Печатные платы это: Печатные платы: понятие, разновидности, преимущества

Содержание

Печатные платы. Основные понятия и терминология печатных плат

Что представляет из себя печатная плата?

     Печатная плата или плата, представляет собой пластину или панель состоящее из одного или двух проводящих рисунков, расположенных на поверхности диэлектрического основания, или из системы проводящих рисунков, расположенных в объеме и на поверхности диэлектрического основания, соединенных между собой в соответствии с принципиальной электрической схемой, предназначенное для электрического соединения и механического крепления устанавливаемых на нем изделий электронной техники, квантовой электроники и электротехнических изделий — пассивных и активных электронных компонентов.

Самый простой печатной платой является плата, которая содержит медные проводники на одной из сторон печатной платы и связывает элементы проводящего рисунка только на одной из ее поверхностей. Такие платы известны как однослойные печатной платы или односторонние печатные платы (сокращенно — ОПП). На сегодняшний день, самые популярные в производстве и наиболее распространенные печатные платы, которые содержат два слоя, то есть, содержащие проводящий рисунок с обеих сторон платы – двухсторонни (двухслойные) печатные платы (сокращённо ДПП). Для соединения проводников между слоями используются сквозные монтажные и переходные металлизированные отверстия. Тем не менее, в зависимости от физической сложности конструкции печатной платы, когда разводка проводников на двусторонней плате становится слишком сложной, на производстве заказывается многослойные печатные платы (сокращённо МПП), где проводящий рисунок формируется не только на двух внешних сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. В зависимости от сложности, многослойные печатные платы могут быть изготовлены из 4,6, ….24 или более слоев.

Рис 1. Пример двухслойной печатной платы с защитной паяльной маской и маркировкой.

        Для монтажа электронных компонентов на печатные платы, необходима технологическая операция — пайка, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных металлов путём введения между контактами деталей расплавленного металла — припоя, имеющего более низкую температуру плавления, чем материалы соединяемых деталей. Спаиваемые контакты деталей, а также припой и флюс вводятся в соприкосновение и подвергаются нагреву с температурой выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления спаиваемых деталей. В результате, припой переходит в жидкое состояние и смачивает поверхности деталей. После этого нагрев прекращается, и припой переходит в твёрдую фазу, образуя соединение. Этот процесс можно сделать вручную или с помощью специализированной техники. Перед пайкой, компоненты размещаются на печатной плате выводами компонентов в сквозные отверстия платы и припаиваются к контактным площадкам и/или металлизированной внутренней поверхности отверстия – т.н. технология монтажа в отверстия (THT Through Hole Technology — технология монтажа в отверстия или др. словами — штыревой монтаж или DIP-монтаж).

         Так же, все большее распространение, в особенности, в массовом и крупносерийном производстве, получила более прогрессивная технология поверхностного монтажа — также называемая ТМП (технология монтажа на поверхность) или SMT (surface mount technology) или SMD-технология (от surface mount device – прибор, монтируемый на поверхность). Основным ее отличием от «традиционной» технологии монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются и паяются на контактные площадки (англ. land), являющиеся частью проводящего рисунка на поверхности печатной платы. В технологии поверхностного монтажа, как правило, применяются два метода пайки: пайка оплавлением припойной пасты и пайка волной. Основное преимущество метода пайки волной – возможность одновременной пайки компонентов, монтируемых как на поверхность платы, так и в отверстия. При этом пайка волной является самым производительным методом пайки при монтаже в отверстия. Пайка оплавлением основана на применении специального технологического материала – паяльной пасты. Она содержит три основных составляющих: припой, флюс (активаторы) и органические наполнители. Паяльная паста наносится на контактные площадки либо с помощью дозатора, либо через трафарет, затем устанавливаются электронные компоненты выводами на паяльную пасту и далее, процесс оплавления припоя, содержащегося в паяльной пасте, выполняется в специальных печах путем нагрева печатной платы с компонентами.

       Для избежания и/или предотвращения случайного короткого замыкания проводников из разных цепей в процессе пайки, производители печатных плат применяют защитную паяльную маску (англ. solder mask; она же «зеленка») – слой прочного полимерного материала, предназначенного для защиты проводников от попадания припоя и флюса при пайке, а также от перегрева. Паяльная маска закрывает проводники и оставляет открытыми контактные площадки и ножевые разъемы. Наиболее распространенные цвета паяльной маски, используемые в печатных платах — зеленый, затем красный и синий.

         Следует иметь в виду, что паяльная маска не защищает плату от влаги в процессе эксплуатации платы и для влагозащиты используются специальные органические покрытия. В наиболее популярных программах систем автоматизированного проектирования печатных плат и электронных приборов (сокращённо САПР — CAM350, P-CAD, Protel DXP, SPECCTRA, OrCAD, Allegro , Expedition PCB, Genesis), как правило, существуют правила, связанные с паяльной маской. Эти правила определяют расстояние/отступ, которое необходимо соблюсти, между краем паяемой площадки и границей паяльной маски. Эта концепция иллюстрируется на рисунке 2 (а).

Рис 2. Расстояние от площадки до маски (а) и маркировка (b)

Шелкография или маркировка.

              Маркировка (англ. Silkscreen, legend) является процессом, в котором производитель наносит информацию о электронных компонентах и которая способствует облегчить процесс сборки, проверки и ремонта. Как правило, маркировка наносится для обозначения контрольных точек, а также положения, ориентации и номинала электронных компонентов.

             Также она может быть использована для любых целей конструктора печатных плат, например, указать название компании, инструкцию по настройке (это широко используется в старых материнских платах персональных компьютеров) и др. Маркировку можно наносить на обе стороны платы и ее, как правило, наносят методом сеткографии(шелкография) специальной краской (с термическим или УФ отверждением) белого, желтого или черного цвета. На рисунке 2 (b) показаны обозначение и область расположения компонентов, выполненные маркировкой белого цвета.

Структура слоев в САПР

            Как уже отмечалось в начале этой статьи, печатные платы могут быть сделаны из нескольких слоев. Когда печатная плата разработана с помощью САПР, часто можно увидеть в структуре печатной платы несколько слоев, которые не соответствуют необходимым слоям с разводкой из проводящего материала (меди). Например, слои с маркировкой и паяльной маской являются непроводящими слоями. Наличие проводящих и непроводящих слоев может привести к путанице, так как производители используют термин слой, когда они имеют в виду только токопроводящие слои. С этого момента, мы будем использовать термин «слои» без «САПР», только когда речь идет о проводящих слоях. Если мы используем термин «слои САПР» мы имеем в виду все виды слоев, то есть проводящие и непроводящие слои.

