Szczegółowy przegląd technologii PCB klawiatur

Wprowadzenie

Płytki PCB są integralnymi komponentami wszystkich elektronicznych urządzeń klawiaturowych, od klawiatur komputerowych po instrumenty muzyczne. Stanowią podstawę do montażu i łączenia różnych przełączników, czujników, kontrolerów i innych komponentów, które tworzą system klawiatury. Płytka PCB tłumaczy naciśnięcia klawiszy użytkownika na odpowiadające im sygnały wejściowe do podłączonego urządzenia.

Niniejszy artykuł zapewnia kompleksowy przegląd różnych aspektów technologii PCB klawiatur. Obejmuje różne typy PCB klawiatur, krytyczne kwestie projektowe, podejścia produkcyjne, wybór materiałów i komponenty zaangażowane w budowę niezawodnych i funkcjonalnych PCB klawiatur dostosowanych do konkretnych zastosowań. Celem jest wyposażenie inżynierów projektantów w dogłębną wiedzę, aby skutecznie włączać technologię PCB klawiatur do produktów elektronicznych.

Czym jest płytka PCB klawiatury?

Płytka PCB klawiatury odnosi się do zespołu płytki drukowanej, która służy jako podstawa elektronicznego urządzenia klawiatury. Płytka PCB mieści i łączy wszystkie przełączniki, czujniki, mikrokontrolery, złącza i inne aktywne/pasywne komponenty, które tworzą system klawiatury.

Gdy użytkownik naciska klawisz na klawiaturze, uruchamia on odpowiedni przełącznik zamontowany na płytce drukowanej poniżej. Zamknięcie przełącznika jest wykrywane przez elektronikę sterującą klawiatury i przekształcane na odpowiednie sygnały wejściowe, które są przekazywane do podłączonego systemu hosta, z którym klawiatura jest połączona.

Płytki PCB klawiatur są produkowane w szerokiej gamie rozmiarów i układów, w zależności od rodzaju aplikacji klawiatury i wymaganych współczynników kształtu. Pełnowymiarowe płytki PCB klawiatur komputerowych mieszczą ponad 100 klawiszy, podczas gdy kompaktowe płytki PCB klawiatur mobilnych mogą mieć mniej niż 40 klawiszy w mniejszych rozmiarach.

Parametry płytki PCB klawiatury

Rodzaje płytek PCB klawiatur

Istnieje kilka typów płytek PCB klawiatur dostosowanych do różnych zastosowań:

Płytka drukowana klawiatury mechanicznej – stosowana w klawiaturach mechanicznych, które wykorzystują indywidualne przełączniki fizyczne dla każdego klawisza zamiast gumowych membran kopułkowych. Pozwala to na zastosowanie niestandardowych typów przełączników, co zapewnia lepsze sprzężenie zwrotne.

Płytka drukowana klawiatury gamingowej – zoptymalizowana pod kątem gier, z takimi funkcjami jak programowalne strefy podświetlenia RGB, klawisze makr i matryce przełączników zapobiegające efektowi ghostingu.

Płytka drukowana klawiatury laptopa – kompaktowa, cienka i zaprojektowana tak, aby można ją było wbudować w ciasne obudowy notebooków i laptopów.

Ergonomiczna klawiatura PCB – ergonomicznie wyprofilowany układ pozwala na naturalne ułożenie nadgarstków i ruchy podczas pisania, zmniejszając zmęczenie.

Elastyczna płytka PCB klawiatury – wykonana na cienkich, elastycznych podłożach, które umożliwiają zwijanie/wyginanie klawiatury, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań przenośnych.

Płytka PCB klawiatury bezprzewodowej – umożliwia łączność bezprzewodową, np. Bluetooth, w celu łączenia się z urządzeniami-hostami bez konieczności używania kabli.

Płytka PCB klawiatury numerycznej – zawiera wyłącznie sekcję klawiatury numerycznej przeznaczoną do zastosowań finansowych/POS wymagających wprowadzania danych numerycznych.

