電子機器の内部を見て、これらの緑色のボードが何をしているのか疑問に思ったことはありますか?これらは PCB (プリント回路基板) であり、ほぼすべてのガジェットの背後にある頭脳です。しかし、初心者にとってそれらを読むのは必ずしも簡単ではありません。
この投稿では、PCB とは何か、また PCB の読み方を学ぶことがエンジニア、学生、技術愛好家にとって重要なスキルである理由について説明します。 PCB の部品、回路をトレースする方法、シンボル、レイヤー、コンポーネントをデコードする方法を学びます。
PCB の構造を理解する
回路基板を手に取ると、小さな線や部品が描かれた緑色のシートのように見えるかもしれません。しかし実際には、その表面の下では階層化されたシステム全体が連携して動作しています。 PCB を実際に読んで理解するには、各層が何をしているのか、すべてがどのように接続されているのかを知る必要があります。
PCB の層とは何ですか?
すべての PCB は、基板と呼ばれるベース層から始まります。これがボードに強度と形状を与えるのです。ほとんどの場合、FR-4 という丈夫なグラスファイバー素材で作られています。特殊な場合、特に熱が懸念される場合、エンジニアはポリイミド、さらにはセラミックを使用します。これらの材料はより高い温度に対応し、厳しい条件下でのパフォーマンスを向上させます。
ベースのすぐ上に銅の層があります。これらは、基板のある部分から別の部分に電気信号を運ぶ細い経路です。単純な単層 PCB では、銅板は 1 枚だけです。しかし、より複雑な設計では、両面または複数の内部層に銅が使用されます。これらの追加の層により、ボードは狭いスペースでより多くの信号と電力線を処理できるようになります。
銅の上には、はんだマスク層があります。通常、これがボードの色を決定します。多くの場合、緑ですが、赤、青、黒も一般的です。はんだマスクは、トレースと他の金属との偶発的な接触を防ぎます。また、溶けたはんだを所定の位置に保つことで、はんだ付けプロセスにも役立ちます。
次にシルクスクリーン層です。これは、ボードに印刷された白い文字と記号です。抵抗器の番号、コンデンサの値、集積回路の向きなどにラベルを付けます。シルクスクリーンのマーキングは、何がどこに配置され、どのように接続されているかを理解するのに役立ちます。
一部のボード、特に高性能エレクトロニクスで使用されるボードには、追加の内部層があります。これらには、安定した電圧を供給する専用の電源プレーンと、電力供給をスムーズにする埋め込み容量層が含まれます。これらの隠れ層により、PCB の効率と信頼性が向上します。
PCB トレースとビアとは何ですか?
レイヤーについて理解したので、次はコンポーネント間のパスをたどります。これらのパスはトレースと呼ばれます。それらは小さな銅線のように見え、まるで都市をつなぐ道路のようです。トレースは電気信号を伝え、さまざまな種類があります。信号トレースはコンポーネント間でデータを送信します。電源配線は電圧を供給し、接地配線は信号に安全なリターン パスを提供します。
しかし、信号がレイヤー間をジャンプする必要がある場合はどうなるのでしょうか?ここでビアが登場します。ビアは、基板にドリルで開けられた小さな穴で、導電性材料で充填または裏打ちされます。信号用のエレベーターのような役割を果たします。スルーホールビアは最上層から最下層まで進みます。ブラインド ビアは、表面から 1 つの内部層までのみ接続されます。埋め込みビアは内部深くに隠されており、外部に到達することなく内部層を接続します。
PCB を効果的に読み取るには、これらのトレースを目またはマルチメーターで追跡する必要があります。電源から始めて、どこへ行くのか見てみましょう。分岐しているトレースを探し、ビアを通過するトレースがあるかどうかを確認します。多層基板では、表面にすべての接続が表示されるわけではありませんが、位置を介して内部で何が起こっているかを知る手がかりが得られます。
すべての層、配線、ビアがどのように連携して機能するかを学ぶと、PCB が実際にどのように機能するかを理解しやすくなります。
PCB 回路図の読み方
PCB を見て迷っているのは、あなただけではありません。模式図が存在するのはそのためです。これらは回路の青写真、つまりすべてのワイヤ、コンポーネント、接続がシンボリック マップ内に配置されたものであると考えてください。回路図はボードが物理的にどのように見えるかを示すものではありませんが、すべてが舞台裏でどのように機能するかを説明します。
PCB設計における回路図とは何ですか?
