*FlipDot/FlipDisc-display

(2011 – Update 28.4.11) – Flip-dot-display (auch FlipDot/FlipDisc oder bistabiles Anzeigeelement)

Mir ist zufällig ein Flip-dot-display (auch Flip-disc-display, Klappdisplay oder bistabiles Anzeigeelement) als Leihgabe in die Hände gefallen ist. Daher wollte ich über diese antiquierte Technologie mal einen kurzen Artikel verfassen, da sie dennoch sehr interessant ist.

Hintergrund
Soweit es Wikipedia und Google hergibt, handelt es sich um eine Technik, welche 1961 vom Amerikaner Kenyon Taylor zum Patent angemeldet wurde. Die Technik wurde vielfach bei Großdisplays, wie beispielsweise an der Frankfurter Börse, verwendet. Die große Anzeige mit dem DAX-Tagesverlauf ist beispielsweise solch einem Display. Oft sind auch Bus-, Straßenbahn und Bahnanzeigetafeln von diesem Typ. Solche Tafeln geben beim Wechsel der Anzeige immer ein typisches Klappern von sich.

Dieser Displaytyp besteht aus einzelnen drehbar gelagerten Plättchen, welche durch das Anlegen eines Magnetfeldes auf ihre Vorder- oder Rückseite gedreht werden können (daher auch Flip-disc). Eine Seite dieser Plättchen ist schwarz, die andere weiß. Das hier behandelte Display verwendet drehbar gelagerte Dreiecke. Sie sind über die Längsseite umklappbar und über die Diagonale eines Quadrates befestigt. So kann man eine Quadrathälfte jeweils auf- und zudecken.
Hinter jedem dieser Bildpunkte ist eine kleine Spule und die Discs sind mit kleinen Permanentmagneten versehen. Legt man eine Gleichspannung an, so werden die Discs abhängig von der Polarität je auf- oder zugedeckt. Im Video wird die Arbeitsweise noch einmal deutlich.

Die Ansteuerung der einzelnen Spulen der Bildpunkte erfolgt meist über eine Verschaltungsmatrix. So benötigt man eine reduzierte Zahl Treiberstufen, nämlich nur genauso viele wie Zeilen und Spalten vorhanden sind. So hat die hier vorgestellte Variante 25*7 Anzeigepunkte und wäre dann über 25+7=32 Treiberstufen vollständig ansteuerbar (die vorliegende Sonderbauform hat noch eine kleine Besonderheit und benötigt einen weiteren Anschluss).

Diese Displays sind besonders gut ablesbar und kontrastreich. Es wird nur einmal Energie benötigt um einen neuen Text anzuzeigen, danach nicht mehr. Im Gegensatz zu LED-Displays, welche bei direkter Sonneneinstrahlung nicht gut ablesbar sind und kontinuierlich mit Energie versorgt werden müssen.
Vom Funktionsprinzip wären sie mit modernen eInk-Displays vergleichbar, wie sie bei eBook-Readern (z.B. Amazons Kindle) verwendet werden. Auch hier sind kleine Kugeln zu einer Hälfte weiß und zur anderen schwarz in einer öligen Lösung. Diese Tröpfchen werden auch durch das Anlegen eines elektrischen Feldes ausgerichtet und zu Buchstaben geformt. Nach Ende der Ausrichtung bleibt diese auch ohne Energiezufuhr unverändert.

Die Ansteuerung
Da die vorliegende Anzeige keine Ansteuerung enthält, muss diese selbst aufgebaut werden. Auf der Rückseite sind zwei Stiftleisten, an denen leider schon vom Vorgänger direkt Drähte angelötet waren. Diese und die Lötzinnrückstände habe ich entfern und eine kleine Platine mit Buchsenleisten gefertigt.
Mit Hilfe eines Digitalmultimeters habe ich die Schaltung analysiert und den vermeintlichen Transistor auf der Rückseite als Doppeldiode (in Serie) identifiziert. So gibt es neben den eigentlichen Zeilen und Spaltenabgriffen noch einen weiteren Anschluss, der bei allen Anzeigeelementen über die Diode zusammengeführt ist (s. Schaltplan).
So wird es möglich alle Anzeigepunkte einzeln zu setzen, aber nur je eine komplette Spalte zurückzusetzen.
Ich kann mir diese Variante nur dadurch erklären, dass man nur für die X-Achse der Matrix eine echte Treiberstufe (kann sowohl gegen Masse, als auch gegen Versorgung schalten) zur Ansteuerung benötigt, aber für die Y-Achse reicht es die Versorgungsspannung anzulegen oder hochohmig zu schalten.
Um ein Plättchen umzuschalten sind 20-30Millisekunden nötig. Da die Ansteuerung spaltenweise erfolgt, dauert es ca. 5*30ms=150ms um ein Zeichen darzustellen.