Klawiatura multimedialna PCB – posiada dedykowane klawisze do sterowania aplikacjami multimedialnymi, np. odtwarzanie/pauza, regulacja głośności itp.

Wybór zależy od formatu, funkcjonalności, interfejsu i potrzeb środowiska użytkowania.

Rozważania projektowe dotyczące płytek PCB klawiatur

Przy projektowaniu optymalnej płytki PCB klawiatury należy wziąć pod uwagę kilka kluczowych czynników:

• Rozmiar i układ – Rozmiar klawiatury i układ klawiszy muszą odpowiadać wymaganiom ergonomii, kształtu i zastosowania.
• Typ przełącznika – Należy wybrać odpowiedni typ przełącznika mechanicznego, zapewniający oczekiwane sprzężenie zwrotne, profil siły i słyszalne kliknięcie.
• Układ macierzy przełączników – Optymalne trasowanie macierzy przełączników minimalizuje efekt ghostingu i jednocześnie upraszcza okablowanie.
• Interfejs – Wybór przewodowego (PS/2, USB) lub technologii interfejsu klawiatury bezprzewodowej (Bluetooth, RF).
• Podświetlenie – Włączenie RGB dla każdego klawisza DOPROWADZIŁO podświetlenie w celu oświetlenia i estetyki.
• Kontrolery pokładowe – Możliwości mikrokontrolera umożliwiające zarządzanie stanem klawiatury, podświetleniem, makrami itp.
• Ekranowanie EMI – Zastosowanie uziemionych obudów ekranujących i uszczelek w celu redukcji zakłóceń elektromagnetycznych.
• Personalizacja – Obsługa funkcji hot-swap, wymiennych nasadek klawiszy i programowalność użytkownika.

Staranne rozważenie tych parametrów pozwala na stworzenie płytki drukowanej klawiatury optymalnie dostosowanej do jej przeznaczenia i wymagań użytkowych.

Przełączniki mechaniczne stosowane w płytkach drukowanych klawiatur

 

Klawiatury mechaniczne wykorzystują indywidualne przełączniki fizyczne pod każdym klawiszem, w przeciwieństwie do gumowych membran kopułkowych w tańszych klawiaturach. Te przełączniki występują w różnych typach, zapewniając różne reakcje dotykowe i sygnatury słyszalne. Typowe przełączniki mechaniczne składają się z:

• Wiosna – Po naciśnięciu przywraca klucz do pozycji spoczynkowej. Siła sprężyny określa opór lub siłę aktywacji klucza.
• trzon – Ruchomy element przymocowany do nasadki klawisza, który przesuwa się w górę/w dół, umożliwiając nawiązanie lub zerwanie kontaktu elektrycznego.
• Sprężyna płytkowa – Nawiązuje ruchomy kontakt z trzonem, aby zamknąć obwód przełączania elektrycznego.
• Mieszkalnictwo – Scala elementy przełącznika i zapewnia stabilność mechaniczną.
• Kontakt – Stałe pady na płytce drukowanej, do których podłączane są styki ruchome po zamknięciu przełącznika.

Zmieniając wewnętrzne komponenty przełącznika mechanicznego, można tworzyć różne profile siły nacisku, od lekkiej i liniowej po ciężką i klikającą.

Typy przełączników mechanicznych dla płytek PCB klawiatur

Płytki PCB klawiatury mogą pomieścić różne typy mechanicznych przełączników klawiszowych. Główne kategorie to:

Przełączniki liniowe – płynny ruch liniowy bez wyczuwalnego szarpnięcia ani kliknięcia w punkcie aktywacji. Popularne opcje to Cherry MX Red, Black, Silver, Nature White itp.

Przełączniki dotykowe – zapewniają wyczuwalny impuls, ale nie wydają kliknięcia ani dźwięku w punkcie aktywacji. Przykładowe przełączniki to: Cherry MX Brown, Clear, Grey i Nature White.

Przełączniki klikalne – charakteryzują się zarówno wyczuwalnym stuknięciem, jak i charakterystycznym, słyszalnym kliknięciem podczas aktywacji. Popularne przełączniki klikalne to Cherry MX Blue, Green, Nature White i Kailh Box White.

