HP-25電卓をワイヤレス充電で復活させる

あるいは、45年前の電卓を21世紀に蘇らせることも。

HP-25は、当時としては画期的な電卓でした。1975年に導入されたこの製品は、最初の安価なプログラム可能な技術計算用電卓でした。年月が経つにつれて、より多くの機能を備えたより高度なモデルが開発されました。しかし、25は機能、サイズ、使いやすさのバランスが特に優れていました。

今日、私たちは非常に異なる世界に住んでいます。私たちは皆、複数の強力なコンピューティングデバイスを持っています。今日、電卓でグラフ作成を行うことを検討するエンジニアはいません。私たちには、これをより速く、より良く実行できるコンピュータがあります。代数操作や数式処理についても同様です。しかし、私たちが依然として必要としているのは、優れた工学用電卓です。つまり、単純な計算を迅速に実行でき、ちょうど良い数の機能を備えた、簡単にアクセスできるデバイスです。

これが、HP-25が再び魅力的になっている理由です。電子機器や機械設計の仕事をしていると、科学的または工学的な表記法を扱ったり、スマートフォンの単純な電卓アプリでは機能が不足するような計算を行ったりする必要が頻繁にあります。シンプルなキーストロークベースのプログラミング機能により、タスクを素早く自動化できます。例えば、私は並列抵抗の公式をプログラムとして入力しており、1回のキーストロークで呼び出せるようにしています。2つの抵抗値を入力し、R/Sを押すだけで結果が得られます。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ており、使用するとそれを実感できます。重要なのは、手のひらに収まり片手で操作できることです。これは、その後の優れたHP電卓（Voyagerシリーズ：HP-11CやHP-15Cなど）の多くには当てはまらない点です。

私が持っているHP-25は、私が生まれた頃に父が購入したものです。私はいつもそれを使うのを楽しんでいましたが、この一連の電卓（「ウッドストック」と呼ばれていました）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。オリジナルのバッテリーパックには2つの密閉型ニカド電池が含まれていましたが、当然のことながら何年も前に故障しました。ほとんどの人はニカド電池を新しいものに交換し、その後ニッケル水素電池、あるいはアルカリ単3電池に交換しました。これは常に問題がありました。新しい電池はわずかに大きく、うまく収まりませんでした。また、LEDディスプレイを備えた電卓の消費電力は大きく、頻繁な電池交換が必要でした。

HP-25には「充電器」（実際には単なるトランス）が同梱されていましたが、充電回路はひどいものでした。負荷のない充電器は10V ACを供給しました。これは、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、電卓が処理できるよりも高い電圧でした。充電回路全体はダイオードと抵抗だけで構成されていました！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を挿入せずに充電器を接続した場合、電卓は壊れてしまいます。

私はHP-25を毎日使えるようにするために何かすべきだと判断しました。そこで、オリジナルのバッテリーパックを置き換える充電式バッテリーパックの設計に着手しました。これは最新のLi-Poバッテリーを使用し、USBフォールバック付きのQi/WPCワイヤレス充電を備えています。

私は今、45年前のものなのにQiパワーパッドの上に置くと充電される、完璧なエンジニアリング電卓を持っています。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、実際には充電はそれほど頻繁には必要ないことがわかりました。900mAhのLiPoは、私の使用状況では何週間も十分なエネルギーを供給します。

設計の前提条件は以下の通りでした：

元のバッテリーパックと交換可能であること
電卓自体への改造は不要であること
WPC/Qiワイヤレス充電
有線充電用のMicro-USBコネクタ
通常の使用で少なくとも数日間持続するLi-Poバッテリー
バッテリー残量低下インジケーター

私はFusion 360でバッテリーパックの筐体を設計し、元のバッテリーパックの寸法を測定しました。しかし、それは簡単ではありませんでした。元のパックは射出成形用に設計されており、抜き勾配が形状を複雑にしていたからです。私はこれらを大量生産する予定はないため、射出成形用の設計にはこだわらず、SLS（選択的レーザー焼結法）を使用した3Dプリントを想定しました。そのため、私のバッテリーパックは元のものとは異なる開き方をし、電子部品やバッテリーへのアクセスは良くなっていますが、射出成形できる能力は犠牲になっています。

