En dybdegående oversigt over tastatur PCB-teknologi

Introduktion

PCB'er er integrerede komponenter i alle elektroniske tastaturenheder, fra computertastaturer til musikinstrumenter. De danner grundlaget for montering og sammenkobling af de forskellige kontakter, sensorer, controllere og andre komponenter, der udgør tastatursystemet. PCB'et oversætter brugerens tastetryk til tilsvarende inputsignaler til den tilsluttede enhed.

Denne artikel giver et omfattende overblik over de forskellige aspekter af tastatur PCB-teknologi. Det dækker de forskellige typer tastatur-printkort, kritiske designovervejelser, fremstillingstilgange, materialevalg og komponenter, der er involveret i at bygge pålidelige og funktionelle tastatur-printkort skræddersyet til specifikke applikationer. Målet er at udstyre designingeniører med dybdegående viden til effektivt at inkorporere tastatur PCB-teknologi i elektroniske produkter.

Hvad er et tastatur PCB?

Et tastatur-PCB refererer til den trykte kredsløbskortsamling, der tjener som grundlaget for en elektronisk tastaturenhed. PCB'et rummer og forbinder alle switche, sensorer, mikrocontrollere, stik og andre aktive/passive komponenter, der udgør tastatursystemet.

Når en bruger trykker på en tast på tastaturet, aktiverer den den tilsvarende kontakt, der er monteret på printkortet nedenfor. Denne kontaktlukning detekteres af tastaturets styreelektronik og omdannes til passende indgangssignaler, som kommunikeres til det tilsluttede værtssystem, som tastaturet forbindes med.

Tastatur-printkort fremstilles i en lang række størrelser og layouter afhængigt af typen af ​​tastaturapplikation og de nødvendige formfaktorer. PCB'er til computertastaturer i fuld størrelse kan rumme over 100 taster, mens kompakte PCB'er til mobiltastaturer kan have mindre end 40 taster i mindre fodspor.

Tastatur PCB parametre

Typer af tastatur PCB'er

Der er flere typer tastatur-printkort, der er skræddersyet til forskellige applikationer:

Mekanisk tastatur-printkort – Bruges i mekaniske tastaturer, der bruger individuelle fysiske kontakter til hver tast i stedet for gummikuppelmembraner. Dette gør det muligt at bruge brugerdefinerede kontakttyper til forbedret taktil feedback.

Gamingtastatur-printkort – Optimeret til gaming med funktioner som programmerbare RGB-baggrundsbelysningszoner, makrotaster og anti-ghosting-switchmatricer.

Printkort til bærbar tastatur – Kompakt, tyndt og designet til at blive integreret i tætte kabinetter til bærbare computere.

Ergonomisk tastatur-PCB – Ergonomisk skulpturerede layouts, der muliggør naturlig håndledspositionering og skrivebevægelser for at reducere træthed.

Fleksibelt tastatur-PCB – Fremstillet på tynde, fleksible underlag, der gør det muligt at rulle/bøje tastaturet, hvilket gør dem ideelle til bærbare applikationer.

Trådløst tastatur-PCB – Integrer trådløs forbindelse som Bluetooth for at oprette forbindelse til værtsenheder uden fysiske kabler.

Numerisk tastatur-printkort – Består kun af den numeriske tastatursektion til finansielle/POS-applikationer, der kræver numerisk dataindtastning.

Multimedietastatur-printkort – Har dedikerede taster til styring af multimedieapplikationer, f.eks. afspil/pause, lydstyrkekontrol osv.

Valget afhænger af formfaktor, funktionalitet, interface og brugsmiljøbehov.