Ciche przełączniki – zaprojektowane tak, aby generować minimalny hałas nawet po pełnym naciśnięciu po aktywacji. Przydatne w otwartych przestrzeniach biurowych. Cherry MX Silent Red/Black to popularne ciche przełączniki liniowe.

Różni użytkownicy preferują określone typy przełączników klawiszowych w zależności od pożądanego odczucia, dźwięku i wrażeń podczas pisania. Płytki PCB klawiatury mogą być zaprojektowane tak, aby działały z szeroką gamą dostępnych specjalistycznych przełączników mechanicznych.

Style montażu przełączników mechanicznych stosowane w płytkach drukowanych klawiatur

Przełączniki mechaniczne występują w dwóch stylach orientacji – 3-stykowym i 5-stykowym – w zależności od sposobu ich połączenia z płytką drukowaną:

Przełączniki 3-pinowe – posiadają dwa piny do styków elektrycznych i jeden do montażu. Wymagają dodatkowego podparcia płytki lub grubszych płytek PCB dla zapewnienia stabilności.

Przełączniki 5-pinowe – posiadają dwa dodatkowe plastikowe kołki prowadzące, które zapewniają odpowiednie ustawienie i stabilność po przylutowaniu bezpośrednio do płytki PCB, bez płytki.

W przypadku klawiatur montowanych na płycie oba typy działają, ponieważ płyta zapewnia wsparcie mechaniczne. Płytki PCB z możliwością wymiany na gorąco zazwyczaj działają tylko z przełącznikami 3-pinowymi.

Dodatkowe piny można odciąć, jeśli przełącznik 5-pinowy jest używany w aplikacji PCB klawiatury 3-pinowej. Orientacja nie wpływa na elektryczne lub dotykowe właściwości przełącznika.

Rola płytek w płytkach PCB klawiatur

Płytki to arkusze metalowe (aluminium, stal) lub plastikowe (poliwęglan, akryl), które montuje się nad płytką drukowaną i pod przełącznikami:

• Posiadają wycięcia, przez które wystaje każdy przełącznik kluczykowy, będąc jednocześnie przymocowanym do płytki.
• Płyty zapewniają sztywność konstrukcji i odporność na odkształcenia przełącznika pod wpływem intensywnego nacisku.
• Zapewniają one spójność ustawienia i odstępów przełączników na całej klawiaturze.
• Płytki redukują odkształcanie się klawiatury i poprawiają komfort pisania.

Płytki są obowiązkowe dla integralności mechanicznej w klawiaturach przełącznikowych montowanych na płytkach. Niektóre klawiatury montowane na płytkach drukowanych mogą opcjonalnie pominąć płytki, aby zmniejszyć koszty i grubość.

Budowanie niestandardowej płytki PCB klawiatury

Miłośnicy elektroniki mogą zaprojektować i zbudować własne płytki PCB klawiatury:

Projektowanie schematyczne – stwórz schemat układu klawiatury z elementami takimi jak mikrokontroler, przełączniki, diody LED itp.

Projekt płytki PCB – zaprojektuj fizyczną płytkę PCB z rozplanowanymi komponentami i zdefiniowaną macierzą przełączników.

Kod oprogramowania sprzętowego – Napisz logikę oprogramowania sprzętowego i kod sterujący oświetleniem dla mikrokontrolera.

Modelowanie 3D – zaprojektuj obudowę i płytkę klawiatury w oprogramowaniu CAD.

Produkcja płytek PCB – zleć produkcję zaprojektowanej płytki PCB i dostarczenie komponentów.

Montaż – lutowanie elementów takich jak przełączniki, kontrolery, złącza na wykonanej płytce PCB.

Flashowanie oprogramowania sprzętowego – zaprogramuj oprogramowanie sprzętowe mikrokontrolera.

Testowanie – sprawdzenie funkcjonalności klawiatury przed ostateczną integracją.

Integracja obudowy – zmontuj klawiaturę w obudowie wydrukowanej w technologii 3D lub wyprodukowanej fabrycznie.

