, che è una misura del potenziale elettrico, a una tensione più bassa.
Ogni circuito è composto da almeno quattro elementi di base. Il primo elemento è una fonte di energia per alimentazione CA o CC. Il secondo elemento è un materiale conduttore come un filo lungo il quale l'energia può muoversi. Questo percorso conduttivo è noto come traccia o traccia . Il terzo elemento è il carico , che consiste in almeno un componente che assorbe parte dell'energia necessaria per eseguire un'attività o un'operazione. Il quarto e ultimo elemento è almeno un controllore o cambia per controllare il flusso di energia.
Funzione dei componenti PCB
Quando si inserisce un carico nel percorso chiuso di un circuito, il carico può utilizzare il flusso di corrente elettrica per eseguire un'azione che richiede alimentazione. Ad esempio, è possibile fare in modo che un componente a diodo a emissione di luce (LED) si accenda quando l'alimentazione scorre attraverso il circuito in cui è inserita. Il carico deve consumare energia poiché un sovraccarico di alimentazione potrebbe danneggiare i componenti collegati.
I componenti più importanti su un circuito stampato includono:
- Batteria :fornisce alimentazione a un circuito, solitamente tramite un dispositivo a doppio terminale che fornisce una differenza di tensione tra due punti del circuito
- Condensatore :un componente simile a una batteria in grado di trattenere o rilasciare rapidamente una carica elettrica
- Diodo :controlla l'elettricità su una scheda a circuito forzandola a fluire in una direzione
- Induttore :immagazzina energia da una corrente elettrica come energia magnetica
- IC (integrato Circuito) :Un chip che può contenere molti circuiti e componenti in forma miniaturizzata e che in genere svolge una funzione specifica
- LED (Leggero Emissione Diodo ):una piccola luce utilizzata su un circuito stampato per fornire un feedback visivo
- Resistore :Regola il flusso di corrente elettrica fornendo resistenza
- Cambia: O blocca la corrente o ne consente il flusso, a seconda che sia chiusa o aperta
- Transistor :Un tipo di interruttore controllato da segnali elettrici
Ciascuno dei componenti su un circuito stampato esegue un'attività specifica o una serie di attività che sono determinate dalla funzione complessiva del PCB. Alcuni dei componenti come transistor e condensatori funzionano direttamente su correnti elettriche. Servono come elementi costitutivi all'interno di componenti più complessi noti come circuiti integrati.
PCB e PCBA
Il termine PCBA (acronimo di Printed Circuit Board Assembly) è usato per descrivere un circuito stampato completamente popolato di componenti attaccati alla scheda e collegati alle tracce di rame. Viene anche chiamato assieme plug-in. Una scheda con tracce di rame ma senza componenti installati viene spesso definita scheda nuda o una scheda a circuito stampato .
Il design dei moderni circuiti stampati consente loro di essere prodotti in serie a un costo inferiore rispetto ai vecchi circuiti avvolti. Dopo che la fase di progettazione di una scheda è stata predisposta con l'ausilio di software informatici specializzati, la produzione e l'assemblaggio sono – per lo più – automatizzati. Un PCBA è considerato finito e pronto per l'uso dopo che i test di garanzia della qualità sono stati completati.
Possibili problemi di circuito
Un circuito aperto è uno che non è chiuso a causa di un filo rotto o di una connessione allentata. Un circuito aperto non funzionerà perché non può condurre elettricità. Sebbene la tensione possa essere disponibile in un circuito aperto, non c'è modo che fluisca. In alcuni casi, si desidera un circuito aperto. Ad esempio, l'interruttore utilizzato per accendere e spegnere una luce apre e chiude il circuito che collega la luce alla sua fonte di alimentazione.
Un altro tipo di circuito difettoso è il cortocircuito , che può verificarsi quando troppa potenza si muove attraverso un circuito e danneggia il materiale conduttore o l'alimentatore. Un cortocircuito può essere causato da due punti in un circuito che si collegano quando non dovrebbero, come i due terminali di un alimentatore collegati senza componenti di carico per drenare parte della corrente. Mettere in cortocircuito un alimentatore in questo modo può essere pericoloso e può anche provocare incendi o esplosioni.
Evoluzione del circuito stampato
Tubi a vuoto e relè elettrici svolgevano le funzioni di base dei primi computer. L'introduzione dei circuiti integrati ha comportato una riduzione sia delle dimensioni che dei costi dei componenti elettronici. Ben presto furono sviluppati circuiti stampati che contenevano tutto il cablaggio di un dispositivo che in precedenza occupava un'intera stanza. Queste prime schede erano realizzate con una varietà di materiali, tra cui masonite, bachelite e cartone, e i connettori erano costituiti da fili di ottone avvolti attorno ai pali.
