برد مدار چاپی یا pcb چیست؟

مدارچاپی (Printed Circuit Board) تحول بزرگی را در علم الکترونیک ایجاد کرد. اگر وسایل الکترونیکی خیلی قدیمی را بازکرده باشید به طور حتم با حجم انبوهی از سیم‌ها درهم روبرو شده‌اید. اتصال قطعات الکترونیکی به‌وسیله سیم منجر به بروز خطاهای متعدد و مشکل بودن تغییر مقیاس وسیله الکترونیکی می‌شد. سرانجام در سال ۱۹۳۶ میلادی با ساخت نخستین مدارچاپی انقلابی در صنعت الکترونیک ایجاد شد.

در این مطلب، ابتدا مدارچاپی را تعریف می‌کنیم، سپس با چگونگی ساخت، طراحی و مهم‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده آن آشنا می‌شویم.

مدارچاپی چیست؟

مدارچاپی، اسکلت و پایه و اساس تمام وسایل الکترونیکی جدید است. قطعات الکترونیکی قدیمی به‌صورت دستی ساخته و به‌وسیله سیم به یکدیگر وصل می‌شدند. اتصال قطعات الکترونیکی به‌وسیله سیم منجر به بروز خطاهای متعدد و مشکل بودن تغییر مقیاس وسیله الکترونیکی می‌شد.

همچنین، به دلیل آنکه این نحوه اتصال بسیار پیچیده بود، در صورت بروز مشکل در قسمتی از وسیله الکترونیکی، تعمیر آن کار بسیار سخت و وقت‌گیری بود. در سال ۱۹۳۶ میلادی، «پاول ایسلر» (Paul Eilsel) متوجه این مشکلات شد. او مفهومی به نام چاپ مدار مسی رسانا را روی بورد نارسانا اختراع کرد. سپس، قطعات الکترونیکی روی بورد و در مسیرهای نشان‌داده‌شده به یکدیگر متصل شدند. این مدارچاپی یکی از نخستین مدارهای چاپی ساخته شده بود.

امروزه، مدارهای چاپی جدید به‌صورت نشان‌داده‌شده در تصویر زیر هستند. مدارهای چاپی جدید، پیچیده‌تر و کوچک‌تر هستند.

امروزه، برای ساخت مدارچاپی از ورقه مسی مسطح استفاده می‌کنند. چگونه می‌توان ورق مسی مسطح را به مدارچاپی پیچیده تبدیل کرد؟

تاریخچه PCB

برد مدار چاپی (PCB) در دهه 1940 میلادی به‌عنوان روشی کارآمد برای مونتاژ مدارهای الکترونیکی معرفی شد. اولین PCBها توسط پل آیزلر، یک مهندس اتریشی، در سال 1936 ابداع شد. آیزلر از روش چاپ و حکاکی برای ساخت مدارهای الکترونیکی استفاده کرد، که به تدریج جایگزین روش‌های سنتی سیم‌کشی دستی شد. پس از جنگ جهانی دوم، با توسعه صنعت الکترونیک و نیاز به مدارهای پیچیده‌تر، استفاده از PCB به‌سرعت گسترش یافت. با گذر زمان، تکنولوژی PCB تکامل یافت و شامل مدارهای چندلایه، مواد مختلف و روش‌های پیشرفته تولید شد که امروزه در اکثر دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود.

انواع مدارچاپی چیست؟

در مطالب بالا در مورد مدارهای چاپی صحبت کردیم که برای ساخت آن‌ها از زیرلایه‌ای محکم استفاده می‌شود. این مدارهای چاپی، متداول‌ترین نوع مدارچاپی هستند. اما مدارهای چاپی انواع دیگری نیز دارند. به طور کلی، مدارهای چاپی (PCB) بر اساس ساختار و کاربردهای مختلف، به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. در زیر به توضیح انواع اصلی PCB می‌پردازیم:

1. بردهای یک‌لایه (Single-Layer PCB)

ساختار: این نوع مدار چاپی تنها از یک لایه مسی برای مسیرهای الکتریکی تشکیل شده است.

کاربردها: معمولاً در دستگاه‌های ساده مانند اسباب‌بازی‌ها و محصولات الکترونیکی مصرفی ابتدایی استفاده می‌شود.

مزایا: هزینه تولید پایین و ساخت آسان.

2. بردهای دولایه (Double-Layer PCB)

ساختار: دارای دو لایه مسی است، یکی در بالای برد و دیگری در پایین.

