Introduzione all’elettronica per principianti – Circuiti stampati da 5000 metri di altezza

Sam Sattel Sam Sattel Ottobre 9, 2023

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Se ti interessa anche solo un po’ conoscere l’elettronica, allora devi assolutamente conoscere i circuiti stampati (o PCB). Perché? Queste schede sono presenti in tutti i dispositivi elettronici conosciuti dall’uomo, senza eccezioni! Apri il tuo computer, il tuo smartphone o persino una forchetta e troverai un circuito stampato.

Per i principianti dell’elettronica, queste forme verdi possono sembrare un po’ misteriose all’inizio. Ci sono un sacco di componenti dall’aspetto diverso e tante cose da imparare per capire come funziona il tutto. Ma con una prospettiva ad alta quota, capire cos’è e come funziona un PCB può essere facile. Guarda una città da 5000 metri e scoprirai che sembra proprio un PCB!

Un posto accanto al finestrino

Anche se non di recente, è probabile che tu abbia volato in aereo almeno una volta nella vita. La mia parte preferita del viaggio è quando l’aereo decolla dalla pista. Salendo sempre più in alto, si ha una nuova prospettiva su una città che si vede solo dalle grandi altezze. E più si sale, più si inizia a vedere come la propria città sia organizzata e pianificata meticolosamente. Ci sono strade, edifici, auto e persone, tutti collegati in un sistema completo.

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Proprio come le nostre città, i circuiti stampati forniscono un sistema completo, una base, per tutti i componenti elettronici che danno vita ai nostri dispositivi quotidiani. In effetti, è possibile paragonare molti aspetti di una città a un circuito stampato.

Tracce = Le strade

Queue Willie NelsonSu un circuito stampato noterai una serie di linee che corrono dappertutto, collegandosi ai vari componenti. Sono proprio come le strade delle nostre città, solo che invece delle auto che sfrecciano, gli elettroni volano lungo strade fatte di rame, correndo ad alimentare un componente dopo l’altro! Queste strade di rame sono chiamate tracce nella nostra città/PCB.

Un circuito stampato senza alcun componente, si possono vedere le tracce che collegano tutto.

Circuiti integrati = Il centro città

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Il centro è il luogo in cui si svolge tutto il lavoro di una città. Ci sono grandi uffici aziendali, attività commerciali, locali ad ogni angolo e anche qualche mercato all’aperto. Questo fulcro centrale dell’attività umana corrisponde a quelle forme quadrate e nere che si trovano su un PCB e che si chiamano Circuiti Integrati (IC). Questi circuiti integrati sono il luogo in cui avvengono tutte le elaborazioni più pesanti in un circuito stampato, come l’esecuzione di calcoli rapidi.

Componenti passivi = Periferia

 Queue Arcade Fire…In periferia si trovano case, parchi e scuole. Da un aereo, noterai che le file di case di un sobborgo spesso assomigliano alle piccole resistenze o ai condensatori che si trovano su un circuito stampato. Lo scopo di tali resistenze è, appunto, resistere al flusso di corrente in base al proprio valore.

Pad = I cantieri

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Nessuna città è esente da cantieri! Che si tratti della costruzione di un nuovo grattacielo o di un nuovo complesso di appartamenti, troverai ovunque nuove fondamenta. Queste fondamenta sono proprio come i pad vuoti che trovi su un PCB senza componenti. Anche se ora sono vuoti, presto vi verrà saldato un componente.

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Serigrafia = Indirizzi e nomi di strade

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Non riusciresti a orientarti in una città senza un indirizzo o il nome di una strada. Proprio come questi due elementi ti aiutano a orientarti nei labirinti di strade, tutte le scritte bianche che trovi su un PCB fanno lo stesso. Queste scritte, chiamate serigrafie, aiutano coloro che assemblano o riparano i PCB a sapere esattamente cosa sia una parte e quale sia la sua posizione.

Vie = Il sistema fognario

Take it away, Thom York…

Tutta l’acqua che utilizziamo per lavare i piatti o l’auto deve andare da qualche parte e, nelle fogne, si ritrova a viaggiare verso nuove destinazioni. Il sistema fognario è proprio come i fori che puoi trovare su un circuito stampato, chiamati vie. Queste forme simili a tombini aiutano a trasportare l’elettricità da un lato all’altro di un PCB, proprio come l’acqua che viaggia dal tuo lavandino all’impianto di depurazione locale!

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Condensatori = Centrali elettriche

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 Le centrali elettriche fanno funzionare le nostre luci. Riesci a immaginare come sarebbe una città senza? Non infestata da zombie, si spera! Proprio come le centrali elettriche di una città, abbiamo dei cosiddetti condensatori su un circuito stampato che immagazzinano l’elettricità. Possono trattenere una carica e rilasciarla quando serve per inviare l’energia dove serve.

