Hall Effect czy TMR? Jakie analogi w kontrolerach są lepsze?

Stick drift, czyli samoczynne poruszanie się postaci lub kamery bez dotykania gałki analogowej, to jedna z najbardziej znanych usterek współczesnych kontrolerów do konsol. Problem dotyczy między innymi padów PlayStation, Xbox oraz Nintendo.

W odpowiedzi na ograniczenia klasycznych potencjometrów coraz więcej producentów stosuje magnetyczne analogi Hall Effect oraz TMR.

Obydwie technologie eliminują tradycyjny, kontaktowy sposób pomiaru pozycji gałki, ale działają inaczej i oferują różne parametry.

Które rozwiązanie jest więc lepsze?

Jak działa klasyczny analog w kontrolerze?

W większości popularnych kontrolerów przez lata stosowano moduły analogowe wykorzystujące potencjometry.

Podczas przesuwania gałki mechanizm obraca element potencjometru odpowiedzialny za określenie pozycji osi X oraz Y.

Rozwiązanie jest proste, tanie i przez wiele lat sprawdzało się bardzo dobrze.

Ma jednak podstawową wadę.

Element pomiarowy pracuje mechanicznie, dlatego z czasem może ulegać zużyciu. Powierzchnie współpracujące ze sobą mogą się wycierać lub zabrudzić, a wartości odczytywane przez kontroler zaczynają odbiegać od prawidłowych.

Jednym z efektów może być właśnie drift analoga.

Kontroler interpretuje wtedy położenie gałki jako wychylone, mimo że fizycznie znajduje się ona w pozycji neutralnej.

Czym jest Hall Effect?

Hall Effect, czyli efekt Halla, wykorzystuje pole magnetyczne do określenia pozycji elementu.

W module analogowym znajduje się magnes oraz odpowiedni czujnik.

Zmiana położenia gałki powoduje zmianę pola magnetycznego odbieranego przez sensor, a elektronika przekształca tę informację na pozycję osi kontrolera.

Najważniejsza różnica w porównaniu z klasycznym potencjometrem polega na tym, że pomiar położenia może odbywać się bez mechanicznego tarcia elementu pomiarowego o ścieżkę potencjometru.

Dzięki temu jeden z podstawowych mechanizmów prowadzących do zużywania się klasycznych analogów zostaje wyeliminowany.

Zalety analogów Hall Effect

Największą zaletą Hall Effect jest trwałość elementu odpowiedzialnego za pomiar.

Brak klasycznej ścieżki potencjometru oznacza mniejsze ryzyko wystąpienia problemów wynikających z jej mechanicznego zużycia.

Technologia Hall Effect jest również dobrze znana i rozwijana od wielu lat.

Do jej zalet można zaliczyć:

• bezkontaktowy pomiar pozycji,
• dużą trwałość sensora,
• odporność na zużycie typowe dla potencjometrów,
• dobrą powtarzalność pomiaru,
• szeroką dostępność komponentów,
• stosunkowo atrakcyjny koszt produkcji.

Z tego powodu Hall Effect stał się popularnym rozwiązaniem w kontrolerach wielu producentów.

Hall Effect nie oznacza kontrolera odpornego na każdą awarię

Często można spotkać się z określeniem „analog bez driftu”.

Jest ono jednak pewnym uproszczeniem.

Hall Effect eliminuje jeden z najważniejszych powodów powstawania driftu charakterystycznego dla klasycznych potencjometrów, ale cały analog nadal posiada elementy mechaniczne.

W module pozostają między innymi:

• sprężyna centrująca,
• mechanizm wychylenia,
• oś gałki,
• elementy prowadzące,
• przycisk L3 lub R3.

Elementy te również mogą ulec zużyciu, zabrudzeniu albo uszkodzeniu.

Nieprawidłowe wskazania mogą dodatkowo wynikać z problemów z kalibracją.

Dlatego nawet magnetyczny analog nie jest konstrukcją całkowicie niezniszczalną.

Czym jest TMR?

TMR – Tunnel Magnetoresistance, czyli tunelowa magnetorezystancja, jest kolejną metodą wykrywania pola magnetycznego.

Podobnie jak Hall Effect pozwala określić położenie elementu bez klasycznego kontaktowego potencjometru.

Sposób pomiaru jest jednak inny.

W technologii TMR zmienia się rezystancja struktury sensora w zależności od oddziałującego na nią pola magnetycznego.

Najważniejsze z punktu widzenia użytkownika kontrolera są potencjalne korzyści: bardzo wysoka czułość, dobry stosunek sygnału do szumu oraz niski pobór energii.

Producent sensorów Infineon wskazuje TMR między innymi jako technologię przeznaczoną właśnie do zastosowań HMI, joysticków i triggerów, podkreślając wysoką czułość, niski jitter i możliwość precyzyjnej pracy z niewielkimi magnesami.

Czy TMR jest dokładniejsze od Hall Effect?

Pod względem właściwości samej technologii TMR ma przewagę w czułości.

