Una descripción detallada de la tecnología de PCB para teclados

Introducción

Los PCB son componentes integrales de todos los dispositivos de teclado electrónico, desde teclados de computadora hasta instrumentos musicales. Proporcionan la base para montar e interconectar los distintos interruptores, sensores, controladores y otros componentes que conforman el sistema de teclado. La PCB traduce las pulsaciones de teclas del usuario en señales de entrada correspondientes al dispositivo conectado.

Este artículo proporciona una descripción general completa de los diversos aspectos de la tecnología de PCB de teclado. Cubre los diferentes tipos de PCB para teclados, consideraciones críticas de diseño, enfoques de fabricación, opciones de materiales y componentes involucrados en la construcción de PCB para teclados confiables y funcionales, diseñados para aplicaciones específicas. El objetivo es dotar a los ingenieros de diseño de conocimientos profundos para incorporar eficazmente la tecnología de PCB de teclado en productos electrónicos.

¿Qué es una PCB de teclado?

Una PCB de teclado se refiere al conjunto de placa de circuito impreso que sirve como base de un dispositivo de teclado electrónico. La PCB alberga e interconecta todos los interruptores, sensores, microcontroladores, conectores y otros componentes activos/pasivos que conforman el sistema de teclado.

Cuando un usuario presiona una tecla en el teclado, activa el interruptor correspondiente montado en la PCB a continuación. Este cierre del interruptor es detectado por la electrónica de control del teclado y convertido en señales de entrada apropiadas que se comunican al sistema host conectado con el que está conectado el teclado.

Las PCB para teclado se fabrican en una amplia variedad de tamaños y diseños según el tipo de aplicación de teclado y los factores de forma requeridos. Los PCB para teclados de computadora de tamaño completo tienen capacidad para más de 100 teclas, mientras que los PCB para teclados móviles compactos pueden tener menos de 40 teclas en espacios más pequeños.

Parámetros de la PCB del teclado

Tipos de PCB de teclado

Existen varios tipos de PCB de teclado diseñados para diferentes aplicaciones:

Placa de circuito impreso (PCB) para teclados mecánicos : se utiliza en teclados mecánicos que emplean interruptores físicos individuales para cada tecla en lugar de membranas de goma. Esto permite utilizar tipos de interruptores personalizados para una mejor respuesta táctil.

Placa base para teclado gaming : optimizada para juegos con características como zonas de retroiluminación RGB programables, teclas macro y matrices de interruptores anti-ghosting.

Placa de circuito impreso para teclado de portátil : compacta, delgada y diseñada para integrarse en carcasas ajustadas de portátiles.

Placa de circuito impreso (PCB) de teclado ergonómico : diseños con forma ergonómica que permiten una posición natural de la muñeca y un movimiento de escritura fluido para reducir la fatiga.

Placa de circuito impreso flexible para teclado : fabricada sobre sustratos delgados y flexibles que permiten enrollar o doblar el teclado, lo que las hace ideales para aplicaciones portátiles.

Placa de circuito impreso (PCB) para teclado inalámbrico : incorpora conectividad inalámbrica, como Bluetooth, para conectarse con dispositivos anfitriones sin necesidad de cables físicos.

Placa de circuito impreso con teclado numérico : consta únicamente de la sección del teclado numérico para aplicaciones financieras/TPV que requieren la introducción de datos numéricos.

Placa de circuito impreso (PCB) para teclado multimedia : Dispone de teclas dedicadas para controlar aplicaciones multimedia, como reproducir/pausar, control de volumen, etc.

La elección depende del factor de forma, la funcionalidad, la interfaz y las necesidades del entorno de uso.