کاربردها: در محصولات الکترونیکی پیچیده‌تر مانند سیستم‌های صوتی و دستگاه‌های صنعتی استفاده می‌شود.

مزایا: امکان پیچیدگی بیشتر در طراحی مدارها و کاهش اندازه برد.

3. بردهای چندلایه (Multi-Layer PCB)

ساختار: این بردها از سه لایه یا بیشتر مسی تشکیل شده‌اند که با لایه‌های عایق جدا شده‌اند.

کاربردها: در دستگاه‌های پیشرفته مانند رایانه‌ها، گوشی‌های هوشمند و تجهیزات مخابراتی استفاده می‌شود.

مزایا: امکان طراحی مدارهای بسیار پیچیده، کاهش نویز الکترومغناطیسی و اندازه کوچک.

4. بردهای انعطاف‌پذیر (Flexible PCB)

ساختار: از مواد انعطاف‌پذیر مانند پلی‌آمید ساخته می‌شوند که اجازه می‌دهد برد به شکل‌های مختلف خم شود.

کاربردها: در دستگاه‌های پزشکی، سیستم‌های پوشیدنی و فضاهای محدود استفاده می‌شود.

مزایا: انعطاف‌پذیری بالا، کاهش وزن و امکان استفاده در طراحی‌های سه‌بعدی.

5. بردهای انعطاف‌پذیر سخت (Rigid-Flex PCB)

ساختار: ترکیبی از بخش‌های انعطاف‌پذیر و بخش‌های سخت است.

کاربردها: در دستگاه‌های پیچیده‌ای که نیاز به اتصال قطعات متحرک دارند، مانند دوربین‌ها و تلفن‌های همراه.

مزایا: ترکیبی از مزایای بردهای سخت و انعطاف‌پذیر.

6. بردهای با فرکانس بالا (High-Frequency PCB)

ساختار: طراحی و ساختار ویژه‌ای دارند که برای کار در فرکانس‌های بالا (معمولاً بالای 1 گیگاهرتز) مناسب است.

کاربردها: در تجهیزات مخابراتی و ماهواره‌ای.

مزایا: حفظ کیفیت سیگنال در فرکانس‌های بالا و کاهش تداخلات الکترومغناطیسی.

این انواع مختلف PCB به مهندسان و طراحان اجازه می‌دهد تا بر اساس نیازهای خاص پروژه‌هایشان، بهترین گزینه را انتخاب کنند.

مراحل ساخت PCB

مدارچاپی پس از طی مرحله‌های مختلف ساخته می‌شود.

مرحله اول

در مرحله اول، ورقه مسطح مسی روی ورقه‌ای از جنس الیاف شیشه‌ای قرار می‌گیرد. ورقه الیاف شیشه‌ای، مدارچاپی را از نظر مکانیکی حمایت می‌کند. ورقه الیاف شیشه‌ای تا انتهای ساخت مدارچاپی در کنار آن باقی می‌ماند.

مرحله دوم

ورقه مسی قرار گرفته روی ورقه الیاف شیشه‌ای به همراه ورقه‌ای از جنس آلومینیوم وارد دستگاه drilling یا حفاری می‌شوند. در پایان این مرحله، چهار حفره در چهارگوشه ورقه‌ها به‌صورت نشان‌داده‌شده در تصویر زیر ایجاد می‌شوند. از این نقاط به‌عنوان نقاط مرجع در مراحل بعدی استفاده می‌شود.

مرحله سوم

مهندسین الکترونیک با استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی مدارچاپی یا PCB، مدار الکتریکی موردنظر را طراحی می‌کند. نرم‌افزارهای PCB، فایل‌های طراحی به نام فایل‌های gerber تولید می‌کنند. فایل‌های gerber از مدل‌های سه‌بعدی مدارهای چاپی تشکیل شده‌اند.

مرحله چهارم

دستگاه drilling یا حک با استفاده از این فایل‌ها، حفره‌های مختلفی را روی لایه مسی ایجاد می‌کند. در ادامه از این حفره‌ها برای اتصال قطعات الکترونیکی به یکدیگر استفاده می‌کنند.

مرحله پنجم

در ادامه و پس از ایجاد حفره‌ها، برد با دقت زیاد تمیز می‌شود، به‌گونه‌ای که هیچ ماده اضافی روی بورد باقی نماند.

