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 . In 2019 I revised the Arduino software once again, which I continued till today. Since 2024 an ESP32S2 is flipping the Dots with WLAN data. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Flip-Dot Spaltentreiber IC

Der große Chip auf den BROSE Modulen ist unterschiedlich gelabelt (z.B. BROSE oder ALCATEL) und trägt die Nummer 2840 oder 2800. Unter diesem Link findet ihr das Datenblatt eines FP2800A, vom Pin-Out ist er mit den 2840 Chips identisch. In der Ansteuerung muss man ein wenig anders verfahren, weshalb es in meiner Library ein #define FP2800 gibt.

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...

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.

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.

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.

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.

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!

Hilfe bei unwilligen Dots

Magnetische Probleme

Flip-Dot Module haben ein magnetisches Gedächtnis - das ist der Trick, es kann aber auch der Fluch sein. Hat man die Module über längere Zeit nicht bewegt, scheint es, dass sie nicht mehr so gerne aus der Lagerposition herausflippen möchten. Vielleicht hat sie vorher auch jemand mit einer größeren Spannung und/oder Energie flippen lassen, als man selbst das jetzt tut. Dieser Effekt kann also auch auftreten, wenn man sehr unterschiedliche Werte für die CoilFlipDuration verwendet. In diesem Video sieht man einige "faule" Dots, die immer etwas länger zum Umschalten benötigen:

Dies bedeutet aber keine dauerhafte Schädigung der Module. Meiner Erfahrung nach muss man die Eisenkerne nur ein paar mal hin und her "schütteln", damit sie sich wieder neutral verhalten. Dazu wiederholt man in einer Schleife die Befehle setAll(t) und resetAll(t) mit an das Modul angepassten Variationen der Wartezeit t. Weiterhin kann man in solch einer Schleife auch laufend die CoilFlipDuration verändern. Wenn das alles nichts hilft, sollte man nach mechanischen Ursachen fahnden.

Mechanische Probleme

Die KRUEGER Flip-Dot Module sind generell sehr unanfällig gegen mechanische Störungen. Bei langer Lagerung haften die Klappen manchmal am Grundkörper. Ein einmaliger kleiner "Schubs" genügt hier. Aber Vorsicht, das was wir da als kleine Platte sehen, ist der aus Magnetpulver gepresste Permanentmagnet. Bei ruppiger Behandlung bricht hier auch schon einmal eine Ecke ab.

Man kann die Plastikgrundkörper eines jeden Dots mit den darauf befindlichen Klappen leicht auswechseln. Sie sind in den Spalten-Blechrahmen nur eingeklippst. Man schraubt dazu vorher am besten die ganze Spalte vom Modul ab. Es ist zu beachten, dass die Klappen in einer Spalte immer abwechselt mit den Nordpol und dann mit dem Südpol schwarz lackiert sind. Dies wahrscheinlich zur Vermeidung einer gegenseitigen magnetischen Beeinflussung der Dots untereinander? Beim Austauschen der Dots ist also deren Polung zu beachten.

Die einfachsten mechanischen Probleme bei den BROSE Modulen stellen teilweise aus den Führungen herausgerutschte Achsen und Verschmutzungen an den Dots oder den Achsen dar. Die BROSE Dots kann man sehr leicht und unproblematisch aus den schwarzen Plastikgehäusen ausklipsen, begutachten und wieder einklipsen - das alleine hilft manchmal schon! Achtung! Dots nur mit sauberen und fettfreien Fingern einsetzen, damit es keine Abdrücke auf der mattschwarzen Dotfläche gibt.

Bei neuen BROSE Modulen sind die gestanzten Achsen teilweise zu lang. Das erkennt man daran, dass sie sich nur recht schwer drehen lassen bzw. klemmen. Diese Achsen kürzt man mit der Nagelfeile vorsichtig - bitte nur ganz vorsichtig Stück für Stück und zwischendurch immer testen - sonst sind die Achsen auch schnell zu kurz!

Weiterhin habe ich sehr scharfkantige oder ungleichmäßig abgenutzte Achsen gesehen. Hier muss man sich das Ganze unter der Lupe anschauen und ggf. auch wieder mit der Nagelfeile nacharbeiten. Das Abrunden der Achsen kann generell die Flippfeudigkeit der Dots erhöhen. Bei ganz störrischen Dots könnte man sie per Programmcode 2x hintereinander in die gleiche Richtung flippen lassen - das war bei meinen Modulen bisher aber noch nie nötig.

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.

Großdisplay Eigenbau

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":

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.

Großdisplay von Lawo

Im April 2019 konnte ich ein zweiseitiges Großdisplay der Firma LAWO erwerben. Es diente als Fahrplananzeige auf dem Busbahnhof in Lutherstadt Wittenberg und später als Spielanzeige auf einem Sportplatz.

Die Anzeige besaß eine Vorder- und eine Rückseite mit jeweils 6x5 einzelnen Flipdotmodulen. Aus mir unbekannten Gründen besteht jede Fläche aus 4 Zeilen und 5 Spalten mit Modulen zu 28 x 28 Dots, einer oberen Zeile mit 28 x 19 Dots und einer seitlichen Spalte mit 19x 28 Dots, sowie einem Eckmodul von 19 x 19 Dots. Insgesamt ergibt sich für jede Seite eine Feldgröße von 159 Dots ind der Breite und 131 Dots in der Höhe = 20.829 Dots bzw. 41.658 Dots für beide Seiten. Jedes Dot ha1 einen Durchmesser von 10 mm und ist ungebremst.