Logiktabelle eines Anzeigeelements des FlipDot-Displays
Spulenbeschaltung des FlipDot je Anzeigeelement


Der Schaltungsaufbau
Zur Ansteuerung der Matrix wird von einem Atmel Mikrocontroller (atmega644P) übernommen. Der ist eigentlich stark überdimensioniert, aber was kleineres war gerade nicht greifbar.
Um die X- und Y-Achse mit der nötigen Spannung von ca. 7,5V und dem erwarteten Strom von ca. 75mA schalten zu können ist eine Treiberstufe notwendig, welche die Ausgangspegel des Mikrocontrollers wandelt. Hier kommen drei L293D aus der Bastelkiste zum Einsatz. Schutzdioden für die Induktivitäten sind bereits dort vorhanden (nicht den L293 nehmen!). Dort sind je vier Treiberkanäle auf einem IC, also ingesamt 12 Stück.
Für den gemeinsamen Reset-Anschluss wird ein einfacher NPN-Leistungstransistor vom Typ BD139 verwendet (auch dieser ist etwas überdimensioniert, war aber gerade greifbar).
Da das Display 7 Punkte hoch und 25 Punkte breit ist, werden 7 der 12 Leitungen für die Y-Achse verwendet und die übrigen 5 für die X-Achse. So ist wenigstens ein einziges Zeichen aus einer 5x7-Schriftart darstellbar.
Ein 8-Bit Port wird für die 7 Punkte der Y-Achse und das 8te Bit für die gemeinsame Leitung verwendet. Ein weitere 8-Bit-Port wird mit den übrigen 5-Punkten der
X-Achse verschaltet.

Das Programm
Da die 5x7-Schriftart für jedes Zeichen 5x8-Bit vorsieht, kann man jedes Zeichen bitweise rausschieben und auf der Anzeige darstellen, während der zweite Port jeweils die zugehörige Spalte aktiviert. Zu Beginn wird eine kleine Testsequenz abgespielt, bei der alle Discs gesetzt und zurückgesetzt werden. Danach folgen kleine Testmuster und ein kleiner Text aus einzelnen Buchstaben.
Zum Abschluss wird eine Laufschrift von rechts nach links dargestellt.

Ausblick
Man könnte einen kleineren Mikrocontroller verwenden, weitere L293D-Treiberstufen (insgesamt also (25+7)/4=8 Stück und ein paar Schieberegister hinzufügen. Die Schieberegister sind notwendig um den Mangel an Ausgangsports des Mikrocontrollers auszugleichen.
So könnte man das komplette Display mit minimalem Bauteilaufwand zum Leben erwecken. Wahrscheinlich wäre sogar noch genug Platz, um dann über die UART und einen USB-Wandler das ganze per PC anzusteuern und Text vom PC an das Display auszugeben.

 Quellen und Infos

Datenblätter

Bilder

Weiteres Video

9 thoughts on “*FlipDot/FlipDisc-display

  1. Hallo!
    Ich möchte eine solche display machen aber leider kann ich nicht programieren. Ich habe 8 stück 5*7 display. Können Sie mir helfen?

  2. Du hast einen kleinen (aber offensichtlichen ;)) Fehler in der Logiktabelle: Beim Aktivieren eines Pixels muss der Reset-Pin entweder auf High gesetzt oder unbeschaltet sein.

    Herzlichen Dank für diesen Artikel! Beim Versuch der Reaktivierung eines fast baugleichen Displays (auch von Telenorma, jedoch 25×10) war/ist deine Beschreibung äußerst hilfreich. … darauf dass nur spaltenweise resettet werden kann, wäre ich nicht ohne viel Ausprobiererei gekommen. Danke!

  3. Hallo,

    Ich möchte sehr gerne ein kleines Projekt realisieren und brauche dafür 4 (oder 8) 7-Segment, 4 x7 Dot Matrix oder 5 x 7 Dot Matrix Flip Disc/Dot Displays. Die Gröse soll wenigstens und am liebsten 25 Centimeter sein. Kennen Sie vielleicht einen Weg an den ich die bekommen kann?

    Herzlichen Dank, freundlichen Grüsen und sehr viel Spass an Ihre Projekten.

    Arthur

  4. Wirklich guter Beitrag, hat mir bei einem eigenen Projekt ziemlich geholfen, besten Dank!
    Eine kleine Anmerkung: So „antiquiert“, wie im Text steht, ist das aber alles garnicht… FlipDots erfreuen sich auch heute noch weitreichender Beliebtheit und werden auch in durchaus grossen Stückzahlen noch hergestellt.

  5. Wow! That is very nice! I would like to find a flip-dot display like that. Where did you get yours? Thanks!

    • I got it from a friend who got it from another friend that tried to get that thing running.
      It was a part from a bus’s display.

      The electronics controlling it was not available, but it had a comfortable connector and was already mounted on a PCB with traces forming a matrix and those double-diodes.

      I had to give it back and I am looking sometimes in eBay for them. I have found some similar ones there. But I never had luck at these auctions and they are seldom in for an attractive price.

      So I wish you good luck at eBay. If you have found some similar ones to the one above, please let me know.

      The controller can be built using an Arduino, too.

      Thank You !

      • Thanks for the reply! It’s a cool display. I like the split-square „pixels“ that flip open and closed better than the more common flip-dot displays that have a circle that flips completely over. The mechanical opening/closing action is fun to watch. Very nice video! Thanks for posting it.

        I will keep my eye on eBay!!

      • Hi – would you be willing to share the circuit design you put together to drive the flip dots? I’m getting a display from Alfa zeta in Poland but will build my own driver on the Arduino platform.

        David (California USA)

        • I am willing to share the circuit, of course. But actually i have built it only on the breadboard. There is no real paper or schematic. It was all done directly on the board.
          But it is not really hard to control the flipdot matrix. I used L293D ICs, which can drive 500mA and they have built in clamping diodes.
          There was only one npn-power-transistor to activate the reset-line. I only controlled a fraction of the real display. If you want to control a much larger area you will have to use a lot of shift-registers or port-multipliers. Maybe you will even need an alternative to the L293D-IC. Some displays are using coils which will need 1A. So please have a look at the datasheet of your display.

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