सप्ताहांत हैकिंग: HP-25 कैलकुलेटर के लिए वायरलेस चार्जिंग

या, 45 साल पुराने कैलकुलेटर को 21वीं सदी में लाना।

HP-25 अपने समय के लिए एक क्रांतिकारी कैलकुलेटर था। 1975 में पेश किया गया, यह पहला किफायती प्रोग्राम करने योग्य इंजीनियरिंग कैलकुलेटर था। जैसे-जैसे साल बीतते गए, अधिक कार्यक्षमता के साथ अधिक उन्नत मॉडल विकसित किए गए। लेकिन 25 ने सुविधाओं, आकार और उपयोग में आसानी के बीच विशेष रूप से अच्छा संतुलन बनाया।

आज हम एक बहुत ही अलग दुनिया में रहते हैं: हम सभी के पास कई शक्तिशाली कंप्यूटिंग डिवाइस हैं। कोई भी इंजीनियर आज कैलकुलेटर पर ग्राफ़िंग करने पर विचार भी नहीं करेगा: हमारे पास कंप्यूटर हैं जो इसे तेज़ी से और बेहतर तरीके से कर सकते हैं। बीजगणितीय जोड़-तोड़ या प्रतीकात्मक कंप्यूटिंग के लिए भी यही बात लागू होती है। हालाँकि, हमें अभी भी एक अच्छे इंजीनियरिंग कैलकुलेटर की आवश्यकता है — एक आसानी से सुलभ उपकरण जो सरल गणनाओं को जल्दी से कर सके और जिसमें कार्यों की सही संख्या हो।

यही कारण है कि HP-25 फिर से आकर्षक होता जा रहा है। यदि आप इलेक्ट्रॉनिक्स या मैकेनिकल डिज़ाइन के साथ काम करते हैं, तो आपको अक्सर वैज्ञानिक या इंजीनियरिंग नोटेशन के साथ काम करने और गणना करने की आवश्यकता होती है, जिसके लिए आपके फोन पर साधारण कैलकुलेटर ऐप्स बहुत सीमित हैं। साधारण कीस्ट्रोक-आधारित प्रोग्रामेबिलिटी का मतलब है कि आप कार्यों को जल्दी से स्वचालित कर सकते हैं: उदाहरण के लिए, मेरे पास अक्सर एक प्रोग्राम के रूप में दर्ज समानांतर प्रतिरोध सूत्र होता है, जो एक ही कीस्ट्रोक का उपयोग करके सुलभ होता है। दो प्रतिरोध दर्ज करें, R/S दबाएं और परिणाम प्राप्त करें। HP-25 को इंजीनियरों द्वारा, इंजीनियरों के लिए डिज़ाइन किया गया था, और जब आप इसका उपयोग करते हैं तो आप इसे महसूस करते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, यह आपकी हथेली में अच्छी तरह से फिट बैठता है और इसे एक हाथ से इस्तेमाल किया जा सकता है, जो कई अन्य उत्कृष्ट बाद के HP कैलकुलेटर (जैसे वोयाजर श्रृंखला: HP-11C और HP-15C) के लिए सच नहीं है।

मेरे पास जो HP-25 है, वह मेरे पिताजी ने मेरे जन्म के समय के आसपास खरीदा था। मुझे इसका उपयोग करने में हमेशा मज़ा आता था, लेकिन कैलकुलेटर की यह पूरी श्रृंखला (जिसे "Woodstock" कहा जाता है) बैटरी पैक डिज़ाइन द्वारा सीमित थी। मूल बैटरी पैक में दो सीलबंद NiCd सेल थे, जो स्पष्ट रूप से कई साल पहले खराब हो गए थे। अधिकांश लोगों ने अपने NiCd सेल को नए सेल से बदल दिया, फिर NiMh सेल से, या क्षारीय AA बैटरी से भी। यह हमेशा समस्याग्रस्त था: नई बैटरी थोड़ी बड़ी थीं और कभी भी अच्छी तरह से फिट नहीं हुईं। इसके अलावा, LED डिस्प्ले वाले कैलकुलेटर की बिजली की खपत महत्वपूर्ण थी, इसलिए बार-बार बैटरी बदलने की आवश्यकता होती थी।

