Doska plošných spojov funguje iba vtedy, keď je naplnená správnymi komponentmi. Rezistory, kondenzátory, diódy, tranzistory, integrované obvody, konektory a bezpečnostné časti zohrávajú úlohu pri riadení, napájaní a ochrane obvodov. Tento článok vysvetľuje tieto komponenty, ich funkcie, označenia a použitie a poskytuje jasné a podrobné informácie o základoch dosiek plošných spojov.
Č. 9. Základný hardvér PCB
Komponenty dosky plošných spojovview
Doska plošných spojov je oveľa viac ako medené stopy spojené so sklenenými vláknami; Je srdcom každého elektronického zariadenia. Bez komponentov, PCB je len list izolovaných medených ciest bez schopnosti vykonávať úlohy. Po naplnení rezistormi, kondenzátormi, polovodičmi, konektormi a ochrannými zariadeniami sa premení na kompletný elektronický systém schopný napájať, spracovávať a komunikovať s inými zariadeniami. Funkčnosť pochádza z rovnováhy pasívnych komponentov, ktoré sú zodpovedné za riadenie toku prúdu, filtrovanie signálov a delenie napätia, a aktívnych komponentov, ktoré zosilňujú, regulujú a počítajú.
Sieťotlač a polarita v komponentoch PCB
Sieťotlačové štítky na doskách plošných spojov
Sieťotlač je biely text a symboly vytlačené na doske plošných spojov. Poskytuje rýchle referencie na identifikáciu komponentov počas montáže, testovania alebo opravy. Tieto označenia šetria čas tým, že poskytujú sprievodcu bez toho, aby sa museli vždy odvolávať na schému.
Bežné označenia sieťotlače
Sieťotlač používa písmená na vyjadrenie komponentov:
• R = rezistor
• C = kondenzátor
• D = dióda
• Q = tranzistor
• U / IC = integrovaný obvod
• F = poistka
• J alebo P = konektor
• K = relé
Indikátory polarity komponentov
Mnoho častí je smerových a musí byť správne nainštalovaných. Značky polarity zahŕňajú:
• Diódy - pásik označuje katódu
• Elektrolytické kondenzátory - symbol "–" na tele
• LED diódy - plochá strana označuje katódu
• Integrované obvody - Pin 1 označený bodkou, zárezom alebo skosením
Bežné pasívne komponenty dosky plošných spojov
| Komponent | Symbol | Funkcia | Identifikácia |
|---|---|---|---|
| Rezistor | R | Obmedzuje tok prúdu, rozdeľuje napätie a nastavuje úrovne predpätia | Farebné pásy na typoch s priechodnými otvormi; 3–4-miestne kódy na SMD puzdrách |
| Kondenzátor | C | Ukladá a filtruje elektrický náboj; poskytuje krátke výbuchy energie | Označené v μF alebo pF; elektrolytika vykazuje pruh polarity; keramika často nepolarizovaná |
| Induktor | L | Ukladá energiu v magnetickom poli; odoláva náhlym zmenám klimatizácie | telesá v tvare cievky alebo feritové jadrá; hodnoty často označené v μH alebo mH |
Diskrétne komponenty dosky plošných spojov
Diódy
Diódy sú základné komponenty dosky plošných spojov, ktoré umožňujú prúdenie prúdu iba jedným smerom. Táto vlastnosť chráni obvody pred poškodením spätným napätím a je potrebná v usmerňovačoch, upínacích sieťach a systémoch prepäťovej ochrany. Ich symbol "D" na sieťotlači pomáha rýchlej identifikácii.
Svetelné diódy (LED)
LED diódy fungujú ako indikátory aj svetelné zdroje na PCB. Používajú sa na stavové signály, podsvietenie displeja a optoizoláciu. Musí sa dodržiavať polarita; Katóda je výrazne označená plochým okrajom alebo pruhom. Vďaka svojej účinnosti a nízkej spotrebe energie sú nepostrádateľné v modernej elektronike.
