De verschillende circuits in electronische flipperkasten

Dit artikel beschrijft hoe electronische flipperkastn werken (dus niet de electro-mechanische modellen van voor 1977). De basis blijft hetzelfde voor elke flipperkast, eender welk merk, model of leeftijd.
Er zijn soms verschillen hoe elke fabrikant ze heeft uitgewerkt, soms zijn ze verdeeld over meerdere printplaten of net samengevoegd op een print. Modernere flipperkasten hebben vaak extra functionaliteiten in vergelijking tot de oudere modellen.

Technology verbeterde en meer dingen werden technische mogelijk, maar de basis is steeds hetzelfde gebleven op elke flipperkast.
Er zijn uitzonderingen op wat ik hier neerschrijf, soms werkt bijna elke flipperkast op dezelfde manier, maar is er toch een fabrikant die misschien voor een beperkte reeks kasten voor een andere technische oplossing heeft gekozen. Maar de bedoeling is dan ook van een overzicht te geven van de globale werking flipperkasten en niet alle mogelijke exotische uitzonderingen te beschrijven.
Tenslotte spreek ik over circuits omdat vaak afzonderlijke electronische circuits zijn. Maar als je het eenvoudig wil houden kan je dat lezen als basis-functionaliteiten of onderdelen.

Basis circuits in een flipperkast

  • Transformator
  • Electrische voeding
  • CPU / aansturing
  • Algemene verlichting
  • Solenoid driver (aansturing spoelen)
  • Lamp driver (aansturing lampen)
  • Geluid
  • Score display (weergave punten)
  • Switch matrix (registreren contacten)

Bally 8 Ball backbox
Standaard kopkast van de eerste generatie Bally electronische flipperkasten.
Boven links: CPU. Onder links: lamp driver. Boven rechts: aansturing van spoelen + hoge voltages voor de displays.
Onder rechts: transformator met de voedingsprint erboven.

Transformator

Elke flipperkast heeft een transformator. De taak ervan is wisselstroom (AC) uit het stopcontact om te vormen naar spanningen die een flipperkast nodig heeft.

Ik beschouw tot dit circuit het hele stuk vanaf de stekker tot de uitgang van de transformator - alles dat op 110 of 220 volt werkt.
Dit omvat zekeringen, de aan/uit schakelaar, filters, overspanningsbeveiligingen, enz. Wanneer er een blikseminslag in de buurt plaat vindt, zijn meestal onderdelen van dit circuit beschadigd, maar hebben ze de rest van de flipperkast beschermd.
Vaak bevindt heel dit stuk zich in de onderste bak van een flipperkast. Enkel een paar oude Stern en Bally flipperkasten hadden de trafo rechts onderaan van de kopkast.

Wees aub heel voorzichtig wanneer je werkt aan dit circuit - het is overal 110/220 volt ! Let op wat je doet en zorg trek het stopcontact uit !
Wanneer je aan de andere circuits werkt is dat niet nodig - dan is het beter om de flipperkast te laten uit staan (aan/uit schakelaar) maar nog steeds met het stopcontact ingeplugd, zodat de machine correct geaard is.

Zie dit artikel over flipperkasten die de zekering van je huis doen springen voor meer informatie over filters, zekeringen en overspanningsbeveiliging op Williams WPC flipperkasten.

Electrische voeding

Dit circuit sluit aan op het vorige. Het neemt de spanningen die uit de transformator komen (nog steeds wisselstroom AC) en zet ze om naar verdere spanningen die de flipperkast nodig heeft.
Vaak is er een printplaat waar het grootste stuk van dit circuit geimplementeerd is. Van daaruit worden de spanningen dan naar de andere printplaten verdeeld. Printplaten (bv geluid, score displays) die specifieke spannigen nodig hebben, hebben meestal een zelf nog een bijkomend circuit.

Wisselspanning die uit de trafo komt is 'unregulated'. Dat wil zeggen dat ze op en neer kan gaan naargelang de belasting. Bij spoelen die op 50v werken, kan je bv tot 70 volt meten met je voltmeter wanneer de flipperkast niet bespeeld wordt. Uit het stopcontact komt niet exact 220 volt maar dat kan ook iets meer of minder zijn.

