Uma visão geral detalhada da tecnologia de PCB de teclado

Introdução

Os PCBs são componentes integrais em todos os dispositivos de teclado eletrônico, desde teclados de computador até instrumentos musicais. Eles fornecem a base para a montagem e interconexão dos vários interruptores, sensores, controladores e outros componentes que compõem o sistema de teclado. O PCB traduz as teclas pressionadas pelo usuário em sinais de entrada correspondentes ao dispositivo conectado.

Este artigo fornece uma visão geral abrangente dos vários aspectos da tecnologia de PCB de teclado. Ele cobre os diferentes tipos de PCBs de teclado, considerações críticas de projeto, abordagens de fabricação, escolhas de materiais e componentes envolvidos na construção de PCBs de teclado confiáveis ​​e funcionais, feitos sob medida para aplicações específicas. O objetivo é equipar os engenheiros de projeto com conhecimento profundo para incorporar efetivamente a tecnologia de teclado PCB em produtos eletrônicos.

O que é um teclado PCB?

Um teclado PCB refere-se ao conjunto da placa de circuito impresso que serve como base de um dispositivo de teclado eletrônico. A PCB abriga e interconecta todos os interruptores, sensores, microcontroladores, conectores e outros componentes ativos/passivos que compõem o sistema de teclado.

Quando um usuário pressiona uma tecla no teclado, ele aciona a chave correspondente montada na PCB abaixo. Este fechamento da chave é detectado pela eletrônica de controle do teclado e convertido em sinais de entrada apropriados que são comunicados ao sistema host conectado com o qual o teclado está conectado.

Os PCBs de teclado são fabricados em uma ampla variedade de tamanhos e layouts, dependendo do tipo de aplicação de teclado e dos formatos necessários. PCBs de teclado de computador de tamanho normal acomodam mais de 100 teclas, enquanto PCBs de teclado móvel compactos podem ter menos de 40 teclas em dimensões menores.

Parâmetros de PCB do teclado

Tipos de PCBs de teclado

Existem vários tipos de PCBs de teclado adaptados para diferentes aplicações:

Placa de circuito impresso (PCB) para teclado mecânico – Utilizada em teclados mecânicos que usam interruptores físicos individuais para cada tecla, em vez de membranas de borracha. Isso permite o uso de tipos de interruptores personalizados para uma resposta tátil aprimorada.

PCB para teclado gamer – Otimizado para jogos com recursos como zonas de retroiluminação RGB programáveis, teclas macro e matrizes de switches anti-ghosting.

Placa de circuito impresso (PCB) para teclado de laptop – Compacta, fina e projetada para ser integrada em gabinetes de notebooks e laptops com tamanho reduzido.

Teclado com PCB ergonômico – Layouts ergonomicamente projetados para permitir o posicionamento natural do pulso e o movimento de digitação, reduzindo a fadiga.

Placa de circuito impresso flexível para teclado – Fabricada em substratos finos e flexíveis que permitem que o teclado seja enrolado/dobrado, tornando-o ideal para aplicações portáteis.

Placa de circuito impresso para teclado sem fio – Incorpora conectividade sem fio, como Bluetooth, para conectar-se a dispositivos host sem a necessidade de cabos físicos.

Placa de circuito impresso para teclado numérico – Consiste apenas na seção do teclado numérico para aplicações financeiras/PDV que exigem entrada de dados numéricos.

Teclado multimídia com placa de circuito impresso – Possui teclas dedicadas para controlar aplicativos multimídia, como reproduzir/pausar, controle de volume etc.

A escolha depende do fator de forma, funcionalidade, interface e necessidades do ambiente de uso.

