Teil 1: Kernpunktanforderungen für das Tastaturprüfgerät Solenoid
1.1 Anforderungen an das Magnetfeld
Um Tastaturtasten effektiv anzusteuern, müssen die Magnetspulen von Tastaturprüfgeräten eine ausreichende magnetische Feldstärke erzeugen. Die spezifischen Anforderungen an die magnetische Feldstärke hängen von der Art und dem Design der Tastaturtasten ab. Generell sollte die magnetische Feldstärke eine ausreichende Anziehungskraft erzeugen, damit der Tastendruck den Auslöseanforderungen des Tastaturdesigns entspricht. Diese Stärke liegt üblicherweise im Bereich von zehn bis hundert Gauss (G).
1.2 Anforderungen an die Reaktionsgeschwindigkeit
Das Tastaturtestgerät muss jede Taste schnell testen, daher ist die Reaktionsgeschwindigkeit des Magneten entscheidend. Nach Empfang des Testsignals muss der Magnet in kürzester Zeit ein ausreichendes Magnetfeld erzeugen, um die Tastenbetätigung auszulösen. Die Reaktionszeit liegt üblicherweise im Millisekundenbereich (ms). Das schnelle Drücken und Loslassen der Tasten kann präzise simuliert werden, wodurch die Leistung der Tastaturtasten einschließlich ihrer Parameter ohne Verzögerung effektiv erfasst wird.
1.3 Genauigkeitsanforderungen
Die Aktionsgenauigkeit des Solenoids ist entscheidend für die Genauigkeit des Tastaturprüfgeräts. Es muss die Tiefe und Kraft des Tastendrucks präzise steuern. Beispielsweise können beim Testen einiger Tastaturen mit mehrstufigen Auslösefunktionen, wie z. B. einiger Gaming-Tastaturen, die Tasten zwei Auslösemodi haben: leichten und starken Druck. Das Solenoid muss diese beiden unterschiedlichen Auslösekräfte präzise simulieren können. Die Genauigkeit umfasst die Positionsgenauigkeit (Steuerung der Weggenauigkeit des Tastendrucks) und die Kraftgenauigkeit. Je nach Prüfnorm muss die Weggenauigkeit innerhalb von 0,1 mm und die Kraftgenauigkeit bei etwa ±0,1 N liegen, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Testergebnisse zu gewährleisten.
1.4 Stabilitätsanforderungen
Ein langfristig stabiler Betrieb ist eine wichtige Voraussetzung für den Magneten des Tastaturprüfgeräts. Während des Dauertests darf die Leistung des Magneten nicht signifikant schwanken. Dies gilt auch für die Stabilität der magnetischen Feldstärke, der Reaktionsgeschwindigkeit und der Aktionsgenauigkeit. Beispielsweise muss der Magnet bei groß angelegten Tastaturproduktionstests unter Umständen mehrere Stunden oder sogar Tage ununterbrochen arbeiten. Schwankt die Leistung des Elektromagneten während dieser Zeit, beispielsweise durch eine Schwächung der magnetischen Feldstärke oder eine langsame Reaktionsgeschwindigkeit, sind die Testergebnisse ungenau und beeinträchtigen die Bewertung der Produktqualität.
1.5 Anforderungen an die Haltbarkeit
Aufgrund der häufigen Tastenbetätigung muss der Magnet eine hohe Lebensdauer aufweisen. Die internen Magnetspulen und der Kolben müssen häufigen elektromagnetischen Umwandlungen und mechanischen Belastungen standhalten. Generell muss der Magnet eines Tastaturprüfgeräts Millionen von Betätigungszyklen standhalten, ohne dass dabei Probleme wie das Durchbrennen der Magnetspule oder der Kernverschleiß auftreten, die die Leistung beeinträchtigen. Beispielsweise kann die Verwendung von hochwertigem Lackdraht zur Herstellung von Spulen deren Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit verbessern. Die Wahl eines geeigneten Kernmaterials (z. B. weichmagnetisches Material) kann den Hystereseverlust und die mechanische Ermüdung des Kerns reduzieren.
Teil 2: Aufbau des Tastaturtester-Solenoids
2.1 Magnetspule
- Drahtmaterial: Für die Herstellung der Magnetspule wird üblicherweise Lackdraht verwendet. Auf der Außenseite des Lackdrahtes befindet sich eine Isolierschicht, um Kurzschlüsse zwischen den Magnetspulen zu verhindern. Gängige Lackdrahtmaterialien sind Kupfer, da Kupfer eine gute Leitfähigkeit aufweist und den Widerstand effektiv reduzieren kann. Dadurch werden Energieverluste beim Stromdurchgang reduziert und die Effizienz des Elektromagneten verbessert.
- Windungszahl: Die Anzahl der Windungen ist entscheidend für die magnetische Feldstärke des röhrenförmigen Solenoids eines Tastaturprüfgeräts. Je mehr Windungen, desto größer ist die bei gleichem Strom erzeugte magnetische Feldstärke. Zu viele Windungen erhöhen jedoch auch den Widerstand der Spule, was zu Erwärmungsproblemen führt. Daher ist es sehr wichtig, die Windungszahl entsprechend der benötigten magnetischen Feldstärke und den Stromversorgungsbedingungen sinnvoll zu gestalten. Beispielsweise kann die Anzahl der Windungen bei einem Tastaturprüfgerät, das eine höhere magnetische Feldstärke benötigt, zwischen Hunderten und Tausenden liegen.
- Form der Magnetspule: Die Magnetspule ist in der Regel auf einen geeigneten Rahmen gewickelt und hat üblicherweise eine zylindrische Form. Diese Form fördert die Konzentration und gleichmäßige Verteilung des Magnetfelds, sodass das Magnetfeld beim Ansteuern der Tastaturtasten effektiver auf die Antriebskomponenten der Tasten wirken kann.
