Hacking del weekend: ricarica wireless per una calcolatrice HP-25

Oppure, portare una calcolatrice di 45 anni fa nel 21° secolo.

La HP-25 è stata una calcolatrice rivoluzionaria per il suo tempo. Introdotta nel 1975, è stata la prima calcolatrice ingegneristica programmabile a prezzi accessibili. Con il passare degli anni, sono stati sviluppati modelli più avanzati con maggiori funzionalità. Ma la 25 ha raggiunto un equilibrio particolarmente buono tra caratteristiche, dimensioni e facilità d'uso.

Oggi viviamo in un mondo molto diverso: abbiamo tutti molteplici potenti dispositivi di calcolo. Nessun ingegnere prenderebbe nemmeno in considerazione l'idea di fare grafici su una calcolatrice oggi: abbiamo computer che possono farlo più velocemente e meglio. Allo stesso modo per le manipolazioni algebriche o il calcolo simbolico. Ciò di cui abbiamo ancora bisogno, tuttavia, è una buona calcolatrice ingegneristica — un dispositivo facilmente accessibile che possa eseguire calcoli semplici rapidamente e che abbia il giusto numero di funzioni.

Ecco perché l'HP-25 sta diventando di nuovo attraente. Se lavori con l'elettronica o la progettazione meccanica, spesso hai bisogno di lavorare con la notazione scientifica o ingegneristica ed eseguire calcoli per i quali le semplici app calcolatrice sul tuo telefono sono troppo limitate. La semplice programmabilità basata su tasti significa che puoi automatizzare rapidamente le attività: ad esempio, ho spesso la formula della resistenza parallela inserita come programma, accessibile usando un singolo tasto. Inserisci due resistenze, premi R/S e ottieni il risultato. L'HP-25 è stata progettata da ingegneri, per ingegneri, e lo senti quando la usi. È importante sottolineare che si adatta bene al palmo della mano e può essere utilizzata con una sola mano, il che non è vero per molte calcolatrici HP successive altrimenti eccellenti (come la serie Voyager: HP-11C e HP-15C).

L'HP-25 che possiedo è stato acquistato da mio padre, più o meno quando sono nato. Mi è sempre piaciuto usarlo, ma l'intera serie di calcolatrici (soprannominata "Woodstock") era limitata dal design del pacco batteria. Il pacco batteria originale conteneva due celle NiCd sigillate, che ovviamente si sono guastate molti anni fa. La maggior parte delle persone ha sostituito le celle NiCd con nuove, poi con celle NiMh o persino batterie alcaline AA. Questo è sempre stato problematico: le batterie più recenti erano leggermente più grandi e non si adattavano mai bene. Inoltre, il consumo energetico di una calcolatrice con display a LED era significativo, quindi erano necessarie frequenti sostituzioni delle batterie.

L'HP-25 veniva spedita con un "caricabatterie" (in realtà solo un trasformatore), ma il circuito di ricarica era terribile: il caricabatterie senza carico forniva 10V AC: una tensione superiore a quella che la calcolatrice poteva gestire, con il presupposto che le celle della batteria NiCd collegate avrebbero bloccato la tensione. L'intero circuito di ricarica consisteva in un diodo e una resistenza! Se le celle non facevano contatto correttamente, o se si collegava un caricabatterie senza il pacco batteria inserito, la calcolatrice sarebbe stata fritta.

Ho deciso che avrei dovuto fare qualcosa per rendere la mia HP-25 utilizzabile ogni giorno. Così, ho deciso di progettare un pacco batteria ricaricabile, che sostituisce quello originale, ma utilizza una moderna batteria Li-Po e ha la ricarica wireless Qi/WPC con un fallback USB.

Ora ho la calcolatrice ingegneristica perfetta, che ha 45 anni eppure siede felicemente su un pad di alimentazione Qi e si ricarica. Se non ho un pad disponibile, posso rimuovere il pacco batteria e usare il connettore micro-USB sul lato per caricarla. Ma come si è scoperto, la ricarica non è in realtà necessaria così spesso: una LiPo da 900mAh fornisce abbastanza energia per molte settimane con il mio utilizzo.

Le ipotesi di progettazione erano:

• Dovrebbe sostituire il pacco batteria originale
• Nessuna modifica alla calcolatrice stessa
• Ricarica wireless WPC/Qi
• Connettore Micro-USB per la ricarica cablata
• Batteria Li-Po che dura almeno diversi giorni di uso normale
• Indicatore di batteria scarica

Ho progettato l'involucro del pacco batteria in Fusion 360, prendendo le misure del pacco batteria originale. Non è stato semplice: il pacco originale era progettato per lo stampaggio a iniezione e gli angoli di spoglia complicavano la geometria. Dato che non prevedo di produrli in serie, non mi sono preoccupato di progettare per lo stampaggio a iniezione e ho ipotizzato la stampa 3D utilizzando SLS (Sinterizzazione Laser Selettiva). Questo è il motivo per cui il mio pacco batteria si apre in modo diverso da quello originale, fornendo un migliore accesso all'elettronica e alla batteria, ma sacrificando la capacità di essere stampato a iniezione.

Non sono stati utilizzati elementi di fissaggio: una semplice clip a molla è sufficiente per tenere il coperchio in posizione, e il pacco viene utilizzato nella calcolatrice per la maggior parte del tempo comunque, quindi non c'è rischio che il coperchio si apra.

