Czym jest efekt Halla i czemu chcemy go w padach?

W świecie konsol, kontrolerów oraz wszelkiego rodzaju akcesoriów do PC coraz częściej słyszy się o “efekcie Halla”. Sam w paru ostatnich swoich recenzjach używałem tego wyrażenia co najmniej kilkukrotnie. Wyjaśnienie tego fenomenu zajmuje jednak nieco czasu, dlatego we wspomnianych recenzjach nie znalazło się objaśnienie dotyczące efektu Halla. I po to właśnie stworzyłem ten oto tekst. W tym artykule opowiem, czym dokładnie jest efekt Halla, jakie są jego zalety i czemu chcemy, żeby był on stosowany w padach.

Joystick drift — dlaczego większość padów to “scam”?

Zacznijmy od samego początku, czyli od największego problemu, który stara się rozwiązać efekt Halla w padach. I tutaj musimy zrozumieć, że większość kontrolerów na rynku to swego rodzaju “Scam”. Powodem takich mocniejszych słów z mojej strony jest fakt, że spora doza padów jest podatna na krytyczną i irytującą wadę — Joystick Drift.

Od czasów PlayStation 2 większość joysticków w padach jest tworzona z wykorzystaniem tzw. potencjometrów. Są to w miarę proste urządzenia, których zadaniem jest odpowiednia regulacja napięcia. Składają się one przede wszystkim ze ślizgacza, który porusza się po oporowej ścieżce (najczęściej wykonanej z grafitu lub węgla). W praktycznym zastosowaniu sprawa wygląda tak: w statycznej pozycji joystick podaje do pada ustalone napięcie (np. 3V). Następnie, kiedy przesuwamy joystick do przodu, to ślizgacz w potencjometrze zaczyna poruszać się po ścieżce w wyznaczonym kierunku. Na skutek tego napięcie przechodzące przez joystick stopniowo zmniejsza/zwiększa się i dzięki temu pad może dokładnie ocenić, jaki ruch wykonaliśmy i jak przekazać tę informację do komputera/konsoli by nasza postać w grze zareagowała tak, jak tego chcemy. Prosto? Prosto. Fajnie? No… nie do końca.

Problem w całym tym schemacie wynika przede wszystkim z tego, że ślizgacz musi ocierać ścieżkę, aby napięcie mogło się zmienić. Zastosowane materiały nie są jednak niezniszczalne, więc z czasem ścieżka po prostu zaczyna się wycierać, co zaburza podawane napięcie. Kiedy taka usterka wystąpi, to w naszym padzie zaobserwujemy wspomniany już wcześniej Joystick Drift/dryfowanie analoga, czyli sytuację, gdzie nie dotykamy joysticka, ale na skutek niepoprawnego napięcia otrzymuje on “własny umysł” i zaczyna sam (zazwyczaj delikatnie) poruszać postacią w grze, bądź kamerą. Podobny problem może wystąpić też np. wtedy, gdy do potencjometru przedostaną się drobiny kurzu i brudu, co także świetnie obrazuje wady tej technologii.

Tak, więc do listy rzeczy, które są w życiu pewne, oprócz śmierci i podatków na pewno dodałbym też fakt, że każdy joystick oparty na potencjometrze zacznie kiedyś dryfować. To jak długo to zajmie zależy przede wszystkim od jakości materiałów zastosowanych przez producenta (aktualne joysticki stosowane w padach od PlayStation mają życie szacowane na 2 000 000 obrotów), od sposobu, w jakim użytkujemy pada i też nieco od naszego szczęścia. Jednej osobie pad może wytrzymać nawet 10 lat bez objawiania żadnych problemów, a inny gracz zobaczy dryfowanie joysticka już po roku użytkowania. Niektóre produkty są pod tym względem zdecydowanie gorsze niż inne, bo np. w przypadku Joy-Conów do Nintendo Switch problem ten objawia się naprawdę regularnie (sam naprawiałem już Joystick Drift w co najmniej 7-8 Joy-Conach). Po pojawieniu się usterki jedyną opcją na jej trwałe wyeliminowanie jest wymiana modułu Joysticka, co w wielu przypadkach jest dość trudne, bo wymaga lutowania.

I wszystko byłoby tutaj spoko… gdyby nie fakt, że na rynku istnieją alternatywny, które praktycznie eliminują omawiany problem.

Czym jest efekt Halla i jak zwalcza on dryfowanie joysticków?

