Механическая клавиатура уже не всегда так уж механична.
За последние шесть лет клавиатуры с оптическими, Холловыми (эффект Холла) и другими «бесконтактными» переключателями стали встречаться всё чаще, причём зачастую они стоят дороже традиционных механических клавиатур, которые и так уже дороже простых мембранных моделей. Взамен они обещают ряд теоретических преимуществ, особенно для геймеров. На практике же в повседневном использовании различия могут быть довольно тонкими.
Итак, за что вы платите? В этом материале мы объясняем, как работают новейшие переключатели, почему бесконтактные конструкции набирают популярность и в каких ситуациях их преимущества — и недостатки — действительно имеют значение.
Как работают стандартные механические переключатели
Сначала кратко вспомним, что происходит, когда вы нажимаете клавишу в традиционном механическом переключателе.
Как видно на схеме переключателя Cherry MX Brown, стандартные механические переключатели имеют две металлические контактные пластины — в данном случае «кросспойнт» — которые отличаются формой: большая пластина имеет отогнутую верхнюю часть, удалённую от меньшей пластины.
Когда вы нажимаете переключатель, его пластиковый стержень опускается вниз к печатной плате клавиатуры, и пружина, обвитая вокруг стержня, сжимается. При отпускании клавиши пружина расширяется, возвращая стержень в исходное положение.
В состоянии покоя выступающая часть пластикового стержня удерживает контактные пластины разомкнутыми. По мере того как стержень опускается, эта часть перемещается вместе с ним, позволяя пластинам соприкоснуться и замкнуть цепь на плате клавиатуры, что посылает сигнал микроконтроллеру клавиатуры о том, какая клавиша была нажата.
Поскольку традиционные механические переключатели регистрируют нажатие через физический контакт внутренних компонентов, они со временем изнашиваются.
Чем отличаются бесконтактные переключатели
Переключатели, рассмотренные в этом материале, отличаются от стандартных механических тем, что они не регистрируют ввод через контакт двух металлических пластин — отсюда и термин «бесконтактные». Производители часто утверждают, что бесконтактные переключатели служат дольше обычных и не подвержены окислению или коррозии, которые могут повлиять на механические контакты при длительной эксплуатации.
Но есть и другие факторы, влияющие на долговечность. Бесконтактные переключатели требуют специфических печатных плат (PCB), которые реже встречаются, чем платы для стандартных механических переключателей. А горячая замена (hot-swap), которая продлевает срок службы клавиатуры, позволяя легко заменить сломанную клавишу или сменить переключатели, доступна реже для бесконтактных плат — готовые клавиатуры с поддержкой бесконтактных переключателей и hot-swap найти сложнее.
Новые стандартные механические переключатели, включая некоторые переключатели серии Cherry MX2A, рассчитанные на 100 миллионов нажатий, могут иметь срок службы, сопоставимый с бесконтактными вариантами. Если долговечность для вас приоритет, бесконтактные переключатели всё ещё могут стоить рассмотрения, но сравнивайте их характеристики с таковыми у стандартных переключателей.
Некоторые пользователи и компании утверждают, что бесконтактные переключатели ощущаются более плавными при нажатии и возврате, потому что металлические пластины не соприкасаются. Но другие элементы переключателя, такие как пружина и стержень, тоже могут создавать трение. Иногда мне встречались действительно более плавные нажатия у определённых бесконтактных переключателей, но некоторые премиальные стандартные переключатели, особенно правильно смазанные, тоже могут ощущаться чрезвычайно плавными.
Если вы хотите переключатели с лучшим тактильным ощущением, смотрите не только на то, механические они или работают посредством света или магнитов. Характеристики переключателя, кривая усилия и материалы часто сильнее влияют на ощущение.
Настраиваемая точка срабатывания и аналоговый ввод
У многих бесконтактных переключателей есть возможность настраивать точки срабатывания — функция, невозможная у традиционных механических переключателей. Это полезно, если вы хотите, чтобы некоторые клавиши были более жёсткими или более лёгкими, чем другие (например, мне нравится более жёсткая пробел), либо для большей гибкости в реакции клавиш, либо для аналогового ввода.
Но программное обеспечение может неточно отражать реальную точку срабатывания переключателя. Тесты показали, что у клавиатур с регулируемой точкой срабатывания фактическое расстояние до срабатывания часто отличается от установленного в сопутствующем приложении — речь о долях миллиметра, но это стоит учитывать при выборе бесконтактных переключателей ради настраиваемой точки срабатывания.
