Wochenend-Hacking: Kabelloses Laden für einen HP-25-Rechner

Oder, wie man einen 45 Jahre alten Taschenrechner ins 21. Jahrhundert bringt.

Der HP-25 war ein revolutionärer Rechner seiner Zeit. Eingeführt im Jahr 1975, war er der erste erschwingliche programmierbare Ingenieurrechner. Mit den Jahren wurden fortschrittlichere Modelle mit mehr Funktionalität entwickelt. Aber der 25er bot ein besonders gutes Gleichgewicht zwischen Funktionen, Größe und Benutzerfreundlichkeit.

Heute leben wir in einer ganz anderen Welt: Wir alle haben mehrere leistungsstarke Rechenmaschinen. Kein Ingenieur würde heute auch nur in Erwägung ziehen, Diagramme auf einem Taschenrechner zu erstellen: Wir haben Computer, die dies schneller und besser können. Gleiches gilt für algebraische Manipulationen oder symbolisches Rechnen. Was wir jedoch immer noch brauchen, ist ein guter Ingenieurrechner - ein leicht zugängliches Gerät, das einfache Berechnungen schnell durchführen kann und genau die richtige Anzahl von Funktionen hat.

Deshalb wird der HP-25 wieder attraktiv. Wenn Sie mit Elektronik oder mechanischem Design arbeiten, müssen Sie oft mit wissenschaftlicher oder technischer Notation arbeiten und Berechnungen durchführen, für die die einfachen Rechner-Apps auf Ihrem Handy zu begrenzt sind. Die einfache Tasten-basierte Programmierbarkeit bedeutet, dass Sie Aufgaben schnell automatisieren können: zum Beispiel habe ich oft die Formel für den parallelen Widerstand als Programm eingegeben, zugänglich mit einem einzigen Tastendruck. Geben Sie zwei Widerstände ein, drücken Sie R/S und erhalten Sie das Ergebnis. Der HP-25 wurde von Ingenieuren für Ingenieure entworfen, und das spüren Sie, wenn Sie ihn benutzen. Wichtig ist, dass er gut in Ihre Handfläche passt und mit einer Hand bedient werden kann, was bei vielen ansonsten ausgezeichneten späteren HP-Rechnern (wie der Voyager-Serie: HP-11C und HP-15C) nicht der Fall ist.

Der HP-25, den ich habe, wurde von meinem Vater gekauft, ungefähr zu der Zeit, als ich geboren wurde. Ich habe es immer genossen, ihn zu benutzen, aber diese ganze Serie von Taschenrechnern (genannt "Woodstock") war durch das Design des Akkupacks eingeschränkt. Der ursprüngliche Akkupack enthielt zwei versiegelte NiCd-Zellen, die offensichtlich vor vielen Jahren versagten. Die meisten Leute ersetzten ihre NiCd-Zellen durch neue, dann durch NiMh-Zellen oder sogar Alkali-Mignon-Batterien. Das war immer problematisch: neuere Batterien waren etwas größer und passten nie gut. Außerdem war der Stromverbrauch eines Taschenrechners mit LED-Anzeige erheblich, so dass häufige Batteriewechsel erforderlich waren.

Der HP-25 wurde mit einem "Ladegerät" (eigentlich nur ein Transformator) ausgeliefert, aber die Ladeschaltung war schrecklich: Das Ladegerät lieferte ohne Last 10V AC: eine höhere Spannung, als der Rechner vertragen konnte, mit der Annahme, dass angeschlossene NiCd-Batteriezellen die Spannung begrenzen würden. Die gesamte Ladeschaltung bestand aus einer Diode und einem Widerstand! Wenn Ihre Zellen keinen ordnungsgemäßen Kontakt hatten, oder wenn Sie ein Ladegerät ohne eingelegtes Batteriepack anschlossen, wäre Ihr Rechner toast.

Ich beschloss, etwas zu tun, um meinen HP-25 jeden Tag nutzbar zu machen. Also machte ich mich daran, ein wiederaufladbares Batteriepack zu entwerfen, das das Original ersetzt, aber eine moderne Li-Po-Batterie verwendet und Qi/WPC kabelloses Laden mit USB-Notfallladung hat.

