Поглиблений огляд технології PCB клавіатури

Вступ

Печатні плати є невід’ємними компонентами всіх електронних клавішних пристроїв, від комп’ютерних клавіатур до музичних інструментів. Вони забезпечують основу для монтажу та з’єднання різних перемикачів, датчиків, контролерів та інших компонентів, які складають систему клавіатури. PCB перетворює натискання клавіш користувачем у відповідні вхідні сигнали для підключеного пристрою.

Ця стаття містить вичерпний огляд різних аспектів технології друкованої плати клавіатури. Він охоплює різні типи друкованих плат клавіатури, критичні міркування щодо дизайну, підходи до виробництва, вибір матеріалів і компонентів, задіяних у створенні надійних і функціональних друкованих плат клавіатур, адаптованих для конкретних застосувань. Мета полягає в тому, щоб оснастити інженерів-конструкторів глибокими знаннями для ефективного впровадження технології друкованих плат клавіатури в електронні вироби.

Що таке друкована плата клавіатури?

Плата клавіатури відноситься до вузла друкованої плати, яка служить основою електронної клавіатури. Плата містить і з’єднує всі перемикачі, датчики, мікроконтролери, роз’єми та інші активні/пасивні компоненти, які складають систему клавіатури.

Коли користувач натискає клавішу на клавіатурі, він активує відповідний перемикач, встановлений на друкованій платі нижче. Це замикання перемикача виявляється керуючою електронікою клавіатури та перетворюється у відповідні вхідні сигнали, які передаються до підключеної хост-системи, з якою поєднана клавіатура.

Печатні плати клавіатур виготовляються в широкому діапазоні розмірів і компонувань залежно від типу застосування клавіатури та необхідних форм-факторів. Повнорозмірна друкована плата комп’ютерної клавіатури вміщує понад 100 клавіш, тоді як компактна друкована плата мобільної клавіатури може мати менше 40 клавіш при меншій площі.

Параметри друкованої плати клавіатури

Типи клавіатурних плат

Існує кілька типів друкованих плат клавіатури, призначених для різних застосувань:

Друкована плата механічної клавіатури – використовується в механічних клавіатурах, які використовують окремі фізичні перемикачі для кожної клавіші, а не гумові купольні мембрани. Це дозволяє використовувати власні типи перемикачів для покращеного тактильного зворотного зв'язку.

Друкована плата ігрової клавіатури – оптимізована для ігор з такими функціями, як програмовані зони RGB-підсвічування, макроклавіші та матриці перемикачів із захистом від ореолів.

Друкована плата клавіатури ноутбука – компактна, тонка та розроблена для інтеграції у щільні корпуси ноутбуків.

Ергономічна плата клавіатури – ергономічно продумане розташування елементів забезпечує природне положення зап'ястя та рухи при наборі тексту, зменшуючи втому.

Гнучка плата клавіатури – виготовлена ​​на тонких, гнучких підкладках, які дозволяють згинати/скручувати клавіатуру, що робить її ідеальною для портативних застосувань.

Друкована плата бездротової клавіатури – вбудовує бездротове з’єднання, таке як Bluetooth, для підключення до хост-пристроїв без фізичних кабелів.

Плата цифрової клавіатури – складається лише з секції цифрової клавіатури для фінансових/POS-додатків, що потребують введення числових даних.

Мультимедійна клавіатура – ​​має спеціальні клавіші для керування мультимедійними програмами, такими як відтворення/пауза, регулювання гучності тощо.

Вибір залежить від форм-фактора, функціональності, інтерфейсу та потреб середовища використання.