Designovervejelser for tastatur-printkort

Flere nøglefaktorer skal overvejes, når man designer et optimalt tastatur-printkort:

• Størrelse og layout – Tastaturstørrelsen og tastelayoutet skal matche ergonomi, formfaktor og anvendelseskrav.
• Switch Type – Den rigtige mekaniske kontakttype, der giver den ønskede taktile feedback, kraftprofil og hørbart klik, skal vælges.
• Skift Matrix Layout – Optimal switch matrix routing minimerer ghosting og reducerer ledningskompleksiteten.
• grænseflade – Valg af fastkablet (PS/2, USB) eller trådløs (Bluetooth, RF) tastaturgrænsefladeteknologi.
• Baggrundsbelysning – Inkludering af per-key RGB LED baggrundsbelysning til belysning og æstetik.
• Indbyggede controllere – Mikrocontroller-funktioner til styring af tastaturtilstand, baggrundsbelysning, makroer osv.
• EMI-afskærmning – Inkludering af jordede afskærmningskabinetter og pakninger til reduktion af elektromagnetisk interferens.
• Tilpasning – Understøttelse af switch hot-swapping, alternative tastaturknapper og brugerprogrammerbarhed.

Omhyggelig overvejelse af disse parametre resulterer i et tastatur-printkort, der er optimalt skræddersyet til dets tilsigtede anvendelse og brugskrav.

Mekaniske kontakter, der bruges i tastatur-printkort

 

Mekaniske tastaturer bruger individuelle fysiske kontakter under hver tastaturhætte i modsætning til gummikuppelmembraner i billigere tastaturer. Disse kontakter kommer i forskellige typer, der giver forskellige taktile reaktioner og hørbare signaturer. Almindelige mekaniske kontakter består af:

• Forår – Sætter nøglen tilbage til hvileposition efter tryk. Fjederkraften bestemmer nøglens modstand eller aktiveringskraft.
• Stamme – Bevægelig komponent fastgjort til tastaturhætten, der glider op/ned for at skabe og afbryde elektrisk kontakt.
• Bladfjeder – Får bevægelig kontakt med stammen for at fuldføre det elektriske koblingskredsløb.
• Boliger – Holder kontaktkomponenterne sammen og giver mekanisk stabilitet.
• Kontakt os – De faste puder på printkortet, som de bevægelige kontakter forbindes med, når kontakten lukkes.

Variering af de indre komponenter i den mekaniske kontakt gør det muligt at skabe forskellige kraftprofiler fra let og lineær til tung og klikagtig aktivering.

Mekaniske switchtyper til tastatur-printkort

Tastatur-printkort kan rumme forskellige typer mekaniske nøgleafbrydere. Hovedkategorierne er:

Lineære kontakter – Jævn lineær bevægelse uden taktil stød- eller klikfeedback ved aktiveringspunktet. Populære muligheder inkluderer Cherry MX Red, Black, Silver, Nature White osv.

Taktile kontakter – Giver en taktil stødlyd, men intet hørbart klik eller støj ved aktiveringspunktet. Eksempler på kontakter er Cherry MX brun, klar, grå og naturhvid.

Klikknapper – Udviser både en taktil stødlyd og et tydeligt hørbart klik ved aktivering. Almindelige klikknapper er Cherry MX Blue, Green, Nature White og Kailh Box White.

Lydløse kontakter – Designet til at generere minimal støj, selv ved fuldt tryk efter aktivering. Nyttig i åbne kontormiljøer. Cherry MX Silent Red/Black er populære lydløse lineære kontakter.

Forskellige brugere foretrækker bestemte nøgleafbrydertyper baseret på den ønskede følelse, lyd og skriveoplevelse. Tastaturprintkort kan designes til at fungere med en lang række tilgængelige mekaniske specialkontakter.

Mekanisk switch-monteringsstile, der bruges i tastatur-printkort

Mekaniske kontakter kommer i to orienteringsstile - 3-benet og 5-benet - der dikterer, hvordan de interagerer med printkortet:

3-bens kontakter – Har to ben til de elektriske kontakter og en til montering. Kræver ekstra pladestøtte eller tykkere printkort for stabilitet.

5-bens afbrydere – Har to ekstra plastikstyrestifter for justering og stabilitet, når de loddes direkte til printkortet uden en plade.

