recent
أخبار ساخنة

وظائف لوحة الدوائر PCB

 

ما هي وظائف لوحة الدوائر PCB؟

توجد لوحة الدوائر المطبوعة، أو PCB، في كل نوع من الأجهزة الإلكترونية تقريباً. توفر هذه الألواح البلاستيكية ومكوناتها المضمنة التكنولوجيا الأساسية لكل شيء من أجهزة الكمبيوتر والهواتف المحمولة إلى الساعات الذكية. تسمح توصيلات الدائرة على PCB بتوجيه التيار الكهربائي بكفاءة بين المكونات المصغرة على اللوحة، لتحل محل الأجهزة الأكبر والأسلاك الضخمة. 

وظائف لوحة الدوائر PCB

اعتماداً على التطبيق المصمم من أجله، قد تؤدي لوحة الكمبيوتر (وهي إحدى أشكال لوحة الدوائر الالكترونية) مجموعة متنوعة من المهام المتعلقة بالحوسبة والاتصالات ونقل البيانات. بصرف النظر عن المهام التي تؤديها، ربما تكون أهم وظيفة للوحة الدائرة هي توفير طريقة لدمج الإلكترونيات الخاصة بالجهاز في مساحة مضغوطة، أي في أقل مساحة. تسمح لوحة الدوائر (PCB) بتوصيل المكونات بشكل صحيح بمصدر الطاقة أثناء عزلها بأمان. أيضاً، تعد لوحات الدوائر أقل تكلفة من الخيارات الأخرى لأنه يمكن تصميمها باستخدام أدوات التصميم الرقمية وتصنيعها بكميات كبيرة باستخدام أتمتة المصانع.

تكوين لوحة الدوائر PCB

تُصنع لوحة الدوائر الحديثة عادةً من طبقات من مواد مختلفة. يتم دمج الطبقات المختلفة معاً من خلال عملية التصفيح lamination process. المادة الأساسية في العديد من الألواح هي الألياف الزجاجية fiberglass، والتي توفر لباً صلباً. تأتي بعد ذلك طبقة من رقائق النحاس على أحد جانبي اللوحة أو كلاهما. ثم يتم استخدام عملية كيميائية لتحديد آثار النحاس التي تصبح مسارات موصلة. تحل هذه الآثار محل التفاف الأسلاك الفوضوي الموجود في طريقة البناء والتصميم من نقطة إلى نقطة والمستخدمة في تجميعات الإلكترونيات السابقة.

يتم إضافة طبقة قناع لحام إلى لوحة الدائرة لحماية وعزل الطبقة النحاسية. تغطي هذه الطبقة البلاستيكية جانبي اللوح وغالباً ما تكون خضراء. تليها طبقة بالشاشة الحريرية تحتوي على أحرف وأرقام ومعرفات أخرى تساعد في تجميع اللوحة. يمكن توصيل مكونات لوحة الدائرة باللوحة بعدة طرق، بما في ذلك اللحام. تستفيد بعض طرق التعلق من الثقوب الصغيرة المعروفة باسم الفتحات التي يتم حفرها من خلال لوحة الدائرة. والغرض منها هو السماح للكهرباء بالتدفق من جانب واحد من اللوحة إلى الجانب الآخر.

وظيفة الدائرة الأساسية

الدائرة الكهربائية عبارة عن حلقة من مادة موصلة يمكن للكهرباء أن تنتقل عبرها. عند إغلاق الحلقة، يمكن أن تتدفق الكهرباء دون انقطاع من مصدر طاقة مثل البطارية عبر مادة موصلة ثم تعود إلى مصدر الطاقة. يعتمد تصميم الدائرة على حقيقة أن الكهرباء تسعى إلى التدفق من جهد طاقة أعلى، وهو مقياس للجهد الكهربائي، إلى جهد أقل.

تتكون كل دائرة من أربعة عناصر أساسية على الأقل، وهي على النحو التالي:

  • العنصر الأول هو مصدر طاقة إما لتيار متردد أو تيار مستمر.
  • العنصر الثاني عبارة عن مادة موصلة مثل السلك الذي يمكن للطاقة أن تتحرك فيه. يُعرف هذا المسار الموصل بالمسار أو التتبع.
  • العنصر الثالث هو الحمل، والذي يتكون من مكون واحد على الأقل يستنزف بعض الطاقة لأداء مهمة أو عملية.
  • العنصر الرابع والأخير، هو وحدة تحكم واحدة على الأقل أو مفتاح للتحكم في تدفق الطاقة.

