Rainer Radow's Projects

Pardon - I have not translated that much content to English for now - please enjoy the pictures and videos!

Flip-Dot Basics

In 2016, I acquired brand new and redesigned Flip-Dot modules from the last century, because I really enjoy this technique. In 2017 I developed a suitable PCB and the necessary Arduino program code . It has always been a pleasure to bring the yellow dots to life from these original packaging! If you like, you can buy Flip-Dot modules including Arduino control and clock module. Just write me an email and ask what I have to give.

How does a Flip-Dot work?

Each individual flip-dot consists of a magnetic plate that is colored yellow, red or white on one side and black on the other side. The plate is freely rotatably mounted via an axis in the middle of it.

Unterhalb des Dots sind eine oder zwei in Reihe geschaltete Spulen mit Eisenkern angeordnet. Für jedes Dot gibt es somit zwei elektrische Anschlüsse. Durch einen Stromstoß von weniger als 1/1000 sec werden die Eisenkerne in den Spulen dauerhaft in eine Richtung magnetisiert und halten das Plättchen entsprechend der Kernpolung fest in einer Position. Gibt man danach einen Stromstoß mit umgekehrter Polung in die Spulen, wird das Magnetfeld im Eisenkern umgekehrt und das magnetische Dotplättchen flippt in die entgegengesetzte Position.

Flip-Dot Modul Typ KRUEGER mit 1 Spule und halber klappbaren Platte

Flip-Dot Modul Typ KRUEGER mit 1 Spule und halber klappbaren Platte

Bei den KRÜGER Modulen (oben) hat das Plätchen wesentlich weniger Masse und Luftwiderstand als bei den BROSE Modulen (unten). Möglichereise sind auch die Mangnetspulen der KRÜGER Module stärker als die bei BROSE verbauten. Im Endefekt gelingt es mir bei gleich aufgebauter Hard- und Software, die KRÜGER Module deutlich schnell flippen zu lassen.

Flip-Dot Modul 1x7, Typ BROSE mit 2 Spulen und einer drehbaren Platte

Flip-Dot Modul 1x7, Typ BROSE mit 2 Spulen und einer drehbaren Platte

In der Mitte des Videos ist die Wechselzeit so kurz, dass es einige Dots
nicht mehr schaffen, voll umzuschlagen

Die Flip-Dot Technik ist sehr robust und störungssicher, solange man das Timing und den Spulenstrom beim Flippen im Griff hat. So weit mir bekannt ist, können diese Spulen längere Zeit an 5 Volt betrieben werden. Die kleinen 10 mm BROSE Dots haben beispielsweise einen Innenwiderstand von 16 Ohm, was an 5 Volt einem Strom von ca. 300 mA entspricht. Bei dieser Spannung flippen die Dots aber noch nicht betriebssicher. Die mir vorliegenden Flip-Dot Module wurden früher in Bussen und Bahnen mit 21 Volt Spulenspannung betrieben, was einem eingeschwungenen Spulenstrom von 1,3 A ergibt. Diesen hohen Strom halten die Spulen der Dots nur für sehr kurze Zeit aus oder flippen sonst ihr letztes Mal 😉

Die Ansteuerelektronik meiner Module arbeiten mit einer Logikspannung von 5 Volt und einer Flippspannung von 13 Volt, was für Normalanwendungen ein ausreichend schnelles Flippen erlaubt. Wer es schneller mag, kann die Flippspannung auf bis zu 24 Volt hoch setzen. Dazu gibt es bei mir spezielle Platinen mit entsprechend spannungsfesten Bauteilen.

Schnelle Wiedergabe von Ziffern mit meiner wwFlip.h Library bei 24 Volt. Der Orientierungswechsel der Ziffern erfolgt durch einen Librarybefehl, der die Modulorientierung festlegt.

Aufbau der BROSE Module

Die BROSE Module werden alle nach dem gleichen Prinzip und über die gleiche elektrische Schnittstelle an­gesteuert. Es gibt sie mit Dot-Durchmessern von 10 oder 15 mm. Die Dots werden rund, achteckig oder nierenförmig ausgeführt. Die Module sind immer aus 1x7 Streifen zusammengesetzt (siehe oben). Eine Richtung der Matrix ist daher immer durch 7 teilbar. Der auf der Matrixplatine verbaute Treiberbaustein (siehe unten) kann bis zu 28 Spalten ansteuern. Das größte mir bekannte Brose Modul ist mit 28x28 Flip-Dots ausgestattet, das kleinste mit 14x7 Dots - einige Beispiele dazu findet man auf meiner Museumsseite.