TDK, jeden z największych producentów sensorów magnetycznych, podaje, że opracowane przez firmę rozwiązania TMR charakteryzują się znacznie wyższą czułością niż tradycyjne czujniki Halla.

Firma wskazuje również na takie zalety TMR jak:

• wysoka precyzja,
• niski pobór energii,
• bardzo dobra czułość,
• wysoki stosunek sygnału do szumu,
• stabilność pomiaru.

W przypadku urządzeń gamingowych może się to przełożyć na możliwość bardzo dokładnego wykrywania niewielkich zmian pozycji drążka.

Nie oznacza to jednak automatycznie, że każdy kontroler z TMR będzie dokładniejszy od każdego kontrolera Hall Effect.

Końcowa jakość działania zależy od całej konstrukcji.

Sensor to tylko część analoga

Przy porównywaniu kontrolerów bardzo łatwo skoncentrować się wyłącznie na rodzaju sensora.

W praktyce na działanie analoga wpływa również:

• jakość mechanizmu,
• jakość magnesów,
• dokładność montażu,
• oprogramowanie kontrolera,
• rozdzielczość przetwarzania sygnału,
• kalibracja,
• deadzone,
• filtracja sygnału,
• jakość sprężyny centrującej.

Świetny sensor TMR zamontowany w kiepskim mechanizmie nie musi działać lepiej od dobrze zaprojektowanego analoga Hall Effect.

Podobnie bardzo precyzyjny sensor nie da pełnej korzyści, jeśli firmware kontrolera mocno filtruje odczyty.

Hall Effect czy TMR – co jest bardziej precyzyjne?

Jeżeli porównujemy samą technologię sensorów, przewaga znajduje się po stronie TMR.

TMR oferuje bardzo wysoką czułość na zmiany pola magnetycznego.

Infineon wskazuje w swoich materiałach technologicznych, że w zastosowaniach wymagających wysokiej dokładności oraz niskiego poziomu szumów TMR zapewnia istotne korzyści.

TDK również rozwija sensory TMR specjalnie z myślą o sprzęcie gamingowym, takim jak:

• analogi kontrolerów,
• triggery,
• kierownice,
• pedały,
• klawiatury.

Producent podkreśla ich wysoką precyzję i szybkie działanie.

Hall Effect czy TMR – co jest bardziej trwałe?

W obu przypadkach podstawową zaletą w stosunku do klasycznych potencjometrów jest bezkontaktowy sposób określania pozycji.

Dlatego zarówno Hall Effect, jak i TMR mogą znacząco ograniczyć problemy wynikające ze zużywania się ścieżek potencjometrów.

Jeżeli natomiast uszkodzi się mechaniczna część modułu, rodzaj sensora nie będzie miał większego znaczenia.

Sprężyna centrująca oraz pozostałe elementy mechaniczne nadal wykonują ogromną liczbę ruchów podczas użytkowania kontrolera.

Dlatego pod względem trwałości należy oceniać cały moduł, a nie wyłącznie zastosowany czujnik.

Hall Effect czy TMR – co zużywa mniej energii?

TMR może mieć tutaj przewagę.

Producenci sensorów wymieniają niski pobór energii jako jedną z charakterystycznych zalet technologii TMR.

Ma to szczególne znaczenie w urządzeniach zasilanych akumulatorowo.

Przykładowo Infineon oferuje sensory TMR przeznaczone do precyzyjnego pomiaru pozycji przy bardzo niewielkim poborze prądu.

W kontrolerze różnica w czasie pracy na jednym ładowaniu zależy jednak od całej konstrukcji elektroniki, dlatego nie należy oceniać czasu pracy pada tylko na podstawie rodzaju zastosowanych analogów.

A co z opóźnieniem?

Sam rodzaj sensora nie określa automatycznie input laga kontrolera.

Na opóźnienie wpływa cały tor sygnałowy:

analog → sensor → elektronika → firmware → komunikacja USB lub bezprzewodowa → konsola lub komputer.

Bardzo szybki i precyzyjny sensor może więc zostać ograniczony przez sposób przetwarzania danych przez kontroler.

Dlatego deklaracje typu „TMR ma mniejszy input lag niż Hall Effect” należy traktować ostrożnie, jeśli nie są poparte pomiarem kompletnego urządzenia.

TMR czy Hall Effect – które analogi są lepsze?

Jeżeli patrzymy wyłącznie na potencjał technologii, TMR jest obecnie bardziej zaawansowanym rozwiązaniem pomiarowym.

Oferuje przede wszystkim:

• bardzo wysoką czułość,
• bardzo dobry stosunek sygnału do szumu,
• wysoką precyzję,
• niski pobór energii,
• bezkontaktowy pomiar.

Hall Effect pozostaje jednak bardzo dobrym i sprawdzonym rozwiązaniem.

Jego zaletami są:

• trwałość,
• duża dostępność,
• dojrzała technologia,
• atrakcyjny koszt,
• dobre parametry wystarczające dla większości zastosowań gamingowych.