回路図は回路を簡略化した図です。現実世界の図形の代わりに標準のシンボルを使用します。コンポーネントの正確なサイズ、位置、形状は示されていませんが、電気がシステムをどのように流れるかを示しています。ロードマップのように接続をたどることができます。
各回路図は一連の普遍的なルールに基づいて構築されています。これらのルールは、IEC、IEEE、ANSI などの組織から提供されています。これらは、世界中のエンジニアが混乱することなく同じ図を読めるように、各記号の意味を定義します。ドイツでも日本でも、抵抗器の記号は同じ基本規格に従っています。
回路図は物理 PCB に密接に接続されています。基板が作成される前に、エンジニアは回路図を使用して、すべてがどのように機能するかを計画します。その後、このデザインは実際のレイアウトとなり、シンボルが実際の部品と銅線に変わります。
回路図シンボルの解釈方法
回路図を用意したら、線を描き始めます。直線はワイヤまたはトレースを表します。 2 本の線が交わって点がある場合、それは接合点であり、これらの線は接続されています。ドットがない場合は、ワイヤーが接触せずに単に交差していることを意味します。回路をトレースする場合、これらの詳細は非常に重要です。
各コンポーネントには独自のシンボルがあります。抵抗器は多くの場合、ジグザグまたは長方形です。コンデンサは 2 つの直線ですが、分極されている場合は 1 つが曲線になる場合もあります。ダイオードは、線を指す三角形です。トランジスタはより複雑に見えます。電流の流れの方向を示す矢印の付いた円が使用されています。集積回路は、複数のピンを備えた単なる長方形です。
電源とアースのシンボルもいたるところに表示されます。 GNDはグランドを表します。通常、下向きの三角形または積み上げ線のように見えます。 VCC、VDD、または +V は、正の電力が入力される場所を示します。これらの記号に従うと、回路に電力が供給される方法と、信号がどこで開始または停止するかを理解するのに役立ちます。
回路図シンボルと PCB フットプリントの比較
ここからが少し難しいことになります。回路図に表示されるシンボルは、実際の基板上のコンポーネントの外観とは異なります。 PCB 設計者がフットプリントと呼ばれるものを使用するのはそのためです。
回路図シンボルは、コンポーネントが電気的にどのように動作するかを示します。フットプリントは、ボード上に物理的にどのように収まるかを示します。抵抗器を例に挙げてみましょう。回路図で言うとジグザグになっています。 PCB 上では、間に小さな長方形を挟んだ 2 つのパッドです。ダイオードの場合、回路図では三角形と線が使用されていますが、フットプリントは極性を示す線が付いた 2 つの小さなパッドです。最も異なるのはICです。回路図では単純な長方形に見えるかもしれませんが、ボード上では、パッケージのタイプに一致するように配置された多数のピンが表示されます。
回路図と実際の PCB の間を行き来できることは、電子機器を構築、修理、設計するときに最も役立つスキルの 1 つです。
シルクスクリーンの注釈とマーキング
PCB をひっくり返したり、その表面をよく見ると、そのすぐ上に白い文字、記号、輪郭が印刷されていることに気づくでしょう。その層はシルクスクリーンと呼ばれます。これは見た目のためだけではなく、ボードの組み立て、テスト、修理を支援するためにあります。そのレイヤーに印刷されるものはすべて、コンポーネントを識別して配置する際の作業を容易にすることを目的としています。
シルクスクリーンは、各パーツが何であるか、どこに配置されるか、そしてどのように向くべきかを示します。コンポーネントの形状と一致する小さな長方形や円がよく見られます。これらは、抵抗、コンデンサ、チップなどの部品を配置する場所を示すアウトラインです。これらのアウトラインの横に、文字と数字で作られたラベルが表示されます。
これらのラベルは参照指定子と呼ばれます。それぞれは、コンポーネントのタイプを示す文字で始まります。たとえば、R は抵抗、C はコンデンサ、D はダイオード、Q はトランジスタ、U は集積回路を表します。 R1 や C5 のように、番号は順序を示します。これらにより、ボード上に表示されている内容と回路図を簡単に一致させることができます。
方向性も重要です。ダイオード、有極コンデンサ、チップなどの一部の部品は、特定の方向を向く必要があります。そのため、シルクスクリーンのマーキングには極性インジケーターが含まれることがよくあります。ストライプ、プラス記号、またはドットは、どのピンがプラスであるか、またはピン 1 がどこにあるべきかを示すことができます。 IC には、ピン 1 をマークするために、角の近くに小さな円またはノッチが印刷されていることがよくあります。ダイオードの横には、電流の流れの方向と一致する矢印またはバーが印刷されている場合があります。
