راهنمای کامل دنیای بردهای الکتریکی: از صفر تا صد طراحی و ساخت مدار

برد الکتریکی یکی از قطعات سخت‌افزاری در دستگاه‌های برقی به شمار می‌رود که یک اختراع انقلابی در دنیای تکنولوژی و الکترونیک محسوب می‌گردد. این قطعه‌ جادویی که قلب تپنده‌ هر ابزار الکترونیکی است از گوشی‌های همراه گرفته تا لپ تاپ‌ها و تلویزیون‌های خانگی تا پیچیده‌ترین ابزارهای الکترونیکی در صنایع پیشرفته را در بر گرفته و نقش مهمی ایفا می‌نماید. در مقاله مهندسی برق چیست؟ (گرایش ها، بازار کار و درآمد)، گفتیم که گرایش الکترونیک یکی از گرایش‌های جذاب و پرطرفدار مهندسی برق است. در این مقاله نیز شما با بردهای الکتریکی به صورت تخصصی آشنا خواهید شد.

تاریخچه بردهای الکتریکی

بردهای الکتریکی بخش مهمی از یک دستگاه الکترونیکی را تشکیل می‌دهند. قطعات الکتریکی مختلف بر روی یک صفحه با طراحی خاص مونتاژ و متصل می‌گردند و امکان انجام عملیات‌های پیچیده و دقیق را ممکن می‌سازند. در یک برد هر جزء باید با دقت طراحی و در موقعیت مناسب قرار گیرد تا عملکرد صحیح دستگاه تضمین شود. بخش اعظم این برد از فایبرگلاس یا یک نارسانا تشکیل می‌شود تا امکان ایجاد یک مدار الکتریکی را روی آن میسر سازد و همچنین سایر قطعات و متعلقات این مدار که شامل آی سی، مقاومت و خازن است که بر روی برد سوار می‌شود.

 اختراع بردهای الکتریکی به سال ۱۹۰۳ برمی‌گردد. آلبرت هانسون، مخترع آلمانی، اولین اختراع خود را برای دستگاهی شبیه به PCB که نوع خاصی از بردهای الکترونیکی است و برای استفاده در سیستم‌های تلفن ساخته بود، ثبت کرد. این دستگاه یک رسانای مسطح برای یک برد عایق چند لایه بود. این برد درست مانند PCB های سوراخ‌دار امروزی، ساختاری سوراخ‌دار و رساناهایی نیز در هر دو طرف داشت. در ادامه در سال ۱۹۲۷، چارلز دوکاس نسخه‌ای از برد مدار را به ثبت رساند. او از یک شابلون برای چاپ سیم‌ها روی برد با جوهر رسانا استفاده کرد و یک مسیر الکترونیکی را روی یک سطح عایق قرار داد.

تفاوت برد الکترونیکی و الکتریکی

ممکن است شما در سال‌های ابتدایی تحصیل در مهندسی برق باشید و بسیاری از تعاریف اولیه را ندانید. یا حتی فردی علاقه مند به حیطه الکترونیک هستید. در اینجا به شما تفاوت بین دو کلمه‌ی پرکاربرد الکترونیک و الکتریک را خواهیم گفت. در الکتریک ابعاد و محاسبات به صورت ماکروسکوپی است و با ولتاژها و جریان‌های بالا سروکار خواهیم داشت تا سیستم‌های گسترده پوشش داده شوند. در مقابل، الکترونیک به شکل میکروسکوپی ارائه خواهد شد و بر ولتاژها و جریان‌های پایین تمرکز دارد که شامل دستگاه‌هایی در مقیاس کوچک‌تر خواهد شد.

بهتر است بدانید که ساخت و طراحی مدارهای الکتریکی جزئی از رشته‌های مهندسی برق، کامپیوتر و الکترونیک به شمار می‌رود. الکترونیک به مجموعه‌ گسترده‌ای از الکتریسیته گفته می‌شود که با حرکت الکترون‌ها در انواع مدارهای نیمه‌هادی سر و کار دارد. به عبارتی الکترونیک زیرمجموعه الکتریک است. همچنین دستگاه‌های الکتریکی نظیر فن و لامپ با AC یعنی جریان متناوب کار می‌کنند درحالی‌که دستگاه‌های الکترونیکی مانند رایانه، تلفن همراه و لپ تاپ با جریان مستقیم DC کار می‌کنند. (در لپ تاپ‌ها و تلفن‌های همراه هنگامی که ما باتری را با AC شارژ می‌کنیم در واقع شارژ AC را به DC تبدیل می‌کنند و سپس فقط برق در باتری‌ها به شکل DC ذخیره می‌شود.)