Зауваження щодо дизайну друкованих плат клавіатури

При проектуванні оптимальної друкованої плати клавіатури слід враховувати кілька ключових факторів:

• Розмір і компонування – Розмір клавіатури та розташування клавіш мають відповідати ергономіці, форм-фактору та вимогам програми.
• Переключіть тип – Потрібно вибрати правильний тип механічного перемикача, який забезпечує бажаний тактильний зворотний зв’язок, профіль сили та чутне клацання.
• Переключити макет матриці – Оптимальна маршрутизація матриці комутаторів, що мінімізує ореоли, одночасно зменшуючи складність проводки.
• інтерфейс – Вибір провідного (PS/2, USB) або бездротової (Bluetooth, RF) технології інтерфейсу клавіатури.
• Підсвічування – Включення RGB для кожної клавіші LED підсвічування для підсвічування та естетики.
• Бортові контролери – Можливості мікроконтролера для керування станом клавіатури, підсвічуванням, макросами тощо.
• EMI екранування – Включення заземлених екрануючих корпусів і прокладок для зменшення електромагнітних перешкод.
• настройка – Підтримка гарячої заміни перемикачів, альтернативних клавіш і програмування користувачем.

Ретельний розгляд цих параметрів призводить до того, що друкована плата клавіатури оптимально підходить для запланованого застосування та вимог щодо використання.

Механічні перемикачі, що використовуються в друкованих платах клавіатури

 

У механічних клавіатурах використовуються окремі фізичні перемикачі під кожною кришкою клавіш, на відміну від гумових куполоподібних мембран у дешевших клавіатурах. Ці перемикачі бувають різних типів, що забезпечують різні тактильні реакції та звукові підписи. Звичайні механічні перемикачі складаються з:

• весна – Повертає ключ у вихідне положення після натискання. Сила пружини визначає опір або силу спрацьовування ключа.
• ніжка – Рухомий компонент, прикріплений до клавіатури, який ковзає вгору/вниз для встановлення та розриву електричного контакту.
• Листя весна – Встановлює рухливий контакт зі штоком, щоб завершити електричне перемикання.
• Житло – Утримує компоненти перемикача разом і забезпечує механічну стабільність.
• Контакти – Фіксовані контакти на друкованій платі, до яких підключаються рухомі контакти, коли перемикач замикається.

Зміна внутрішніх компонентів механічного перемикача дозволяє створювати різні профілі сили від легкого та лінійного до сильного та клацаючого спрацьовування.

Типи механічних перемикачів для клавіатурних плат

Плати клавіатури можуть вміщувати різні типи механічних перемикачів. Основні категорії:

Лінійні перемикачі – плавний лінійний хід без будь-яких тактильних ударів чи клацань у точці спрацьовування. Популярні варіанти включають Cherry MX Red, Black, Silver, Nature White тощо.

Тактильні перемикачі – забезпечують тактильний удар, але не чутний клацання чи шум у точці спрацьовування. Прикладами перемикачів є Cherry MX Brown, Clear, Grey, Nature White.

Клацаючі перемикачі – під час натискання чути як тактильний удар, так і характерне чутне клацання. Поширені клацаючие перемикачі – Cherry MX Blue, Green, Nature White, Kailh Box White.

Безшумні перемикачі – розроблені для створення мінімального шуму навіть при повному натисканні після спрацьовування. Корисні для відкритих офісних приміщень. Cherry MX Silent Red/Black – це популярні безшумні лінійні перемикачі.

Різні користувачі віддають перевагу певним типам перемикачів на основі бажаного відчуття, звуку та досвіду набору тексту. Плати клавіатури можуть бути розроблені для роботи з широким спектром доступних спеціальних механічних перемикачів.

Стилі монтажу механічних перемикачів, що використовуються в друкованих платах клавіатури

Механічні перемикачі бувають двох типів орієнтації – 3-контактного та 5-контактного – які визначають спосіб їх взаємодії з друкованою платою:

3-контактні перемикачі – мають два контакти для електричних контактів та один для кріплення. Для стійкості потрібні додаткові опорні пластини або товстіші друковані плати.

5-контактні перемикачі – мають два додаткові пластикові напрямні штирі для вирівнювання та стабільності при припаюванні безпосередньо до друкованої плати без пластини.

Для клавіатур, встановлених на пластині, працює будь-який тип, оскільки пластина забезпечує механічну підтримку. Плати з можливістю гарячої заміни зазвичай працюють лише з 3-контактними перемикачами.

Додаткові контакти можна відрізати, якщо 5-контактний перемикач використовується в 3-контактній друкованій платі клавіатури. Орієнтація не впливає на електричні чи тактильні характеристики перемикача.

