エレクトロニクスでは、電気の流れの閉路として回路が使用されます。 一次回路は、導体、電流源、および負荷で構成されます。 さらに、「回路」は、データ、電気、または信号伝送のための確立された経路を意味する場合があります。
PCB パターンは、回路基板上の電子部品と導電性経路の配置です。 これらのパターンは、抵抗器、集積回路、コンデンサなどの複数の機能をリンクする銅配線で構成され、完全なコースを形成します。
電子デバイスの有効性は、PCB パターンの設計に大きく依存します。 コンポーネント間の電気信号の効率的な伝送を促進し、信号の干渉を防ぐには、パターンを慎重に計画して最適化することが重要です。 トレース配線、グランドプレーン設計、コンポーネント配置などのさまざまな技術により、理想的な回路パターンが作成されます。
PCB パターンを設計するために、エンジニアは Altium や Eagle などの特殊なソフトウェアを利用できます。 これらのプログラムを使用すると、基板の概略構造を作成できます。 その後、対応するプリント基板レイアウトに自動的に変換されます。 パターンが完成したら、銅張りの回路基板に印刷します。 不要な銅は、エッチングとして知られる化学的手順によって除去できます。
回路基板のパターンはどのように機能するのでしょうか?
電子は電子回路の電源から出て、導体を通過します。 これらはロードを横断してタスクを実行してから、ヘッドに戻ります。 電子が流れる回路の円形経路がそのように名付けられた理由です。 オームの法則は、電流と抵抗の関係を説明します。 回路内では、電子はエネルギー/電源供給のマイナス側からプラス側に移動します。
PCB は高度な電子機器では一般的であり、回路トレースが導体のような役割を果たします。 これらの回路基板には、回路が意図した機能を果たすために必要なすべてのコネクタとコンポーネントが含まれています。
集積回路により回路の小型化が可能になり、基板上に印刷することができます。 この IC には、目的の機能に必要なすべての重要な回路トレース、トランジスタ、コンデンサ、およびその他のコンポーネントが含まれています。 多くのデバイスでは、IC はプリント基板に実装されるか、電源に接続されます。
電流の経路が切断され、回路全体に電流が流れなくなることを開回路といいます。 このようなシナリオでは、電気は流れることができず、何の仕事も行いません。
電気経路が電源の出力から入力まで直接確立される場合、それは短絡として知られます。 電気は抵抗が最小になる方向に流れる傾向があるため、電流は小さな回路を流れ、目的の負荷をバイパスします。 コースの誤動作につながる可能性があり、電源の損傷、コンポーネントの過熱、潜在的な火災の危険を引き起こす可能性があります。 短絡による損傷を避けるために、ヒューズと回路ブレーカーが回路に追加されます。 ショートボードにより過大な電流が消費された場合、電気経路を遮断します。
ネットワーキングと電気通信における回路基板のパターン
電気通信は、送信機から受信機へ、またはその逆にメッセージを送信するための連続パスを提供する回路に依存しています。 電信と電話の初期の頃、2 地点間の通信を確立するには完全な電気経路が必要でした。
電話通信では、音声リンク/接続は回線、つまり同時コースまたは通話の数と見なされ、電話システムの容量を測定する指標となります。 回路ベースのネットワークは、物理的な回路基板接続を自動的に確立します。 したがって、スイッチドファイバーネットワークの場合は、電気回路を示す代わりに、光がたどるルートが変更されます。
現代のネットワークには物理的な電気接続が存在しないにもかかわらず、依然として「回路」が使用されています。 このような状況では、回線はデータ パケットがネットワークを通過する際のパスを参照することがあります。 パケット交換ネットワークでは、イーサネットやインターネットと同様に、仮想回線を作成して特定のパッケージの専用ルートを確立できます。 PVC は、不特定の期間の別のシステム/ネットワークに基づく論理ネットワーク パスを示します。
基板パターンの種類