GND、+、-、VCC、VDD などのラベルも表示されます。これらにより、電源とアースの接続場所がわかります。 GNDはグランドを表します。通常、VCC または VDD は正の電源を示します。これらのマーキングは、テスト中または外部デバイスを接続するときに役立ちます。ボード上に明確にラベルが付けられていると、適切な場所を見つけるのがはるかに簡単になります。
シルクスクリーンのマーキングには電流は流れませんが、多くの情報が含まれています。これらはサーキットの道路標識のようなもので、各エリアが何のためにあるのか、各部分が何をしているのかを示します。
目視検査技術
PCB を読んで理解する最も簡単な方法の 1 つは、PCB を注意深く見ることです。目視検査には豪華な機器は必要ありませんが、基板がどのようにレイアウトされているか、何かが間違っているように見えるかどうかなど、多くのことが明らかになります。これは技術者がマルチメータやオシロスコープなどのツールを使用する前に最初に行うことです。
PCB を目視で検査する方法
まずは照明を正しく設定することから始めましょう。十分な光があれば、ボード表面の細部がよく見えます。角度を付けた照明は影を落とし、盛り上がった部分や位置がずれている部分を強調表示することができます。 UV ライトは、コーティングをチェックしたり、通常の照明の下では見逃してしまう可能性のある汚染物質を発見したりする場合に特に効果を発揮します。透明または半透明のボードがある場合は、バックライトを試してみることができます。これにより、隠れたトレースやビアが見やすくなります。偏光はもう 1 つのトリックです。光沢のある金属パッドやはんだ接合部からのまぶしさを軽減し、目の焦点を小さな傷に集中できるようにします。
シンプルなツールを使用して作業を容易にします。ほとんどのスルーホール ボードには、基本的な拡大鏡で十分です。小さな表面実装コンポーネントを備えた基板を作業している場合は、宝石用ルーペやデジタル顕微鏡など、より強力なものが必要になります。これらにより、ヘアライン亀裂、損傷したパッド、または微細なはんだブリッジなどを見つけることができます。
損傷や欠陥を目視で見つける方法
ボードが機能しない場合、問題が明らかになる可能性があります。まず、焼けた部分や黒ずんだ部分を探します。黒くなった跡や変色したパッドは通常、何かが過熱していることを意味します。次に、部品に亀裂がないか確認します。小さなチップや抵抗器は、脱落せずに割れたり破損したりする可能性があるため、表面をよく観察してください。部品に膨らみやへこみ、おかしな跡がある場合は、破損している可能性があります。
また、はんだ接合部も調べてください。パッドが持ち上げられると、ボードから剥がれているように見えます。これにより、電気接続が切断される可能性があります。はんだ接合部が冷えたりひび割れたりすると、遠くから見ると問題がないように見えても、故障する可能性があります。はんだブリッジは、溶けたはんだが接触すべきではない 2 つのパッドまたはピンを誤って接続したときに発生します。これらは多くの場合、チップ上のピンの間にある光沢のある塊です。
目視検査は損傷を見つけるだけではなく、レイアウトを理解することも意味します。電力が流入する場所を追跡し、信号経路を追跡し、IC、センサー、コネクタなどの重要な部品の位置を特定できます。一度慣れてしまえば、目は PCB を読み取るための最良のツールの 1 つになります。
ツールを使用した PCB の読み取りと検証
回路基板の何が問題なのかを理解するには、目だけでは不十分な場合があります。そこでツールが役に立ちます。適切な機器は、接続のチェック、電圧のテスト、ボードを介した信号のトレースなど、さらに深く掘り下げるのに役立ちます。始めたばかりの場合でも、これらのツールの使用方法を学ぶことで、何時間もの推測に頼る時間を節約できます。
マルチメータを使用して PCB を読み取る方法
マルチメーターは、PCB を扱うときに頼りになるツールです。導通モードに設定して、2 点が電気的に接続されているかどうかを確認します。ビープ音が鳴るか、測定値が 0 オームに近い場合は、接続は良好です。そうでない場合は、トレースが壊れているか、はんだ接合が失敗している可能性があります。これは、配線とパスが損傷していないことを確認する迅速な方法です。
抵抗モードに切り替えて、コンポーネントが提供する抵抗の大きさを測定することもできます。たとえば、抵抗器がそのカラー バンドまたはラベル付けされた値と一致するかどうかを確認できます。次に電圧テストです。これは、ボードに電力が供給されている場合に特に便利です。 1 つのプローブを地面に置き、他の場所に触れて、どれだけの電圧が存在するかを確認します。
