Uma placa de circuito impresso, ou PCI, é encontrada em quase todo tipo de dispositivo eletrônico. Essas placas plásticas e seus componentes embutidos fornecem a tecnologia básica para tudo, desde computadores e celulares até smartwatches. As conexões de circuito em uma PCI permitem que a corrente elétrica seja roteada eficientemente entre os componentes miniaturizados na placa, substituindo dispositivos maiores e fiação volumosa.
Dependendo da aplicação para a qual foi projetada, uma placa PCI pode realizar uma variedade de tarefas relacionadas a computação, comunicações e transferência de dados. Além das tarefas que executa, talvez a função mais importante de uma placa de circuito seja fornecer uma maneira de integrar a eletrônica de um dispositivo em um espaço compacto. Uma PCI permite que componentes sejam conectados corretamente a uma fonte de energia enquanto são seguramente isolados. Além disso, placas de circuito são mais baratas que outras opções porque podem ser projetadas com ferramentas de design digital e fabricadas em alto volume usando automação de fábrica.
Uma placa de circuito moderna é tipicamente feita de camadas de diferentes materiais. As várias camadas são fundidas através de um processo de laminação. O material base em muitas placas é fibra de vidro, que fornece um núcleo rígido. Uma camada de folha de cobre em um ou ambos os lados da placa vem a seguir. Um processo químico é então usado para definir trilhas de cobre que se tornam caminhos condutores. Essas trilhas substituem a fiação bagunçada do método de construção ponto a ponto usado em montagens eletrônicas anteriores.
Uma camada de máscara de solda é adicionada à placa de circuito para proteger e isolar a camada de cobre. Esta camada plástica cobre ambos os lados da placa e é frequentemente verde. É seguida por uma camada de serigrafia com letras, números e outros identificadores que auxiliam na montagem da placa. Os componentes de uma placa de circuito podem ser conectados à placa de várias maneiras, incluindo soldagem. Alguns métodos de conexão fazem uso de pequenos furos conhecidos como vias perfurados através da placa de circuito. Seu propósito é permitir que a eletricidade flua de um lado da placa para o outro.
Um circuito é um loop de material condutor pelo qual a eletricidade pode percorrer. Quando o loop está fechado, a eletricidade pode fluir ininterruptamente de uma fonte de energia, como uma bateria, através do material condutor e então de volta à fonte. O design do circuito baseia-se no fato de que a eletricidade busca fluir de uma voltagem mais alta, que é uma medida de potencial elétrico, para uma voltagem mais baixa.
Todo circuito é composto por pelo menos quatro elementos básicos. O primeiro elemento é uma fonte de energia para energia AC ou DC. O segundo elemento é um material condutor, como um fio, pelo qual a energia pode se mover. Este caminho condutor é conhecido como trilha ou traço. O terceiro elemento é a carga, que consiste em pelo menos um componente que consome parte da energia para realizar uma tarefa ou operação. O quarto e último elemento é pelo menos um controlador ou interruptor para controlar o fluxo de energia.
Quando você insere uma carga no caminho fechado de um circuito, a carga pode usar o fluxo de corrente elétrica para realizar uma ação que requer energia. Por exemplo, um componente diodo emissor de luz (LED) pode acender quando a energia flui pelo circuito onde está inserido. A carga precisa consumir energia, pois uma sobrecarga poderia danificar componentes conectados.
Os componentes mais importantes em uma placa de circuito incluem:
Cada componente em uma placa de circuito executa tarefa específica ou conjunto de tarefas determinadas pela função geral da PCI. Alguns componentes, como transistores e capacitores, operam diretamente em correntes elétricas. Servem como blocos de construção dentro de componentes mais complexos conhecidos como circuitos integrados.
O termo PCBA (acrônimo para Printed Circuit Board Assembly, ou Montagem de Placa de Circuito Impresso) descreve uma placa de circuito completamente populada com componentes conectados à placa e ligados às trilhas de cobre. Também é chamada de montagem plug-in. Uma placa que tem trilhas de cobre mas não tem componentes instalados é frequentemente chamada de placa nua ou placa de circuito impresso.
O design de placas de circuito modernas permite produção em massa a custo menor que placas antigas com fiação enrolada. Após a fase de design ser definida com ajuda de software especializado, fabricação e montagem são – na maior parte – automatizadas. Uma PCBA é considerada finalizada e pronta para uso após testes de garantia de qualidade completos.
Um circuito aberto é aquele que não está fechado devido a fio quebrado ou conexão frouxa. Um circuito aberto não funciona porque não conduz eletricidade. Embora voltagem possa estar disponível em circuito aberto, não há como fluir. Em alguns casos, circuito aberto é desejado. Por exemplo, o interruptor usado para ligar e desligar uma luz abre e fecha o circuito conectando a luz à fonte de energia.
