Teclado mecánico DIY (2)

Diseño de la PCB en KiCAD

Índice de contenido

• Introducción
• Captura del esquema
  • Lista de componentes
• Diseño PCB
• Fabricación de la PCB
• Montaje
• Conclusiones

Introducción

Una de las mayores motivaciones que tenia para lanzarme a la construccion de mi propio teclado mecanico era la de liarme la manta a la cabeza y diseñar la PCB en KiCAD, ya que llevaba muchos años teniendo esa curiosidad.

En el ámbito profesional aquí en España, el software por excelencia de diseño de circuitos impresos es Altium, es con diferencia el más extendido y el que en los último dos años en mi trabajo he estado utilizando. Sin embargo, en nuestras casas, aunque obviamente podemos usar Altium (Si nadie se entera), no creo que haya mucha gente que por afición pague una licencia de miles de euros para hacerse sus proyectos personales.

Así que le tenía muchas ganas a KiCAD, de hecho lo tenía instalado y ya había estado tonteando con él, pero nunca tenía un proyecto claro que llevar a cabo. Hasta ahora.

Captura del esquema

El esquema eléctrico de un teclado es bastante sencillo, básicamente es una matriz de filas y columnas, conectadas a una placa controladora. Quizás, si se necesitase o se quisiese un diseño un poco más depurado o fino, se podría incluir en el esquema la parte de control, pero en este caso no me pareció necesario, ya bastante me estaba complicando la vida para tener un teclado split como para meterme en ese fregado, puede que para el próximo proyecto…

Una de las mejores cosas de usar KiCAD es que es muy probable que alguien, antes que tu, haya necesitado dibujar un simbolo del componente que estas utilizando, así que no he tenido ni que dibujar el símbolo ni la huella de ninguno de los componentes.

Lista de componentes

• Switch Kailh box brown tactil: Es el componente más importante del teclado como era de imaginar, es el que va realmente a tener impacto directo en que la experiencia de usar el teclado sea de nuestro agrado. Es abrumadora la gama de switches diferentes que hay disponibles en el mercado, así que me limitaré a poner los que yo he elegido, que los elegí por ser algo más silenciosos que el típico switch mecánico, además de venir preparados para alojar un LED RGB debajo de ellos.
• Diodo 1N4148: Eléctricamente la matriz de filas y columnas necesita un forma de evitar que, al pulsar dos teclas a la vez se generen más de un camino por el que el controlador pueda detectar una pulsación. En la documentación del firmware qmk explican cómo funciona la matriz y por qué son necesarios esos diodos.
• Placa de control Pro Micro: Hay varias donde elegir, esta es de las más comunes y de las más pequeñas.
• Conector y cable TRRS: Para interconectar ambas mitades del teclado y alimentar la mitad esclava, también existen varias opciones donde elegir, en mi caso la comunicación ha acabado siendo por una conexión serie, por lo que el cable solo usa 3 de los 4 hilos. Si por ejemplo hubiera querido usar I2C, hubiera tenido que usar los 4 hilos además de haber añadido unas resistencias de pull-up para las líneas de reloj y datos.
• LED RGB SK6812 mini: Completamente opcional, pero soy de esos a los que le gustan las cosas con luces de colores, que le vamos a hacer.

Diseño PCB

Como creo que he mencionado en alguna parte, no quise diseñar y enviar a fabricar sin antes estar del todo seguro de que todo iba a funcionar debidamente. Para asegrurarme de ello, usando una protoboard, estuve probando el funcionamiento del firmware haciendo cortos con un cable para emular las pulsaciones. Una vez seguro de que la idea iba a funcionar ya me podía lanzar al diseño.

