HP-25電卓をワイヤレス充電で復活

あるいは、45年前の電卓を21世紀に持ち込む。

HP-25は、その時代に革新的な計算機でした。1975年に導入され、それは最初の手頃な価格のプログラム可能なエンジニアリング計算機でした。年が経つにつれて、より高度なモデルが開発され、より多くの機能が付加されました。しかし、25は特に機能、サイズ、使いやすさの間で良いバランスを打ち出しました。

今日、私たちは非常に異なる世界に生きています：私たち全員が複数の強力な計算デバイスを持っています。今日では、エンジニアが計算機でグラフを作成することさえ考えません：私たちはこれをより速く、より良く行うことができるコンピューターを持っています。同様に、代数的な操作や記号計算についてもそうです。しかし、私たちがまだ必要としているのは、良いエンジニアリング計算機です - 簡単な計算を迅速に行い、ちょうど適切な数の機能を持つ容易にアクセス可能なデバイス。

これがHP-25が再び魅力的になっている理由です。電子工学や機械設計を行っている場合、科学的または工学的表記を使用して計算を行う必要があり、そのためには携帯電話のシンプルな電卓アプリでは限界があります。シンプルなキーストロークベースのプログラム可能性は、タスクを素早く自動化できることを意味します：例えば、私はしばしば並列抵抗の公式をプログラムとして入力し、一つのキーストロークでアクセスできます。二つの抵抗を入力し、R/Sを押すと結果が出ます。HP-25はエンジニアによって、エンジニアのために設計されました、そしてそれを使用するときにそれを感じます。重要なことに、それはあなたの手のひらによくフィットし、一方の手だけで使用することができます、これは多くのそれ以外に優れた後のHP電卓（Voyagerシリーズ：HP-11CとHP-15Cなど）には当てはまりません。

私が持っているHP-25は、私が生まれた頃に父が買ったものです。私はそれを使うのがいつも楽しかったですが、この一連の計算機（"ウッドストック"と呼ばれる）はバッテリーパックの設計によって制限されていました。元のバッテリーパックには2つの密封されたNiCdセルが含まれていましたが、それらは明らかに何年も前に故障しました。ほとんどの人々はNiCdセルを新しいものに交換し、その後NiMhセルやアルカリAA電池に交換しました。これは常に問題でした：新しいバッテリーは少し大きく、うまくフィットしませんでした。また、LEDディスプレイを持つ計算機の消費電力は大きいため、頻繁にバッテリーの交換が必要でした。

HP-25は「充電器」（実際にはただのトランス）と一緒に出荷されましたが、充電回路はひどかった：充電器は負荷なしで10V ACを供給しました。これは、計算機が処理できるよりも高い電圧で、接続されたNiCdバッテリーセルが電圧をクランプするという前提でした。充電回路全体はダイオードと抵抗器から成っていました！セルが適切に接触していない場合、またはバッテリーパックが挿入されていない状態で充電器を接続した場合、計算機は焼けてしまいます。

私は毎日HP-25を使えるようにするために何かをするべきだと決めました。そこで、私は現代のLi-Poバッテリーを使用し、Qi/WPCワイヤレス充電とUSBフォールバックを備えた充電可能なバッテリーパックを設計することにしました。

私は今、45年前の完璧なエンジニアリング計算機を持っていますが、それはQiパワーパッドにしっかりと座って充電します。パッドが利用できない場合は、バッテリーパックを取り外して側面のマイクロUSBコネクタを使用して充電できます。しかし、結果として、充電は実際にはそれほど頻繁に必要ではありません - 900mAhのLiPoは、私の使用量で数週間分のエネルギーを提供します。

設計の前提条件は次のとおりでした：

元のバッテリーパックを交換するべき
計算機自体には変更を加えない
WPC/Qiワイヤレス充電
マイクロUSBコネクターで有線充電
通常使用で少なくとも数日間持つLi-Poバッテリー
低電池インジケーター