مرحله ششم

پس از شستشوی برد و تمیزکردن آن، به سخت‌ترین مرحله می‌رسیم. در این مرحله، مسیر‌های هدفمند روی برد مسی ایجاد می‌شوند. برای انجام این کار از فرایند شیمیایی به نام «چاپ فلزی» (etching) استفاده می‌شود. در فرایند etching، سطح بورد مسی با ماسکی به‌صورت نشان داده در تصویر زیر پوشانده می‌شود. طرح روی ماسک مشابه طرح مداری است که می‌خواهیم روی برد مسی حک شود.

مرحله هفتم

در ادامه، برد مسی به همراه نگهدارنده و ماسک روی آن، داخل محلولی قلیایی با دمای ۶۰ تا ۱۲۰ درجه سلسیوس فروبرده می‌شود. پس از فروبردن برد مسی داخل محلول قلیایی، سطحی از مس که توسط ماسک پوشانده نشده است، داخل محلول قلیایی حل و پس از این مرحله، ماسک از روی برد مسی برداشته می‌شود. در این مرحله، مدار موردنظر روی بورد مسی چاپ شده است.

مدارچاپی چاپ شده روی ماسک به کمک فایل‌های gerber ساخته شده است. ماسک چگونه روی ورق مسی قرار می‌گیرد. برای انجام این کار از فناوری بر پایه نور UV استفاده می‌شود. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، مدارچاپی ساخته شده بسیار نازک است و به‌سختی با چشم غیرمسلح دیده می‌شود

مرحله هشتم

در این مرحله، کیفیت‌مدار چاپ شده با استفاده از گرفتن عکس‌های مختلف از مدار چاپ شده و مقایسه عکس‌ها با فایل اصلی طراحی، بررسی می‌شود. مدارهای چاپی مشکل‌دار پس از بررسی، دور انداخته خواهند شد. مدارهای چاپی سالم به مرحله بعد می‌روند.

مرحله نهم

آیا تاکنون از خود پرسیده‌اید چرا مدارهای چاپی، سبزرنگ هستند؟ صفحه سبزرنگ روی مدارچاپی، صفحه محافظ نام دارد و از مدار در برابر اکسیدشدن و گردوغبار محافظت می‌کند. لایه‌ای از ماسکی با نام ماسک SOLDER و به رنگ سبز، روی بورد نشانده می‌شود.

این لایه سبزرنگ، نارسانا است و روی بورد مسی قرار دارد. ازاین‌رو، این لایه رابطه بین قطعات روی مدارچاپی را قطع می‌کند. برای حل این مشکل، باید ماسک SOLDER از لبه‌ها حذف شود. این ماسک با استفاده از نور UV یا فرابنفش می‌تواند روی صفحه مسی قرار گیرد. برای حذف این ماسک از لبه‌ها، تنها کافی است لبه‌های حفره‌ها را با استفاده از ماسکِ مقاوم در برابر واکنش‌های شیمیایی بپوشانید و فرایند UV را انجام دهید. در ادامه، با فروبردن ورقه مسی داخل محلول شیمیایی، ماسک سبزرنگ روی لبه‌ها حذف خواهد شد.

مرحله دهم و پایانی

در آخرین مرحله، چاپ سیلک انجام می‌شود. چاپ سیلک، جوهر قابل‌مشاهده‌ای است که روی مدارچاپی قرار می‌گیرد و با استفاده از آن می‌تواند قطعات قرار گرفته روی مدارچاپی را تشخیص داد.

بخش‌های مختلف PCB

مدارچاپی، شبیه شیرینی چندلایه یا لازانیا است. لایه‌های متوالی از مواد متفاوت تشکیل شده‌اند که با حرارت و چسب به یکدیگر متصل شده‌اند و جسم واحدی را تشکیل داده‌اند.

یک مدار چاپی (PCB) از بخش‌های مختلفی تشکیل شده است که هر کدام وظیفه‌ای خاص در عملکرد کلی آن دارند.

1. لایه پایه (سوبستریت)، معمولاً از فایبرگلاس یا مواد عایق دیگر ساخته می‌شود و ساختار مکانیکی برد را فراهم می‌کند. روی این لایه، مس به عنوان رسانای اصلی قرار دارد که مسیرهای الکتریکی را برای اتصال اجزای مختلف تشکیل می‌دهد.
2. ماسک لحیم‌کاری یک لایه محافظ است که روی مس قرار می‌گیرد تا از اتصالات ناخواسته جلوگیری کند و از مس در برابر اکسیداسیون محافظت کند. پدها و ویاس‌ها نقاطی روی برد هستند که برای اتصال قطعات الکترونیکی و ارتباط بین لایه‌های مختلف مدار استفاده می‌شوند.
3. همچنین، چاپ سیلک‌اسکرین اطلاعاتی مانند شماره قطعات و نشانه‌های مونتاژ را روی برد نشان می‌دهد.
4. در نهایت، قطعات الکترونیکی مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها، دیودها، و آی‌سی‌ها روی پدهای مخصوص نصب می‌شوند تا مدار کامل و قابل استفاده شود. هر یک از این بخش‌ها با یکدیگر همکاری می‌کنند تا عملکرد درست و بهینه PCB تضمین شود.

