Bricolage du week-end : recharge sans fil pour une calculatrice HP-25

Ou, comment faire entrer une calculatrice de 45 ans dans le 21ème siècle.

Le 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 le 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 ne penserait même à faire des graphiques sur une calculatrice aujourd'hui : nous avons des ordinateurs qui peuvent faire cela plus rapidement et mieux. De même pour les manipulations algébriques ou le calcul symbolique. Ce dont nous avons encore besoin, cependant, c'est 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 simples applications de calculatrice sur votre téléphone sont trop limitées. La programmabilité simple basée sur les touches signifie que vous pouvez rapidement automatiser les tâches : par exemple, j'ai souvent la formule de résistance parallèle entrée comme un programme, accessible en utilisant une seule touche. 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 sentez lorsque vous l'utilisez. Importamment, elle tient bien dans votre paume et peut être utilisée avec une seule main, ce qui n'est pas vrai pour de nombreuses calculatrices HP excellentes mais ultérieures (comme la série Voyager : HP-11C et HP-15C).

La HP-25 que j'ai a été achetée par mon père, à peu près à l'époque où je suis né. J'ai toujours aimé l'utiliser, mais cette série de calculatrices (surnommée "Woodstock") était limitée par la conception du pack de batteries. Le pack de batteries original contenait deux cellules NiCd scellées, qui ont évidemment échoué 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 batteries plus récentes étaient légèrement plus grandes et ne rentraient jamais bien. De plus, la consommation d'énergie d'une calculatrice avec un affichage LED était importante, donc des remplacements fréquents de batteries 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 se composait d'une diode et d'une résistance ! Si vos cellules ne faisaient pas un bon contact, ou si vous connectiez un chargeur sans la batterie insérée, votre calculatrice serait grillée.

J'ai décidé que je devrais faire quelque chose pour rendre mon HP-25 utilisable tous les jours. Alors, j'ai entrepris de concevoir un pack de batteries rechargeables, qui remplace l'original, mais utilise une batterie Li-Po moderne, et a une charge sans fil Qi/WPC avec une solution de secours USB.

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

Les hypothèses de conception étaient :

• Devrait remplacer le pack de batteries d'origine
• Aucune modification sur 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 de batteries dans Fusion 360, en prenant les mesures du pack de batteries original. Cela s'est avéré ne pas être simple : le pack original a été conçu pour le moulage par injection, et les angles de dépouille ont compliqué la géométrie. Comme je ne prévois pas de les produire en masse, je ne me suis pas embêté à concevoir pour le moulage par injection et j'ai supposé l'impression 3D en utilisant le SLS (Selective Laser Sintering). C'est pourquoi mon pack de batteries s'ouvre différemment de l'original, offrant un meilleur accès à l'électronique et à la batterie, mais sacrifiant la capacité à être moulé par injection.

Aucun élément de fixation n'a été utilisé : 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, donc il n'y a aucun risque que le couvercle s'ouvre.

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

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

Pour le WPC/Qi, j'ai choisi 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 une charge 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 peuvent ne pas être optimales, mais qui dans ce cas (avec des exigences de faible puissance) offrent des performances acceptables. En d'autres termes, j'ai improvisé. Cela a été rendu quelque peu plus difficile par le fait que la documentation du bq51050B est décevante et pas vraiment à la hauteur des normes de TI.

La carte a également un port Micro-USB pour la charge filaire, un IC de contrôleur de charge (le populaire MCP73832), une paire de MOSFET agissant comme un interrupteur pour l'alimentation USB, un tas de protection ESD pour les terminaux exposés, et une thermistance discrète pour surveiller la température de la batterie, car de nombreux LiPos bon marché viennent sans thermistance ou avec une thermistance qui ne correspond pas à ce que l'IC de charge attend.

La conception d'un indicateur de batterie faible a été un défi intéressant. En supposant que la tension est une proxy pour la charge de la batterie (ce qui n'est pas entièrement vrai pour les cellules LiPo), comment mesurez-vous la tension sans consommer constamment de l'énergie et décharger la batterie dans le processus ? Gardez à l'esprit que notre budget énergétique pour cela est en nano-ampères : la consommation d'énergie au repos de l'ensemble du dispositif doit être inférieure à 1μA.

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

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

De plus, comment affichez-vous le résultat ? Vous ne pouvez pas allumer une LED, car cela consommerait rapidement l'énergie restante, peut-être même sans que personne ne regarde l'indicateur. Un bouton "vérification de la batterie" ? Peut-être, mais ces derniers compliquent considérablement la conception mécanique.

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

J'ai réalisé que la calculatrice a en fait 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 manière, vous pouvez toujours utiliser la calculatrice, mais vous voyez clairement que les piles doivent être remplacées.

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

Cela s'est avéré fonctionner assez bien en pratique, et le seuil de 2,1V 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 coupe la sortie juste en dessous de 3V, donc vous n'avez pas beaucoup de temps après que vos points s'allument.

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

En somme, 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 batteries. Je les place juste sur des tapis de charge de temps en temps. L'autonomie de la batterie est si bonne, qu'il suffit de faire cela une fois par mois ou quelque chose comme ça.

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

Jan Rychter (fondateur de PartsBox)

(Si vous avez apprécié la lecture de ceci et que vous travaillez avec l'électronique, veuillez consulter PartsBox — c'est un outil indispensable pour les entreprises, et c'est gratuit pour les Hobbyistes/Fabricants)