Hacking du week-end : chargement sans fil pour une calculatrice HP-25

Ou, faire entrer une calculatrice vieille de 45 ans dans le 21e siècle.

La HP-25 était une calculatrice révolutionnaire pour son époque. Introduite en 1975, c'était la première calculatrice d'ingénierie programmable abordable. Au fil des années, des modèles plus avancés ont été développés avec plus de fonctionnalités. Mais la 25 a trouvé un équilibre particulièrement bon entre les fonctionnalités, la taille et la facilité d'utilisation.

Aujourd'hui, nous vivons dans un monde très différent : nous avons tous plusieurs appareils informatiques puissants. Aucun ingénieur n'envisagerait même de faire des graphiques sur une calculatrice aujourd'hui : nous avons des ordinateurs qui peuvent le faire plus rapidement et mieux. De même pour les manipulations algébriques ou le calcul symbolique. Ce dont nous avons encore besoin, cependant, c'est d'une bonne calculatrice d'ingénierie — un appareil facilement accessible qui peut effectuer des calculs simples rapidement et qui a juste le bon nombre de fonctions.

C'est pourquoi la HP-25 redevient attrayante. Si vous travaillez dans l'électronique ou la conception mécanique, vous avez souvent besoin de travailler avec la notation scientifique ou d'ingénierie et d'effectuer des calculs pour lesquels les applications de calculatrice simples sur votre téléphone sont trop limitées. La programmabilité simple basée sur les frappes signifie que vous pouvez rapidement automatiser des tâches : par exemple, j'ai souvent la formule de résistance parallèle entrée comme programme, accessible à l'aide d'une seule frappe. Entrez deux résistances, appuyez sur R/S et obtenez le résultat. La HP-25 a été conçue par des ingénieurs, pour des ingénieurs, et vous le ressentez lorsque vous l'utilisez. Surtout, elle tient bien dans la paume de votre main et peut être utilisée d'une seule main, ce qui n'est pas vrai pour de nombreuses calculatrices HP ultérieures par ailleurs excellentes (comme la série Voyager : HP-11C et HP-15C).

La HP-25 que je possède a été achetée par mon père, à peu près au moment de ma naissance. J'ai toujours aimé l'utiliser, mais toute cette série de calculatrices (surnommée "Woodstock") était limitée par la conception du bloc-batterie. Le bloc-batterie d'origine contenait deux cellules NiCd scellées, qui ont évidemment lâché il y a de nombreuses années. La plupart des gens ont remplacé leurs cellules NiCd par de nouvelles, puis par des cellules NiMh, ou même des piles alcalines AA. Cela a toujours été problématique : les piles plus récentes étaient légèrement plus grandes et ne s'adaptaient jamais bien. De plus, la consommation d'énergie d'une calculatrice avec un affichage LED était importante, donc des remplacements fréquents de piles étaient nécessaires.

La HP-25 était livrée avec un "chargeur" (en réalité juste un transformateur), mais le circuit de charge était terrible : le chargeur sans charge fournissait 10V AC : une tension plus élevée que ce que la calculatrice pouvait supporter, en supposant que les cellules de batterie NiCd connectées limiteraient la tension. L'ensemble du circuit de charge consistait en une diode et une résistance ! Si vos cellules ne faisaient pas un contact correct, ou si vous connectiez un chargeur sans le bloc-batterie inséré, votre calculatrice était grillée.

J'ai décidé que je devais faire quelque chose pour rendre ma HP-25 utilisable au quotidien. J'ai donc entrepris de concevoir un bloc-batterie rechargeable, qui remplace celui d'origine, mais utilise une batterie Li-Po moderne, et dispose d'une charge sans fil Qi/WPC avec un secours USB.

J'ai maintenant la calculatrice d'ingénierie parfaite, qui a 45 ans et qui pourtant repose joyeusement sur un tapis de charge Qi et se recharge. Si je n'ai pas de tapis disponible, je peux retirer le bloc-batterie et utiliser le connecteur micro-USB sur le côté pour la charger. Mais il s'est avéré que la charge n'est pas vraiment nécessaire si souvent — une LiPo de 900mAh fournit assez d'énergie pour de nombreuses semaines avec mon utilisation.

Les hypothèses de conception étaient :

• Doit remplacer le bloc-batterie d'origine
• Aucune modification de la calculatrice elle-même
• Charge sans fil WPC/Qi
• Connecteur Micro-USB pour la charge filaire
• Batterie Li-Po durant au moins plusieurs jours d'utilisation normale
• Indicateur de batterie faible

J'ai conçu le boîtier du pack batterie dans Fusion 360, en prenant les mesures du pack batterie d'origine. Cela ne s'est pas avéré simple : le pack d'origine était conçu pour le moulage par injection, et les angles de dépouille compliquaient la géométrie. Comme je ne prévois pas de les produire en masse, je ne me suis pas soucié de la conception pour le moulage par injection et j'ai supposé une impression 3D utilisant le SLS (Frittage Sélectif par Laser). C'est pourquoi mon pack batterie s'ouvre différemment de l'original, offrant un meilleur accès à l'électronique et à la batterie, mais sacrifiant la capacité d'être moulé par injection.

Aucune fixation n'a été utilisée : un simple clip à ressort suffit pour maintenir le couvercle en place, et le pack est utilisé dans la calculatrice la plupart du temps de toute façon, il n'y a donc aucun risque que le couvercle s'ouvre.

