Viikonloppuhakkerointia: langaton lataus HP-25-laskimelle

Tai tuomalla 45 vuotta vanha laskin 2000-luvulle.

HP-25 oli vallankumouksellinen laskin aikanaan. Vuonna 1975 esiteltynä se oli ensimmäinen edullinen ohjelmoitava insinöörilaskin. Vuosien kuluessa kehitettiin edistyneempiä malleja, joissa oli enemmän toimintoja. Mutta 25 löysi erityisen hyvän tasapainon ominaisuuksien, koon ja helppokäyttöisyyden välillä.

Nykyään elämme hyvin erilaisessa maailmassa: meillä kaikilla on useita tehokkaita laskentalaitteita. Kukaan insinööri ei edes harkitsisi kuvaajien piirtämistä laskimella tänään: meillä on tietokoneita, jotka voivat tehdä tämän nopeammin ja paremmin. Sama pätee algebrallisiin manipulaatioihin tai symboliseen laskentaan. Mitä kuitenkin edelleen tarvitsemme, on hyvä insinöörilaskin — helposti saatavilla oleva laite, joka voi suorittaa yksinkertaisia laskutoimituksia nopeasti ja jossa on juuri oikea määrä toimintoja.

Tämän vuoksi HP-25 on tulossa jälleen houkuttelevaksi. Jos työskentelet elektroniikan tai mekaniikkasuunnittelun parissa, joudut usein käyttämään tieteellistä tai insinöörinotaatiota ja suorittamaan laskutoimituksia, joihin puhelimesi yksinkertaiset laskinsovellukset ovat liian rajoittuneita. Yksinkertainen näppäinpainalluksiin perustuva ohjelmoitavuus tarkoittaa, että voit automatisoida tehtäviä nopeasti: minulla on esimerkiksi usein rinnakkaisvastuksen kaava syötettynä ohjelmana, joka on käytettävissä yhdellä näppäinpainalluksella. Syötä kaksi vastusarvoa, paina R/S ja saat tuloksen. HP-25 on insinöörien suunnittelema insinööreille, ja sen tuntee käytössä. Tärkeää on myös, että se sopii hyvin kämmenelle ja sitä voi käyttää yhdellä kädellä, mikä ei päde moniin myöhempiin, muuten erinomaisiin HP-laskimiin (kuten Voyager-sarja: HP-11C ja HP-15C).

HP-25, joka minulla on, on isäni ostama suunnilleen silloin kun synnyin. Nautin aina sen käytöstä, mutta tätä koko laskin sarjaa (nimeltään "Woodstock") rajoitti akkupaketin suunnittelu. Alkuperäinen akkupaketti sisälsi kaksi suljettua NiCd-kennoa, jotka tietysti pettivät vuosia sitten. Useimmat ihmiset korvasivat NiCd-kennot uusilla, sitten NiMh-kennoilla tai jopa alkalisilla AA-paristoilla. Tämä oli aina ongelmallista: uudemmat paristot olivat hieman suurempia eivätkä koskaan sopineet hyvin. Lisäksi LED-näytöllä varustetun laskimen virrankulutus oli merkittävä, joten paristojen vaihtoja tarvittiin usein.

HP-25 toimitettiin "laturin" kanssa (oikeasti vain muuntaja), mutta latauspiiri oli kamala: laturi ilman kuormaa syötti 10 V AC:ta: korkeampi jännite kuin laskin kesti, olettaen, että kytketyt NiCd-akkukennot rajoittaisivat jännitteen. Koko latauspiiri koostui diodista ja vastuksesta! Jos kennot eivät saaneet kunnollista kosketusta tai jos kytkit laturin ilman akkupakettia, laskimesi kärähtäisi.

Päätin, että minun pitäisi tehdä jotain, jotta HP-25:stäni tulisi käyttökelpoinen joka päivä. Joten ryhdyin suunnittelemaan ladattavaa akkupakettia, joka korvaa alkuperäisen, mutta käyttää modernia Li-Po-akkua ja jossa on Qi/WPC-langaton lataus USB-varavaihtoehdolla.