Flip-Dot Modul Aufbau

Flip-Dot Modul Aufbau

Die Flip-Dot Spulen sind in einer Matrix mit Zeilen- und Spaltenleitungen verdrahtet. Die Ansteuerung ähnelt einer LED Matrix. Da Spulen im Gegensatz zu Leucht-DIODEN keine Sperrrichtung aufweisen, würden sich die Dots innerhalb der Matrix gegenseitig den Schaltstrom "weiterreichen". Als Folge würde nie ein einzelnes Dot komplett umklappen, sondern immer ein Feld von Dots mehr oder weniger herumflippen. Um dies zu verhindern, ist auf den BROSE und KRÜGER Platinen jedes Flip-Dot in der Zeilensteuerung mit zwei Dioden ausgestattet. Bei den BROSE Modulen erkennt man auf der Platinenrückseite die Doppeldioden BAV99LT. Auf den KRÜGER MODULEN sind es dagegen 2 bedrahtete Standarddioden die neben den Spulen angeordnet sind.

Flip-Dot Matrix Doppeldiode

Flip-Dot Matrix Doppeldiode

Das X/Y Koordinatensystem der Module hat seinen Nullpunkt - von vorne gesehen - oben links. Wollen wir "L1" bestromen, legen wir +13 Volt an "X-SPALTE_1" und GND an "Y_ZEILE_1_-". Der Strom fließt über "L1" durch "D2". Die anderen Spulen erhalten keinen Impuls. Soll das Dot in die entgegengesetzte Richtung geflippt werden, wechselt man die Polarität an "X_SPALTE_1" von 13 Volt auf GND und bestromt "Y_ZEILE_1_+" mit +13 Volt. Der Strom fließt dann über "D1" durch "L1" - aber in entgegengesetzter Polarität, was den Eisenkern in der Spule ummagnetisiert und das bunte Magnetplättchen umklappen lässt.

Die bis zu 28 Spalten (x) werden über den auf dem Flip-Dot Modul befindelichen BROSE Chip direkt mit dem Schaltstrom versorgt. Dieser Chip ist so dimensioniert, dass immer nur ein Dot gleichzeitig geschaltet werden darf. Der Zeilenstrom muss über den großen 60-poligen Stecker eingespeist werden (siehe Kapitel weiter unten). An ihm findet man 20 Anschlüsse "Y_ZEILE_1_-" und 21 Anschlüse für "Y_ZEILE_1_+". Module mit mehr 21 bis 28 Zeilen benötigen einen zusätzlichen Stecker mit weiteren 16 Kontakten. Diese Module sind aber eher selten gebaut worden.

BROSE Module mit mehr als 20 Zeilen weisen einen zweiten Stecker auf,<br>über den man die Zeilen 21 bis 28 bestromt

BROSE Module mit mehr als 20 Zeilen weisen einen zweiten Stecker auf,
über den man die Zeilen 21 bis 28 bestromt

Wenn für ein großes Display mehrere Module in Reihe geschaltet werden, kann man sie über die auf jedem Modul vorhandenen Dipschalter kodieren und dann über den Busstecker adressiert ansprechen. Da heutige Mikrocontroller sehr preiswert sind, empfehle ich allerdings jedes Modul mit einem eigenen Controller auszustatten. Dadurch kann man die Gesamtdarstellung auf den Modulen viel reaktionsschneller realisieren - siehe meine Flip-Dot Ansteuerungen mit je einem Arduino pro Modul.

Funktionstest eine 21x7 BROSE Moduls mit Dot Durchmesser 15 mm

Flip-Dot Spaltentreiber IC

Der große Chip auf meinen BROSE Modulen ist unterschiedlich gelabelt (z.B. BROSE oder ALCATEL) und trägt meist irgendwo die Nummer 2840. Unter diesem Link findet ihr das Datenblatt eines FP2800A, der elektrisch mit meinen "BROSE" Chips identisch zu sein scheint. Laut Datenblatt "verträgt" er bis zu 27,5 Volt und kann bis zu 370 mA Spulenstrom treiben. Da dieser Chip direkt den Flip-Dot Strom schaltet, brennt er bei einer falschen Beschaltung auch mal durch. Wer meine Arduinoplatine und meine Library verwendet, muss davor keine Angst haben, da ich entsprechende hard- und software Schutzfunktionen implementiert habe!

Bei ersten Experimenten mit selbst aufgebauten Ansteuerungen sollte man diesen Chip aber vielleicht besser entfernern und einfach mit einem Stück Draht selber schalten. Hergestellt wird dieser Chip angeblich nicht mehr? Er ist manchmal gebraucht! für ca. 10 Euro bei Aliexpress.com als Ersatzteil zu finden - mir ist zum Glück noch keiner kaputt gegangen...