A partire dagli anni '40, i circuiti stampati sono diventati più efficienti ed economici da produrre quando il filo di rame ha sostituito l'ottone. Le prime schede con cablaggio in rame venivano utilizzate sulle radio militari e negli anni '50 venivano utilizzate anche per dispositivi di consumo. Presto le schede a lato singolo che contenevano il cablaggio su un solo lato si sono evolute in PCB a doppia faccia e multistrato attualmente ampiamente utilizzati.
Dagli anni '70 agli anni '90, la progettazione PCB è diventata più complessa. Allo stesso tempo, sia le dimensioni fisiche che il costo delle schede hanno continuato a ridursi. Man mano che le schede diventavano più dense di componenti collegati, sono state sviluppate applicazioni di progettazione assistita da computer (CAD) per facilitare la loro creazione. Oggi è disponibile una varietà di strumenti per la progettazione di circuiti stampati digitali, da opzioni gratuite ea basso costo a pacchetti completamente funzionali e costosi che aiutano con la progettazione, la produzione e i test.
Ruolo dei circuiti integrati
L'elettronica moderna non potrebbe esistere senza il circuito integrato, introdotto alla fine degli anni '50. Un circuito integrato è una raccolta miniaturizzata di circuiti e componenti come transistor, resistori e diodi assemblati su un chip di computer per svolgere una funzione specifica. Un singolo chip IC può contenere migliaia o addirittura milioni di componenti. I tipi più comuni di circuiti integrati includono porte logiche, temporizzatori, contatori e registri a scorrimento.
Oltre ai circuiti integrati di basso livello, ci sono anche circuiti integrati per microprocessori e microcontrollori più complessi che hanno la capacità di controllare un computer o un altro dispositivo. Altri circuiti integrati complessi includono sensori digitali come accelerometri e giroscopi che si trovano nei telefoni cellulari e in altri dispositivi elettronici. Come altre parti dei PCB, le dimensioni dei circuiti integrati sono costantemente diminuite negli ultimi decenni.
Tecnologie di montaggio dei componenti
Il montaggio dei componenti sui primi PCB a lato singolo utilizzava la tecnologia a foro passante , in cui un componente è stato fissato su un lato della scheda e fissato attraverso un foro a tracce di filo conduttivo sull'altro lato mediante saldatura. Al momento dell'introduzione, la tecnologia a foro passante rappresentava un progresso rispetto alla costruzione punto a punto, ma i fori praticati nel PCB per il montaggio hanno portato a diversi problemi di progettazione, soprattutto in seguito all'introduzione delle schede multistrato. Poiché i buchi dovevano passare attraverso tutti i livelli, è stata eliminata una grande percentuale di proprietà immobiliari disponibili sul tabellone.
Tecnologia a montaggio superficiale (SMT) ha risolto molti dei problemi causati dai fori passanti. È diventato ampiamente utilizzato negli anni '90, sebbene fosse stato introdotto diversi decenni prima. I componenti sono stati modificati per avere piccoli pad attaccati che potevano essere saldati a un circuito stampato direttamente invece che attraverso un cavo. SMT ha consentito ai produttori di PCB di imballare densamente un gran numero di componenti su entrambi i lati di un PCB. Questo tipo di montaggio è anche più facile da realizzare con l'automazione.
Il montaggio SMT non eliminava la necessità di fori nei circuiti stampati. Alcuni progetti di PCB utilizzano ancora via per consentire le interconnessioni tra componenti su livelli diversi. Tuttavia, questi fori non sono così invadenti come i fori passanti utilizzati in precedenza per il montaggio dei componenti.
Schede a circuiti multistrato
I dispositivi elettronici più complessi possono includere PCB multistrato. Queste schede sono costituite da almeno tre strati di un materiale conduttivo come il rame alternati a strati di isolamento. Le configurazioni comuni per le schede multistrato includono quattro, sei, otto o 10 strati. Tutti gli strati devono essere laminati insieme per garantire che non vi sia aria intrappolata tra gli strati. Questo processo viene solitamente eseguito ad alta temperatura e pressione.
I vantaggi dei PCB multistrato includono una maggiore densità di componenti e circuiti in uno spazio più piccolo. Sono utilizzati per computer, file server, tecnologia GPS, dispositivi sanitari e sistemi satellitari e aerospaziali. Tuttavia, le schede multistrato presentano anche alcuni svantaggi. Sono più complessi e più difficili da progettare e produrre rispetto alle schede a una e due facciate, il che le rende più costose. Possono anche essere difficili da riparare quando qualcosa va storto all'interno degli strati interni della scheda.