Как изготавливают клавиатуру компьютера: подробное описание процесса

Клавиатура внешне устроена, вроде бы, не очень сложно. На ней размещено довольно много расположенных определенным образом кнопочек, на которые нанесены изображения символов. Нажимаешь на кнопочку, и на экране компьютера или гаджета появляется соответствующая буква, цифра, знак препинания, пробел (то есть пустота вместо символа).

Также, используя клавиши клавиатуры, пользователь может управлять поведением курсора, двигать его по экрану в разные стороны. Кроме того, можно подключать и отключать разные функции компьютера или ноутбука с помощью так называемых функциональных клавиш клавиатуры.

Содержание:
1. Об устройстве механической клавиатуры
2. Сборка компонентов на печатных платах клавиатуры

3. Пайка электронных компонентов на плате и нанесение символов на клавиши
4. Окончательная сборка клавиатуры и ее тестирование

5. Электроника с механикой «в одном флаконе»
6. Почему клавиатура не любит грязь и жидкости

Как ввести большой текст в компьютер? Если текст уникальный, что называется, «из головы», то без клавиатуры обойтись трудно. Конечно, виртуальные экранные клавиатуры позволяют вводить текст прямо с экрана компьютера или гаджета без использования «механической» клавиатуры. Тем не менее, использовать виртуальные клавиатуры для ввода больших текстов сложно. Тут не придумано пока иной замены обычной компьютерной клавиатуре.

Об устройстве механической клавиатуры

Как изготавливают клавиатуру компьютера? Как удается создать такое надежное и долговечное устройство с множеством кнопочек? Ведь у кнопок должен быть большой ресурс. Тогда они будут служить верой и правдой, не западать, не выпадать, не вибрировать, не заклинивать и прочее. И как нажатия на эти кнопочки приводят к тому, что в компьютер попадают соответствующие сигналы?

Чтобы лучше понять устройство клавиатуры, следует сначала обратить внимание на маленькую микросхему или микрочип размером не более зёрнышка. Этот компонент находится в центре печатной платы (рис. 1), установленной внутри клавиатуры, и передающей поток информации от клавиатуры к компьютеру.

Рис. 1. Чип расположен в самом центре печатной платы будущей клавиатуры.

Несмотря на свой предельно маленький размер, каждый такой микрочип имеет встроенную микросхему. Микросхема следит за каждым нажатием клавиши или комбинации клавиш. И следом логическая цепь внутри микросхемы определяет, какую команду требуется передать компьютеру.

Такие команды передаются в компьютер либо по проводу, соединяющую клавиатуру с компьютером через порты USB или (что встречается реже) через порты PS-2. Либо сигналы с клавиатуры на компьютер передаются с помощью радиосвязи, если клавиатура беспроводная: клавиатура BlueTooth или клавиатура с устройством приема сигнала, подключаемым к порту USB компьютера.

Сборка компонентов на печатных платах клавиатуры

Теперь поговорим о сборке клавиатуры в заводских условиях. Когда микро-чип установлен на печатной плате клавиатуры, этот чип должны быть присоединен к другим более крупным схемам на платах. Для этого с помощью микросварки присоединяют микрочип к плате с крошечными алюминиевыми проводами толщиной в 1 мм.

После установки всех чипов на плату, соединения микро-чипов с проводками проверяют, чтобы сигналы от клавиш обязательно доходили через алюминиевый провод до чипа и обратно. Если плата проходит такой тест, далее чип покрывается чёрным клеем (рис. 2). Это необходимо для того, чтобы изолировать места соединений и одновременно несколько упрочить всю конструкцию. Ведь потом такие соединения должны будут служить долго и безупречно.

Рис. 2. Заливка клеем установленного и проверенного микрочипа на печатной плате будущей клавиатуры.

Рабочие, собирающие клавиатуры на производстве, добавляют электронные компоненты на обратную сторону платы (рис. 3). Компоненты контролируют поток электрических сигналов на плате. Затем добавляют резисторы, предназначенные для создания сопротивления протекающему электричеству. Следом устанавливают конденсаторы, которые служат для временного накопления электричества, чтобы выравнивать уровни сигналов от клавиш клавиатуры к чипу.

Рис. 3. Установка электронных компонентов на печатную плату будущей клавиатуры.

После установки компонентов, на каждую плату монтируют по 3 светодиода (рис. 4). Они нужны для сигнализации пользователю клавиатуры о режимах работы клавиатуры. Например, чтобы показывать включение:

• клавиши NumLock (включение цифровой клавиатуры),
• CapsLock (постоянное включение регистра для печати только большими заглавными буквами) и
• ScrollLock (запрет прокрутки экрана монитора – режим «замирания» экрана).

Рис. 4. Смонтированные светодиоды на печатной плате будущей клавиатуры.