Роль пластин у друкованих платах клавіатури

Пластини - це металеві (алюміній, сталь) або пластикові (полікарбонат, акрил) листи, які монтуються над друкованою платою та під перемикачами:

• Вони мають вирізи, крізь які виступає кожен ключовий перемикач, коли його кріплять до пластини.
• Пластини забезпечують жорсткість конструкції і стійкість до деформації вимикача при інтенсивному натисканні.
• Вони забезпечують вирівнювання перемикачів і узгодженість інтервалів на клавіатурі.
• Пластини зменшують прогинання клавіатури та покращують відчуття набору тексту.

Пластини є обов’язковими для механічної цілісності клавіатур перемикачів на пластинах. Деякі клавіатури, встановлені на друкованій платі, можуть не використовувати пластини, щоб зменшити вартість і товщину.

Створення спеціальної плати клавіатури

Ентузіасти електроніки можуть розробляти та виготовляти власні друковані плати клавіатури:

Схематичне проектування – Створіть схему клавіатури з такими компонентами, як мікроконтролер, перемикачі, світлодіоди тощо.

Макет друкованої плати – спроектуйте фізичну друковану плату з розміщенням компонентів та визначеною матрицею перемикачів.

Код прошивки – Напишіть логіку прошивки та код керування освітленням для мікроконтролера.

3D-моделювання – змоделюйте корпус клавіатури та її панель у програмному забезпеченні CAD.

Виготовлення друкованих плат – Виготовлення розробленої друкованої плати та постачання компонентів.

Збірка – припаювання компонентів, таких як перемикачі, контролер, роз'єми, на виготовленій друкованій платі.

Прошивка – Запрограмуйте мікропрограму керування на мікроконтролер.

Тестування – Перевірка функціональності клавіатури перед остаточною інтеграцією.

Інтеграція в корпус – Зберіть клавіатуру в корпусі, надрукованому на 3D-принтері або виготовленому на заводі.

Створення спеціальної клавіатури є дуже корисним, але вимагає значних навичок проектування, кодування та виготовлення, а також доступу до необхідних джерел компонентів і виробничих послуг.

Компоненти, що використовуються в друкованих платах клавіатури

Ключові компоненти, які складають функціональну схему друкованої плати клавіатури, включають:

Блок живлення – Клавіатури використовують живлення +5 В або +3.3 В, що подається через їхній хост-інтерфейс (USB/бездротовий). Також може бути вбудована система регулювання напруги.

Мікроконтролер – обробляє натискання клавіш, запускає світлові ефекти, керує дротовим/бездротовим зв'язком тощо. Прикладами мікроконтролерів є Atmega32, RP2040, Elite-C.

Перемикачі – Дискретні механічні клавішні перемикачі або матриці гумових купольних перемикачів, що використовуються для введення даних користувачем.

Діоди перемикача – використовуються для запобігання проблемам з ореолом матриці електричних перемикачів, що дозволяє одночасно натискати більше клавіш.

Світлодіоди клавіш – вбудовуйте одноколірні або RGB-світлодіоди під кожною клавішею для підсвічування та ефектів.

Підтягувальні резистори – використовуються для надійного перемикання та запобігання помилковим спрацьовуванням.

Захист від електростатичних розрядів – захищає чутливу електроніку керування від електростатичних розрядів.

Фільтруючі конденсатори – зменшують електричні перешкоди на лініях передачі даних клавіатури.

Інтерфейс зв'язку – дротові інтерфейси, такі як USB, або бездротові, такі як Bluetooth, для підключення до хоста.

