چطور PCB کیبوردهای مکانیکی کار میکند؟ (به زبان خودمانی)

توی این مطلب، میخواهیم به تمام بخشهایی که یک PCB کیبورد مکانیکی رو میسازن بپردازیم و بررسی کنیم که هر کدوم از این اجزا چه تأثیری روی کارکرد شما در هنگام استفاده از کیبورد دارن.

PCB کیبورد چیه و چه کاری انجام میده
برد PCB توی کیبورد همون نقشی رو داره که مادربرد توی کامپیوتر. این قطعه، پایه و اساس برقرسانی و عملکرد کیبورد رو مدیریت میکنه. اگه به کیبوردهای مکانیکی علاقه دارید، بهتره با این قطعهی کلیدی آشنا بشید و بدونید چطور با بقیه اجزای کیبورد هماهنگ میشه تا بهرهوری شما رو بالا ببره.
توی این مقاله قراره یک نگاه عمیق و تخصصی به PCB کیبوردهای مکانیکی داشته باشیم؛ اینکه این بردها چی هستن، چطور کار میکنن، چه طراحیهایی دارن و چه نکات مهمی باید دربارهشون بدونی
توی این مقاله قراره چه چیزهایی بررسی بشه؟
این مقاله رو با یک نگاه فنی به PCB کیبوردهای مکانیکی شروع میکنیم. از اینکه این برد دقیقاً چی هست و چه وظایفی داره گرفته تا طراحیهای مختلف و نکات مهمی که دونستنشون میتونه مفید باشه. هر چیزی که باید دربارهی PCB یک کیبورد مکانیکی بدونید رو با هم بررسی میکنیم.
PCB کیبورد دقیقاً چیه؟

PCB که مخفف عبارت Printed Circuit Board هست (گاهی بهش برد سیمکشی چاپی هم میگن)، توی بیشتر دستگاههای الکترونیکی پیدا میشه. از کامپیوتر و موبایل گرفته تا کنترلهای تلویزیون، سیستمهای صوتی، جاروبرقی و خیلی وسیلههای دیگه. توی کامپیوترها، PCB با اسم مادربرد شناخته میشه که احتمالاً باهاش آشنایید.
اما PCB کیبورد چطوریه؟ این برد، شباهت زیادی به مادربرد کامپیوتر داره؛ یه قطعهی نازک و تخت که مدارهای کیبورد روی اون ساخته میشن. کار اصلیاش اینه که اجزای کیبورد رو به هم وصل کنه و اطلاعات رو بین کیبورد و کامپیوتر منتقل کنه.
اجزای اصلی کیبوردهای مکانیکی
سه بخش اصلی که هر کیبورد مکانیکی بر پایهی اونها ساخته میشه، شامل PCB، کلیدها (سوئیچها)، و نرمافزار (Firmware) هستن. هر کدوم از این بخشها نقش خاصی توی عملکرد کیبورد دارن، ولی این سه بخش تعیینکنندهی ویژگیهای اصلی کیبورد هستن. مثلاً سرعت، دقت و قابلیت برنامهریزی کیبورد به این اجزا وابسته است.
PCB کیبوردهای مکانیکی چطوری کار میکنه؟

توی هر کیبورد مکانیکی، هر کلید (سوئیچ) به برد PCB وصل شده. وقتی کلیدی رو فشار میدید، این سوئیچها اطلاعات رو به PCB منتقل میکنن. برد PCB این سیگنالها رو دریافت و پردازش میکنه تا به کامپیوتر برسونن. به این ترتیب، هر بار که کلیدی رو میزنید، نتیجه به سرعت روی صفحه نمایش نشون داده میشه.
وقتی یک کلید روی کیبورد مکانیکی رو فشار میدید، این عمل باعث اتصال به سوئیچی میشه که زیر کلید قرار داره. این سوئیچ که سیستمش شبیه فنر عمل میکنه، با فشردن سیگنالهایی تولید میکنه. بعد از اون، این سیگنالها به PCB ارسال میشن و PCB هم این سیگنالها رو به کامپیوتر منتقل میکنه. کامپیوتر این اطلاعات رو پردازش و تفسیر میکنه و بعد، اقدام مناسب رو انجام میده یا کاراکتر مربوطه رو روی صفحهنمایش نشون میده.