Considerações de design para PCBs de teclado

Vários fatores importantes devem ser considerados ao projetar uma PCB de teclado ideal:

• Tamanho e layout – O tamanho do teclado e o layout das teclas devem corresponder aos requisitos ergonômicos, de formato e de aplicação.
• Tipo de interruptor – Deve ser escolhido o tipo de interruptor mecânico correto que forneça o feedback tátil, o perfil de força e o clique audível desejados.
• Layout da matriz de comutação – Roteamento de matriz de comutação ideal, minimizando fantasmas e reduzindo a complexidade da fiação.
• Interface – Seleção de cabeamento (PS/2, USB) ou tecnologia de interface de teclado sem fio (Bluetooth, RF).
• Iluminação de fundo – Inclusão de RGB por tecla CONDUZIU retroiluminação para iluminação e estética.
• Controladores integrados – Capacidades do microcontrolador para gerenciar o estado do teclado, luz de fundo, macros, etc.
• Proteção EMI – Inclusão de invólucros de blindagem aterrados e gaxetas para redução de interferência eletromagnética.
• Customização – Suporte para troca a quente de switch, teclas alternativas e programação do usuário.

A consideração cuidadosa desses parâmetros resulta em um teclado PCB perfeitamente adaptado para a aplicação pretendida e os requisitos de uso.

Chaves mecânicas usadas em PCBs de teclado

 

Os teclados mecânicos usam interruptores físicos individuais sob cada tecla, em oposição às membranas de cúpula de borracha em teclados mais baratos. Esses interruptores vêm em vários tipos, fornecendo diferentes respostas táteis e assinaturas sonoras. Os interruptores mecânicos comuns consistem em:

• Primavera – Retorna a chave à posição de repouso após ser pressionada. A força da mola determina a resistência ou força de atuação da chave.
• haste – Componente móvel preso à tecla que desliza para cima/para baixo para estabelecer e interromper o contato elétrico.
• Mola de folha – Faz contato móvel com a haste para completar o circuito de comutação elétrica.
• Habitação – Mantém os componentes do interruptor juntos e proporciona estabilidade mecânica.
• Contactos – As almofadas fixas na PCB às quais os contatos móveis se conectam quando a chave fecha.

Variar os componentes internos do interruptor mecânico permite criar diferentes perfis de força, desde atuação leve e linear até atuação pesada e clicável.

Tipos de interruptores mecânicos para PCBs de teclado

Os PCBs do teclado podem acomodar vários tipos de interruptores mecânicos. As principais categorias são:

Switches lineares – Curso linear suave, sem qualquer feedback tátil ou clique no ponto de atuação. Opções populares incluem Cherry MX Red, Black, Silver, Nature White, etc.

Switches táteis – Proporcionam uma sensação tátil, mas sem clique audível ou ruído no ponto de atuação. Exemplos de switches são Cherry MX Brown, Clear, Grey e Nature White.

Switches Clicky – Apresentam tanto uma resposta tátil quanto um clique audível característico ao serem acionados. Exemplos comuns de switches clicky são Cherry MX Blue, Green, Nature White e Kailh Box White.

Switches silenciosos – Projetados para gerar o mínimo de ruído mesmo após serem totalmente pressionados. Úteis em ambientes de escritório abertos. Os switches lineares silenciosos Cherry MX Silent Red/Black são populares.

Diferentes usuários preferem determinados tipos de interruptores de tecla com base na sensação, som e experiência de digitação desejados. Os PCBs de teclado podem ser projetados para funcionar com uma ampla variedade de interruptores mecânicos especializados disponíveis.

Estilos de montagem de interruptores mecânicos usados ​​em PCBs de teclado

Os interruptores mecânicos vêm em dois estilos de orientação – 3 pinos e 5 pinos – que determinam como eles interagem com a PCB:

Interruptores de 3 pinos – Possuem dois pinos para os contatos elétricos e um para a montagem. Requerem suporte adicional na placa ou PCBs mais espessos para maior estabilidade.

Interruptores de 5 pinos – Possuem dois pinos guia de plástico adicionais para alinhamento e estabilidade quando soldados diretamente à placa de circuito impresso sem placa de revestimento.

Para teclados montados em placa, qualquer um dos tipos funciona, pois a placa fornece suporte mecânico. PCBs hot-swap normalmente funcionam apenas com interruptores de 3 pinos.