Ich habe jetzt den perfekten Ingenieurrechner, der 45 Jahre alt ist und doch glücklich auf einem Qi-Power-Pad sitzt und sich auflädt. Wenn ich kein Pad zur Verfügung habe, kann ich den Akkupack entfernen und den Micro-USB-Anschluss an der Seite zum Aufladen verwenden. Aber wie sich herausstellte, ist das Aufladen eigentlich nicht so oft nötig - ein 900mAh LiPo liefert genug Energie für viele Wochen bei meiner Nutzung.

Die Designannahmen waren:

• Sollte den originalen Akkupack ersetzen
• Keine Modifikationen am Rechner selbst
• WPC/Qi kabelloses Laden
• Micro-USB-Anschluss für kabelgebundenes Laden
• Li-Po-Akku hält mindestens mehrere Tage bei normaler Nutzung
• Anzeige für niedrigen Akkustand

Ich habe das Gehäuse des Akkupacks in Fusion 360 entworfen, indem ich Messungen des originalen Akkupacks vorgenommen habe. Das stellte sich als nicht einfach heraus: Das Originalpaket wurde für das Spritzgießen entworfen, und Entformungswinkel erschwerten die Geometrie. Da ich nicht vorhabe, diese in Massenproduktion herzustellen, habe ich mir keine Gedanken über das Design für das Spritzgießen gemacht und bin von einem 3D-Druck mit SLS (Selektives Lasersintern) ausgegangen. Deshalb öffnet sich mein Akkupack anders als das Original, bietet aber einen besseren Zugang zu Elektronik und Batterie, opfert aber die Möglichkeit, spritzgegossen zu werden.

Es wurden keine Befestigungselemente verwendet: Eine einfache Federklammer reicht aus, um die Abdeckung zu halten, und der Pack wird die meiste Zeit sowieso im Rechner verwendet, so dass es kein Risiko gibt, dass die Abdeckung sich öffnet.

Der Rechner wurde normalerweise von zwei NiCd-Zellen betrieben, die jeweils eine Spannung von 1,2V haben. Ich entschied mich, 2,5V statt 2,4V zu erzeugen, in der Annahme, dass die zusätzlichen 0,1V nichts schaden würden (schließlich haben viele Leute ihre Rechner mit Alkalizellen benutzt, die eine Spannung von 1,25V haben), und die erhöhte Spannung würde den Boost-Konverter im Rechner etwas effizienter machen.

Ich habe mich entschieden, einen der modernen Low-Power-Buck-Controller von Texas Instruments (TPS62740) zu verwenden. Sein niedriger Betriebsruhestrom von 360nA bedeutete, dass ich mir keine Gedanken über einen Ein-/Ausschalter machen musste. Es gibt Controller mit noch geringerem Ruhestrom (bis hinunter zu 60nA!), aber ich wollte eine programmierbare Spannungsausgabe haben - lesen Sie weiter, um herauszufinden, warum.

Für WPC/Qi habe ich mich für bq51050B (Texas Instruments) und eine Spule von Wuerth Elektronik entschieden. Das stellte sich als viel herausfordernder heraus, als ich dachte: Geräte mit drahtloser Aufladung zu entwerfen ist schwierig, erfordert mehrere Prototypen und Messgeräte, die ich nicht habe. Am Ende habe ich mich für Designentscheidungen entschieden, die vielleicht nicht optimal sind, aber in diesem Fall (mit geringen Leistungsanforderungen) akzeptable Leistung bieten. Mit anderen Worten, ich habe es auf gut Glück versucht. Dies wurde etwas erschwert durch die Tatsache, dass die Dokumentation des bq51050B enttäuschend ist und nicht wirklich den Standards von TI entspricht.

Die Platine hat auch einen Micro-USB-Anschluss für das kabelgebundene Laden, einen Ladecontroller IC (den beliebten MCP73832), ein MOSFET-Paar, das als Schalter für die USB-Stromversorgung fungiert, eine Menge ESD-Schutz für freiliegende Anschlüsse und einen diskreten Thermistor zur Überwachung der Batterietemperatur, da viele billige LiPos ohne Thermistor kommen oder einen haben, der nicht dem entspricht, was der Lade-IC erwartet.

