Płytka drukowana działa tylko wtedy, gdy jest wypełniona odpowiednimi komponentami. Rezystory, kondensatory, diody, tranzystory, układy scalone, złącza i części bezpieczeństwa odgrywają rolę w sterowaniu, zasilaniu i ochronie obwodów. Ten artykuł wyjaśnia te komponenty, ich funkcje, oznaczenia i zastosowania, podając jasne i szczegółowe informacje na temat podstaw obwodów drukowanych.
Klasa C1. Przegląd komponentów płytki drukowanej
Klasa C2. Sitodruk i polaryzacja w komponentach PCB
Klasa C3. Typowe pasywne elementy płytki drukowanej
Klasa C4. Dyskretne elementy obwodów drukowanych
Klasa C5. Elementy układów scalonych
Klasa C6. Elementy połączeń na płytce drukowanej
Klasa C7. Elementy zabezpieczające zasilanie płytki drukowanej
Klasa C8. Elementy elektromechaniczne i rozrządu na płytce drukowanej
Klasa C9. Podstawowy sprzęt PCB
Klasa C10. Pakiety PCB i footprinty
Klasa C11. Elementy bezpieczeństwa na płytce drukowanej
Klasa C12. Konkluzja
Klasa C13. Często zadawane pytania [FAQ]
Przegląd komponentów płytki drukowanej
Płytka drukowana to znacznie więcej niż miedziane ścieżki połączone z włóknem szklanym; Jest sercem każdego urządzenia elektronicznego. Bez komponentów płytka drukowana jest tylko arkuszem izolowanych miedzianych ścieżek bez możliwości wykonywania zadań. Po wypełnieniu rezystorami, kondensatorami, półprzewodnikami, złączami i urządzeniami zabezpieczającymi, przekształca się w kompletny system elektroniczny zdolny do zasilania, przetwarzania i komunikowania się z innymi urządzeniami. Funkcjonalność wynika z równowagi komponentów pasywnych, odpowiedzialnych za sterowanie przepływem prądu, filtrowanie sygnałów i dzielenie napięć, oraz komponentów aktywnych, które wzmacniają, regulują i obliczają.
Sitodruk i polaryzacja w komponentach PCB
Etykiety sitodrukowe na płytkach drukowanych
Sitodruk to biały tekst i symbole wydrukowane na płytce drukowanej. Zawiera szybkie odniesienia do identyfikacji komponentów podczas montażu, testowania lub naprawy. Oznaczenia te oszczędzają czas, ponieważ stanowią wskazówkę, bez konieczności ciągłego odwoływania się do schematu.
Typowe oznaczenia sitodruku
Sitodruk używa liter do reprezentowania komponentów:
• R = Rezystor
• C = Kondensator
• D = Dioda
• Q = Tranzystor
• U / IC = Układ scalony
• F = Bezpiecznik
• J lub P = Złącze
• K = Przekaźnik
Wskaźniki polaryzacji komponentów
Wiele części jest kierunkowych i musi być prawidłowo zainstalowanych. Oznaczenia biegunowości obejmują:
• Diody - pasek oznacza katodę
• Kondensatory elektrolityczne - symbol "–" na korpusie
• Diody LED - płaska strona oznacza katodę
• Układy scalone - Pin 1 oznaczony kropką, wycięciem lub fazą
Typowe pasywne elementy płytki drukowanej
| Komponent | Symbol | Funkcjonować | Identyfikacja |
|---|---|---|---|
| Rezystor | R | Ogranicza przepływ prądu, dzieli napięcie i ustawia poziomy polaryzacji | Paski kolorów na typach otworów przelotowych; 3–4 cyfrowe kody na opakowaniach SMD |
| Kondensator | Z | Magazynuje i filtruje ładunek elektryczny; zapewnia krótkie impulsy energii | Oznaczone w μF lub pF; elektrolity wykazują pasek polaryzacji; ceramika często niespolaryzowana |
| Cewka indukcyjna | L | Magazynuje energię w polu magnetycznym; odporny na nagłe zmiany prądu przemiennego | Korpusy w kształcie cewek lub rdzenie ferrytowe; wartości często oznaczane w μH lub mH |
Dyskretne elementy płytki drukowanej
Diody
Diody to podstawowe elementy płytki drukowanej, które umożliwiają przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Ta właściwość chroni obwody przed uszkodzeniem napięcia wstecznego i jest wymagana w prostownikach, sieciach zaciskowych i systemach ochrony przeciwprzepięciowej. Ich symbol "D" na sitodruku pomaga w szybkiej identyfikacji.
