Peretasan akhir pekan: pengisian daya 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 teknik yang dapat diprogram pertama yang terjangkau. Seiring berjalannya waktu, model yang lebih canggih dikembangkan dengan fungsionalitas yang lebih banyak. Namun, seri 25 memberikan 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 untuk membuat 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. Namun, yang masih kita butuhkan adalah kalkulator teknik yang baik — perangkat yang mudah diakses yang dapat melakukan perhitungan sederhana dengan cepat dan memiliki jumlah fungsi yang tepat.

Inilah mengapa HP-25 menjadi menarik kembali. Jika Anda bekerja dengan desain elektronik atau mekanik, Anda sering perlu bekerja dengan notasi ilmiah atau teknik dan melakukan perhitungan yang mana aplikasi kalkulator sederhana di ponsel Anda terlalu terbatas. Kemampuan pemrograman berbasis penekanan tombol yang sederhana berarti Anda dapat dengan cepat mengotomatiskan tugas: misalnya, saya sering memasukkan rumus resistansi paralel sebagai program, yang dapat diakses menggunakan satu penekanan tombol. Masukkan dua resistansi, tekan R/S dan dapatkan hasilnya. HP-25 dirancang oleh insinyur, untuk insinyur, dan Anda merasakannya saat menggunakannya. Yang terpenting, kalkulator ini pas di telapak tangan Anda dan dapat digunakan dengan satu tangan, yang tidak berlaku untuk banyak kalkulator HP yang sangat baik lainnya (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 tertutup, yang jelas sudah rusak bertahun-tahun yang lalu. Kebanyakan orang mengganti sel NiCd mereka dengan yang baru, kemudian dengan sel NiMh, atau bahkan baterai AA alkaline. Ini selalu bermasalah: baterai yang lebih baru sedikit lebih besar dan tidak pernah pas dengan baik. Selain itu, konsumsi daya kalkulator dengan layar LED cukup signifikan, sehingga penggantian baterai yang sering diperlukan.

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

Saya memutuskan harus melakukan sesuatu agar HP-25 saya dapat digunakan setiap hari. Jadi, saya mulai merancang paket baterai isi 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 namun duduk dengan gembira di atas bantalan daya Qi dan mengisi ulang. Jika saya tidak memiliki bantalan yang tersedia, saya dapat melepas paket baterai dan menggunakan konektor micro-USB di samping untuk mengisinya. Namun ternyata, pengisian daya sebenarnya tidak terlalu sering dibutuhkan — LiPo 900mAh menyediakan energi yang cukup untuk berminggu-minggu dengan penggunaan saya.

Asumsi desain adalah:

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

Saya merancang penutup paket baterai di Fusion 360, mengambil pengukuran dari paket baterai asli. Ternyata itu tidak sederhana: paket asli dirancang untuk pencetakan injeksi, dan sudut kemiringan (draft angles) memperumit geometri. Karena saya tidak berencana untuk memproduksi massal, saya tidak repot-repot mendesain untuk pencetakan injeksi dan berasumsi menggunakan pencetakan 3D menggunakan SLS (Selective Laser Sintering). Inilah sebabnya mengapa paket baterai saya terbuka secara 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 baterai digunakan di dalam kalkulator hampir sepanjang 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 (lagipula, banyak orang telah menggunakan kalkulator mereka dengan sel alkalin, yang memiliki tegangan 1,25V), dan peningkatan tegangan 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 diam operasinya yang rendah sebesar 360nA berarti saya tidak perlu khawatir tentang memiliki sakelar on/off. Ada pengontrol dengan arus diam yang lebih rendah (bahkan hingga 60nA!), tetapi saya ingin memiliki output tegangan yang dapat diprogram — baca terus untuk mengetahui alasannya.

Untuk WPC/Qi, saya memilih bq51050B (Texas Instruments) dan koil dari Wuerth Elektronik. Ini terbukti jauh lebih menantang daripada yang saya kira: merancang perangkat dengan pengisian nirkabel itu sulit, memerlukan banyak prototipe dan peralatan pengukuran yang tidak saya miliki. Pada akhirnya, saya memilih keputusan desain yang mungkin tidak optimal, tetapi dalam kasus ini (dengan kebutuhan daya rendah) memberikan kinerja yang dapat diterima. Dengan kata lain, saya mengimprovisasinya. Ini menjadi agak lebih sulit karena fakta bahwa dokumentasi bq51050B mengecewakan dan tidak benar-benar sesuai dengan standar TI.

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

Merancang indikator baterai lemah adalah tantangan yang menarik. Dengan asumsi bahwa tegangan adalah proksi untuk pengisian baterai (yang tidak sepenuhnya benar untuk sel LiPo), bagaimana Anda mengukur tegangan tanpa menarik daya secara konstan dan menghabiskan baterai dalam prosesnya? Ingatlah bahwa anggaran daya kami untuk ini adalah dalam nano-ampere: penarikan daya diam dari seluruh perangkat harus di bawah 1μA.

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

Solusi berbasis mikrokontroler dapat dirancang, tetapi untuk pertama kalinya dalam bertahun-tahun saya ingin merancang perangkat tanpa mikrokontroler dan perangkat lunak.

Juga, bagaimana Anda menampilkan hasilnya? Anda tidak dapat menyalakan LED, karena itu akan dengan cepat memakan energi yang tersisa, mungkin tanpa ada yang melihat indikatornya. Tombol "periksa baterai"? Mungkin, tetapi ini memperumit desain mekanis secara signifikan.

Butuh beberapa saat, tetapi saya berhasil menemukan solusinya.

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

Jadi, saya menggunakan supervisor tegangan (reset) dengan arus suplai 250nA untuk memantau tegangan baterai. Jika turun di bawah 3V, output menjadi rendah. Output itu terhubung ke salah satu pin pemilih tegangan pada regulator buck TPS62740 (inilah sebabnya saya membutuhkan komponen output tegangan yang dapat diprogram) dan menyebabkannya mulai memproduksi 2,1V alih-alih 2,5V. Dengan kata lain, baterai lemah, LED titik desimal menyala, misi tercapai!

Ternyata ini bekerja cukup baik dalam praktiknya, dan ambang batas 2.1V bekerja untuk semua unit HP-25 yang saya miliki. Satu-satunya batasan adalah bahwa dengan sebagian besar baterai LiPo, sirkuit perlindungannya akan memutus output tepat di bawah 3V, jadi Anda tidak punya banyak waktu setelah titik-titik Anda menyala.

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

Secara keseluruhan, saya sangat senang dengan hasil proyek peretasan akhir pekan ini: kalkulator HP-25 saya (ya, saya punya lebih dari satu) berguna lagi dan saya dapat menggunakannya setiap hari tanpa khawatir tentang baterai. Saya hanya menempatkannya di bantalan pengisi daya dari waktu ke waktu. Masa pakai baterai sangat baik, sehingga melakukan ini sebulan sekali atau lebih sudah cukup.

Jika dipikir-pikir, 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 periksa PartsBox — ini adalah alat yang sangat diperlukan bagi perusahaan, dan gratis untuk Penghobi/Pembuat)