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LED = Luci stradali e segnaletica

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I lampioni e i cartelli stradali aiutano a mantenere l’ordine in un mondo pieno di automobilisti scatenati, controllando il flusso del traffico nel nostro labirinto di strade e autostrade. Su un circuito stampato, i lampioni e i cartelli sono come i diodi e il loro cugino, il LED. Il diodo controlla il flusso di elettricità su un PCB, consentendogli di andare solo in una direzione. Sicuramente avrai visto un LED: è proprio come un diodo, solo che si illumina quando viene attraversato dalla corrente. 

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 Ora che hai in mente tutte le singole parti, dai un’occhiata alla seguente immagine per vedere se riesci a individuare alcuni punti di riferimento su questo circuito stampato. I circuiti integrati sono i più facili da trovare: basta cercare i grandi “box” neri. Ma potresti aver bisogno di strizzare gli occhi per vedere tutte le piccole periferie di resistenze raggruppate ovunque. Naturalmente, le parti e i pezzi che abbiamo elencato sopra sono solo una parte delle cose che puoi trovare su un circuito stampato, ma ora hai abbastanza conoscenze per estrarre il circuito stampato da qualsiasi pezzo di elettronica e iniziare a dare un nome alle cose!

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Come si realizza un PCB?

Se osservato lateralmente, un PCB può essere considerato come una sorta di deliziosa torta alla vaniglia e alla fragola a più strati. Presenta diversi strati ripetuti di rame, maschere di saldatura, serigrafie e fibra di vetro. Partiamo dall’interno per capire questi strati.

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Sezione di un PCB a doppia faccia con serigrafia, maschera di saldatura, rame e FR4.

Fibra di vetro. Questo materiale si trova al centro di un PCB e viene comunemente chiamato substrato o FR4. La fibra di vetro è lo strato più resistente di tutti ed è responsabile della struttura rigida e spessa di un PCB. Quando si realizza un PCB, l’intero processo inizia con la fibra di vetro e tutti gli altri strati vengono aggiunti in cima.

Rame. Senza uno strato di rame, un PCB non sarebbe in grado di condurre l’elettricità. Di solito il rame si trova sia sulla parte superiore che su quella inferiore di un PCB e contiene tutte le tracce che collegheranno i tuoi componenti.

Maschera per sadatura. Questo materiale conferisce al PCB il tradizionale colore verde e viene applicato sopra gli strati di rame. Si possono trovare anche PCB di colore rosso o blu in base alla decisione del progettista! La maschera di saldatura svolge un lavoro eccezionale nel mantenere tutte le tracce di rame isolate l’una dall’altra, in modo che non si verifichino incidenti come cortocircuiti.

Serigrafia. Su un PCB, troverai questo testo bianco dappertutto per identificare i nomi di resistenze, condensatori, LED, eccetera. La serigrafia è utile quando stai realizzando un PCB, in quanto può indicare a un altro essere umano o a un computer dove andrebbe posizionato un particolare pezzo

Il processo di realizzazione di un PCB può essere complicato e prevedere il ricorso a dei produttori. Si tratta di fabbriche prendono tutti i file di progetto completati che un ingegnere consegna per realizzare un PCB nella sua forma fisica. Sebbene l’intero processo meriti un articolo tutto per sé, ci limiteremo a descrivere brevemente come nasce un PCB:

  1. Fase 1 – Creazione di una base in fibra di vetro. Il produttore realizza innanzitutto lo strato interno in fibra di vetro (nucleo) sul quale verranno applicati tutti gli altri strati di rame, la maschera di saldatura e così via.
  2. Fase 2 – Aggiunta degli strati di rame. Una volta posizionata la base in fibra di vetro, il produttore aggiungerà un foglio di rame su entrambi i lati della fibra di vetro.
  3. Fase 3 – Aggiunta di modelli di rame. Successivamente, un foglio laminato del progetto del PCB viene steso sopra il rame, che mostra dove devono essere posizionate tutte le tracce di rame.
  4. Fase 4 – Definizione dei modelli di rame. Il foglio laminato e il rame vengono esposti sotto una lampada UV e ricoperti da una pellicola fotoresistente che incide le tracce sul foglio di rame.
  5. Fase 5 – Bagno della scheda. Ora che le tracce di rame sono in posizione, il PCB viene sottoposto a un bagno chimico che rimuove tutto il rame indesiderato, lasciando solo le tracce di rame progettate dall’ingegnere.
  6. Fase 6 Protezione con maschera di saldatura. Viene applicato uno strato protettivo di maschera di saldatura che conferisce al PCB il tradizionale colore verde e lo protegge dai cortocircuiti.
  7. Fase 7 – Aggiunta della serigrafia. Per finire, si aggiunge la serigrafia bianca, che aiuta a individuare con precisione il punto in cui i componenti devono essere collocati sul PCB. In questa fase, il PCB è considerato completo sotto forma di  “scheda nuda”, cioè non ha ancora nessun componente installato.
  8. Fase 8 – Aggiunta di componenti. La scheda nuda viene poi sottoposta a un processo di assemblaggio in cui vengono posizionati vari componenti come resistenze, circuiti integrati, condensatori e così via. Una volta completato, questo è il PCB nella sua forma finale che vedrai in tutti i tuoi dispositivi elettronici di casa.