در ادامه، هر یک از بخش‌های نشان‌داده‌شده در تصویر بالا را به‌اختصار توضیح می‌دهیم.

FR4

الیاف شیشه‌ای، ماده پایه یا زیر لایه استفاده شده برای ساخت PCB است. رایج‌ترین الیاف شیشه‌ای استفاده شده در بردهای مدارچاپی «FR4» نام دارد. این ماده به PCB استحکام می‌دهد. همچنین، بردهای مدارچاپی انعطاف‌پذیر، روی پلاستیک‌های قابل‌انعطاف با دمای بالا ساخته می‌شوند. PCBها ضخامت‌های مختلفی دارند.

ضخامت برخی مدارهای چاپی برابر ۱/۵ میلی‌متر و برخی دیگر برابر ۰/۸ میلی‌متر است. بردهای مدارچاپی و بردهای آزمایشیِ (perf boards) ارزان‌تر، از مواد دیگری مانند اپوکسی یا فنولیک ساخته می‌شوند که دوام FR4 را ندارند، اما بسیار ارزان‌تر هستند.

مس

لایه مسی، لایه بعدی است که با استفاده از چسب و گرما روی برد محکم می‌شود. به‌طورکلی، در مدارهای چاپی دو رویه، لایه مسی در دو سمت زیرلایه قرار می‌گیرد. ضخامت لایه مسی متغیر است و از مدارچاپی به مدارچاپی دیگر، تغییر می‌کند.

ماسک Solder

لایه بالایی لایه مسی، لایه solder یا لایه لحیم شده نام دارد. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، رنگ سبز مدارهای چاپی به دلیل وجود این لایه است. با قرارگرفتن این لایه روی لایه مسی، از تماس تصادفی آن با فلزات دیگر جلوگیری می‌شود.

چاپ سیلک اسکرین

لایه سفیدرنگ سیلک اسکرین روی لایه لحیم شده یا Solder قرار می‌گیرد. با استفاده از این لایه می‌توانیم به PCB اعداد، حروف و نشانه‌هایی برای قراردادن قطعات الکترونیکی و درک بهتر مدارچاپی، اضافه کنیم. سیلک اسکرین در بیشتر مواقع به رنگ سفید است، اما رنگ‌های دیگری مانند سیاه، خاکستری، قرمز و حتی زرد نیز گاهی برای نشان داده آن استفاده می‌شود. اما به این نکته توجه داشته باشید که مشاهده بیش از یک‌رنگ در بورهای تکی معمول نیست.

مهم‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده مدارچاپی

تا اینجا فهمیدیم مدارچاپی چیست. به طور حتم نمونه‌ای از این مدار را در وسایل الکترونیکی مانند موبایل یا کامپیوتر شخصی خود دیده‌اید. مدارهای چاپی به‌جای مدارهای معمولی که از صدها متر سیم مسی تشکیل شده‌اند، استفاده می‌شوند و کارایی بسیار بهتری نسبت به مدارهای قدیمی دارند. قطعات الکترونیکی مانند ریزتراشه‌ها، خازن‌ها، مقاومت‌ها و… روی مدارچاپی قرار می‌گیرند.

به مدارچاپی به همراه قطعات الکترونیکی قرار گرفته روی آن، «مادربورد» (Motherboard) گفته می‌شود. اما مدارچاپی به‌تنهایی، بورد مسطحی است که هیچ قطعه الکترونیکی روی آن قرار نگرفته است. برخی قطعات الکترونیکی، مانند دوربین، به طور مستقیم روی مدارهای چاپی قرار نمی‌گیرند. این قطعات به مدارچاپی وصل می‌شوند. تصویر زیر، عکس گرفته شده توسط اشعه ایکس، از قسمتی از PCB را نشان می‌دهد.

