Przełączniki, przyciski i klawiatury
Przełączniki, przyciski i klawiatury to grupa popularnych podzespołów elektromechanicznych, łączących w całość wiele branż i aplikacji i będących najważniejszym ogniwem interfejsu człowiek- maszyna w technice. Wprawdzie zmiany technologiczne prowadzą powoli do ograniczenia zapotrzebowania na klasyczne klawiatury i elementy przełączające, niemniej rozwój przemysłu elektronicznego oraz stały trend elektronizacji niemalże każdej dziedziny techniki powodują, że wypadkowe zapotrzebowanie na elementy elektromechaniczne stale wzrasta. Duży asortyment, wielu dystrybutorów, mnóstwo marek i brak jednolitego i jednoznacznego systemu oznaczeń utrudniają dokonywanie wyborów, a nawet orientację w ofertach handlowych poszczególnych firm. Ponadto producenci przez cały czas modyfikują też oferowane komponenty, wprowadzając nowe wykonania mechaniczne, tak aby były one dopasowane do aktualnych potrzeb, co niestety nie sprzyja poprawie tej orientacji.
Jednym z najważniejszych czynników napędowych dla rynku elementów elektromechanicznych jest ogólny rozwój rynku elektroniki, automatyki i wzrost liczby rozwiązań opartych o urządzenia elektryczne i elektroniczne. W każdym z takich miejsc gdzieś pojawia się przełącznik lub przycisk i nierzadko jest ich wiele. Rozwój napędzają także inwestycje, modernizacje starych linii produkcyjnych, urządzeń infrastruktury, obowiązki prawne związane z zapewnieniem bezpieczeństwa użytkowania. Pomaga także dobra koniunktura na rynkach profesjonalnych, w obszarze wojskowym, kolejowym.
Istotne cechy ofert brane pod uwagę przy kupowaniu przełączników i klawiatur
Trzy kryteria wyraźnie wybijają się ponad resztę w zestawieniu najważniejszych cech ofert handlowych w zakresie przełączników, przycisków i klawiatur: cena, krótki termin dostawy oraz jakość produktów. Cena zawsze lokuje się na szczycie tego typu zestawień, tak samo było w poprzednich edycjach naszego raportu, stąd nie ma żadnego zaskoczenia. Co więcej, różnice procentowe w trzech najwyższych słupkach na wykresie są pomijalne. Duże znaczenie terminu dostawy to pokłosie rozchwianych łańcuchów dostaw i problemów z logistyką oraz zaopatrzeniem w materiały. Z kolei zainteresowanie jakością to efekt zmian w całej technice w ostatnich latach i wysokie notowania są normalne dla większości komponentów.
Elektronizacja elektromechaniki
Rozwój technologii półprzewodnikowej w zakresie technologii dotykowych doprowadziła do tego, że wielu producentów zaczęło elektronizować przyciski i przełączniki. Zamiast konstrukcji mechanicznej przenoszącej nacisk palca na położenie styków, aktywują się one przez dotknięcie klawisza. Naturalnie brak elementów ruchomych zapewnia bardzo dużą trwałość mechaniczną i elektryczną, pozwala na wykonanie przycisku w wersji odpornej na wpływ środowiska (szczelnej).
Do budowy takich przycisków wykorzystywane są różne technologie, np. pojemnościowa lub piezoelektryczna. Te pierwsze są tańsze, bo dotyk realizują specjalizowane chipy. Korzyścią jest również, poza trwałością, brak możliwości "oszukania" przycisku np. jego fizycznego zablokowania w pozycji przyciśniętej. Minusem jest to, że reakcja na rękę ubraną w rękawiczkę jest często nieprzewidywalna. Wiele osób krytykuje też brak mechanicznego potwierdzenia zadziałania, opóźnienia pojawiające się pomiędzy dotknięciem klawisza (sensora dotykowego) a reakcją urządzenia. Wada to także konieczność zasilania, brak słyszalnego "kliku" oraz problem z użyciem do przełączania obwodów dużej mocy.
Krzysztof Przymęcki
Qwerty
Jakie właściwości i parametry liczą się w przypadku klawiatur, przycisków i przełączników wandaloodpornych?
