Podrobný přehled technologie PCB klávesnice

Úvod

Desky plošných spojů jsou nedílnou součástí všech elektronických klávesových zařízení, od počítačových klávesnic po hudební nástroje. Poskytují základ pro montáž a propojení různých spínačů, senzorů, ovladačů a dalších komponent, které tvoří systém klávesnice. PCB převádí stisknuté klávesy uživatele na odpovídající vstupní signály do připojeného zařízení.

Tento článek poskytuje komplexní přehled různých aspektů technologie PCB klávesnice. Zahrnuje různé typy desek plošných spojů klávesnic, kritické konstrukční úvahy, výrobní přístupy, výběr materiálů a součásti, které se podílejí na vytváření spolehlivých a funkčních desek plošných spojů klávesnic přizpůsobených pro konkrétní aplikace. Cílem je vybavit konstruktéry hlubokými znalostmi, aby mohli efektivně začlenit technologii PCB klávesnice do elektronických produktů.

Co je to PCB klávesnice?

PCB klávesnice označuje sestavu desky s plošnými spoji, která slouží jako základ zařízení elektronické klávesnice. PCB obsahuje a propojuje všechny spínače, senzory, mikrokontroléry, konektory a další aktivní/pasivní komponenty, které tvoří systém klávesnice.

Když uživatel stiskne klávesu na klávesnici, aktivuje odpovídající spínač namontovaný na desce plošných spojů níže. Toto sepnutí spínače je detekováno řídicí elektronikou klávesnice a převedeno na příslušné vstupní signály, které jsou komunikovány do připojeného hostitelského systému, se kterým je klávesnice propojena.

Desky plošných spojů s klávesnicí jsou vyráběny v široké škále velikostí a rozložení v závislosti na typu aplikace klávesnice a požadovaných formách. Plošné spoje plošných spojů počítačových klávesnic plné velikosti obsahují více než 100 kláves, zatímco plošné spoje kompaktních mobilních klávesnic mohou mít méně než 40 kláves při menších rozměrech.

Parametry PCB klávesnice

Typy desek plošných spojů klávesnice

Existuje několik typů desek plošných spojů klávesnic přizpůsobených pro různé aplikace:

Deska plošných spojů mechanické klávesnice – Používá se v mechanických klávesnicích, které používají pro každou klávesu samostatné fyzické spínače namísto gumových membrán. To umožňuje použití vlastních typů spínačů pro vylepšenou hmatovou zpětnou vazbu.

Herní klávesnice s plošnými spoji – Optimalizováno pro hraní her s funkcemi, jako jsou programovatelné zóny RGB podsvícení, makro klávesy a matice spínačů s ochranou proti ghostingu.

Deska plošných spojů klávesnice notebooku – Kompaktní, tenká a navržená pro integraci do těsných pouzder notebooků a laptopů.

Ergonomická deska plošných spojů klávesnice – Ergonomicky tvarované rozvržení umožňuje přirozené polohování zápěstí a pohyb při psaní a snižuje tak únavu.

Flexibilní deska plošných spojů klávesnice – Vyrobeno na tenkých, flexibilních substrátech, které umožňují rolování/ohýbání klávesnice, což je ideální pro přenosné aplikace.

Bezdrátová klávesnice s plošnými spoji – Zahrnuje bezdrátové připojení, jako je Bluetooth, pro připojení k hostitelským zařízením bez fyzických kabelů.

Deska plošných spojů s numerickou klávesnicí – Obsahuje pouze numerickou část klávesnice pro finanční/POS aplikace vyžadující zadávání číselných dat.

Deska multimediální klávesnice – Má vyhrazené klávesy pro ovládání multimediálních aplikací, jako je přehrávání/pauza, ovládání hlasitosti atd.

Volba závisí na tvaru, funkčnosti, rozhraní a potřebách uživatelského prostředí.