Zbudowanie własnej klawiatury jest bardzo satysfakcjonującym zajęciem, ale wymaga znacznych umiejętności projektowania, kodowania i wytwarzania, a także dostępu do niezbędnych źródeł komponentów i usług produkcyjnych.

Komponenty używane w płytkach PCB klawiatur

Kluczowe komponenty tworzące funkcjonalny obwód PCB klawiatury obejmują:

Zasilanie – Klawiatury korzystają z zasilania +5 V lub +3.3 V dostarczanego przez interfejs hosta (USB/bezprzewodowy). Wbudowana regulacja napięcia może być również zintegrowana.

Mikrokontroler – przetwarza naciśnięcia klawiszy, uruchamia efekty świetlne, obsługuje komunikację przewodową/bezprzewodową itd. Przykładami mikrokontrolerów są Atmega32, RP2040, Elite-C.

Przełączniki – dyskretne mechaniczne przełączniki kluczykowe lub matryce przełączników z gumową kopułką, służące do wprowadzania danych przez użytkownika.

Diody przełączające – stosowane w celu zapobiegania efektowi ghostingu na matrycy przełączników elektrycznych, co pozwala na jednoczesne naciśnięcie większej liczby klawiszy.

Diody LED klawiszy – pod każdym klawiszem umieść diody LED w jednym kolorze lub RGB, aby uzyskać oświetlenie i efekty.

Rezystory podciągające – stosowane w celu zapewnienia niezawodnego przełączania i zapobiegania fałszywym uruchomieniom.

Ochrona ESD – chroni wrażliwe urządzenia elektroniczne przed wyładowaniami elektrostatycznymi.

Kondensatory filtrujące – zmniejszają zakłócenia elektryczne na liniach danych klawiatury.

Interfejs komunikacyjny – interfejsy przewodowe, takie jak USB, lub bezprzewodowe, takie jak Bluetooth, umożliwiające łączność z hostem.

Porównanie płytek PCB klawiatur standardowych i mechanicznych

Istnieją pewne istotne różnice pomiędzy podstawowymi płytkami PCB klawiatur membranowych a płytkami PCB klawiatur mechanicznych:

• Mechanizm przełączający – Klawiatury membranowe wykorzystują obwody drukowane na elastycznej membranie, które uginają się po naciśnięciu. Klawiatury mechaniczne mają osobne przełączniki dla każdego klawisza.
• Dotykowa informacja zwrotna – Klawiatury membranowe mają minimalne sprzężenie zwrotne dotykowe z miękkim, miękkim odczuciem. Przełączniki mechaniczne zapewniają precyzyjne sprzężenie zwrotne dotykowe i słyszalne z wyraźnym naciśnięciem.
• Zmień personalizację – Klawiatury mechaniczne umożliwiają korzystanie z różnych specjalistycznych typów przełączników zgodnie z preferencjami użytkownika. Klawiatury membranowe oferują minimalne możliwości personalizacji lub wyboru przełączników.
• Żywotność  – Poszczególne przełączniki mechaniczne są oceniane na ponad 50 milionów naciśnięć klawiszy. Klawiatury membranowe zużywają się po 5-10 milionach naciśnięć, co prowadzi do awarii.
• Przetwarzanie sygnału – Klawiatury membranowe wykorzystują pasywną matrycę czujników pojemnościowych. Klawiatury mechaniczne wykorzystują aktywne przełączanie cyfrowe wymagające diod.
• Koszty: – Płytki drukowane klawiatur mechanicznych z dyskretnymi przełącznikami są wielokrotnie droższe od płytek drukowanych klawiatur membranowych.

Ogólnie rzecz biorąc, klawiatury mechaniczne zapewniają dłuższą żywotność, łatwiejsze dostosowywanie i większy komfort użytkowania w porównaniu z klawiaturami membranowymi.