Diody elektroluminescencyjne (LED)
Diody LED działają zarówno jako wskaźniki, jak i źródła światła na płytkach drukowanych. Służą do sygnalizacji stanu, podświetlenia wyświetlacza i optoizolacji. Należy przestrzegać polaryzacji; Katoda jest wyraźnie oznaczona płaską krawędzią lub paskiem. Ich wydajność i niskie zużycie energii sprawiają, że są niezastąpione w nowoczesnej elektronice.
Tranzystory (BJT i MOSFET)
Tranzystory kontrolują prąd i napięcie, działając jako wzmacniacze lub przełączniki. Tranzystory bipolarne (BJT) przodują we wzmacnianiu, podczas gdy tranzystory MOSFET dominują w przełączaniu mocy ze względu na niskie straty i dużą prędkość. Na płytkach drukowanych znajdują się głównie w regulacji mocy, logice cyfrowej i przetwarzaniu sygnałów.
Regulatory napięcia
Regulatory napięcia zapewniają, że obwód otrzymuje stałe, stabilne napięcie, nawet gdy zasilanie jest różne. Typowe wyjścia to 5 V, 3,3 V i 12 V. Występują zarówno w typach liniowych, jak i przełączających, mają kluczowe znaczenie dla zasilania układów scalonych i wrażliwych obciążeń. Są one oznaczone jako U lub IC na oznaczeniach sitodruku.
Elementy płytki scalonej
| Typ układu scalonego | Oznakowanie | Pakiet | Aplikacje |
|---|---|---|---|
| Mikrokontrolery | STM32, ATmega | QFP, QFN, BGA | Sterowanie wbudowane, automatyka, robotyka |
| Analogowe układy scalone | LM358, TL072 | SOIC, DIP | Wzmacniacze, filtry, kondycjonowanie sygnału |
| Układy scalone pamięci | 24LCxx, AT25 | SOIC, TSOP | Przechowywanie danych, oprogramowanie układowe, buforowanie |
| Układy scalone mocy | LM7805, PMIC | TO-220, QFN | Regulacja napięcia, zarządzanie baterią |
| Układy scalone RF | Kody Qualcomm | QFN, BGA | Wi-Fi, Bluetooth, komunikacja bezprzewodowa |
Elementy połączeniowe płytki drukowanej
Złącza pinowe i gniazda
Listwy kołkowe i gniazda są szeroko stosowane do połączeń modułowych. Pozwalają one na łatwą rozbudowę, testowanie lub wymianę modułów. Znalezione na płytkach rozwojowych, nakładkach Arduino i systemach wbudowanych, ułatwiają prototypowanie i aktualizacje.
Złącza USB
Złącza USB - Type-A, Type-B, Type-C i Micro-USB - są uniwersalnym interfejsem do przesyłania danych i zasilania. Na płytkach drukowanych obsługują ładowanie, komunikację i łączność peryferyjną w elektronice, laptopach i sprzęcie przemysłowym.
Złącza koncentryczne RF
Złącza RF, takie jak SMA, MMCX i U.FL, są przeznaczone do zastosowań o wysokiej częstotliwości. Zapewniają minimalne straty sygnału i stabilną pracę w urządzeniach komunikacji bezprzewodowej, antenach i modułach IoT.
Łączniki krawędziowe
Złącza Edge są zintegrowane z samą krawędzią PCB i pasują do gniazd na płytach głównych lub płytach rozszerzeń. Są one powszechne w procesorach graficznych, kartach PCIe i modułach pamięci, ale wydajnie radzą sobie zarówno z zasilaniem, jak i szybkimi sygnałami.
Elementy zabezpieczające zasilanie płytki drukowanej
Bezpieczniki
Bezpieczniki są urządzeniami protektorowymi oznaczonymi literą F na płytkach drukowanych. Przerywają obwód, gdy przepływa nadmierny prąd, zapobiegając przegrzaniu i zagrożeniu pożarem. Umieszczone w pobliżu linii wejściowych zasilania, stanowią pierwszy poziom ochrony przed awariami.
