Углубленный обзор технологии печатных плат клавиатуры

Введение

Печатные платы являются неотъемлемыми компонентами всех электронных клавиатурных устройств, от компьютерных клавиатур до музыкальных инструментов. Они обеспечивают основу для монтажа и соединения различных переключателей, датчиков, контроллеров и других компонентов, составляющих клавиатурную систему. Плата преобразует нажатия клавиш пользователя в соответствующие входные сигналы для подключенного устройства.

В этой статье представлен всесторонний обзор различных аспектов технологии печатных плат клавиатуры. В нем рассматриваются различные типы печатных плат клавиатуры, важные аспекты проектирования, подходы к производству, выбор материалов и компоненты, необходимые для создания надежных и функциональных печатных плат клавиатуры, адаптированных для конкретных приложений. Цель состоит в том, чтобы снабдить инженеров-конструкторов глубокими знаниями для эффективного внедрения технологии клавиатурных печатных плат в электронные продукты.

Что такое печатная плата клавиатуры?

Печатная плата клавиатуры представляет собой сборку печатной платы, которая служит основой электронного клавиатурного устройства. На печатной плате размещены и соединены между собой все переключатели, датчики, микроконтроллеры, разъемы и другие активные/пассивные компоненты, составляющие клавиатурную систему.

Когда пользователь нажимает клавишу на клавиатуре, он активирует соответствующий переключатель, установленный на печатной плате ниже. Это замыкание переключателя обнаруживается управляющей электроникой клавиатуры и преобразуется в соответствующие входные сигналы, которые передаются в подключенную хост-систему, с которой сопряжена клавиатура.

Печатные платы клавиатуры изготавливаются самых разных размеров и компоновок в зависимости от типа применения клавиатуры и требуемых форм-факторов. Полноразмерные печатные платы компьютерной клавиатуры вмещают более 100 клавиш, тогда как компактные печатные платы мобильных клавиатур могут иметь менее 40 клавиш при меньших размерах.

Параметры печатной платы клавиатуры

Типы печатных плат клавиатуры

Существует несколько типов печатных плат клавиатуры, предназначенных для различных приложений:

Печатная плата механической клавиатуры – используется в механических клавиатурах, где для каждой клавиши используются отдельные физические переключатели, а не резиновые мембраны. Это позволяет использовать нестандартные типы переключателей для улучшения тактильной отдачи.

Плата игровой клавиатуры – оптимизирована для игр и обладает такими функциями, как программируемая RGB-подсветка, макро-клавиши и матрица переключателей с защитой от фантомных нажатий.

Плата клавиатуры для ноутбука – компактная, тонкая и предназначена для интеграции в компактные корпуса ноутбуков.

Эргономичная печатная плата клавиатуры – Эргономичная конструкция обеспечивает естественное положение запястья и движения при наборе текста, снижая усталость.

Гибкие печатные платы для клавиатур – изготавливаются на тонких, гибких подложках, позволяющих сворачивать/сгибать клавиатуру, что делает их идеальными для портативных устройств.

Плата беспроводной клавиатуры – обеспечивает беспроводное подключение, например, Bluetooth, для соединения с хост-устройствами без использования физических кабелей.

Плата цифровой клавиатуры – состоит только из секции цифровой клавиатуры и предназначена для финансовых/POS-приложений, требующих ввода числовых данных.

Плата мультимедийной клавиатуры имеет выделенные клавиши для управления мультимедийными приложениями, такими как воспроизведение/пауза, регулировка громкости и т. д.

Выбор зависит от форм-фактора, функциональности, интерфейса и требований среды использования.