Flip-Dot Brose2840 = FP2800A, dieses Schaltbild habe ich aus dem Datenblatt kopiert

Flip-Dot Brose2840 = FP2800A, dieses Schaltbild habe ich aus dem Datenblatt kopiert

Über die 5 Adresspins A0, A1, A2, B0 und B1 wählt man einen der 28 Ausgänge 0A bis 3G aus. Die Wahr­heits­tabelle dazu steht in obigem Datenblatt. Die Ausgänge treiben direkt die Spalten 1 bis 28 der Flip-Dot Matrix. Über DATA legt man fest, ob die Ausgänge mit GROUND oder der Spaltenspannung VS beschaltet werden sollen. Damit es flippt, müssen wir gleichzeitig die "Gegenspannung" auf dem Kreuzpunkt der Matrix durch den Busstecker auf die richtige Zeile schicken.

Brose Flip-Dotmodule - 60-poliger Stecker

Über die Leitungen Set/Reset führt man den richtig gepolten Stromimpuls bei 12 bis 24 Volt Spannung an die gewünschte Matrix-Zeile. Durch die Logikeingänge A0 bis B1 wählt man die durch den BROSE Chip zu flippende Spalte aus. Die Modulauswahl Modul 1 bis Modul 8 muss der Schalterstellung auf der Platine entsprechen, damit der BROSE Chip seinen Dienst tut. Alle Steuer­leitungen sind auf der Originalplatine über Spannungs­teiler und Trenndioden sowie einen 8-bit Comparator zur Modulauswahl auf den Busstecker ge­führt. Die Steuer­signale sollten daher mit mehr als 5 Volt zugeführt werden - im Original waren dies 21-24 Volt.

Original-Belegung des 60-poligen Flip-Dot Steckers auf den BROSE Modulen<br> "12V" muss im Original mit 24 Volt versorgt werden

Original-Belegung des 60-poligen Flip-Dot Steckers auf den BROSE Modulen
"12V" muss im Original mit 24 Volt versorgt werden

LED-Treiber

Auf einigen meiner Module ist jedem Flip-Dot auch eine Leuchtdiode zugeordnet. Diese sind in einer ge­son­der­ten Matrix miteinander verschaltet und werden über zwei zusätzliche Steckverbinder am oberen Rand der Platine angesteuert. Auf den BROSE Platinen befinden sich zur Ansteuerung bereits Zeilentreiber (siehe 8-beiniges IC im Bild). Über die Steckerleiste ist dann nur noch der Spaltenstrom zu treiben. Die LEDs werden dazu im Multiplexverfahren getaktet. Eine dafür passende Ansteuerelektronik habe ich auch schon entwickelt.

Flip-Dot Module mit einzeln ansteuerbaren LEDs je Dot

Flip-Dot Module mit einzeln ansteuerbaren LEDs je Dot

KRÜGER Flip-Dot Module

Aufbau der KRÜGER Module

Die sichtbaren Dots der KRÜGER Module bestehen aus einem Plastikspritzgussteil als Grundkörper für jeweils ein Dot und einer beweglichen magnetischen Platte mit angeformter Achse. Eine Hälfte des Grundkörpers ist weiß oder gelb lackiert, die andere matt-schwarz. Die in der Achse frei beweglich gelagerte magnetische halbe Platte ist auf beiden Seiten unterschiedlich lackiert. Sie wird durch einen Magnetimpuls aus der darunter liegenden Spule entweder über die schwarze oder die farbige Fläche des Grundkörpers geklappt. Für den Betrachter ergibt sich somit ein schwarzes oder ein farbiges Dot. Ich habe bisher Dots in den Größen 10 x 10 mm und 15 x 20 mm gefunden.

Einzelteile der Krüger Flip-Dot Module:<br>Dot-Grundkörper, magnetische Platte, Spule und Spaltenblech

Einzelteile der Krüger Flip-Dot Module:
Dot-Grundkörper, magnetische Platte, Spule und Spaltenblech

Die einzelnen Dot-Grundkörper sind von oben in schwarze Spaltenbleche eingeklippst. Die Spaltenbleche tragen je nach Ausführung 16 oder 24 Dots. In der Regel bilden 16 solcher Spaltenbleche ein KRÜGER Flip-Dot Modul, woraus sich übliche Modulgrößen von 16x16 oder 16x24 ergeben. Die Bleche werden mit 2 Schrauben an ihren Enden auf den Platinen so befestigt, dass ein Dot-Grundkörper genau über einer Spule steht. Dadurch können die Module seitlich unendlich erweitert werden (siehe weiter unten). Oben und unten - im Bild links und rechts - stehen einer Display­erweiterung die Befestigungsschrauben und die Anschlussstecker im Wege.