Os pinos extras podem ser cortados se uma chave de 5 pinos for usada em uma aplicação de PCB de teclado de 3 pinos. A orientação não afeta as características elétricas ou táteis do interruptor.

Papel das placas em PCBs de teclado

As placas são folhas de metal (alumínio, aço) ou plástico (policarbonato, acrílico) montadas acima da PCB e abaixo dos interruptores:

• Eles têm recortes pelos quais cada interruptor de chave se projeta enquanto é preso à placa.
• As placas proporcionam rigidez estrutural e resistência contra a deformação da chave sob pressão intensa.
• Eles garantem o alinhamento dos interruptores e a consistência do espaçamento no teclado.
• As placas reduzem a flexibilidade do teclado e melhoram a sensação de digitação.

As placas são obrigatórias para integridade mecânica em teclados switch montados em placas. Alguns teclados montados em PCB podem opcionalmente omitir placas para reduzir custo e espessura.

Construindo um PCB de teclado personalizado

Os entusiastas da eletrônica podem projetar e construir seus próprios PCBs de teclado personalizados:

Projeto esquemático – Crie o esquema do circuito do teclado com componentes como microcontrolador, interruptores, LEDs etc.

Layout da placa de circuito impresso (PCB) – Projetar a placa de circuito impresso física com os componentes dispostos e a matriz de comutação definida.

Código de firmware – Escreva a lógica do firmware e o código de controle de iluminação para o microcontrolador.

Modelagem 3D – Modele a estrutura e a placa do teclado em um software CAD.

Fabricação de PCBs – Obtenha a PCB projetada, fabricada e os componentes adquiridos.

Montagem – Soldar componentes como interruptores, controlador e conectores na placa de circuito impresso fabricada.

Gravação de Firmware – Programar o firmware de controle no microcontrolador.

Testes – Valide a funcionalidade do teclado antes da integração final.

Integração do Gabinete – Monte o teclado no gabinete impresso em 3D ou fabricado em fábrica.

Construir um teclado personalizado é muito gratificante, mas requer habilidades significativas de design, codificação e fabricação, além de acesso às fontes de componentes e serviços de fabricação necessários.

Componentes usados ​​em PCBs de teclado

Os principais componentes que compõem um circuito PCB de teclado funcional incluem:

Alimentação – Os teclados utilizam alimentação de +5V ou +3.3V fornecida pela interface do computador (USB/sem fio). A regulação de tensão integrada também pode estar presente.

Microcontrolador – Este componente processa as teclas pressionadas, controla os efeitos de iluminação, gerencia a comunicação com fio/sem fio, etc. Exemplos de microcontroladores são Atmega32, RP2040 e Elite-C.

Interruptores – Interruptores mecânicos discretos com teclas ou matrizes de interruptores de membrana de borracha usados ​​para entrada de dados do usuário.

Diodos de comutação – Utilizados para evitar problemas de fantasmas na matriz de comutação elétrica, permitindo mais pressionamentos de teclas simultâneos.

LEDs principais – Incorpore LEDs de cor única ou RGB sob cada tecla para iluminação e efeitos.

Resistores de pull-up – Utilizados para comutação confiável e para evitar acionamentos falsos.

Proteção ESD – Protege os componentes eletrônicos de controle sensíveis contra descargas eletrostáticas.

Capacitores de filtragem – Reduzem a interferência de ruído elétrico nas linhas de dados do teclado.

Interface de comunicação – Interfaces com fio, como USB, ou sem fio, como Bluetooth, para conectividade com o host.