Особенности проектирования печатных плат клавиатуры

При проектировании оптимальной печатной платы клавиатуры необходимо учитывать несколько ключевых факторов:

• Размер и макет – Размер клавиатуры и расположение клавиш должны соответствовать требованиям эргономики, форм-фактора и применения.
• Тип переключателя – Необходимо выбрать правильный тип механического переключателя, обеспечивающий желаемую тактильную отдачу, профиль усилия и звуковой щелчок.
• Переключение макета матрицы – Оптимальная маршрутизация матрицы коммутаторов, сводящая к минимуму двоение и одновременно снижающая сложность проводки.
• Интерфейс – Выбор проводного подключения (PS/2, USB) или беспроводную (Bluetooth, RF) технологию интерфейса клавиатуры.
• Подсветка – Включение индивидуальной RGB-подсветки LED подсветка для освещения и эстетики.
• Бортовые контроллеры – Возможности микроконтроллера по управлению состоянием клавиатуры, подсветкой, макросами и т. д.
• EMI экранирование – Наличие заземленных экранирующих корпусов и прокладок для снижения электромагнитных помех.
• Индивидуальная конфигурация – Поддержка горячей замены переключателей, альтернативных колпачков клавиш и возможности программирования пользователем.

Тщательное рассмотрение этих параметров приводит к созданию печатной платы клавиатуры, оптимально адаптированной для предполагаемого применения и требований использования.

Механические переключатели, используемые в печатных платах клавиатуры

 

В механических клавиатурах под каждой клавишей используются отдельные физические переключатели, в отличие от резиновых куполообразных мембран на более дешевых клавиатурах. Эти переключатели бывают разных типов, обеспечивающих разные тактильные отклики и звуковые сигналы. Обычные механические переключатели состоят из:

• Весна – Возвращает клавишу в исходное положение после нажатия. Сила пружины определяет сопротивление или силу срабатывания ключа.
• ножка – К колпачку клавиатуры прикреплен подвижный компонент, который скользит вверх/вниз для установления и размыкания электрического контакта.
• Листовая рессора – Обеспечивает подвижный контакт со штоком для замыкания электрической цепи переключения.
• Дома – Удерживает компоненты переключателя вместе и обеспечивает механическую устойчивость.
• Контакты – Неподвижные площадки на печатной плате, к которым подключаются подвижные контакты при замыкании переключателя.

Изменение внутренних компонентов механического переключателя позволяет создавать различные профили силы: от легкого и линейного до тяжелого и щелкающего срабатывания.

Типы механических переключателей для печатных плат с клавиатурой

На печатных платах клавиатуры можно разместить различные типы механических клавишных переключателей. Основные категории:

Линейные переключатели – плавный линейный ход без тактильного отклика или щелчка в точке срабатывания. Популярные варианты включают Cherry MX Red, Black, Silver, Nature White и др.

Тактильные переключатели – обеспечивают тактильный отклик, но без слышимого щелчка или шума в точке срабатывания. Примеры переключателей: Cherry MX Brown, Clear, Grey, Nature White.

Кликовые переключатели – издают как тактильный отклик, так и характерный щелчок при срабатывании. К распространенным кликовым переключателям относятся Cherry MX Blue, Green, Nature White, Kailh Box White.

Бесшумные переключатели – разработаны для создания минимального шума даже при полном нажатии после срабатывания. Полезны в офисах открытого типа. Cherry MX Silent Red/Black – популярные бесшумные линейные переключатели.

Разные пользователи предпочитают определенные типы клавишных переключателей в зависимости от желаемого ощущения, звука и опыта набора текста. Печатные платы клавиатуры могут быть спроектированы для работы с широким спектром доступных специальных механических переключателей.

Способы крепления механических переключателей, используемые в печатных платах клавиатуры

Механические переключатели выпускаются в двух стилях ориентации — 3-контактной и 5-контактной — что определяет способ их взаимодействия с печатной платой:

Трехконтактные переключатели – имеют два контакта для электрических соединений и один для монтажа. Для обеспечения устойчивости требуется дополнительная опорная пластина или более толстые печатные платы.

5-контактные переключатели – оснащены двумя дополнительными пластиковыми направляющими штифтами для выравнивания и устойчивости при пайке непосредственно к печатной плате без пластины.

Для клавиатур, монтируемых на пластину, подойдет любой тип, поскольку пластина обеспечивает механическую поддержку. Печатные платы с возможностью горячей замены обычно работают только с 3-контактными переключателями.

Дополнительные контакты можно отрезать, если в 5-контактной клавиатуре используется 3-контактный переключатель. Ориентация не влияет на электрические и тактильные характеристики переключателя.