Consideraciones de diseño para PCB de teclado

Se deben considerar varios factores clave al diseñar una PCB de teclado óptima:

• Tamaño y diseño – El tamaño del teclado y la distribución de las teclas deben coincidir con los requisitos ergonómicos, de forma y de aplicación.
• Tipo de interruptor – Se debe elegir el tipo de interruptor mecánico correcto que proporcione la respuesta táctil, el perfil de fuerza y ​​el clic audible deseados.
• Cambiar diseño de matriz – Enrutamiento óptimo de la matriz de interruptores que minimiza las imágenes fantasma y reduce la complejidad del cableado.
• Fácil de usar – Selección de cableado (PS/2, USB) o tecnología de interfaz de teclado inalámbrica (Bluetooth, RF).
• Contraluz – Inclusión de RGB por tecla LED retroiluminación para iluminación y estética.
• Controladores a bordo – Capacidades de microcontrolador para gestionar el estado del teclado, retroiluminación, macros, etc.
• Blindaje EMI – Inclusión de envolventes de blindaje puestos a tierra y juntas para reducir las interferencias electromagnéticas.
• Personalización – Soporte para intercambio en caliente de interruptores, teclas alternativas y programabilidad del usuario.

Una consideración cuidadosa de estos parámetros da como resultado una PCB de teclado adaptada de manera óptima para la aplicación prevista y los requisitos de uso.

Interruptores mecánicos utilizados en PCB de teclado

 

Los teclados mecánicos utilizan interruptores físicos individuales debajo de cada tecla, a diferencia de las membranas de cúpula de goma de los teclados más baratos. Estos interruptores vienen en varios tipos y brindan diferentes respuestas táctiles y firmas audibles. Los interruptores mecánicos comunes constan de:

• Spring – Devuelve la llave a la posición de reposo después de ser presionada. La fuerza del resorte determina la resistencia o fuerza de accionamiento de la llave.
• Potencias – Componente móvil adjunto a la tapa de la tecla que se desliza hacia arriba/abajo para establecer y romper el contacto eléctrico.
• Ballesta – Hace contacto móvil con el vástago para completar el circuito de conmutación eléctrica.
• La vivienda – Mantiene unidos los componentes del interruptor y proporciona estabilidad mecánica.
• Contacto – Las almohadillas fijas en la PCB a las que se conectan los contactos móviles cuando se cierra el interruptor.

Variar los componentes internos del interruptor mecánico permite crear diferentes perfiles de fuerza, desde accionamientos ligeros y lineales hasta accionamientos pesados ​​y con clic.

Tipos de interruptores mecánicos para PCB de teclado

Los PCB de teclado pueden acomodar varios tipos de interruptores de llave mecánicos. Las principales categorías son:

Interruptores lineales : recorrido lineal suave sin ningún golpe táctil ni clic en el punto de activación. Las opciones más populares incluyen Cherry MX Red, Black, Silver, Nature White, etc.

Interruptores táctiles : Proporcionan una respuesta táctil, pero no emiten ningún clic ni ruido al accionarlos. Algunos ejemplos son los interruptores Cherry MX Brown, Clear, Grey y Nature White.

Interruptores con clic : Ofrecen tanto una respuesta táctil como un clic audible distintivo al activarse. Algunos ejemplos comunes de interruptores con clic son Cherry MX Blue, Green, Nature White y Kailh Box White.

Interruptores silenciosos : diseñados para generar un ruido mínimo incluso al presionarlos completamente después de su activación. Útiles en entornos de oficina abierta. Los interruptores lineales silenciosos Cherry MX Silent Red/Black son muy populares.

Diferentes usuarios prefieren ciertos tipos de interruptores de teclas según la sensación, el sonido y la experiencia de escritura deseados. Los PCB de teclado se pueden diseñar para funcionar con una amplia variedad de interruptores mecánicos especiales disponibles.

Estilos de montaje de interruptores mecánicos utilizados en PCB de teclado

Los interruptores mecánicos vienen en dos estilos de orientación (3 pines y 5 pines) que dictan cómo interactúan con la PCB:

Interruptores de 3 pines : Cuentan con dos pines para los contactos eléctricos y uno para el montaje. Requieren soporte de placa adicional o placas de circuito impreso más gruesas para mayor estabilidad.

Interruptores de 5 pines : incorporan dos pines guía de plástico adicionales para una mayor alineación y estabilidad al soldarlos directamente a la placa de circuito impreso sin placa de montaje.

