Wochenend-Hacking: Drahtloses Laden für einen HP-25 Taschenrechner

Oder: Wie man einen 45 Jahre alten Taschenrechner ins 21. Jahrhundert bringt.

Der HP-25 war für seine Zeit ein revolutionärer Taschenrechner. Er wurde 1975 eingeführt und war der erste erschwingliche programmierbare Ingenieur-Taschenrechner. Im Laufe der Jahre wurden fortschrittlichere Modelle mit mehr Funktionalität entwickelt. Aber der 25 fand eine besonders gute Balance zwischen Funktionen, Größe und Benutzerfreundlichkeit.

Heute leben wir in einer ganz anderen Welt: Wir alle haben mehrere leistungsstarke Computergeräte. Kein Ingenieur würde heute auch nur in Erwägung ziehen, Grafiken auf einem Taschenrechner zu erstellen: Wir haben Computer, die das schneller und besser können. Ähnlich verhält es sich mit algebraischen Manipulationen oder symbolischem Rechnen. Was wir jedoch immer noch brauchen, ist ein guter technischer Taschenrechner – ein leicht zugängliches Gerät, das einfache Berechnungen schnell durchführen kann und genau die richtige Anzahl an Funktionen hat.

Deshalb wird der HP-25 wieder attraktiv. Wenn Sie im Bereich Elektronik oder mechanisches Design arbeiten, müssen Sie oft mit wissenschaftlicher oder technischer Notation arbeiten und Berechnungen durchführen, für die einfache Taschenrechner-Apps auf Ihrem Telefon zu eingeschränkt sind. Die einfache Programmierbarkeit per Tastendruck bedeutet, dass Sie Aufgaben schnell automatisieren können: Ich habe zum Beispiel oft die Formel für den Parallelwiderstand als Programm eingegeben, das mit einem einzigen Tastendruck zugänglich ist. Geben Sie zwei Widerstandswerte ein, drücken Sie R/S und erhalten Sie das Ergebnis. Der HP-25 wurde von Ingenieuren für Ingenieure entwickelt, und das spürt man bei der Benutzung. Wichtig ist, dass er gut in die Handfläche passt und mit einer Hand bedient werden kann, was für viele ansonsten hervorragende spätere HP-Taschenrechner (wie die Voyager-Serie: HP-11C und HP-15C) nicht gilt.

Der HP-25, den ich besitze, wurde von meinem Vater gekauft, etwa zu der Zeit, als ich geboren wurde. Ich habe ihn immer gerne benutzt, aber diese ganze Serie von Taschenrechnern (genannt "Woodstock") war durch das Design des Akkupacks eingeschränkt. Das ursprüngliche Akkupack enthielt zwei versiegelte NiCd-Zellen, die natürlich vor vielen Jahren ausgefallen sind. Die meisten Leute ersetzten ihre NiCd-Zellen durch neue, dann durch NiMh-Zellen oder sogar alkalische AA-Batterien. Das war immer problematisch: Neuere Batterien waren etwas größer und passten nie gut. Außerdem war der Stromverbrauch eines Taschenrechners mit LED-Anzeige erheblich, sodass 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 Taschenrechner vertragen konnte, unter der Annahme, dass angeschlossene NiCd-Akkuzellen die Spannung begrenzen würden. Die gesamte Ladeschaltung bestand aus einer Diode und einem Widerstand! Wenn Ihre Zellen keinen richtigen Kontakt hatten oder wenn Sie ein Ladegerät ohne eingelegtes Akkupack anschlossen, war Ihr Taschenrechner hinüber.

Ich beschloss, etwas zu tun, um meinen HP-25 alltagstauglich zu machen. Also machte ich mich daran, einen wiederaufladbaren Akku zu entwerfen, der den ursprünglichen ersetzt, aber einen modernen Li-Po-Akku verwendet und über Qi/WPC-Drahtlosladung mit einem USB-Fallback verfügt.

Ich habe jetzt den perfekten Ingenieur-Taschenrechner, der 45 Jahre alt ist und trotzdem glücklich auf einem Qi-Ladepad sitzt und auflädt. Wenn ich kein Pad zur Verfügung habe, kann ich das Akkupack entfernen und den Micro-USB-Anschluss an der Seite verwenden, um ihn aufzuladen. 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 das ursprüngliche Akkupack ersetzen
• Keine Modifikationen am Taschenrechner selbst
• WPC/Qi kabelloses Laden
• Micro-USB-Anschluss für kabelgebundenes Laden
• Li-Po-Akku, der mindestens mehrere Tage bei normalem Gebrauch hält
• Anzeige für niedrigen Akkustand

Ich habe das Gehäuse des Akkupacks in Fusion 360 entworfen und dabei die Maße des Original-Akkupacks genommen. Das stellte sich als nicht einfach heraus: Das Originalpaket war für den Spritzguss konzipiert, und Entformungsschrägen komplizierten die Geometrie. Da ich nicht vorhabe, diese in Massenproduktion herzustellen, habe ich mich nicht um das Design für den Spritzguss gekümmert und bin von 3D-Druck mittels SLS (Selektives Lasersintern) ausgegangen. Deshalb öffnet sich mein Akkupack anders als das Original, was einen besseren Zugang zur Elektronik und zum Akku bietet, aber die Möglichkeit des Spritzgusses opfert.