Tranzistory (BJT a MOSFET)
Tranzistory riadia prúd a napätie tým, že fungujú ako zosilňovače alebo spínače. Bipolárne prechodové tranzistory (BJT) vynikajú v zosilnení, zatiaľ čo MOSFETy dominujú prepínaniu výkonu vďaka nízkym stratám a vysokej rýchlosti. Na PCB sú hlavne v regulácii výkonu, digitálnej logike a spracovaní signálu.
Regulátory napätia
Regulátory napätia zaisťujú, že obvod dostáva konštantné, stabilné napätie, aj keď sa napájanie mení. Bežné výstupy zahŕňajú 5 V, 3,3 V a 12 V. Nachádzajú sa v lineárnych aj spínacích typoch a sú kľúčové pre napájanie integrovaných obvodov a citlivých záťaží. Tie sú na označeniach sieťotlače označené ako U alebo IC.
Komponenty dosky integrovaných plošných spojov
| Typ integrovaného obvodu | Označenie | Balenie | Aplikácie |
|---|---|---|---|
| Mikrokontroléry | STM32, ATmega | QFP, QFN, BGA | Vstavané riadenie, automatizácia, robotika |
| Analógové integrované obvody | LM358, TL072 | SOIC, DIP | Zosilňovače, filtre, úprava signálu |
| Pamäťové integrované obvody | 24LCxx, AT25 | SOIC, TSOP | Ukladanie dát, firmvér, ukladanie do vyrovnávacej pamäte |
| Výkonové integrované obvody | LM7805, PMIC | TO-220, QFN | Regulácia napätia, správa batérií |
| RF integrované obvody | Qualcomm kódy | QFN, BGA | Wi-Fi, Bluetooth, bezdrôtová komunikácia |
Komponenty prepojenia dosky plošných spojov
Kolíkové hlavičky a zásuvky
Kolíkové hlavičky a zásuvky sú široko používané pre modulárne pripojenia. Umožňujú jednoduché rozšírenie, testovanie alebo výmenu modulov. Nachádzajú sa vo vývojových doskách, štítoch Arduino a vstavaných systémoch a zjednodušujú prototypovanie a aktualizácie.
USB konektory
USB konektory - Type-A, Type-B, Type-C a Micro-USB - sú univerzálnym rozhraním pre prenos dát a napájanie. Na doskách plošných spojov podporujú nabíjanie, komunikáciu a periférne pripojenie naprieč elektronikou, notebookmi a priemyselnými zariadeniami.
RF koaxiálne konektory
RF konektory ako SMA, MMCX a U.FL sú určené pre vysokofrekvenčné aplikácie. Zabezpečujú minimálnu stratu signálu a stabilný výkon v bezdrôtových komunikačných zariadeniach, anténach, a IoT moduly.
Okrajové konektory
Okrajové konektory sú integrované do samotného okraja PCB a spájajú sa so slotmi v základných doskách alebo rozširujúcich doskách. Bežné v GPU, PCIe kartách a pamäťových moduloch efektívne spracovávajú napájacie aj vysokorýchlostné signály.
Komponenty ochrany napájania dosky plošných spojov
Poistky
Poistky sú obetné zariadenia označené F na PCB. Prerušia obvod pri nadmernom prúde, čím zabraňujú prehriatiu a nebezpečenstvu požiaru. Umiestnené v blízkosti napájacích vedení sú prvou úrovňou obrany proti poruchám.
Diódy TVS
Diódy na potlačenie prechodného napätia (TVS), označené ako D, upínajú náhle napäťové špičky spôsobené elektrostatickým výbojom (ESD) alebo prepätím. Sú umiestnené v blízkosti portov USB, Ethernet a HDMI, aby chránili dátové linky a integrované obvody pred prechodným poškodením.