私は元のバッテリーパックの寸法を測定してFusion 360でバッテリーパックのエンクロージャを設計しました。それは簡単なことではありませんでした：元のパックはインジェクション成形用に設計されており、ドラフト角が幾何学を複雑にしていました。私はこれらを大量生産する予定はないので、インジェクション成形用に設計することには手間をかけず、SLS（選択的レーザー焼結）を使用した3Dプリントを想定しました。これが私のバッテリーパックが元のものとは異なる方法で開く理由であり、電子機器とバッテリーへのアクセスが良好ですが、インジェクション成形の可能性を犠牲にしています。

ファスナーは使用されていません：単純なバネクリップでカバーを固定するだけで十分で、ほとんどの場合、パックは計算機で使用されるため、カバーが開くリスクはありません。

この電卓は通常、それぞれ1.2Vのニッケルカドミウム電池2個で動力を供給されていました。私は2.4Vではなく2.5Vを生成することにしました。追加の0.1Vが何も傷つけないと仮定しました（結局のところ、多くの人々が1.25Vのアルカリ電池で電卓を使用していました）。そして、電圧を上げることで、電卓のブーストコンバーターがわずかに効率的になると考えました。

私はテキサス・インスツルメンツの現代の低消費電力バックコントローラー（TPS62740）の1つを使用することにしました。その低い360nAの動作待機電流は、私がオン/オフスイッチを心配する必要がないことを意味しました。より低い待機電流（60nAまで！）を持つコントローラーもありますが、私はプログラム可能な電圧出力を持つことを望んでいました - なぜなのかを読み進めてください。

WPC/Qiには、bq51050B（テキサス・インスツルメンツ）とWuerth Elektronikのコイルを選びました。これは思ったよりもはるかに難しく、ワイヤレス充電機能を持つデバイスの設計は難しく、私が持っていない複数のプロトタイプと測定機器が必要です。最終的には、最適ではないかもしれない設計決定を行いましたが、このケース（低電力要件）では、許容範囲の性能を提供します。言い換えれば、私はそれを即興で行いました。これは、bq51050Bのドキュメンテーションが期待外れで、TIの基準には達していないという事実により、やや困難になりました。

ボードには、有線充電用のMicro-USBポート、充電コントローラIC（人気のMCP73832）、USB電源のスイッチとして機能するMOSFETペア、露出した端子のESD保護、そして多くの安価なLiPosがサーモスタットを持たないか、充電ICが期待するものと一致しないサーモスタットを持つため、バッテリー温度を監視するための離散型サーモスタットがあります。

低電池インジケーターの設計は興味深い課題でした。電圧がバッテリーの充電量の代理であると仮定すると（これはLiPoセルには完全には当てはまりません）、電力を常に消費してバッテリーを放電することなく、どのようにして電圧を測定しますか？私たちの電力予算はナノアンペアの範囲にあります：デバイス全体の静止電力消費は1μA以下であるべきです。

クーロン計数ICデバイスは非常に高価で、通常は取り扱いが難しいBGAパッケージになっているため、また、設計を過度に複雑にしたくなかったため、もっとシンプルなものを見つける必要がありました。

マイクロコントローラベースのソリューションを設計することもできますが、多年にわたり初めて、マイクロコントローラとソフトウェアなしのデバイスを設計したいと思いました。

また、結果をどのように表示しますか？LEDを点灯させることはできません。なぜなら、それは残りのエネルギーをすぐに消費し、誰もインジケータを見ていない可能性があるからです。"バッテリーチェック"ボタンはどうでしょうか？可能性はありますが、これらは機械設計を大幅に複雑にします。

しばらく時間がかかりましたが、解決策を見つけることができました。

私は、計算機には実際に内蔵された低電池インジケーターがあることに気づきました。電池電圧が閾値（私が2.1Vと測定した）以下になると、LED画面はすべての小数点を点灯させます、ただし通常アクティブであるべきものを除きます。小数点がこのように"反転"していると、計算機はまだ使用できますが、明らかに電池の交換が必要であることがわかります。

そこで、私はバッテリー電圧を監視するために、供給電流が250nAの電圧（リセット）監視器を使用しました。それが3V以下になると、出力が低くなります。その出力はTPS62740バックレギュレータの電圧セレクタピンの一つに接続されています（これがプログラム可能な電圧出力部品が必要だった理由です）そして、それが2.5Vではなく2.1Vを生成するようになります。つまり、バッテリーが低下すると、10進数のドットLEDが点灯し、ミッションが達成されます！