Wandaloodporność to zbiór parametrów dzięki którym maksymalizujemy bezpieczeństwo i ochronę przed działaniem z zewnątrz. W przypadku zastosowania klawiatur tego typu najważniejszym czynnikiem jest odporność materiału użytego jako warstwa wierzchnia klawiatury. W Qwerty głównym materiałem wierzchnim, który traktujemy jako wandaloodporny, jest pleksa udaroodporna. Pleksa ta ma udarność 10 kJ/m² w skali wg Charpy’ego. Dzięki temu jest odporna na uderzenia młotkiem.
O ile są to elementy droższe od reszty typowych rozwiązań?
Rozwiązanie tego typu jest droższe niż standardowa klawiatura membranowa, ponieważ sam materiał jest droższy. Natomiast należy patrzeć na problem ceny w szerszej perspektywie. Wytrzymałość dzięki zastosowaniu takiego materiału jest większa, przez co takich elementów nie trzeba wymieniać tak często jak standardowej klawiatury.
Jak dobrze wybierać takie komponenty, co brać pod uwagę?
Przede wszystkim należy brać pod uwagę odporność materiału wierzchniego, ponieważ to najczęściej on ma styczność z człowiekiem. Zastosowanie bezpiecznego szkła hartowanego bądź pleksiglasu z utwardzoną powłoką wpłynie na wytrzymałość całego urządzenia. Można zastosować też poliwęglan, który jest niepalny. Parametr IK (klasyfikacja wytrzymałości mechanicznej) jest określony europejską i międzynarodową normą. Jest to główny parametr, który mówi, jak bardzo urządzenia są odporne na uderzenia i inne uszkodzenia mechaniczne.
Czy jest jedna dominująca technologia przełączania lub która jest najważniejsza (mechaniczna, piezoelektryczna, pojemnościowa)?
Głównie stosuje się technologię pojemnościową. W Qwerty do frontu z pleksi lub szkła hartowanego, korzystając z technologii bondingu, możemy przytwierdzić wyświetlacz z touch panelem. Dzięki temu uzyskujemy możliwość obsługi takiego urządzenia, a warstwa wierzchnia chroni nam elektronikę wewnątrz urządzenia. Bonding zwiększa też wytrzymałość całego produktu, ponieważ zastosowane w tej metodzie kleje poprawiają ogólną odporność na uderzenia.
Po czym poznać, że dany przycisk/klawiatura jest wandaloodporna, jakie kryteria się stosuje?
Moim zdaniem na pierwszy rzut oka, przy zastosowaniu technologii pojemnościowej, ciężko zauważyć, że urządzenie jest wandaloodporne. Szczególnie gdy front umieszczony jest we wpuście całej obudowy.
Jakie są główne aplikacje i obszary zastosowań?
Głównymi miejscami, gdzie można zastosować tego typu rozwiązania są wszelkiego rodzaju elementy użyteczności publicznej, takie jak np. przystanki autobusowe, parkometry czy automaty sprzedaży. Coraz częściej spotkać można tego typu wyroby w ładowarkach samochodów.
W praktyce przyciski pojemnościowe przeznaczone są przede wszystkim do realizacji interfejsu użytkownika. Nie nadają się do przełączania napięć zasilających, bo same wymagają zasilania, wysokich napięć ani też czułych sygnałów z sensorów. Nie da się ich używać w aplikacjach wymagających absolutnej pewności działania (tzw. aplikacje bezpieczeństwa), w warunkach silnych zaburzeń elektromagnetycznych, na przykład blisko pracujących urządzeń do zgrzewania indukcyjnego, suszarek mikrofalowych lub w sąsiedztwie działających nadajników radiowych. W takich warunkach elementy pojemnościowe tracą czułość i mogą po prostu słabiej lub z opóźnieniem reagować na dotykający palec.
Problem z zapewnieniem reakcji na dotyk ręką w rękawiczce rozwiązują technologie piezoelektryczne, gdzie dotknięcie klawisza i tym samym wywarcie nacisku na sensor piezo skutkuje powstaniem impulsu na wyjściu sensora. W tym przypadku liczy się wywarcie siły, a nie dotknięcie, stąd obsługa w rękawiczce w niczym tu nie przeszkadza.