وظيفة مكونات لوحة الدوائر (PCB)

عندما تقوم بإدخال حمل في المسار المغلق للدائرة، يمكن للحمل استخدام تدفق التيار الكهربائي لأداء إجراء يتطلب طاقة. على سبيل المثال، يمكن جعل مكون الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) يضيء عندما تتدفق الطاقة عبر الدائرة (كإشارة تنويه بوجود طاقة). يحتاج الحمل إلى استهلاك الطاقة بمقدار منظم، لأن الحمل الزائد للطاقة قد يؤدي إلى تلف المكونات المرفقة.

تشمل أهم المكونات الموجودة على لوحة الدائرة PCB ما يلي:

  1. البطارية: توفر الطاقة للدائرة، عادة من خلال جهاز ثنائي الطرف يوفر فرق الجهد بين نقطتين في الدائرة.
  2. المكثف: مكون يشبه البطارية يمكنه حمل وتخزين شحنة كهربائية أو إطلاقها بسرعة.
  3. الصمام الثنائي أو الدايود: يتحكم في الكهرباء على لوحة الدائرة عن طريق إجبارها على التدفق في اتجاه واحد.
  4. المحث الكهربائي: يخزن الطاقة من التيار الكهربائي كطاقة مغناطيسية ويكون على شكل سلك ملتوي.
  5. دائرة متكاملة أو IC: شريحة قد تحتوي على العديد من الدوائر والمكونات في شكل مصغر وتؤدي عادةً وظيفة محددة.
  6. صمام ثنائي باعث للضوء أو LED: ضوء صغير يستخدم على لوحة دوائر كهربائية لتقديم تغذية راجعة بصرية للمستخدم.
  7. المقاومة الكهربائية: تنظم تدفق التيار الكهربائي من خلال توفير مقاومة تمانع ذلك التيار.
  8. مفتاح التبديل (زر تشغيل): إما يمنع التيار أو يسمح له بالتدفق، اعتماداً على ما إذا كان مغلقاً أو مفتوحاً.
  9. الترانزستور: نوع من المفاتيح تتحكم فيه الإشارات الكهربائية.

يؤدي كل مكون على لوحة الدائرة مهمة محددة أو مجموعة من المهام التي تحددها وظيفة PCB الشاملة. تعمل بعض المكونات مثل الترانزستورات والمكثفات مباشرة على التيارات الكهربائية. إنها بمثابة لبنات بناء داخل مكونات أكثر تعقيداً تعرف باسم الدوائر المتكاملة Integrated Circuits.

الفرق بين PCB و PCBA

يستخدم المصطلح PCBA؛ اختصار للعبارة Printed Circuit Board Assembly، أي لوحة الدوائر المطبوعة المجمعة، لوصف لوحة الدوائر المملوءة بالكامل بمكونات متصلة باللوحة ومتصلة بآثار النحاس. يشار إليه أيضاً باسم تجميع المكونات الإضافية. غالباً ما يشار إلى اللوحة التي تحتوي على آثار نحاسية، ولكن ليس بها مكونات مثبتة على أنها لوحة عارية أو لوحة دوائر مطبوعة.

يسمح تصميم لوحات الدوائر الحديثة بإنتاجها بكميات كبيرة بتكلفة أقل من اللوحات القديمة الملفوفة بالأسلاك. بعد مرحلة تصميم اللوحة بمساعدة برامج الكمبيوتر المتخصصة، يكون التصنيع والتجميع - في الغالب - آلياً. تعتبر PCBA منتهية وجاهزة للاستخدام بعد اكتمال اختبار ضمان الجودة.