Úvahy o návrhu desek plošných spojů s klávesnicí

Při navrhování optimálního PCB klávesnice je třeba vzít v úvahu několik klíčových faktorů:

• Velikost a rozvržení – Velikost klávesnice a rozložení kláves musí odpovídat ergonomickým, tvarovým a aplikačním požadavkům.
• Typ přepínače – Musí být zvolen správný typ mechanického spínače poskytující požadovanou hmatovou zpětnou vazbu, profil síly a slyšitelné cvaknutí.
• Přepnout rozložení matice – Optimální směrování matice přepínačů, které minimalizuje duchy a zároveň snižuje složitost kabeláže.
• Rozhraní – Výběr kabelového připojení (PS/2, USB) nebo bezdrátové (Bluetooth, RF) rozhraní klávesnice.
• podsvícení – Zahrnutí RGB na klíč LED podsvícení pro osvětlení a estetiku.
• Palubní ovladače – Možnosti mikrokontroléru pro správu stavu klávesnice, podsvícení, maker atd.
• Stínění EMI – Zahrnutí uzemněných stínicích krytů a těsnění pro snížení elektromagnetického rušení.
• Přizpůsobení – Podpora pro výměnu přepínačů za chodu, alternativní klávesy a uživatelská programovatelnost.

Pečlivé zvážení těchto parametrů vede k tomu, že PCB klávesnice je optimálně přizpůsobena zamýšlené aplikaci a požadavkům na použití.

Mechanické spínače používané v deskách plošných spojů s klávesnicí

 

Mechanické klávesnice používají individuální fyzické spínače pod každou klávesnicí, na rozdíl od gumových kopulovitých membrán u levnějších klávesnic. Tyto spínače se dodávají v různých typech, které poskytují různé hmatové odezvy a slyšitelné podpisy. Běžné mechanické spínače se skládají z:

• Jaro – Po stisknutí vrátí klíč do klidové polohy. Síla pružiny určuje odpor nebo ovládací sílu klíče.
• Zastavit – Pohyblivá součást připojená ke klíčence, která se posouvá nahoru/dolů a vytváří a přerušuje elektrický kontakt.
• Listové jaro – Vytvoří pohyblivý kontakt s vřetenem pro dokončení elektrického spínacího obvodu.
• Bydlení – Drží součásti spínače pohromadě a poskytuje mechanickou stabilitu.
• Kontakty – Pevné podložky na desce plošných spojů, ke kterým se pohyblivé kontakty připojují, když se spínač sepne.

Změna vnitřních součástí mechanického spínače umožňuje vytvářet různé silové profily od lehkého a lineárního až po těžké a klikavé ovládání.

Typy mechanických spínačů pro desky plošných spojů s klávesnicí

Desky plošných spojů klávesnice mohou obsahovat různé typy mechanických klíčových spínačů. Hlavní kategorie jsou:

Lineární spínače – Plynulý lineární pohyb bez hmatatelného nárazu nebo kliknutí v místě aktivace. Mezi oblíbené možnosti patří Cherry MX Red, Black, Silver, Nature White atd.

Taktilní spínače – Poskytují hmatový úder, ale žádné slyšitelné cvaknutí ani hluk v místě aktivace. Příklady spínačů jsou Cherry MX Brown, Clear, Grey, Nature White.

Klikavé spínače – Při stisknutí vykazují jak hmatový úder, tak i charakteristické slyšitelné kliknutí. Mezi běžné klikavé spínače patří Cherry MX Blue, Green, Nature White a Kailh Box White.

Tiché spínače – Jsou navrženy tak, aby generovaly minimální hluk i při plném stisknutí po aktivaci. Užitečné v otevřených kancelářských prostředích. Cherry MX Silent Red/Black jsou oblíbené tiché lineární spínače.

Různí uživatelé preferují určité typy přepínačů na základě požadovaného pocitu, zvuku a zážitku z psaní. Desky plošných spojů s klávesnicí mohou být navrženy tak, aby fungovaly se širokou škálou dostupných speciálních mechanických spínačů.

Styly montáže mechanických spínačů používané v deskách plošných spojů s klávesnicí

Mechanické spínače se dodávají ve dvou stylech orientace – 3pinový a 5pinový – které určují, jak se propojují s PCB:

3pinové spínače – Mají dva piny pro elektrické kontakty a jeden pro montáž. Pro stabilitu vyžadují dodatečnou podpěru desky nebo silnější desky plošných spojů.

5pinové spínače – Jsou vybaveny dvěma dalšími plastovými vodicími kolíky pro lepší zarovnání a stabilitu při pájení přímo na desku plošných spojů bez destičky.