نقاط تاریک در تصویر فوق، سیم‌ها یا مسیرهای رسانا روی مدار چاپی را نشان می‌دهند. ریز تراشه اصلی در تلفن‌های هوشمند در تصور زیر نشان داده شده است و به آن «سیستم روی تراشه» (System On a Chip یا SOC)‌  گفته می‌شود. به طور مشابه، قطعات الکترونیکی مختلفی روی مدار چاپی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. PCB به هر قطعه الکترونیکی اجازه می‌دهد با SOC یا هر ریز تراشه دیگر با استفاده از صدها سیم مسی رابطه برقرار کنند.

قطعات الکترونیکی قابل نصب روی PCB

قراردادن قطعات الکترونیکی مختلف روی PCB، فرایندی پیچیده است. ازاین‌رو، سازنده‌های مدارهای چاپی باید عملکرد صحیح آن‌ها را با دقت زیادی بررسی کنند و هر گونه اشکال رخ‌داده در عملکرد PCB را بررسی و رفع کنند. PCB همانند شهری کوچک می‌ماند. افراد مختلف داخل شهر برای‌آنکه بتوانند به‌راحتی و با نظر در کنار یکدیگر زندگی کنند، باید بتوانند با یکدیگر به‌خوبی ارتباط برقرار کنند.

قطعات الکترونیکی وصل شده روی PCB همانند افرادی هستند که در شهر در کنار یکدیگر زندگی می‌کنند. تمام این قطعات در کنار یکدیگر باید بتوانند به‌خوبی کار کنند تا PCB قابل‌استفاده باشد. در ادامه، تعدادی از قطعات الکترونیکی که روی مدارهای چاپی قرار می‌گیرند را معرفی می‌کنیم.

مقاومت‌

مقاومت‌ها یکی از رایج‌ترین قطعات الکترونیکی استفاده شده در مدارهای چاپی هستند. مقاومت الکتریکی، همان‌طور که از نام آن پیدا است، در برابر عبور جریان الکتریکی از خود مقاومت نشان می‌دهد. مقاومت‌ها انواع متفاوتی دارند و از مواد مختلفی ساخته می‌شوند. اما در حالت کلی، مقاومت‌های الکتریکی، مشابه تصویر نشان‌داده‌شده در ادامه هستند. با استفاده از حلقه‌های رنگی روی بدنه مقاومت می‌توانیم مقدار آن را به دست آوریم.

خازن

پس از مقاومت‌، خازن قطعه الکترونیکی دیگری است که در مدارهای چاپی از آن استفاده می‌شود. وظیفه خازن آن است که بار الکتریکی را به طور موقت در خود نگه دارد. سپس، بار ذخیره شده را هنگامی که نیاز به توان بیشتری در قسمتی از مدار بود، رها کند. به طور معمول، خازن این کار را با جمع‌آوری بارهای ناهمنام روی دو صفحه موازی و رسانا انجام می‌دهد. این دو صفحه در فاصله مشخصی از یکدیگر قرار گرفته‌اند و ماده‌ای نارسانا به نام دی‌الکتریک بین آن‌ها قرار گرفته است. خازن‌ها بر اساس نوع صفحه یا ماده دی‌الکتریکی به انواع مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند.

القاگر

القاگرها یا سلف‌ها به همراه مقاومت‌ها و خازن‌ها آخرین عضو خانواده قطعات الکترونیکی غیرفعال خطی هستند.‌ القاگر نیز مشابه خازن، انرژی ذخیره می‌کند، اما به‌جای ذخیره انرژی به شکل انرژی الکترواستاتیکی، آن را به شکل میدان مغناطیسی ذخیره خواهد کرد. میدان مغناطیسی به هنگام عبور جریان از القاگر، تولید می‌شود.

سیم‌پیچی ساخته شده از سیم‌ رسانا، ساده‌ترین نوع القاگر است. هرچه تعداد دورهای سیم‌پیچ بیشتر باشد، میدان مغناطیسی ایجاد شده نیز بزرگ‌تر خواهد بود. سیم رسانا می‌تواند به دور هسته‌ای مغناطیسی با شکل‌های مختلف پیچیده شود. از القاگرها برای فیلترکردن سیگنال‌های مشخص استفاده می‌شود.

پتانسیومتر

پتانسیومتر به شکل مقاومتی متغیر است. دو نوع پتانسیومتر داریم:

1. پتانسیومتر چرخشی
2. پتانسیومتر خطی

این دو نوع پتانسیومتر در تصویر زیر نشان داده شده‌اند. در پتانسیومتر چرخشی، با چرخاندن دکمه بالای آن می‌توانیم مقاومت را تغییر دهیم. همچنین، در پتانسیومتر خطی، مقاومت با  حرکت لغزنده به چپ یا راست تغییر می‌کند.