Przełączniki w wersji elektronicznej z pewnością należy traktować jako elementy, przed którymi jest przyszłość. Problemy, jakie wiążą się z ich użyciem, są stopniowo poprawiane i ograniczane.
Jakość i wzornictwo widać gołym okiem
Ciągłym trendem w branży jest poprawiająca się jakość rozwiązań elektromechanicznych i ich wzornictwo. Żywe kolory tworzyw sztucznych, kształty wykraczające daleko poza nudne prostopadłościany lub podświetlenia ledowe są z pewnością wymownym przykładem zachodzących zmian. Jest to z pewnością wynik tego, że producenci mają dzisiaj do dyspozycji lepsze materiały i urządzenia produkcyjne zapewniające większą dokładność, ale także tego, że zaawansowane technologie produkcyjne są coraz bardziej przystępne. Druk cyfrowy o wysokiej rozdzielczości, znakowarki i obrabiarki laserowe nie są już dzisiaj luksusem dostępnym dla największych firm i coraz częściej są wykorzystywane do personalizacji produktów, wykonywania produkcji małoseryjnej i innych operacji. Obrabiarki laserowe zapewniają wszystko, co jest dzisiaj potrzebne do zapewnienia jakości, a więc wysoką precyzję wykonywania oznaczeń, trwałość oraz szybkość. Ze względu na całkowite koszty posiadania stają się także kosztowo efektywne, gdyż nawet jak inwestycja wymaga większych nakładów na początku, to potem jest to równoważone małymi kosztami użytkowania.
Takie urządzenia pozwalają zapewnić możliwość wytwarzania produktów o wysokiej jakości technicznej i wizualnej w małej skali, bez konieczności sięgania po kompromisy. W warunkach krajowych jest to bardzo cenne.
Główne trendy techniczne w zakresie komponentów elektromechanicznych
Za najważniejsze trendy techniczne uznano dużą trwałość mechaniczną i elektryczną elementów przełączających, a w dalszej kolejności odporność środowiskową, a więc mówiąc ogólnie, zagadnienia związane z jakością. Na trzecim miejscu wypadła miniaturyzacja, która jest zjawiskiem zmieniającym całą współczesną technikę. Cała reszta zagadnień, łącznie z ergonomią i wzornictwem, w hierarchii potrzeb klientów lokuje się znacznie niżej niż wymienione zagadnienia jakościowe. Jest to znakiem, że dominuje praktyczne, utylitarne wręcz podejście do wybierania oraz oceny potencjału technicznego tych rozwiązań.
Klawiatury to nasza specjalność
Klawiatury membranowe lub inaczej foliowe znajdują szerokie zastosowanie w urządzeniach powszechnego użytku, sprzęcie kontrolno-pomiarowym, rozwiązaniach przemysłowych, motoryzacji, urządzeniach medycznych oraz sprzęcie AGD. Ich duża popularność wynika z dobrej dostępności i niewielkiego skomplikowania technologii produkcji, co przekłada się na niskie ceny uruchomienia produkcji i jednostkowe oraz dobrych własności użytkowych i jakości. Kolejny atut to taki, że jest to produkt elastyczny, taki, który można dopasować do specyficznych wymagań. Klawiatury mogą być z klikiem klawiszy, podświetleniem, z frontem silikonowym lub foliowym, z polami przezroczystymi lub kolorowym filtrem pod wyświetlacz itd. Wraz z warstwami realizującymi ekranowanie elektromagnetyczne konstrukcja jest zabezpieczana przed wpływem czynników środowiskowych lakierami i warstwami ochronnymi.
Producenci klawiatur cały czas inwestują w rozwój technologii, w nowe trwałe materiały, zapewniające odporność środowiskową i długotrwałe działanie, wykorzystują druk cyfrowy po to, aby dać możliwość pełnej indywidualizacji projektów, także tych określanych jako małe serie oraz łączą w ramach jednej oferty wiele rozwiązań przełączających, podświetleń i całego know-how, aby mieć ofertę dla każdego klienta.
Na naszym rynku obecnych jest kilku producentów klawiatur, m.in. Qwerty, LC Elektronik, Horizon, Irga, Satori, Jagon, Frontica. Produkcja klawiatur dopasowanych do aplikacji, w pełni zintegrowanych z obudową także w małych seriach tworzonych na indywidualne zamówienie za pomocą druku cyfrowego od wielu lat jest podstawą biznesu krajowych wytwórców.
