무선 충전으로 HP-25 계산기를 되살리기

또는, 45년 된 계산기를 21세기로 가져오기.

HP-25는 당시에 혁신적인 계산기였습니다. 1975년에 소개된 이 계산기는 가장 처음으로 저렴한 프로그래밍 가능 엔지니어링 계산기였습니다. 연도가 지나면서 더 많은 기능을 갖춘 더 고급 모델이 개발되었습니다. 그러나 25는 기능, 크기, 사용 편의성 사이에서 특히 좋은 균형을 이루었습니다.

오늘 우리는 매우 다른 세상에서 살고 있습니다: 우리 모두는 여러 강력한 컴퓨팅 장치를 가지고 있습니다. 오늘날 어떤 엔지니어도 계산기에서 그래프를 그리는 것을 고려하지 않을 것입니다: 우리는 이것을 더 빠르고 더 잘 할 수 있는 컴퓨터를 가지고 있습니다. 대수적 조작이나 기호 계산에 대해서도 마찬가지입니다. 그러나 우리가 여전히 필요로 하는 것은 좋은 엔지니어링 계산기입니다 — 간단한 계산을 빠르게 수행할 수 있고 딱 맞는 수의 기능을 가진 쉽게 접근할 수 있는 장치입니다.

이것이 HP-25가 다시 인기를 얻고 있는 이유입니다. 전자제품이나 기계 설계 작업을 하면 종종 과학적 또는 엔지니어링 표기법을 사용하고 단순한 계산기 앱으로는 제한된 계산을 수행해야 하는 경우가 많습니다. 간단한 키 입력 기반 프로그래밍 기능은 작업을 빠르게 자동화할 수 있습니다: 예를 들어, 저는 종종 병렬 저항 공식을 프로그램으로 입력하고, 한 번의 키 입력으로 접근합니다. 두 개의 저항을 입력하고 R/S를 누르면 결과가 나옵니다. HP-25는 엔지니어에 의해 설계되었으며, 사용할 때 그것을 느낄 수 있습니다. 중요한 것은, 그것이 손바닥에 잘 맞고 한 손으로 사용할 수 있으며, 이것은 많은 나중의 HP 계산기(예: Voyager 시리즈: HP-11C 및 HP-15C)에는 해당되지 않습니다.

나는 가지고 있는 HP-25는 나가 태어날 때쯤 아버지가 샀습니다. 나는 항상 그것을 사용하는 것을 즐겼지만, 이 계산기 시리즈 전체('Woodstock'라고 불림)는 배터리 팩 디자인에 제한되었습니다. 원래의 배터리 팩은 두 개의 밀봉된 NiCd 셀을 포함하고 있었는데, 이는 명백히 몇 년 전에 실패했습니다. 대부분의 사람들은 NiCd 셀을 새 것으로 교체한 다음 NiMh 셀이나 심지어 알카라인 AA 배터리로 교체했습니다. 이는 항상 문제였습니다: 새로운 배터리는 약간 더 크고 잘 맞지 않았습니다. 또한, LED 디스플레이가 있는 계산기의 전력 소비는 상당히 크므로, 자주 배터리를 교체해야 했습니다.

HP-25는 "충전기" (실제로는 변압기)와 함께 출하되었지만, 충전 회로는 끔찍했습니다: 부하 없는 충전기는 10V AC를 공급했습니다. 계산기가 처리할 수 있는 것보다 높은 전압으로, NiCd 배터리 셀이 전압을 클램프할 것이라는 가정하에 제공되었습니다. 전체 충전 회로는 다이오드와 저항으로 구성되었습니다! 당신의 셀이 제대로 접촉하지 않았거나, 배터리 팩이 삽입되지 않은 상태에서 충전기를 연결하면, 당신의 계산기는 토스트가 될 것입니다.

나는 내 HP-25를 매일 사용할 수 있도록 무언가를 해야 한다고 결정했습니다. 그래서, 나는 원래의 것을 대체하지만, 현대의 Li-Po 배터리를 사용하고, USB 후퇴와 함께 Qi/WPC 무선 충전이 있는 충전 가능한 배터리 팩을 설계하려고 했습니다.

