Hacking del fine settimana: ricarica wireless per una calcolatrice HP-25

O, portare una calcolatrice vecchia di 45 anni nel 21° secolo.

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

Oggi viviamo in un mondo molto diverso: tutti abbiamo più dispositivi di calcolo potenti. Nessun ingegnere considererebbe oggi di fare grafici su una calcolatrice: abbiamo computer che possono fare questo 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 di ingegneria - un dispositivo facilmente accessibile che può eseguire calcoli semplici rapidamente e che ha il giusto numero di funzioni.

Ecco perché l'HP-25 sta diventando di nuovo attraente. Se lavori con l'elettronica o il design meccanico, spesso devi lavorare con la notazione scientifica o ingegneristica e eseguire calcoli per i quali le semplici app di calcolo sul tuo telefono sono troppo limitate. La semplice programmabilità basata sui tasti significa che puoi automatizzare rapidamente le attività: ad esempio, spesso ho la formula della resistenza parallela inserita come programma, accessibile con un solo tasto. Inserisci due resistenze, premi R/S e ottieni il risultato. L'HP-25 è stato progettato da ingegneri, per ingegneri, e lo senti quando lo usi. Importante, si adatta bene al palmo della tua mano e può essere usato con una sola mano, cosa che non è vera per molti calcolatori HP altrimenti eccellenti successivi (come la serie Voyager: HP-11C e HP-15C).

L'HP-25 che ho è stato comprato da mio padre, all'incirca quando sono nato. Mi è sempre piaciuto usarlo, ma tutta questa serie di calcolatrici (soprannominata "Woodstock") era limitata dal design del pacchetto di batterie. Il pacchetto di batterie originale conteneva due celle NiCd sigillate, che ovviamente hanno fallito molti anni fa. La maggior parte delle persone ha sostituito le loro celle NiCd con nuove, poi con celle NiMh, o addirittura con 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 un display a LED era significativo, quindi erano necessarie frequenti sostituzioni delle batterie.

L'HP-25 veniva spedito 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 l'ipotesi che le celle NiCd collegate avrebbero limitato la tensione. L'intero circuito di ricarica consisteva in un diodo e una resistenza! Se le tue celle non facevano un buon contatto, o se collegavi un caricabatterie senza il pacco batteria inserito, la tua calcolatrice sarebbe stata rovinata.

Ho deciso che dovevo fare qualcosa per rendere la mia HP-25 utilizzabile ogni giorno. Così, ho iniziato a progettare un pacchetto di batterie ricaricabili, 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 si ricarica felicemente su un pad di alimentazione Qi. Se non ho a disposizione un pad, posso rimuovere il pacchetto batteria e utilizzare il connettore micro-USB sul lato per caricarlo. Ma come si è scoperto, la ricarica non è effettivamente necessaria così spesso - una LiPo da 900mAh fornisce energia sufficiente per molte settimane con il mio utilizzo.

Le ipotesi di progettazione erano:

• Dovrebbe sostituire il pacchetto 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 pacchetto di batterie in Fusion 360, prendendo le misure del pacchetto di batterie originale. Questo si è rivelato non essere semplice: il pacchetto originale era progettato per lo stampaggio a iniezione, e gli angoli di sformo complicavano la geometria. Dal momento che non ho intenzione di produrli in serie, non mi sono preoccupato di progettare per lo stampaggio a iniezione e ho supposto la stampa 3D utilizzando SLS (Sinterizzazione Laser Selettiva). Questo è il motivo per cui il mio pacchetto di batterie 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 fissaggi: una semplice clip a molla è sufficiente per tenere il coperchio in posizione, e il pacco viene utilizzato nella calcolatrice 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 l'0,1V aggiuntivo non avrebbe danneggiato nulla (dopotutto, molte persone hanno usato le loro calcolatrici con celle alcaline, che hanno una tensione di 1,25V), e la tensione aumentata avrebbe reso il convertitore boost nella calcolatrice leggermente più efficiente.

Ho deciso di utilizzare uno dei moderni controller buck a basso consumo di Texas Instruments (TPS62740). Il suo basso corrente di quiescenza operativa di 360nA significava che non avrei dovuto preoccuparmi di avere un interruttore on/off. Ci sono controller con corrente di quiescenza inferiore (anche fino a 60nA!), ma volevo avere un'uscita di tensione programmabile - continua a leggere per sapere perché.

Per WPC/Qi, ho scelto 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 misura che non ho. Alla fine, ho preso decisioni di progettazione che potrebbero non essere ottimali, ma in questo caso (con bassi requisiti di potenza) forniscono prestazioni accettabili. In altre parole, l'ho improvvisato. Questo è stato reso un po' più difficile dal fatto che la documentazione del bq51050B è deludente e non è davvero all'altezza degli standard di TI.

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

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

Poiché i dispositivi IC di conteggio dei coulomb sono troppo costosi e di solito vengono in pacchetti BGA non amichevoli, e anche perché non volevo complicare troppo il progetto, ho dovuto trovare qualcosa di più semplice.

Potrebbe essere progettata una soluzione basata su microcontrollore, ma per la prima volta in molti anni volevo progettare un dispositivo senza un microcontrollore e un software.

Inoltre, come si visualizza il risultato? Non puoi accendere un LED, poiché questo consumerebbe rapidamente l'energia rimanente, possibilmente senza che nessuno guardi l'indicatore. Un pulsante "controllo batteria"? Possibile, ma questi complicano notevolmente il design meccanico.

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

Ho capito che la calcolatrice ha effettivamente un indicatore di batteria scarica incorporato. Quando la tensione della batteria scende sotto una soglia (che ho misurato essere 2,1V), lo schermo LED illumina tutti i punti decimali, tranne quello che dovrebbe normalmente essere attivo. Con i punti decimali "invertiti" in questo modo, è possibile utilizzare ancora la calcolatrice, ma si vede 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 diventa 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 interromperà 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 utilizzo continuo, prima che si accendano i punti dell'indicatore di batteria scarica, e per 10-20 minuti dopo. Abbastanza buono per me!

Tutto sommato, sono molto contento del risultato di questo progetto di hacking del fine settimana: i miei calcolatori HP-25 (sì, ne ho più di uno) sono di nuovo utili e posso usarli tutti i giorni senza preoccuparmi delle batterie. Li metto semplicemente su pad di ricarica di tanto in tanto. L'autonomia della batteria è così buona, che farlo una volta al mese o giù di lì è sufficiente.

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

Jan Rychter (fondatore di PartsBox)

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