Para teclados montados en placa, cualquiera de los dos tipos funciona ya que la placa proporciona soporte mecánico. Los PCB intercambiables en caliente normalmente solo funcionan con interruptores de 3 pines.

Los pines adicionales se pueden recortar si se usa un interruptor de 5 pines en una aplicación de PCB de teclado de 3 pines. La orientación no afecta las características eléctricas o táctiles del interruptor.

Papel de las placas en los PCB de teclado

Las placas son láminas de metal (aluminio, acero) o plástico (policarbonato, acrílico) que se montan encima de la PCB y debajo de los interruptores:

• Tienen recortes por los que sobresale cada interruptor de llave mientras se fija a la placa.
• Las placas proporcionan rigidez estructural y resistencia contra la deformación del interruptor bajo una presión intensa.
• Garantizan la alineación de los interruptores y la coherencia del espaciado en todo el teclado.
• Las placas reducen la flexión del teclado y mejoran la sensación de escritura.

Las placas son obligatorias para la integridad mecánica en los teclados de interruptores montados en placas. Algunos teclados montados en PCB pueden omitir opcionalmente placas para reducir el costo y el grosor.

Construyendo una PCB de teclado personalizada

Los entusiastas de la electrónica pueden diseñar y construir sus propios PCB de teclado personalizados:

Diseño esquemático : crea el esquema del circuito del teclado con componentes como microcontroladores, interruptores, LED, etc.

Diseño de PCB : Diseñar la placa de circuito impreso física con los componentes dispuestos y la matriz de conmutación definida.

Código de firmware : Escriba la lógica del firmware y el código de control de iluminación para el microcontrolador.

Modelado 3D : Diseñe la carcasa y la placa del teclado en un software CAD.

Fabricación de PCB : Obtenga la fabricación de la PCB diseñada y el suministro de componentes.

Ensamblaje : Suelde componentes como interruptores, controlador y conectores en la placa de circuito impreso fabricada.

Actualización del firmware : Programe el firmware de control en el microcontrolador.

Pruebas : validar la funcionalidad del teclado antes de la integración final.

Integración de la carcasa : Ensamble el teclado en la carcasa impresa en 3D o fabricada en fábrica.

Crear un teclado personalizado es muy gratificante, pero requiere importantes habilidades de diseño, codificación y fabricación junto con acceso a las fuentes de componentes y servicios de fabricación necesarios.

Componentes utilizados en PCB de teclado

Los componentes clave que componen un circuito PCB de teclado funcional incluyen:

Fuente de alimentación : Los teclados utilizan alimentación de +5 V o +3.3 V suministrada a través de su interfaz de host (USB/inalámbrica). También pueden incorporar regulación de voltaje integrada.

Microcontrolador : procesa las pulsaciones de teclas, ejecuta efectos de iluminación, gestiona la comunicación por cable/inalámbrica, etc. Algunos ejemplos de microcontroladores son el Atmega32, el RP2040 y el Elite-C.

Interruptores : interruptores de teclas mecánicos discretos o matrices de interruptores de cúpula de goma utilizados para la entrada de datos por parte del usuario.

Diodos de conmutación : se utilizan para evitar problemas de efecto fantasma en la matriz de conmutación eléctrica, lo que permite pulsar más teclas simultáneamente.

Indicadores LED de teclas : incorpore indicadores LED de un solo color o RGB debajo de cada tecla para iluminación y efectos.

Resistencias pull-up : se utilizan para una conmutación fiable y para evitar activaciones falsas.

Protección ESD : protege los componentes electrónicos de control sensibles contra descargas electrostáticas.

Condensadores de filtrado : reducen la interferencia del ruido eléctrico en las líneas de datos del teclado.

Interfaz de comunicación : interfaces cableadas como USB o inalámbricas como Bluetooth para la conectividad con el host.

