Hackeo de fin de semana: carga inalámbrica para una calculadora HP-25

O, llevando una calculadora de 45 años al siglo XXI.

La HP-25 fue una calculadora revolucionaria para su época. Introducida en 1975, fue la primera calculadora de ingeniería programable asequible. Con el paso de los años, se desarrollaron modelos más avanzados con más funcionalidades. Pero la 25 logró un equilibrio particularmente bueno entre características, tamaño y facilidad de uso.

Hoy vivimos en un mundo muy diferente: todos tenemos múltiples dispositivos informáticos potentes. Ningún ingeniero consideraría hoy hacer gráficos en una calculadora: tenemos computadoras que pueden hacer esto más rápido y mejor. Lo mismo para las manipulaciones algebraicas o el cálculo simbólico. Sin embargo, lo que todavía necesitamos es una buena calculadora de ingeniería, un dispositivo fácilmente accesible que pueda realizar cálculos simples rápidamente y que tenga justo el número correcto de funciones.

Por eso la HP-25 se está volviendo atractiva de nuevo. Si trabajas con electrónica o diseño mecánico, a menudo necesitas trabajar con notación científica o de ingeniería y realizar cálculos para los cuales las simples aplicaciones de calculadora en tu teléfono son demasiado limitadas. La simple programabilidad basada en teclas significa que puedes automatizar rápidamente tareas: por ejemplo, a menudo tengo la fórmula de resistencia paralela ingresada como un programa, accesible usando una sola tecla. Introduce dos resistencias, presiona R/S y obtén el resultado. La HP-25 fue diseñada por ingenieros, para ingenieros, y lo sientes cuando la usas. Importante, se ajusta bien a tu palma y se puede usar con una sola mano, lo cual no es cierto para muchas otras calculadoras HP excelentes pero posteriores (como la serie Voyager: HP-11C y HP-15C).

La HP-25 que tengo fue comprada por mi padre, alrededor de la época en que nací. Siempre disfruté usándola, pero toda esta serie de calculadoras (apodada "Woodstock") estaba limitada por el diseño del paquete de baterías. El paquete de baterías original contenía dos celdas NiCd selladas, que obviamente fallaron hace muchos años. La mayoría de las personas reemplazaron sus celdas NiCd con nuevas, luego con celdas NiMh, o incluso con baterías alcalinas AA. Esto siempre fue problemático: las baterías más nuevas eran ligeramente más grandes y nunca encajaban bien. Además, el consumo de energía de una calculadora con una pantalla LED era significativo, por lo que se necesitaban reemplazos frecuentes de baterías.

El HP-25 se envió con un "cargador" (realmente solo un transformador), pero el circuito de carga era terrible: el cargador sin carga suministraba 10V AC: un voltaje más alto del que la calculadora podía manejar, con la suposición de que las celdas de batería NiCd conectadas limitarían el voltaje. ¡Todo el circuito de carga consistía en un diodo y una resistencia! Si tus celdas no estaban haciendo un contacto adecuado, o si conectabas un cargador sin la batería insertada, tu calculadora estaría tostada.

Decidí que debería hacer algo para hacer mi HP-25 utilizable todos los días. Así que me propuse diseñar un paquete de baterías recargables, que reemplaza al original, pero usa una batería moderna Li-Po, y tiene carga inalámbrica Qi/WPC con una opción de USB.

Ahora tengo la calculadora de ingeniería perfecta, que tiene 45 años y sin embargo se recarga felizmente en una base de carga Qi. Si no tengo una base disponible, puedo quitar el paquete de baterías y usar el conector micro-USB en el lateral para cargarlo. Pero resultó que la carga no es realmente necesaria tan a menudo — una LiPo de 900mAh proporciona suficiente energía para muchas semanas con mi uso.

Las suposiciones de diseño fueron:

• Debería reemplazar el paquete de baterías original
  • Sin modificaciones en la calculadora en sí
  • Carga inalámbrica WPC/Qi
  • Conector Micro-USB para carga por cable
  • Batería Li-Po que dura al menos varios días de uso normal
  • Indicador de batería baja

Diseñé la carcasa del paquete de baterías en Fusion 360, tomando medidas del paquete de baterías original. Resultó que no era simple: el paquete original estaba diseñado para moldeo por inyección, y los ángulos de inclinación complicaban la geometría. Como no planeo producir en masa esos, no me molesté en diseñar para el moldeo por inyección y asumí la impresión 3D utilizando SLS (Sinterización Selectiva por Láser). Es por eso que mi paquete de baterías se abre de manera diferente al original, proporcionando un mejor acceso a la electrónica y la batería, pero sacrificando la capacidad de ser moldeado por inyección.

No se utilizaron sujetadores: un simple clip de resorte es suficiente para mantener la cubierta en su lugar, y el paquete se utiliza en la calculadora la mayor parte del tiempo de todos modos, por lo que no hay riesgo de que la cubierta se abra.