عملکرد کیبوردهای سیمی و نقش PCB
در کیبوردهای سیمی که اکثر کیبوردهای مکانیکی هم جزو این دسته هستن، PCB سیگنالها رو از طریق کابلهای UTP (زوج بههم تابیده بدون محافظ) یا STP (زوج بههم تابیده با محافظ) منتقل میکنه. کابلهای UTP بیشتر در کیبوردهای قدیمی که از اتصال PS/2 استفاده میکردن، دیده میشن. این کابلها با کامپیوترهای قدیمی دهه ۹۰ میلادی سازگار بودن. اما کیبوردهای مدرن، بیشتر از کابلهای STP که به پورت USB وصل میشن، استفاده میکنن.
وقتی سیگنالها از طریق کابل به کامپیوتر منتقل میشن، CPU براساس برنامهای که در اون لحظه اجرا شده، این سیگنالها رو تفسیر میکنه. مثلاً توی یک نرمافزار ویرایش متن، وقتی کلیدی رو فشار میدید، کاراکتر مربوطه فوراً روی صفحه ظاهر میشه. اما توی برنامهای دیگه، ممکنه فشار دادن همون کلید معنی متفاوتی داشته باشه، مثل یک دستور حرکتی. حتی کلید Enter هم بسته به نرمافزار و نوع استفاده، ممکنه به معنی رفتن به خط بعد توی یک متن باشه یا اجرای یک دستور خاص.
ارسال و دریافت اطلاعات توسط PCB
برد PCB فقط وظیفه ارسال اطلاعات از کیبورد به کامپیوتر رو نداره؛ بلکه گاهی بازخوردهایی هم از کامپیوتر دریافت میکنه. مثلاً اگه کلیدی رو بیش از حد سریع یا محکم فشار بدید، ممکنه کیبورد یک هشدار نوری بده یا وقتی اتصال بلوتوث برقرار بشه، چراغ مخصوصی روشن بشه. این اتفاق به این دلیل میافته که کامپیوتر سیگنالهایی به PCB ارسال کرده و PCB این اطلاعات رو به سوئیچ مربوطه منتقل کرده. سوئیچ هم بازخورد رو به شکل نور یا علامت به شما نشون میده.
یک مثال کاربردیتر، برنامهریزی کیبورد با ابزارهایی مثل QMK یا VIA هست. در این حالت، اطلاعات از کامپیوتر به PCB منتقل میشه تا تنظیمات خاص روی کیبورد اعمال بشه. به این ترتیب PCB نه تنها نقش ارتباطدهنده بلکه مسئول اعمال تغییرات و بازخورد هم هست.
چه نوعهایی از PCB کیبورد وجود داره؟

PCBهای کیبورد از نظر اندازه، طراحی، شکل و حتی رنگ متفاوت هستن. هر PCB برای اهداف خاصی طراحی شده و وقتی تمام قطعات روی اون نصب بشن، عملکرد کلی کیبورد رو تعیین میکنه.
PCBها رو میشه به روشهای مختلف دستهبندی کرد. مثلاً بر اساس نوع سوئیچی که برای اون طراحی شدن. در این صورت، PCB کیبوردهای مکانیکی، PCB کیبوردهای ممبرین و PCBهای ترکیبی وجود دارن. اخیراً PCBهای Hall-effect به خاطر امکان تنظیم فاصلهی تحریک کلیدها محبوبیت زیادی پیدا کردن.
PCBهای کیبورد رو همچنین میشه بر اساس اندازهشون دستهبندی کرد، همونطور که کیبوردها در اندازههای مختلف ساخته میشن. اگه بخواید کیبورد رو از ابتدا بسازید، اندازهی PCB به اندازهی کیبوردی که قصد ساختش رو دارید بستگی داره، چون نمیشه از بردی که خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشه استفاده کرد. معمولاً اندازهی کیبوردها به صورت درصدی مشخص میشه و PCBها هم همینطور. البته گاهی هم اندازهی کیبوردها بر اساس تعداد کلیدهاشون توضیح داده میشه، مثل کیبوردهای بدون پد اعداد (tenkeyless) یا اندازهی کامل (full-size).