For plademonterede tastaturer fungerer begge typer, da pladen giver mekanisk støtte. Hot-swappable PCB'er fungerer typisk kun med 3-benede kontakter.

De ekstra stifter kan klippes af, hvis der bruges en 5-benet switch i en 3-pin tastatur PCB-applikation. Orienteringen påvirker ikke kontaktens elektriske eller taktile egenskaber.

Pladernes rolle i tastatur-printkort

Plader er metal (aluminium, stål) eller plastik (polycarbonat, akryl) plader, der monteres over printkortet og under kontakterne:

• De har udskæringer, som hver nøglekontakt stikker ud gennem, mens de er fastgjort til pladen.
• Plader giver strukturel stivhed og modstand mod kontaktdeformation under intens presning.
• De sikrer kontaktjustering og afstandskonsistens på tværs af tastaturet.
• Plader reducerer tastaturets flex og forbedrer skrivefornemmelsen.

Plader er obligatoriske for mekanisk integritet i plademonterede switch-tastaturer. Nogle PCB-monterede tastaturer kan eventuelt udelade plader for at reducere omkostninger og tykkelse.

Opbygning af et brugerdefineret tastatur-printkort

Elektronikentusiaster kan designe og konstruere deres egne brugerdefinerede tastatur-printkort:

Skematisk design – Lav et skema til tastaturkredsløbet med komponenter som mikrocontroller, kontakter, LED'er osv.

PCB-layout – Design det fysiske printkort med de udlagte komponenter og en defineret switchmatrix.

Firmwarekode – Skriv firmwarelogik og lysstyringskode til mikrocontrolleren.

3D-modellering – Modellér tastaturkabinettet og pladen i CAD-software.

PCB-fremstilling – Få det designede printkort fremstillet og komponenterne fremskaffet.

Samling – Lod komponenter som afbrydere, controller og stik på det fremstillede printkort.

Flashing af firmware – Programmer kontrolfirmwaren på mikrocontrolleren.

Test – Valider tastaturets funktionalitet før endelig integration.

Kabinetintegration – Saml tastaturet i det 3D-printede eller fabriksfremstillede kabinet.

At bygge et brugerdefineret tastatur er meget givende, men det kræver betydelige design-, kodnings- og fremstillingsfærdigheder sammen med adgang til de nødvendige komponentkilder og produktionstjenester.

Komponenter, der bruges i tastatur-printkort

Nøglekomponenterne, der udgør et funktionelt tastatur PCB-kredsløb inkluderer:

Strømforsyning – Tastaturer bruger +5V eller +3.3V strøm, der leveres via deres værtsgrænseflade (USB/trådløs). Indbygget spændingsregulering kan også være indbygget.

Mikrocontroller – Denne behandler tastetryk, kører lyseffekter, håndterer kablet/trådløs kommunikation osv. Eksempler på MCU'er er Atmega32, RP2040, Elite-C.

Kontakter – Diskrete mekaniske nøglekontakter eller gummikuppelkontaktmatricer, der bruges til brugerinput.

Switchdioder – Bruges til at forhindre problemer med ghosting af elektriske switchmatrixer, hvilket muliggør flere samtidige tastetryk.

Tast-LED'er – Indbyggede ensfarvede eller RGB-LED'er under hver tast for belysning og effekter.

Pull-up-modstande – Bruges til pålidelig omskiftning og til at forhindre falske aktiveringer.

ESD-beskyttelse – Beskytter følsom styreelektronik mod elektrostatiske udladninger.

Filterkondensatorer – Reducerer elektrisk støjinterferens på tastaturdatalinjer.

Kommunikationsgrænseflade – Kablede grænseflader som USB eller trådløse som Bluetooth til værtsforbindelse.

