Weekend hacking: trådløs opladning til en HP-25 lommeregner

Eller, at bringe en 45 år gammel lommeregner ind i det 21. århundrede.

HP-25 var en revolutionerende lommeregner for sin tid. Den blev introduceret i 1975 og var den første overkommelige programmerbare ingeniørlommeregner. Som årene gik, blev mere avancerede modeller udviklet med mere funktionalitet. Men 25'eren ramte en særlig god balance mellem funktioner, størrelse og brugervenlighed.

I dag lever vi i en meget anderledes verden: vi har alle flere kraftfulde computerenheder. Ingen ingeniør ville overveje at lave grafer på en lommeregner i dag: vi har computere, der kan gøre dette hurtigere og bedre. Det samme gælder for algebraiske manipulationer eller symbolsk beregning. Hvad vi stadig har brug for, er dog en god ingeniørlommeregner — en let tilgængelig enhed, der kan udføre enkle beregninger hurtigt, og som har præcis det rigtige antal funktioner.

Dette er grunden til, at HP-25 igen er ved at blive attraktiv. Hvis du arbejder med elektronik eller mekanisk design, har du ofte brug for at arbejde med videnskabelig eller teknisk notation og udføre beregninger, som de simple lommeregner-apps på din telefon er for begrænsede til. Den simple tastetryk-baserede programmerbarhed betyder, at du hurtigt kan automatisere opgaver: for eksempel har jeg ofte formlen for parallelmodstand indtastet som et program, der er tilgængeligt med et enkelt tastetryk. Indtast to modstande, tryk på R/S og få resultatet. HP-25 blev designet af ingeniører, til ingeniører, og det mærker man, når man bruger den. Vigtigst af alt passer den godt i din håndflade og kan bruges med én hånd, hvilket ikke er tilfældet for mange ellers fremragende senere HP-regnemaskiner (som Voyager-serien: HP-11C og HP-15C).

Den HP-25 jeg har, blev købt af min far omkring det tidspunkt, jeg blev født. Jeg nød altid at bruge den, men hele denne serie af lommeregnere (kaldet "Woodstock") var begrænset af batteripakkens design. Den originale batteripakke indeholdt to forseglede NiCd-celler, som naturligvis fejlede for mange år siden. De fleste mennesker udskiftede deres NiCd-celler med nye, derefter med NiMh-celler eller endda alkaliske AA-batterier. Dette var altid problematisk: nyere batterier var lidt større og passede aldrig godt. Desuden var strømforbruget for en lommeregner med et LED-display betydeligt, så hyppige batteriskift var nødvendige.

HP-25 blev leveret med en "oplader" (egentlig bare en transformer), men ladekredsløbet var forfærdeligt: opladeren uden belastning leverede 10V AC: en højere spænding end lommeregneren kunne håndtere, med den antagelse, at tilsluttede NiCd-battericeller ville begrænse spændingen. Hele ladekredsløbet bestod af en diode og en modstand! Hvis dine celler ikke havde ordentlig kontakt, eller hvis du tilsluttede en oplader uden batteripakken isat, ville din lommeregner blive ristet.

Jeg besluttede, at jeg skulle gøre noget for at gøre min HP-25 brugbar hver dag. Så jeg satte mig for at designe en genopladelig batteripakke, som erstatter den originale, men bruger et moderne Li-Po-batteri og har Qi/WPC trådløs opladning med en USB-fallback.

Jeg har nu den perfekte ingeniørlommeregner, der er 45 år gammel og alligevel sidder lykkeligt på en Qi-strømpude og genoplader. Hvis jeg ikke har en pude til rådighed, kan jeg fjerne batteripakken og bruge mikro-USB-stikket i siden til at oplade den. Men som det viste sig, er opladning faktisk ikke nødvendig så ofte — en 900mAh LiPo giver nok energi til mange uger med mit forbrug.

Designantagelserne var:

• Skal erstatte den originale batteripakke
• Ingen ændringer på selve lommeregneren
• WPC/Qi trådløs opladning
• Micro-USB-stik til kablet opladning
• Li-Po-batteri, der holder i mindst flere dage ved normal brug
• Indikator for lavt batteri

Jeg designede batteripakkens kabinet i Fusion 360 ved at tage mål af den originale batteripakke. Det viste sig ikke at være enkelt: den originale pakke var designet til sprøjtestøbning, og slipvinkler komplicerede geometrien. Da jeg ikke planlægger at masseproducere disse, gad jeg ikke designe til sprøjtestøbning og antog 3D-print ved hjælp af SLS (Selective Laser Sintering). Det er derfor, min batteripakke åbner anderledes end den originale, hvilket giver bedre adgang til elektronik og batteri, men ofrer muligheden for at blive sprøjtestøbt.

Der blev ikke brugt nogen fastgørelseselementer: en simpel fjederklemme er nok til at holde dækslet på plads, og pakken bruges alligevel i lommeregneren det meste af tiden, så der er ingen risiko for, at dækslet åbner sig.

