Viikonloppuhakkerointi: langaton lataus HP-25 -laskimelle

Tai tuomalla 45 vuotta vanhan laskimen 2000-luvulle.

HP-25 oli aikansa vallankumouksellinen laskin. Esitelty vuonna 1975, se oli ensimmäinen edullinen ohjelmoitava insinöörilaskin. Vuosien kuluessa kehitettiin edistyneempiä malleja lisätoiminnoilla. Mutta 25 saavutti erityisen hyvän tasapainon ominaisuuksien, koon ja käytettävyyden välillä.

Tänään elämme hyvin erilaisessa maailmassa: meillä kaikilla on useita tehokkaita tietokonelaitteita. Yksikään insinööri ei edes harkitsisi graafisten laskelmien tekemistä laskimella tänään: meillä on tietokoneita, jotka voivat tehdä tämän nopeammin ja paremmin. Samoin algebraisten manipulaatioiden tai symbolisen laskennan osalta. Tarvitsemme kuitenkin edelleen hyvän insinöörilaskimen — helposti saatavilla olevan laitteen, joka voi suorittaa yksinkertaisia laskelmia nopeasti ja jossa on juuri oikea määrä toimintoja.

Tämän vuoksi HP-25 on taas tullut houkuttelevaksi. Jos työskentelet elektroniikan tai mekaanisen suunnittelun parissa, joudut usein käyttämään tieteellistä tai insinöörinotaatiota ja suorittamaan laskelmia, joissa puhelimen yksinkertaiset laskinsovellukset ovat liian rajallisia. Yksinkertainen näppäinpohjainen ohjelmoitavuus tarkoittaa, että voit nopeasti automatisoida tehtäviä: esimerkiksi minulla on usein rinnakkaisresistanssin kaava ohjelmoituna, joka on käytettävissä yhdellä näppäimen painalluksella. Syötä kaksi resistanssia, paina R/S ja saat tuloksen. HP-25 on suunniteltu insinööreille, insinöörejä varten, ja sen tuntee käyttäessä. Tärkeää on myös, että se sopii hyvin kämmeneen ja sitä voi käyttää yhdellä kädellä, mikä ei päde moniin muihin muuten erinomaisiin myöhäisempiin HP-laskimiin (kuten Voyager-sarja: HP-11C ja HP-15C).

Minulla oleva HP-25 ostettiin isäni toimesta, suunnilleen silloin kun synnyin. Nautin aina sen käyttämisestä, mutta koko tämä laskinsarja (lempinimeltään "Woodstock") oli rajoittunut akkupaketin suunnittelun vuoksi. Alkuperäinen akkupaketti sisälsi kaksi sinetöityä NiCd-kennoa, jotka ilmeisesti hajosivat monta vuotta sitten. Useimmat ihmiset korvasivat NiCd-kennonsa uusilla, sitten NiMh-kennolla tai jopa alkaliparistoilla. Tämä oli aina ongelmallista: uudemmat paristot olivat hieman suurempia eivätkä koskaan sopineet hyvin. Lisäksi laskimen, jossa on LED-näyttö, virrankulutus oli merkittävä, joten paristojen vaihtoja tarvittiin usein.

HP-25 toimitettiin "laturin" kanssa (oikeastaan vain muuntaja), mutta latauspiiri oli kauhea: laturi ilman kuormaa toimitti 10V AC: suuremman jännitteen kuin laskin pystyi käsittelemään, olettaen, että kytketyt NiCd-akkukennot rajoittaisivat jännitteen. Koko latauspiiri koostui diodista ja vastuksesta! Jos kennoillasi ei ollut kunnollista kosketusta, tai jos yhdistit laturin ilman akkupakettia, laskimesi olisi tuhoutunut.

Päätin, että minun pitäisi tehdä jotain, jotta HP-25 olisi jokapäiväisessä käytössä. Niinpä ryhdyin suunnittelemaan uudelleenladattavaa akkupakettia, joka korvaa alkuperäisen, mutta käyttää modernia Li-Po akkua, ja siinä on Qi/WPC langaton lataus USB-varavaihtoehdolla.