Die Gestaltung einer Niedrigbatterieanzeige war eine interessante Herausforderung. Angenommen, die Spannung ist ein Proxy für die Batterieladung (was für LiPo-Zellen nicht ganz zutrifft), wie misst man die Spannung, ohne ständig Strom zu ziehen und die Batterie dabei zu entladen? Bedenken Sie, dass unser Strombudget für dies in Nanoampere liegt: Der Ruhestromverbrauch des gesamten Geräts sollte unter 1μA liegen.

Da die Coulomb-Zähl-IC-Geräte viel zu teuer sind und normalerweise in unfreundlichen BGA-Paketen geliefert werden, und auch weil ich das Design nicht überkomplizieren wollte, musste ich etwas Einfacheres finden.

Eine mikrocontrollerbasierte Lösung könnte entworfen werden, aber zum ersten Mal seit vielen Jahren wollte ich ein Gerät ohne einen Mikrocontroller und Software entwerfen.

Außerdem, wie stellen Sie das Ergebnis dar? Sie können keine LED aufleuchten lassen, da dies schnell die verbleibende Energie verbrauchen würde, möglicherweise ohne dass jemand auf den Indikator schaut. Eine "Batterieprüf"-Taste? Möglich, aber diese komplizieren das mechanische Design erheblich.

Es hat eine Weile gedauert, aber ich habe eine Lösung gefunden.

Ich habe festgestellt, dass der Rechner tatsächlich eine eingebaute Niedrigbatterieanzeige hat. Wenn die Batteriespannung unter einen Schwellenwert fällt (den ich auf 2,1V gemessen habe), leuchten alle Dezimalpunkte auf dem LED-Bildschirm auf, außer dem, der normalerweise aktiv sein sollte. Mit auf diese Weise "invertierten" Dezimalpunkten können Sie den Rechner weiterhin verwenden, sehen aber deutlich, dass die Batterien ausgetauscht werden müssen.

Also habe ich einen Spannungs- (Reset-) Supervisor mit einem Versorgungsstrom von 250nA verwendet, um die Batteriespannung zu überwachen. Wenn sie unter 3V fällt, geht der Ausgang auf niedrig. Dieser Ausgang ist mit einer der Spannungswahlpins am TPS62740 Buck-Regler verbunden (deshalb brauchte ich ein Teil mit programmierbarem Spannungsausgang) und veranlasst ihn, anstatt 2,5V nun 2,1V zu erzeugen. Mit anderen Worten, Batterie niedrig, Dezimalpunkt-LEDs leuchten auf, Mission erfüllt!

Das hat sich in der Praxis als ziemlich gut erwiesen, und die 2,1V-Schwelle hat für alle HP-25-Einheiten, die ich hatte, funktioniert. Die einzige Einschränkung ist, dass bei den meisten LiPo-Batterien die Schutzschaltung die Ausgabe kurz unter 3V abschaltet, so dass Sie nicht viel Zeit haben, nachdem Ihre Punkte aufleuchten.

Meine Tests haben gezeigt, dass der 900mAh LiPo für etwa 10 Stunden Dauerbetrieb ausreicht, bevor die Anzeige für niedrigen Batteriestand aufleuchtet, und für 10-20 Minuten danach. Für mich ausreichend!

Alles in allem bin ich sehr zufrieden mit dem Ergebnis dieses Wochenend-Hacking-Projekts: Meine HP-25 Taschenrechner (ja, ich habe mehr als einen) sind wieder nützlich und ich kann sie jeden Tag ohne Sorge um Batterien benutzen. Ich lege sie nur ab und zu auf Ladepads. Die Akkulaufzeit ist so gut, dass es ausreicht, dies einmal im Monat oder so zu tun.

Wenn man darüber nachdenkt, ist es ziemlich erstaunlich, dass ein 45 Jahre alter Taschenrechner dank der Technologie des 21. Jahrhunderts ein neues Leben bekommen hat!

Jan Rychter (Gründer von PartsBox)

(Wenn Ihnen das Lesen Spaß gemacht hat und Sie mit Elektronik arbeiten, schauen Sie sich bitte PartsBox an – es ist ein unverzichtbares Werkzeug für Unternehmen und kostenlos für Hobbyisten/Maker)