Joysticks de potenciómetro, efecto Hall, inductivos y ópticos
La progresión del Joystick industrial según sus diferentes tecnologías
En este artículo queremos detallar brevemente la historia del “joystick” y sus diferentes tecnologías. Antes de ser denominado joystick, se llamaba simplemente “palanca de control” (control lever, en inglés) o “mango” (handle). Una palanca de control consistía en conexiones mecánicas entre una persona y un dispositivo físico que necesitaba moverse en una dirección u otra. Enseguida se hizo patente que el problema era que una persona sólo podía controlar ese dispositivo en base a sus propias limitaciones físicas en cuanto a la cantidad de fuerza que podía ser aplicada a la palanca de control mecánico. No fue hasta que se tuvo capacidad para adaptar los circuitos eléctricos (específicamente los cambios en voltajes o niveles de corriente) que la idea de controlar dispositivos físicos (componentes mecánicos) que requerían mucha más fuerza de la que una persona podía ejercer sobre una palanca de control o mango derivó en la invención del “joystick”. La persona que necesitaba controlar un objeto muy grande o pesado o incluso un objeto muy distante, podía hacerlo aplicando sólo una pequeña cantidad de fuerza a un mango, y realizar tareas con relativa facilidad e incluso cierto deleite o placer (joy, en inglés), de aquí es de donde proviene la palabra “joystick”. No hay una traducción directa de esta palabra en ninguna otra lengua.
Una de las primeras aplicaciones del “joystick” fue en el campo aerospacial, donde el control de alerones y elevadores era una necesidad. Este uso de señales eléctricas desde el joystick para poder mover la parte mecánica de un avión en una dirección u otra pasó a llamarse “fly by wire” (volar por cable, literalmente). Hoy en día hay miles de aplicaciones que se aprovechan de los joystick de señales electrónicas para controlar el movimiento.
Joystick de potenciómetro
El primer joystick se basó en uno de los componentes de la ley de Ohm, el que se conoce como resistencia; muchos ingenieros se refieren a este tipo de joysticks como joysticks de potenciómetro. Este joystick tiene ciertos componentes físicos que cuando son movidos, permiten incrementar o disminuir el voltaje o la corriente, mediante la variación de la resistencia en el circuito electrónico. Esta variación de la tensión o la corriente es realizada por el usuario del joystick de potenciómetro, aplicando una pequeña cantidad de fuerza sobre la palanca del mismo. La tecnología del joystick de potenciómetro abrió las puertas al control de circuitos electrónicos, pero tiene limitaciones en cuanto a la durabilidad y fiabilidad a largo plazo, debido al desgaste de las partes móviles y a la susceptibilidad a interferencias electromagnéticas o de radio frecuencia.
Joystick de efecto Hall
Otra tecnología, descubierta por Edwin Herbert Hall y que aplica las propiedades del electromagnetismo mediante el uso de material ferromagnético, dio lugar a la aparición del Joystick de efecto Hall. Este joystick tenía una ventaja respecto el joystick de potenciómetro en el hecho de que no hay parte móviles que sufran desgaste con el tiempo. Aun así, el joystick de efecto Hall tiene una limitación en la misma naturaleza del material ferromagnético que se usa, ya que su campo magnético va a cambiar con el tiempo o por estar sujeto a cambios de temperatura. Estas variaciones en el campo electromagnético van a provocar que el joystick de efecto hall vaya un poco “a la deriva”. Esto quiere decir que la tensión de salida del joystick va a variar de forma involuntaria y va a causar efectos indeseados. El joystick de efecto hall tiene una fiabilidad limitada en el tiempo.
Joystick inductivo
Con estas limitaciones de fiabilidad y durabilidad de los joystick con potenciómetro o de efecto hall, apareció otra tecnología que dio lugar al joystick inductivo. Esta nueva tecnología se apoya en la Ley de Faraday de la Inducción, y usa una bobina toroidal (cable de cobre enrollado en formato circular) en la que se aplica una corriente y, por lo tanto, induce un campo magnético. Entonces se introduce una barra metálica en el toroide y, al moverse en su campo magnético, interrumpe o interfiere con las líneas de fuerza del mismo y, por lo tanto, induce un cambio en el flujo de corriente de la bobina. El cambio en el flujo de corriente se correlaciona con un cambio en la salida del voltaje proporcional que suministra el joystick inductivo. Esta tecnología incrementa la fiabilidad y durabilidad del joystick inductivo ya que el número de partes móviles se limita al eje, el resorte y el arranque. Se elimina también el problema de la “deriva” encontrada en los joysticks de potenciómetro y efecto Hall, ya que no hay ningún componente electrónico que se degrade con el tiempo. Hay un aspecto que se debe tener en consideración con los joystick inductivos, y éste es la susceptibilidad a interferencias electromagnéticas externas de señales de radiofrecuencia. Con el adecuado apantallamiento de la bobina toroidal y el cableado externo, las interferencias electromagnéticas y RF (EMI/RFI) pueden ser mitigadas.
Joystick Óptico
Hay otra tecnología más nueva que ahora CTI Electronics pone a su disposición a través de sensores ópticos de posición del mango del joystick, usando la longitud de onda de la luz, este joystick patentado se conoce como Ligthstick®, de CTI. El joystick óptico sólo tiene ventajas sobre los joysticks inductivos, de efecto hall o potenciómetro. El diseño es de tal manera que cualquier degradación en el tiempo o por temperatura de las fuentes de luz LED es compensada por un sensor de luz diferencial redundante y patentado, que se ha diseñado en el mismo joystick, y que además no afecta en su durabilidad o fiabilidad. Los problemas asociados a desviaciones, recalibraciones, componentes físicos desgastados, susceptibilidad al electromagnetismo, interferencias de radiofrecuencia, altas vibraciones y golpes han sido mitigados con la introducción del joystick óptico. El compromiso en un área de fiabilidad frente a otro, o la durabilidad a largo plazo de la palanca de mando del joystick en ambientes duros, queda eliminado con la aplicación del joystick óptico de CTI, Ligthstick®.
El nuevo futuro inmediato de CTI Electronics con el Joystick óptico, el LightStick®
El joystick óptico de CTI es ofrecido por CTI bajo la serie L-1000, muy parecida a la F-1000, pero con sus ventajas exclusivas, como son una placa de circuito impreso analógica completamente encapsulada. Sólo se requiere un sencillo proceso para su instalación, con la ventaja añadida de tener una profundidad inferior de 1,9 cm. El joystick óptico de la serie L-1000 es perfecto para la circuitería moderna de estados sólidos, que requiere baja potencia de +5 V DC o +3,3 V DC. Durante la planificación de producto, es la serie L-2000 la que va a usar la tecnología óptica pero con un formato de mango más grande, requerido normalmente en entornos abiertos y aplicaciones todo terreno. También está planeado el joystick óptico L-4000 con formato “grip” o empuñadura, con switches y botones opcionales del tipo que se encuentran en equipos industriales para aplicaciones de agricultura, construcción o aviación.
El joystick óptico es la mejor solución diseñada, mejorando todas las otras tecnologías de joystick en términos de fiabilidad y durabilidad. Recomendamos a todos los integradores de sistemas y fabricantes OEM a aprovechar las ventajas de los joysticks con tecnología óptica y ser de los primeros del mercado en adoptarlos.