回路基板の機能とは?
プリント回路基板 (PCB) は、ほぼすべての種類の電子機器に使用されています。これらのプラスチック ボードとその組み込みコンポーネントは、コンピューターや携帯電話からスマートウォッチに至るまで、あらゆるものの基本技術を提供します。 PCB 上の回路接続により、基板上の小型化されたコンポーネント間で効率的に電流を流すことができ、より大きなデバイスやかさばる配線に取って代わります。
回路基板の機能
設計されたアプリケーションに応じて、PC ボードは、コンピューティング、通信、およびデータ転送に関連するさまざまなタスクを実行できます。実行するタスクを別にすれば、おそらく回路基板の最も重要な機能は、デバイスの電子回路をコンパクトなスペースに統合する方法を提供することです。 PCB を使用すると、コンポーネントを安全に絶縁しながら電源に正しく接続できます。また、回路基板は、デジタル設計ツールを使用して設計し、ファクトリ オートメーションを使用して大量に製造できるため、他のオプションよりも安価です。
回路基板の構成
現代の回路基板は通常、さまざまな材料の層から作られています。さまざまな層がラミネート加工によって融合されます。多くのボードのベース素材はファイバーグラスで、剛性のあるコアを提供します。次に、基板の片面または両面の銅箔層が続きます。次に、化学プロセスを使用して、導電経路となる銅配線を定義します。これらのトレースは、以前の電子機器アセンブリで使用されていたポイント ツー ポイント構成法に見られる厄介なワイヤ ラッピングに取って代わります。
ソルダー マスク レイヤー 銅層を保護および絶縁するために回路基板に追加されます。このプラスチック層は基板の両面を覆い、多くの場合緑色です。 シルクスクリーン レイヤーが続きます ボードの組み立てに役立つ文字、数字、その他の識別子が含まれています。回路基板のコンポーネントは、はんだ付けを含むさまざまな方法で基板に取り付けることができます。 ビアと呼ばれる小さな穴を利用する取り付け方法もあります 回路基板に穴が開けられています。それらの目的は、ボードの片側から反対側に電気が流れるようにすることです。
基本回路機能
サーキット 電気が流れる導電性材料のループです。ループが閉じている場合、電気はバッテリーなどの電源から導電性材料を介して途切れることなく流れ、電源に戻ることができます。回路の設計は、電気が電位の尺度である高い電源電圧から低い電圧に流れようとするという事実に基づいています。
すべての回路は、少なくとも 4 つの基本要素で構成されています。最初の要素はエネルギー源です ACまたはDC電源用。 2番目の要素は、エネルギーが移動できるワイヤなどの導電性材料です。この導電経路はトラックとして知られています またはトレース . 3 番目の要素は load です 、タスクまたは操作を実行するために電力の一部を消費する少なくとも 1 つのコンポーネントで構成されます。 4 番目で最後の要素は、少なくとも 1 つの controller です または切り替える 力の流れを制御します。
PCB コンポーネントの機能
負荷を回路の閉じたパスに挿入すると、負荷は電流の流れを使用して、電力を必要とするアクションを実行できます。たとえば、発光ダイオード (LED) コンポーネントは、挿入された回路に電力が流れると点灯します。電力の過負荷は接続されたコンポーネントを損傷する可能性があるため、負荷はエネルギーを消費する必要があります。
回路基板の最も重要なコンポーネントは次のとおりです。
- バッテリー :回路に電力を供給します。通常は、回路内の 2 点間に電圧差を提供するデュアル端子デバイスを介して行われます
- コンデンサ :充電をすばやく保持または解放できるバッテリーのようなコンポーネント
- ダイオード :回路基板上の電気を一方向に強制的に流すことによって制御します
- インダクタ :電流からのエネルギーを磁気エネルギーとして蓄えます
- IC (統合 回路) :小型化された形で多くの回路とコンポーネントを含む可能性があり、通常は特定の機能を実行するチップ
- LED (ライト 放出中 ダイオード ):視覚的なフィードバックを提供するために回路基板で使用される小さなライト
- レジスター :抵抗を提供することによって、電流の流れを調整します
- スイッチ: 閉じているか開いているかに応じて、電流をブロックするか、流すことができます
- トランジスタ :電気信号で制御されるスイッチの一種
回路基板上の各コンポーネントは、全体的な PCB 機能によって決定される特定のタスクまたは一連のタスクを実行します。トランジスタやコンデンサなどの一部のコンポーネントは、電流で直接動作します。これらは、集積回路として知られるより複雑なコンポーネント内のビルディング ブロックとして機能します。
PCB 対 PCBA
PCBA (Printed Circuit Board Assembly の頭字語) という用語は、基板に取り付けられ、銅配線に接続されたコンポーネントが完全に実装された回路基板を表すために使用されます。プラグイン アセンブリとも呼ばれます。銅線があり、コンポーネントが取り付けられていないボードは、ベア ボードと呼ばれることがよくあります。 またはプリント基板 .