2.2 Magnetstößel
- Kolbenmaterial: Der Kolben ist ein wichtiger Bestandteil des Elektromagneten und seine Hauptfunktion besteht in der Verstärkung des Magnetfelds. In der Regel werden weichmagnetische Materialien wie Elektrostahl und Siliziumstahlbleche verwendet. Die hohe magnetische Permeabilität weichmagnetischer Materialien erleichtert dem Magnetfeld den Durchgang durch den Kern und erhöht so die magnetische Feldstärke des Elektromagneten. Am Beispiel von Siliziumstahlblechen handelt es sich um siliziumhaltige legierte Stahlbleche. Durch die Zugabe von Silizium werden die Hystereseverluste und Wirbelstromverluste des Kerns reduziert und der Wirkungsgrad des Elektromagneten verbessert.
- Kolbenform: Die Form des Kerns entspricht in der Regel der Magnetspule und ist meist röhrenförmig. Bei einigen Ausführungen befindet sich an einem Ende des Kolbens ein hervorstehender Teil, der den direkten Kontakt mit den Antriebskomponenten der Tastaturtasten ermöglicht, um die magnetische Feldkraft besser auf die Tasten zu übertragen und die Tastenbetätigung zu steuern.
2.3 Wohnen
- Materialauswahl: Das Gehäuse des Tastaturprüfgeräts Solenoid schützt hauptsächlich die interne Spule und den Eisenkern und kann zudem eine gewisse elektromagnetische Abschirmfunktion übernehmen. Üblicherweise werden Metallmaterialien wie Edelstahl oder Kohlenstoffstahl verwendet. Kohlenstoffstahlgehäuse weisen eine höhere Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf und können an unterschiedliche Testumgebungen angepasst werden.
- Strukturelles Design: Das strukturelle Design des Gehäuses sollte die einfache Installation und die Wärmeableitung berücksichtigen. Üblicherweise sind Befestigungslöcher oder Schlitze vorhanden, um die Befestigung des Elektromagneten an der entsprechenden Position des Tastaturtesters zu erleichtern. Gleichzeitig kann das Gehäuse mit Wärmeableitungsrippen oder Belüftungslöchern ausgestattet sein, um die von der Spule während des Betriebs erzeugte Wärme abzuleiten und Schäden am Elektromagneten durch Überhitzung zu vermeiden.
Teil 3: Die Funktionsweise des Solenoids des Tastaturprüfgeräts basiert hauptsächlich auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion.
3.1.Elektromagnetisches Grundprinzip
Fließt Strom durch die Magnetspule des Elektromagneten, entsteht gemäß dem Ampèreschen Gesetz (auch Rechtsschraubengesetz genannt) ein Magnetfeld um den Elektromagneten. Ist die Magnetspule um den Eisenkern gewickelt, konzentrieren sich die magnetischen Feldlinien im Inneren und um den Eisenkern, da dieser ein weichmagnetisches Material mit hoher magnetischer Permeabilität ist. Dadurch wird der Eisenkern magnetisiert. Der Eisenkern wirkt dann wie ein starker Magnet und erzeugt ein starkes Magnetfeld.
3.2. Nehmen wir beispielsweise einen einfachen röhrenförmigen Solenoid: Wenn Strom in ein Ende der Solenoidspule fließt, halten Sie die Spule gemäß der Rechtshänderregel mit vier Fingern in Stromrichtung. Die Richtung des Daumens ist der Nordpol des Magnetfelds. Die Stärke des Magnetfelds hängt von der Stromstärke und der Anzahl der Spulenwindungen ab. Dieser Zusammenhang lässt sich durch das Biot-Savart-Gesetz beschreiben. Je höher der Strom und je mehr Windungen, desto größer ist gewissermaßen die magnetische Feldstärke.
3.3Ansteuervorgang der Tastaturtasten
3.3.1. Bei einem Tastaturtestgerät wird durch die Aktivierung des Magneten ein Magnetfeld erzeugt, das die Metallteile der Tasten (wie den Schaft der Taste oder Metallsplitter usw.) anzieht. Bei mechanischen Tastaturen enthält der Schaft der Taste üblicherweise Metallteile. Das vom Elektromagneten erzeugte Magnetfeld zieht den Schaft nach unten und simuliert so den Tastendruck.
3.3.2. Am Beispiel einer herkömmlichen mechanischen Tastatur mit blauer Achse wirkt die vom Elektromagneten erzeugte Magnetfeldkraft auf den Metallteil der blauen Achse. Sie überwindet die Federkraft und Reibung der Achse, wodurch sich die Achse nach unten bewegt, den Schaltkreis in der Tastatur aktiviert und ein Tastendrucksignal erzeugt wird. Wird der Elektromagnet ausgeschaltet, verschwindet das Magnetfeld, und die Tastenachse kehrt durch ihre eigene Federkraft (z. B. die Federkraft einer Feder) in ihre Ausgangsposition zurück und simuliert so das Loslassen der Taste.
3.3.3 Signalsteuerung und Testprozess
- Das Steuersystem im Tastaturtester steuert die Ein- und Ausschaltzeit des Elektromagneten, um verschiedene Tastenbetätigungsmodi wie kurzes Drücken, langes Drücken usw. zu simulieren. Indem festgestellt wird, ob die Tastatur bei diesen simulierten Tastenbetätigungen korrekt elektrische Signale erzeugen kann (über die Schaltung und Schnittstelle der Tastatur), kann die Funktion der Tastaturtasten getestet werden.