留め具は使用されませんでした。カバーを所定の位置に保持するには単純なスプリングクリップで十分であり、パックはほとんどの時間電卓内で使用されるため、カバーが開くリスクはありません。

電卓は通常、それぞれ1.2Vの電圧を持つ2つのニッカド電池で駆動されていました。私は2.4Vの代わりに2.5Vを生成することにしました。追加の0.1Vは何の害もないだろうと想定し（結局のところ、多くの人々は1.25Vの電圧を持つアルカリ電池で電卓を使用しています）、電圧が高くなれば電卓内の昇圧コンバータの効率がわずかに向上するだろうと考えたからです。

私はTexas Instruments社の最新の低電力降圧コントローラ（TPS62740）の1つを使用することにしました。その360nAという低い動作静止電流は、オン/オフスイッチについて心配する必要がないことを意味しました。さらに低い静止電流（60nAまで！）のコントローラもありますが、私はプログラム可能な電圧出力を求めていました。その理由は読み進めてください。

WPC/Qiについては、bq51050B (Texas Instruments) とWuerth Elektronikのコイルを採用しました。これは思ったよりもはるかに困難であることが判明しました。ワイヤレス充電を備えたデバイスの設計は難しく、複数のプロトタイプと私が持っていない測定機器が必要です。結局、最適ではないかもしれないが、この場合（低電力要件）では許容できる性能を提供する設計上の決定を行いました。言い換えれば、即興でやりました。bq51050Bのドキュメントが期待外れで、TIの基準に達していないという事実が、これをさらに難しくしました。

このボードには、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、露出した端子用の多数のESD保護、そしてバッテリー温度を監視するためのディスクリートサーミスタも搭載されています。これは、多くの安価なLiPoバッテリーにはサーミスタが付いていないか、充電ICが期待するものと一致しないサーミスタが付いているためです。

バッテリー残量低下インジケーターの設計は興味深い課題でした。電圧がバッテリー充電量の代用になると仮定した場合（LiPoセルでは完全に真実ではありませんが）、電力を常に消費してその過程でバッテリーを放電させることなく、どのように電圧を測定すればよいでしょうか？このための電力予算はナノアンペア単位であることを忘れないでください。デバイス全体の静止時消費電力は1μA未満である必要があります。

クーロンカウントICデバイスはあまりにも高価で、通常は扱いにくいBGAパッケージで提供されており、また設計を過度に複雑にしたくなかったため、もっと単純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したが、長年ぶりにマイクロコントローラとソフトウェアを使用しない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。残りのエネルギーを急速に消費してしまい、誰もインジケーターを見ていない可能性さえあるからです。「バッテリーチェック」ボタン？可能ですが、これらは機械設計を大幅に複雑にします。

時間がかかりましたが、解決策を思いつきました。

電卓には実際にバッテリー低下インジケーターが組み込まれていることに気づきました。バッテリー電圧がしきい値（私が測定したところ2.1V）を下回ると、LED画面のすべての小数点ドットが点灯しますが、通常アクティブであるべきドットは除かれます。このように小数点ドットが「反転」した状態でも電卓を使用することはできますが、バッテリー交換が必要であることがはっきりとわかります。

そこで、バッテリー電圧を監視するために、250nAの供給電流を持つ電圧（リセット）スーパーバイザを使用しました。電圧が3Vを下回ると、出力がLowになります。その出力はTPS62740降圧レギュレータの電圧セレクタピンの1つに接続されており（これがプログラム可能な電圧出力パーツが必要だった理由です）、2.5Vの代わりに2.1Vの生成を開始させます。つまり、バッテリー残量低下、小数点LED点灯、ミッション完了です！