Comparando PCBs de teclado padrão e mecânico

Existem algumas diferenças notáveis ​​entre PCBs de teclado básicos baseados em membrana e PCBs de teclado mecânico:

• Mecanismo de comutação – Os teclados de membrana usam circuitos impressos em uma membrana flexível que flexiona quando pressionada. Os teclados mecânicos possuem interruptores individuais separados para cada tecla.
• Feedback tátil – Os teclados de membrana têm feedback tátil mínimo com uma sensação suave e piegas. Os interruptores mecânicos fornecem feedback tátil e sonoro preciso com um toque nítido.
• Personalização do switch – Os teclados mecânicos permitem o uso de diferentes tipos de interruptores especializados de acordo com a preferência do usuário. Os teclados de membrana oferecem personalização mínima ou opções de troca.
• Tempo de vida – Os interruptores mecânicos individuais são classificados para mais de 50 milhões de pressionamentos de teclas. Os teclados de membrana se desgastam após 5 a 10 milhões de pressionamentos, levando a falhas.
• Processamento de Sinais – Os teclados de membrana usam uma matriz de detecção capacitiva passiva. Os teclados mecânicos empregam comutação digital ativa que requer diodos.
• Custo – PCBs de teclado mecânico com interruptores discretos custam muitas vezes mais do que conjuntos de PCB de teclado de membrana.

Em geral, os teclados mecânicos oferecem longevidade, personalização e experiência do usuário superiores aos designs baseados em membrana.

Tamanhos comuns de PCB de teclado

Os PCBs do teclado vêm em tamanhos variados, dependendo do número de teclas incluídas. Alguns tamanhos comuns são:

• 40% – Formato ultracompacto com teclas alfabéticas e alguma pontuação. Requer combinações de teclas Fn.
• 60% – Inclui teclas alfa, modificadores, setas, mas não possui teclas de função e de navegação. Tamanho popular de “pôquer”.
• 65% – Semelhante a 60% com teclas de seta dedicadas adicionadas. Usado em alguns laptops.
• 75% – Contém teclas alfabéticas, modificadores e teclas de função, mas sem teclado numérico.
• 80%/TKL – Tenkeyless sem teclado numérico, mas com todas as outras teclas presentes.
• 100% – Placa de tamanho normal com teclado numérico integrado e todas as teclas. Formato de PC mais comum.

Tamanhos menores de PCB de teclado são usados ​​para maximizar a portabilidade, enquanto os maiores otimizam a produtividade. O contexto do aplicativo orienta a seleção do tamanho.

Projetando o layout da PCB do teclado

O layout da PCB organiza os componentes e roteia sua conectividade para implementar o circuito do teclado nas restrições físicas reais:

• COMPONENTES DE POSIÇÃO – Microcontrolador, conectores, interruptores agrupados funcionalmente e espaçados adequadamente.
• ROTEAMENTO DE MATRIZ – A matriz de comutação otimizada que conecta linhas/colunas detecta o pressionamento de teclas de maneira confiável.
• CIRCUITO DE CONTROLE – Roteamentos de alta velocidade com comprimento mínimo para o MCU.
• ISOLAMENTO – Mantenha os traços digitais ruidosos longe dos sensíveis analógicos.
• FATOR DE FORMA – As posições dos componentes correspondem às restrições externas do gabinete do teclado.
• SERVIÇO – Pontos de teste fornecidos para validar a funcionalidade.
• FABRICAÇÃO – Considerados processos de fabricação de painéis de alto rendimento.

Layouts de PCB de teclado bem planejados minimizam a complexidade e a diafonia, ao mesmo tempo que são fáceis de fabricar e montar em grande volume.

Seleção de espessura de cobre PCB para teclados

A espessura do cobre PCB depende da capacidade de transporte de corrente necessária:

• Os traços de teclado padrão carregam apenas níveis de sinal de corrente baixos, portanto, 1 onça. cobre (35 μm) é típico.
• Alguns teclados especiais para jogos com retroiluminação RGB usam 2 onças mais pesados. cobre (70 μm) para lidar com correntes de LED mais altas sem quedas de tensão.
• A largura máxima permitida do traço da PCB e a folga também influenciam a seleção do peso do cobre.

Na maioria dos casos, 1 onça. o cobre oferece o equilíbrio certo entre condutividade e capacidade de fabricação para PCBs de teclado, dados seus baixos requisitos de energia.