나는 이제 완벽한 엔지니어링 계산기를 가지고 있습니다. 이것은 45년 된 것이지만, Qi 전원 패드에 행복하게 앉아서 충전합니다. 패드가 없는 경우, 배터리 팩을 제거하고 측면에 있는 마이크로 USB 커넥터를 사용하여 충전할 수 있습니다. 하지만 결과적으로, 충전은 실제로 그렇게 자주 필요하지 않았습니다 - 900mAh LiPo는 내 사용량으로 몇 주 동안 충분한 에너지를 제공합니다.

설계 가정은 다음과 같습니다:

원래의 배터리 팩을 교체해야 함
- 계산기 자체에 수정 없음
- WPC/Qi 무선 충전
- 유선 충전을 위한 Micro-USB 커넥터
- 일반적인 사용으로 최소 며칠 동안 지속되는 Li-Po 배터리
- 저전력 표시기

나는 Fusion 360에서 원래 배터리 팩의 측정치를 가지고 배터리 팩 케이스를 설계했습니다. 그것은 간단한 일이 아니었습니다: 원래 팩은 사출 성형을 위해 설계되었고, 초안 각도가 기하학을 복잡하게 만들었습니다. 나는 그것들을 대량 생산할 계획이 없기 때문에, 사출 성형을 위한 설계에 신경 쓰지 않고 SLS(Selective Laser Sintering)를 사용한 3D 프린팅을 가정했습니다. 이것이 내 배터리 팩이 원래 것과 다르게 열리는 이유입니다. 이것은 전자제품과 배터리에 더 나은 접근을 제공하지만, 사출 성형 가능성을 희생합니다.

고정 장치를 사용하지 않았습니다: 간단한 스프링 클립만으로 커버를 고정하는 데 충분하며, 대부분의 경우 계산기에서 팩을 사용하므로 커버가 열릴 위험이 없습니다.

계산기는 일반적으로 1.2V의 전압을 가진 두 개의 NiCd 셀로 구동되었습니다. 나는 2.4V 대신 2.5V를 생산하기로 결정했는데, 추가 0.1V가 아무 것도 해치지 않을 것이라고 가정했고 (결국 많은 사람들이 1.25V의 전압을 가진 알카라인 셀로 계산기를 사용해 왔습니다), 증가된 전압은 계산기의 부스트 컨버터를 약간 더 효율적으로 만들 것이라고 생각했습니다.

나는 텍사스 인스트루먼트의 현대적인 저전력 버크 컨트롤러 중 하나인 TPS62740를 사용하기로 결정했습니다. 그것의 낮은 360nA 운영 휴지 전류는 나에게 켜고 끄는 스위치에 대해 걱정할 필요가 없음을 의미했습니다. 휴지 전류가 더 낮은 컨트롤러가 있지만(60nA까지!), 나는 프로그래밍 가능한 전압 출력을 가지고 싶었습니다 — 왜 그런지 알아보려면 계속 읽어보세요.

WPC/Qi의 경우, bq51050B (Texas Instruments)와 Wuerth Elektronik의 코일을 선택했습니다. 이것은 생각보다 훨씬 더 도전적이었습니다: 무선 충전 기능이 있는 장치를 설계하는 것은 어렵고, 여러 프로토타입과 측정 장비가 필요합니다. 결국, 최적이 아닐 수 있는 설계 결정을 내렸지만, 이 경우 (저전력 요구 사항)에서는 허용 가능한 성능을 제공합니다. 다시 말해, 나는 그것을 대충 했습니다. 이것은 bq51050B 문서가 실망스럽고 TI의 표준에 맞지 않다는 사실로 인해 약간 더 어려워졌습니다.