最新の回路基板の設計により、古いワイヤラップ基板よりも低コストで大量生産することができます。専用のコンピュータ ソフトウェアを使用してボードの設計段階がレイアウトされた後は、ほとんどの場合、製造と組み立てが自動化されます。品質保証テストが完了すると、PCBA は完成し、使用できる状態になったと見なされます。
考えられる回線の問題
開回路 断線または接続不良のために閉じられていないものです。開回路は電気を通すことができないため機能しません。電圧は開回路で利用できるかもしれませんが、それが流れる方法はありません。場合によっては、開回路が必要です。たとえば、ライトのオンとオフを切り替えるために使用されるスイッチは、ライトを電源に接続する回路を開閉します。
別のタイプの故障回路は短絡です これは、回路を通過する電力が多すぎて、導電性材料または電源が損傷した場合に発生する可能性があります。短絡は、電源の 2 つの端子がその間に負荷コンポーネントなしで接続され、電流の一部を排出するなど、想定されていないときに回路内の 2 点が接続されることによって発生する可能性があります。この方法で電源をショートさせると危険な場合があり、火災や爆発につながることさえあります。
回路基板の進化
真空管と電気リレーは、初期のコンピューターの基本的な機能を実行しました。集積回路の導入により、電子部品のサイズとコストの両方が削減されました。すぐに、以前は部屋全体を占有していたデバイスのすべての配線を含む回路基板が開発されました。これらの初期のボードは、メソナイト、ベークライト、厚紙など、さまざまな素材で作られ、コネクターは、支柱に真鍮線を巻き付けたもので構成されていました。
1940 年代から、銅線が真鍮に取って代わったとき、回路基板はより効率的で安価に製造できるようになりました。銅配線を備えた初期のボードは軍用無線機で使用され、1950 年代までには民生機器にも使用されるようになりました。すぐに、片面のみに配線を含む片面基板が、現在広く使用されている両面および多層 PCB に進化しました。
1970 年代から 1990 年代にかけて、PCB 設計はより複雑になりました。同時に、ボードの物理的なサイズとコストの両方が縮小し続けました。ボードにコンポーネントが取り付けられて密度が高くなるにつれて、コンピューター支援設計アプリケーション (CAD) が作成を支援するために開発されました。現在、無料で低コストのオプションから、設計、製造、およびテストに役立つ完全に機能する高価なパッケージまで、デジタル PCB 設計に利用できるさまざまなツールがあります。
集積回路の役割
現代のエレクトロニクスは、1950 年代後半に導入された集積回路なしでは存在できませんでした。 IC は、特定の機能を実行するためにコンピュータ チップ上に組み立てられたトランジスタ、抵抗器、ダイオードなどの回路およびコンポーネントの小型化された集合体です。 1 つの IC チップには、数千または数百万のコンポーネントが含まれている場合があります。最も一般的なタイプの集積回路には、論理ゲート、タイマー、カウンター、シフト レジスタが含まれます。
低レベルの IC に加えて、コンピュータやその他のデバイスを制御する機能を持つ、より複雑なマイクロプロセッサおよびマイクロコントローラ IC もあります。その他の複雑な集積回路には、携帯電話やその他の電子デバイスに見られる加速度計やジャイロスコープなどのデジタル センサーが含まれます。 PCB の他の部分と同様に、集積回路のサイズは過去数十年にわたって着実に縮小しています。
コンポーネントの取り付け技術
スルーホール技術を使用した初期の片面 PCB へのコンポーネント実装 、部品が基板の片面に取り付けられ、はんだ付けを使用して反対側の導電性ワイヤ トレースに穴を通して固定されました。導入された時点では、スルーホール技術はポイントツーポイント構造よりも進歩していましたが、特に多層基板の導入後、実装のために PCB に開けられた穴がいくつかの設計上の問題を引き起こしました。穴はすべての層を通過する必要があるため、ボード上の使用可能な領域の大部分が排除されました。
表面実装技術 （SMT）は、スルーホールに起因する問題の多くを解決しました。数十年前に導入されていましたが、1990 年代に広く使用されるようになりました。コンポーネントは、リード線ではなく回路基板に直接はんだ付けできる小さなパッドが取り付けられるように変更されました。 SMT により、PCB メーカーは PCB の両面に多数のコンポーネントを高密度にパッケージ化することができました。このタイプのマウントは、自動化により製造も容易です。
SMT実装は、回路基板の穴の必要性を排除しませんでした.一部の PCB 設計では、異なるレイヤー上のコンポーネント間の相互接続を可能にするために、依然としてビアを使用しています。ただし、これらの穴は、コンポーネントの取り付けに以前使用されていた貫通穴ほど邪魔になりません。
多層回路基板
最も複雑な電子デバイスには、多層 PCB が含まれる場合があります。これらのボードは、絶縁層と交互になった銅などの導電性材料の少なくとも 3 つの層で構成されています。多層基板の一般的な構成には、4、6、8、または 10 層が含まれます。層の間に空気が入らないように、すべての層をラミネートする必要があります。このプロセスは通常、高温高圧下で行われます。
多層 PCB の利点には、より小さなスペースでの高密度のコンポーネントと回路が含まれます。これらは、コンピューター、ファイル サーバー、GPS テクノロジ、ヘルスケア デバイス、衛星および航空宇宙システムに使用されます。ただし、多層基板にはいくつかの欠点もあります。それらは、片面および両面ボードよりも複雑で、設計と製造が難しく、より高価になります。また、ボードの内部層で問題が発生した場合、修復が困難になることもあります。