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

O, trayendo 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 mayor funcionalidad. 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 siquiera hacer gráficos en una calculadora hoy en día: tenemos computadoras que pueden hacer esto más rápido y mejor. De manera similar para manipulaciones algebraicas o computación simbólica. Lo que todavía necesitamos, sin embargo, es una buena calculadora de ingeniería — un dispositivo fácilmente accesible que pueda realizar cálculos simples rápidamente y que tenga el número justo de funciones.

Es por esto que la HP-25 se está volviendo atractiva nuevamente. Si trabajas con electrónica o diseño mecánico, a menudo necesitas trabajar con notación científica o de ingeniería y realizar cálculos para los cuales las aplicaciones de calculadora simples en tu teléfono son demasiado limitadas. La programabilidad simple basada en pulsaciones de teclas significa que puedes automatizar tareas rápidamente: por ejemplo, a menudo tengo la fórmula de resistencia en paralelo ingresada como un programa, accesible usando una sola pulsación de tecla. Ingresa dos resistencias, presiona R/S y obtén el resultado. La HP-25 fue diseñada por ingenieros, para ingenieros, y lo sientes cuando la usas. Es importante destacar que cabe bien en la palma de tu mano y se puede usar con una sola mano, lo cual no es cierto para muchas calculadoras HP posteriores excelentes (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 de NiCd selladas, que obviamente fallaron hace muchos años. La mayoría de la gente reemplazó sus celdas de NiCd por otras nuevas, luego por celdas de NiMh, o incluso 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 pantalla LED era significativo, por lo que se necesitaban reemplazos frecuentes de batería.

La HP-25 se enviaba con un "cargador" (en realidad solo un transformador), pero el circuito de carga era terrible: el cargador sin carga suministraba 10V CA: un voltaje más alto del que la calculadora podía manejar, asumiendo que las celdas de batería de NiCd conectadas limitarían el voltaje. ¡Todo el circuito de carga consistía en un diodo y una resistencia! Si sus celdas no hacían contacto adecuado, o si conectaba un cargador sin el paquete de baterías insertado, su calculadora quedaba frita.

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

Ahora tengo la calculadora de ingeniería perfecta, que tiene 45 años y, sin embargo, se asienta felizmente en una almohadilla de energía Qi y se recarga. Si no tengo una almohadilla disponible, puedo quitar el paquete de baterías y usar el conector micro-USB en el lateral para cargarla. Pero como resultó, 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:

• Debe reemplazar el paquete de baterías original
• Sin modificaciones a la calculadora en sí
• Carga inalámbrica WPC/Qi
• Conector Micro-USB para carga por cable
• Batería Li-Po que dure 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. Eso resultó no ser sencillo: el paquete original fue diseñado para moldeo por inyección, y los ángulos de salida complicaron la geometría. Como no planeo producirlos en masa, no me molesté en diseñar para moldeo por inyección y asumí la impresión 3D usando SLS (Sinterización Selectiva por Láser). Es por esto 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 usa 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 funcionaba con dos celdas de NiCd, que tienen un voltaje de 1.2V cada una. Decidí producir 2.5V en lugar de 2.4V, asumiendo que los 0.1V adicionales no dañarían 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 elevador en la calculadora fuera ligeramente más eficiente.

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

Para WPC/Qi, elegí el 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 equipos 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, 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 CI controlador de carga (el popular MCP73832), un par de MOSFET actuando como interruptor para la alimentación USB, un montón de protección ESD para terminales expuestos, y un termistor discreto para monitorear la temperatura de la batería, ya que muchas LiPos baratas vienen sin termistor o con uno que no coincide con lo que espera el CI de carga.

Diseñar un indicador de batería baja fue un desafío interesante. Asumiendo que el voltaje es un indicador de la carga de la batería (lo cual no es del todo cierto para las celdas LiPo), ¿cómo se mide el voltaje sin consumir energía constantemente y descargar la batería en el proceso? Tenga en cuenta que nuestro presupuesto de energía para esto está en nanoamperios: el consumo de energía en reposo de todo el dispositivo debe estar por debajo de 1μA.

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

Se podría diseñar una solución basada en microcontrolador, pero por primera vez en muchos años quise 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 mire el indicador. ¿Un botón de "comprobación de batería"? Posiblemente, pero estos complican significativamente el diseño mecánico.

Tomó un tiempo, pero encontré una solución.

Me di cuenta de que la calculadora en realidad sí 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 normalmente debería estar activo. Con los puntos decimales "invertidos" de esta manera, aún puede usar la calculadora, pero ve claramente que las baterías necesitan ser reemplazadas.

Entonces, utilicé un supervisor de voltaje (reinicio) con una corriente de suministro de 250nA para monitorear el voltaje de la batería. Si cae por debajo de 3V, la salida baja. Esa salida está conectada a uno de los pines selectores de voltaje en el regulador buck TPS62740 (por eso necesitaba un componente de salida de voltaje programable) y hace que comience 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 tiene mucho tiempo después de que sus puntos se iluminen.

Mis pruebas mostraron que la LiPo de 900mAh es suficiente para unas 10 horas de uso continuo, antes de que se enciendan los puntos indicadores 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) vuelven a ser útiles y puedo usarlas todos los días sin preocuparme por las baterías. Simplemente las coloco en bases de carga de vez en cuando. La duración de la batería es tan buena que hacer esto una vez al mes más o menos es suficiente.

Si lo piensas, ¡es bastante sorprendente 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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