Diody TVS
Diody TVS (Transient Voltage Suppression), oznaczone jako D, blokują nagłe skoki napięcia spowodowane wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) lub przepięciami. Są one umieszczone w pobliżu portów USB, Ethernet i HDMI, aby chronić linie danych i układy scalone przed przejściowymi uszkodzeniami.
Warystory metalowo-tlenkowe (MOV)
MOV to rezystory nieliniowe, które pochłaniają wysokoenergetyczne przepięcia z sieci prądu przemiennego. Zainstalowane w punktach wejścia do obwodów, chronią urządzenia przed uderzeniami piorunów lub niestabilnymi sieciami energetycznymi, bezpiecznie odprowadzając nadmiar energii.
Koraliki ferrytowe
Koraliki ferrytowe, oznaczone jako FB, działają jak filtry blokujące zakłócenia elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości (EMI). Umieszczone w pobliżu regulatorów i pinów wejścia/wyjścia, tłumią szumy przełączania i poprawiają stabilność obwodu.
Elementy elektromechaniczne i rozrządu na płytce drukowanej
Przełączniki
Przełączniki są jednymi z najbardziej podstawowych części elektromechanicznych na płytce drukowanej. Dostępne w wersji dotykowej, ślizgowej lub DIP, umożliwiają bezpośrednie wprowadzanie danych, konfigurowanie stanów logicznych lub wyzwalanie funkcji, takich jak resetowanie, włączanie/wyłączanie zasilania lub wybór trybu.
Przekaźniki
Przekaźniki umożliwiają obwodowi sterującemu małej mocy bezpieczne przełączanie obciążeń o dużej mocy. Wykorzystując cewkę elektromagnetyczną do otwierania lub zamykania styków, zapewniają izolację galwaniczną między sygnałami logicznymi a dużymi obciążeniami. Powszechne w automatyce, sterowaniu silnikami i przemysłowych płytkach drukowanych.
Kryształy
Kryształy kwarcu zapewniają niezwykle stabilne sygnały zegarowe w zakresie MHz. Są one niezbędne w układach taktowania mikrokontrolerów, transmisji danych i synchronizacji, zapewniając niezawodne działanie w systemach cyfrowych.
Oscylatory
Oscylatory to niezależne moduły zegara, które generują stałą częstotliwość bez dodatkowych komponentów zewnętrznych. Są one stosowane w procesorach, modułach komunikacyjnych i obwodach czasowych, aby zapewnić stabilną, dokładną pracę.
Podstawowy sprzęt PCB
Dystanse
Wsporniki oddzielają płytkę drukowaną od obudowy lub powierzchni montażowej. Zapobiegając bezpośredniemu kontaktowi, zmniejszają naprężenia złącza lutowanego, chronią ścieżki przed zwarciami i umożliwiają przepływ powietrza pod płytką. Ta mała podkładka dystansowa pomaga zapobiec pękaniu lutu w wyniku wygięcia płytki lub wibracji.
Wsporniki
Wsporniki mocują złącza, takie jak porty USB, HDMI lub Ethernet, do obudowy. Bez nich podłączanie i odłączanie powoduje powtarzające się naprężenia samej płytki drukowanej, co prowadzi do pęknięć i podniesionych padów. Wsporniki przenoszą obciążenie mechaniczne na ramę, wydłużając żywotność łącznika.
Przewodniki po kartach
Prowadnice kart wyrównują i stabilizują płytki wtykowe. Redukują wibracje, ułatwiają wkładanie/wyjmowanie i zapobiegają wyginaniu się łączników krawędziowych. W środowiskach przemysłowych lub motoryzacyjnych, w których występują ciągłe wstrząsy, prowadnice kart mają kluczowe znaczenie dla długotrwałej trwałości.
Podkładki termiczne i radiatory
Komponenty, takie jak regulatory napięcia, tranzystory MOSFET lub procesory, generują ciepło, które pogarsza wydajność i skraca żywotność. Podkładki termiczne poprawiają przenoszenie ciepła do radiatorów, podczas gdy radiatory rozpraszają ciepło do otaczającego powietrza. Zapobiegają przegrzaniu i utrzymują niezawodność systemu.