با توجه به اینکه تمرکز ما توی این بحث روی کیبوردهای مکانیکی هست، بیشتر به انواع PCBهایی که برای این نوع کیبوردها استفاده میشن، میپردازیم، از جمله:
- PCB کیبورد قابل تعویض بدون لحیمکاری
یکی از مراحل ساخت کیبورد، ثابت کردن سوئیچ برای هر کلیده. دو روش برای این کار وجود داره: لحیمکاری هر سوئیچ یا استفاده از سیستم قابل تعویض بدون لحیمکاری. لحیمکاری روش معمول برای نصب سوئیچها روی کیبورده، اما این روش زمانبره. در مقابل، سیستم قابل تعویض بدون لحیمکاری روشی سریعتر و سادهتر برای نصب سوئیچهاست.
بردهای PCB خاصی وجود دارن که امکان تعویض سوئیچها بدون نیاز به لحیمکاری رو فراهم میکنن. این بردها به عنوان PCB کیبورد قابل تعویض بدون لحیمکاری شناخته میشن.
- PCB کیبورد لحیمشده
PCBهای لحیمشده، بردهای سنتی هستن که امکان تعویض سوئیچها به صورت بدون لحیمکاری رو فراهم نمیکنن. البته، اگه مایل باشید مراحل فنی و کمی پیچیدهای رو طی کنید، میتونید یه PCB معمولی رو به بردی قابل تعویض بدون لحیمکاری تبدیل کنید. این کار با لحیمکردن سوکتهای مخصوص در تمام نقاط اتصال سوئیچها روی PCB امکانپذیره.
- PCB کیبورد گیمینگ و RGB
درسته که میشه از یه PCB استاندارد برای گیمینگ استفاده کرد، اما بعضی از بردها بهطور خاص برای تجربهی بهتر و لذتبخشتر بازی طراحی شدن. این بردها معمولاً ویژگیهایی مثل نورپردازی RGB یا LED و دوام بالا دارن که میتونن استفادهی سنگین و مداوم در گیمینگ رو تحمل کنن.
از نظر عملکرد گیمینگ، محبوبترین PCBهای گیمینگ از سوئیچهای اپتیکال یا Hall-effect استفاده میکنن. سوئیچهای اپتیکال با نور کار میکنن، درحالیکه سوئیچهای Hall-effect با استفاده از آهنربا عمل میکنن. هر دو نوع سوئیچ امکان تنظیم فاصلهی تحریک رو فراهم میکنن، یعنی میتونید فاصلهی تحریک کوتاهتری رو برای بازی تنظیم کنید.
- PCB کیبورد لپتاپ
این نوع PCBها بهگونهای طراحی شدن که توی فضای کوچک کیبوردهای لپتاپ جا بشن و همچنان امکان استفاده از تمام کلیدهای مهم رو فراهم کنن. کیبورد استانداردی که همه کلیدها رو داشته باشه، بزرگتر از کیبورد لپتاپیه که همون کلیدها رو در اختیار داره. PCBهای کیبورد لپتاپ طوری طراحی شدن که فضای موجود رو بهینه کنن و کلیدهای مهمی مثل تنظیم روشنایی و کنترل صدا رو هم در خودشون جای بدن.
- PCB کیبورد سیمی و بیسیم
کیبورد سیمی از طریق کابل به کامپیوتر متصل میشه، در حالی که کیبورد بیسیم با روشهایی مثل بلوتوث یا ارتباط مادون قرمز کار میکنه. PCBهای خاصی وجود دارن که با ویژگیهای هر کدوم از این کیبوردها سازگار هستن.
یه PCB کیبورد میتونه ترکیبی از چند ویژگی خاص رو داشته باشه. مثلاً یه PCB مکانیکی ممکنه هم قابل تعویض بدون لحیمکاری باشه و هم انعطافپذیر. اما باید در نظر داشته باشید که هر چقدر ویژگیهای بیشتری از یه PCB بخواید، اون برد خاصتر و گرونتر میشه.