En un principio, lo de diseñarme mi propia placa podría parecer que iba a ser más barato que comprar cualquiera de las que hay ya disponibles en el mercado para construirse un teclado, pero no es así. Una cosa de las que me di cuenta es que la mayoría de las placas que existen en el mercado son una placa diferente para cada mitad del teclado, si yo hacía eso iba a encarecer innecesariamente el teclado. Así que, primer requerimiento, tener el mismo diseño para ambas manos, fundamentalmente solo afecta que en ambas mitades, la polaca de control está en el mismo sitio, por lo que si quisiéramos que el lado derecho sea el que tenga la conexión USB iba aquedar un poco raro. Segundo requerimiento, PCB a 2 capas, algo afortunadamente nada complicado para este diseño, la razón es que a 4 capas se disparaba el precio por las dimensiones de la placa.

Como no podía ser de otra forma, cometí un par de errores. El primero fue que no presté atención a dónde tenía el origen de coordenadas, por lo que me costo colocar los componentes, simplemente por no tener la comodidad de tener números redondos. El segundo error fue más grave, y un poco de novato, hasta que no tenía la placa diseñada no me había dado cuenta de que no tenía agujeros de montaje, y como soy así de especial, los coloqué un poco a huevo (de hecho uno está casi debajo de la placa de control, por lo que no sirve para nada), que, sumado a lo de las coordenadas, fue una complicación a la hora de diseñar la carcasa en 3D.

Fabricación PCB

A la hora de buscar fabricante, es cuando me di cuenta de que la placa tenia unas dimesiones que me obligaban a resolverla en 2 capas si no quería multiplicar por varias veces su precio, como ya he dicho es un circuito muy básico y esto no ha sido un problema.

El fabricante elegido ha sido AllPCB, y el proceso, además de sencillo ha sido muy agradable. Una vez registrado y habiendo rellenado el formulario para presupuestar la placa, se añade al carrito y te viene un link para poder subir los gerber. Antes de subir los gerber, como me dejé el presupuesto en el carrito un par de días, me llegó un email de atención al cliente ofreciendome ayuda, tras confirmar con ella los ficheros necesarios, los exporté y los subí.

Una cosa que me sorprendió gratamente además de la velocidad, fue que durante el proceso de fabricación de te van informando de cada uno de los pasos del proceso en el que se encuentra tu placa. Subidos los archivos un viernes por la mañana, el domingo mis PCB se encontraban embaladas y listas para su envío, qué según la página eran unos 5 días por fedex, pero que resultaron ser unos 12. Con todo y con eso, en mi trabajo he pedido PCB a un fabricante en España y tardan algo más de lo que han tardado estas.

Muy satisfecho.

Montaje

Sobre el montaje poco tengo que decir, bueno en realidad, poco quiero contar, porque ha habido un par de cagadas importantes.

La primera, no presté atención al datasheet de los LED RGB y me fié de que la muesca de una de las esquinas marcaba el pin uno del LED, sin embargo, marcaba el pin 3. El resultado es que después de soldar 30 de ellos y con la ilusión de verlos encendidos, estuve a punto de cargarme uno de los Pro Micro, tuve suerte y solo he tirado a la basura 30 LED RGB.

La segunda está tambien relacionada con la huella pero del switch, ya que le faltaban los agujeros para unos puntitos que trae la carcasa del switch para ayudar a centrarlo bien, el único problema es que me ha obligado ha centrar los switches a ojo, por lo que están un poco así así.

Conclusiones

Me ha gustado mucho KiCAD y su uso me ha dado un empujoncito para realizar otros proyectos que tengo en el cajón esperando.

He podido llevar a cabo todo el proceso de diseño y fabricación del teclado desde una perspectiva que en el trabajo no tengo (si leyera esto mi anterior jefe…), y es que esta vez la pago yo, y no es que cuando he realizado diseños en mi empresa no haya tenido en cuenta ese factor, pero si que te das cuenta que los errores cuestan dinero.

A pesar de todo ello estoy muy contento con el resultado, de hecho esta entrada la estoy escribiendo con mi teclado.

Todavía me queda contar como he diseñado la mecánica y los keycaps, así que habrá más entredas sobre el teclado. Así que, hasta la próxima.