انواع بردهای الکتریکی

هدف از ساخت یک برد، فراهم کردن یک رابط فیزیکی برای اجزا و امکان انتقال سیگنال‌ها بین آن‌ها از طریق مسیرهای مسی است. ساختار برد الکتریکی، امکان ایجاد مدارهای الکتریکی پیچیده را به شکلی ثابت و فشرده فراهم می‌کند. طراحی و ساخت مناسب برد الکترونیکی برای عملکرد کل دستگاه بسیار مهم است. در اینجا برخی از مهم‌ترین انواع بردهای الکتریکی را که هر کدام برای کاربردهای خاصی طراحی شده‌اند مشاهده می‌نمایید:

بردهای مدار چاپی (PCB)

بردهایی با ساختار سخت هستند که برای اتصال قطعات الکتریکی به یکدیگر استفاده می‌شوند و از سطوح فلزی تعبیه شده و نواحی بزرگ‌تر فلزی به نام صفحات تشکیل شده‌اند. در اکثر دستگاه‌های الکترونیکی مانند کامپیوترها، تلویزیون‌ها و گوشی‌های هوشمند به کار می‌روند. بردهای مدار چاپی (PCB) بر اساس فرآیندهای تولید، مشخصات طراحی و کاربرد مانند پزشکی، صنایع و هوافضا طبقه‌بندی می‌شوند. انواع مختلفی از PCB وجود دارد که هر کدام طراحی ساخت خاص خود را دارند:

• یک طرفه
• دو طرفه
• چند لایه
• غیر انعطاف‌پذیر
• انعطاف پذیر
• ترکیب سخت و انعطاف پذیر
• HDI
• LED

همچنین برای کسب اطلاعات بیشتر راجب PCB، وبلاگ PCBWay می‌تواند کمک کننده باشد.

بردهای توسعه‌دهنده (Development Boards)

بردهای توسعه‌دهنده، بردهای مدار چاپی هستند که یک میکروکنترلر یا یک ریزپردازنده روی آن‌ها نصب شده و یک توسعه‌دهنده باتجربه می‌تواند از آن‌ها برای نمونه‌سازی اولیه و تولید و تکرار انواع ‌محصولات هوشمند استفاده کند. از این بردها در قالب دوربین امنیتی کوچک یا دستگاه‌های اینترنت اشیا، استفاده می‌شود. از جمله نمونه‌های این برد می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• بردهای میکروکنترلر: میکروکنترلر در واقع یک میکرو‌کامپیوتر فشرده است که شامل اجزایی مانند حافظه، وسایل جانبی و از همه مهم‌تر پردازنده است. برد میکروکنترلر برای توسعه یک سیستم تعبیه ‌شده استفاده می‌گردد. این برد شامل یک میکروکنترلر، پین‌های ورودی و خروجی، منبع تغذیه و رابط‌های ارتباطی است. برد میکروکنترلر بستری را برای مهندسان طراح فراهم می‌کند تا کدها را بنویسند و آزمایش کنند و همچنین آن‌ها را قادر می‌سازد تا قبل از رفتن به مرحله طراحی محصول، پروژه‌های الکترونیکی خود را تایید کنند. میکروکنترلر در دستگاه‌هایی به کار می‌رود که نیاز به درجه‌ای از کنترل از جانب کاربر دارند نظیر ماشین لباسشویی، مایکرویو، دوربین دیجیتال، اتومبیل، تلفن‌های هوشمند و ربات‌ها.
•  Arduino: آردوینو یک برد الکترونیکی توسعه‌دهنده بسیار کوچک مبتنی بر میکروکنترلر است که بر اساس سخت‌افزار و نرم‌افزار به صورت منعطف و ساده طراحی شده است و می‌توانید از ساده‌ترین تا پیچیده‌ترین کارها را به یک برد آردوینو بسپارید تا انجام دهد. آردوینو دارای هسته پردازنده و حافظه و درگاه ورودی و خروجی برنامه‌ریزی است و این برد الکترونیکی می‌تواند با استفاده از سنسورهای مختلف محیط اطراف خود را احساس کند و با کنترل لامپ‌ها و موتورها بر دنیای اطراف خود تاثیرگذار باشد.
•  Raspberry Pi: رزبری پای نام مجموعه‌ای از کامپیوترهای تک بردی است که توسط بنیاد رزبری پای، یک موسسه خیریه بریتانیایی ساخته شده است. مدل اصلی رزبری پای دارای یک پردازنده تک‌هسته‌ای ۷۰۰ مگاهرتز و تنها ۲۵۶ مگابایت رم است و آخرین مدل دارای یک پردازنده چهار هسته‌ای با سرعت کلاک بیش از ۱.۵ گیگاهرتز و ۴ گیگابایت رم است.
•  STM32: اس تی ام 32 خانواده‌ای از مدارهای میکروکنترلر و ریزپردازنده ۳۲ بیتی است که توسط شرکت STMicroelectronics ساخته شده است. میکروکنترلرهای STM32 بر اساس هسته پردازنده ARM 32 بیتی یکسانی ساخته شده‌اند.
• بردهای FPGA: بردهای (FPGA (Field Programmable Gate Array به کاربران این امکان را می‌دهند که انواع سخت ‌افزار را در پردازش سیگنال و کاربردهای صنعتی برنامه‌ریزی نمایند. اگر FPGA را مانند کتاب سفید و خالی در نظر بگیرید می‌توانید به عنوان نویسنده درباره‌ی هدف آن تصمیم‌گیری نمایید. بخش (قابل برنامه‌ریزی) به این معنی است که می‌توانید هدف دستگاه را در هر زمانی ویرایش و بازنویسی کنید که این ویژگی برای مراحل نمونه‌سازی اولیه که نیاز به تغییرات دارد مناسب‌ خواهد بود. برای استفاده از این برد باید زبان توسعه سخت‌افزار به عنوان مثال HDL را یاد بگیرید. HDL ها به توسعه‌دهنده کمک می‌کنند تا بداند دستگاه چگونه به پیکربندی‌های مختلف پاسخ می‌دهد.
  