Pakiety PCB i ślady stóp
Przewlekane (THT)
Części z otworami przelotowymi wykorzystują przewody włożone w wywiercone otwory i przylutowane po przeciwnej stronie. Zapewniają silne wsparcie mechaniczne, doskonale znoszą wibracje i naprężenia oraz są łatwe do prototypowania. Zajmują jednak więcej miejsca, spowalniają montaż i nie są idealne do kompaktowych układów. Są one powszechne w złączach, przekaźnikach i komponentach zasilających.
Urządzenia do montażu powierzchniowego (SMD)
SMD są umieszczane bezpośrednio na podkładkach PCB bez wiercenia. Są kompaktowe, lekkie i idealne do zautomatyzowanego montażu o dużej gęstości. Wadami są trudniejsze ręczne, wymagania dotyczące precyzji i mniejsza wytrzymałość mechaniczna. Dominują w elektronice, takiej jak smartfony, laptopy i urządzenia IoT.
BGA / QFN i zaawansowane pakiety
Pakiety BGA i QFN umieszczają pola lutownicze lub kulki pod komponentem, umożliwiając dużą liczbę pinów i doskonałą wydajność na małej przestrzeni. Wymagają rozpływowego, kontroli rentgenowskiej i są trudne do przerobienia. Są one używane w procesorach, układach SoC, procesorach graficznych i układach RF dla systemów o wysokiej wydajności.
Elementy bezpieczeństwa na płytce drukowanej
• Luz to minimalna szczelina powietrzna między dwoma przewodami. Zapobiega wyładowaniom łukowym w powietrzu, gdy obecne są wysokie napięcia.
• Upływ to minimalna odległość powierzchni wzdłuż płytki drukowanej między przewodami. Zapobiega prądowi upływowemu i śledzeniu powierzchni.
• Odległości te są wymagane do bezpiecznej i niezawodnej pracy z płytkami drukowanymi w obwodach wysokiego napięcia, takich jak zasilacze, falowniki i napędy silnikowe.
• Wymagany odstęp zależy od napięcia roboczego: wyższe napięcia wymagają większego upływu i luzu.
• Stopień zanieczyszczenia wpływa na ryzyko: czyste środowiska pozwalają na ciaśniejsze odstępy, podczas gdy warunki wilgotne, zapylone lub przemysłowe wymagają większej odległości.
• Materiał CTI określa jakość izolacji. Wyższy wskaźnik CTI oznacza, że płytka drukowana może bezpiecznie tolerować krótsze ścieżki upływu .
• Międzynarodowe normy bezpieczeństwa (IEC, UL) zapewniają minimalne wartości luzu i upływu dla różnych napięć, materiałów i środowisk.
Wnioski
Elementy obwodów drukowanych są sercem każdego urządzenia elektronicznego. Od części pasywnych, takich jak rezystory, po złożone układy scalone i urządzenia zabezpieczające, każdy z nich zapewnia stabilność, wydajność i bezpieczeństwo. Wspólnie określają, jak niezawodny i wydajny staje się system, sprawiając, że ich zrozumienie jest podstawą dla każdego, kto pracuje z elektroniką.
Często zadawane pytania [FAQ]
Do czego służą kondensatory odsprzęgające?
Stabilizują one zasilanie układu scalonego, filtrując szumy i zapewniając szybkie impulsy energii.
Jak rozpoznać podrobione elementy PCB?
Sprawdź, czy nie ma złych oznaczeń, niewłaściwych logo, nierównych opakowań i zawsze kupuj od zaufanych dystrybutorów.
Co to są punkty testowe na płytce drukowanej?
Są to pady lub piny, które pozwalają mierzyć sygnały i napięcia w celu debugowania i testowania.
W jaki sposób przelotki termiczne pomagają w projektowaniu PCB?
Przenoszą one ciepło z komponentów do innych warstw miedzi, poprawiając chłodzenie i niezawodność.
Jaka jest różnica między powlekaniem konformalnym a zalewaniem?
Powłoka jest cienką warstwą ochronną, podczas gdy zalewanie całkowicie otacza płytkę drukowaną, zapewniając silniejszą ochronę.
Dlaczego wymagane jest obniżenie wartości znamionowych komponentów?
Zmniejsza naprężenia poprzez stosowanie części poniżej ich maksymalnej wartości, poprawiając niezawodność i żywotność.