電力が供給されている回路をテストする場合は、必ず安全手順に従ってください。手が乾いていることを確認してください。絶縁プローブを使用してください。露出した金属部分には絶対に触れないでください。扱っている電圧がわからない場合は、最も高い範囲から始めてください。また、モードを切り替えたり、プローブを移動したりする前には、必ず電源を切ってください。
高度なツール: ロジック アナライザー、オシロスコープ、テスト ヘッド
基本的なチェックを超えて、高度なツールを使用すると、より複雑な詳細を確認できます。ロジック アナライザーは、デジタル信号を扱うときに使用されます。 2 つの信号間のタイミングやマイクロコントローラーがメモリとどのように通信しているかなどのパターンをキャプチャして表示できます。ボードは動作しているが、出力が間違っているか、一貫性がないように見える場合に使用してください。
オシロスコープは、時間の経過とともに変化する電圧信号を観察するのに役立ちます。プローブをテスト ポイントに接続すると、画面上にライブ波形が表示されます。これは、信号がどの程度クリーンかノイズが多いか、信号の変化の速さ、または信号がそもそも機能しているかどうかを示します。オシロスコープは、アナログ回路、クロック、またはスムーズなタイミングを必要とするあらゆるものに最適です。
一部のテストセットアップでは、いわゆるテストヘッドを使用します。これは、基板に押し付けて複数のテスト ポイントに同時に接続する治具です。これらは、製品の出荷前にすべての接続が機能していることを確認するために製造現場でよく使用されます。家庭ではテストヘッドを使用しないかもしれませんが、大量生産や品質管理のためにテストヘッドが存在することを知っておくと良いでしょう。
これらの各ツールは、PCB の読み取りまたはデバッグ時に洞察の新たな層を追加します。基本的な検査から完全な電子診断まで、段階的に行うことができます。
PCB を読み取り、分析するためのソフトウェア
基本的な検査には、手で PCB を読み取るのが効果的です。しかし、物事がより複雑になる場合、特に多層ボードの場合、ソフトウェアが非常に役立ちます。 PCB 設計ツールを使用すると、物理的に基板に触れることなく、すべてのトレース、層、接続を調査できます。これらは、回路がどのように動作するかを研究し、間違いを早期に発見するための強力な方法です。
PCB 設計ソフトウェアはどのように役立ちますか?
設計ソフトウェアはボードの仮想バージョンを表示します。目だけではできない方法で、レイヤーを拡大したり、回転したり、非表示にしたり、接続を追跡したりできます。複数のレイヤーにわたる信号をトレースしたり、コンポーネントが適切に接続されているかどうかを確認したりするのに最適です。トレースがどこにつながっているかを推測する必要はありません。トレースをクリックしてたどるだけです。
ほとんどのツールにはレイヤー コントロールがあるため、一度に最上位レイヤー、最下位レイヤー、または内部レイヤーだけを表示できます。これは、あらゆる方向に送信される信号が詰まったボードに非常に役立ちます。ネットハイライトもあります。 1 つの信号を選択すると、ソフトウェアは信号が触れるすべてのポイントを点灯します。クロスプローブを使用すると、回路図上の何かをクリックすると、レイアウト上で即座にそれを見つけることができます。また、その逆も可能です。これらの機能により、設計のレビューやトラブルシューティングにかかる時間を大幅に節約できます。
一般的な PCB ビューア ツール (一般的なガイダンス)
始めるのに高価なソフトウェアは必要ありません。基本的なタスクには問題なく動作する、無料の Web ベースのビューアがあります。何を探す必要がありますか?少なくとも、ツールはガーバー ファイルの表示をサポートする必要があります。これは、PCB の製造に使用されるフォーマットです。また、ズーム、パン、レイヤー切り替え、ネット トラッキングを備えたツールも探してください。
多くのツールでは、部品表ファイルのインポート、部品番号の表示、さらには 3D プレビューの生成も可能です。リバース エンジニアリングや教育の場合、測定や部品検索ができると便利です。
ソフトウェアで PCB を表示するには、まずガーバー ファイルをインポートします。これらは通常、銅、シルクスクリーン、はんだマスク、ドリルなどの各層に 1 つずつセットで提供されます。それらをロードした後、レイヤー コントロールを使用してデザインを探索します。トレース幅、パッド間隔、ビアがレイヤーを接続する方法などを確認できるようになります。
人気のあるツールには、KiCad、Eagle、EasyEDA、Gerbv などがあります。それぞれに独自のインターフェイスがありますが、中心となるアイデアは同じで、物理的に何も開かずにボードの内部を確認できるようにします。これらのツールに慣れると、PCB を構築する前であっても、PCB をより速く、より正確に読み取ることができるようになります。