المشاكل المحتملة والواردة في لوحة الدوائر PCB

الدائرة المفتوحة هي تلك التي لم يتم إغلاقها بسبب سلك مكسور أو مقطوع أو اتصال مفكوك. الدائرة المفتوحة لا تعمل لأنها لا تستطيع توصيل الكهرباء. على الرغم من أن الجهد الكهربائي قد يكون متاحاً في دائرة مفتوحة، إلا أنه لا توجد طريقة لتدفقه. في بعض الحالات، تكون الدائرة المفتوحة مطلوبة. على سبيل المثال، يفتح المفتاح المستخدم لتشغيل الضوء وإيقافه، ويغلق الدائرة التي تصل الضوء بمصدر الطاقة الخاص به.

هناك نوع آخر من الدوائر المعيبة وهي الدائرة القصيرة، والتي يمكن أن تحدث عندما تتحرك قدر كبير جداً من الطاقة عبر الدائرة وتؤدي إلى إتلاف المادة الموصلة أو مصدر الطاقة. يمكن أن يحدث قصر الدائرة بسبب نقطتين في دائرة متصلة عندما لا يكون من المفترض أن يتم توصيلهما، مثل محطتي مصدر طاقة متصلتين بدون أي مكون تحميل بينهما لتصريف بعض التيار. قد يكون تقصير مصدر الطاقة (وجود القفلة) بهذه الطريقة خطيراً وقد يؤدي إلى نشوب حريق أو انفجار.

تطور لوحة الدوائر PCB

أدت الأنابيب المفرغة والمرحلات الكهربائية الوظائف الأساسية لأجهزة الكمبيوتر القديمة. أدى إدخال الدوائر المتكاملة إلى تقليل حجم وتكلفة المكونات الإلكترونية. سرعان ما تم تطوير لوحات الدوائر التي تحتوي على جميع الأسلاك الخاصة بجهاز كان يشغل في السابق غرفة بأكملها. كانت هذه الألواح المبكرة مصنوعة من مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك الماسونيت Masonite والباكليت Bakelite والكرتون cardboard، وتتكون الوصلات من أسلاك نحاسية ملفوفة حول الأعمدة.

ابتداءً من الأربعينيات من القرن الماضي، أصبحت لوحات الدوائر الكهربائية أكثر كفاءة وأرخص في الإنتاج عندما حلت الأسلاك النحاسية محل النحاس. تم استخدام الألواح المبكرة ذات الأسلاك النحاسية في أجهزة الراديو العسكرية، وبحلول الخمسينيات من القرن الماضي، تم استخدامها للأجهزة الاستهلاكية أيضاً. سرعان ما تطورت الألواح أحادية الجانب التي تحتوي على أسلاك على جانب واحد فقط من الـ PCB الى مزدوج الجوانب ومتعدد الطبقات الذي يتم استخدامه حالياً على نطاق واسع.

من السبعينيات حتى التسعينيات، أصبح تصميم لوحات الـ PCB أكثر تعقيداً. في الوقت نفسه، استمر كل من الحجم المادي وتكلفة الألواح في الانكماش. عندما أصبحت اللوحات أكثر كثافة مع المكونات المرفقة، تم تطوير تطبيقات التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) للمساعدة في إنشائها. توجد اليوم مجموعة متنوعة من الأدوات المتاحة لتصميم لوحات الـ PCB الرقمية، بدءاً من الخيارات المجانية ومنخفضة التكلفة إلى الحزم عالية السعر التي تعمل بكامل طاقتها والتي تساعد في التصميم والتصنيع والاختبار.

دور الدوائر المتكاملة في لوحات الـ PCB

لا يمكن أن تتواجد الإلكترونيات الحديثة بدون الدائرة المتكاملة، التي تم إدخالها في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي. فالدارة المتكاملة IC عبارة عن مجموعة مصغرة من الدوائر والمكونات مثل الترانزستورات والمقاومات والصمامات الثنائية المجمعة على شريحة كمبيوتر لأداء وظيفة محددة. قد تحتوي شريحة IC الواحدة على آلاف أو حتى ملايين المكونات. تشمل أكثر أنواع الدوائر المتكاملة شيوعاً البوابات المنطقية وأجهزة ضبط الوقت والعدادات وسجلات التحول.