Структура слоев в САПР:

1 —  Top silkscreen — верхний слой маркировки (непроводящий)

2 — Top soldermask – верхний слой паяльной маски (непроводящий)

3 — Top paste mask – верхний слой паяльной пасты (непроводящий)

4 — Top Layer 1 – первый/верхний слой (проводящий)

5 — Substrate — базовый диэлектрик (непроводящий)

6 — Int Layer 2 – второй/внутренний слой (проводящий)

. ..

n      — Bottom Layer n — нижний слой(проводящие)

n-1   — Substrate — базовый диэлектрик (непроводящий)

n +1  — Bottom paste mask — Нижний слой паяльной пасты (непроводящий)

n +2  — Bottom soldermask Нижний слой паяльной маски (непроводящий)

n +3  — Bottom silkscreen Нижний слой маркировки (непроводящий)

На рисунке 3. показаны три различных структур слоев. Оранжевый цвет подчеркивает проводящие слои в каждой структуре. Высота структуры или толщина печатной платы может варьироваться в зависимости от назначения, однако наиболее часто используется толщина 1,5мм.

Рис 3. Пример 3 различных структур печатных плат: 2-х слойная(а), 4-х слойная (b) и 6-и слойная(с)

 

Типы корпусов электронных компонентов

          Сегодня на рынке присутствует большое разнообразие типов корпусов электронных компонентов. Обычно, для одного пассивного или активного элемента существует несколько типов корпусов. Например, вы можете найти одну и ту же микросхему и в корпусе QFP (от англ. Quad Flat Package — семейство корпусов микросхем, имеющих планарные выводы, расположенные по всем четырём сторонам) и в корпусе LCC (от англ. Leadless Chip Carrier — представляет собой низкопрофильный квадратный керамический корпус с расположенными на его нижней части контактами).

В основном существует 3 больших семейств электронных корпусов:

 

Thru-Hole — корпуса для монтажа в отверстия, которые имеют контакты, предназначенные для сквозной установки через монтажные отверстие в печатной плате. Такие компоненты паяются на противоположной стороне платы, где был вставлен компонент. Как правило, эти компоненты смонтированы только на одной стороне печатной платы.

SMD / SMT — корпуса для поверхностного монтажа, которые паяются на одну сторону платы, где помещен компонент. Преимущество этого вида компоновки корпуса является то, что он может быть установлен на обе стороны печатной платы и кроме того, эти компоненты меньше чем корпуса для монтажа в отверстия и позволяют проектировать платы меньших габаритов и с более плотной разводкой проводников на печатных платах.

BGA  (Ball Grid Array- массив шариков) -тип корпуса поверхностно-монтируемых интегральных микросхем). BGA выводы представляют собой, шарики из припоя, нанесённые на контактные площадки с обратной стороны микросхемы. Микросхему располагают на печатной плате и нагревают с помощью паяльной станции или инфракрасного источника, так что шарики начинают плавиться. Поверхностное натяжение заставляет расплавленный припой зафиксировать микросхему ровно над тем местом, где она должна находиться на плате. У BGA длина проводника очень мала, и определяется расстоянием между платой и микросхемой, таким образом, применение BGA позволяет увеличить диапазон рабочих частот и увеличить скорость обработки информации. Так же технология BGA имеет лучший тепловой контакт между микросхемой и платой, что в большинстве случаев избавляет от установки теплоотводов, поскольку тепло уходит от кристалла на плату более эффективно. Чаще всего BGA используется в компьютерных мобильных процессорах, чипсетах и современных графических процессорах.

 

Контактная площадка печатной платы (англ. land)

           Контактная площадка печатной платы — часть проводящего рисунка печатной платы, используемая для электрического подсоединения устанавливаемых изделий электронной техники. Контактная площадка печатной платы представляет собой открытые от паяльной маски части медного проводника, куда и припаиваются выводы компонентов. Есть два типа площадок – контактные площадки монтажных отверстий для монтажа в отверстия и планарные площадки для поверхностного монтажа — SMD площадки. Иногда, SMD площадки с переходным отверстием очень похожи на площадки для монтажа в отверстия. На рисунке 4 представлены контактные площадки для 4х разных электронных компонентов. Восемь для IC1 и две для R1 SMD площадки, соответственно, а так же три площадки с отверстиями для Q1 и PW электронных компонентов.

Рис 4. Площадки для поверхностного монтажа (IC1, R1) и контактные площадки для монтажа в отверстия (Q1, PW).

 

Медные проводники

           Медные проводники используется для подключения двух точек на печатной плате -например, для подключения между двумя SMD площадками (рисунок 5. ), или для подключения SMD площадки к площадке монтажного отверстия или для соединения двух переходных отверстия. Проводники могут иметь разную, рассчитанную ширину в зависимости от токов, протекающих через них. Так же, на высоких частотах, необходимо рассчитывать ширину проводников и зазоры между ними, так как сопротивление, емкость и индуктивность системы проводников зависит от их длинны, ширины и их взаимного расположения.

Рисунок 5. Соединение двумя проводниками двух SMD микросхем.

 

Сквозные металлизированные переходные отверстие печатной платы

          Когда надо соединить компонент, который находится на верхнем слое печатной платы с компонентом, который находится на нижнем слое, применяются сквозные металлизированные переходные отверстия, которые соединяют элементы проводящего рисунка на разных слоях печатной платы. Эти отверстия, позволяют току проходить сквозь печатную плату. На рисунке 6 показаны два проводника, которые начинаются на площадках компонентов на верхнем слое и заканчивается на площадках другого компонента на нижнем слое. Для каждого проводника установлено свое переходное отверстие, проводящее ток из верхнего слоя на нижний слой.


Рисунок 6. Соединение двух микросхем через проводники и переходные металлизированные отверстия на разных сторонах печатной платы
На рисунке 7 более детально дано представление о поперечном сечении 4-слойных печатных плат.
Рисунок 7. Проводник из верхнего слоя, проходящий через печатную плату и продолжающий свой путь на нижнем слое.
Здесь цветами обозначены следующие слои:
зеленый — Верхняя и нижняя паяльная маска
красный — Верхний проводящий слой
фиолетовый — Второй слой — обычно этот слой используется в качестве питания или земли (то есть Vcc и Gnd)
желтый -Третий слой – так же может использоваться в качестве питания или земли
синий — Нижний проводящий слой
На модели печатной платы, на рисунке 7 показан проводник (красный), который принадлежит к верхнему проводящему слою , и который проходит сквозь плату с помощью сквозного переходного отверстия, а затем продолжает свой путь по нижнему слою(синий).

 

«Глухое» металлизированное отверстие печатной платы

В HDI (High Density Interconnect — высокая плотность соединений) печатных платах, необходимо использовать более чем два слоя, как это показано на рисунке 7. Как правило, в многослойных конструкциях печатной платы, на которых устанавливаются много интегральных микросхем, используются отдельные слои для питания и земли (Vcc или GND), и таким образом, наружные сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников. Также бывают случаи, что сигнальные проводники должны переходить от внешнего слоя (сверху или снизу) по наименьшему пути, что бы обеспечить необходимое волновое сопротивление, требования по гальванической развязке и заканчивая требованиями на устойчивость к электростатическому разряду. Для таких видов соединений используются глухие металлизированные отверстие (Blind via — «глухие» или «слепые»). Имеются в виду отверстия, соединяющие наружный слой с одним или несколькими внутренними, что позволяет сделать подключение минимальным по высоте. Глухое отверстие начинается на внешнем слое и заканчивается на внутреннем слое, поэтому оно имеет префикс «глухое».