Некоторые клавиатуры позволяют программировать клавиши так, чтобы одно полное нажатие давало два ввода: например, клавиша может вводить «A» при ходу 0,5 мм и «B» при дополнительном ходе ещё 0,5 мм.
Некоторые бесконтактные клавиатуры также поддерживают аналоговый ввод, когда клавиатура определяет, насколько глубоко был нажат переключатель, и соответственно изменяет ввод — это даёт геймерам опыт, похожий на джойстик. Традиционные механические клавиатуры не поддерживают аналоговый ввод.
Почему бесконтактные переключатели популярны у геймеров
Рост популярности бесконтактных переключателей во многом связан с их привлекательностью для геймеров. Производители часто заявляют, что такие клавиатуры регистрируют ввод быстрее, чем традиционные механические, главным образом потому, что переключатели не требуют дебаунсинга.
Задержка дебаунса — это время между моментом физического нажатия клавиши и моментом, когда клавиатура принимает нажатие как ввод. Такая задержка необходима для стандартных переключателей, потому что их металлические пластины могут быстро отскакивать друг от друга при контакте во время нажатия. Дебаунсинг гарантирует, что микроконтроллер клавиатуры не трактует эти отскоки как дополнительные нажатия (что могло бы превратить одно нажатие «a» в «aaaa»). Дебаунсинг обычно реализует прошивка клавиатуры, хотя аппаратные решения, например FPGA, тоже могут это делать.
Большинство пользователей никогда не замечают задержек дебаунса, и производители редко публикуют точные данные о том, какие задержки они применяют; энтузиасты клавиатур считают, что распространённые значения составляют от 5 до 20 мс. Cherry утверждает, что некоторые её переключатели MX2A требуют «менее 1 мс» для дебаунса. А производители клавиатур иногда намеренно устанавливают более длительные, чем нужно, значения дебаунса, чтобы компенсировать деградацию переключателей со временем.
Однако задержка клавиатуры в целом — время от начала нажатия до появления регистрации на экране — зависит не только от технологии обнаружения. Влияют ход клавиши и время срабатывания, частота опроса клавиатуры (polling rate) и другие факторы. Например, Bluetooth-клавиатура с полноразмерными оптическими переключателями и беспроводным опросом 133 Гц всё равно будет показывать большую задержку, чем проводная традиционная механическая клавиатура с низкопрофильными переключателями и опросом 8000 Гц.
Для большинства из нас всё это несущественно. Клавиатуры с ультранизкой задержкой прежде всего нужны профессиональным игрокам, и лишь при условии, что они уже минимизировали задержки в более важных местах — GPU, CPU, мониторе и т. п.
Также стоит учесть, что бесконтактные переключатели часто ориентированы на геймеров, поэтому линейных вариантов на рынке существенно больше, чем тактильных или кликающих.
Оптические переключатели
Оптические переключатели, которые используют инфракрасный (IR) луч для срабатывания, появились в потребительских клавиатурах в 2016 году.
Оптические переключатели функционируют по-разному в зависимости от производителя, но в общем конструкция такова: в каждом переключателе есть световой луч, который перенаправляется при нажатии переключателя. Либо луч начинает попадать на фоторезистор, либо перестаёт попадать в него, регистрируя ввод. Когда пружина возвращает переключатель, луч занимает исходное положение.
Большинство оптических переключателей используют ИК-луч и сенсор, интегрированные в печатную плату клавиатуры.
«В оптических переключателях Razer и в аналоговых оптических переключателях эмиттер ИК и сенсор монтируются на плате клавиатуры, а стержень переключателя действует как «затвор» для светового пути», — рассказал мне представитель Razer. «Эта конструкция, основанная на плате, остаётся неизменной из поколения в поколение. Эволюции подвергались точное позиционирование, компоненты и обработка прошивкой — улучшения, которые позволяют реализовывать функции вроде настраиваемых точек срабатывания, Rapid Trigger и отслеживания полного хода в наших аналоговых переключателях, а не простого детектирования вкл/выкл».
Являются ли оптические переключатели быстрее традиционных?
Производители оптических переключателей часто утверждают, что они быстрее, и с технической точки зрения это верно: отсутствие дебаунса потенциально даёт меньшую задержку. Компании периферии для ПК часто комбинируют оптику с высокими частотами опроса, чтобы делать более громкие заявления про предельно низкую задержку.
Но среднестатистический пользователь заметит ли более быстрый ввод при наборе письма в почте на оптической клавиатуре? Скорее всего — нет.