ترانسفورمر

وظیفه ترانسفورمر، انتقال انرژی الکتریکی از مداری به مدار دیگر است. این کار با افزایش یا کاهش ولتاژ انجام می‌شود. به زبان ساده می‌توانیم بگوییم ولتاژ منتقل شده است. ترانسفورمرها نیز همانند القاگرها از هسته آهنی نرم با حداقل دو سیم‌پیچ تشکیل شده‌اند. سیم‌پیچ اول به‌عنوان منبع جریان و سیم‌پیچ دوم به‌عنوان انتقال‌دهنده انرژی عمل می‌کنند.

دیود

دیود وسیله‌ای است که به جریان الکتریکی در مدار اجازه می‌دهد تنها در یک‌جهت، از قطب مثبت به قطب منفی، جریان داشته باشد. دیود چگونه این کار را انجام می‌دهد؟ مقاومت دیود در جهت جریان بسیار کم و نزدیک به صفر و در جهت مخالف جریان، بسیار زیاد است. «دیود نوری» (Light Emitting Diod یا LED) یکی از معروف‌ترین دیودهایی است که در مدارهای الکتریکی، به‌ویژه مدارهای چاپی از آن‌ استفاده می‌شود. همان‌طور که از نام این دیود مشخص است از آن می‌توان برای تابش نور استفاده کرد.

ترانزیستور

ترانزیستورها پایه و اساس الکترونیک مدرن هستند. میلیون‌ها ترانزیستور را می‌توان در یک تراشه مدار مجتمع یافت. ترانزیستورها به‌عنوان تقویت‌کننده و سوئیچ‌های الکترونیکی کار می‌کنند. ترانزیستورهای انواع مختلفی دارند که ترانزیستور دوقطبی، رایج‌ترین نوع ترانزیستوری است که در مدارهای الکترونیکی از آن استفاده می‌شود.

دو نوع دیگر ترانزیستور به نام ترانزیستورهای NPN  و PNP نیز داریم. ترانزیستورهای دوقطبی سه پین به نام‌های پایه، کلکتور و امیتر دارند. در ترانزیستور نوع NPN، هنگامی جریانی کوچک از پایه به امیتر می‌رود، مدار دیگری روشن می‌شود که سبب جاری شدن جریانی بسیار بزرگ‌تر از کلکتور به امیتر خواهد شد. جهت‌های جریان در ترانزیستور PNP معکوس می‌شوند.

ترانزیستور دیگری نیز به نام «ترانزیستور اثر میدان» (Field Effect Transistor یا FET) وجود دارد که با استفاده از میدان الکتریکی، مدار دیگری را فعال می‌کند.

یکسوکننده

یکسوکننده به‌عنوان تریستور نیز شناخته می‌شود و مشابه دیود و ترانزیستور است. یکسوکننده‌ها در واقع دو ترانزیستور هستند که با یکدیگر کار می‌کنند. تریستورها سه‌پایه، اما به‌جای سه‌لایه، از چهارلایه سیلیکونی تشکیل شده‌اند و تنها می‌توانند به‌عنوان سوئیچ کار کنند. این سوئیچ‌ها تنها می‌توانند با تک سیگنال فعال شوند، اما در ترانزیستور، جریان باید به‌صورت پیوسته اعمال شود.

مدار مجتمع

«مدارهای مجتمع» (Integrated circuit یا IC)‌ همان مدارها و قطعات الکترونیکی هستند که روی ویفرهای نیمه‌رسانا در اندازه‌های بسیار کوچک قرار گرفته‌اند. قرارگرفتن تعدادی بسیار زیادی از قطعات الکترونیکی روی تراشه همان چیزی است که سبب پیدایش نخستین ماشین‌حساب‌ها و سال‌ها بعد ساخت کامپیوترهای قدرتمند و تلفن‌های همراه شد.

نوسانگر کریستالی

از نوسانگرهای کریستالی در مدارهایی استفاده می‌شود که نیاز به زمان‌بندی پایدار و بسیار دقیقی دارند. این نوسانگرها در ماده پیزوالکتریکی، کریستال، سیگنال الکترونیکی متناوب ایجاد می‌کنند.