La calculatrice était normalement alimentée par deux cellules NiCd, qui ont une tension de 1,2 V chacune. J'ai décidé de produire 2,5 V au lieu de 2,4 V, en supposant que les 0,1 V supplémentaires ne feraient pas de mal (après tout, beaucoup de gens utilisent leurs calculatrices avec des piles alcalines, qui ont une tension de 1,25 V), et l'augmentation de la tension rendrait le convertisseur boost de la calculatrice légèrement plus efficace.

J'ai décidé d'utiliser l'un des contrôleurs buck modernes à faible consommation de Texas Instruments (TPS62740). Son faible courant de repos de fonctionnement de 360 nA signifiait que je n'aurais pas à me soucier d'avoir un interrupteur marche/arrêt. Il existe des contrôleurs avec un courant de repos encore plus faible (même jusqu'à 60 nA !), mais je voulais avoir une sortie de tension programmable — lisez la suite pour savoir pourquoi.

Pour le WPC/Qi, j'ai opté pour le bq51050B (Texas Instruments) et une bobine de Wuerth Elektronik. Cela s'est avéré beaucoup plus difficile que je ne le pensais : concevoir des appareils avec chargement sans fil est difficile, nécessite plusieurs prototypes et des équipements de mesure que je n'ai pas. Au final, j'ai pris des décisions de conception qui ne sont peut-être pas optimales, mais qui dans ce cas (avec de faibles besoins en énergie) offrent des performances acceptables. En d'autres termes, j'ai improvisé. Cela a été rendu un peu plus difficile par le fait que la documentation du bq51050B est décevante et pas vraiment à la hauteur des standards de TI.

La carte dispose également d'un port Micro-USB pour la charge filaire, d'un circuit intégré contrôleur de charge (le populaire MCP73832), d'une paire de MOSFET agissant comme un interrupteur pour l'alimentation USB, d'un ensemble de protections ESD pour les bornes exposées, et d'une thermistance discrète pour surveiller la température de la batterie, car de nombreuses LiPos bon marché sont livrées sans thermistance ou avec une qui ne correspond pas à ce que le circuit intégré de charge attend.

Concevoir un indicateur de batterie faible était un défi intéressant. En supposant que la tension est un indicateur de la charge de la batterie (ce qui n'est pas tout à fait vrai pour les cellules LiPo), comment mesurer la tension sans consommer de l'énergie constamment et décharger la batterie au cours du processus ? Gardez à l'esprit que notre budget énergétique pour cela est en nano-ampères : la consommation au repos de l'ensemble du dispositif doit être inférieure à 1μA.

Comme les circuits intégrés de comptage de coulomb sont beaucoup trop chers et sont généralement livrés dans des boîtiers BGA peu pratiques, et aussi parce que je ne voulais pas trop compliquer la conception, j'ai dû trouver quelque chose de plus simple.

Une solution basée sur un microcontrôleur aurait pu être conçue, mais pour la première fois depuis de nombreuses années, je voulais concevoir un appareil sans microcontrôleur ni logiciel.

Aussi, comment affichez-vous le résultat ? Vous ne pouvez pas allumer une LED, car cela consommerait rapidement l'énergie restante, peut-être sans que personne ne regarde l'indicateur. Un bouton "vérification batterie" ? Possible, mais cela complique considérablement la conception mécanique.

Cela a pris du temps, mais j'ai fini par trouver une solution.

J'ai réalisé que la calculatrice a effectivement un indicateur de batterie faible intégré. Lorsque la tension de la batterie tombe en dessous d'un seuil (que j'ai mesuré à 2,1V), l'écran LED allume tous les points décimaux, sauf celui qui devrait normalement être actif. Avec les points décimaux "inversés" de cette façon, vous pouvez toujours utiliser la calculatrice, mais vous voyez clairement que les piles doivent être remplacées.

J'ai donc utilisé un superviseur de tension (reset) avec un courant d'alimentation de 250 nA pour surveiller la tension de la batterie. Si elle tombe en dessous de 3 V, la sortie passe à l'état bas. Cette sortie est connectée à l'une des broches de sélection de tension sur le régulateur abaisseur TPS62740 (c'est pourquoi j'avais besoin d'un composant à sortie de tension programmable) et l'amène à commencer à produire 2,1 V au lieu de 2,5 V. En d'autres termes, batterie faible, les LED du point décimal s'allument, mission accomplie !

Cela s'est avéré très bien fonctionner en pratique, et le seuil de 2,1 V a fonctionné pour toutes les unités HP-25 que j'avais. La seule limitation est qu'avec la plupart des batteries LiPo, leur circuit de protection coupera la sortie juste en dessous de 3 V, vous n'avez donc pas beaucoup de temps après l'allumage de vos points.

Mes tests ont montré que la LiPo de 900mAh est suffisante pour environ 10 heures d'utilisation continue, avant que les points indicateurs de batterie faible ne s'allument, et pour 10-20 minutes après. Suffisant pour moi !

Dans l'ensemble, je suis très content du résultat de ce projet de bricolage du week-end : mes calculatrices HP-25 (oui, j'en ai plus d'une) sont à nouveau utiles et je peux les utiliser tous les jours sans me soucier des piles. Je les place simplement sur des tapis de charge de temps en temps. L'autonomie de la batterie est si bonne que faire cela une fois par mois environ est suffisant.

Si on y réfléchit, c'est assez incroyable qu'une calculatrice vieille de 45 ans ait eu une nouvelle vie grâce à la technologie du 21e siècle !

Jan Rychter (fondateur de PartsBox)

(Si vous avez aimé lire ceci et que vous travaillez avec l'électronique, jetez un œil à PartsBox — c'est un outil indispensable pour les entreprises, et c'est gratuit pour les amateurs/makers)