اجزای PCB کیبورد مکانیکی شامل چه چیزهایی میشن؟
شاید PCB رو بهعنوان قطعهای تصور کنید که بقیه اجزای کیبورد مثل سوئیچ روی اون قرار میگیرن، و این اشتباه نیست. اما نقش PCB فراتر از اینه. خود PCB کیبورد یه سیستم جداگانهست که از اجزای ریز و مختلفی تشکیل شده. با این حال، همهی این اجزا نقشهای مهمی توی عملکرد کلی PCB دارن. اگه دقیق به یه PCB نگاه کنید، شاید سیمهای خیلی ریزی رو ببینید که روی سطح اون قرار گرفتن، درست مثل سیمکشی روی یه دیوار یا تخته. این ساختارهای تعبیهشده شامل اجزای مختلفی با ویژگیهای رسانا یا عایق هستن.
اجزای PCB کیبورد مکانیکی به سه بخش اصلی تقسیم میشن: پردازنده، مدار اسکن و ماتریس.
- پردازنده
پردازنده (یا میکروپردازنده) یه چیپ الکترونیکیه که وظیفه پردازش تمام اطلاعات، دستورالعملها و سیگنالهایی که از سوئیچها یا کامپیوتر وارد PCB میشن رو بر عهده داره. اکثر PCBهای کیبورد از معماری ATmega، مثل چیپ ATmega32U4 استفاده میکنن، اما کیبوردهای جدیدتر بیشتر به معماری STM32 (مبتنی بر ARM) روی آوردن، چون عملکرد بهتری دارن و هزینهشون نسبتاً کمتره.
- ماتریس
ماتریس مجموعهای دیگه از مدارهای به هم پیوسته روی PCB هست. این مدارها دقیقاً در امتداد خطوط سطرها و ستونهای کلیدهای کیبورد قرار گرفتن. طراحی این مدارها به صورت ماتریس انجام شده تا قابلیت جلوگیری از تداخل کلیدها (anti-ghosting) رو فراهم کنه و تعداد پینهای مورد نیاز در میکروکنترلرها رو کاهش بده.
این مدارها سیگنالها رو دریافت میکنن و بلافاصله اطلاعات هر کلید فشار داده شده رو به میکروکنترلر (MCU) ارسال میکنن تا MCU این اطلاعات رو به نرمافزار منتقل کنه. به خاطر همین اتصال مدارها به صورت سطر و ستون هست که این سیستم رو ماتریس مینامن.
ویژگیهای فنی دیگهای که PCB کیبورد مکانیکی رو تشکیل میدن چی هستن؟

خیلی از مشخصات فنی دیگه هستن که هر PCB کیبورد رو از بقیه متمایز میکنن. این مشخصات شامل عواملی مثل ضخامت، اندازه، مواد استفادهشده، روش آبکاری و موارد دیگه میشن. بیاید به چند تا از اونها نگاه کنیم:
- ضخامت PCB
ضخامت یکی از ویژگیهای مهم PCB به دلایل مختلفه. ضخامت PCB تعیین میکنه کیبورد چقدر سفت یا انعطافپذیر (معروف به "flexy") حس بشه. هر چقدر PCB ضخیمتر باشه، موقع تایپ کردن مقاومت یا سفتی بیشتری احساس میکنید. اگه PCB خیلی نازک باشه، ممکنه سوئیچها سریعتر فرسوده بشن و خراب بشن. رایجترین ضخامت PCB، ۱.۵ میلیمتره، اما PCBهایی با ضخامت ۱.۲ میلیمتر هم معمولاً دیده میشن.
- اندازه برد مدار
اندازه برد مدار PCB تعیین میکنه چه ابعاد و طرحبندیای برای کیبورد قابل استفاده باشه. کیبوردهای مکانیکی استاندارد معمولاً عرضی حدود ۶۰ میلیمتر و طولی حدود ۱۸ میلیمتر دارن. طرحهای بزرگتر مثل ۱۰۰% از بردهای مداری بزرگتر از طرحهای ۶۰% استفاده میکنن.
- ضخامت لایه مس
این ویژگی میزان مس استفادهشده روی PCB رو نشون میده. PCBها از مس برای انتقال سریعتر سیگنالهای الکتریکی استفاده میکنن. همچنین، هر چقدر مس بیشتری استفاده بشه، دوام PCB بالاتر میره چون زمان بیشتری طول میکشه تا مس دچار خوردگی بشه و انتقال سیگنال تحت تأثیر قرار بگیره.