Typowe rozmiary płytek PCB klawiatury

Płytki PCB klawiatury występują w różnych rozmiarach w zależności od liczby dołączonych klawiszy. Niektóre typowe rozmiary to:

• 40% – Ultra kompaktowy format z klawiszami alfanumerycznymi i kilkoma znakami interpunkcyjnymi. Wymaga kombinacji klawiszy Fn.
• 60% – Zawiera klawisze alfanumeryczne, modyfikatory, strzałki, ale brakuje klawiszy funkcyjnych i nawigacyjnych. Popularny rozmiar „poker”.
• 65% – Podobnie jak 60% z dodanymi dedykowanymi klawiszami strzałek. Używany w niektórych laptopach.
• 75% – Zawiera klawisze alfanumeryczne, modyfikatory i klawisze funkcyjne, ale nie zawiera klawiatury numerycznej.
• 80%/TKL – Bez klawiatury numerycznej, ale wszystkie inne klawisze są obecne.
• 100% – Pełnowymiarowa płyta ze zintegrowaną klawiaturą numeryczną i wszystkimi klawiszami. Najpopularniejszy format PC.

Mniejsze rozmiary PCB klawiatury są używane w celu maksymalizacji przenośności, podczas gdy większe optymalizują produktywność. Kontekst aplikacji kieruje wyborem rozmiaru.

Projektowanie układu PCB klawiatury

Układ płytki drukowanej (PCB) rozmieszcza komponenty i kieruje ich połączeniami, aby wdrożyć obwód klawiatury przy rzeczywistych ograniczeniach fizycznych:

• ELEMENTY POZYCJI – Mikrokontroler, złącza, przełączniki pogrupowane funkcjonalnie i odpowiednio rozmieszczone.
• ROUTING MATRYCOWY – Zoptymalizowana macierz przełączników łącząca rzędy/kolumny niezawodnie wykrywa naciśnięcia klawiszy.
• OBWODY STERUJĄCE – Minimalnej długości trasy o dużej prędkości dla mikrokontrolera.
• IZOLACJA – Utrzymuj zaszumione ścieżki cyfrowe z dala od wrażliwych ścieżek analogowych.
• WSPÓŁCZYNNIK KSZTAŁTU – Rozmieszczenie komponentów jest dostosowane do ograniczeń zewnętrznej obudowy klawiatury.
• SERWISOWALNOŚĆ – Punkty testowe służą do weryfikacji funkcjonalności.
• PRODUKCJA – Rozważono procesy produkcji płyt o wysokiej wydajności.

Dobrze przemyślany układ płytek drukowanych klawiatury minimalizuje złożoność i przesłuchy, a jednocześnie jest łatwy w produkcji i montażu masowym.

Wybór grubości miedzi PCB dla klawiatur

Grubość miedzi PCB zależy od wymaganej obciążalności prądowej:

• Standardowe ścieżki klawiatury przenoszą jedynie sygnały o niskim poziomie prądu, dlatego typowa grubość miedzi to 1 uncja (35 μm).
• W niektórych specjalistycznych klawiaturach do gier z podświetleniem RGB zastosowano grubszą miedź o grubości 2 uncji (70 μm), która radzi sobie z większym natężeniem prądu LED bez spadków napięcia.
• Maksymalna dopuszczalna szerokość ścieżek PCB i odstępy między nimi mają również wpływ na dobór grubości miedzi.

W większości przypadków 1 uncja miedzi oferuje odpowiednią równowagę między przewodnością a możliwością produkcji płytek drukowanych klawiatur, biorąc pod uwagę ich niskie zapotrzebowanie na energię.

Style montażu przełączników w płytkach PCB klawiatur

Przełączniki klawiatury mechanicznej są fizycznie montowane na płytce drukowanej za pomocą połączeń lutowanych lub gniazd typu hot-swap:

Lutowane – zaciski przełącznika są lutowane bezpośrednio do pól PCB, aby zapewnić połączenie elektryczne i mechaniczne zamocowanie przełącznika. Zapewnia to niezawodną trwałość, ale nie jest możliwe ich usunięcie.

Gniazdo Hot-Swap – złącze pinowe gniazda jest wstępnie przylutowane do płytki PCB, a piny przełączników są podłączane do tego gniazda bez konieczności lutowania. Umożliwia to wymianę przełączników, ale gniazda mogą się zużywać w wyniku wielokrotnych cykli wkładania.