Чтобы узнать, какое отверстие присутствует на плате, вы можете поместить печатную плату над источником света и посмотреть — если вы видите свет, идущий от источника через отверстие, то это переходное отверстие, в противном случае глухое.

Глухие переходные отверстия полезно использовать в конструкции платы, когда вы ограничены в размерах и имеете слишком мало места для размещения компонентов и разводки сигнальных проводников. Вы можете разместить электронные компоненты с обеих сторон и максимально увеличить пространство под разводку и другие компоненты. Если переходы сделаны через сквозные отверстие, а не глухие, понадобиться дополнительное пространство для отверстий т.к. отверстие занимает место с обеих сторон. В то же время глухие отверстия могут находиться под корпусом микросхемы – например для разводки больших и сложных BGA компонентов.

На рисунке 8 показаны три отверстия, которые являются частью четырехслойной печатной платы. Если смотреть слева направо, то первое мы увидим сквозное отверстие через все слои. Второе отверстие начинается в верхнем слое и заканчивается на втором внутреннем слое — глухое переходное отверстия L1-L2. Наконец, третье отверстие, начинается в нижнем слое и заканчивается в третьем слое, поэтому мы говорим, что это глухое переходное отверстия L3-L4.

Основным недостатком этого типа отверстия, является более высокая цена изготовления печатной платы с глухими отверстиями, по сравнению с альтернативными сквозными отверстиями.


Рис 8. Сравнение переходного сквозного отверстие и глухих переходных отверстий.

 

Скрытые переходные отверстия

Англ. Buried via — «скрытые», «погребенные», «встроенные». Эти переходные отверстия похожи на глухие, с той разницей, что они начинаются и заканчиваются на внутренних слоях. Если мы посмотрим на рисунок 9 слева направо, мы увидим, что первое отверстие сквозное через все слои. Второе представляет собой глухое переходное отверстия L1-L2, а последнее является, скрытое переходное отверстие L2-L3, которое начинается на втором слое и заканчивается на третьем слое.



Рисунок 9. Сравнение переходного сквозного отверстие, глухого отверстия и скрытого отверстия.

 

Технология изготовления глухих и скрытых переходных отверстий

Технология изготовления таких отверстий может быть различной, в зависимости от той конструкции, которую заложил разработчик, и в зависимости от возможностей завода-изготовителя. Мы будем выделять два основных вида:

  1. Отверстие сверлится в двусторонней заготовке ДПП, металлизируется, травиться и затем эта заготовка, по сути готовая двухслойная печатная плата, прессуется через препрег в составе многослойной заготовки печатной платы. Если эта заготовка находиться сверху «пирога» МПП, то мы получаем глухие отверстия, если в середине, то — скрытые переходные отверстия.
  2. Отверстие сверлится в спрессованной заготовке МПП, глубина сверления контролируется, что бы точно попасть в площадки внутренних слоев, и затем происходит металлизация отверстия. Таким образом мы получаем только глухие отверстия.

В сложных конструкциях МПП могут применяться комбинации вышеперечисленных видов отверстий – рисунок 10.

Рисунок 10. Пример типовой комбинации видов переходных отверстий.

        Заметим, что применение глухих отверстий иногда может привести к удешевлению проекта в целом, за счет экономии на общем количестве слоев, лучшей трассируемости, уменьшения размера печатной платы, а также возможности применить компоненты с более мелким шагом. Однако в каждом конкретном случае решение об их применении следует принимать индивидуально и обоснованно. Однако не следует злоупотреблять сложностью и многообразием видов глухих и скрытых отверстий. Опыт показывает, что при выборе между добавлением в проект еще одного вида несквозных отверстий и добавлением еще одной пары слоев правильнее будет добавить пару слоев. В любом случае, конструкция МПП должна быть спроектирована с учетом того, как именно она будет реализована в производстве.

 

Финишные металлические защитные покрытия

        Получение правильных и надежных паяных соединений в электронном оборудовании зависит от многих конструктивных и технологических факторов, включая должный уровень паяемости соединяемых элементов, таких как компоненты и печатные проводники. Для сохранения паяемости печатных плат до монтажа электронных компонентов, обеспечения плоскостности покрытия и для надежного монтажа паяных соединений необходимо защищать медную поверхность контактных площадок печатной платы от окисления, так называемым финишным металлическим защитным покрытием. При взгляде на разные печатные платы, можно заметить, что контактные площадки почти не когда не имеют цвет меди, зачастую и в основном это серебристые цвета, блестящий золотой или матовый серый. Эти цвета и определяют типы финишных металлических защитных покрытий.

          Наиболее распространенным методом защиты паяемых поверхностей печатных плат является покрытие медных контактных площадок слоем серебристого сплава олово-свинеца (ПОС-63) — HASL. Большинство изготавливаемых печатных плат защищены методом HASL.

— Горячее лужение HASL — процесс горячего облуживания платы, методом погружения на ограниченное время в ванну с расплавленным припоем и при быстрой выемке обдувкой струей горячего воздуха, убирающей излишки припоя и выравнивающей покрытие. Это покрытие доминирует в течение нескольких последних лет, несмотря на его серьезные технические ограничения. Платы, выпущенные таким способом, хотя и хорошо сохраняют паяемость в течение всего периода хранения, непригодны для некоторых применений. Высокоинтегрированные элементы, используемые в SMT технологиях монтажа, требуют идеальной планарности (плоскостности) контактных площадок печатных плат. Традиционные покрытия HASL не соответствуют требованиям планарности. Технологии нанесения покрытий, соответствующие требованиям планарности, это наносимое химическими методами покрытия:

— иммерсионное золочение (Electroless Nickel / Immersion Gold — ENIG), представляющее собой тонкую золотую пленку, наносимую поверх подслоя никеля. Функция золота — обеспечивать хорошую паяемость и защищать никель от окисления, а сам никель служит барьером, предотвращающим взаимную диффузию золота и меди. Это покрытие гарантирует превосходную планарность контактных площадок без повреждения печатных плат, обеспечивает достаточную прочность паяных соединений, выполненных припоями на основе олова. Их главный недостаток — высокая себестоимость производства.

— иммерсионное олово (Immersion Tin — ISn) – серое матовое химическое покрытие, обеспечивающее высокую плоскостность печатных площадок платы и совместимое со всеми способами пайки, нежели ENIG. Процесс нанесения иммерсионного олова, схож с процессом нанесения иммерсионного золота. Иммерсионное олово обеспечивает хорошую паяемость после длительного хранения, которое обеспечивается введением подслоя органометалла в качестве барьера между медью контактных площадок и непосредственно оловом. Однако, платы, покрытые иммерсионным оловом, требуют осторожного обращения, должны хранится в вакуумной упаковке в шкафах сухого хранения и платы с этим покрытием не пригодны для производства клавиатур/сенсорных панелей.

     При эксплуатации компьютеров, устройств с ножевыми разъемами, контакты ножевых разъемов, подвергаются трению при эксплуатации платы, поэтому, концевые контакты, гальваническим способом покрывают более толстым и более жестким слоем золота.