- تعداد لایهها
هر چقدر تعداد لایههای PCB بیشتر باشه، ضخامتش هم بیشتر میشه و احتمالاً دوامش هم بالاتر میره. با این حال، PCBهای ضخیمتر معمولاً گرونتر هستن. بهطور کلی، اکثر PCBهای کیبورد از دو لایه استفاده میکنن، اما بسته به اندازه PCB و تعداد اجزا، طراح ممکنه از لایههای بیشتری استفاده کنه تا قطعات رو بهصورت جمعوجور به هم وصل کنه.
سوئیچهای کیبورد چطوری روی PCB نصب میشن؟
برای نصب سوئیچها روی PCB دو روش اصلی وجود داره: نصب روی پلیت و نصب مستقیم روی PCB.
- نصب روی پلیت
در این روش، سوئیچها روی یک پلیت نصب میشن که خودش با پیچ به PCB وصل شده. این نوع نصب سوئیچ روی PCB معمولتره و هزینه کمتری هم داره. سوئیچهایی که روی پلیت نصب میشن، به اسم "سوئیچهای ۳ پین" هم شناخته میشن چون فقط ۳ پین در قسمت پایینی خودشون دارن.
- نصب مستقیم روی PCB
در این روش، سوئیچها مستقیماً روی PCB نصب میشن و در مقایسه با سوئیچهای پلیتمونت، دو پین اضافه دارن؛ به همین دلیل به اونها "سوئیچهای ۵ پین" هم گفته میشه. این دو پین اضافی باعث میشه سوئیچ محکمتر در جای خودش قرار بگیره و برای ساخت کیبوردهای بدون پلیت (plateless) ضروریه.
چه عواملی رو باید موقع خرید PCB کیبورد مکانیکی در نظر گرفت؟
انواع مختلفی از PCB تو بازار وجود داره و همه اونها برای شما مناسب نیستن. در واقع، بسته به ویژگیهایی که تو کیبورد مکانیکی خودتون میخواید، ممکنه فقط تعداد محدودی از اونها با کیبورد شما سازگار باشن. برای اینکه خرید درستی داشته باشید، این عوامل رو باید در نظر بگیرید:
- چیدمان و اندازه PCB
قبل از انتخاب PCB، حتماً اندازه کیبوردی که میخواید رو در نظر بگیرید، چون PCBها هم تو سایزهای مختلفی عرضه میشن. اگه به یه کیبورد کامل با همه کلیدهای معمول نیاز دارید، باید به دنبال PCBهایی با اندازه ۷۰ تا ۱۰۰ درصد باشید. اگه قراره کیبوردتون بیشتر برای ورود داده استفاده بشه، بهتره به سراغ PCB کامل برید که همه کلیدهای موردنیاز رو داشته باشه.
اما اگه کلیدهایی مثل نامپد یا کلیدهای فانکشن برای شما اهمیتی ندارن یا میخواید فضای کمتری اشغال کنید، میتونید یه PCB کوچیکتر با اندازه ۴۰ تا ۶۰ درصد انتخاب کنید که به راحتی تو یه کیبورد جمعوجور جا بشه. خیلیها کیبوردهای ۶۵ درصد رو انتخاب میکنن چون بین ۶۰ درصد و اندازههای بزرگتر یه تعادل خوبه.
- سازگاری با سوئیچها
همونطور که قبلاً گفته شد، PCBهای مختلفی برای انواع کیبوردها وجود داره. همیشه این نکته رو یادتون باشه و مطمئن بشید که PCB انتخابی با سوئیچهای کیبورد مکانیکی شما سازگاره. سوئیچهای مکانیکی هم تو دو نوع اتصال عرضه میشن: سهپایهای و پنجپایهای. بعضی PCBها فقط با یکی از این نوع سوئیچها سازگارن و بعضی دیگه میتونن با هر دو نوع کار کنن.
لحیمکاری یا ویژگی هاتسواپ؟

ظاهر یک PCB لحیمکاریشده با یک PCB هاتسواپ کاملاً متفاوته. انتخاب شما باید براساس نوع نصب سوئیچی باشه که میخواید.
با اینکه نصب و جداسازی سوئیچهای لحیمشده وقتگیره، اما این سوئیچها ثبات بیشتری روی برد دارن. PCBهای لحیمکاریشده معمولاً همهکارهتر و ارزانتر از PCBهای هاتسواپ هستن. همچنین این نوع PCB امکان ایجاد نقاط نصب بیشتر برای سوئیچها رو فراهم میکنه.