سوئیچ و رله

از سوئیچ‌ها برای کنترل جریان الکتریکی در مدار استفاده می‌شود. کنترل جریان الکتریکی در مدار با تغییر بین مداربسته و مدار باز انجام می‌شود. سوئیچ‌ها شکل‌های بسیار متنوعی دارند. به طور مشابه، رله، سوئیچ الکترومغناطیسی است که با سلونوئید کار می‌کند. رله‌ها همانند سوئیچ رفتار می‌کنند و با تقویت جریان‌ها کوچک می‌توانند آن‌ها را به جریان‌های بزرگ‌تری تبدیل کنند.

سنسور

سنسور وسیله‌ای است که تغییرات رخ‌داده در شرایط محیطی را آشکار و باتوجه‌به تغییر رخ‌داده، سیگنال الکتریکی ایجاد می‌کند. سیگنال ایجاد شده توسط سنسور به دیگر قطعات الکترونیکی در مدار فرستاده می‌شود.

تا اینجا فهمیدیم مدارچاپی چیست و چه قطعات الکترونیکی روی آن‌ تعبیه می‌شود. در ادامه، در مورد انواع مدارهای چاپی صحبت می‌کنیم.

طراحی مدارچاپی

برای طراحی مدارچاپی باید حفره‌ها، پدها و سیم‌های مدار را طراحی کنید. در ادامه، مدارچاپی ساده‌ای را در چند مرحله با یکدیگر طراحی می‌کنیم.

طراحی یا جستجو نمودار مدار

قبل از شروع کار باید بدانیم به دنبال چه نوع مدار چاپی هستیم، بنابراین طرح مدار موردنظر را باید داشته باشیم. برای انجام این کار می‌توانیم از مداری که قبلاً طراحی شده است، استفاده کنیم یا مدارِ خود را از ابتدا طراحی کنیم. برای آغاز کار بهتر است از مداری بسیار ساده شروع کنیم. مدار نشان‌داده‌شده در تصویر زیر می‌تواند برای شروع، گزینه مناسبی باشد.

پس از انتخاب مدار، به مرحله بعد می‌رویم.

طراحی شماتیک‌ها

ابتدا باید نرم‌افزار طراحی PCB را نصب کنیم. نرم‌افزار KiCad یکی از مناسب‌ترین نرم‌افزارها برای طراحی مدارچاپی انتخاب شده است. برای شروع کار با نرم‌افزار، ابتدا باتوجه‌به تصویر زیر از قسمت منو، File و سپس New Project را انتخاب می‌کنیم. با انتخاب پروژه جدید، باید محل ذخیره و نام مناسبی برای آن انتخاب کنیم. سپس، روی دکمه Save کلیک می‌کنیم.

پروژه جدید، خالی است. در ادامه باید شماتیک و سپس بورد را ایجاد کنیم. برای ایجاد شماتیک از ادیتور Schematic Editor استفاده می‌کنیم (تصویر زیر).

شماتیک جایی است که مدار را در آنجا ترسیم می‌کنیم. ابتدا قطعات الکترونیکی را که می‌خواهیم اضافه، سپس برای نشان‌دادن چگونگی اتصال قطعات به یکدیگر، سیم‌ها را رسم می‌کنیم. برای اضافه‌کردن قطعه الکترونیکی، روی دکمه Place Symbol که در تصویر زیر نشان‌داده‌شده است، کلیک می‌کنیم.

با کلیک روی دکمه نشان‌داده‌شده در تصویر فوق، به‌راحتی می‌توانیم قطعه موردنظر را انتخاب کنیم. به‌عنوان‌مثال، اگر در مدار دیود وجود داشته باشد، به‌راحتی می‌توانید کلمه “Diode” را بنویسیم و از لیست داده شده، گزینه مناسب را انتخاب کنیم. پس از انتخاب قطعه الکترونیکی مناسب، آن را به‌صورت نشان‌داده‌شده در محلی مناسب قرار می‌دهیم. اگر بعداً بخواهیم قطعه اضافه شده را حرکت دهیم، نشانگر موس را روی قطعه الکترونیکی موردنظر قرار و دکمه M روی کیبورد را فشار می‌دهیم. برای چرخاندن قطعه، دکمه R را باید فشار دهیم. برای بزرگ یا کوچک‌کردن قطعه نیز، کلیدهای F1 و F2 روی کیبورد را انتخاب می‌کنیم.