Przechodzimy do najważniejszej kwestii w tym artykule, czyli efektu Halla. Efekt Halla to zjawisko fizyczne odkryte przez Edwina Halla już w 1879 roku. Polega ono na wystąpieniu różnicy potencjałów (plus i minus) w przewodniku, przez który płynie prąd elektryczny w momencie, gdy na ten przewodnik wpływa poprzecznie ustawione (względem płynącego prądu) pole magnetyczne.

Mówiąc nieco prościej: jeżeli mamy płytkę, przez którą płynie prąd i zbliżymy do niej odpowiednio ustawiony magnes, to ładunki elektryczne płynące przez tę płytkę zmienią swój kierunek. Ładunki elektryczne naładowane ujemnie trafiają na jedną stronę (powiedzmy, że na lewo), a ładunki elektryczne naładowane dodanie wędrują na drugą stronę (załóżmy, że w naszym przykładzie będzie to prawo), taka charakterystyka działania jest nazywana siłą Lorentza. Teraz jeżeli wzięlibyśmy woltomierz i położyli jeden przewód pomiarowy po lewej, a drugi po prawej, to okaże się, że na naszej płytce powstało niewielkie napięcie. Napięcie to odpowiednio zwiększa się bądź zmniejsza w zależności od siły pola magnetycznego, czyli jeżeli zbliżymy nasz magnes, do płytki to napięcie wzrośnie, a jeżeli oddalimy go, to napięcie spadnie. Ten fenomen dał początek sensorom Halla, czyli komponentom potrafiącym wykrywać zmiany w polu magnetycznym.

Sensory Halla używane są obecnie w wielu urządzeniach codziennego użytku. Na przykład w laptopach mogą one służyć, jako inicjator trybu uśpienia po zamknięciu pokrywy: umieszczamy sensor Halla w dolnej części obudowy > dajemy mały magnes w odpowiednim punkcie pokrywy > przy zbliżeniu magnesu do sensora (czyli przy zamknięciu pokrywy) napięcie przepływające przez sensor zmienia się i w efekcie laptop może automatycznie przejść do trybu uśpienia. Oczywiście nie jest to jedyne zastosowanie, bo czujniki Halla często wykorzystywane są też w motoryzacji (np. w czujnikach położenia niektórych elementów), w urządzeniach AGD (np. do pomiaru obrotów miksera), czy w systemach zabezpieczeń (np. czujniki otwarcia/zamknięcia drzwi).

No dobra, a jak to ma się do Joysticków i driftu? A no, jako że w zależności od pozycji magnesu napięcie przepływające przez czujniki Halla zmniejsza się lub zwiększa, to tego typu sensory z powodzeniem mogą zastąpić potencjometry. W rzeczywistym zastosowaniu wygląda to mniej więcej tak: do ruchomej części joysticka montujemy magnesy, a w pobliżu nich w nieruchomej części joysticka (np. pod nim) montujemy sensor Halla. Tak samo, jak w przypadku potencjometru, załóżmy, że napięcie w pozycji stacjonarnej joysticka wynosi 3V. Teraz przy wychyleniu joysticka do przodu jeden z magnesów zbliża się do sensora Halla, przez co pole magnetyczne zaczyna na niego bardziej oddziaływać. Na skutek tego napięcie zwiększa/zmniejsza się nieznacznie, co jest rozpoznawane przez pad jako ruch w danym kierunku. Efekt będzie więc bardzo podobny, jak w przypadku tradycyjnych potencjometrów

Najważniejsza sprawa jest jednak taka: jako, że joysticki z efektem Halla wykorzystują “magię” magnesów, a nie stale pocierające się elementy do wykrywania pozycji, to z czasem nie występuje w nich mocniejsze zużycie materiałów a tym samym: tradycyjny Joystick Drift. Oznacza to, że teoretycznie joystick z efektem Halla może działać dokładnie tak samo pierwszego dnia użytkowania, jak i tysięcznego dnia użytkowania. Oczywiście wszystko zależy tutaj od jakości materiałów wykorzystanych do stworzenia takiego Joysticka, jednak porządnie wykonany analog z efektem Halla powinien wytrzymać bezawaryjnie sporo dłużej niż porządnie wykonany analog wykorzystujący potencjometry.

Jeśli chodzi o precyzyjność, płynność i poprawne odczytywanie pozycji to obie technologie (podczas prawidłowego działania) zachowują się bardzo podobnie. W wysokiej jakości modułach efekt Halla może więc nam dać sporo lepszą trwałość joysticka, bez poświęcenia innych aspektów jego jakości. 