Роль пластин в печатных платах клавиатуры

Пластины представляют собой металлические (алюминиевые, стальные) или пластиковые (поликарбонатные, акриловые) листы, которые крепятся над печатной платой и под переключателями:

• У них есть вырезы, через которые выступает каждый ключевой переключатель, когда он прикреплен к пластине.
• Пластины обеспечивают жесткость конструкции и устойчивость к деформации переключателя при интенсивном нажатии.
• Они обеспечивают выравнивание переключателей и согласованность расстояния по всей клавиатуре.
• Пластины уменьшают прогиб клавиатуры и улучшают ощущение печати.

Пластины необходимы для обеспечения механической целостности клавиатур переключателей, монтируемых на пластинах. В некоторых клавиатурах, монтируемых на печатную плату, пластины могут не использоваться для снижения стоимости и толщины.

Создание пользовательской печатной платы клавиатуры

Энтузиасты электроники могут спроектировать и изготовить свои собственные печатные платы с клавиатурой:

Разработка принципиальной схемы – Создайте принципиальную схему клавиатуры с такими компонентами, как микроконтроллер, переключатели, светодиоды и т. д.

Разработка компоновки печатной платы – проектирование физической печатной платы с размещением компонентов и определением коммутационной матрицы.

Программное обеспечение – Напишите код для управления логикой работы микроконтроллера и подсветкой.

3D-моделирование – Создание модели корпуса клавиатуры и панели в программе САПР.

Изготовление печатных плат – изготовление разработанной печатной платы и закупка компонентов.

Сборка – Припаивание компонентов, таких как переключатели, контроллеры, разъемы, к изготовленной печатной плате.

Прошивка микропрограммы – программирование управляющей микропрограммы в микроконтроллер.

Тестирование – Проверка работоспособности клавиатуры перед окончательной интеграцией.

Интеграция в корпус – соберите клавиатуру в корпус, напечатанный на 3D-принтере или изготовленный на заводе.

Создание собственной клавиатуры очень полезно, но требует значительных навыков проектирования, кодирования и изготовления, а также доступа к необходимым источникам компонентов и производственным услугам.

Компоненты, используемые в печатных платах клавиатуры

Ключевые компоненты, составляющие функциональную схему печатной платы клавиатуры, включают в себя:

Питание – Клавиатуры используют питание +5 В или +3.3 В, подаваемое через интерфейс хоста (USB/беспроводная связь). Также может быть предусмотрена встроенная система стабилизации напряжения.

Микроконтроллер — обрабатывает нажатия клавиш, управляет световыми эффектами, обеспечивает проводную/беспроводную связь и т. д. Примеры микроконтроллеров: Atmega32, RP2040, Elite-C.

Переключатели – дискретные механические клавишные переключатели или матрицы переключателей с резиновыми куполами, используемые для ввода данных пользователем.

Диоды переключателей — используются для предотвращения проблем с эффектом «фантомных нажатий» в электрической матрице переключателей, что позволяет одновременно нажимать больше клавиш.

Светодиодная подсветка клавиш – Встройте одноцветные или RGB-светодиоды под каждую клавишу для подсветки и создания эффектов.

Подтягивающие резисторы – используются для обеспечения надежного переключения и предотвращения ложных срабатываний.

Защита от электростатического разряда (ESD Protection ) – защищает чувствительную управляющую электронику от электростатических разрядов.

Фильтрующие конденсаторы — уменьшают электрические помехи в линиях передачи данных клавиатуры.

Интерфейс связи – проводные интерфейсы, такие как USB, или беспроводные, такие как Bluetooth, для подключения к хосту.