Comparación de PCB de teclado estándar y mecánico

Existen algunas diferencias notables entre los PCB de teclado básicos basados ​​en membrana y los PCB de teclado mecánico:

• Mecanismo de conmutación – Los teclados de membrana utilizan circuitos impresos en una membrana flexible que se flexiona cuando se presiona. Los teclados mecánicos tienen interruptores individuales para cada tecla.
• Retroalimentación táctil – Los teclados de membrana tienen una respuesta táctil mínima con una sensación suave y blanda. Los interruptores mecánicos brindan información táctil y audible precisa con una presión nítida.
• Personalización del interruptor – Los teclados mecánicos permiten utilizar diferentes tipos de interruptores especializados según las preferencias del usuario. Los teclados de membrana ofrecen opciones mínimas de personalización o cambio.
• Vida útil  – Los interruptores mecánicos individuales están clasificados para más de 50 millones de pulsaciones de teclas. Los teclados de membrana se desgastan después de 5 a 10 millones de pulsaciones, lo que provoca fallos.
• Procesamiento de señales – Los teclados de membrana utilizan una matriz de detección capacitiva pasiva. Los teclados mecánicos emplean conmutación digital activa que requiere diodos.
• Costo – Las PCB de teclado mecánico con interruptores discretos cuestan muchas veces más que los conjuntos de PCB de teclado de membrana.

En general, los teclados mecánicos ofrecen una longevidad, personalización y experiencia de usuario superiores a los diseños basados ​​en membranas.

Tamaños comunes de PCB de teclado

Los PCB de teclado vienen en diferentes tamaños según la cantidad de teclas incluidas. Algunos tamaños comunes son:

• 40% – Formato ultracompacto con teclas alfabéticas y algo de puntuación. Requiere combinaciones de teclas Fn.
• 60% – Incluye teclas alfa, modificadores, flechas pero carece de teclas de función y navegación. Tamaño popular de "póquer".
• 65% – Similar al 60% con teclas de flecha dedicadas agregadas. Utilizado en algunas computadoras portátiles.
• 75% – Contiene teclas alfabéticas, modificadores y teclas de función, pero sin teclado numérico.
• 80%/TLC – Sin teclas sin teclado numérico pero con todas las demás teclas presentes.
• 100% – Tablero de tamaño completo con teclado numérico integrado y todas las teclas. Formato de PC más común.

Se utilizan tamaños de PCB de teclado más pequeños para maximizar la portabilidad, mientras que los más grandes optimizan la productividad. El contexto de la aplicación guía la selección del tamaño.

Diseño de la disposición de la PCB del teclado

El diseño de PCB organiza los componentes y enruta su conectividad para implementar el circuito del teclado en las limitaciones físicas reales:

• POSICIÓN DE COMPONENTES: Microcontrolador, conectores, interruptores agrupados funcionalmente y espaciados adecuadamente.
• ENRUTAMIENTO DE MATRIZ: la matriz de interruptores optimizada que conecta filas/columnas detecta las pulsaciones de teclas de manera confiable.
• CIRCUITO DE CONTROL: enrutamientos de alta velocidad de longitud mínima para la MCU.
• AISLAMIENTO: mantenga las huellas digitales ruidosas alejadas de las sensibles a las analógicas.
• FACTOR DE FORMA: las posiciones de los componentes coinciden con las limitaciones del gabinete externo del teclado.
• MANTENIMIENTO: puntos de prueba proporcionados para validar la funcionalidad.
• FABRICACIÓN – Se consideran procesos de fabricación de casas de tableros de alto rendimiento.

Los diseños de PCB de teclado bien planificados minimizan la complejidad y la diafonía y, al mismo tiempo, son fáciles de fabricar y ensamblar en volumen.

Selección de espesor de cobre de PCB para teclados

El espesor del cobre de la PCB depende de la capacidad de carga de corriente requerida:

• Las pistas de teclado estándar solo transportan niveles de señal de corriente bajos, por lo que 1 oz. el cobre (35 μm) es típico.
• Algunos teclados especiales para juegos con retroiluminación RGB utilizan 2 oz más pesados. Cobre (70 μm) para manejar corrientes LED más altas sin caídas de voltaje.
• El ancho y el espacio libre máximos permitidos para la traza de PCB también influyen en la selección del peso del cobre.