Wada aktualnych joysticków z efektem Halla to ich nieco wyższy pobór energii. Czujniki z efektem Halla wymagają bowiem stałego zasilania do funkcjonowania. Oprócz tego zmiany w napięciu spowodowane polem magnetycznym są zazwyczaj małe, dlatego w sensorach czasem stosuje się wzmacniacze napięcia, by mikrokontroler mógł prawidłowo zinterpretować wszelkie zmiany. Tego typu wzmacniacze delikatnie wpływają jednak na pobór prądu. Wszelkie różnice w tym aspekcie są jednak minimalne i nie wpływają w znaczny sposób na czas pracy na baterii kontrolera.

Joysticki TMR — nowa kwantowa alternatywa dla efektu Halla

Przy omawianiu joysticków z efektem Halla warto też wspomnieć o ich nowszej alternatywnie, czyli o Joystickach TMR.

Joysticki TMR tak samo, jak poprzednie “anty-dryfowe” analogi wykorzystują w swojej budowie magnesy, które nie muszą się o nic pocierać. W tym przypadku do ustalenia ich pozycji nie wykorzystuje się jednak efektu Halla, a Tunelowy Magnetopór (ang. Tunnel Magnetoresistance), czyli jedno ze zjawisk mechaniki kwantowej.

Działa wygląda mniej więcej tak: jeżeli mamy dwa warstwy ferromagnetyczne i oddzielimy je bardzo cienkim izolatorem to w powstałym z pola magnetycznego “tunelu” niektóre elektrony mogą “przeniknąć” z jednej warstwy na drugą tym samym przedostając się przez izolator. Zazwyczaj w “normalnych” okolicznościach ciała po prostu nie przenikają przez siebie, dlatego właśnie to zjawisko przynależy do mechaniki kwantowej.

Teraz najważniejsza sprawa to fakt, że zmiana pola magnetycznego wpływa także na przenikanie/tunelowanie elektronów. Jeżeli obie warstwy są w orientacji równoległej, to elektrony przenikają łatwiej i opór w układzie jest mniejszy. Kiedy za to warstwy są w orientacji przeciwnej, to elektronom jest trudniej przepływać, co zwiększa opór układu.

W najnowszych Joystickach TMR wygląda to w ten sposób: na ruchomej części joysticka połączonej z dźwignią montujemy magnes, a w jej pobliżu w stacjonarnej części montujemy czujnik TMR, który składa się ze wspomnianych wcześniej dwóch warstw ferromagnetycznych oddzielonych izolatorem. W tej pozycji elektrony mogą już dość łatwo tunelować. Teraz znowu wracamy do naszego przykładu i zakładamy, że przez Joystick przepływa prąd o napięciu 3V. Następnie wychylamy nasz Joystick, a tym samym przesuwamy mały magnes, który jest z nim powiązany. To sprawia, że pole magnetyczne w jednej warstwie zmienia się, co ułatwia bądź utrudnia przepływ elektronów. Na skutek tego napięcie w układzie odpowiednio zmniejsza/zwiększa się, co układ w padzie może prawidłowo rozpoznać jako ruch. W ten sposób znowu stworzyliśmy więc alternatywę dla potencjometrów, która nie wymaga żadnego kontaktu w elementach sensorycznych, co znacznie poprawia wytrzymałość joysticków TMR względem tego tradycyjnego rozwiązania.

Największą zaletą TMR w porównaniu z efektem Halla jest ich niższa produkcja “szumów” (w czujnikach Halla często konieczne jest korzystanie z układów filtrujących) i niższy pobór energii.

Czemu Sony, Microsoft i Nintendo nie korzystają z efektu Halla/TMR?

No dobra to skoro Joysticki z efektem Halla lub TMR rozwiązują problem dryfowania joysticków to dlaczego firmy takie jak Sony, Microsoft/Xbox, czy Nintendo wciąż ich nie stosują. Cóż najpewniejszą odpowiedź to po prostu: pieniądze.

Fakt, że kontrolery produkowane przez producentów konsol są podatne na Joystick Drift i prawdopodobnie kiedyś go dostaną, oznacza… większą sprzedaż padów. W końcu większość ludzi po wystąpieniu takiej usterki nie będzie zbyt długo zastanawiać się nad jej powodem, tylko sięgnie po jeszcze jednego oficjalnego pada, przy którym wiadomo, że będzie on prawidłowo funkcjonować z konsolą.