16x16 KRÜGER Modul, die silberfarbenen Streifen tragen die hier nicht montierten Spaltenbleche. Links erkennt man die zwei Steckerleisten für die Zeilen- und Spaltenleitungen.

16x16 KRÜGER Modul, die silberfarbenen Streifen tragen die hier nicht montierten Spaltenbleche. Links erkennt man die zwei Steckerleisten für die Zeilen- und Spaltenleitungen.

Die logische Dot-Matrix Verschaltung der KRÜGER und BROSE Module unterscheidet sich nicht. Neben jeder Spule befinden sich bei KRÜGER die zwei oben erwähnten Dioden zur Matrixbildung als von oben durch­gesteckte bedrahtete Bauteile. Die KRÜGER Module enthalten ansonsten keine Logik- oder Treiberbausteine. Alle Spalten- und Zeilenleitungen sind über zwei am oberen Rand der Module angebrachte Steckerleisten direkt zu bestromen.

Der beschriebene Aufbau der KRÜGER Module macht sie sehr wartungsfreundlich. Nach Abschrauben des Zeilenblechs können die darunter liegende Spulen oder die Dioden einfach gewechselt werden. Das ist bei den 7 Dots = 14 durch­gesteckte Beine fassenden Plastikrahmen der BROSE Grundmodule viel komplizierter. Auch ist für mich die Gruppierung der Dots in Vielfache von 8 logischer als die von BROSE gewählte 7ner Anordnung - aber das ist natürlich Ansichtssache!

Die KRÜGER Module können liegend oder stehend verwendet werden<br>Ein 16x24 Modul zeigt problemlos 5 Ziffern einer 4x7 Schrift in 2 Zeilen

Die KRÜGER Module können liegend oder stehend verwendet werden
Ein 16x24 Modul zeigt problemlos 5 Ziffern einer 4x7 Schrift in 2 Zeilen

Zusammenschalten von mehreren Modulen mit den von mir entwickelten Platinen

Die 16 x 24 KRÜGER Module können stehend in beliebiger Anzahl seitlich aneinander gereiht werden. Die sich ergebende Dot-Matrix ist dann 24 Pixel hoch und n* 16 Pixel breit. Da die Module auch liegend betrieben werden können, ist solch ein Display natürlich auch in den Dimensionen 24 Pixel breit und n* 16 Pixel hoch für z.B. ein Tetrisspiel denkbar.

Im Video unten zeige ich einen Aufbau mit drei Modulen, also 48 x 24 = 1152 Dots. Die Module werden einzeln von einer Treiberplatine aber einem gemeinsamen Arduino Nano beschaltet. Der Nano schafft diese Aufgabe zeitlich problemlos. Pro Takt schaltet in jedem 16x24 Modul genau ein Dot um. Achtung - Video bitte bis zum Ende anschauen - es wird immer schneller. Im Video beträgt die Versorgungsspannung 24 Volt.

Großflächige Displays

Auch die BROSE Module kann man natürlich seitlich problemlos aneinander reihen. Die Größe solcher Reihen ist allerdings durch die Modulhöhe auf maximal 28 Dot begrenzt. Für ein großflächiges Display mit Abmessungen von 63x38 Dots habe ich 6 Stück BROSE 21x19 Module in einer 3x2 Anordnung verbaut. Die oben und unten störend überstehenden Platinen - incl. der Elektronik habe ich "einfach" auf der Bandsäge abgetrennt. Anschließend mussten alle entfallenden Leiterbahnen und Schaltungen neu hinzugefügt werden - was für ein "Gefummel":

Bei diesem Modul wurde der untere Rand incl. dem BROSE Chip abgetrennt und dann mit der Hand neu verdrahtet

Bei diesem Modul wurde der untere Rand incl. dem BROSE Chip abgetrennt und dann mit der Hand neu verdrahtet

Jedes Flip-Dot Modul ist mit einer meiner wwFlip Platinen versehen. Der darauf befindliche Arduino Nano steuert die Flipabläufe. Der mittig angeordnete Arduino Mega entwickelt das darzustellende Bild und gibt den 6 Nanos per I2C Bus die jeweiligen Steuerbefehle. Die aktive Anzeigefläche misst 94,5 x 57 cm.

Rückseite des 63x38 Dot Moduls, 6x wwFlip Schaltung incl. Arduino Nano, 1x Arduino Mega, 2x Netzteil 13,5 Volt

Rückseite des 63x38 Dot Moduls, 6x wwFlip Schaltung incl. Arduino Nano, 1x Arduino Mega, 2x Netzteil 13,5 Volt

Es läuft!