Сравнение стандартных и механических клавиатурных печатных плат

Есть некоторые заметные различия между базовыми печатными платами с мембранной клавиатурой и печатными платами с механической клавиатурой:

• Механизм переключения – В мембранных клавиатурах используются печатные схемы на гибкой мембране, которая прогибается при нажатии. Механические клавиатуры имеют отдельные переключатели для каждой клавиши.
• Тактильная обратная связь – Мембранные клавиатуры имеют минимальную тактильную отдачу и создают ощущение мягкости. Механические переключатели обеспечивают точную тактильную и звуковую обратную связь при четком нажатии.
• Настройка переключателя – Механические клавиатуры позволяют использовать различные специализированные типы переключателей в соответствии с предпочтениями пользователя. Мембранные клавиатуры предлагают минимальную настройку или выбор переключателей.
• Продолжительность жизни – Отдельные механические переключатели рассчитаны на 50+ миллионов нажатий клавиш. Мембранные клавиатуры изнашиваются после 5-10 миллионов нажатий, приводя к поломкам.
• Обработка сигнала – В мембранных клавиатурах используется пассивная емкостная сенсорная матрица. Механические клавиатуры используют активное цифровое переключение, требующее диодов.
• Стоимость – Механические клавиатурные платы с дискретными переключателями стоят во много раз дороже, чем мембранные клавиатуры в сборе.

В целом механические клавиатуры обеспечивают превосходную долговечность, возможность настройки и удобство использования по сравнению с мембранными конструкциями.

Распространенные размеры печатных плат клавиатуры

Печатные платы клавиатуры бывают разных размеров в зависимости от количества входящих в комплект клавиш. Некоторые распространенные размеры:

• 40% – Сверхкомпактный формат с буквенными клавишами и некоторыми знаками препинания. Требуются комбинации клавиш Fn.
• 60% – Включает альфа-клавиши, модификаторы, стрелки, но не имеет функциональных и навигационных клавиш. Популярный «покерный» размер.
• 65% – Аналогично 60% с добавлением специальных клавиш со стрелками. Используется в некоторых ноутбуках.
• 75% – Содержит буквенные клавиши, модификаторы и функциональные клавиши, но не содержит цифровой клавиатуры.
• 80%/ТКЛ – Без цифровой клавиатуры, без цифровой клавиатуры, но все остальные клавиши присутствуют.
• 100% – Полноразмерная панель со встроенной цифровой клавиатурой и всеми клавишами. Самый распространенный формат ПК.

Печатные платы клавиатуры меньшего размера используются для обеспечения максимальной портативности, а платы большего размера оптимизируют производительность. Контекст приложения определяет выбор размера.

Проектирование печатной платы клавиатуры

Компоновка печатной платы упорядочивает компоненты и направляет их соединения для реализации схемы клавиатуры в реальных физических ограничениях:

• РАСПОЛОЖЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ – Микроконтроллер, разъемы, переключатели функционально сгруппированы и расположены на соответствующем расстоянии.
• МАТРИЧНАЯ МАРШРУТИЗАЦИЯ – Оптимизированная матрица переключателей, соединяющая строки/столбцы, надежно распознает нажатия клавиш.
• СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ – высокоскоростные трассы минимальной длины для MCU.
• ИЗОЛЯЦИЯ – держите шумные цифровые следы подальше от чувствительных аналоговых.
• ФОРМ-ФАКТОР – Положение компонентов соответствует внешним ограничениям корпуса клавиатуры.
• ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ГОТОВНОСТЬ – предусмотрены контрольные точки для проверки функциональности.
• ПРОИЗВОДСТВО – Рассмотрены процессы производства высокодоходных домов из картона.

Хорошо спланированная компоновка печатной платы клавиатуры сводит к минимуму сложность и перекрестные помехи, при этом ее легко производить и собирать в больших объемах.

Выбор толщины меди печатной платы для клавиатур

Толщина меди на печатной плате зависит от требуемой пропускной способности по току:

• Стандартные дорожки клавиатуры несут только сигналы низкого тока, поэтому 1 унция. типична медь (35 мкм).
• В некоторых специализированных игровых клавиатурах с RGB-подсветкой используются более тяжелые клавиатуры весом 2 унции. медь (70 мкм) для работы с более высокими токами светодиодов без падения напряжения.
• Максимально допустимая ширина дорожек печатной платы и зазор также влияют на выбор веса меди.