Wspomniane firmy (oraz ich fani) mogą tutaj wymyślać wymówki, jednak istnieje wiele argumentów wskazujących na to, że to zysk ze sprzedaży padów gra tu główną rolę, bo:

• Joysticki z efektem Halla istnieją na rynku już od wielu lat. Pierwszym kontrolerem, który je wykorzystał był oficjalny pad do konsoli Sega DreamCast, która zadebiutowała w 1998 roku.
• Sony, Microsoft i Nintendo zdają sobie sprawę z tego problemu. Nintendo zostało nawet pozwane w sprawie Joy-Con Drifta, na skutek czego firma udostępniła program darmowej wymiany joysticków. W czasach PlayStation 2 Sony zaimplementowało za to funkcję automatycznie rekablirującą pady DualShock 2, tak by mocno opóźnić pojawienie się efektów driftu (w kolejnych kontrolerach funkcji tej już nie było).
• Sony w przeszłości stosowało już (przez chwilę w erze PS3) magnetyczne Joysticki z efektem TMR, jednak potem zastąpiło je modułami z tradycyjnymi potencjometrami. W przeszłości firma eksperymentowała więc z rozwiązaniem “problemu” co potem zaniechała.
• Pomimo tego, że Joysticki z potencjometrami się zużywają, to kontrolery nie są zazwyczaj projektowane tak, by można je było łatwo wymienić.
• Joysticki Halla (co najmniej dobrej jakości) są dostępne w bardzo tanich padach, takich jak Gamesir Nova Lite czy 8BitDo Ultimate 2C. Oba z nich kosztują mniej niż 100 zł, co oznacza, że wyprodukowanie dobrego pada bez joystick driftu nie jest wcale takie drogie.
• Kolejną tezę popierającą aspekt cenowy są “Pro kontrolery” dla PS5 i Xboxa. Kosztują one 500 (lub więcej) zł, a i tak kosztują ze zwykłych potencjometrów podatnych na dryfowanie.
• Sony do swojego”Profesjonalnego” pada sprzedaje wymienne moduły joysticków, które… są oparte na potencjometrach, co oznacza, że nie rozwiązują problemu na stałe. Koszt takiego modułu (wciąż podatnego na wszelkie problemy) to $20.
• Mniejsze chińskie firmy produkują wymienne joysticki z efektem Halla/TMR dla praktycznie wszystkich popularnych padów. Pokazuje to, że duże firmy mogłyby zastosować magnetyczne technologie nawet w aktualnych produktach (wystarczy rewizja).

Patrząc na to wszystko, widać, że najpopularniejsi producenci kontrolerów mogliby bez większych problemów na stałe rozwiązać problem z dryfowanie joysticków, jednak wciąż tego nie zrobili (znowu: pewnie ze względu na pieniądze).

Wymienne Joysticki z efektem Halla/TMR, czyli “naprawię se sam”

Mimo że u ogromnych koncernów nie widać na razie chęci trwałego wyeliminowania Joystick Driftu ze swoich kontrolerów, to użytkownicy tych akcesoriów nie są tutaj kompletnie bez opcji. Wszystko dlatego, że od pewnego czasu chińskie firmy produkują dedykowane zamienniki joysticków wykorzystujące efekt Halla lub TMR.

Jedną z najpopularniejszych marek w tej dziedzinie jest zapewne GuliKit. Firma ma w swoim portfolio:

• Joysticki z efektem Halla/TMR dla Nintendo Switch (link afiliacyjny)
• Joysticki z efektem Halla dla Steam Decka i Steam Decka OLED (link afiliacyjny)
• Joysticki TMR dla Dualshocka 4, DualSensa, padów Xbox Series, czy dla Nintendo Switch Pro Controller (link afiliacyjny)

Jeżeli w naszym padzie wystąpi, więc Joystick Drift i mamy w sobie duszę majsterkowicza, to przy pomocy takich modułów będziemy mogli wyeliminować nasz problem praktycznie na stałe. 

Podsumowanie

I oto już wszystko, co warto wiedzieć o efekcie Halla i TMR w padach/joystickach, czyli o technologiach, które mogłyby łatwo zapobiec jednej z najczęstszych wad w kontrolerach: dryfowaniu joysticków. Mam nadzieję, że w przyszłości więksi producenci jednak przekonają się do tych rozwiązań i zaczną je stosować w swoich akcesoriach, by zwiększyć ich trwałość. Jeżeli jednak tak się nie stanie to cóż… zawsze możemy wybrać pada od innego producenta, albo zmodyfikować nasz aktualny kontroler na własną rękę.

Jeżeli macie jakieś pytania w kwestii efektu Halla/TMR to możecie opisać je w komentarzu, a na pewno odpowiem, w wolnej chwili!