Minulla on nyt täydellinen insinöörilaskin, joka on 45 vuotta vanha ja istuu silti tyytyväisenä Qi-latausalustalla ja latautuu. Jos minulla ei ole alustaa saatavilla, voin irrottaa akkupaketin ja käyttää sivussa olevaa micro-USB-liitintä sen lataamiseen. Mutta kuten kävi ilmi, lataamista ei itse asiassa tarvita kovin usein — 900mAh LiPo tarjoaa tarpeeksi energiaa moneksi viikoksi minun käytölläni.

Suunnittelun oletukset olivat:

• Pitäisi korvata alkuperäinen akkupaketti
• Ei muutoksia itse laskimeen
• Langaton WPC/Qi-lataus
• Micro-USB-liitin langallista latausta varten
• Li-Po-akku, joka kestää vähintään useita päiviä normaalissa käytössä
• Alhaisen akun varauksen ilmaisin

Suunnittelin akkupaketin kotelon Fusion 360:ssä ottamalla mitat alkuperäisestä akkupaketista. Se ei osoittautunut yksinkertaiseksi: alkuperäinen paketti oli suunniteltu ruiskuvalua varten, ja päästökulmat monimutkaistivat geometriaa. Koska en aio massatuottaa näitä, en vaivautunut suunnittelemaan ruiskuvalua varten ja oletin 3D-tulostuksen käyttävän SLS-tekniikkaa (Selective Laser Sintering). Siksi akkupakettini aukeaa eri tavalla kuin alkuperäinen, tarjoten paremman pääsyn elektroniikkaan ja akkuun, mutta uhraten ruiskuvalettavuuden.

Kiinnikkeitä ei käytetty: yksinkertainen jousipidike riittää pitämään kannen paikallaan, ja akkupakettia käytetään laskimessa suurimman osan ajasta joka tapauksessa, joten kannen aukeamisen riskiä ei ole.

Laskin sai normaalisti virtansa kahdesta NiCd-kennosta, joiden jännite on 1,2 V kumpikin. Päätin tuottaa 2,5 V:n jännitteen 2,4 V:n sijaan olettaen, että ylimääräinen 0,1 V ei haittaisi mitään (monet ihmiset ovat käyttäneet laskimiaan alkaliparistoilla, joiden jännite on 1,25 V), ja korkeampi jännite tekisi laskimen boost-muuntimesta hieman tehokkaamman.

Päätin käyttää yhtä Texas Instrumentsin moderneista vähävirtaisista buck-ohjaimista (TPS62740). Sen alhainen 360 nA:n lepovirta tarkoitti, ettei minun tarvitsisi huolehtia on/off-kytkimestä. On olemassa ohjaimia, joilla on vielä alhaisempi lepovirta (jopa 60 nA!), mutta halusin ohjelmoitavan jännitelähdön — lue eteenpäin saadaksesi selville miksi.

WPC/Qi-latausta varten valitsin bq51050B:n (Texas Instruments) ja kelan Wuerth Elektronikilta. Tämä osoittautui paljon haastavammaksi kuin luulin: langattomalla latauksella varustettujen laitteiden suunnittelu on vaikeaa, vaatii useita prototyyppejä ja mittauslaitteita, joita minulla ei ole. Lopulta päädyin suunnitteluratkaisuihin, jotka eivät ehkä ole optimaalisia, mutta tässä tapauksessa (pienillä tehovaatimuksilla) tarjoavat hyväksyttävän suorituskyvyn. Toisin sanoen, improvisoin. Tätä vaikeutti hieman se, että bq51050B:n dokumentaatio on pettymys eikä oikein vastaa TI:n standardeja.

Levyllä on myös Micro-USB-portti langallista latausta varten, latausohjainpiiri (suosittu MCP73832), MOSFET-pari, joka toimii kytkimenä USB-virralle, joukko ESD-suojauksia paljaille liittimille ja erillinen termistori akun lämpötilan valvontaan, koska monet halvat LiPo-akut toimitetaan ilman termistoria tai sellaisella, joka ei vastaa latauspiirin odotuksia.