HP-25 को एक "चार्जर" (वास्तव में सिर्फ एक ट्रांसफार्मर) के साथ भेजा गया था, लेकिन चार्जिंग सर्किट भयानक था: बिना लोड के चार्जर 10V AC की आपूर्ति करता था: कैलकुलेटर द्वारा संभाले जा सकने वाले वोल्टेज से अधिक, इस धारणा के साथ कि जुड़े NiCd बैटरी सेल वोल्टेज को क्लैंप कर देंगे। पूरे चार्जिंग सर्किट में एक डायोड और एक रेसिस्टर शामिल था! यदि आपके सेल उचित संपर्क नहीं बना रहे थे, या यदि आपने बैटरी पैक डाले बिना चार्जर कनेक्ट किया, तो आपका कैलकुलेटर खराब हो जाएगा।

मैंने फैसला किया कि मुझे अपने HP-25 को हर दिन उपयोग करने योग्य बनाने के लिए कुछ करना चाहिए। इसलिए, मैंने एक रिचार्जेबल बैटरी पैक डिजाइन करने का फैसला किया, जो मूल को बदल देता है, लेकिन एक आधुनिक Li-Po बैटरी का उपयोग करता है, और इसमें USB फ़ॉलबैक के साथ Qi/WPC वायरलेस चार्जिंग है।

मेरे पास अब एक आदर्श इंजीनियरिंग कैलकुलेटर है, जो 45 साल पुराना है और फिर भी Qi पावर पैड पर खुशी से बैठता है और रिचार्ज होता है। यदि मेरे पास पैड उपलब्ध नहीं है, तो मैं बैटरी पैक को हटा सकता हूं और इसे चार्ज करने के लिए साइड में माइक्रो-USB कनेक्टर का उपयोग कर सकता हूं। लेकिन जैसा कि पता चला, चार्जिंग की वास्तव में अक्सर आवश्यकता नहीं होती है - एक 900mAh LiPo मेरे उपयोग के साथ कई हफ्तों के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्रदान करता है।

डिजाइन की धारणाएं थीं:

• मूल बैटरी पैक को बदलना चाहिए
• कैलकुलेटर में कोई संशोधन नहीं
• WPC/Qi वायरलेस चार्जिंग
• वायर्ड चार्जिंग के लिए माइक्रो-USB कनेक्टर
• Li-Po बैटरी जो सामान्य उपयोग के कम से कम कई दिनों तक चलती है
• कम-बैटरी संकेतक

मैंने मूल बैटरी पैक का माप लेते हुए, Fusion 360 में बैटरी पैक एनक्लोजर को डिज़ाइन किया। यह सरल नहीं निकला: मूल पैक इंजेक्शन मोल्डिंग के लिए डिज़ाइन किया गया था, और ड्राफ्ट एंगल्स ने ज्यामिति को जटिल बना दिया। चूंकि मैं उनका बड़े पैमाने पर उत्पादन करने की योजना नहीं बना रहा हूं, इसलिए मैंने इंजेक्शन मोल्डिंग के लिए डिज़ाइन करने की जहमत नहीं उठाई और SLS (सेलेक्टिव लेजर सिंटरिंग) का उपयोग करके 3D प्रिंटिंग मान लिया। यही कारण है कि मेरा बैटरी पैक मूल से अलग तरह से खुलता है, जो इलेक्ट्रॉनिक्स और बैटरी तक बेहतर पहुंच प्रदान करता है, लेकिन इंजेक्शन-मोल्ड होने की क्षमता का त्याग करता है।

किसी भी फास्टनर का उपयोग नहीं किया गया था: कवर को जगह पर रखने के लिए एक साधारण स्प्रिंग क्लिप पर्याप्त है, और पैक का उपयोग कैलकुलेटर में अधिकांश समय किया जाता है, इसलिए कवर के खुलने का कोई जोखिम नहीं है।