— Гальваническое золочение ножевых разъёмов (Gold Fingers) — покрытие семейства Ni/Au, толщина покрытия: 5 -6 Ni; 1,5 – 3 мкм Au. Покрытие наносится электрохимическим осаждением (гальваника) и используется в основном для нанесения на концевые контакты и ламели. Толстое, золотое покрытие имеет высокую механическую прочность, стойкость к истиранию и неблагоприятному воздействию окружающей среды. Незаменимо там, где важно обеспечить надежный и долговечный электрический контакт.

 

Рисунок 11. Примеры металлических защитных покрытий — олово-свинец, иммерсионное золочение, иммерсионное олово, гальваническое золочение ножевых разъёмов.

(c) pselectro.ru

Урок 2.1 — Печатная плата

Урок 2.1 — Печатная плата

Урок 2.1 — Печатная плата

Урок 2.1 — Печатная плата: описание, назначение.

Урок 2.1, Печатная плата

https://masterkit.ru/blog/lessons/urok-2-1-pechatnaya-plata

Печатная плата — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата является основой любой современной радиолюбительской конструкции и предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой. Цвет печатной платы может быть любой: зелёный (по умолчанию), синий, красный. чёрный, на другие характеристики платы он не влияет.

Печатная плата имеет две стороны. Условно их можно назвать лицевой стороной и стороной печатных проводников. В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки к которым и припаиваются выводы радиодеталей. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С лицевой стороны наносится маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации), чтобы можно было разобраться, куда и в какой полярности установить ту или иную деталь.

На картинках ниже показана одна и та же печатная плата с разных сторон.

 

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком печатные платы подразделяют на:

  • односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика
  • двухсторонние (ДПП): два слоя фольги
  • многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат

 

По свойствам материала основы:

Жёсткие
Гибкие

Печатные платы могут иметь свои особенности в связи с их назначением и требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, платы для приборов, работающих на высоких частотах).

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс.

Также основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору.

В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д)[2], и керамика.

Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Токопроводящие дорожки обычно покрыты слоем изолирующего лака (так называемой «маской»), и только контактные площадки открыты от маски и готовы к пайке. Контактные площадки подавляющего большинства плат Мастер Кит серебристые и блестящие, так как покрыты слоем олова, что защищает их от преждевременного окисления при длительном хранении. Такие платы легко паяются с помощью самого обычного припоя с каналом канифоли, и вам не потребуется приобретать дополнительно канифоль или флюс.

Если же вам встретится плата, контактные площадки которой не покрыты защитным слоем олова, а медные (характерного жёлтого цвета), то для снятия окислов и качественной пайки бывает необходимо применять канифоль и флюс. В запущенных случаях помогает шлифовка контактных площадок тонкой наждачной бумагой («нулёвкой»).

Иногда на печатной плате размещены отверстия для её крепежа в корпусе. Если таких отверстий не предусмотрено, можно самостоятельно просверлить их обычным сверлом в свободном от компонентов месте. Разумеется, нужно убедиться, что новое отверстие не нарушит какой-нибудь печатный проводник или контактную площадку.

Если печатная плата чуть-чуть не влезает в планируемый для её размещения корпус, плату можно подточить с торцов напильником. Но следите за тем, чтобы напильник не нарушил токопроводящие дорожки платы.

Испортить печатную плату сложно, но, если постараться, всё-таки возможно. Во-первых, не следует чрезмерно сильно сгибать её — плата может сломаться! И не допускайте перегрева платы при пайке! Хотя токопроводящие дорожки и контактные площадки из фольги приклеены к основе платы очень качественным клеем, устойчивым к воздействию высоких температур, чрезмерно долгое непрерывное воздействие (более нескольких секунд) горячего жала паяльника на контактную площадку может привести к её отрыву от основы. Если это всё же произошло, можно приклеить оторвавшуюся дорожку. Если же дорожка не просто отклеилась, а оторвалась, для восстановления целостности электрической цепи можно применить отрезок провода.

Промывать печатную плату от остатков паяльных материалов можно с помощью спиртового раствора (спирта).

Скачать урок в формате PDF

Основы печатных плат — SparkFun Learn

  • Главная
  • Учебники
  • Основы печатных плат

≡ Страниц

Авторы:
SFUptownMaker

Избранное

Любимый

48

Обзор

Одним из ключевых понятий в электронике является печатная плата или печатная плата. Это настолько важно, что люди часто забывают объяснить, что такое печатная плата 9.0019 это . В этом учебном пособии будет рассмотрено, из чего состоит печатная плата, и некоторые общие термины, используемые в мире печатных плат.

На следующих нескольких страницах мы обсудим состав печатной платы, рассмотрим некоторую терминологию, рассмотрим методы сборки и кратко обсудим процесс проектирования, лежащий в основе создания новой печатной платы.

Рекомендуемая литература

Прежде чем приступить к работе, вы можете прочитать о некоторых концепциях, на которых мы основываемся в этом руководстве:

  • Что такое электричество?
  • Что такое цепь?
  • Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома
  • Основные сведения о разъемах
  • Пайка 101 — ПТН
  • Сигналы

Переводы

Minh Tuấn был достаточно любезен, чтобы перевести это руководство на вьетнамский язык. Посмотреть перевод можно здесь.

Что такое печатная плата?

Плата с печатным монтажом является наиболее распространенным названием, но может также называться «платы с печатным монтажом» или «платы с печатным монтажом». До появления печатных плат схемы конструировались с помощью трудоемкого процесса двухточечной проводки. Это приводило к частым отказам в местах соединения проводов и коротким замыканиям, когда изоляция проводов начинала стареть и трескаться.

->
любезно предоставлено пользователем Википедии Wikinaut <-

Значительным достижением стала разработка накрутки проводов, при которой провод небольшого сечения буквально наматывается вокруг столба в каждой точке соединения, создавая газонепроницаемое соединение с высокой прочный и легко заменяемый.

По мере того, как электроника перешла от электронных ламп и реле к кремнию и интегральным схемам, размер и стоимость электронных компонентов начали уменьшаться. Электроника стала преобладать в потребительских товарах, и стремление уменьшить размер и стоимость производства электронных продуктов заставило производителей искать лучшие решения. Так родилась печатная плата.

PCB — это аббревиатура от печатной платы . Это доска с линиями и контактными площадками, которые соединяют различные точки вместе. На картинке выше есть дорожки, которые электрически соединяют различные разъемы и компоненты друг с другом. Печатная плата позволяет направлять сигналы и питание между физическими устройствами. Припой — это металл, который создает электрические соединения между поверхностью печатной платы и электронными компонентами. Будучи металлом, припой также служит сильным механическим клеем.

Состав

Печатная плата похожа на слоеный пирог или лазанью: чередующиеся слои различных материалов ламинируются вместе с помощью тепла и клея, так что в результате получается единый объект.

Давайте начнем с середины и пройдем дальше.

FR4

Основным материалом или подложкой обычно является стекловолокно. Исторически сложилось так, что наиболее распространенным обозначением этого стекловолокна является «FR4». Это твердое ядро ​​придает печатной плате жесткость и толщину. Существуют также гибкие печатные платы, изготовленные из гибкого высокотемпературного пластика (каптон или его аналог).