Modułowość i miniaturyzacja
Jednym z ważniejszych zjawisk widocznych na rynku elementów elektromechanicznych jest miniaturyzacja. Urządzenia i aplikacje elektroniczne stają się coraz mniejsze. Do tego się już przyzwyczailiśmy i traktujemy to jako coś oczywistego i naturalnego. Niemniej nie jest to trend ograniczony wyłącznie do elektroniki mobilnej ani nawet konsumenckiej, stąd rozwiązania elektromechaniczne, a więc przyciski, złącza, przekaźniki z każdą generacją stają się coraz bardziej kompaktowe. W przypadku klawiatur miniaturyzacja dotyczy większej skali integracji przełączników z podświetleniem, ekranami, opisami itp. Miniaturyzacja jest konieczna, gdyż bez niej możliwości aplikacyjne takich komponentów z czasem by malały, niemniej warto dostrzec, że proces ten nie ma wpływu na jakość rozwiązań, np. trwałość mechaniczną lub obciążalność i trwałość elektryczną. Podobnie jak jest to w złączach, postęp dokonuje się za pomocą lepszych materiałów i precyzji mechanicznej.
W przypadku przełączników przemysłowych, a więc tam, gdzie miniaturyzacja ma mniejsze znaczenie, rozwój technologii kieruje się często w stronę modułowości. W systemach takich, w ramach jednego rdzenia i pola przełączającego można zmieniać fronty, kształty klawiszy, podświetlenie, kolor, a także spinać kilka oddzielnych przycisków w bloki. To samo dotyczy zgodności akcesoriów, które zwykle są wspólne dla wielu różnych elementów. Zapewnia to możliwość komponowania rozwiązań przez klientów, a producentom pozwala nieco ograniczyć liczbę wersji, bo np. element przełączający może być wspólny dla całej grupy elementów.
Paweł Leśniewski
menedżer sprzedaży w firmie Eltronika
Jakie właściwości i parametry liczą się w przypadku przycisków i przełączników wandaloodpornych? Czy są jakieś metody klasyfikacji takich produktów lub cechy charakterystyczne?
W tych produktach zwracamy uwagę na rodzaj metalu, z jakiego są przyciski wykonane, klasę odporności mechanicznej a także przy zastosowaniach zewnętrznych na szczelność w części panelowej. Możemy także przyciski podzielić na mechaniczne oraz o działaniu na dotyk. W mechanicznych mamy zdecydowanie wyczuwalne naciśnięcie, różnice będą też w wysokości samego skoku (głębokości wciśnięcia). Piezoelektryczne działają dotykowo, impuls elektryczny wędruje do systemu po dotknięciu płaskiej powierzchni przycisku. W niektórych aplikacjach dla przełączników metalowych ważna jest odporność na sól lub środki chemiczne. Często spotykamy w wielu modelach podświetlenie pierścieniowe lub punktowe, tu także zwracamy uwagę na intensywność świecenia LED.
Czy elektronizacja elementów elektromechanicznych, np. przez funkcje dotykowe, zmienia funkcjonalność tych produktów?
Tak i tutaj skupiamy się na najlepszym przyszłym działaniu całego urządzenia. Ma ono być przyjazne dla użytkownika, zatem w wielu przypadkach panel sterowania będzie się składał z przełączników mechanicznych, natomiast do innych potrzeb będziemy polecać tylko dotykowe. W konkretnych zastosowaniach to użytkownik i jego zachowanie przy obsłudze determinuje rodzaj przełącznika. Nie zawsze można zastosować przyciski z zaawansowaną delikatną elektroniką, a także z drugiej strony w niektórych urządzeniach zastosowanie przełączników mechanicznych nie zda zupełnie egzaminu. Wszystko zależy od pełnionej funkcji, miejsca, warunków środowiska, operatora itd.
Jak dobrze wybierać takie komponenty, co brać pod uwagę?
Przełączniki to tylko i zarazem aż część całego systemu, spójrzmy na wybór przełączników przez pryzmat urządzenia, jak ono ma działać, co ma zapewniać użytkownikowi, jakie dawać mu możliwości.