Lommeregneren blev normalt drevet af to NiCd-celler, som har en spænding på 1,2V hver. Jeg besluttede at producere 2,5V i stedet for 2,4V, idet jeg antog, at de ekstra 0,1V ikke ville skade noget (trods alt har mange mennesker brugt deres lommeregnere med alkaliske celler, som har en spænding på 1,25V), og den øgede spænding ville gøre boost-konverteren i lommeregneren lidt mere effektiv.

Jeg besluttede at bruge en af de moderne laveffekt buck-controllere fra Texas Instruments (TPS62740). Dens lave 360nA hvilestrøm betød, at jeg ikke behøvede at bekymre mig om at have en tænd/sluk-knap. Der findes controllere med lavere hvilestrøm (endda ned til 60nA!), men jeg ønskede at have programmerbar spændingsudgang — læs videre for at lære hvorfor.

Til WPC/Qi valgte jeg bq51050B (Texas Instruments) og en spole fra Wuerth Elektronik. Dette viste sig at være meget mere udfordrende, end jeg troede: at designe enheder med trådløs opladning er svært, kræver flere prototyper og måleudstyr, som jeg ikke har. I sidste ende valgte jeg designbeslutninger, som måske ikke er optimale, men i dette tilfælde (med lave strømkrav) giver acceptabel ydeevne. Med andre ord, jeg improviserede. Dette blev gjort noget vanskeligere af det faktum, at bq51050B-dokumentationen er skuffende og ikke rigtig lever op til TI's standarder.

Kortet har også en Micro-USB-port til kablet opladning, en ladekontrol-IC (den populære MCP73832), et MOSFET-par, der fungerer som en switch til USB-strøm, en masse ESD-beskyttelse til udsatte terminaler og en diskret termistor til at overvåge batteritemperaturen, da mange billige LiPo'er kommer uden en termistor eller med en, der ikke matcher det, ladekontrol-IC'en forventer.

At designe en indikator for lavt batteriniveau var en interessant udfordring. Hvis man antager, at spænding er en indikator for batteriopladning (hvilket ikke er helt sandt for LiPo-celler), hvordan måler man så spændingen uden at trække strøm konstant og aflade batteriet i processen? Husk på, at vores strømbudget for dette er i nano-ampere: det hvilende strømforbrug for hele enheden skal være under 1μA.

Da coulomb-tællende IC-enheder er alt for dyre og normalt kommer i uvenlige BGA-pakker, og også fordi jeg ikke ønskede at overkomplicere designet, måtte jeg finde noget enklere.

En mikrocontroller-baseret løsning kunne designes, men for første gang i mange år ønskede jeg at designe en enhed uden en mikrocontroller og software.

Og hvordan viser du resultatet? Du kan ikke tænde en LED, da det hurtigt ville æde den resterende energi, muligvis uden at nogen overhovedet kigger på indikatoren. En "batteritjek"-knap? Muligvis, men disse komplicerer det mekaniske design betydeligt.

Det tog lidt tid, men jeg fandt frem til en løsning.

Jeg indså, at lommeregneren faktisk har en indbygget indikator for lavt batteri. Når batterispændingen falder under en tærskel (som jeg målte til 2,1V), tænder LED-skærmen alle decimalprikkerne, undtagen den, der normalt skulle være aktiv. Med decimalprikker "inverteret" på denne måde kan du stadig bruge lommeregneren, men du ser tydeligt, at batterierne skal udskiftes.

Så jeg brugte en spændings- (reset) supervisor med en 250nA forsyningsstrøm til at overvåge batterispændingen. Hvis den falder under 3V, går udgangen lav. Den udgang er forbundet til en af spændingsvælgerstifterne på TPS62740 buck-regulatoren (det er derfor, jeg havde brug for en komponent med programmerbar spændingsudgang) og får den til at begynde at producere 2,1V i stedet for 2,5V. Med andre ord, lavt batteri, decimalpunkt-LED'er lyser op, mission fuldført!

Dette viste sig at fungere ret godt i praksis, og 2,1V-tærsklen fungerede for alle de HP-25-enheder, jeg havde. Den eneste begrænsning er, at med de fleste LiPo-batterier vil deres beskyttelseskredsløb afbryde outputtet lige under 3V, så du har ikke meget tid, efter dine prikker lyser op.

Mine tests viste, at 900mAh LiPo er nok til omkring 10 timers kontinuerlig brug, før lav-batteri indikatorprikkerne lyser op, og i 10-20 minutter derefter. Godt nok til mig!

Alt i alt er jeg meget tilfreds med resultatet af dette weekend-hackerprojekt: mine HP-25 lommeregnere (ja, jeg har mere end én) er nyttige igen, og jeg kan bruge dem hver dag uden at bekymre mig om batterier. Jeg placerer dem bare på opladningsplader fra tid til anden. Batterilevetiden er så god, at det er nok at gøre dette en gang om måneden eller deromkring.

Hvis man tænker over det, er det ret utroligt, at en 45 år gammel lommeregner fik nyt liv takket være teknologi fra det 21. århundrede!

Jan Rychter (PartsBox grundlægger)

(Hvis du nød at læse dette, og du arbejder med elektronik, så tjek venligst PartsBox ud — det er et uundværligt værktøj for virksomheder, og det er gratis for hobbyister/makers)