Вы найдете множество печатных плат различной толщины; наиболее распространенная толщина продуктов SparkFun составляет 1,6 мм (0,063 дюйма). В некоторых наших продуктах — платах LilyPad и платах Arudino Pro Micro — используется плата толщиной 0,8 мм.

Более дешевые печатные платы и перфокарты (показаны другие материалы, такие как эпоксидные смолы или фенольные смолы, которые менее долговечны, чем FR4, но намного дешевле.Вы будете знать, что работаете с этим типом печатной платы, когда будете припаивать ее — они имеют очень характерный неприятный запах. Эти типы подложек также обычно встречается в дешевой бытовой электронике.Фенолы имеют низкую температуру термического разложения, из-за чего они расслаиваются, дымят и обугливаются, когда паяльник слишком долго держат на плате.

Медь

Следующий слой представляет собой тонкую медную фольгу, которая приклеивается к плате с помощью нагрева и клея. На обычных двухсторонних печатных платах медь наносится на обе стороны подложки. В недорогих электронных гаджетах печатная плата может иметь медь только с одной стороны. Когда мы говорим о двусторонней плате или двухслойной плате , мы имеем в виду количество медных слоев (2) в нашей лазанье. Это может быть как 1 слой, так и 16 и более слоев.

Печатная плата с открытой медью, без паяльной маски и шелкографии.

Толщина меди может варьироваться и указывается по весу в унциях на квадратный фут. Подавляющее большинство печатных плат содержат 1 унцию меди на квадратный фут, но некоторые печатные платы, рассчитанные на очень большую мощность, могут использовать 2 или 3 унции меди. Каждая унция на квадрат соответствует примерно 35 микрометрам или 1,4 тысячным дюйма толщины меди.

Паяльная маска

Слой поверх медной фольги называется слоем паяльной маски. Этот слой придает печатной плате зеленый (или, в SparkFun, красный) цвет. Он накладывается на медный слой, чтобы изолировать медные дорожки от случайного контакта с другим металлом, припоем или проводящими битами. Этот слой помогает пользователю выполнять пайку в правильных местах и ​​предотвращать перемычки.

В приведенном ниже примере зеленая паяльная маска наносится на большую часть печатной платы, закрывая небольшие дорожки, но оставляя открытыми серебряные кольца и контактные площадки SMD, чтобы их можно было припаять.

Паяльная маска чаще всего зеленого цвета, но возможен практически любой цвет. Мы используем красный цвет почти для всех плат SparkFun, белый — для платы IOIO и фиолетовый — для плат LilyPad.

Шелкография

Белый слой шелкографии наносится поверх слоя паяльной маски. Шелкография добавляет к печатной плате буквы, цифры и символы, которые упрощают сборку и индикаторы, чтобы люди лучше понимали плату. Мы часто используем трафаретные этикетки, чтобы указать, какова функция каждого контакта или светодиода.

Шелкография чаще всего белого цвета, но можно использовать чернила любого цвета. Черные, серые, красные и даже желтые цвета шелкографии широко доступны; однако редко можно увидеть более одного цвета на одной доске.

Терминология

Теперь, когда вы получили представление о структуре печатной платы, давайте определим некоторые термины, которые вы можете услышать при работе с печатными платами:

  • Кольцевое кольцо — кольцо из меди вокруг металлизированного сквозного отверстия в печатной плате.

Примеры кольцевых колец.

  • DRC — проверка правил проектирования. Программная проверка вашего дизайна, чтобы убедиться, что он не содержит ошибок, таких как дорожки, которые неправильно соприкасаются, слишком тонкие дорожки или слишком маленькие отверстия.
  • Попадание сверла — места на конструкции, где должны быть просверлены отверстия, или там, где они фактически были просверлены на плате. Неточные удары сверла, вызванные тупыми битами, являются распространенной производственной проблемой.

Не очень точные, но функциональные удары тренировкой.

  • Палец — открытые металлические площадки вдоль края платы, используемые для создания соединения между двумя печатными платами. Типичными примерами являются компьютерные расширения или платы памяти, а также старые видеоигры на основе картриджей.
  • Мышиные укусы — альтернатива v-score для отделения досок от панелей. Ряд ударов сверла сгруппированы близко друг к другу, создавая слабое место, где доска может быть легко сломана постфактум. Хороший пример см. на платах SparkFun Protosnap.

Укусы мыши на LilyPad ProtoSnap позволяют легко разобрать печатную плату.

  • Площадка — часть открытого металла на поверхности платы, к которой припаивается компонент.

Контактные площадки PTH (металлизированные сквозные отверстия) слева, контактные площадки SMD (устройства поверхностного монтажа) справа.

  • Панель — большая печатная плата, состоящая из множества меньших плат, которые перед использованием разбираются на части. Автоматизированное оборудование для обработки печатных плат часто имеет проблемы с меньшими платами, и, объединив несколько плат вместе, можно значительно ускорить процесс.
  • Трафарет для пасты — тонкий металлический (иногда пластиковый) трафарет, который лежит на плате и позволяет наносить паяльную пасту на определенные участки во время сборки.

Абэ быстро демонстрирует, как выровнять трафарет пасты и нанести паяльную пасту.

  • Pick-and-place — машина или процесс, с помощью которого компоненты размещаются на печатной плате.

Боб показывает нам машину SparkFun MyData Pick and Place. Это довольно круто.

  • Плоскость — непрерывный блок меди на печатной плате, определяемый границами, а не путем. Также обычно называется «залить».

Различные части печатной платы, которые не имеют следов, но вместо этого имеют грунтовую заливку.

  • Сквозное металлизированное отверстие — отверстие в плате, имеющее кольцевое кольцо и покрытое металлизацией на всем протяжении платы. Может быть точкой соединения компонента сквозного отверстия, переходным отверстием для прохождения сигнала или монтажным отверстием.

Резистор PTH, вставленный в печатную плату FabFM, готовый к пайке. Ножки резистора проходят через отверстия. Отверстия с покрытием могут иметь дорожки, соединенные с ними на передней и задней сторонах печатной платы.

  • Pogo pin — подпружиненный контакт, используемый для временного соединения в целях тестирования или программирования.

Популярный пого-пин с заостренным концом. Мы используем тонны из них на наших тестовых стендах.

  • Оплавление — расплавление припоя для создания соединений между контактными площадками и выводами компонентов.
  • Шелкография — буквы, цифры, символы и изображения на печатной плате. Обычно доступен только один цвет, а разрешение обычно довольно низкое.

Шелкография, идентифицирующая этот светодиод как светодиод питания.

  • Слот — любое некруглое отверстие в плате. Слоты могут быть покрыты или не покрыты. Слоты иногда увеличивают стоимость платы, потому что требуют дополнительного времени для вырезания.

Сложные прорези в ProtoSnap — Pro Mini. Также показано много укусов мыши. Примечание: углы прорезей нельзя сделать полностью прямыми, потому что они вырезаны с помощью круглой фрезы.