کاربرد بردهای الکتریکی

برخی از بردهای الکتریکی کاربرد بیشتری در صنعت دارند که می‌توانید کاربردهای مهم آن‌ها را در ادامه مشاهده کنید تا برای یادگیری آن‌ها بتوانید مناسب‌ترین را با توجه به تخصص خود انتخاب نمایید. این نکته را در نظر بگیرید که آردوینو، یک برد توسعه مبتنی بر میکروکنترلر است و FPGA ها نوع خاصی از تراشه‌های قابل برنامه ریزی هستند که در قالب بردهای مخصوص عرضه می‌شوند. بنابراین انواع بردهای الکترونیکی عبارتند از بردهای مبتنی بر میکروکنترلر (مانند FPGA ،(Arduino و سایر انواع بردهای توسعه.

کدامیک را برای یادگیری انتخاب کنیم؟ FPGA  یا میکروکنترلر؟

برای درک این که کدامیک از این دو برد مهم الکتریکی را می‌توانید انتخاب نمایید باید به تفاوت‌های آن‌ها توجه کنید سپس با مقایسه‌ی این موارد به بهترین انتخاب دست خواهید یافت:

در جدول زیر نیز موقعیت‌های شغلی به همراه میانگین درآمد ماهیانه برای افرادی که در کار کردن با این بردهای الکتریکی مهارت دارند آورده شده است:

آینده بردهای الکتریکی و فناوری‌های نوین

با گسترش صنایع، کارخانه‌جات و استفاده از بردهای الکتریکی برای آسان‌تر شدن زندگی روزمره‌ی انسان‌ها، میزان اهمیت آن‌ها در سال‌های آینده افزایش خواهد یافت. تولیدکنندگان نیز برای حفظ رقابت و عقب نیفتادن از چرخه‌ی تولید باید در این زمینه پیشرو باشند و با جدیدترین بردهای الکتریکی سیستم‌های تولیدی خود را به روز نمایند. با بالا رفتن بهره‌مندی از این بردها، تقاضا برای استخدام نیروی متخصص که به برنامه‌نویسی و ساخت بردهای الکترونیکی تسلط دارد بالا خواهد رفت. این افزایش تقاضا برای مهندسی مجرب تنها در خارج از کشور نخواهد بود بلکه در ایران نیز برای پیشرفت صنایع لوازم خانگی، تولید قطعات صنعتی الکتریکی، صنعت خودرو، هوافضا و نظامی به افراد ماهر در این زمینه نیاز خواهیم داشت.

چنانچه به این حیطه علاقه‌مند هستید و تا اینجای مقاله همراه ما بودید پیشنهاد می‌کنیم در دوره‌های آموزشی حرفه‌ای گروه آموزشی پارس پژوهان شرکت کنید تا به یک فرد متخصص در بردهای الکترونیکی تبدیل شوید:

• دوره آموزش اف پی جی ای (FPGA)
• دوره آموزش میکروکنترلرهای ARM
• دوره آموزش میکروکنترلر ای وی آر (AVR)
• آموزش رزبری پای (Raspberry Pi)
• دوره آردوینو (Arduino) مقدماتی

جمع‌بندی

بردهای الکتریکی که قسمت مهمی در دستگاه‌های برقی را شامل می‌شوند در بسیاری از مشاغل و حتی در زندگی روزانه‌ی انسان‌ها نقش اساسی ایفا می‌کنند. برخی از آن‌ها با داشتن مزیت‌هایی نسبت به بقیه‌ی بردهای الکتریکی طرفداران ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. با یادگیری نحوه کارکرد و برنامه‌نویسی صحیح این بردها در دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان، می‌توانید مسیر آینده‌ی شغلی خود را تضمین نمایید و وارد بازار کار شوید.

نویسنده: رضا صفایی، کارشناس مدیریت صنعتی.