اضافه‌کردن سیم‌ها

تا اینجا می‌دانیم چگونه‌ها قطعه‌ها را اضافه و در جای مناسب قرار دهیم. قطعات الکترونیکی باید توسط سیم به یکدیگر وصل شوند؛ بنابراین، در ادامه طراحی دار چاپی باید قطعات الکترونیکی را توسط سیم به یکدیگر وصل کنیم. برای انجام این کار، روی دکمه Place Wire کلیک می‌کنیم یا دکمه W روی کیبورد را فشار می‌دهیم. برای اضافه‌کردن سیم، ابتدا روی قطعه‌‌ای‌ (قطعه یک) که می‌خواهیم سیم از آن خارج شود کلیک می‌کنیم. سپس، روی قطعه‌ای (قطعه دوم) که می‌خواهیم به قطعه یک وصل شود، کلیک می‌کنیم. با انجام این کار قطعه یک توسط سیم به قطعه دو وصل می‌شود.

در بیشتر مواقع، قطعه الکترونیکی، مانند مقاومت الکتریکی، مقدار مشخصی دارد. با فشردن دکمه V روی کیبورد و قراردادن نشانگر موس روی قطعه الکترونیکی موردنظر به‌راحتی می‌توانیم مقدار آن را تغییر دهیم.

در مرحله بعد و پس از دادن مقدار به هر قطعه، باید آن‌ها را نام‌گذاری کنیم. به‌عنوان‌مثال، اگر چند مقاومت در مدار داشته باشم، آن‌ها را R1 و R2 و … می‌نامیم. برای انجام این کار، از قسمت منو، Tools و سپس گزینه Annotate Schematic را انتخاب می‌کنیم. اکنون می‌توانیم برد خود را طراحی کنیم. برای این کار باید طرح شماتیک خود را به برد مدارچاپی طراحی شده منتقل کنیم.

این کار آن‌گونه که به نظر می‌رسد، سخت نیست، زیرا نرم‌افزار آنچه طراحی کرده‌اید را با فایل شماتیک مقایسه و به شما کمک می‌کند تا اتصالات مشابهی را ایجاد کنید. انتخاب نکته‌ای که در این مرحله باید به آن توجه داشته باشیم آن است که قطعات خود را با ایجاد حفره یا نصب روی سطح روی برد قرار دهیم.

ایجاد حفره برای قطعه الکترونیکی به دلیل لحیم‌کاری آسان‌تر، ساده‌تر است. ازاین‌رو، اگر مبتدی هستید، این انتخاب بهتری برای شما خواهد بود. اگر نصب سطحی را انتخاب کنیم، قطعات فضای بسیار کمتری را اشغال می‌کنند. اما کوچک‌تر بودن به معنای سخت‌تر بودن لحیم‌کاری است. پس از اتمام کار، گزینه Design Rules Checker را فعال و اشتباهات احتمالی را بررسی کنید. پس از این مرحله، باید PCB خود را بسازید.

معرفی نرم‌افزارهای طراحی PCB

نرم‌افزارهای طراحی PCB ابزارهای ضروری برای مهندسان و طراحان الکترونیک هستند که به آنها کمک می‌کنند تا مدارهای چاپی (PCB) را به صورت دقیق و حرفه‌ای طراحی کنند.

از جمله معروف‌ترین این نرم‌افزارها می‌توان به Altium Designer اشاره کرد که یکی از پرکاربردترین و پیشرفته‌ترین ابزارها در این زمینه است و امکانات کاملی برای طراحی، شبیه‌سازی و مستندسازی بردهای پیچیده ارائه می‌دهد.

شاید برای شما مفید باشد: آموزش آلتیوم دیزاینر از 0 تا 100 کاملا رایگان

EAGLE نیز یک نرم‌افزار محبوب است که به دلیل رابط کاربری ساده و کتابخانه‌های گسترده‌اش بین طراحان حرفه‌ای و مبتدی شناخته شده است.

شاید برای شما مفید باشد: آموزش Eagle بصورت ویدیویی و آفلاین

KiCad یک نرم‌افزار متن‌باز و رایگان است که امکانات قدرتمندی برای طراحی PCB در اختیار کاربران قرار می‌دهد و به ویژه در پروژه‌های متن‌باز و آموزشی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شاید برای شما مفید باشد: آموزش Kicad بصورت تخصصی

OrCAD نیز یکی دیگر از نرم‌افزارهای قدیمی و معتبر در این حوزه است که برای طراحی مدارهای پیچیده و صنعتی به کار می‌رود. هر یک از این نرم‌افزارها با توجه به نیازها و سطح تجربه کاربر، انتخاب مناسبی برای طراحی PCB محسوب می‌شوند.