  • Паяльная паста — маленькие шарики припоя, взвешенные в гелевой среде, которые с помощью трафарета пасты наносятся на контактные площадки для поверхностного монтажа на печатной плате перед размещением компонентов. Во время оплавления припой в пасте плавится, создавая электрические и механические соединения между контактными площадками и компонентом.

Паяльная паста на печатной плате незадолго до размещения компонентов. Обязательно прочтите также *пасту для трафарета выше.*

  • Паяльный бачок — бачок, используемый для быстрой ручной пайки плат с компонентами со сквозными отверстиями. Обычно содержит небольшое количество расплавленного припоя, в который быстро погружают плату, оставляя места пайки на всех открытых контактных площадках.
  • Soldermask — слой защитного материала, накладываемый на металл для предотвращения коротких замыканий, коррозии и других проблем. Часто зеленый, хотя возможны и другие цвета (красный SparkFun, синий Arduino или черный Apple). Иногда упоминается как «сопротивление».

Паяльная маска закрывает сигнальные дорожки, но оставляет контактные площадки для пайки.

  • Перемычка под пайку — небольшая капля припоя, соединяющая два соседних контакта на компоненте на печатной плате. В зависимости от конструкции для соединения двух контактных площадок или контактов вместе можно использовать перемычку для пайки. Это также может привести к нежелательным шортам.
  • Поверхностный монтаж — метод конструкции, который позволяет просто устанавливать компоненты на плату, не требуя, чтобы провода проходили через отверстия в плате. Это основной метод сборки, используемый сегодня, и он позволяет быстро и легко заполнять платы.
  • Термический — небольшая дорожка, используемая для соединения площадки с плоскостью. Если контактная площадка не термически разгружена, становится трудно нагреть контактную площадку до достаточно высокой температуры для создания хорошего паяного соединения. Площадка с ненадлежащим термическим разгрузом будет казаться «липкой», когда вы попытаетесь припаять ее, и потребуется ненормально много времени для оплавления.

Слева площадка для пайки с двумя небольшими дорожками (термиками), соединяющими контакт с заземляющей пластиной. Справа переходное отверстие без термиков, полностью соединяющее его с заземляющим слоем.

  • Воровство — штриховка, линии сетки или медные точки, оставленные в областях платы, где нет плоскости или следов. Снижает сложность травления, поскольку для удаления ненужной меди требуется меньше времени в ванне.
  • След — непрерывный путь меди на печатной плате.

-> Небольшая дорожка, соединяющая контактную площадку Reset с другим местом на плате.
Более крупная и толстая дорожка соединяется с контактом питания 5 В . <-

  • V-балл — частичный разрез доски, позволяющий легко защелкнуть доску по линии.
  • Via — отверстие в плате, используемое для передачи сигнала с одного слоя на другой. Тентированные переходные отверстия покрыты паяльной маской для защиты от пайки. Переходные отверстия, к которым должны быть присоединены разъемы и компоненты, часто не имеют тентов (открытых), чтобы их можно было легко припаять.

Передняя и задняя часть одной и той же печатной платы с шатровым переходным отверстием. Это сквозное отверстие переносит сигнал с передней стороны печатной платы через середину платы на заднюю сторону.

  • Припой волной припоя — метод пайки, используемый на платах с компонентами в сквозных отверстиях, при котором плата проходит над стоячей волной расплавленного припоя, который прилипает к открытым контактным площадкам и выводам компонентов.

Как вы разрабатываете собственную печатную плату? Подробная информация о проектировании печатных плат слишком глубока, чтобы вдаваться в нее, но если вы действительно хотите начать, вот несколько советов:

  1. Найдите пакет САПР: существует множество недорогих или бесплатных вариантов на рынке проектирования печатных плат. На что обратить внимание при выборе пакета:
    • Поддержка сообщества: много ли людей используют пакет? Чем больше людей им пользуется, тем больше вероятность, что вы найдете готовые библиотеки с нужными вам частями.
    • Простота использования: если вам больно пользоваться, вы не будете.
    • Возможности: некоторые программы накладывают ограничения на ваш дизайн — количество слоев, количество компонентов, размер платы и т. д. Большинство из них позволяют вам платить за лицензию для расширения их возможностей.
    • Портативность: некоторые бесплатные программы не позволяют вам экспортировать или преобразовывать ваши проекты, привязывая вас только к одному поставщику. Может быть, это справедливая цена за удобство и цену, а может и нет.
  2. Посмотрите на макеты других людей, чтобы увидеть, что они сделали. Аппаратное обеспечение с открытым исходным кодом делает это проще, чем когда-либо.
  3. Практика, практика, практика.
  4. Сохраняйте низкие ожидания. Ваш первый дизайн платы будет иметь много проблем. В вашем 20-м дизайне доски будет меньше, но они все равно будут. Вы никогда не избавитесь от них всех.
  5. Схемы важны. Попытка спроектировать плату без хорошей схемы — бесполезное занятие.

Наконец, несколько слов о полезности разработки собственных печатных плат. Если вы планируете сделать более одного или двух экземпляров данного проекта, окупаемость разработки платы довольно высока — схемы подключения «точка-точка» на макетной плате доставляют хлопоты, и они, как правило, менее надежны, чем специально разработанные. доски. Это также позволяет вам продавать свой дизайн, если он окажется популярным.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Хотите узнать больше об основных темах?

Полный список основных тем, связанных с электротехникой, см. на нашей странице Engineering Essentials .

Отвези меня туда!

Печатные платы — это только начало! Здесь мы рекомендуем вам изучить:

  • Пайка 101 — PTH
  • Как читать схему
  • Как установить и настроить программное обеспечение Eagle PCB
  • Как компоновать печатные платы PTH: Схема
  • Как компоновать печатные платы PTH: компоновка платы
  • Создание посадочных мест SMD
  • Создание печатных плат SMD
  • T³: Травление собственных печатных плат
  • Блок электроники

Если вы хотите поделиться своими печатными платами со всем миром, ознакомьтесь с этими руководствами:

  • Использование GitHub
  • Использование GitHub для совместного использования с SparkFun

Как читать схему

  • Главная
  • Учебники
  • Как читать схему

≡ Страниц

Авторы:
Джимблом

Избранное

Любимый

110

Обзор

Схемы — это наша карта для проектирования, построения и устранения неполадок схем. Понимание того, как читать и следовать схемам, является важным навыком для любого инженера-электронщика.

Это руководство должно превратить вас в грамотного читателя схем! Мы рассмотрим все основные символы схемы:

Затем мы поговорим о том, как эти символы соединяются на схемах для создания модели цепи. Мы также рассмотрим несколько советов и приемов, на которые следует обратить внимание.

Рекомендуемая литература

Понимание схем — довольно базовый навык электроники, но есть несколько вещей, которые вы должны знать, прежде чем читать это руководство. Посмотрите эти уроки, если они звучат как пробелы в вашем растущем мозгу:

  • Что такое электричество?
  • Что такое цепь?
  • Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома

Схематические символы (часть 1)

Готовы ли вы к шквалу схемных компонентов? Вот некоторые из стандартных, основных схематических символов для различных компонентов.