Często widujemy w gotowych pulpitach nie do końca trafnie dobrane komponenty (także gorszej jakości) do realizowanej funkcji urządzenia, to trochę tak, jakby ciasto na uroczystość piec ze spontanicznie wybranych składników i zrezygnować przy tym np. z lepszej mąki. Coś z tego wyjdzie, ale końcowy efekt może nie być dobry. Weźmy więc pod uwagę te cechy, na których nam i późniejszemu użytkownikowi najbardziej będzie zależało. Wybierzmy przełącznik, który wszystkie nasze założenia spełni. Bierzmy pod uwagę wysoką jakość, aby praca urządzenia była niezawodna i klient końcowy zadowolony.
Ogromny asortyment
Przełączników i przycisków na rynku jest mnóstwo, tak samo jak producentów i firm, które mają je w ofertach. Czołowi producenci mają licznych naśladowców, wiele innych firm korzysta z tego, że rynek jest chłonny i proponuje wielowariantowe rozwiązania, które w zamyśle mają pokryć większość potrzeb klientów. Brakuje standaryzacji, bo w praktyce dotyczy ona tylko tych najpopularniejszych produktów i tym samym standardem staje się to co jest popularne.
W przełącznikach i przyciskach nie funkcjonuje system modułowy, który pozwala na ograniczenie liczby części składowych, takich, jakie spotyka się w złączach. Przeciwnie, wiele produktów daje możliwość kompozycji spośród wielu typów. Za jedną pozycją kryją się dziesiątki wersji różniących się kształtem dźwigni, kapturkiem, stopniem ochrony, końcówkami łączeniowymi, kolorem podświetlenia. Utrudnia to dokonywanie wyborów, także zmianę produktu na inny, pochodzący od innego producenta, a także utrudnia promocję nowych rozwiązań.
Wersje wandaloodporne
Wandaloodporne przełączniki oraz klawiatury to specyficzny typ urządzeń, zaprojektowany z myślą o zastosowaniu w urządzeniach wystawionych na trudne warunki eksploatacji, obejmujące zarówno czynniki środowiskowe – kurz, wilgoć, wahania temperatur, jak i akty wandalizmu ze strony użytkowników – próby kradzieży oraz uszkodzenia. Istnieje wiele różnych sposobów konstrukcji wandalo odpornych komponentów, znakomita większość z nich ma jednak pewne cechy wspólne. Do najpowszechniejszych zaliczyć można:
- wytrzymała obudowa – tego typu komponenty umieszczone są zazwyczaj w obudowie wykonanej z wytrzymałych oraz trwałych materiałów, takich jak stal nierdzewna, aluminium lub wzmocnione tworzywo sztuczne. Konstrukcja obudowy zabezpiecza elementy wewnętrzne (w tym układy elektroniczne) przed nieautoryzowanym dostępem, znacząco utrudnia też wszelkie próby uszkodzenia urządzenia.
- wysoki poziom szczelności – większość wandaloodpornych układów charakteryzuje się również hermetycznością, zapewniającą odporność na czynniki środowiskowe, takie jak wilgoć oraz zapylenie.
- konstrukcja odporna na próby nieuprawnionej ingerencji – układy wandaloodporne z definicji muszą charakteryzować się wysoką odpornością na próby nieuprawnionej manipulacji. Oznacza to, że bez specjalistycznych narzędzi bardzo trudno je uszkodzić lub wyłączyć. Odporność taką osiąga się m.in. poprzez stosowanie wspomnianych już wzmocnionych obudów oraz specjalistycznych metod montażu.
- monostabilność – większość wandaloodpornych przełączników to przełączniki jednopozycyjne. Oznacza to, że zmieniają one swój stan w momencie naciśnięcia przycisku i powracają do stanu pierwotnego po jego zwolnieniu.
- większa wartość siły uruchamiającej – ze względu na swoją konstrukcję przełączniki i klawiatury wandaloodporne wymagają zazwyczaj większej siły uruchamiającej. Jest to jeden z minusów tego typu rozwiązań, mogący utrudniać korzystanie z nich niektórym użytkownikom.