U deskových klávesnic funguje oba typy, protože deska poskytuje mechanickou podporu. Desky plošných spojů vyměnitelné za provozu obvykle fungují pouze se 3pinovými přepínači.

Další kolíky lze odříznout, pokud je v aplikaci PCB klávesnice se 5 kolíky použit 3pinový přepínač. Orientace neovlivňuje elektrické nebo hmatové vlastnosti spínače.

Role desek v deskách plošných spojů klávesnice

Desky jsou kovové (hliník, ocel) nebo plastové (polykarbonátové, akrylové) desky, které se montují nad desku plošných spojů a pod spínače:

• Mají výřezy, kterými vyčnívá každý klíčový spínač, zatímco je připevněn k desce.
• Desky poskytují strukturální tuhost a odolnost proti deformaci spínače při intenzivním lisování.
• Zajišťují zarovnání přepínačů a konzistenci mezer na klávesnici.
• Desky snižují ohyb klávesnice a zlepšují pocit při psaní.

Desky jsou povinné pro mechanickou integritu v deskových spínačových klávesnicích. Některé klávesnice namontované na PCB mohou volitelně vynechat desky, aby se snížily náklady a tloušťka.

Vytvoření vlastní PCB klávesnice

Nadšenci elektroniky mohou navrhnout a zkonstruovat své vlastní PCB klávesnice:

Schéma zapojení – Vytvořte schéma zapojení klávesnice s komponenty, jako je mikrokontrolér, spínače, LED diody atd.

Rozvržení desky plošných spojů – Navrhněte fyzickou desku plošných spojů s rozložením součástek a definovanou maticí přepínačů.

Firmwarový kód – Napište logiku firmwaru a kód pro řízení osvětlení pro mikrokontrolér.

3D modelování – Vymodelujte kryt klávesnice a desku v CAD softwaru.

Výroba desek plošných spojů – Nechte si vyrobit navrženou desku plošných spojů a zajistit součástky.

Montáž – Pájení součástek, jako jsou spínače, ovladače a konektory, na vyrobenou desku plošných spojů.

Flashování firmwaru – Naprogramujte řídicí firmware do mikrokontroléru.

Testování – Ověření funkčnosti klávesnice před finální integrací.

Integrace do skříně – Sestavte klávesnici do skříně vytištěné na 3D tiskárně nebo do skříně vyrobené ve výrobě.

Vytvoření vlastní klávesnice je velmi obohacující, ale vyžaduje značné dovednosti v oblasti designu, kódování a výroby spolu s přístupem k nezbytným zdrojům komponent a výrobním službám.

Komponenty používané v deskách plošných spojů s klávesnicí

Mezi klíčové komponenty, které tvoří funkční obvod PCB klávesnice, patří:

Napájení – Klávesnice používají napájení +5 V nebo +3.3 V přes hostitelské rozhraní (USB/bezdrátové). Může být také integrována integrovaná regulace napětí.

Mikrokontrolér – Zpracovává stisknutí kláves, spouští světelné efekty, zajišťuje kabelovou/bezdrátovou komunikaci atd. Příklady MCU jsou Atmega32, RP2040, Elite-C.

Spínače – Diskrétní mechanické klíčové spínače nebo matice spínačů s gumovou kopulí používané pro vstup uživatele.

Spínací diody – Používají se k prevenci problémů s ghostingem elektrických spínacích matic, což umožňuje více současných stisknutí kláves.

LED diody kláves – Pro osvětlení a efekty lze pod každou klávesu začlenit jednobarevné nebo RGB LED diody.

Pull-up rezistory – Používají se pro spolehlivé spínání a k zabránění falešným aktivacím.

Ochrana ESD – Chrání citlivou řídicí elektroniku před elektrostatickými výboji.

Filtrační kondenzátory – Snižují elektrické rušení na datových linkách klávesnice.

Komunikační rozhraní – Drátová rozhraní, jako je USB, nebo bezdrátová, jako je Bluetooth, pro připojení k hostiteli.

