Akhir pekan hacking: pengisian nirkabel untuk kalkulator HP-25

Atau, membawa kalkulator berusia 45 tahun ke abad ke-21.

HP-25 adalah kalkulator revolusioner pada masanya. Diperkenalkan pada tahun 1975, ini adalah kalkulator rekayasa yang dapat diprogram pertama yang terjangkau. Seiring berlalunya waktu, model yang lebih canggih dikembangkan dengan lebih banyak fungsi. Tapi 25 mencapai keseimbangan yang sangat baik antara fitur, ukuran, dan kemudahan penggunaan.

Hari ini kita hidup di dunia yang sangat berbeda: kita semua memiliki beberapa perangkat komputasi yang kuat. Tidak ada insinyur yang akan mempertimbangkan melakukan grafik pada kalkulator hari ini: kita memiliki komputer yang dapat melakukan ini lebih cepat dan lebih baik. Demikian pula untuk manipulasi aljabar atau komputasi simbolik. Yang kita butuhkan, bagaimanapun, adalah kalkulator rekayasa yang baik — perangkat yang mudah diakses yang dapat melakukan perhitungan sederhana dengan cepat dan yang memiliki jumlah fungsi yang tepat.

Inilah sebabnya mengapa HP-25 menjadi menarik lagi. Jika Anda bekerja dengan elektronik atau desain mekanik, Anda sering perlu bekerja dengan notasi ilmiah atau teknik dan melakukan perhitungan yang terlalu terbatas untuk aplikasi kalkulator sederhana di ponsel Anda. Programabilitas berbasis tombol yang sederhana berarti Anda dapat dengan cepat mengotomatiskan tugas: misalnya, saya sering memiliki rumus resistansi paralel dimasukkan sebagai program, dapat diakses menggunakan satu tombol. Masukkan dua resistansi, tekan R/S dan dapatkan hasilnya. HP-25 dirancang oleh insinyur, untuk insinyur, dan Anda merasakannya saat Anda menggunakannya. Yang penting, itu pas di telapak tangan Anda dan dapat digunakan dengan satu tangan, yang tidak benar untuk banyak kalkulator HP lainnya yang sangat baik (seperti seri Voyager: HP-11C dan HP-15C).

HP-25 yang saya miliki dibeli oleh Ayah saya, sekitar waktu saya lahir. Saya selalu menikmati menggunakannya, tetapi seluruh seri kalkulator ini (dijuluki "Woodstock") dibatasi oleh desain paket baterai. Paket baterai asli berisi dua sel NiCd yang disegel, yang jelas gagal bertahun-tahun yang lalu. Kebanyakan orang mengganti sel NiCd mereka dengan yang baru, kemudian dengan sel NiMh, atau bahkan baterai AA alkalin. Ini selalu bermasalah: baterai yang lebih baru sedikit lebih besar dan tidak pernah pas dengan baik. Juga, konsumsi daya kalkulator dengan tampilan LED signifikan, sehingga penggantian baterai sering diperlukan.

HP-25 dikirim dengan "pengisi daya" (hanya transformator), tetapi sirkuit pengisian sangat buruk: pengisi daya tanpa beban menyediakan 10V AC: tegangan yang lebih tinggi dari yang dapat ditangani kalkulator, dengan asumsi bahwa sel baterai NiCd akan mengapit tegangan. Seluruh sirkuit pengisian terdiri dari dioda dan resistor! Jika sel Anda tidak melakukan kontak yang tepat, atau jika Anda menghubungkan pengisi daya tanpa memasukkan paket baterai, kalkulator Anda akan rusak.

Saya memutuskan saya harus melakukan sesuatu untuk membuat HP-25 saya dapat digunakan setiap hari. Jadi, saya mulai merancang paket baterai yang dapat diisi ulang, yang menggantikan yang asli, tetapi menggunakan baterai Li-Po modern, dan memiliki pengisian nirkabel Qi/WPC dengan cadangan USB.