Образно описанные выше соединения микро-чипов, резисторов, конденсаторов, светодиодов и других радиоэлектронных компонентов позволяют реализовать такую схему работы клавиатуры, когда нажатие на ту или иную клавишу клавиатуры приводит к порождению одного единственного уникального сигнала (или серии сигналов, если речь идет, например, о переключении режимов работы ноутбука с помощью функциональных клавиш).

Кто разрабатывает и кто производит клавиатуры

Схемы работы клавиатуры разрабатывают радио инженеры, разбирающиеся в особенностях цифровой радиоэлектроники. Они-то точно знают, как нужно соединить между собой те или иные радиоэлементы, чтобы в своей работе они порождали только те сигналы, что нужны для передачи точной и однозначной информации из клавиатуры на компьютеры и ноутбуки.

Производственники, инженеры от производства, разрабатывают, глядя на схемы радиоинженеров, печатные платы с тем, чтобы на них воспроизвести один в один замысел радиоинженеров. В общем, всем работы хватает! Само же производство, рабочие на производстве, их начальники следят за тем, чтобы собираемые ими клавиатуры были именно такими, как их задумали радиоинженеры и инженеры (конструкторы, технологи) от производства.

Пайка электронных компонентов на плате и нанесение символов на клавиши

Когда все электронные компоненты установлены на плате, они проходят через печь с нагретым расплавленным оловом,точнее с припоем (рис. 5). Припой в большей части состоит из олова, но есть в нем и другие добавки, например, флюс, позволяющий обезжиривать спаиваемые между собой поверхности. Припой после застывания в результате охлаждения платы, прошедшей через печь, намертво закрепляет и удерживает крошечные провода на плате, завершая таким образом сборку электрических цепей, соединений между отдельными элементами (чипами, резисторами, конденсаторами, проводниками) печатной платы.

Рис. 5. Отправка собранных печатных плат будущих клавиатур в печь для пайки припоем радиоэлектронных компонентов.

Далее, пока припой остывает, на пластмассовые клавиши будущей клавиатуры наносят буквы, цифры и символы, обозначающие функции каждой будущей клавиши. Обозначения символов вырезаются на клавишах с помощью лазера. Невидимый глазом, но реально существующий и имеющий требуемую для расплавления пластмассы температуру луч лазера испаряет покрытие на клавише и обнажает под ним пластмассу другого цвета. Процесс рисования символов выполняется  довольно быстро (рис. 6).

Рис. 6. Нанесение символов на клавиши будущей клавиатуры с помощью невидимого простым глазом луча лазера.

Например, покрытие может быть черным, а пластмасса под ним – белая, или наоборот. Также возможны сочетания других цветов: современная пластмасса может быть самых различных цветов. Нанесённые таким способом обозначения, никогда не сотрутся, в отличие от нанесённых краской. Хотя, конечно, портится даже то, что не может портиться – об этом нам говорят шуточные законы Мерфи, «законы бутерброда», о которых всегда приходится вспоминать, когда речь идет о какой-либо пусть даже самой надежнейшей технике.

Все зависит от сроков эксплуатации клавиатуры, от условий, в которых клавиатура находилась. Да и от качества самой пластмассы покрытия и самих клавиш многое зависит. Тем не менее, лазерные технологии нанесения символов на клавиши дают пока самый долговечный результат.

Окончательная сборка клавиатуры и ее тестирование

Когда обозначения нанесены, рабочие «просеивают» клавиатуры в корзине с резиновыми подушечками, пока подушки в результате «взбалтывания» и произвольного перемещения не лягут в свои гнёзда на обратной стороне клавиш. Подушечки создают эффект пружины. Поэтому, после нажатия на любую клавишу, она как бы отпружинивает и возвращается на свое первоначальное место в не нажатое (отжатое, говоря техническим языком) положение.

Затем плата устанавливается в корпус клавиатуры, а следом устанавливают электрическую мембрану с чувствительным переключателем для каждой клавиши на клавиатуре(рис. 7). Переключатели выравнивают под клавишами. Когда клавиша нажата, переключатель подаёт особенный сигнал, который идет через электрическую цепь к крошечному процессору (микро-чипу, с которого мы начали описание процесса сборки клавиатуры) на плате, а затем и в компьютер.

Рис. 7. Установка мембраны с чувствительными переключателями под каждой клавишей будущей клавиатуры.

Когда мембрана окончательно установлена и выровнена под клавишами, клавиатура закрывается пластмассовой крышкой. Затем клавиши тестируют, отбраковывая те, которые были собраны неудачно по разным причинам (рис. 8). Проблемы могут возникать как из-за неправильной сборки клавиатуры, так и из-за неисправных радиоэлементов, которые устанавливаются на печатную плату клавиатуры.

Рис. 8. Тестирование полностью собранной и готовой к работе компьютерной клавиатуры.

Нужно отметить, что современные радиокомпоненты являются качественными, редко попадаются бракованные элементы. И технологии сборки клавиатур отработаны так, что брак будет скорее редкостью, чем частым явлением. Тем не менее, проверка клавиатуры после сборки делается. И теперь уже после проверки клавиатуру можно подключать к компьютеру. И с ее помощью можно будет долго и надежно печатать и вводить необходимые символы и команды.