Zusätzlich gab es auf jeder Anzeigeseite über dem großen Dot-Feld noch zwei aus Flipdots gebildete Uhren. Die Module wurden über 34 polige Flachbandkabel zeilenweise in Reihe geschaltet. Jede Seite wurde von einer eigenständigen Steuerplatine angetrieben. Durch die gewählte Verdrahtung konnte immer genau ein Dot pro Zeile angesteuert werden, also 6 Dots pro Seite je Schaltvorgang.

Jeder der zwei LAWO Rechner besitzt 8 Steckplätze für 34-polige Flachbandkabel, könnte also 8-zeilige Displays ansteuern. Für das von mir geplantes Projekt mit diesen LAWO Flip-Dot Modulen genügte die Ansteuerung von einem Dot pro Zeile und Flipvorgang jedoch nicht, weshalb ich mir eine neue Ansteuerung bauen musste.

Nach dem Abbau der Anzeigen, habe ich trotzdem erst einmal die Schaltung und die Verdrahtung anhand eines Rechners und eines Moduls studiert. Der Testaufbau funktionierte problemlos. Nach Drücken des weißen Tasters links unter den Dioden wurden verschiedene Testmuster auf dem Display angezeigt.

Flip-Dot-Module für Fahrtzielanzeigen in Bussen und Straßenbahnen sind gewöhnlich einzeilig ausgeführt. Zur einfachen Montage haben solche Module oben und unten einen breiten Platinenstreifen mit Befestigungslöchern, sodass sie nur seitlich, aber nicht oben und unten zu einer gleichmäßigen Fläche aneinander gereiht werden können.

Die Platinen der in dieser Anzeige verbauten LAWO Module sind genau so groß, wie die Flipdot-Fläche, hier also 28 x 28 cm. Das macht zwar die Befestigung der Module über je 7 Stehbolzen sehr viel komplizierter, ermöglicht aber ein lückenloses Anreihen an jeder Seite der Module zu einer beliebig großen, geschlossenen Anzeigefläche.

Ein weiterer Unterschied dieser LAWO Module gegenüber den mir bekannten BROSE und KRUEGER Einheiten besteht in der Elektronik. Jedes LAWO Modul wird nicht nur von einem, sondern von 3 Stück FP2800 angesteuert.

Das bedeutet, dass die 24 Volt Leistungssteuerung komplett für jedes Modul einzeln ausgeführt ist. Einer der FP2800 fungiert dabei wie gewohnt als Spaltentreiber in positiver und negativer Richtung, während sich die beiden anderen FP2800 über die pro Dot verbauten Doppeldioden (siehe oben) die Zeilensteuerung teilen - einer übernimmt die positive Ansteuerung, der andere die negative Ansteuerung.

Den ausgeklingelte Schaltplan der Flip-Dot-Ansteuerung zeigt oben die 34-poligen Busstecker und unten die Beschaltung der drei FP2800. IC1 als Spaltentreiber wird über den Stecker ST1 per 5 Volt direkt angesteuert (A0-1 bis B1-1). Über M1 erhält IC1-PIN14 den Schaltbefehl zum Flippen. Die Zeilentreiber IC2 und IC3 teilen sich die Steuerleitungen (A0-2-3 bis B1-2-3), da ja entweder positiv oder negativ gesteuert wird, spart man so 5 Leitugen. Je nach Flipprichtung erhält dann IC2 oder IC3 per ENABLE-2 oder ENABLE-3 den Flippbefehl.

Zum Schutz der Flipdotspulen vor zu langen Impulsen ist jeder ENABLE Eingang der FP2800 mit ein R/C Glied versehen (0,33 µF und 15 k).

Die 5 Volt / 24 Volt Versorgungsleitungen, sowie ein Teil der Datenleitungen werden vom Eingangsstecker ST1 eins zu eins an ST2, und damit zum folgenden Flip-Dot Modul in der Kette weiter gereicht. Nur für die ENABLE-1 Leitungen M1 bis M8 haben sich die LAWO Leute einen kleinen Kniff einfallen lassen. Diese werden um eins versetzt an das Folgemodul weiter geleitet. M2 am Eingang auf ST1-Pin16 wird dadurch zu M1 am Ausgangsstecker ST2-Pin14 und so weiter. Ohne weitere Jumper etc. wird dadurch jedes Modul in der Leitungskette automatisch zum Nachfolgemodul.

Durch M1 bis M8 können somit bis zu 8 Module an einem seriellen Strang individuell angesteuert werden - aber in jedem Strang auch immer nur 1 Dot gleichezeitig, was die Anzeigegeschwindigkeit einer solchen Kette natürlich 8 mal langsamer macht!

Um alle Module in einem seriellen Strang gleichzeitig schalten zu können, habe ich eine kleine Huckepackplatine entwickelt. Auf ihr sind 2 Schieberegister und ein Logikbaustein für die Auswahl ENABLE-2 oder ENABLE-3 verbaut. Man steckt sie auf den 34-poligen Stecker ST1. Da der Schaltstrom pro Zeile nun deutlich höher ist, wird die 24 Volt Flippspanunng über die grünen Schraubklemmen geführt. Das serielle Signal wird oben auf der Platine über ein 10 poliges Flachbandkabel von einem Modul zum nächsten weiter gereicht.

Die Schaltung funktioniert zufriedenstellend. In den folgenden Monaten muss ich meine wwFlip Software für das große Display anpassen und ein solides Gehäuse für die Großanzeige bauen - vielleicht klappt es ja zur MAKER Faire in Hannover im August 2019...