- niski profil – przyciski wandaloodporne z reguły charakteryzują się małą wysokością. Jedynie nieznacznie (lub wcale) wystają ponad powierzchnię obudowy, co utrudnia wszelkiego typu manipulacje i modyfikacje ich konstrukcji.
- oświetlenie – dodatkowe podświetlenie pozwala na korzystanie w warunkach ograniczonego oświetlenia zewnętrznego, jak również wyświetlające opis klawiszy w sposób uniemożliwiający zatarcie, zamazanie lub modyfikację poszczególnych znaków.
Przyciski wandaloodporne wykonane są z reguły z trwałych i wytrzymałych materiałów, co przekłada się na wysoką żywotność tego typu konstrukcji. Są one ponadto odporne na szeroki zakres warunków środowiskowych, dzięki czemu dobrze nadają się m.in. do zastosowań przemysłowych.
Do głównych wad tego typu urządzeń zaliczyć można zauważalnie wyższy koszt niż w przypadku standardowych rozwiązań, jak również większą wymaganą wartość siły uruchamiającej. Korzystanie z wandaloodpornych przycisków wymaga od użytkownika nieco większej siły, co w niektórych sytuacjach może być kłopotliwe – szczególnie gdy przyciski te będą musiały być stosunkowo często używane przez osoby o ograniczonej sprawności fizycznej. Konstrukcje te mogą być ponadto nieco trudniejsze w montażu oraz późniejszej konserwacji – jakiekolwiek prace serwisowe wymagać będą dostępu do specjalistycznych narzędzi, co może niekiedy sprawiać problemy, np. w razie zaistnienia sytuacji awaryjnych.
Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rozwoju rynku komponentów elektromechanicznych
Listę najważniejszych czynników pozytywnie wspierających rynek otwierają rosnące wymagania klientów, na które wskazało dwie trzecie pytanych specjalistów. Kolejne miejsca to szeroki asortyment dostępnych produktów, pozwalający dobrać element przełączający bez konieczności kompromisu oraz wzrost zainteresowania produktami dopracowanymi technicznie, takimi, które nie będą sprawiały problemów. Za istotny czynnik uznano także to, że rynek elektroniki rozwija się szybko otworzy wiele szans na nowe kontrakty.
Haptyka to przyszłość
Nadchodzącą nowością technologiczną w zakresie przełączników i klawiatur są elementy haptyczne. Mogą one dostarczać informacji zwrotnych w aplikacjach medycznych i przemysłowych a także realizować system ostrzeżeń, aby poinformować o potencjalnie niebezpiecznych warunkach. Przydają się w otoczeniu, gdzie jest duży poziom hałasu, użytkownik nosi grube rękawice, pod wodą itd. Obecnie funkcjonalności haptyczne, takie jak drgania oraz wibracje, znajdują szerokie zastosowanie w smartfonach (wibracja informuje np. o nadchodzącym połączeniu lub wiadomości), kontrolerach gier, urządzeniach medycznych, lotnictwie, robotyce, zabawkach, symulatorach i urządzeniach treningowych, ale można oczekiwać, że miniaturowe siłowniki wibracyjne (bazujące na silniku i wirującym ciężarku lub aktuatorze piezoelektrycznym) będą coraz częściej wspierać działanie przełączników i ekranów dotykowych.
Z kolei czujniki ToF (Time of Flight) pozwalają ocenić odległość palca od ekranu dotykowego. Z ich użyciem można ekran podświetlić, zanim zostanie dotknięty, wybudzić aplikację z uśpienia i poprawić możliwość obsługi w rękawicy. W wersji z laserem czujniki ToF mogą dokonywać wielu pomiarów odległości jednocześnie, tworząc mapę trójwymiarową zbliżającego się obiektu i w ten sposób zapewniając niewrażliwość na zakłócenia.
Na koniec warto wspomnieć, że pozwalają one na rozpoznawanie gestów, tworząc trójwymiarowy model obiektu, dostarczą danych dla komputera, który na podstawie serii pomiarów wykryje gest, czyli w praktyce ruchy dłoni. Takie nowe pomysły przede wszystkim poprawiają wady rozwiązań dotykowych (rękawica, opóźnienia, niepewność zadziałania w skrajnych warunkach środowiskowych).