Es wurden keine Befestigungselemente verwendet: Ein einfacher Federclip reicht aus, um die Abdeckung an Ort und Stelle zu halten, und das Paket wird die meiste Zeit sowieso im Taschenrechner verwendet, sodass kein Risiko besteht, dass sich die Abdeckung öffnet.

Der Taschenrechner 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 Taschenrechner mit Alkalizellen betrieben, die eine Spannung von 1,25V haben), und die erhöhte Spannung würde den Aufwärtswandler im Taschenrechner etwas effizienter machen.

Ich entschied mich für einen der modernen Low-Power-Buck-Controller von Texas Instruments (TPS62740). Sein niedriger Ruhestrom von 360nA bedeutete, dass ich mir keine Sorgen um einen Ein-/Ausschalter machen musste. Es gibt Controller mit noch niedrigerem Ruhestrom (sogar bis zu 60nA!), aber ich wollte eine programmierbare Spannungsausgabe haben — lesen Sie weiter, um zu erfahren, warum.

Für WPC/Qi habe ich mich für den bq51050B (Texas Instruments) und eine Spule von Würth Elektronik entschieden. Das erwies sich als viel schwieriger als gedacht: Das Design von Geräten mit drahtlosem Laden ist schwierig, erfordert mehrere Prototypen und Messgeräte, die ich nicht habe. Letztendlich habe ich mich für Designentscheidungen entschieden, die vielleicht nicht optimal sind, aber in diesem Fall (bei geringen Leistungsanforderungen) eine akzeptable Leistung bieten. Mit anderen Worten, ich habe improvisiert. Dies wurde dadurch etwas erschwert, dass die Dokumentation des bq51050B enttäuschend ist und nicht wirklich den Standards von TI entspricht.

Das Board verfügt außerdem über einen Micro-USB-Anschluss zum kabelgebundenen Laden, einen Ladecontroller-IC (den beliebten MCP73832), ein MOSFET-Paar, das als Schalter für USB-Strom fungiert, eine Reihe von ESD-Schutzvorrichtungen für freiliegende Anschlüsse und einen diskreten Thermistor zur Überwachung der Batterietemperatur, da viele billige LiPos ohne Thermistor oder mit einem geliefert werden, der nicht dem entspricht, was der Lade-IC erwartet.

Das Design einer Anzeige für niedrigen Batteriestand war eine interessante Herausforderung. Angenommen, die Spannung ist ein Indikator für die Batterieladung (was für LiPo-Zellen nicht ganz zutrifft), wie misst man die Spannung, ohne ständig Strom zu ziehen und dabei die Batterie zu entladen? Bedenken Sie, dass unser Energiebudget hierfür im Nano-Ampere-Bereich liegt: Der Ruhestromverbrauch des gesamten Geräts sollte unter 1µA liegen.

Da die Coulomb-Counting-IC-Geräte viel zu teuer sind und normalerweise in unfreundlichen BGA-Gehäusen kommen, und auch weil ich das Design nicht übermäßig komplizieren wollte, musste ich etwas Einfacheres finden.

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

Außerdem, wie zeigen Sie das Ergebnis an? Sie können keine LED aufleuchten lassen, da dies die verbleibende Energie schnell aufbrauchen würde, möglicherweise ohne dass jemand überhaupt auf die Anzeige schaut. Ein "Batterieprüf"-Knopf? Möglicherweise, aber diese komplizieren das mechanische Design erheblich.

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

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

Also habe ich einen Spannungsüberwacher (Reset) mit einem Versorgungsstrom von 250 nA verwendet, um die Batteriespannung zu überwachen. Wenn sie unter 3 V fällt, geht der Ausgang auf Low. Dieser Ausgang ist mit einem der Spannungswahl-Pins am TPS62740 Buck-Regler verbunden (deshalb brauchte ich ein Teil mit programmierbarer Ausgangsspannung) und veranlasst ihn, 2,1 V statt 2,5 V zu erzeugen. Mit anderen Worten: Batterie schwach, Dezimalpunkt-LEDs leuchten auf, Mission erfüllt!

Dies funktionierte in der Praxis recht gut, und die 2,1-V-Schwelle funktionierte für alle HP-25-Einheiten, die ich hatte. Die einzige Einschränkung ist, dass bei den meisten LiPo-Akkus deren Schutzschaltung den Ausgang knapp unter 3 V abschaltet, sodass 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 Punkte der Batterieanzeige aufleuchten, und danach noch für 10-20 Minuten. Gut genug für mich!

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 benutzen, ohne mir Sorgen um Batterien machen zu müssen. Ich lege sie einfach von Zeit zu Zeit auf Ladepads. Die Akkulaufzeit ist so gut, dass es ausreicht, dies etwa einmal im Monat 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 erhalten hat!

Jan Rychter (Gründer von PartsBox)

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