Saya sekarang memiliki kalkulator teknik yang sempurna, yang berusia 45 tahun dan masih dengan senang hati diletakkan di atas bantalan daya Qi dan diisi ulang. Jika saya tidak memiliki bantalan tersedia, saya dapat melepas paket baterai dan menggunakan konektor micro-USB di sisi untuk mengisi ulangnya. Tapi ternyata, pengisian sebenarnya tidak terlalu sering dibutuhkan — baterai LiPo 900mAh menyediakan energi yang cukup untuk banyak minggu dengan penggunaan saya.

Asumsi desain adalah:

• Harus menggantikan paket baterai asli
• Tidak ada modifikasi pada kalkulator itu sendiri
• Pengisian nirkabel WPC/Qi
• Konektor Micro-USB untuk pengisian kabel
• Baterai Li-Po bertahan setidaknya beberapa hari penggunaan normal
• Indikator baterai rendah

Saya merancang wadah baterai di Fusion 360, mengambil ukuran dari paket baterai asli. Ternyata itu tidak sederhana: paket asli dirancang untuk cetakan injeksi, dan sudut kemiringan mempersulit geometri. Karena saya tidak berencana untuk memproduksi massal, saya tidak repot-repot merancang untuk cetakan injeksi dan mengasumsikan pencetakan 3D menggunakan SLS (Selective Laser Sintering). Inilah sebabnya mengapa paket baterai saya terbuka berbeda dari yang asli, memberikan akses yang lebih baik ke elektronik dan baterai, tetapi mengorbankan kemampuan untuk dicetak injeksi.

Tidak ada pengencang yang digunakan: klip pegas sederhana sudah cukup untuk menahan penutup di tempatnya, dan paket digunakan di kalkulator sebagian besar waktu, jadi tidak ada risiko penutup terbuka.

Kalkulator biasanya ditenagai oleh dua sel NiCd, yang masing-masing memiliki tegangan 1,2V. Saya memutuskan untuk menghasilkan 2,5V alih-alih 2,4V, dengan asumsi bahwa tambahan 0,1V tidak akan merusak apa pun (lagi pula, banyak orang telah menggunakan kalkulator mereka dengan sel alkalin, yang memiliki tegangan 1,25V), dan tegangan yang meningkat akan membuat konverter boost di kalkulator sedikit lebih efisien.

Saya memutuskan untuk menggunakan salah satu pengontrol buck berdaya rendah modern dari Texas Instruments (TPS62740). Arus quiescent operasional rendahnya sebesar 360nA berarti bahwa saya tidak perlu khawatir tentang memiliki sakelar on/off. Ada pengontrol dengan arus quiescent lebih rendah (bahkan hingga 60nA!), tetapi saya ingin memiliki keluaran tegangan yang dapat diprogram — baca terus untuk mengetahui mengapa.

Untuk WPC/Qi, saya memilih bq51050B (Texas Instruments) dan kumparan dari Wuerth Elektronik. Ini terbukti jauh lebih menantang dari yang saya pikirkan: merancang perangkat dengan pengisian nirkabel sulit, memerlukan beberapa prototipe dan peralatan pengukuran yang saya tidak miliki. Pada akhirnya, saya mengambil keputusan desain yang mungkin tidak optimal, tapi dalam kasus ini (dengan kebutuhan daya rendah) memberikan kinerja yang dapat diterima. Dengan kata lain, saya mengambil risiko. Ini dibuat agak lebih sulit oleh fakta bahwa dokumentasi bq51050B mengecewakan dan tidak benar-benar memenuhi standar TI.

Papan juga memiliki port Micro-USB untuk pengisian daya kabel, IC pengontrol pengisian (MCP73832 yang populer), sepasang MOSFET yang berfungsi sebagai saklar untuk daya USB, sejumlah perlindungan ESD untuk terminal yang terpapar, dan termistor diskrit untuk memantau suhu baterai, karena banyak LiPo murah datang tanpa termistor atau dengan satu yang tidak sesuai dengan yang diharapkan IC pengisian.