Готовые оптические клавиатуры с поддержкой hot-swap редки. И вы не сможете установить оптические переключатели в hot-swap-клавиатуру, предназначенную для традиционных механических переключателей.
Я спросил представителя Razer, исключает ли конструкция оптических переключателей возможность реализации hot-swap в их оптических клавиатурах. Представитель ответил, что поскольку оптические переключатели меньше подвержены деградации, пользователям не придётся менять их со временем. Но это аргумент про долговечность, а не про настраиваемость: «Хотя сами переключатели не паятся, клавиатуры сконструированы как фиксированные узлы, чтобы сохранить точное выравнивание, необходимое для стабильной и точной работы», — сказал представитель Razer.
Электростатические ёмкостные (EC) клавиатуры
Электростатические ёмкостные клавиатуры отличаются от стандартных механических, но остаются тесно связанными с истоками технологии.
Одна из первых и самых влиятельных клавиатур — IBM Model F — использовала ёмкостную плату в сочетании со знаменитым механизмом «buckling spring». Когда срабатывает такой переключатель, ёмкостный элементик, прикреплённый к нижней части пружины, смещается вперёд. Это меняет ёмкость между двумя ёмкостными пластинами под ним, что регистрирует ввод.
В современных EC-клавиатурах у каждого переключателя есть проводящий элемент. При нажатии ёмкость между этим элементом и ёмкостной сенсорной площадкой на плате увеличивается по мере приближения проводящего элемента к площадке.
Современные EC-клавиатуры, включая новые не-IBM «Model F» и клавиатуры Topre, используют платы с измерением ёмкости, но с разными конструкциями переключателей.
Topre — одни из наиболее известных и дорогих EC-переключателей. Их клавиатуры славятся «thocky» звуком: чистым, мягким, отчётливым ударом без дребезга или щелчка (при условии использования качественных стабилизаторов без «пинга»).
Type-S Topre (типа «silent») дают удивительно плавный ход при нажатии и возврате, делая каждое нажатие предсказуемым и намеренным.
Topre уникальны среди так называемых «механических клавиатур» тем, что они работают во многом похоже на резиномембранные клавиатуры. Для остальных переключателей сопротивление при нажатии возникает от пружины переключателя; у Topre это сопротивление создаёт резиновый колпачок.
Патент Topre Corporation 1986 года описывает это так: клавиатурный переключатель включает изолирующую подложку, первый электрод на подложке, второй электрод, выполненный в виде конической пружины и расположенный напротив первого, диэлектрик на первом электроде, кнопку сверху второго электрода и резиновый колпачок между кнопкой и вторым электродом, обеспечивающий «щелкающее» ощущение при нажатии, когда ёмкость переключателя превышает заданное значение. Ёмкость изменяется с изменением площади противостояния, что существенно пропорционально глубине нажатия.
EC-переключатели не всегда визуально отличаются от обычных механических. Например, EC-переключатели Varmilo и NiZ имеют крестовидные стержни в стиле Cherry MX и пластиковые корпуса. NiZ использует коническую пружину и резиновый колпачок, отказываясь от металлических пластин, как у Topre. Varmilo же делает EC-переключатели похожими на обычные механические и даже включает металлические пластины — эти пластины не соприкасаются друг с другом; они изменяют ёмкость по мере изменения расстояния между ними.
Переключатели на эффекте Холла
Переключатели эффекта Холла основаны на явлении Холла, открытом американским физиком Эдвином Холлом в 1879 году. Проще говоря, если рядом с проводником с током поместить магнит, электроны тока смещаются к одной стороне проводника. Это создаёт малое поперечное напряжение вдоль проводника.
В 1968 году Honeywell выпустил первую клавиатуру с датчиками эффекта Холла. Другие типы клавиатур были дешевле в производстве, поэтому Холловые клавиатуры на долгое время остались нишевым решением. Сенсоры эффекта Холла получили всплеск популярности в 1990-х — Sega использовала их в контроллерах для Saturn и Dreamcast, что дало им репутацию долговечности и устойчивости к «дрейфу стиков», о чём сейчас сожалеют владельцы Switch 2.
Ренессанс Холловых сенсоров в сообществе клавиатур пришёлся на 2010-е, а в 2021 году они появились и в готовых игровых клавиатурах, например в Wooting Two HE.