Порівняння стандартних і механічних клавіатурних плат

Існують деякі помітні відмінності між основними друкованими платами клавіатур на основі мембрани та друкованими платами механічних клавіатур:

• Механізм перемикання – Мембранні клавіатури використовують друковані схеми на гнучкій мембрані, яка згинається під час натискання. Механічні клавіатури мають окремі перемикачі для кожної клавіші.
• Тактильний зворотний зв'язок – Мембранні клавіатури мають мінімальний тактильний зворотний зв’язок із м’яким м’яким відчуттям. Механічні перемикачі забезпечують точний тактильний і звуковий зворотний зв'язок з чітким натисканням.
• Налаштування перемикача – Механічні клавіатури дозволяють використовувати різні спеціалізовані типи перемикачів відповідно до уподобань користувача. Мембранні клавіатури пропонують мінімальні налаштування або перемикання.
• Тривалість життя – Окремі механічні перемикачі розраховані на 50+ мільйонів натискань клавіш. Мембранні клавіатури зношуються після 5-10 мільйонів натискань, що призводить до поломок.
• Обробка сигналу – Мембранні клавіатури використовують пасивну ємнісну чутливу матрицю. Механічні клавіатури використовують активне цифрове перемикання, для якого потрібні діоди.
• Коштувати – Механічні клавіатурні друковані плати з дискретними перемикачами коштують у рази дорожче мембранних клавіатурних друкованих плат.

Загалом механічні клавіатури пропонують чудову довговічність, можливість налаштування та досвід користувача порівняно з мембранними конструкціями.

Загальні розміри друкованої плати клавіатури

Плати клавіатури бувають різних розмірів залежно від кількості включених клавіш. Деякі поширені розміри:

• 40% – Ультракомпактний формат із буквеними клавішами та деякою пунктуацією. Потрібні комбінації клавіш Fn.
• 60% – Містить буквені клавіші, модифікатори, стрілки, але не має функціональних і навігаційних клавіш. Популярний «покерний» розмір.
• 65% – Подібно до 60% із доданими спеціальними клавішами зі стрілками. Використовується в деяких ноутбуках.
• 75% – Містить алфавітні клавіші, модифікатори та функціональні клавіші, але не містить цифрової клавіатури.
• 80%/TKL – Без клавіші без цифрової клавіатури, але присутні всі інші клавіші.
• 100% – Повнорозмірна дошка з вбудованою цифровою панеллю та всіма клавішами. Найпоширеніший формат ПК.

Менші розміри плати клавіатури використовуються для максимальної мобільності, тоді як більші розміри оптимізують продуктивність. Контекст програми керує вибором розміру.

Розробка макета друкованої плати клавіатури

Компонування друкованої плати впорядковує компоненти та маршрути їх підключення для реалізації схеми клавіатури в реальних фізичних обмеженнях:

• КОМПОНЕНТИ ПОЗИЦІЇ – мікроконтролер, роз’єми, перемикачі, згруповані функціонально та розміщені відповідно.
• МАРШРУТИЗАЦІЯ МАТРИЦІ – Оптимізована матриця перемикань, що з’єднує рядки/стовпці, надійно виявляє натискання клавіш.
• СХЕМИ КЕРУВАННЯ – високошвидкісні маршрути мінімальної довжини для MCU.
• ІЗОЛЯЦІЯ – Тримайте зашумлені цифрові сліди подалі від аналогових чутливих.
• ФОРМ-ФАКТОР – положення компонентів відповідають зовнішнім обмеженням корпусу клавіатури.
• СПОСОБНІСТЬ ОБСЛУГОВУВАННЯ – тестові точки надаються для підтвердження функціональності.
• ВИГОТОВЛЕННЯ – Розглянуто процеси виробництва дощок з високою продуктивністю.

Добре спланована розкладка друкованої плати клавіатури мінімізує складність і перехресні перешкоди, водночас їх легко виготовити та зібрати в об’ємі.

Вибір товщини міді PCB для клавіатур

Товщина міді друкованої плати залежить від необхідної пропускної здатності по струму:

• Стандартні траси клавіатури передають лише низький рівень сигналу струму, тому 1 унція. мідь (35 мкм) типова.
• Деякі спеціальні ігрові клавіатури з підсвічуванням RGB використовують важчі 2 унції. мідь (70 мкм) для роботи з більшими світлодіодними струмами без перепадів напруги.
• Максимально допустима ширина доріжки друкованої плати та зазор також впливають на вибір ваги міді.

У більшості випадків 1 унція. мідь забезпечує правильний баланс провідності та технологічності для клавіатурних друкованих плат, враховуючи їх низькі потреби в електроенергії.