कैलकुलेटर को सामान्य रूप से दो NiCd सेल द्वारा संचालित किया जाता था, जिनमें से प्रत्येक का वोल्टेज 1.2V होता है। मैंने 2.4V के बजाय 2.5V का उत्पादन करने का निर्णय लिया, यह मानते हुए कि अतिरिक्त 0.1V से कोई नुकसान नहीं होगा (आखिरकार, बहुत से लोग अपने कैलकुलेटर का उपयोग क्षारीय सेल के साथ कर रहे हैं, जिनका वोल्टेज 1.25V है), और बढ़ा हुआ वोल्टेज कैलकुलेटर में बूस्ट कन्वर्टर को थोड़ा अधिक कुशल बना देगा।

मैंने टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स (TPS62740) के आधुनिक लो-पावर बक कंट्रोलर में से एक का उपयोग करने का निर्णय लिया। इसके कम 360nA ऑपरेटिंग क्विसेंट करंट का मतलब था कि मुझे ऑन/ऑफ स्विच होने के बारे में चिंता करने की ज़रूरत नहीं होगी। कम क्विसेंट करंट वाले कंट्रोलर हैं (यहाँ तक कि 60nA तक!), लेकिन मैं प्रोग्राम करने योग्य वोल्टेज आउटपुट चाहता था — यह जानने के लिए आगे पढ़ें कि क्यों।

WPC/Qi के लिए, मैंने bq51050B (Texas Instruments) और Wuerth Elektronik की एक कॉइल का उपयोग किया। यह मेरे विचार से कहीं अधिक चुनौतीपूर्ण साबित हुआ: वायरलेस चार्जिंग वाले उपकरणों को डिज़ाइन करना कठिन है, इसके लिए कई प्रोटोटाइप और मापने वाले उपकरणों की आवश्यकता होती है जो मेरे पास नहीं हैं। अंत में, मैंने उन डिज़ाइन निर्णयों को चुना जो इष्टतम नहीं हो सकते हैं, लेकिन इस मामले में (कम बिजली आवश्यकताओं के साथ) स्वीकार्य प्रदर्शन प्रदान करते हैं। दूसरे शब्दों में, मैंने कामचलाऊ व्यवस्था की। यह इस तथ्य से कुछ अधिक कठिन हो गया था कि bq51050B दस्तावेज़ीकरण निराशाजनक है और वास्तव में TI के मानकों के अनुरूप नहीं है।

बोर्ड में वायर्ड चार्जिंग के लिए एक माइक्रो-USB पोर्ट, एक चार्जिंग कंट्रोलर IC (लोकप्रिय MCP73832), USB पावर के लिए स्विच के रूप में कार्य करने वाला एक MOSFET पेयर, उजागर टर्मिनलों के लिए ESD सुरक्षा का एक समूह, और बैटरी तापमान की निगरानी के लिए एक डिस्क्रीट थर्मिस्टर भी है, क्योंकि कई सस्ते LiPos बिना थर्मिस्टर के आते हैं या एक ऐसे के साथ आते हैं जो चार्जिंग IC की अपेक्षा से मेल नहीं खाता है।

लो-बैटरी इंडिकेटर डिज़ाइन करना एक दिलचस्प चुनौती थी। यह मानते हुए कि वोल्टेज बैटरी चार्ज के लिए एक प्रॉक्सी है (जो LiPo सेल के लिए पूरी तरह से सच नहीं है), आप लगातार बिजली खींचे बिना और प्रक्रिया में बैटरी को डिस्चार्ज किए बिना वोल्टेज को कैसे मापते हैं? ध्यान रखें कि इसके लिए हमारा पावर बजट नैनो-एम्प्स में है: पूरे डिवाइस का मौन (quiescent) पावर ड्रा 1μA से कम होना चाहिए।

चूंकि कूलम्ब-काउंटिंग IC डिवाइस बहुत महंगे हैं और आमतौर पर अमित्र BGA पैकेज में आते हैं, और यह भी क्योंकि मैं डिज़ाइन को अधिक जटिल नहीं बनाना चाहता था, मुझे कुछ सरल खोजना पड़ा।

एक माइक्रोकंट्रोलर-आधारित समाधान डिज़ाइन किया जा सकता था, लेकिन कई वर्षों में पहली बार मैं माइक्रोकंट्रोलर और सॉफ़्टवेयर के बिना एक उपकरण डिज़ाइन करना चाहता था।