از طرف دیگه، PCBهای هاتسواپ مزایای خودشون رو دارن. این PCBها استفاده راحتی دارن و اگه عادت دارید سوئیچهای کیبوردتون رو مرتباً عوض کنید، میتونن انتخاب ایدهآلی باشن. اگه تو ساخت و تست سوئیچها فعالیت دارید، استفاده از یک PCB هاتسواپ باعث میشه بهراحتی سوئیچها رو برای تست نصب و جدا کنید.
در مواردی میتونید یه PCB هاتسواپ رو به نوع لحیمکاریشده تبدیل کنید. در غیر این صورت، ممکنه لازم باشه از یه صفحه نصب استفاده کنید تا ثبات بیشتری داشته باشه.
پشتیبانی از فریمور و سازگاری با نرمافزار

برای کیبوردت یه برد PCB انتخاب کن که با فریمور مورد علاقت سازگار باشه تا مجبور نشی دوباره تنظیمات یا اطلاعات جدیدی روش بریزی. همینطور مطمئن شو که با نرمافزارایی که ممکنه بخوای ازشون استفاده کنی، مثل تنظیمات نور RGB، هماهنگ باشه. معمولاً کیبوردایی که توسط کاربران طراحی شدن از فریمور QMK با پشتیبانی VIA استفاده میکنن، که کار برنامهریزی کلیدا رو خیلی راحت میکنه.
- برند و کیفیت
خب مشخصه که برندهای زیادی برای ساخت بردهای PCB کیبورد وجود دارن، درست مثل برندهای مختلف کیبورد. اما همهی این برندها کیفیت یکسانی ندارن. بسته به نیاز و نوع استفادهات، ممکنه به یه کیبورد مکانیکی با دوام خیلی بالا نیاز داشته باشی. برای اینکه مطمئن بشی کیبوردت دوام لازم رو داره، باید برد PCB باکیفیتی رو انتخاب کنی.
یادت باشه اگه برد PCB خراب بشه، بهطور کلی کیبورد غیرقابل استفاده میشه تا زمانی که بتونی اون برد رو تعمیر یا تعویض کنی. برخلاف سوییچها یا کلاهک کلیدها، بردهای PCB از اون قطعاتی نیستن که بشه مرتب تعویضشون کرد. بردهای خوب معمولاً برای یه عمر طراحی شدن و همونها رو باید هدف قرار بدی.
- قیمت
کیفیت رو باید همیشه به قیمت ترجیح بدی، اما مهمه که تو خرید برد PCB زیادهروی هم نکنی. یادت باشه که برای یه کیبورد مکانیکی، به قطعات دیگهای هم نیاز داری که اونا هم هزینه دارن. قبل از اینکه وارد یه فروشگاه کیبورد بشی، میتونی یه جستجوی آنلاین انجام بدی تا حدود قیمتها دستت بیاد و یه بودجه متناسب با اون در نظر بگیری تا زیادی خرج نکنی.
مهمه که تفاوت بین کیفیت خوب و قیمت بالا رو درک کنی. یه PCB گرون ممکنه کیفیت بالایی هم داشته باشه، اما ممکنه بتونی بردهای دیگهای پیدا کنی که همونقدر خوب باشن ولی قیمتشون کمتر باشه. اگه نمیدونی کدوم برندها خوبن، میتونی با فروشنده مشورت کنی تا بر اساس بودجهات راهنماییت کنه.
- برد نو یا کارکرده
میدونستی میتونی بردهای کارکردهای پیدا کنی که همچنان در شرایط عالی کار کنن؟ بردهای کارکرده همیشه ارزونتر از بردهای نو هستن، اگرچه ممکنه نگرانیهایی بابت دوام و قابلاعتماد بودنشون داشته باشی. اما اگه به یه برد PCB سریع نیاز داری و بودجه زیادی نداری، بردهای کارکرده یه گزینهی خوب هستن.
نتیجه گیری
کیبورد یکی از مهمترین اجزای کامپیوتره و برد PCB همون سختافزاریه که بهش جان میده. این برد بهعنوان پایهای عمل میکنه که همهی اجزای دیگهی کیبورد روی اون سوار میشن و از طریق اون اتصالات مداری کیبورد جریان پیدا میکنن.