Varistory oxidu kovu (MOV)
MOV sú nelineárne rezistory, ktoré absorbujú vysokoenergetické prepätia zo siete striedavého prúdu. Inštalované na vstupných bodoch obvodu chránia zariadenia pred úderom blesku alebo nestabilnými elektrickými sieťami bezpečným odvádzaním prebytočnej energie.
Feritové korálky
Feritové guľôčky označené ako FB pôsobia ako filtre na blokovanie vysokofrekvenčného elektromagnetického rušenia (EMI). Umiestnené v blízkosti regulátorov a vstupných/výstupných pinov potláčajú spínací šum a zlepšujú stabilitu obvodu.
Elektromechanické a časovacie komponenty dosky plošných spojov
Prepínače
Spínače patria medzi najzákladnejšie elektromechanické časti na doske plošných spojov. Sú k dispozícii ako hmatové, posuvné alebo DIP typy a umožňujú vám poskytovať priamy vstup, konfigurovať logické stavy alebo spúšťať funkcie, ako je reset, zapnutie/vypnutie alebo výber režimu.
Relé
Relé umožňujú riadiacemu obvodu s nízkym výkonom bezpečne spínať záťaže s vysokým výkonom. Použitím elektromagnetickej cievky na otváranie alebo zatváranie kontaktov poskytujú elektrickú izoláciu medzi logickými signálmi a veľkými záťažami. Bežné v automatizácii, riadenie motorov, a priemyselné PCB.
Kryštály
Kremenné kryštály poskytujú extrémne stabilné hodinové signály v rozsahu MHz. Tie sú nevyhnutné v časovaní mikrokontrolérov, dátovej komunikácii a synchronizačných obvodoch, ktoré zabezpečujú spoľahlivý výkon v digitálnych systémoch.
Oscilátory
Oscilátory sú samostatné hodinové moduly, ktoré generujú pevnú frekvenciu bez ďalších externých komponentov. Používajú sa v procesoroch, komunikačných moduloch a časovacích obvodoch na zabezpečenie stabilnej a presnej prevádzky.
Základný hardvér PCB
Distančné ústupy
Dištančné stĺpiky oddeľujú dosku plošných spojov od šasi alebo montážnej plochy. Zabraňovaním priamemu kontaktu znižujú namáhanie spájkovaného spoja, chránia stopy pred skratmi a umožňujú prúdenie vzduchu pod dosku. Táto malá dištančná vložka pomáha zastaviť praskanie spájky v dôsledku ohybu alebo vibrácií dosky.
Zátvorky
Držiaky pripevňujú konektory ako USB, HDMI alebo ethernetové porty k šasi. Bez nich zapájanie a odpájanie káblov opakovane zaťažuje samotnú dosku plošných spojov, čo vedie k prasklinám a zdvihnutým podložkám. Konzoly prenášajú mechanické zaťaženie na rám a predlžujú životnosť konektora.
Sprievodcovia kartami
Vodiace lišty kariet zarovnávajú a stabilizujú zásuvné dosky. Znižujú vibrácie, uľahčujú vkladanie/vyberanie a zabraňujú ohýbaniu okrajových konektorov. V priemyselnom alebo automobilovom prostredí s neustálymi nárazmi sú vodiace lišty kariet životne dôležité pre dlhodobú životnosť.
Tepelné podložky a chladiče
Komponenty ako regulátory napätia, MOSFETy alebo CPU generujú teplo, ktoré znižuje výkon a skracuje životnosť. Tepelné podložky zlepšujú prenos tepla do chladičov, zatiaľ čo chladiče odvádzajú teplo do okolitého vzduchu. Zabraňujú prehriatiu a udržiavajú spoľahlivosť systému.
Obaly a stopy PCB
Priechodný otvor (THT)
Priechodné časti používajú vodiče vložené do vyvŕtaných otvorov a spájkované na opačnej strane. Ponúkajú silnú mechanickú podporu, sú skvelé pri vibráciách a namáhaní a ľahko sa prototypujú. Zaberajú však viac miesta, pomalú montáž a nie sú ideálne pre kompaktné rozloženia. Sú bežné v konektoroch, relé a napájacích komponentoch.