В большинстве случаев 1 унция. медь обеспечивает правильный баланс проводимости и технологичности для печатных плат клавиатуры, учитывая их низкие требования к энергопотреблению.

Переключение стилей монтажа на печатных платах клавиатуры

Механические переключатели клавиатуры физически крепятся на печатную плату с помощью паяных соединений или разъемов для горячей замены:

Припаянные клеммы – Клеммы переключателя припаиваются непосредственно к контактным площадкам печатной платы для обеспечения как электрического соединения, так и механической фиксации переключателя. Обеспечивает надежную фиксацию, но не является съемным.

Разъем с возможностью горячей замены – к печатной плате предварительно припаян штыревой разъем, и контакты переключателя вставляются в этот разъем без пайки. Позволяет менять переключатели, но разъемы могут изнашиваться при многократном использовании.

Для клавиатур с возможностью горячей замены требуется пластина для усиления крепления переключателя, в то время как для паяных клавиатур пластину можно не использовать, если толщина является ограничением. Желаемая гибкость настройки позволяет выбирать между конструкциями печатных плат клавиатуры с паяной клавиатурой и конструкцией с возможностью горячей замены.

Выбор материала печатной платы клавиатуры

Пластины, монтируемые на печатные платы клавиатуры, обычно изготавливаются с использованием:

Алюминий – наиболее распространенный материал для панелей клавиатуры. Обеспечивает жесткость при малом весе. Изготавливается на станках с ЧПУ с высокой точностью. Может быть анодирован в различные цвета. Минимальная стоимость.

Нержавеющая сталь – обеспечивает наибольшую механическую жесткость, но тяжелее. Низкая коррозионная стойкость и возможность некоторой эстетической доработки, например, заделки краской.

Латунные пластины – Латунные пластины известны своим более мягким ощущением при нажатии, обеспечивая едва заметный амортизирующий эффект. Они издают более низкий звук по сравнению с алюминиевыми пластинами и часто выбираются для звукопоглощения. Латунные пластины могут увеличивать вес клавиатуры из-за своей плотности.

Углеродное волокно – очень легкий и жесткий вариант. Визуально привлекательно благодаря тканой отделке. Стоит значительно дороже алюминия.

Акрил – недорогой пластиковый вариант. Позволяет использовать краевые световоды в сочетании со светодиодами подсветки снизу. Обладает большей гибкостью, чем металлические пластины.

Пластины FR4 – Пластины FR4 часто выбирают для бюджетных клавиатур из-за их доступной цены. Они обеспечивают особый звуковой профиль с более глубоким тоном по сравнению с алюминиевыми пластинами. Однако стоит отметить, что пластины FR4 имеют тенденцию приглушать общее звучание клавиатуры, потенциально снижая её яркость.

Акриловые пластины – Акриловые пластины обычно не рекомендуются, если они недостаточно толстые. Тонкие акриловые пластины несут риск растрескивания или разрушения. Более толстые акриловые пластины могут создавать более глубокий звуковой профиль, схожий с другими пластиковыми пластинами.

Поликарбонат – еще одна альтернатива пластику, обладающая хорошей прочностью и прозрачностью для создания световых эффектов. Обеспечивает умеренную тактильную обратную связь.

Желаемая структурная жесткость, вес, долговечность, стоимость и косметические предпочтения определяют выбор материала пластины при проектировании печатной платы клавиатуры.

Процесс производства печатных плат Kayboard

Тестирование печатной платы клавиатуры

Упаковка печатной платы клавиатуры

Заключение

Печатные платы клавиатуры включают в себя широкий спектр технологий, адаптированных для обширного пространства приложений, охватывающего потребительские, промышленные и нишевые области. В этой статье представлен целостный обзор различных соображений, связанных с разработкой оптимизированных систем печатных плат клавиатуры на основе контекстных требований.

Понимая взаимозависимость между материалами печатных плат клавиатур , выбором механических переключателей, факторами компоновки и трассировки, возможностями микроконтроллера, вариантами интерфейса и условиями эксплуатации, инженеры-разработчики могут принимать взвешенные решения для создания настраиваемых, высокопроизводительных и надежных клавиатур.