Een taak van het circuit is van gecontroleerde spanningen (regulated) te maken. Soms is een exact voltage nodig, de computerchips op de CPU hebben bijvoorbeeld exact 5 volt nodig. Kleine wijzigingen zorgen voor problemen, zelfs een kleine dip naar 4,9 volt kan voldoende zijn.
Bruggelijkrichters (ziet eruit als vierkante metalen doosjes) zetten wisselspanning (AC) om naar gelijkspanning (DC).
Condensatoren hebben als taak om het voltage te filteren en pieken op te vangen. Andere componenten (sommige transistoren) zetten voltages om naar andere voltages. Bijna altijd heeft dit circuit nog extra zekeringen, en testpunten waar je kan meten welke spanning er is, en leds als indicatie of alles werkt.
Het resultaat van dit circuit is bijvoorbeeld +5V DC, nodig door logische chips. Score displays hebben meestal hele hoge voltages nodig. Sommige geluidskaarten hebben 12v of 20v nodig. Motors en andere circuits hebben soms nog andere spanningen nodig.

CPU - hoofdcomputer

De CPU kan je beschouwen als de hersenen van de flipperkast. Het is een echte computer, meestal een afzonderlijke printplaat, die de rest van de flipperkast aanstuurt. Eenmaal goed opgestart controleert het al de rest: lampen, spoelen, geluiden, enz. Het reageert op invoer (door schakelaars op het speelveld en de cabinet) met een zeker uitkomst (lampen, spoelen, geluiden, ..)
Wanneer er een probleem met de CPU is, zal de flipperkast niet starten (of krijg je rare effecten) en is het niet mogelijk van te spelen.

De CPU bestaat zelf uit meerdere onderdelen: een reset-circuit (dat bij het aanzetten van de flipperkast zorgt dat de CPU goed opstart), een processor, dat is de computerchip zelf die instructies uitvoert. De instructies zelf, deze zitten meestal in een EPROM chip (een programmeerbare chip, en deze bevat de specifieke spelregels per model van flipperkast). Tenslotte zijn er nog geheugenchips waar de CPU tijdelijk vanalle statussen kan bijhouden (bv scores, wat je al gedaan hebt in je spel, ..).

Algemene verlichting

De algemene verlichting (General illumination - GI) is a circuit dat een voltage (meestal rond 6V AC) naar de lampen op het speelveld en in de kopkast stuurt. Deze lampen hebben geen specifieke taak, behalve gewoon voor extra verlichting te zorgen, zodat de kast niet te donker is.
Daardoor ook de naam - algemene verlichting. Dit in tegenstelling tot lampen die door de computer individueel gecontroleerd zijn en als taak hebben van de speler van iets te verwittigen.

Vaak zijn er meerdere strengen van lampjes. Alle lampjes op een lange streng verbinden zou de kabel en verbindingen teveel belasten.
Bij oudere kasten zijn ze rechtstreeks verbonden met de uitgang van de transformator. Je kan ze best vergelijken met lampjes voor de kestboom. Wanneer je een oude flipperkast aanzet en de lampjes gaan aan, wil dat enkel zeggen dat de trafo werkt. Verder geeft het geen enkele indicatie of de computer nog opstart..

Bij modernere kasten heeft de computer enige controle over de lampjes van de algemene verlichting. Ze zijn onderverdeeld in verschillende strengen: kopkast, boven, midden en onder van speelveld, en elk ervan kan gedimd worden.

Bally 8 Ball playfield
Statische lichten, geen lampjes die knipperen, niets op de score displays ? De flipperkast is kapot..

Solenoid driver / aansturing spoelen

Dit circuit krijgt signalen van de CPU en stuurt spoelen aan. Het omvat vooral transistoren en gerelateerde componenten (diodes en zekeringen), en enkele computerchips om de signalen van de CPU uit te splitsen. Het circuit dat de flitslampen aanstuurt kan je best hier ook bij beschouwen, aangezien beide circuits heel gelijkaardig zijn en soms zelfs gecombineerd.