Outro tipo de circuito defeituoso é o curto-circuito, que ocorre quando muita energia passa por um circuito e danifica o material condutor ou a fonte de energia. Um curto pode ser causado por dois pontos em um circuito conectando quando não deveriam, como os dois terminais de uma fonte de energia conectados sem componente de carga entre eles para drenar parte da corrente. Curto-circuitar uma fonte assim pode ser perigoso e até resultar em incêndio ou explosão.
Tubos de vácuo e relés elétricos executavam funções básicas dos primeiros computadores. A introdução de circuitos integrados levou a redução no tamanho e custo de componentes eletrônicos. Logo placas de circuito foram desenvolvidas contendo toda a fiação de um dispositivo que antes ocupava uma sala inteira. Essas placas iniciais eram feitas de vários materiais, incluindo Masonite, Baquelite e papelão, e conectores consistiam de fios de latão enrolados em postes.
Começando nos anos 1940, placas de circuito tornaram-se mais eficientes e baratas quando fio de cobre substituiu latão. Placas iniciais com fiação de cobre foram usadas em rádios militares, e nos anos 1950 já eram usadas em dispositivos de consumo. Logo placas de face única com fiação em apenas um lado evoluíram para PCBs de face dupla e multicamadas em uso generalizado atualmente.
Dos anos 1970 aos 1990, design de PCI tornou-se mais complexo. Ao mesmo tempo, tanto o tamanho físico quanto o custo das placas continuaram encolhendo. Conforme placas ficaram mais densas com componentes conectados, aplicações de design assistido por computador (CAD) foram desenvolvidas para auxiliar sua criação. Hoje há variedade de ferramentas para design digital de PCI, de opções gratuitas e baixo custo a pacotes totalmente funcionais e caros que ajudam com design, fabricação e teste.
Eletrônica moderna não existiria sem o circuito integrado, introduzido no final dos anos 1950. Um CI é uma coleção miniaturizada de circuitos e componentes como transistores, resistores e diodos montados em um chip de computador para executar função específica. Um único chip CI pode conter milhares ou até milhões de componentes. Os tipos mais comuns de circuitos integrados incluem portas lógicas, timers, contadores e registradores de deslocamento.
Além de CIs de baixo nível, existem também CIs de microprocessador e microcontrolador mais complexos que têm capacidade de controlar computador ou outro dispositivo. Outros circuitos integrados complexos incluem sensores digitais como acelerômetros e giroscópios encontrados em celulares e outros dispositivos eletrônicos. Como outras partes de PCIs, o tamanho de circuitos integrados diminuiu constantemente nas últimas décadas.
Montagem de componentes em PCIs iniciais de face única usava tecnologia through-hole (furo passante), onde componente era conectado a um lado da placa e fixado através de furo a trilhas condutoras no outro lado usando solda. Na época, through-hole foi avanço sobre construção ponto a ponto, mas furos perfurados na PCI para montagem levaram a vários problemas de design, especialmente após introdução de placas multicamadas. Como furos precisavam passar por todas as camadas, grande porcentagem de espaço disponível na placa era eliminada.
Tecnologia de montagem em superfície (SMT) resolveu muitos problemas causados por furos passantes. Tornou-se amplamente usada nos anos 1990, embora introduzida várias décadas antes. Componentes foram alterados para ter pequenas almofadas que podiam ser soldadas diretamente à placa de circuito em vez de através de um terminal de fio. SMT permitiu fabricantes de PCI empacotar densamente grande número de componentes em ambos os lados de uma PCI. Este tipo de montagem também é mais fácil de fabricar com automação.
Montagem SMT não eliminou necessidade de furos em placas de circuito. Alguns designs de PCI ainda usam vias para permitir interconexões entre componentes em camadas diferentes. Porém, esses furos não são tão intrusivos quanto through-holes usados anteriormente para montagem de componentes.
Dispositivos eletrônicos mais complexos podem incluir PCIs multicamadas. Estas consistem de pelo menos três camadas de material condutor como cobre alternando com camadas de isolamento. Configurações comuns incluem quatro, seis, oito ou 10 camadas. Todas as camadas devem ser laminadas para garantir que não haja ar aprisionado entre elas. Este processo geralmente é feito sob alta temperatura e pressão.
Benefícios de PCIs multicamadas incluem maior densidade de componentes e circuitos em menor espaço. São usadas para computadores, servidores de arquivos, tecnologia GPS, dispositivos de saúde, e sistemas aeroespaciais e de satélite. Porém, placas multicamadas também têm desvantagens. São mais intrincadas e difíceis de projetar e fabricar que placas de face única e dupla, o que as torna mais caras. Também podem ser difíceis de reparar quando algo dá errado nas camadas internas.
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