La calcolatrice era normalmente alimentata da due celle NiCd, che hanno una tensione di 1,2V ciascuna. Ho deciso di produrre 2,5V invece di 2,4V, supponendo che gli 0,1V aggiuntivi non avrebbero fatto male a nulla (dopo tutto, molte persone hanno usato le loro calcolatrici con celle alcaline, che hanno una tensione di 1,25V), e l'aumento di tensione avrebbe reso il convertitore boost nella calcolatrice leggermente più efficiente.

Ho deciso di usare uno dei moderni controller buck a bassa potenza di Texas Instruments (TPS62740). La sua bassa corrente di riposo operativa di 360nA significava che non avrei dovuto preoccuparmi di avere un interruttore on/off. Ci sono controller con corrente di riposo inferiore (anche fino a 60nA!), ma volevo avere un'uscita di tensione programmabile — continua a leggere per scoprire perché.

Per WPC/Qi, ho scelto il bq51050B (Texas Instruments) e una bobina di Wuerth Elektronik. Questo si è rivelato molto più impegnativo di quanto pensassi: progettare dispositivi con ricarica wireless è difficile, richiede più prototipi e attrezzature di misurazione che non possiedo. Alla fine, ho optato per decisioni di progettazione che potrebbero non essere ottimali, ma in questo caso (con bassi requisiti di potenza) forniscono prestazioni accettabili. In altre parole, ho improvvisato. Questo è stato reso un po' più difficile dal fatto che la documentazione del bq51050B è deludente e non proprio all'altezza degli standard di TI.

La scheda ha anche una porta Micro-USB per la ricarica cablata, un circuito integrato controller di ricarica (il popolare MCP73832), una coppia di MOSFET che agisce come interruttore per l'alimentazione USB, un mucchio di protezioni ESD per i terminali esposti e un termistore discreto per monitorare la temperatura della batteria, poiché molte LiPo economiche arrivano senza termistore o con uno che non corrisponde a quello che si aspetta il circuito integrato di ricarica.

Progettare un indicatore di batteria scarica è stata una sfida interessante. Supponendo che la tensione sia un indicatore della carica della batteria (il che non è del tutto vero per le celle LiPo), come si misura la tensione senza assorbire costantemente energia e scaricare la batteria nel processo? Tieni presente che il nostro budget energetico per questo è in nano-ampere: l'assorbimento di potenza a riposo dell'intero dispositivo dovrebbe essere inferiore a 1μA.

Poiché i dispositivi IC per il conteggio dei coulomb sono troppo costosi e di solito vengono forniti in package BGA poco amichevoli, e anche perché non volevo complicare eccessivamente il design, ho dovuto trovare qualcosa di più semplice.

Si sarebbe potuta progettare una soluzione basata su microcontrollore, ma per la prima volta in molti anni volevo progettare un dispositivo senza un microcontrollore e software.

Inoltre, come visualizzi il risultato? Non puoi accendere un LED, poiché ciò consumerebbe rapidamente l'energia rimanente, possibilmente senza che nessuno guardi nemmeno l'indicatore. Un pulsante "controllo batteria"? Possibile, ma questi complicano significativamente la progettazione meccanica.

Ci è voluto un po', ma ho trovato una soluzione.

Ho capito che la calcolatrice ha effettivamente un indicatore di batteria scarica integrato. Quando la tensione della batteria scende al di sotto di una soglia (che ho misurato essere 2,1V), lo schermo LED accende tutti i punti decimali, tranne quello che dovrebbe essere normalmente attivo. Con i punti decimali "invertiti" in questo modo, puoi ancora usare la calcolatrice, ma vedi chiaramente che le batterie devono essere sostituite.

Quindi, ho usato un supervisore di tensione (reset) con una corrente di alimentazione di 250nA per monitorare la tensione della batteria. Se scende sotto i 3V, l'uscita va bassa. Quell'uscita è collegata a uno dei pin del selettore di tensione sul regolatore buck TPS62740 (questo è il motivo per cui avevo bisogno di un componente con uscita di tensione programmabile) e lo fa iniziare a produrre 2,1V invece di 2,5V. In altre parole, batteria scarica, i LED del punto decimale si accendono, missione compiuta!

Questo si è rivelato funzionare abbastanza bene nella pratica, e la soglia di 2.1V ha funzionato per tutte le unità HP-25 che avevo. L'unica limitazione è che con la maggior parte delle batterie LiPo, il loro circuito di protezione taglierà l'uscita appena sotto i 3V, quindi non hai molto tempo dopo che i tuoi punti si accendono.

I miei test hanno mostrato che la LiPo da 900mAh è sufficiente per circa 10 ore di uso continuo, prima che si accendano i punti indicatori di batteria scarica, e per 10-20 minuti dopo. Abbastanza buono per me!

Tutto sommato, sono molto soddisfatto del risultato di questo progetto di hacking del fine settimana: le mie calcolatrici HP-25 (sì, ne ho più di una) sono di nuovo utili e posso usarle ogni giorno senza preoccuparmi delle batterie. Le metto semplicemente sui pad di ricarica di tanto in tanto. La durata della batteria è così buona che farlo una volta al mese circa è sufficiente.

Se ci pensi, è piuttosto sorprendente che una calcolatrice di 45 anni abbia avuto una nuova vita grazie alla tecnologia del 21° secolo!

Jan Rychter (fondatore di PartsBox)

(Se ti è piaciuto leggere questo e lavori con l'elettronica, dai un'occhiata a PartsBox — è uno strumento indispensabile per le aziende, ed è gratuito per Hobbisti/Maker)