Strikt gezien is de spanning die je op de spoelen meet niet deel van dit circuit (dat hoort bij de electrische voeding).
Op elke electronische flipperkast is er namelijk altijd spanning aanwezig op de spoelen. De transistoren die voor de aansturing zorgen, schakelen niet de spanning aan, maar de verbinding tot de aarde (ground). Het is een klein verschil, maar wel belangrijk wanneer je in detail wil begrijpen doe de spoelen worden aangestuurd of je een probleem onderzoekt.

Vaak is er een onderscheid in hoge en lage voltages. Sommige sterke spoelen hebben hogere voltages nodig (tot 70 volt) dan andere zwakkere spoelen. Om deze hoge voltage te kunnen aansturen, gebruikt met meerdere transistoren die elkaar aansturen. Spoelen met lagere spanningen kunnen met minder componenten (en dus goedkoper) worden aangestuurd.

A-20028 WPC-95 driver board
A-20028 WPC-95 power driver board. Most of the top half is the power part (fuses, thick diodes, black round capacitors), they smooth the voltage, change it into DC, ..
On the left are parts mounted on heath sinks, these are to dim the general illumination.
All the transistors at the bottom part are for lamps and solenoids.

Lamp driver / aansturing lampen

De taak van het lamp driver bord is gelijkaardig als dat van de aansturing van de spoelen. Het krijgt instructies van de CPU om bepaalde lampjes te doen branden en voert die uit. Dat is het grote verschil met de algemene verlichting - nu kunnen lampen individueel licht geven. Nog een verschil is dat de gecontroleerde lampen met DC (gelijkspanning) werken en niet met wisselspanning (AC). Klein detail, maar wel belangrijk om te weten hoe je je voltmeter moet zetten wanneer je lampjes onder het speelveld wil nameten, want fysiek zien ze er allemaal hetzelfde uit.

Gelijkaardig met de aansturing van spoelen worden lampen aangestuurd met transistoren (of gelijkaardige onderdelen zoals triacs). Er is echter een belangrijk verschil - spoelen zijn individueel aangesloten en hebben hun eigen transistor, terwijl lampjes in een matrix verbonden zijn.

Omdat er zo veel lampjes op een speelveld zitten, zou een aparte bedrading naar elk van hen heel complex worden. Je hebt voor elke lamp een draad nodig die naar een connector op de printplaat gaat, en dan terug naar een transistor die ze aanstuurt.
Omdat de spanningen toch laag zijn, kon men heel deze aansturing eenvoudiger maken met de lamp matrix. Stel je gewoon een schaakbord voor, met 8 rijen en 8 kolommen. Elk van de blokjes is een lampje.
Ze zijn allemaal verbonden door maar 16 draden van de printplaat: 8 (een voor elke rij) en 8 (een voor elke kolom). Elke draad per rij gaat van het eerste lampje en is doorverbonden met het volgende lampje in die rij. Zelfde voor de kolom, elke draad gaat van het eerste lampje naar het volgende lampje in die kolom en zo verder. Zo zijn maar 16 draden en transistoren nodig om 64 lampen aan te sturen.

Om nu een lamp aan te doen, gebruikt men een truukje. De computer activeert de eerste rij. Dan kijkt hij welke lampjes in die rij moeten aangaan, en hij stuurt enkel de specifieke kolommen van die lampjes aan. Enkel op die lampjes zijn de beide draden actief en die gaan aan.
Dan zet de CPU die rij uit en doet hetzelfde voor de tweed, derde, enzovoort. Voor elke rij worden de juiste kolommen kort aangezet.
Dit gaat heel erg snel. Omdat de gloeidraad in lampjes niet direkt uitgaat, lijkt het voor ons dat de lampjes continu branden, terwijl ze in werkelijkheid heel snel aan en uitgaan.

Geluid

Heel veel is er niet te zeggen over hoe de flipperkast geluid maakt. Het is een apart circuit, vaak ook een aparte printplaat. De CPU geeft instructies aan de geluidskaart (vaak eenvoudige signalen: speel geluid nummer 1, 2, .. enz). En de geluidskaart doet wat van haar gevraagd wordt, dat specifiek geluidje of muziekje afspelen.