Sammenligning af standard- og mekaniske tastatur-printkort

Der er nogle bemærkelsesværdige forskelle mellem grundlæggende membranbaserede tastatur-PCB'er versus mekaniske tastatur-PCB'er:

• Skiftemekanisme – Membrantastaturer bruger trykte kredsløb på en fleksibel membran, der bøjes, når de trykkes ned. Mekaniske tastaturer har individuelle separate kontakter for hver tast.
• Taktil feedback – Membrantastaturer har minimal taktil feedback med en blød grødet følelse. Mekaniske kontakter giver præcis taktil og hørbar feedback med et skarpt tryk.
• Skifttilpasning – Mekaniske tastaturer tillader brug af forskellige specialiserede switchtyper efter brugerpræference. Membrantastaturer tilbyder minimal tilpasning eller switchvalg.
• Levetid – Individuelle mekaniske kontakter er klassificeret til 50+ millioner tastetryk. Membrantastaturer slides efter 5-10 millioner tryk, hvilket fører til fejl.
• Signal Processing – Membrantastaturer bruger en passiv kapacitiv sensormatrix. Mekaniske tastaturer anvender aktiv digital switching, der kræver dioder.
• Pris – Mekaniske tastatur-printkort med diskrete kontakter koster mange gange mere end membrantastatur-printkort.

Overordnede mekaniske tastaturer tilbyder overlegen levetid, tilpasning og brugeroplevelse i forhold til membranbaserede designs.

Almindelige tastatur PCB-størrelser

Tastaturprintkort kommer i forskellige størrelser afhængigt af antallet af medfølgende taster. Nogle almindelige størrelser er:

• 40% – Ultrakompakt format med alfataster og lidt tegnsætning. Kræver Fn-tastkombinationer.
• 60% – Indeholder alfa-taster, modifikatorer, pile, men mangler funktions- og nav-taster. Populær "poker" størrelse.
• 65% – Svarende til 60 % med tilføjede dedikerede piletaster. Brugt i nogle bærbare computere.
• 75% – Indeholder alfataster, modifikatorer og funktionstaster, men ingen numerisk tastatur.
• 80 %/TKL – Tenkeyless uden numerisk tastatur, men alle andre taster til stede.
• 100% – Board i fuld størrelse med integreret numerisk tastatur og alle taster. Mest almindelige pc-format.

Mindre tastatur-PCB-størrelser bruges til at maksimere portabiliteten, mens større optimerer produktiviteten. Applikationskonteksten styrer valg af størrelse.

Design af tastaturets printlayout

PCB-layoutet arrangerer komponenterne og ruter deres tilslutningsmuligheder for at implementere tastaturkredsløbet i de reelle fysiske begrænsninger:

• POSITIONSKOMPONENTER – Mikrocontroller, stik, kontakter grupperet funktionelt og passende fordelt.
• MATRIX ROUTING – Optimeret switch-matrix-forbindelsesrækker/-kolonner registrerer tastetryk pålideligt.
• STYREKREDSE – Minimal længde højhastighedsruter til MCU.
• ISOLERING – Hold støjende digitale spor væk fra analoge følsomme.
• FORM FACTOR – Komponentpositioner matcher tastaturets eksterne begrænsninger.
• SERVICEABILITET – Testpunkter tilvejebragt for at validere funktionalitet.
• FABRIKATION – Højtydende bordhusfremstillingsprocesser overvejes.

Velplanlagte tastatur-printkortlayouts minimerer kompleksitet og krydstale, samtidig med at de er nemme at fremstille og samle i volumen.

Valg af PCB kobbertykkelse til tastaturer

PCB-kobbertykkelsen afhænger af den nødvendige strømbærende kapacitet:

• Standard tastaturspor bærer kun lave strømsignalniveauer, så 1 oz. kobber (35 μm) er typisk.
• Nogle specielle RGB-baggrundsbelyste gaming-tastaturer bruger tungere 2 oz. kobber (70 μm) til at håndtere højere LED-strømme uden spændingsfald.
• Maksimal tilladt PCB-sporbredde og frigang tager også hensyn til valg af kobbervægt.

I de fleste tilfælde, 1 oz. kobber giver den rette balance mellem ledningsevne versus fremstillingsevne for tastatur-printkort i betragtning af deres lave strømbehov.