Merancang indikator baterai rendah adalah tantangan yang menarik. Dengan asumsi bahwa tegangan adalah proksi untuk muatan baterai (yang tidak sepenuhnya benar untuk sel LiPo), bagaimana Anda mengukur tegangan tanpa menarik daya terus-menerus dan mengosongkan baterai dalam prosesnya? Perlu diingat bahwa anggaran daya kami untuk ini adalah dalam nano-ampere: daya diam keseluruhan perangkat harus di bawah 1μA.

Karena perangkat IC penghitung coulomb terlalu mahal dan biasanya hadir dalam paket BGA yang tidak ramah, dan juga karena saya tidak ingin membuat desain terlalu rumit, saya harus menemukan sesuatu yang lebih sederhana.

Solusi berbasis mikrokontroler bisa dirancang, tetapi untuk pertama kalinya dalam banyak tahun saya ingin merancang perangkat tanpa mikrokontroler dan perangkat lunak.

Juga, bagaimana Anda menampilkan hasilnya? Anda tidak bisa menyalakan LED, karena itu akan cepat menghabiskan energi yang tersisa, mungkin tanpa ada yang melihat indikator. Tombol 'periksa baterai'? Mungkin, tetapi ini secara signifikan mempersulit desain mekanis.

Membutuhkan waktu, tapi saya akhirnya menemukan solusi.

Saya menyadari bahwa kalkulator sebenarnya memiliki indikator baterai lemah yang terintegrasi. Ketika tegangan baterai turun di bawah ambang batas (yang saya ukur menjadi 2.1V), layar LED menyalakan semua titik desimal, kecuali yang seharusnya aktif. Dengan titik desimal "terbalik" seperti ini, Anda masih dapat menggunakan kalkulator, tetapi Anda jelas melihat bahwa baterai perlu diganti.

Jadi, saya menggunakan pengawas tegangan (reset) dengan arus pasokan 250nA untuk memantau tegangan baterai. Jika turun di bawah 3V, keluarannya menjadi rendah. Keluaran tersebut terhubung ke salah satu pin pemilih tegangan pada regulator buck TPS62740 (inilah mengapa saya membutuhkan bagian keluaran tegangan yang dapat diprogram) dan menyebabkannya mulai menghasilkan 2.1V alih-alih 2.5V. Dengan kata lain, baterai rendah, LED titik desimal menyala, misi tercapai!

Ini ternyata bekerja cukup baik dalam praktik, dan ambang batas 2.1V bekerja untuk semua unit HP-25 yang saya miliki. Satu-satunya keterbatasan adalah bahwa dengan sebagian besar baterai LiPo, sirkuit perlindungan mereka akan memutus keluaran tepat di bawah 3V, jadi Anda tidak memiliki banyak waktu setelah titik-titik Anda menyala.

Tes saya menunjukkan bahwa LiPo 900mAh cukup untuk sekitar 10 jam penggunaan terus menerus, sebelum titik indikator baterai rendah menyala, dan selama 10-20 menit setelahnya. Cukup baik untuk saya!

Secara keseluruhan, saya sangat puas dengan hasil proyek hacking akhir pekan ini: kalkulator HP-25 saya (ya, saya memiliki lebih dari satu) kembali berguna dan saya dapat menggunakannya setiap hari tanpa khawatir tentang baterai. Saya hanya menempatkannya di pad pengisian dari waktu ke waktu. Umur baterai sangat baik, sehingga melakukan ini sekali sebulan atau lebih sudah cukup.

Jika Anda memikirkannya, sungguh menakjubkan bahwa kalkulator berusia 45 tahun mendapatkan kehidupan baru berkat teknologi abad ke-21!

Jan Rychter (pendiri PartsBox)

(Jika Anda menikmati membaca ini dan Anda bekerja dengan elektronik, silakan cek PartsBox — ini adalah alat yang sangat penting untuk perusahaan, dan gratis untuk Hobbyist/Maker)