La calculadora normalmente se alimentaba con dos celdas NiCd, que tienen un voltaje de 1.2V cada una. Decidí producir 2.5V en lugar de 2.4V, suponiendo que el 0.1V adicional no dañaría nada (después de todo, muchas personas han estado usando sus calculadoras con celdas alcalinas, que tienen un voltaje de 1.25V), y el voltaje aumentado haría que el convertidor de refuerzo en la calculadora fuera ligeramente más eficiente.

Decidí usar uno de los modernos controladores buck de bajo consumo de Texas Instruments (TPS62740). Su baja corriente de reposo en funcionamiento de 360nA significaba que no tendría que preocuparme por tener un interruptor de encendido/apagado. Hay controladores con menor corriente de reposo (¡incluso hasta 60nA!), pero quería tener una salida de voltaje programable — sigue leyendo para saber por qué.

Para WPC/Qi, opté por bq51050B (Texas Instruments) y una bobina de Wuerth Elektronik. Esto resultó ser mucho más desafiante de lo que pensaba: diseñar dispositivos con carga inalámbrica es difícil, requiere múltiples prototipos y equipo de medición que no tengo. Al final, tomé decisiones de diseño que podrían no ser óptimas, pero en este caso (con bajos requisitos de energía) proporcionan un rendimiento aceptable. En otras palabras, lo improvisé. Esto se hizo algo más difícil por el hecho de que la documentación del bq51050B es decepcionante y no está realmente a la altura de los estándares de TI.

La placa también tiene un puerto Micro-USB para carga por cable, un controlador de carga IC (el popular MCP73832), un par de MOSFET actuando como un interruptor para la alimentación USB, un montón de protección ESD para terminales expuestas, y un termistor discreto para monitorear la temperatura de la batería, ya que muchas LiPos baratas vienen sin un termistor o con uno que no coincide con lo que espera el IC de carga.

Diseñar un indicador de batería baja fue un desafío interesante. Asumiendo que el voltaje es un proxy para la carga de la batería (lo cual no es del todo cierto para las celdas LiPo), ¿cómo mides el voltaje sin consumir energía constantemente y descargando la batería en el proceso? Ten en cuenta que nuestro presupuesto de energía para esto está en nanoamperios: el consumo de energía en reposo de todo el dispositivo debe ser inferior a 1μA.

Dado que los dispositivos IC de conteo de coulombs son demasiado caros y generalmente vienen en paquetes BGA poco amigables, y también porque no quería complicar demasiado el diseño, tuve que encontrar algo más sencillo.

Se podría diseñar una solución basada en microcontroladores, pero por primera vez en muchos años quería diseñar un dispositivo sin un microcontrolador y software.

Además, ¿cómo muestras el resultado? No puedes encender un LED, ya que eso consumiría rápidamente la energía restante, posiblemente sin que nadie esté mirando el indicador. ¿Un botón de "verificación de batería"? Posiblemente, pero estos complican significativamente el diseño mecánico.

Tomó un tiempo, pero llegué a una solución.

Me di cuenta de que la calculadora en realidad tiene un indicador de batería baja incorporado. Cuando el voltaje de la batería cae por debajo de un umbral (que medí en 2.1V), la pantalla LED enciende todos los puntos decimales, excepto el que debería estar activo normalmente. Con los puntos decimales "invertidos" de esta manera, todavía puedes usar la calculadora, pero ves claramente que las baterías necesitan ser reemplazadas.

Así que, utilicé un supervisor de voltaje (reset) con una corriente de suministro de 250nA para monitorear el voltaje de la batería. Si cae por debajo de 3V, la salida se pone en bajo. Esa salida está conectada a uno de los pines del selector de voltaje en el regulador buck TPS62740 (por eso necesitaba una parte con salida de voltaje programable) y hace que empiece a producir 2.1V en lugar de 2.5V. En otras palabras, batería baja, los LEDs del punto decimal se encienden, ¡misión cumplida!

Esto resultó funcionar bastante bien en la práctica, y el umbral de 2.1V funcionó para todas las unidades HP-25 que tenía. La única limitación es que con la mayoría de las baterías LiPo, su circuito de protección cortará la salida justo por debajo de 3V, por lo que no tienes mucho tiempo después de que se enciendan tus puntos.

Mis pruebas mostraron que la LiPo de 900mAh es suficiente para unas 10 horas de uso continuo, antes de que se enciendan los puntos del indicador de batería baja, y durante 10-20 minutos después. ¡Suficientemente bueno para mí!

En general, estoy muy contento con el resultado de este proyecto de hacking de fin de semana: mis calculadoras HP-25 (sí, tengo más de una) son útiles nuevamente y puedo usarlas todos los días sin preocuparme por las baterías. Solo los coloco en las almohadillas de carga de vez en cuando. La vida útil de la batería es tan buena, que hacer esto una vez al mes o así es suficiente.

Si lo piensas, es bastante asombroso que una calculadora de 45 años haya cobrado nueva vida gracias a la tecnología del siglo XXI!

Jan Rychter (fundador de PartsBox)

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