Резисторы

Основные компоненты схемы и символы! Резисторы на схеме обычно изображаются несколькими зигзагообразными линиями с двумя выводами , выходящими наружу. На схемах, использующих международные символы, вместо волнистых линий может использоваться безликий прямоугольник.

Потенциометры и переменные резисторы

Переменные резисторы и потенциометры дополняют символ стандартного резистора стрелкой. Переменный резистор остается двухвыводным, поэтому стрелка просто проложена по диагонали через середину. Потенциометр представляет собой трехконтактное устройство, поэтому стрелка становится третьей клеммой (дворник).

Конденсаторы

Есть два часто используемых символа конденсатора. Один символ представляет собой поляризованный (обычно электролитический или танталовый) конденсатор, а другой — неполяризованные конденсаторы. В каждом случае есть две клеммы, перпендикулярно входящие в пластины.

Символ с одной изогнутой пластиной указывает на то, что конденсатор поляризован. Изогнутая пластина обычно представляет собой катод конденсатора, напряжение на котором должно быть ниже, чем на положительном анодном выводе. К положительному выводу символа поляризованного конденсатора также следует добавить знак плюс.

Катушки индуктивности

Катушки индуктивности обычно представлены серией изогнутых выпуклостей или петельчатых катушек. Международные символы могут просто определять индуктор как закрашенный прямоугольник.

Переключатели

Переключатели существуют во многих различных формах. Самый простой переключатель, однополюсный / однопозиционный (SPST), представляет собой две клеммы с полусоединенной линией, представляющей привод (часть, которая соединяет клеммы вместе).

Переключатели с более чем одним направлением, такие как SPDT и SP3T ниже, добавляют больше посадочных мест для привода.

Многополюсные переключатели, как правило, имеют несколько одинаковых переключателей с пунктирной линией, пересекающей средний привод.

Источники питания

Так же, как существует множество вариантов питания вашего проекта, существует множество символов схемы источника питания, которые помогают определить источник питания.

Источники постоянного или переменного напряжения

Большую часть времени при работе с электроникой вы будете использовать источники постоянного напряжения. Мы можем использовать любой из этих двух символов, чтобы определить, подает ли источник постоянный ток (DC) или переменный ток (AC):

Батарейки

Батарейки, будь то цилиндрические, щелочные AA или перезаряжаемые литий-полимерные, обычно выглядят как пара непропорциональных параллельных линий:

Больше пар линий обычно указывает на большее количество последовательных ячеек в батарее. Кроме того, более длинная линия обычно используется для обозначения положительной клеммы, а более короткая линия соединяется с отрицательной клеммой.

Узлы напряжения

Иногда — особенно на очень загруженных схемах — вы можете назначить специальные символы напряжениям узлов. Вы можете подключать устройства к этим с одной клеммой символов, и он будет напрямую привязан к 5 В, 3,3 В, VCC или GND (земля). Узлы положительного напряжения обычно обозначаются стрелкой, указывающей вверх, в то время как заземляющие узлы обычно включают от одной до трех плоских линий (или иногда стрелку или треугольник, указывающую вниз).

Схематические символы (часть 2)

Диоды

Базовые диоды обычно изображаются в виде треугольника, прижатого к линии. Диоды также поляризованы, поэтому для каждого из двух выводов требуются отличительные идентификаторы. Положительный анод — это клемма, входящая в плоский край треугольника. Отрицательный катод выходит за пределы линии в символе (думайте об этом как о знаке «-»).

Существует множество различных типов диодов, каждый из которых имеет особое обозначение стандартного символа диода. Светоизлучающие диоды (СИД) дополняет символ диода парой направленных в сторону линий. Фотодиоды , которые генерируют энергию из света (в основном, крошечные солнечные элементы), переворачивают стрелки и указывают их на диод.

Другие специальные типы диодов, такие как диоды Шоттки или стабилитроны, имеют свои собственные символы с небольшими вариациями на полосе символа.

Транзисторы

Транзисторы, биполярные или полевые МОП-транзисторы, могут существовать в двух конфигурациях: положительно легированные или отрицательно легированные. Таким образом, для каждого из этих типов транзисторов существует как минимум два способа его рисования.

Биполярные переходные транзисторы (BJT)

BJT — это устройства с тремя выводами; у них есть коллектор (C), эмиттер (E) и база (B). Существует два типа BJT — NPN и PNP, и каждый из них имеет свой уникальный символ.

Выводы коллектора (C) и эмиттера (E) расположены на одной линии друг с другом, но на эмиттере всегда должна быть стрелка. Если стрелка указывает внутрь, это PNP, а если стрелка направлена ​​наружу, это NPN. Мнемоника для запоминания «NPN: 9».

Полевые транзисторы на основе оксидов металлов (MOSFET)

) и затвор (G). И опять же, есть две разные версии символа, в зависимости от того, какой у вас n-канальный или p-канальный полевой МОП-транзистор. Существует ряд часто используемых символов для каждого из МОП-транзисторов. типы:

Стрелка в середине символа (называемая объемной) определяет, является ли полевой МОП-транзистор n-канальным или p-канальным. p-канал. Помните: «n находится в» (своего рода противоположность мнемонике NPN).0011

Цифровые логические элементы

Наши стандартные логические функции — И, ИЛИ, НЕ и исключающее ИЛИ — все имеют уникальные схематические символы:

Добавление кружка к выходным данным отменяет функцию, создавая И-НЕ, ИЛИ-НЕ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ. :

У них может быть больше двух входов, но формы должны оставаться прежними (ну, может быть, немного больше), а выход по-прежнему должен быть только один.

Интегральные схемы

Интегральные схемы выполняют такие уникальные задачи, и их так много, что на самом деле они не имеют уникального символа схемы. Обычно интегральная схема представлена ​​​​прямоугольником с выводами, выходящими из сторон. Каждый контакт должен быть помечен как номером, так и функцией.

Схематические символы для микроконтроллера ATmega328 (обычно встречается в Arduinos), микросхемы шифрования ATSHA204 и микроконтроллера ATtiny45. Как видите, эти компоненты сильно различаются по размеру и количеству выводов.

Поскольку ИС имеют такой общий символ схемы, имена, значения и метки становятся очень важными. Каждая микросхема должна иметь значение, точно определяющее название микросхемы.

Уникальные ИС: операционные усилители, регуляторы напряжения

Некоторые из наиболее распространенных интегральных схем имеют уникальный символ схемы. Обычно вы увидите операционные усилители, расположенные, как показано ниже, с 5 клеммами: неинвертирующий вход (+), инвертирующий вход (-), выход и два входа питания.

Часто два операционных усилителя встроены в один корпус ИС, требующий только одного контакта для питания и одного для земли, поэтому у правого есть только три контакта.

Простые регуляторы напряжения обычно представляют собой трехконтактные компоненты с входными, выходными и заземляющими (или регулировочными) контактами. Обычно они имеют форму прямоугольника с контактами слева (вход), справа (выход) и внизу (заземление/регулировка).

Разное

Кристаллы и резонаторы

Кристаллы или резонаторы обычно являются важной частью схем микроконтроллера. Они помогают обеспечить тактовый сигнал. Кристаллические символы обычно имеют два вывода, а резонаторы, которые добавляют к кристаллу два конденсатора, обычно имеют три вывода.