PCB パターンは、PCB 上の導電性ルートまたは電子要素の配置を記述します。 プラスチックやグラスファイバーなどの絶縁材料から PCB を構築し、電気コンポーネントを接続するためにエッチングされた導電経路を設けることができます。
この記事では、それぞれに独特のレイアウトと設計を持つさまざまな PCB パターンについて説明します。 ここでは、いくつかの一般的な PCB パターンとその用途について説明します。
1. 片面回路基板
単層回路基板は片面 PCB パターンとも呼ばれ、基板の片面に唯一の銅導電性物質層を備えています。 これらの回路基板は製造が比較的簡単でコスト効率が高く、おもちゃ、リモコン、電卓などの重要な電子機器に頻繁に利用されています。
2. 両面基板
二重層 PCB は回路基板の側面に導電性物質を備えているため、回路基板上により多くのコンポーネントを組み込むことができます。 この機能により、コンピュータ周辺機器やオーディオ機器などの複雑な電子機器に適しています。 両面回路基板の製造は片面回路基板よりも複雑ですが、それでも低コストです。
3. 多層基板
多層 PCB は、導電性材料または絶縁体の複数のコーティングの複合体です。 これらの回路基板は、スマートフォン、コンピューター、タブレットなどの高度な電子機器に利用されています。 多層回路基板は高動作電子機器にとって不可欠ですが、両面基板や片面基板に比べて製造コストが著しく高くなります。
4. フレキシブル基板
フレキシブル PCB は、ポリエステルやプラスチックなどの絶縁材料で作られた回路基板です。 これらの回路は、ウェアラブル技術や医療機器など、汎用性が必要な場合に使用できます。 フレキシブル PCB はリジッド回路基板よりも高価ですが、軽量で耐久性が高いなどの利点があります。
5. リジッドフレックス回路基板
リジッドフレックス基板は、リジッドまたはフレキシブル PCB の特性を組み合わせたものです。 これらのボードは、航空宇宙アプリケーションや医療機器など、柔軟性が必要だが特定のコンポーネントをしっかりと固定する必要があるシナリオで使用されます。 リジッドフレックス ボードは、フレキシブル ボードやリジッド ボードよりも製造コストが高くなりますが、軽量化や信頼性の向上などの利点があります。
要約すると、PCB パターンとは、PCB 上の導電パスまたは電子要素の配置を指します。 さまざまな回路基板パターンが存在し、それぞれに独自のレイアウトとデザインがあり、さまざまな電子機器に利用されています。 単純な計算機を設計する場合でも、高動作性のスマートフォンを設計する場合でも、効果的で信頼性の高い電子デバイスを製造するには、さまざまな回路基板のパターンを理解することが重要です。
電子回路基板パターンを作成する手順
回路は、何かがループ内を移動できるようにする経路です。 電子回路基板内で動くのは電子による電荷です。 電子は電源のプラス側の端から来て、元の電源の反対側の端に到達するまで回路中を移動します。 コースのさまざまな部分が料金の伝わり方に影響を与える可能性があります。 一部の要素は電荷の移動を困難にする可能性がありますが、他の要素は電荷を蓄積または使い果たす可能性があります。 一部の部品は動作するために追加のエネルギーを必要としますが、他の部品は電力を供給します。
ランプの点灯やモーターの動作など、さまざまな理由で回路を構築する必要がある場合があります。これらは負荷と呼ばれ、各負荷が動作を開始するには特定の電流と電圧が必要です。 この電圧は、一定の DC 電圧と交流電圧の場合があります。 しかし、電源や負荷だけで回路を作ることはできません。 電荷が正しく流れるのを助け、負荷に送られる電荷の量を調整するには、他のコンポーネントが必要です。
ステップ1: 回路の設計
回路基板を作成するには、必要なコンポーネントとその値を知る必要があります。 この例では、直流安定化電源ボード/回路を設計する方法を学びます。
1. 規制当局
この特定のケースでは、20mA で一定の正の 5V 電圧が必要です。 これを実現するには、LM7805 レギュレータ IC など、5V 出力を提供できるコントローラが必要です。 レギュレータに必要な低い入力電圧もカウントする必要があります。 5V を作成するには、最低 8V の電圧が必要ですが、12V の入力電圧を選択します。