Minulla on nyt täydellinen insinöörilaskin, joka on 45 vuotta vanha ja silti istuu onnellisesti Qi-latausalustalla ja latautuu. Jos minulla ei ole alustaa saatavilla, voin poistaa akkupaketin ja käyttää sivussa olevaa mikro-USB-liitintä lataamiseen. Mutta kuten kävi ilmi, latausta ei itse asiassa tarvita kovin usein — 900mAh LiPo tarjoaa tarpeeksi energiaa moniksi viikoiksi käytössäni.

Suunnittelu-oletukset olivat:

• Pitäisi korvata alkuperäinen akkupaketti
• Ei muutoksia itse laskimeen
• WPC/Qi langaton lataus
• Micro-USB-liitin langalliseen lataukseen
• Li-Po-akku, joka kestää vähintään useita päiviä normaalikäytössä
• Akun vähäisen varauksen ilmaisin

Suunnittelin akkupaketin kotelon Fusion 360:ssä, ottaen mitat alkuperäisestä akkupaketista. Se ei ollut yksinkertaista: alkuperäinen paketti oli suunniteltu ruiskuvalua varten, ja kaltevat kulmat monimutkaistivat geometriaa. Koska en suunnittele massatuotantoa varten, en vaivautunut suunnittelemaan ruiskuvalua varten ja oletin 3D-tulostuksen käyttäen SLS:ää (Selective Laser Sintering). Tämän vuoksi akkupakettini avautuu eri tavalla kuin alkuperäinen, tarjoten paremman pääsyn elektroniikkaan ja akkuun, mutta uhraamalla kyvyn ruiskuvalaa.

Ei käytetty kiinnikkeitä: yksinkertainen jousiklipsi riittää pitämään kannen paikallaan, ja pakkaus on suurimman osan ajasta laskimessa joka tapauksessa, joten kannen avautumisen riskiä ei ole.

Laskin toimi normaalisti kahdella NiCd-kennolla, joiden jännite on 1,2V kumpikin. Päätin tuottaa 2,5V sijaan 2,4V, olettaen, että ylimääräinen 0,1V ei vahingoittaisi mitään (lopulta monet ihmiset ovat käyttäneet laskimiaan alkaliparistoilla, joiden jännite on 1,25V), ja lisääntynyt jännite tekisi laskimen tehostusmuuntimesta hieman tehokkaamman.

Päätin käyttää yhtä Texas Instrumentsin modernista pienitehoisesta buck-ohjaimista (TPS62740). Sen alhainen 360nA:n käyttövirran lepovirta tarkoitti, että minun ei tarvitsisi huolehtia päälle/pois-kytkimestä. On olemassa ohjaimia, joilla on vielä pienempi lepovirta (jopa 60nA!), mutta halusin ohjelmoitavan jännitelähdön — lue eteenpäin saadaksesi tietää miksi.

WPC/Qi:lle valitsin bq51050B:n (Texas Instruments) ja kelan Wuerth Elektronikilta. Tämä osoittautui paljon haastavammaksi kuin luulin: langattomien latauslaitteiden suunnittelu on vaikeaa, vaatii useita prototyyppejä ja mittauslaitteita, joita minulla ei ole. Lopulta tein suunnittelupäätöksiä, jotka eivät ehkä ole optimaalisia, mutta tässä tapauksessa (pienillä tehovaatimuksilla) tarjoavat hyväksyttävän suorituskyvyn. Toisin sanoen, improvisoin. Tämä tehtiin hieman vaikeammaksi sillä seikalla, että bq51050B:n dokumentaatio on pettymys eikä todellakaan vastaa TI:n standardeja.

Levyllä on myös Micro-USB-portti langallista latausta varten, latausohjainpiiri (suosittu MCP73832), MOSFET-pari toimimassa USB-virran kytkimenä, joukko ESD-suojauksia alttiille liittimille ja erillinen termistori akun lämpötilan seuraamiseen, koska monet halvat LiPot tulevat ilman termistoria tai sellaisen kanssa, joka ei vastaa latauspiirin odotuksia.