Klawiatury hot-swap wymagają płytki wzmacniającej mocowanie przełącznika, podczas gdy klawiatury lutowane mogą opcjonalnie pominąć płytkę, jeśli grubość jest ograniczeniem. Pożądana elastyczność dostosowywania kieruje wyborem między lutowanymi a hot-swapowymi konstrukcjami PCB klawiatur.

Wybór materiału płytki PCB klawiatury

Płytki mocowane do płytek drukowanych klawiatury są zazwyczaj konstruowane przy użyciu:

Aluminium – najpopularniejszy materiał na płytkę klawiatury. Zapewnia sztywność przy niskiej wadze. Obrabiane CNC z wysoką dokładnością. Możliwość anodowania na różne kolory. Minimalny koszt.

Stal nierdzewna – oferuje najwyższą sztywność mechaniczną, ale jest cięższa. Niska korozja i możliwość personalizacji estetycznej, np. poprzez wypełnienie farbą.

Płyta mosiężna – Płyty mosiężne znane są z miękkiego, głębokiego brzmienia, zapewniającego subtelny efekt amortyzacji. Wytwarzają niższy dźwięk w porównaniu z płytami aluminiowymi i są często wybierane ze względu na tłumienie dźwięku. Płyty mosiężne mogą zwiększać wagę klawiatury ze względu na swoją gęstość.

Włókno węglowe – bardzo lekkie i sztywne. Atrakcyjne wizualnie dzięki plecionemu wykończeniu. Znacznie droższe niż aluminium.

Akryl – niedroga opcja z tworzywa sztucznego. Umożliwia zastosowanie światłowodów krawędziowych w połączeniu z diodami LED do podświetlenia. Większa elastyczność niż w przypadku płyt metalowych.

Płytki FR4 – Płytki FR4 są często wybierane do klawiatur budżetowych ze względu na swoją przystępną cenę. Oferują one wyrazisty profil dźwiękowy o głębszym brzmieniu w porównaniu z płytkami aluminiowymi. Warto jednak zauważyć, że płytki FR4 mają tendencję do tłumienia ogólnego brzmienia klawiatury, potencjalnie zmniejszając jej dźwięczność.

Płyta akrylowa – Płyty akrylowe nie są powszechnie zalecane, chyba że mają wystarczającą grubość. Cienkie płyty akrylowe niosą ze sobą ryzyko pęknięcia lub rozbicia. Grubsze płyty akrylowe mogą generować głębszy profil dźwięku, podobny do płyt plastikowych.

Poliwęglan – kolejna alternatywa dla plastiku o dobrej trwałości i przejrzystości, idealna do efektów świetlnych. Zapewnia umiarkowane sprzężenie zwrotne.

Podczas projektowania płytki drukowanej klawiatury przy wyborze materiału płytki należy wziąć pod uwagę oczekiwaną sztywność strukturalną, wagę, trwałość, koszt i preferencje estetyczne.

Proces produkcji płytek drukowanych Kayboard

Testowanie płytki klawiatury

Opakowanie klawiatury pcb

Wniosek

Płytki PCB klawiatur obejmują szeroki zakres technologii dostosowanych do rozległej przestrzeni aplikacji obejmującej domeny konsumenckie, przemysłowe i niszowe. Niniejszy artykuł przedstawia całościowy przegląd zróżnicowanych zagadnień związanych z projektowaniem zoptymalizowanych systemów płytek PCB klawiatur w oparciu o wymagania kontekstowe.

Dzięki zrozumieniu współzależnych relacji między materiałami płytki drukowanej klawiatury , wyborem przełączników mechanicznych, czynnikami układu i routingu, możliwościami mikrokontrolerów, opcjami interfejsu i środowiskami użytkowania, inżynierowie projektanci mogą podejmować rozsądne decyzje w celu tworzenia klawiatur o wysokiej wydajności i niezawodności, które można dostosować do indywidualnych potrzeb.