En la mayoría de los casos, 1 oz. El cobre ofrece el equilibrio adecuado entre conductividad y capacidad de fabricación para PCB de teclado, dados sus bajos requisitos de energía.

Cambiar estilos de montaje en PCB de teclado

Los interruptores de teclado mecánicos se montan físicamente en la PCB mediante uniones soldadas o enchufes de intercambio en caliente:

Soldado : Los terminales del interruptor están soldados directamente a las almohadillas de la placa de circuito impreso para conectar eléctricamente y fijar mecánicamente el interruptor. Proporciona una fijación segura y permanente, pero no es extraíble.

Zócalo de conexión en caliente : El conector de pines del zócalo viene presoldado a la placa de circuito impreso y los pines del interruptor se enchufan a este zócalo sin necesidad de soldadura. Permite intercambiar interruptores, pero los zócalos pueden desgastarse con el uso repetido.

Los teclados intercambiables en caliente requieren una placa para reforzar el montaje del interruptor, mientras que los teclados soldados pueden omitir opcionalmente la placa si el grosor es una limitación. La flexibilidad de personalización deseada guía la elección entre construcciones de PCB de teclado soldadas y de intercambio en caliente.

Selección del material de la placa PCB del teclado

Las placas montadas en PCB de teclado generalmente se construyen usando:

Aluminio : el material más común para las placas de teclado. Proporciona rigidez con poco peso. Mecanizado CNC de alta precisión. Se puede anodizar en diferentes colores. Coste mínimo.

Acero inoxidable : ofrece la mayor rigidez mecánica, pero es más pesado. Baja corrosión y cierta personalización estética, como rellenos de pintura.

Placa de latón : Las placas de latón se caracterizan por una pulsación más suave, lo que proporciona un sutil efecto de amortiguación. Producen un sonido más grave que las placas de aluminio y suelen elegirse para la insonorización. Debido a su densidad, las placas de latón pueden añadir peso al teclado.

Fibra de carbono : una opción muy ligera y rígida. De aspecto atractivo gracias a su acabado tejido. Su precio es considerablemente superior al del aluminio.

Acrílico : una opción de plástico de bajo costo. Permite la instalación de guías de luz en los bordes al combinarse con LED de iluminación inferior. Ofrece mayor flexibilidad que las placas metálicas.

Placa FR4: Las placas FR4 se eligen con frecuencia para teclados económicos debido a su bajo costo. Ofrecen un perfil de sonido distintivo con un tono más profundo en comparación con las placas de aluminio. Sin embargo, cabe destacar que las placas FR4 tienden a atenuar el sonido general del teclado, lo que podría reducir su viveza.

Placa acrílica : Las placas acrílicas no suelen recomendarse a menos que tengan el grosor suficiente. Las placas acrílicas delgadas presentan riesgo de agrietarse o romperse. Las placas acrílicas más gruesas pueden producir un perfil de sonido más profundo, similar al de otras placas de plástico.

Policarbonato : otra alternativa plástica con buena durabilidad y transparencia para efectos de iluminación. Proporciona una respuesta táctil moderada.

La rigidez estructural, el peso, la durabilidad, el costo y las preferencias estéticas deseadas guían la selección del material de la placa al diseñar una PCB para teclado.

Proceso de producción de PCB Kayboard

Prueba de PCB de teclado

Paquete de teclado pcb

Conclusión

Los PCB para teclado abarcan una amplia gama de tecnologías diseñadas para el amplio espacio de aplicaciones que abarca dominios de consumo, industriales y de nicho. Este artículo proporciona una descripción general holística de las diversas consideraciones involucradas en la ingeniería de sistemas de PCB de teclado optimizados en función de los requisitos contextuales.

Al comprender las relaciones de interdependencia entre los materiales de la placa de circuito impreso del teclado , la selección de interruptores mecánicos, los factores de diseño y enrutamiento, las capacidades del microcontrolador, las opciones de interfaz y los entornos de uso, los ingenieros de diseño pueden tomar decisiones acertadas para crear implementaciones de teclado personalizables, de alto rendimiento y fiables.