В каждом Холловом переключателе есть магнит в стержне. При нажатии магнит приближается к плате клавиатуры, на которой для каждой клавиши расположен датчик эффекта Холла. Каждый такой датчик содержит полупроводниковый элемент, через который течёт электрический ток. По мере приближения магнита меняющееся магнитное поле изменяет напряжение, снимаемое с полупроводникового элемента датчика. Когда микроконтроллер клавиатуры обнаруживает изменение напряжения у датчика, он регистрирует ввод.
Сборка клавиатуры с Холловыми переключателями имеет нюансы и сложнее, чем с обычными или другими бесконтактными переключателями.
Можно даже найти hot-swap-клавиатуру, набор или плату под Холловые переключатели, которые не совместимы с вашими переключателями. Холловые переключатели бывают с 3 или 5 ножками, и полярность магнита переключателя должна быть совместима с датчиками на плате — в противном случае нажатие переключателя может не сработать.
Кроме того, у Холловых переключателей различаются диапазоны магнитного потока, обычно измеряемого в гауссах, которые указывают минимальную и максимальную силу магнитного поля, которую поддерживает переключатель. Это важно для тех, кто хочет, чтобы клавиатура обнаруживала очень лёгкие нажатия. Широкий диапазон магнитного потока даёт больший аналоговый диапазон.
Поэтому у одного производителя может быть клавиатура с магнитами, ориентированными «на север» и диапазоном 120–750 G, а у другого — «на юг» с диапазоном 102–905 G. Замена переключателей между такими клавиатурами может привести к проблемам совместимости: датчики или прошивка одной клавиатуры могут не поддерживать диапазон магнитного потока новых переключателей.
Спецификации магнитного потока и полярности трудно найти, потому что нет стандарта измерения, и многие пользователи ими не интересуются. Одна из компаний, публикующих характеристики магнитного потока для переключателей, отметила, что «большинству обычных пользователей не нужно беспокоиться о числах магнитного потока, но для энтузиастов, которые любят тонко настраивать расстояние срабатывания, rapid trigger или общее ощущение переключателя, эти спецификации полезны и облегчают кастомизацию».
Keychron, например, не предоставляет спецификаций магнитного потока для своих магнитных переключателей, называя магнитный поток «внутренним инженерным параметром, а не пользовательской метрикой». ПО и загрузчик Keychron калибруют магнитный сенсор под каждый переключатель, чтобы «пользователи получали согласованную работу несмотря на незначительные различия в силе магнитного поля».
TMR-переключатели
TMR-клавиатуры (tunnel magnetoresistance — туннельный магнеторезистивный эффект) появились в продаже в 2024 году и позиционируются как использующие более продвинутую технологию датчиков, чем механические, оптические или Холловые клавиатуры. Как и Холловые переключатели, TMR используют магниты, но платы TMR-клавиатур применяют другой тип сенсора.
TMR-сенсоры состоят из двух тонкоплёночных ферромагнитных слоёв. Один слой имеет фиксированное направление намагниченности, а другой может менять ориентацию под действием приближающегося магнита. Между этими слоями находится ещё более тонкий изолирующий барьер.
При нажатии TMR-переключателя магнит в его стержне приближается к выделенному TMR-сенсору на плате. Это меняет выравнивание ферромагнитных слоёв и, соответственно, то, насколько легко электроны «туннелируют» через изолирующий барьер (квантовое явление, известное как туннельный магнеторезистивный эффект), что изменяет электрическое сопротивление сенсора. При таком изменении сопротивления сенсор генерирует электрический сигнал, который микроконтроллер клавиатуры регистрирует как ввод.
В общем, TMR-сенсоры потребляют меньше энергии, чем датчики эффекта Холла. Это может привести к тому, что TMR-клавиатура будет иметь более длительное время автономной работы, чем сопоставимая по характеристикам Холловая. Но на срок работы беспроводной клавиатуры также влияют ёмкость батареи, подсветка и другие факторы.
Более высокая пикова чувствительность означает, что сенсоры клавиатуры дают более крупный электрический отклик на изменения магнитного поля при движении магнита переключателя. TMR-сенсоры могут обеспечивать более высокую пик‑чувствительность, потому что они способны давать более сильный электрический сигнал в ответ на изменения магнитного поля при нажатии переключателя.
Более высокая пик‑чувствительность позволяет обнаруживать мелкие изменения движения, что может позволить задавать точки срабатывания с шагом 0,01 мм вместо более типичных 0,1 мм, например. Такой уровень кастомизации чаще встречается у TMR-клавиатур, но он также доступен в хороших Холловых платах.