इसके अलावा, आप परिणाम कैसे प्रदर्शित करते हैं? आप एक LED नहीं जला सकते, क्योंकि यह शेष ऊर्जा को जल्दी से खा जाएगा, संभवतः कोई संकेतक को देख भी नहीं रहा होगा। एक "बैटरी चेक" बटन? संभवतः, लेकिन ये यांत्रिक डिजाइन को काफी जटिल बनाते हैं।

इसमें थोड़ा समय लगा, लेकिन मैं एक समाधान लेकर आया।

मुझे एहसास हुआ कि कैलकुलेटर में वास्तव में एक अंतर्निहित कम-बैटरी संकेतक है। जब बैटरी वोल्टेज एक सीमा से नीचे गिर जाता है (जिसे मैंने 2.1V मापा), तो LED स्क्रीन उन सभी दशमलव बिंदुओं को रोशन करती है, सिवाय उस एक के जो सामान्य रूप से सक्रिय होना चाहिए। इस तरह से "उल्टे" दशमलव बिंदुओं के साथ, आप अभी भी कैलकुलेटर का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन आप स्पष्ट रूप से देखते हैं कि बैटरी को बदलने की आवश्यकता है।

तो, मैंने बैटरी वोल्टेज की निगरानी के लिए 250nA आपूर्ति करंट वाले वोल्टेज (रीसेट) सुपरवाइजर का उपयोग किया। यदि यह 3V से नीचे गिरता है, तो आउटपुट कम हो जाता है। वह आउटपुट TPS62740 बक रेगुलेटर पर वोल्टेज चयनकर्ता पिनों में से एक से जुड़ा है (यही कारण है कि मुझे एक प्रोग्राम करने योग्य वोल्टेज आउटपुट घटक की आवश्यकता थी) और इसके कारण यह 2.5V के बजाय 2.1V का उत्पादन शुरू कर देता है। दूसरे शब्दों में, बैटरी कम, दशमलव बिंदु LED जल उठते हैं, मिशन पूरा हुआ!

यह व्यवहार में काफी अच्छा काम करता है, और 2.1V थ्रेशोल्ड मेरे पास मौजूद सभी HP-25 इकाइयों के लिए काम करता है। एकमात्र सीमा यह है कि अधिकांश LiPo बैटरी के साथ, उनका सुरक्षा सर्किटरी आउटपुट को 3V से ठीक नीचे काट देगा, इसलिए आपके डॉट्स के जलने के बाद आपके पास ज्यादा समय नहीं होता है।

मेरे परीक्षणों से पता चला है कि 900mAh LiPo लगभग 10 घंटे के निरंतर उपयोग के लिए पर्याप्त है, इससे पहले कि कम-बैटरी संकेतक डॉट्स जलें, और उसके बाद 10-20 मिनट के लिए। मेरे लिए काफी अच्छा है!

कुल मिलाकर, मैं इस सप्ताहांत हैकिंग प्रोजेक्ट के परिणाम से बहुत खुश हूं: मेरे HP-25 कैलकुलेटर (हां, मेरे पास एक से अधिक हैं) फिर से उपयोगी हैं और मैं बैटरी की चिंता किए बिना हर दिन उनका उपयोग कर सकता हूं। मैं बस उन्हें समय-समय पर चार्जिंग पैड पर रखता हूं। बैटरी जीवन इतना अच्छा है कि महीने में एक बार ऐसा करना पर्याप्त है।

यदि आप इसके बारे में सोचते हैं, तो यह काफी आश्चर्यजनक है कि 45 साल पुराने कैलकुलेटर को 21वीं सदी की तकनीक की बदौलत नया जीवन मिला!

Jan Rychter (PartsBox संस्थापक)

(यदि आपको इसे पढ़ने में मज़ा आया और आप इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ काम करते हैं, तो कृपया PartsBox देखें — यह कंपनियों के लिए एक अनिवार्य उपकरण है, और यह शौकियों/निर्माताओं के लिए मुफ़्त है)