보드에는 유선 충전을 위한 마이크로 USB 포트, 충전 컨트롤러 IC(인기 있는 MCP73832), USB 전원을 위한 스위치 역할을 하는 MOSFET 쌍, 노출된 단자에 대한 ESD 보호, 그리고 많은 저렴한 LiPos가 온도 센서를 가지지 않거나 충전 IC가 예상하는 것과 일치하지 않는 온도 센서를 가지고 있기 때문에 배터리 온도를 모니터링하는 별도의 온도 센서가 있습니다.

저전력 표시기를 설계하는 것은 흥미로운 도전이었습니다. 전압이 배터리 충전의 대리인이라고 가정하면 (LiPo 셀에는 완전히 맞지 않습니다), 전력을 계속 그리고 배터리를 방전하는 과정 없이 어떻게 전압을 측정할 수 있을까요? 우리의 전력 예산은 나노암페어에 있습니다: 전체 장치의 휴면 전력 소모는 1μA 이하여야 합니다.

쿨롱 계수 IC 장치들이 너무 비싸고 일반적으로 친숙하지 않은 BGA 패키지에 들어 있기 때문에, 그리고 나는 디자인을 과도하게 복잡하게 만들고 싶지 않았기 때문에, 나는 더 간단한 것을 찾아야 했습니다.

마이크로컨트롤러 기반 솔루션을 설계할 수 있지만, 여러 해 동안 처음으로 마이크로컨트롤러와 소프트웨어 없이 장치를 설계하고 싶었습니다.

또한, 결과를 어떻게 표시해야 할까요? LED를 켤 수는 없습니다, 그렇게 하면 남아 있는 에너지를 빠르게 소모하게 되며, 아무도 지시자를 보지 않을 수도 있습니다. "배터리 체크" 버튼? 가능성이 있지만, 이들은 기계 설계를 상당히 복잡하게 만듭니다.

조금 걸렸지만, 해결책을 찾았습니다.

계산기에 실제로 저전력 표시기가 내장되어 있다는 것을 알게 되었습니다. 배터리 전압이 임계값(저는 2.1V로 측정했습니다) 아래로 떨어지면, LED 화면에 모든 소수점이 켜집니다, 단, 원래 활성화되어야 할 것을 제외하고요. 소수점이 이렇게 '반전'되면, 계산기를 계속 사용할 수 있지만, 배터리를 교체해야 한다는 것을 명확하게 알 수 있습니다.

그래서 나는 250nA 공급 전류를 가진 전압 (리셋) 감시자를 사용하여 배터리 전압을 모니터링했습니다. 만약 그것이 3V 아래로 떨어지면, 출력이 낮아집니다. 그 출력은 TPS62740 버크 레귤레이터의 전압 선택 핀 중 하나에 연결되어 있습니다(이것이 프로그래밍 가능한 전압 출력 부품이 필요했던 이유입니다) 그리고 그것은 2.5V 대신 2.1V를 생성하기 시작합니다. 다시 말해서, 배터리가 낮으면, 소수점 LED가 켜지고, 임무가 완료됩니다!

이것은 실제로 잘 작동했고, 2.1V 임계값은 내가 가진 모든 HP-25 단위에 적용되었습니다. 유일한 제한 사항은 대부분의 LiPo 배터리의 경우, 보호 회로가 출력을 3V 아래로 차단하므로, 점이 켜진 후에는 시간이 많지 않습니다.

내 테스트 결과, 900mAh LiPo는 저전력 표시등이 켜지기 전까지 약 10시간 동안 지속적으로 사용할 수 있었고, 그 후에도 10-20분 동안 사용할 수 있었습니다. 나에게는 충분했습니다!

결국, 이번 주말 해킹 프로젝트의 결과에 매우 만족합니다: 내 HP-25 계산기들(네, 나는 하나 이상 가지고 있습니다)이 다시 유용해졌고, 배터리에 대해 걱정하지 않고 매일 사용할 수 있습니다. 나는 그들을 가끔 충전 패드에 놓습니다. 배터리 수명이 너무 좋아서, 이것을 한 달에 한 번 정도만 하면 충분합니다.