Заголовки и разъемы

Будь то для подачи питания или передачи информации, разъемы необходимы для большинства цепей. Эти символы различаются в зависимости от того, как выглядит разъем, вот образец:

Двигатели, трансформаторы, динамики и реле

Мы объединим их вместе, поскольку все они (в основном) так или иначе используют катушки. Трансформаторы (не те, что бросаются в глаза) обычно состоят из двух катушек, прижатых друг к другу, с парой линий, разделяющих их:

Реле обычно соединяют катушку с переключателем:

Громкоговорители и зуммеры обычно имеют форму, аналогичную их реальным аналогам:

И моторы обычно имеют обведенную букву «М», иногда с немного большим украшением вокруг клемм:

Плавкие предохранители и PTC

Предохранители и PTC — устройства, которые обычно используются для ограничения больших бросков тока — каждое имеет свой уникальный символ:

Символ PTC на самом деле является общим символом для термистора , температуры -зависимый резистор (обратите внимание на международный символ резистора?).

Несомненно, в этом списке осталось много схемных обозначений, но приведенные выше должны обеспечить вам 90% грамотность в чтении схем. В общем, символы должны иметь много общего с реальными компонентами, которые они моделируют. В дополнение к символу каждый компонент на схеме должен иметь уникальное имя и значение, что в дальнейшем помогает его идентифицировать.

Один из самых важных ключей к тому, чтобы быть схематически грамотным, — это способность распознавать, какие компоненты какие. Символы компонентов рассказывают половину истории, но каждый символ должен быть связан с именем и значением, чтобы завершить его.

Имена и значения

Значения помогают точно определить, что представляет собой компонент. Для компонентов схемы, таких как резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности, значение говорит нам, сколько у них омов, фарад или генри. Для других компонентов, таких как интегральные схемы, значением может быть просто имя микросхемы. Кристаллы могут указывать свою частоту колебаний в качестве значения. По сути, значение компонента схемы вызывает его важнейшая характеристика .

Имена компонентов обычно представляют собой комбинацию одной или двух букв и числа. Буквенная часть названия определяет тип компонента: R для резисторов, C для конденсаторов, U для интегральных схем и т. д. Каждое имя компонента на схеме должно быть уникальным; например, если в цепи несколько резисторов, их следует назвать R 1 , R 2 , R 3 и т. д. Имена компонентов помогают нам ссылаться на определенные точки схемы.

Префиксы имен довольно хорошо стандартизированы. Для некоторых компонентов, таких как резисторы, префикс — это просто первая буква компонента. Другие префиксы имен не так буквальны; катушки индуктивности, например, L (потому что ток уже занял I [но он начинается с C … электроника — глупое место]). Вот краткая таблица общих компонентов и префиксов их имен:

Name Identifier Component
R Resistors
C Capacitors
L Inductors
S Switches
D Diodes
Q Транзисторы
U Интегральные схемы
Y Кристаллы и генераторы

Хотя это «стандартизированные» имена для символов компонентов, они не соблюдаются повсеместно. Например, вы можете увидеть интегральные схемы с префиксом IC вместо U или кристаллы с маркировкой XTAL вместо Y . Используйте свое лучшее суждение при диагностике, какая часть какая. Обычно символ должен передавать достаточно информации.

Чтение схем

Понимание того, какие компоненты есть на схеме, составляет более половины успеха в ее понимании. Теперь осталось только определить, как все символы связаны друг с другом.

Сети, узлы и метки

Схематические сети показывают, как компоненты соединяются вместе в цепи. Сети представляются как линии между терминалами компонентов. Иногда (но не всегда) они имеют уникальный цвет, как зеленые линии на этой схеме:

Соединения и узлы

Провода могут соединять две клеммы вместе или десятки. Когда провод разделяется на два направления, он создает соединение . Соединения на схемах изображаем цифрой узлы , маленькие точки на пересечении проводов.

Узлы дают нам возможность сказать, что «провода, пересекающие это соединение , соединены». Отсутствие узла на стыке означает, что два отдельных провода просто проходят мимо, не образуя никакого соединения. (При разработке схем обычно рекомендуется избегать этих несвязанных перекрытий, где это возможно, но иногда это неизбежно).

Имена цепей

Иногда, чтобы сделать схемы более разборчивыми, мы даем цепям имя и маркируем их, вместо того, чтобы прокладывать провод по всей схеме. Предполагается, что сети с одинаковыми именами соединены, даже если между ними нет видимого провода. Имена могут быть либо написаны прямо поверх сетки, либо они могут быть «ярлыками», свисающими с провода.

Каждая цепь с одинаковым именем подключена, как на этой схеме для коммутационной платы FT231X. Имена и метки помогают предотвратить слишком хаотичную схему (представьте, что все эти цепи на самом деле соединены проводами).

Цепям обычно дается имя, в котором конкретно указывается назначение сигналов на этом проводе. Например, силовые сети могут быть помечены как «VCC» или «5V», а сети последовательной связи могут быть помечены как «RX» или «TX».

Советы по чтению схем

Идентификация блоков

Действительно обширные схемы должны быть разделены на функциональные блоки. Может быть раздел для входной мощности и регулирования напряжения, или раздел микроконтроллера, или раздел, посвященный разъемам. Попробуйте распознать, какие секции какие, и проследите за потоком цепи от входа к выходу. Действительно хорошие разработчики схем могут даже разложить схему как книгу, входы слева, выходы справа.

Если ящик схемы действительно хорош (например, инженер, который разработал эту схему для RedBoard), они могут разделить разделы схемы на логические, помеченные блоки.

Распознавание узлов напряжения

Узлы напряжения представляют собой однополюсные компоненты схемы, к которым мы можем подключать выводы компонентов, чтобы назначить их определенному уровню напряжения. Это специальное применение имен цепей, означающее, что все клеммы, подключенные к узлу напряжения с таким же названием, соединены вместе.

Узлы напряжения с одинаковыми названиями, такие как GND, 5 В и 3,3 В, подключены к своим аналогам, даже если между ними нет проводов.

Узел напряжения заземления особенно полезен, так как очень многие компоненты нуждаются в заземлении.

Справочные таблицы компонентов

Если на схеме есть что-то, что просто не имеет смысла, попробуйте найти таблицу данных для наиболее важного компонента. Обычно компонент, выполняющий большую часть работы в схеме, представляет собой интегральную схему, такую ​​как микроконтроллер или датчик. Обычно это самый большой компонент, часто расположенный в центре схемы.

Хотите узнать больше об основных темах?

См. нашу страницу Engineering Essentials , где представлен полный список краеугольных тем, связанных с электротехникой.

Отвези меня туда!

Ресурсы и продолжение

Вот и все, что нужно для чтения схем! Знание символов компонентов, следование цепям и определение общих меток. Понимание того, как работает схема, открывает перед вами целый мир электроники! Ознакомьтесь с некоторыми из этих руководств, чтобы попрактиковаться в своих новых знаниях в области схем:

  • Делители напряжения.