Porovnání desek plošných spojů se standardními a mechanickými klávesnicemi

Mezi základními plošnými spoji s klávesnicí na bázi membrány a plošnými spoji s mechanickou klávesnicí jsou některé výrazné rozdíly:

• Přepínací mechanismus – Membránové klávesnice využívají tištěné obvody na pružné membráně, která se při stlačení ohne. Mechanické klávesnice mají samostatné samostatné přepínače pro každou klávesu.
• Hmatová zpětná vazba – Membránové klávesnice mají minimální hmatovou zpětnou vazbu s měkkým kašovitým dojmem. Mechanické spínače poskytují přesnou hmatovou a zvukovou zpětnou vazbu s ostrým stisknutím.
• Přizpůsobení přepínače – Mechanické klávesnice umožňují použití různých specializovaných typů přepínačů podle uživatelských preferencí. Membránové klávesnice nabízejí minimální možnosti přizpůsobení nebo přepínačů.
• Životnost – Jednotlivé mechanické spínače jsou dimenzovány na více než 50 milionů úhozů. Membránové klávesnice se opotřebovávají po 5-10 milionech stisknutí, což vede k poruchám.
• Signal Processing – Membránové klávesnice používají pasivní kapacitní snímací matici. Mechanické klávesnice využívají aktivní digitální přepínání vyžadující diody.
• Stát – Desky plošných spojů s mechanickou klávesnicí s diskrétními spínači stojí mnohonásobně více než sestavy plošných spojů s membránovou klávesnicí.

Celkově mechanické klávesnice nabízejí vynikající životnost, přizpůsobení a uživatelský zážitek oproti membránovým designům.

Běžné velikosti PCB klávesnice

Desky s plošnými spoji se dodávají v různých velikostech v závislosti na počtu přiložených kláves. Některé běžné velikosti jsou:

• 40% – Ultra kompaktní formát s alfa klávesami a interpunkcí. Vyžaduje kombinace kláves Fn.
• 60% – Obsahuje alfa klávesy, modifikátory, šipky, ale chybí funkční a navigační klávesy. Oblíbená „pokerová“ velikost.
• 65% – Podobně jako 60 % s přidanými vyhrazenými klávesami se šipkami. Používá se u některých notebooků.
• 75% – Obsahuje alfa klávesy, modifikátory a funkční klávesy, ale žádnou numerickou klávesnici.
• 80 %/TKL – Tenkeyless bez numerické klávesnice, ale se všemi ostatními klávesami.
• 100% – Plnohodnotná deska s integrovanou numerickou klávesnicí a všemi klávesami. Nejběžnější formát PC.

Menší velikosti PCB klávesnice se používají k maximalizaci přenosnosti, zatímco větší velikosti optimalizují produktivitu. Kontext aplikace řídí výběr velikosti.

Návrh rozložení PCB klávesnice

Rozložení desky plošných spojů uspořádává komponenty a směruje jejich konektivitu tak, aby implementoval obvod klávesnice ve skutečných fyzických omezeních:

• KOMPONENTY POLOHY – Mikrokontrolér, konektory, spínače funkčně seskupené a vhodně rozmístěné.
• MATRIX ROUTING – Optimalizovaná matice přepínačů spojující řádky/sloupce spolehlivě detekuje stisknutí kláves.
• ŘÍDICÍ OBVOD – Minimální délka vysokorychlostních vedení pro MCU.
• IZOLACE – Udržujte hlučné digitální stopy daleko od analogově citlivých.
• FORM FAKTOR – Pozice součástí odpovídají omezením vnějšího krytu klávesnice.
• SERVISNOST – Testovací body pro ověření funkčnosti.
• VÝROBA – Uvažuje se o výrobních procesech s vysokými výnosy.

Dobře naplánované rozložení plošných spojů klávesnice minimalizuje složitost a přeslechy a zároveň se snadno vyrábí a skládá.

Výběr tloušťky mědi PCB pro klávesnice

Tloušťka mědi desky plošných spojů závisí na požadované proudové zatížitelnosti:

• Standardní stopy klávesnice přenášejí pouze nízké úrovně proudu, takže 1 oz. typická je měď (35 μm).
• Některé speciální herní klávesnice s RGB podsvícením používají těžší 2 oz. měď (70 μm), aby zvládla vyšší proudy LED bez poklesu napětí.
• Maximální přípustná šířka stopy PCB a vůle také zohledňují výběr hmotnosti mědi.