Zariadenia na povrchovú montáž (SMD)
SMD sedia priamo na podložkách PCB bez vŕtania. Sú kompaktné, ľahké a ideálne na automatizovanú montáž s vysokou hustotou. Nevýhodou je tvrdšie ručné spájkovanie, požiadavky na presnosť a menšia mechanická pevnosť. Dominujú elektronike, ako sú smartfóny, notebooky a zariadenia internetu vecí.
BGA / QFN a pokročilé balíky
Balíky BGA a QFN umiestňujú spájkovacie podložky alebo guľôčky pod komponent, čo umožňuje vysoký počet pinov a vynikajúci výkon na malom priestore. Vyžadujú pretavovacie spájkovanie, röntgenovú kontrolu a ťažko sa prepracovávajú. Používajú sa v CPU, SoC, GPU a RF čipoch pre vysokovýkonné systémy.
Bezpečnostné komponenty dosky plošných spojov
• Vôľa je minimálna vzduchová medzera medzi dvoma vodičmi. Zabraňuje iskreniu vzduchom pri vysokom napätí.
• Creepage je minimálna povrchová vzdialenosť pozdĺž PCB medzi vodičmi. Zabraňuje zvodovému prúdu a sledovaniu povrchu.
• Tieto vzdialenosti sú potrebné pre bezpečnú a spoľahlivú prevádzku PCB vo vysokonapäťových obvodoch, ako sú napájacie zdroje, meniče a motorové pohony.
• Požadovaný rozstup závisí od prevádzkového napätia: vyššie napätia vyžadujú väčšie dotvarovanie a vôľu.
• Stupeň znečistenia ovplyvňuje riziko: čisté prostredie umožňuje menšie vzdialenosti, zatiaľ čo vlhké, prašné alebo priemyselné podmienky vyžadujú väčšiu vzdialenosť.
• Materiál CTI definuje kvalitu izolácie. Vyššie hodnotenie CTI znamená, že PCB bezpečne toleruje kratšie dráhy povrchového dotvarovania.
• Medzinárodné bezpečnostné normy (IEC, UL) poskytujú minimálne hodnoty vôle a povrchovej výšky pre rôzne napätia, materiály a prostredia.
Záver
Komponenty dosky plošných spojov sú jadrom každého elektronického zariadenia. Od pasívnych častí, ako sú rezistory, až po zložité integrované obvody a ochranné zariadenia, každý zaisťuje stabilitu, výkon a bezpečnosť. Spoločne definujú, aký spoľahlivý a efektívny sa systém stáva, vďaka čomu je ich pochopenie základom pre každého, kto pracuje s elektronikou.
Často kladené otázky [FAQ]
Na čo sa používajú oddeľovacie kondenzátory?
Stabilizujú napájanie IC filtrovaním šumu a poskytovaním rýchlych výbuchov energie.
Ako môžete rozpoznať falošné komponenty PCB?
Skontrolujte zlé označenie, nesprávne logá, nerovnomerné balenie a vždy nakupujte od dôveryhodných distribútorov.
Čo sú testovacie body na PCB?
Sú to podložky alebo kolíky, ktoré vám umožňujú merať signály a napätia na ladenie a testovanie.
Ako tepelné priechody pomáhajú pri návrhu PCB?
Odovzdávajú teplo z komponentov do iných medených vrstiev, čím zlepšujú chladenie a spoľahlivosť.
Aký je rozdiel medzi konformným poťahovaním a zalievaním?
Povlak je tenká ochranná vrstva, zatiaľ čo zalievanie úplne zapuzdrí PCB pre silnejšiu ochranu.
Prečo je potrebné zníženie výkonu komponentov?
Znižuje namáhanie použitím dielov pod ich maximálnym výkonom, čím zvyšuje spoľahlivosť a životnosť.