Suunnitella alhaisen akun ilmaisin oli mielenkiintoinen haaste. Olettaen, että jännite on proxy akun varaukselle (mikä ei ole täysin totta LiPo-kennoille), miten mittaat jännitteen vetämättä jatkuvasti virtaa ja purkamatta akkua prosessissa? Pidä mielessä, että meidän tehobudjettimme tähän on nano-ampeereissa: koko laitteen lepotilan tehonkulutuksen tulisi olla alle 1μA.

Koska coulomb-laskentaa suorittavat IC-laitteet ovat aivan liian kalliita ja yleensä tulevat epäystävällisissä BGA-pakkauksissa, ja koska en halunnut monimutkaistaa suunnittelua liikaa, minun piti löytää jotain yksinkertaisempaa.

Mikrokontrolleripohjainen ratkaisu voitaisiin suunnitella, mutta ensimmäistä kertaa moniin vuosiin halusin suunnitella laitteen ilman mikrokontrolleria ja ohjelmistoa.

Lisäksi, miten näytät tuloksen? Et voi sytyttää LEDiä, sillä se kuluttaisi nopeasti jäljellä olevan energian, mahdollisesti kenenkään edes katsomatta indikaattoria. "Akun tarkistus"-nappi? Mahdollisesti, mutta nämä monimutkaistavat mekaanista suunnittelua merkittävästi.

Kesti hetken, mutta keksin ratkaisun.

Tajusin, että laskimessa on itse asiassa sisäänrakennettu vähäisen akun ilmaisin. Kun akun jännite laskee alle kynnyksen (jonka mittasin olevan 2.1V), LED-näyttö sytyttää kaikki desimaalipisteet, paitsi sen, joka normaalisti olisi aktiivinen. Desimaalipisteiden "kääntämisen" avulla voit silti käyttää laskinta, mutta näet selvästi, että paristot on vaihdettava.

Joten käytin jännitteen (reset) valvojaa, jolla on 250nA:n syöttövirta, akun jännitteen valvontaan. Jos se laskee alle 3V, lähtö menee matalaksi. Tämä lähtö on yhdistetty yhteen TPS62740:n jännitteenvalitsinpinneistä (tämän vuoksi tarvitsin ohjelmoitavan jännitelähdön osan) ja saa sen tuottamaan 2.1V:n sijaan 2.5V. Toisin sanoen, akku vähissä, desimaalipisteen LEDit syttyvät, tehtävä suoritettu!

Tämä osoittautui käytännössä toimivaksi melko hyvin, ja 2,1V kynnysarvo toimi kaikille minulla oleville HP-25 yksiköille. Ainoa rajoitus on, että useimmissa LiPo-akuissa niiden suojapiiri katkaisee ulostulon juuri alle 3V:n, joten sinulla ei ole paljon aikaa sen jälkeen, kun pisteesi syttyvät.

Testini osoittivat, että 900mAh LiPo riittää noin 10 tunnin jatkuvaan käyttöön, ennen kuin akun vähäisen varauksen ilmaisupisteet syttyvät, ja 10-20 minuuttia sen jälkeen. Minulle riittävä!

Kaiken kaikkiaan olen erittäin tyytyväinen tämän viikonlopun hakkerointiprojektin tulokseen: HP-25 -laskimeni (kyllä, minulla on niitä enemmän kuin yksi) ovat jälleen käyttökelpoisia ja voin käyttää niitä joka päivä murehtimatta akkuja. Asetan ne vain latausalustoille ajoittain. Akun kesto on niin hyvä, että tämän tekeminen kerran kuussa tai niin riittää.

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

Jan Rychter (PartsBoxin perustaja)

(Jos nautit tästä lukemisesta ja työskentelet elektroniikan parissa, tutustu PartsBoxiin — se on korvaamaton työkalu yrityksille, ja se on ilmainen Harrastelijoille/Makereille)