Ve většině případů 1 oz. měď nabízí správnou rovnováhu mezi vodivostí a vyrobitelností pro desky plošných spojů klávesnic vzhledem k jejich nízkým požadavkům na energii.

Styly montáže přepínačů v deskách plošných spojů klávesnice

Mechanické klávesové spínače jsou fyzicky namontovány na PCB pomocí pájených spojů nebo hot-swap zásuvek:

Pájené – Svorky spínače jsou připájeny přímo k kontaktům na desce plošných spojů, aby se spínač elektricky propojil a mechanicky ukotvil. Zajišťuje spolehlivé a trvalé uchycení, ale nelze jej odejmout.

Zásuvka pro výměnu za provozu – Zásuvka je předpřipájena k desce plošných spojů a piny spínače se do této zásuvky zapojují bez nutnosti pájení. Umožňuje výměnu spínačů, ale zásuvky se mohou při opakovaných cyklech zasouvání opotřebovat.

Klávesnice vyměnitelné za provozu vyžadují desku pro zesílení montáže spínače, zatímco pájené klávesnice mohou volitelně desku vynechat, pokud je omezením tloušťka. Požadovaná flexibilita přizpůsobení vede k výběru mezi pájenými a hot-swap konstrukcemi PCB klávesnice.

Výběr materiálu desky plošných spojů klávesnice

Desky namontované na PCB klávesnice jsou obvykle konstruovány pomocí:

Hliník – Nejběžnější materiál pro desky klávesnice. Poskytuje tuhost při nízké hmotnosti. CNC obrábění s vysokou přesností. Lze eloxovat v různých barvách. Minimální náklady.

Nerezová ocel – Nabízí největší mechanickou tuhost, ale je těžší. Nízká koroze a některé estetické úpravy, jako jsou například výplně barvou.

Mosazná deska – Mosazné desky jsou známé pro svůj měkčí pocit zespodu, který poskytuje jemný tlumící efekt. Ve srovnání s hliníkovými deskami produkují tišší zvuk a často se volí pro účely tlumení zvuku. Mosazné desky mohou kvůli své hustotě zvětšovat hmotnost klávesnice.

Uhlíková vlákna – Velmi lehká a pevná varianta. Vizuálně atraktivní s tkanou povrchovou úpravou. Výrazně dražší než hliník.

Akryl – Levná plastová varianta. Umožňuje použití okrajových světlovodů v kombinaci s podsvícenými LED diodami. Vyšší flexibilita než kovové desky.

Deska FR4 – Desky FR4 se často volí pro levnější klávesnice kvůli jejich cenové dostupnosti. Nabízejí výrazný zvukový profil s hlubším tónem ve srovnání s hliníkovými deskami. Stojí však za zmínku, že desky FR4 mají tendenci tlumit celkový zvuk klávesnice, což může snižovat její živost.

Akrylátová deska – Akrylátové desky se běžně nedoporučují, pokud nemají dostatečnou tloušťku. Tenké akrylátové desky s sebou nesou riziko prasknutí nebo rozbití. Silnější akrylátové desky mohou vytvářet hlubší zvukový profil podobný jiným plastovým deskám.

Polykarbonát – Další plastová alternativa s dobrou odolností a průhledností pro světelné efekty. Poskytuje mírnou hmatovou zpětnou vazbu.

Požadovaná konstrukční tuhost, hmotnost, odolnost, cena a kosmetické preference řídí výběr materiálu desky při navrhování PCB klávesnice.

Proces výroby DPS pro kayboardy

Testování PCB klávesnice

Balení PCB klávesnice

Závěr

Desky plošných spojů s klávesnicí zahrnují rozmanitou škálu technologií přizpůsobených pro rozsáhlý aplikační prostor zahrnující spotřebitelské, průmyslové a specializované domény. Tento článek poskytuje holistický přehled různých aspektů souvisejících s konstrukcí optimalizovaných systémů PCB s klávesnicí na základě kontextových požadavků.

Pochopením vzájemně závislých vztahů mezi materiály desek plošných spojů klávesnice , výběrem mechanických spínačů, faktory rozvržení a směrování, možnostmi mikrokontroléru, možnostmi rozhraní a prostředím použití mohou konstruktéři činit rozumná rozhodnutí pro vytvoření přizpůsobitelných, vysoce výkonných a spolehlivých implementací klávesnic.