Skift monteringsstile i tastatur-printkort

Mekaniske tastaturkontakter er fysisk monteret på printkortet ved hjælp af enten loddeforbindelser eller hot-swap-stik:

Loddet – Kontaktterminalerne er loddet direkte på printpladerne for både elektrisk at forbinde og mekanisk forankre kontakten. Giver pålidelig holdbarhed, men er ikke aftagelig.

Hot-Swap-fatning – En fatningsstiftliste er forloddet til printkortet, og kontaktstifterne sættes i denne fatning uden behov for lodning. Tillader udskiftning af kontakter, men fatninger kan slides op ved gentagne indsættelsescyklusser.

Hot-swap-tastaturer kræver en plade for at forstærke kontaktmonteringen, mens loddede tastaturer eventuelt kan udelade pladen, hvis tykkelsen er en begrænsning. Den ønskede tilpasningsfleksibilitet styrer valget mellem loddet og hot-swap tastatur PCB-konstruktioner.

Tastatur PCB Plade Materialevalg

Pladerne monteret på tastatur-printkort er typisk konstrueret ved hjælp af:

Aluminium – Det mest almindelige tastaturplademateriale. Giver stivhed ved lav vægt. CNC-bearbejdet med høj nøjagtighed. Kan anodiseres i forskellige farver. Minimal pris.

Rustfrit stål – Giver størst mekanisk stivhed, men er tungere. Lav korrosion og nogle æstetiske tilpasningsmuligheder som f.eks. malingfyldninger.

Messingplade – Messingplader er kendt for deres blødere bund-ud-fornemmelse, hvilket giver en subtil dæmpningseffekt. De producerer en lavere lyd sammenlignet med aluminiumsplader og vælges ofte til lyddæmpning. Messingplader kan øge vægten på keyboardet på grund af deres tæthed.

Kulfiber – Meget let og stiv løsning. Visuelt attraktiv med vævet finish. Koster betydeligt mere end aluminium.

Akryl – Billig plastikløsning. Muliggør kantlysledere i kombination med underglans-LED'er. Højere fleksibilitet end metalplader.

FR4-plade – FR4-plader vælges ofte til budgettastaturer på grund af deres overkommelige pris. De tilbyder en distinkt lydprofil med en dybere tone sammenlignet med aluminiumsplader. Det er dog værd at bemærke, at FR4-plader har en tendens til at dæmpe den samlede lyd af et keyboard, hvilket potentielt reducerer dets livlighed.

Akrylplade – Akrylplader anbefales normalt ikke, medmindre de er tilstrækkeligt tykke. Tynde akrylplader indebærer risiko for revner eller splintring. Tykkere akrylplader kan producere en dybere lydprofil svarende til andre plastikplader.

Polycarbonat – Endnu et plastalternativ med god holdbarhed og gennemsigtighed til lyseffekter. Giver moderat taktil feedback.

Den ønskede strukturelle stivhed, vægt, holdbarhed, omkostninger og kosmetiske præferencer styrer valget af plademateriale, når der designes et tastatur PCB.

Kayboard PCB produktionsproces

Test af tastatur pcb

Pakke med tastatur pcb

Konklusion

Tastatur-PCB'er omfatter en bred vifte af teknologier, der er skræddersyet til det ekspansive applikationsområde, der spænder over forbruger-, industri- og nichedomæner. Denne artikel giver et holistisk overblik over de forskellige overvejelser, der er involveret i konstruktionsoptimerede tastatur PCB-systemer baseret på kontekstuelle krav.

Ved at forstå de indbyrdes afhængige forhold mellem tastatur- PCB-materialer , valg af mekaniske kontakter, layout- og routingfaktorer, mikrocontroller-funktioner, interfacemuligheder og brugsmiljøer kan designingeniører træffe fornuftige valg for at skabe brugerdefinerede, højtydende og pålidelige tastaturimplementeringer.