Het circuit zelf bestaat uit verschillende stukken met elk hun eigen taak. Het eerste stuk krijgt het signaal binnen van de cpu en analyseert dat. Dat wordt doorgegeven aan het volgende stuk: het spelen of genereren van het geluid zelf. Dit kan via een eenvoudige chip die geluiden / frequenties genereert, of men kan vooropgenomen geluiden afspelen die in eprom chips zijn opgeslagen. Het signaal wordt dan naar een klein versterkertje gestuurd (meestal is het dit onderdeel dat specifieke voltages nodig heeft) en wat daar uitkomt wordt naar de luidsprekers gestuurd.

Gottlieb Haunted House backbox
Gottlieb Haunted House kopkast.
Boven links: power bord. Boven rechts: CPU.
Onder rechts: Lamp + solenoid driver board.
Onder links: geluidskaart. Midden links: extra voedingsprint voor de geluidskaart.
Helemaal rechts: extra lamp driver board.

Score display - weergave punten

Het score display circuit is - je raadt het al - weer gelijkaardig. Het is een op zich staand stuk dat opdracht krijgt van de cpu om iets weer te geven. In zijn eenvoudigste vorm geeft het enkel tekens weer (nummers of letters). Modernere flippers met DMD kunnen ook animaties weergeven die meestal in aparte eproms zijn opgeslage. Vaak is hier ook een apart stuk met hoge voltages bij.

dot matrix display
Dot matrix display kan nummers, tekst en tekeningen tonen.

Switch matrix - registreren van invoer

De invoer naar de cpu is meestal niet beschouwd als een apart circuit, want eigenlijk is het deel van de CPU. Maar omdat het gelijkaardig is aan de sturing van lampen, en een op zich staand stuk is, geef ik er hier toch wat uitleg over.

De meeste flipperkasten hebben twee soorten invoer: direkt en via een matrix.
Het aantal direkte invoermogelijkheden is altijd sterk beperkt. Vaak gaat het bv enkel om enkele knoppen aan het muntdeurtje, en die hebben een aparte verbinding met de cpu.

Bijna alle andere schakelaars, waaronder die allemaal op het speelveld, zijn niet individueel verbonden maar in een matrix. Net zoals de lamp matrix, heb je meestal ook 8 rijen en 8 kolommen. Opnieuw 16 aparte draden, die elk van de ene switch naar de volgende in die specifieke rij of kolom doorgelust zijn.
De werking is gelijkaardig aan die van de lamp matrix, alleen betreft het hier om invoer in plaats van uitvoer.
De cpu stuurt een signaal op de eerste rij, en kijkt via welke kolommen er iets terug komt. Enkel op de schakelaars die gesloten zijn wordt contact gemaakt en gaat het signaal terug naar de cpu, open schakelaars geven niets door en op die kolommen krijgt de cpu niets binnen. Zo weet die welke schakelaars in die rij contact maken. Dat doet de cpu heel snel voor elke rij - een voor een worden ze even geactiveerd en wordt gezien op welke kolommen het signaal terugkomt. Dit gebeurt ook enorm snel, zodat het sluiten van een contact niet gemist wordt, hoe kortstondig het ook mag zijn.

Hier is meer informatie hoe de switch matrix werkt op WPC flippers.

Besluit

Wat was het doel van dit artikel ? Eerst en vooral om u een overzicht te geven hoe een flipperkast werkt en welke verschillende taken allemaal uitgevoerd worden.

Ten tweede hoop ik dat het een beetje helpt bij het oplossen van problemen. In verdere artikels ga ik hier op terug komen. Je moet de afzonderlijke circuits kennen, en weten hoe ze invloed hebben op elkaar. Voor elk circuit zijn er wel zelftesten (spoelen, schakelaars, lampjes, ..) die je kan gebruiken om problemen op te lossen.
Vaak is elk circuit ook afzonderlijk gedocumenteerd in de handleiding en electronische schemas. Tenslotte moet je ook weten hoe ze samen werken, problemen met het geluid kunnen bijvoorbeeld liggen aan de geluidskaart zelf, maar ook aan de instructies die van de CPU komen of een ontbrekend voltage.