Alternar estilos de montagem em PCBs de teclado

Os interruptores mecânicos do teclado são montados fisicamente na PCB usando juntas de solda ou soquetes hot-swap:

Soldado – Os terminais do interruptor são soldados diretamente às ilhas da placa de circuito impresso para conectar eletricamente e fixar mecanicamente o interruptor. Proporciona uma fixação permanente confiável, mas não é removível.

Soquete Hot-Swap – Um conector de pinos é pré-soldado à placa de circuito impresso (PCB) e os pinos dos switches são encaixados nesse soquete sem a necessidade de solda. Permite a troca de switches, mas os soquetes podem se desgastar com ciclos repetidos de inserção.

Os teclados hot-swap requerem uma placa para reforçar a montagem do switch, enquanto os teclados soldados podem opcionalmente omitir a placa se a espessura for uma restrição. A flexibilidade de personalização desejada orienta a escolha entre construções de PCB de teclado soldadas e hot-swap.

Seleção de material de placa PCB de teclado

As placas montadas em PCBs de teclado são normalmente construídas usando:

Alumínio – O material mais comum para placas de teclado. Oferece rigidez com baixo peso. Usinado em CNC com alta precisão. Pode ser anodizado em diferentes cores. Custo mínimo.

Aço inoxidável – Oferece a maior rigidez mecânica, porém é mais pesado. Baixa corrosão e permite algumas personalizações estéticas, como pintura.

Placa de latão – As placas de latão são conhecidas por sua sensação mais suave ao pressionar as teclas até o fundo, proporcionando um sutil efeito de amortecimento. Elas produzem um som mais grave em comparação com as placas de alumínio e são frequentemente escolhidas para fins de atenuação sonora. As placas de latão podem adicionar peso ao teclado devido à sua densidade.

Fibra de carbono – Opção muito leve e rígida. Visualmente atraente com acabamento trançado. Custa significativamente mais do que o alumínio.

Acrílico – Opção de plástico de baixo custo. Permite guias de luz nas bordas quando combinado com LEDs de iluminação inferior. Maior flexibilidade do que placas de metal.

Placa FR4 – As placas FR4 são frequentemente escolhidas para teclados de baixo custo devido ao seu preço acessível. Elas oferecem um perfil sonoro distinto, com um timbre mais grave em comparação com as placas de alumínio. No entanto, vale ressaltar que as placas FR4 tendem a atenuar o som geral do teclado, reduzindo potencialmente sua vivacidade.

Placas de acrílico – Placas de acrílico geralmente não são recomendadas, a menos que tenham espessura suficiente. Placas de acrílico finas apresentam risco de rachaduras ou quebras. Placas de acrílico mais espessas podem produzir um perfil sonoro mais profundo, semelhante ao de outras placas de plástico.

Policarbonato – Outra alternativa de plástico com boa durabilidade e transparência para efeitos de iluminação. Oferece uma resposta tátil moderada.

A rigidez estrutural desejada, peso, durabilidade, custo e preferências cosméticas orientam a seleção do material da placa ao projetar uma PCB de teclado.

Processo de produção de PCB Kayboard

Teste de PCB de teclado

Pacote de teclado pcb

Conclusão

Os PCBs de teclado abrangem uma ampla gama de tecnologias adaptadas para o amplo espaço de aplicação, abrangendo domínios de consumo, industriais e de nicho. Este artigo fornece uma visão geral holística das diversas considerações envolvidas na engenharia de sistemas de PCB de teclado otimizados com base em requisitos contextuais.

Ao compreender as relações de interdependência entre os materiais da placa de circuito impresso do teclado , a seleção dos interruptores mecânicos, os fatores de layout e roteamento, os recursos do microcontrolador, as opções de interface e os ambientes de uso, os engenheiros de projeto podem fazer escolhas criteriosas para criar implementações de teclado personalizáveis, de alto desempenho e confiáveis.