2. トランスフォーマー
LM7805 レギュレータに電力を供給し、正極性で 20mA で安定化された 5V を得るには、少なくとも 8V の非安定化電圧が必要です。 この入力電圧を取得するには、2 次側 12V RMS の変圧器を使用します。 主電流が 230 電圧 RMS であるため、変圧器の比は 19 になります。したがって、12 電圧の電流、230V の一次電圧を持つ 20mA の変圧器が必要になります。
3. フィルタコンデンサ – 値
フィルタコンデンサの容量値は、負荷の消費電流、レギュレータの静止電流（理想電流）、直流出力の許容リップル、周期などのさまざまな要因に依存します。
コンバータの一次側で 17 V (12 x sqrt2) の最高電圧を取得し、ダイオードの両端で合計 1.4 V の降下を得るには、コンデンサの最高電圧は約 15 V になります。
ステップ2。 回路図とシミュレーション
これで、必要なコンポーネントと回路への接続方法がわかりました。 ソフトウェアで回路を描いてシミュレーションしてみましょう。
次の手順では、Multisim を利用して回路を作成し、シミュレーションを実行する方法の概要を説明します。
1. Windows で Multisim 11.0 にアクセスするには、「スタート」→「プログラム」→「National Instruments」→「Circuit Suite Version 11.0」→「Multisim バージョン 11.0」に移動します。
2. Multisim ソフトウェアを開くと、メニュー バーのあるウィンドウが表示されます。 ブレッドボードに似た空白スペースも表示されます。 それを使って回路を作成することができます。
3. メニューバーから「配置」を選択し、「コンポーネント」を選択してコンポーネントライブラリにアクセスします。
4. 「コンポーネントの選択」というタイトルのウィンドウが表示されます。
5. [データベース] セクションで、[マスター データベース] を選択します。 これはドロップダウン メニューにあります。
6. 回路にコンポーネントを追加するには、「グループ」セクションから適切なグループを選択します。 電圧および電流源とグランドが必要な場合は、それぞれのグループを選択してください。 抵抗やコンデンサなどの必須コンポーネントが必要な場合は、対応するグループを選択してください。
入力交流電源の場合は、「ソース」を選択し、次に「電源」と「交流電源」を選択します。 「OK」をクリックしてコンポーネントを配置したら、RMS 電流を電圧 230、周波数 50Hz に設定できます。
7. 次に、要素ウィンドウから「Basic」を選択し、次に「Transformer」を選択し、最後に「TS_Ideal」を選択して、回路に完璧なトランスを追加します。 完全な変圧器では、コイルのリアクタンスは同様です。 目的の出力を得るには、2 番目のコイルのインダクタンスを調整する必要があります。
8. 電子設計は、コンピュータ シミュレーションを使用してテストする準備が整いました。
9. 次に、「シミュレート」をクリックし、「実行」を選択します。
10. 緑色の矢印で示されているように、出力の発光ダイオードが点滅しているのがわかります。
11. 各機能にわたって正しい電圧値が得られているかどうかを確認するには、電圧計を配置します。
結論
結論的には、PCB パターンは電子デバイスの設計または製造手順において非常に重要です。 基板上の電子部品と導電経路の配置は、機械の効率や信頼性を決定する上で重要な役割を果たします。 それぞれが特定のアプリケーションに適した、異なるレイアウト設計を持ついくつかのタイプの PCB パターンが存在します。
単層 PCB はシンプルで手頃な価格ですが、多層基板は複雑で高価ですが、高動作電子デバイスには不可欠です。 フレキシブル回路基板は柔軟性を提供しますが、リジッドフレックス基板はリジッド基板とルーズ基板の両方の特性を統合します。 さまざまなタイプの回路基板パターンを理解することは、効率的で信頼性があり、コスト効率の高い電子デバイスを作成する上で非常に重要です。