Il processo di assemblaggio ha molti dettagli che abbiamo tralasciato ed è un mondo a parte. Se sei interessato a saperne di più sul processo di produzione, assicurati di guardare il seguente video per scoprirlo in azione a Eurocircuits!

I PCB sono sempre stati così complessi?

I PCB verdi che abbiamo imparato a conoscere in tutti i nostri dispositivi elettronici non sono sempre stati così. Poco più di 60 anni fa, infatti, si potevano vedere PCB realizzati con materiali come masonite, cartone e persino assi di legno. In questi PCB della vecchia scuola, fili piatti d’ottone erano avvitati sulla scheda e una serie di componenti erano sparsi ovunque. Ecco una vecchia TV con all’interno uno dei primi PCB: guarda che disordine!

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Questa mostruosità di PCB non ebbe una lunga vita. Nel 1943 lo scienziato austriaco Paul Eisler creò il primo PCB moderno per una radio. Poco dopo, il rame sostituì l’ottone come metallo preferito per i circuiti stampati, in quanto permette all’elettricità di fluire in modo più efficiente ed era anche molto più economico da produrre.

Il PCB ha finalmente avuto il suo momento di gloria nel 1956, quando l’Ufficio Brevetti degli Stati Uniti ha rilasciato un brevetto per il “Processing of Assembling Electrical Circuits” a un gruppo di scienziati dell’esercito americano. È proprio l’esercito che va ringraziato per molti dei progressi che abbiamo visto nei PCB. Grazie alla loro necessità di nuove armi e sistemi di comunicazione, abbiamo preso l’enorme massa di PCB di ieri e l’abbiamo ridotta a qualcosa che può entrare nelle nostre tasche!

Gli usi folli e selvaggi dei PCB odierni

Oggi i circuiti stampati sono ovunque e alimentano alcuni dei gadget e dei servizi più assurdi e folli che si possano immaginare. 

Droni da consegna

Nel 2017 Amazon ha presentato il suo nuovo servizio di consegna, Prime Air, reso possibile dai droni! Stiamo parlando della possibilità di ordinare qualcosa su Amazon e vederselo recapitare a casa in pochi minuti, non giorni, il tutto grazie alla potenza dei circuiti stampati. 

I circuiti stampati di questi droni dispongono di tutta la complessità necessaria per portare a termine il lavoro, compresi il GPS e il Bluetooth che consentono di consegnare un pacco con precisione, oltre a giroscopi e accelerometri che li fanno volare dritti. Guarda il seguente video per vedere Amazon Prime Air in azione.

Arti protesici

Sono finiti i tempi dei semplici arti meccanici che non fornivano alcun feedback. Le protesi di oggi sono dotate di microprocessori che aggiungono un nuovo livello di esperienza naturale. Nelle gambe protesiche, i sensori dell’angolo del ginocchio possono fornire informazioni a un microprocessore sulle regolazioni della pressione nel tallone o nella parte anteriore del piede. Tutto questo porta a un’esperienza di camminata molto più naturale grazie ai PCB e alle loro controparti a microprocessore.

Impianti acustici

Gli impianti cocleari permettono alle persone sorde o con problemi di udito di tornare a sentire, grazie alla potenza dei PCB e dell’elettronica. Questi impianti vengono posizionati chirurgicamente sotto la pelle e contengono una tonnellata di componenti elettronici, tra cui:

Questi sono solo alcuni degli straordinari sogni che i PCB (e l’elettronica in generale) hanno reso possibili per l’umanità. Ce ne sono molti altri, come il computer o lo smartphone con il quale stai leggendo questo articolo. Senza un PCB, non potresti essere qui! Ancora una volta tanto di cappello ai circuiti stampati.

 Assapora la libertà fornita dai PCB!

Il PCB è la base del nostro futuro e ci permette di creare, scoprire e migliorare l’esperienza umana in modi che non avremmo mai pensato possibili. Ma oggi siamo solo all’inizio del nostro viaggio con i PCB. In futuro, potremmo ritrovarci a utilizzare circuiti stampati biodegradabili per eliminare i rifiuti elettronici. O magari saremo in grado di stampare in 3D il proprio PCB comodamente da casa!

Gli utilizzi dell’elettronica e dei PCB sono tantissimi e tutto parte da te! Probabilmente la tua brillante mente ingegneristica ha già qualche idea da realizzare. Perché non utilizzare uno strumento che milioni di altri ingegneri utilizzano ogni giorno per dare vita a queste idee? Prova Autodesk Fusion 360 oggi stesso!

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