Dlatego odpowiedź na pytanie „Hall czy TMR?” brzmi:

technicznie TMR ma większy potencjał, ale o jakości analoga decyduje cały moduł, jego kalibracja i sposób obsługi przez kontroler.

Dobry Hall Effect może działać znacznie lepiej niż źle wykonany moduł TMR.

Czy warto wymieniać klasyczne analogi na Hall lub TMR?

Nie zawsze.

Wymiana analoga w kontrolerze nie polega wyłącznie na wylutowaniu starego elementu i zamontowaniu nowego.

Konstrukcja kontrolera, elektronika oraz firmware zostały przygotowane do pracy z określonym typem modułu.

Po wymianie konieczna może być między innymi:

• kalibracja środka,
• ustawienie zakresów osi,
• kontrola wartości minimalnych i maksymalnych,
• sprawdzenie symetrii wychylenia,
• kontrola deadzone.

Nieprawidłowo dobrany albo źle skalibrowany moduł może działać gorzej niż oryginalny analog.

Dlaczego w SerwisKonsol.pl stosujemy oryginalne części?

W przypadku napraw kontrolerów priorytetem SerwisKonsol.pl jest przywrócenie urządzenia do prawidłowego działania przy zachowaniu parametrów przewidzianych dla danego modelu.

Ma to szczególne znaczenie w przypadku analogów.

Na rynku dostępnych jest wiele tanich zamienników, które mogą wyglądać niemal identycznie, ale różnić się:

• charakterystyką potencjometrów,
• sprężyną centrującą,
• zakresem pracy,
• jakością wykonania,
• trwałością,
• tolerancją mechaniczną.

W przypadku kontrolera różnice te bezpośrednio wpływają na precyzję sterowania.

Dlatego podczas standardowych napraw nie montujemy przypadkowych, najtańszych zamienników tylko dlatego, że pasują fizycznie do płyty kontrolera.

Oryginalne części stosowane przez nasz serwis są dostępne również w Konsolowo.pl, gdzie mogą je kupić także osoby zajmujące się samodzielną naprawą elektroniki.

Kiedy wybrać Hall Effect lub TMR?

Jeżeli kupujemy nowy kontroler i mamy wybór pomiędzy podobnej jakości konstrukcjami, warto rozważyć:

Hall Effect

Dobry wybór, jeżeli zależy nam przede wszystkim na:

• zwiększonej trwałości sensora,
• ograniczeniu zużywania się elementu pomiarowego,
• sprawdzonej technologii,
• dobrej relacji ceny do możliwości.

TMR

Warto wybrać, jeżeli priorytetem jest:

• wysoka precyzja,
• bardzo wysoka czułość,
• niski poziom szumów,
• niski pobór energii,
• najnowsza generacja technologii magnetycznego pomiaru pozycji.

W obu przypadkach warto jednak zwrócić uwagę na producenta kontrolera oraz jakość całego mechanizmu.

TMR jest przyszłością analogów?

Wiele wskazuje na to, że technologia TMR będzie coraz częściej pojawiała się w kontrolerach i innych urządzeniach gamingowych.

TDK już rozwija dedykowane rozwiązania TMR dla producentów sprzętu gamingowego, obejmujące między innymi sensory przeznaczone do drążków oraz triggerów.

Infineon również wskazuje joysticki i urządzenia HMI jako jeden z ważnych obszarów zastosowania nowych sensorów TMR.

Nie oznacza to końca Hall Effect.

Hall pozostaje prostszym i sprawdzonym rozwiązaniem i prawdopodobnie jeszcze przez wiele lat będzie obecny w kontrolerach.

TMR może natomiast stopniowo przejmować segment najbardziej zaawansowanych urządzeń, w których producenci oczekują bardzo wysokiej dokładności oraz niskiego poboru energii.

Podsumowanie – Hall Effect czy TMR?

Obydwie technologie są interesującą alternatywą dla klasycznych potencjometrów.

Hall Effect jest sprawdzonym, trwałym i stosunkowo niedrogim rozwiązaniem.

TMR oferuje natomiast wyższą czułość i bardzo duży potencjał w zastosowaniach wymagających wysokiej precyzji.

Jeżeli mielibyśmy wskazać technologię bardziej zaawansowaną – wybralibyśmy TMR.

Nie oznacza to jednak, że każdy analog TMR będzie automatycznie lepszy od Hall Effect.

Ostateczna jakość zależy od kompletnej konstrukcji modułu, jakości mechaniki, elektroniki oraz prawidłowej kalibracji kontrolera.

W przypadku napraw kontrolerów najważniejszy pozostaje właściwy dobór części do konkretnego modelu. Dlatego SerwisKonsol.pl korzysta wyłącznie z oryginalnych części dostępnych w Konsolowo.pl, zamiast montować przypadkowe zamienniki niewiadomego pochodzenia.

Źródła techniczne: materiały producentów sensorów TDK oraz Infineon dotyczące technologii Hall Effect i Tunnel Magnetoresistance (TMR).