Стилі монтажу перемикачів у друкованих платах клавіатури

Механічні перемикачі клавіатури фізично монтуються на друкованій платі за допомогою паяних з’єднань або гнізд для гарячої заміни:

Паяні – клеми перемикача припаяні безпосередньо до контактних майданчиків друкованої плати для електричного з'єднання та механічного закріплення перемикача. Забезпечує надійну та довговічну фіксацію, але не є знімними.

Роз'єм для гарячої заміни – Роз'єм для контактів роз'єму попередньо припаяний до друкованої плати, а контакти перемикача підключаються до цього роз'єму без необхідності паяння. Дозволяє замінювати перемикачі, але роз'єми можуть зношуватися через багаторазові цикли вставки.

Клавіатури з можливістю гарячої заміни потребують пластини для посилення кріплення перемикача, тоді як паяні клавіатури можуть не використовувати пластину, якщо товщина є обмеженням. Бажана гнучкість налаштування визначає вибір між конструкціями друкованої плати клавіатури з паяною та гарячою заміною.

Вибір матеріалу пластини друкованої плати клавіатури

Пластини, встановлені на друковані плати клавіатури, зазвичай виготовляються з використанням:

Алюміній – найпоширеніший матеріал для клавіатурних пластин. Забезпечує жорсткість при малій вазі. Обробка на верстаті з ЧПК з високою точністю. Можна анодувати в різні кольори. Мінімальна вартість.

Нержавіюча сталь – забезпечує найбільшу механічну жорсткість, але важча. Низький рівень корозії та деякі естетичні налаштування, такі як фарбування.

Латунні пластини – латунні пластини відомі своєю м’якшою амортизацією, що забезпечує ледь помітний ефект амортизації. Вони створюють нижчий звук порівняно з алюмінієвими пластинами та часто вибираються для поглинання звуку. Латунні пластини можуть збільшувати вагу клавіатури через свою щільність.

Вуглецеве волокно – дуже легкий та жорсткий варіант. Візуально привабливий з плетеним покриттям. Коштує значно дорожче, ніж алюміній.

Акрил – недорогий пластиковий варіант. Дозволяє використовувати напрямні світла по краях у поєднанні зі світлодіодами підсвічування. Більша гнучкість, ніж у металевих пластин.

Пластина FR4 – пластини FR4 часто обирають для бюджетних клавіатур через їхню доступність. Вони пропонують виразний звуковий профіль з глибшим тоном порівняно з алюмінієвими пластинами. Однак варто зазначити, що пластини FR4 мають тенденцію приглушувати загальний звук клавіатури, потенційно знижуючи її яскравість.

Акрилова пластина – акрилові пластини зазвичай не рекомендуються, якщо вони не мають достатньої товщини. Тонкі акрилові пластини несуть ризик розтріскування або руйнування. Товстіші акрилові пластини можуть створювати глибший звуковий профіль, подібний до інших пластикових пластин.

Полікарбонат – ще одна пластикова альтернатива з хорошою міцністю та прозорістю для світлових ефектів. Забезпечує помірний тактильний зворотний зв'язок.

Бажана структурна жорсткість, вага, довговічність, вартість і косметичні переваги керують вибором матеріалу пластини під час проектування друкованої плати клавіатури.

Процес виробництва друкованої плати Kayboard

Тестування друкованої плати клавіатури

Комплект клавіатурної плати

Висновок

Плати клавіатури охоплюють різноманітний спектр технологій, розроблених для широкого простору застосування, що охоплює споживчу, промислову та нішеву сфери. Ця стаття містить цілісний огляд різноманітних міркувань, пов’язаних із розробкою оптимізованих систем клавіатурних плат на основі контекстних вимог.

Розуміючи взаємозалежні зв'язки між матеріалами друкованих плат клавіатури , вибором механічних перемикачів, факторами компонування та маршрутизації, можливостями мікроконтролера, варіантами інтерфейсу та середовищами використання, інженери-конструктори можуть робити розсудливий вибір для створення настроюваних, високопродуктивних та надійних реалізацій клавіатур.