Hall-effect-joysticks: hoe werken ze en hoe voorkomen ze joystickdrift?

Je hebt dit misschien al eens meegemaakt met je controllers: je personage begint te bewegen zonder input, je richtpunt kruipt omhoog of opzij terwijl je probeert stil te blijven staan, je controller lijkt bezeten te zijn door een geest die constant een klein beetje naar links wil bewegen. Dit fenomeen staat bekend als "joystick drift" en komt zeer vaak voor bij gamecontrollers. Het komt niet doordat je de controller hebt laten vallen of door de kamer hebt gegooid na een bijzonder intensieve gamesessie; het is eerder een ontwerpfout die inherent is aan het mechanisme achter de meeste controllers op de markt: de potentiometer.

Een potentiometer is simpelweg een variabele weerstand die een variabele spanningsdeler vormt. Dit zegt misschien niet veel als je niet bekend bent met elektrische componenten en theorie. Het enige wat je moet weten, is dat de uitvoer van de spanningsdeler verandert afhankelijk van de positie van de stick. Je controller leest deze spanning en vertaalt deze naar een coördinaat. Stel dat 0,1 V "omlaag" betekent en 0,9 V "omhoog". Midden kan worden gedefinieerd als 0,5 V. Potentiometers zijn niet supernauwkeurig, dus deze kalibraties worden meestal in de fabriek uitgevoerd, wat betekent dat de controller altijd 0,5 V als midden verwacht.

Terwijl je je joystick beweegt, beweegt deze een geleidende wisser tegen een resistief contactvlak, waardoor de weerstand en dus de uitgangsspanning variëren. Beweeg je je joystick omhoog, dan nemen de weerstand en de uitgangsspanning toe. Beweeg je de joystick omlaag, dan nemen de weerstand en de uitgangsspanning af. Er zitten twee potentiometers op elke joystick voor horizontale en verticale beweging, dus je controller leest de spanningen van beide om te bepalen waar je je personage naartoe wilt sturen.

Het probleem ontstaat wanneer deze resistieve contactvlakken na verloop van tijd slijten door wrijving. Je kunt je voorstellen hoeveel herhalingen dit systeem krijgt na slechts een uur gamen. Elke keer dat je je joystick heen en weer beweegt, verliezen deze contactvlakken een minuscule hoeveelheid materiaal. Na verloop van tijd verandert dit de weerstand van de contactvlakken. Zodra de weerstandswaarde van de neutrale positie verandert – boem, joystick drift. Omdat je controller een andere spanning meet dan verwacht terwijl hij stilstaat, interpreteert hij dit als joystick-input, waardoor je personage langzaam van die klif af loopt terwijl jij een snack pakt.

Hier komen Hall-effect-sensoren van pas. Waar de potentiometerjoystick een resistieve pad en een wisser gebruikt om de spanning te variëren, gebruikt een Hall-effect-joystick een contactloos alternatief: magneten.

In een Hall-effect-joystick wordt de geleidende pin (de wisser) vervangen door een magneet en de resistieve contactstrip door een platte geleider (Hall-element) die gevoelig is voor magnetische velden.

Terwijl elektronen door dit materiaal stromen, "duwt" het magnetische veld ze effectief naar de ene of de andere kant van het geleidende materiaal, afhankelijk van de veldpolariteit.

Wanneer de joystick wordt bewogen, detecteert de sensor naar welke kant de elektronen in het geleidende materiaal worden geduwd en interpreteert dit als beweging. Dit alles gebeurt zonder fysiek contact, waardoor er geen kans is op wrijvingsslijtage aan de sensor!

Voila! Een contactloze joystick-invoermethode – een die de levensduur van je controller drastisch kan verlengen en veel minder driftgevoelig is. Waar een potentiometerjoystick vrijwel zeker uiteindelijk kapotgaat, zou een Hall-effectjoystick theoretisch de hele levensduur van de controller mee kunnen gaan.