PCB の読み取りを練習する方法
PCB の読み方を学ぶことは、新しい言語を学ぶことに似ています。最初は難しく感じるかもしれませんが、小さなステップに分けてやると、ずっと簡単になります。上達するための最良の方法は、実際のボード、特に初心者向けに設計されたボードを手に持って練習することです。
シンプルなアナログ PCB から始める
アナログ PCB は優れた出発点です。これらのボードは、LED の点灯、音の生成、温度の感知などの基本的なタスクを処理します。マイクロコントローラーや複雑なコードが含まれていないため、理解しやすくなっています。コンポーネントが少ないということは、トレースする接続が少ないことを意味するため、信号が抵抗、コンデンサ、ダイオード、トランジスタをどのように流れるかを学ぶことに集中できます。レイアウトを見てください。電力がどこに入るのか、そしてそれがどのようにトレースを移動するのかを追ってみてください。目と、場合によってはマルチメーターを使用してパスを探索します。
回路図とレイアウトが一致するキットを使用する
一部のキットは学習専用に作られています。これらには通常、回路図と基板の印刷レイアウトの両方が付属しています。完璧なコンボですね。回路図を読んで、物事がどのように論理的に接続されているかを確認し、次にレイアウトを反転して、それらが物理的にどこに配置されているかを確認します。シンボルとボード上の実際の部品を一致させる練習をします。 R1 や C2 などの単純な項目を見つけることから始めて、IC やコネクタに進みます。
これらのキットを使用すると、ボードを自分ではんだ付けすることもできます。これにより、コンポーネントが何であるかだけでなく、それらがどこに配置されるのか、そしてその理由もわかります。ボードを構築しながら回路図に命が吹き込まれるのを見ると、理論と実践の間に精神的な強いつながりを構築するのに役立ちます。
すべてのコンポーネントを識別する練習をする
新しいボードでも古いボードでも、ボードを手に取り、一度に 1 つのパーツを作業してください。 R、C、D、Q、U などのシルクスクリーン ラベルを探してください。各コンポーネントに名前を付けてみてください。抵抗がある場合は、その色のバンドを読み取ります。ダイオードがある場合は、極性ストライプを確認してください。 IC を見つけてピン 1 を見つけます。データシートまたはオンライン検索を使用して不明な部品を調べます。
上達したら、自分自身に挑戦してください。見た目だけでボードが何をするのか推測してみてください。電源入力から出力出力までのトレースをたどります。表示されたものに基づいて、回路図の簡単なバージョンをスケッチします。 1 日 5 分から 10 分でも、本物の PCB に対する自信を高めることができます。
結論
PCB の読み方を学ぶことは、エレクトロニクスを理解する上で最も重要なステップの 1 つです。回路がどのように機能するか、問題を解決する方法、さらには独自のプロジェクトを設計する方法を理解するのにも役立ちます。他のスキルと同様、練習すれば簡単になります。シンプルなボードとキットから始めて、徐々にレベルを上げていきます。探索すればするほど、回路基板を読んだり操作したりすることに自信が持てるようになります。さらにサポートが必要な場合は、以下のような当社のサポート製品をご確認ください。 PCB CNC ボール盤, PCB研削ブラッシング機.
よくある質問
1. PCB の読み取りを開始する最も簡単な方法は何ですか?
まずは、抵抗やコンデンサなどの基本的なコンポーネントを特定することから始めます。シンプルなアナログ PCB または回路図が一致するキットを使用します。
2. PCB 上のどこに電力が流れているかを確認するにはどうすればよいですか?
正電源については VCC または VDD ラベル、グランドについては GND ラベルを探してください。次に、銅線またはマルチメーター導通モードを使用して、それらの間のパスをトレースします。
3. 一部のコンポーネントには回路図上ではシンボルが付いているのに、基板上では異なって見えるのはなぜですか?
回路図シンボルはコンポーネントが電気的にどのように動作するかを示し、PCB フットプリントは物理的なサイズと形状を示します。
4. コンポーネントの値が見つからない場合はどうすればよいですか?
シルクスクリーンのラベル、カラーバンド、または印刷された番号を確認してください。オンラインで部品番号を検索してデータシートを入手することもできます。
5. 実際のハードウェアがなくても PCB 読み取りを練習できますか?
はい。無料の PCB ビューアとオープンソース プロジェクトを使用します。ガーバー ファイルをロードして、デジタル的にレイアウトを探索できます。