إلى جانب الدوائر المتكاملة منخفضة المستوى، هناك أيضاً معالجات دقيقة أكثر تعقيداً ووحدات تحكم دقيقة لديها القدرة على التحكم في جهاز كمبيوتر أو جهاز آخر. تشتمل الدوائر المتكاملة المعقدة الأخرى على أجهزة استشعار رقمية مثل مقاييس التسارع والجيروسكوبات الموجودة في الهواتف المحمولة والأجهزة الإلكترونية الأخرى. مثل الأجزاء الأخرى من لوحة الدوائر PCB، انخفض حجم الدوائر المتكاملة بشكل مطرد خلال العقود القليلة الماضية.

التقنيات المستخدمة في تركيب مكونات PCB

كان يستخدم تركيب المكونات على لوح الـ PCB أحادي الجانب في وقت مبكر تقنية الثقب، حيث تم توصيل أحد المكونات بجانب واحد من اللوحة وتثبيته من خلال ثقب لتتبع آثار الأسلاك الموصلة على الجانب الآخر باستخدام اللحام. في الوقت الذي تم تقديمه فيه، كانت تقنية الثقب تحرز تقدماً في التوصيل من نقطة إلى نقطة في العديد من التطبيقات الالكترونية، لكن الثقوب المحفورة في تركيب لوح الـ PCB أدت إلى العديد من مشكلات التصميم، خاصة بعد إدخال اللوحات متعددة الطبقات. نظراً لأن الثقوب كانت بحاجة إلى المرور عبر جميع الطبقات، فقد تم التخلص من نسبة كبيرة من التطبيقات التي تستخدم تلك التقنية.

حلت تقنية Surface-mount (SMT) العديد من المشكلات التي تسببها الثقوب. تم استخدامها على نطاق واسع في التسعينيات، على الرغم من أنه تم تقديمها قبل عدة عقود. تم تغيير المكونات بحيث تحتوي على وسادات صغيرة ملحقة يمكن لحامها بلوحة دائرة كهربائية مباشرة بدلاً من توصيل سلك. سمحت تقنية SMT لمصنعي لوحات الـ PCB بتعبئة عدد كبير من المكونات على جانبي لوحات الـ PCB بكثافة. هذا النوع من التثبيت أسهل أيضاً في التصنيع باستخدام الأتمتة. لاحظ الشكل التالي والذي يوضح شكل الثقوب وتقنية الـ SMT على لوحة الـ PCB

لم يلغ تركيب SMT الحاجة إلى وجود ثقوب في لوحات الدوائر. ولا تزال بعض تصميمات لوحات الـ PCB تستخدم طبقة الـ Via للسماح بالترابط بين المكونات على طبقات مختلفة. ومع ذلك، فإن هذه الثقوب ليست متطفلة مثل الثقوب الموجودة سابقاً لتركيب المكونات.

لوحات الدوائر PCB متعددة الطبقات

قد تشتمل أكثر الأجهزة الإلكترونية تعقيداً على لوحات الـ PCB متعددة الطبقات. تتكون هذه الألواح من ثلاث طبقات على الأقل من مادة موصلة مثل النحاس بالتناوب مع طبقات من العزل. تتضمن التكوينات الشائعة للوحات متعددة الطبقات أربع أو ست أو ثماني أو 10 طبقات. يجب تصفيح جميع الطبقات معاً لضمان عدم احتباس الهواء بين الطبقات. تتم هذه العملية عادة تحت ضغط ودرجة حرارة عالية.

تشمل فوائد لوحات الـ PCB متعدد الطبقات كثافة أعلى للمكونات والدوائر في مساحة أصغر. يتم استخدامها لأجهزة الكمبيوتر وخوادم الملفات وتقنية GPS وأجهزة الرعاية الصحية وأنظمة الأقمار الصناعية والفضاء. ومع ذلك، فإن اللوحات متعددة الطبقات لها أيضاً بعض العيوب. إنها أكثر تعقيداً وأصعب في التصميم والتصنيع من الألواح أحادية الجانب ومزدوجة الوجه، مما يجعلها أكثر تكلفة. يمكن أيضاً أن يكون من الصعب إصلاحها عندما يحدث خطأ ما داخل الطبقات الداخلية للوحة.

 

author-img
العلم للجميع

تعليقات

ليست هناك تعليقات
إرسال تعليق
    google-playkhamsatmostaqltradent