Alhaisen paristovarauksen ilmaisimen suunnittelu oli mielenkiintoinen haaste. Olettaen, että jännite on pariston varauksen mittari (mikä ei ole täysin totta LiPo-kennoille), kuinka mitata jännite kuluttamatta virtaa jatkuvasti ja purkamatta paristoa prosessin aikana? Muista, että teho budjettimme tälle on nanoampeereissa: koko laitteen lepovirrankulutuksen tulisi olla alle 1 μA.

Koska coulomb-laskentapiirit ovat aivan liian kalliita ja tulevat yleensä epäystävällisissä BGA-koteloissa, ja myös koska en halunnut tehdä suunnittelusta liian monimutkaista, minun piti löytää jotain yksinkertaisempaa.

Mikrokontrolleripohjainen ratkaisu voitaisiin suunnitella, mutta ensimmäistä kertaa moneen vuoteen halusin suunnitella laitteen ilman mikrokontrolleria ja ohjelmistoa.

Lisäksi, miten näytät tuloksen? Et voi sytyttää LEDiä, koska se kuluttaisi nopeasti jäljellä olevan energian, mahdollisesti ilman että kukaan edes katsoo ilmaisinta. "Pariston tarkistus" -painike? Mahdollisesti, mutta nämä monimutkaistavat mekaanista suunnittelua merkittävästi.

Siinä kesti hetki, mutta keksin ratkaisun.

Tajusin, että laskimessa on todellakin sisäänrakennettu alhaisen paristovirran ilmaisin. Kun pariston jännite laskee alle kynnyksen (jonka mittasin olevan 2,1 V), LED-näyttö sytyttää kaikki desimaalipisteet, paitsi sen, jonka pitäisi normaalisti olla aktiivinen. Kun desimaalipisteet ovat "käänteisiä" tällä tavalla, voit edelleen käyttää laskinta, mutta näet selvästi, että paristot on vaihdettava.

Joten käytin jännitevalvojaa (reset supervisor) 250 nA:n syöttövirralla valvomaan akun jännitettä. Jos se laskee alle 3 V:n, lähtö menee alas. Tuo lähtö on kytketty yhteen TPS62740 buck-säätimen jännitteenvalintanastoista (tämän vuoksi tarvitsin ohjelmoitavan jännitelähdön komponentin) ja saa sen tuottamaan 2,1 V 2,5 V:n sijaan. Toisin sanoen, akku vähissä, desimaalipiste-LEDit syttyvät, tehtävä suoritettu!

Tämä osoittautui toimivan käytännössä varsin hyvin, ja 2,1 V:n kynnysarvo toimi kaikissa omistamissani HP-25-yksiköissä. Ainoa rajoitus on, että useimpien LiPo-akkujen suojapiiri katkaisee lähdön juuri alle 3 V:n jännitteellä, joten sinulla ei ole paljon aikaa pisteiden syttymisen jälkeen.

Testini osoittivat, että 900 mAh LiPo riittää noin 10 tunnin jatkuvaan käyttöön ennen kuin alhaisen akun merkkivalot syttyvät, ja 10–20 minuutiksi sen jälkeen. Riittävän hyvä minulle!

Kaiken kaikkiaan olen erittäin tyytyväinen tämän viikonlopun hakkerointiprojektin tulokseen: HP-25-laskimeni (kyllä, minulla on useampi kuin yksi) ovat jälleen hyödyllisiä ja voin käyttää niitä joka päivä huolehtimatta paristoista. Asetan ne vain latausalustoille aika ajoin. Akunkesto on niin hyvä, että tämän tekeminen kerran kuukaudessa tai vastaavaa riittää.

Jos asiaa ajattelee, on melko hämmästyttävää, että 45 vuotta vanha laskin sai uuden elämän 2000-luvun teknologian ansiosta!

Jan Rychter (PartsBoxin perustaja)

(Jos pidit tämän lukemisesta ja työskentelet elektroniikan parissa, tutustu PartsBoxiin — se on korvaamaton työkalu yrityksille, ja se on ilmainen harrastajille/tekijöille)