Электроника с механикой «в одном флаконе»

Компьютерная клавиатура является довольно сложным устройством. Прежде всего это связано с большим количеством механических движущихся частей: кнопки, резиночки, чувствительные к перемещениям радиоэлементы, принимающие сигналы нажатия клавиш. В технике известно, что чем больше механики в изделии, тем оно сложнее и менее надежно.

Добиться высокой надежности и долговечности таких устройств с большим количеством «механики» можно только путем строжайшего соблюдения всех конструкторских и технологических требований. А также за счет высокой надежности всех исходных компонентов, из которых данное изделие собирают. Так что компьютерная клавиатура —  яркий пример того, как можно сделать надежное механическое устройство в наше компьютерное время. Просто более надежная  электроника выходит на первый план и заменяет собой менее надежную механику.

И все-таки клавиатура работает. Работает на радость пользователям компьютеров долго, хоть в ней совсем не по-современному так много механики!

Кстати, иногда лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Особенно если речь идет о мало известных «материях», таких как цифровая электроника, радио инженерия, производство изделий радиоэлектроники. А потому ниже можно посмотреть видео об изготовлении компьютерных клавиатур:

Видео: Компьютерные клавиатуры. Как их делают?

Почему клавиатура не любит грязь и жидкости

Теперь мы представляем себе, как устроена компьютерная клавиатура, что называется, изнутри. Там много разных элементов. Одни из них «намертво» установлены, закреплены и припаяны на печатной плате. Другие же имеют довольно много степеней свободы, чтобы двигаться. Как же иначе, если нужно дать возможность пользователям клавиатуры нажимать на клавиши и получать от них соответствующие отклики?!

Попробуем себе представить, что внутрь клавиатуры попадает, скажем, пыль, грязь, а то и вода или иная жидкость, парфюмерия, сладкие газированные напитки и прочее. Пыль, грязь, жидкость обязательно полностью или частично останутся на внутренних элементах клавиатуры. Посторонние предметы и жидкости  загрязнят внутренние элементы. Также они могут лишить их возможности полноценно двигаться в такт нажатиям на клавиши.

Что и говорить про некоторые составы. Некоторые из них вообще в состоянии растворить лак, которым покрывают печатные платы. Такие составы могут испортить соединение микро-чипа с печатной платой, лишить эластичности «резинки» и подушечки. И тогда уже никто не даст никаких гарантий того, что клавиатура дальше будет работать, как надо.

Так чаще всего и ломаются клавиатуры: из-за попадания внутрь пыли и грязи, которой предостаточно в домах и офисах или, тем более, на улицах. Иногда на клавиатуры банально проливают напитки. Такие клавиатуры называют на языке ремонтников «утопленниками». Мало что помогает таким клавиатурам, далеко не всегда спасает чистка. В итоге загрязненная или залитая клавиатура идет в утиль.

Особенно уязвимы в этом отношении клавиатуры в ноутбуках. Ведь под клавиатурами переносных компьютеров — ноутбуков находятся все остальные его компоненты. Значит пыль, грязь и жидкости будут попадать внутрь не только клавиатуры, но на все остальные детали компьютера. Ноутбуки часто ломаются именно из-за попадания внутрь посторонних предметов и жидкостей через клавиатуру. Увы, проливаем напитки и воду прямо на нее!

Ремонт клавиатуры: стоит ли овчинка выделки

Поврежденную клавиатуру почти никогда не целесообразно ремонтировать, кроме клавиатур ноутбуков. Клавиатуры, которые стали работать нестабильно (например, отдельные клавиши перестали откликаться) или вообще отказываются работать, обычно заменяют на другую. Новая клавиатура подключается вместо старой, вот и весь ремонт.

В ноутбуках, если отказала основная клавиатура, можно воспользоваться внешней дополнительной клавиатурой. Она подключается к одному из портов USB ноутбука. Правда, такая замена основной клавиатуры ноутбука на внешнюю клавиатуру не всегда бывает эквивалентной. Например, могут перестать работать функциональные клавиши ноутбука, которые несут большую смысловую нагрузку, управляют переключениями режимов его работы. Также при настройках BIOS ноутбуков внешняя клавиатура может не работать. А BIOS настраивают, как правило, только с помощь основной клавиатуры ноутбука, мышка здесь не помогает.

При нормальном же уходе (беречь, периодически аккуратно чистить снаружи) клавиатуры обычно работают долго даже у тех, кто много ими пользуется. Благодаря своим конструкциям и применяемым методам изготовления компьютерные клавиатуры позволяют длительное время плодотворно ими пользоваться.

Дополнительные материалы:

1. Экранная клавиатура Windows 8

2. Старый ноутбук: выбросить нельзя оставить?

3. Как на ноутбуке включить или отключить тачпад?

4. Как писать на русском, не имея русской клавиатуры?