무선 충전으로 HP-25 계산기 되살리기

또는 45년 된 계산기를 21세기로 가져오는 것.

HP-25는 당시 혁신적인 계산기였습니다. 1975년에 출시된 이 제품은 최초의 저렴한 프로그래밍 가능 공학용 계산기였습니다. 세월이 흐르면서 더 많은 기능을 갖춘 고급 모델이 개발되었습니다. 하지만 25 모델은 기능, 크기 및 사용 편의성 사이에서 특히 좋은 균형을 이루었습니다.

오늘날 우리는 매우 다른 세상에 살고 있습니다. 우리 모두는 여러 대의 강력한 컴퓨팅 장치를 가지고 있습니다. 오늘날 어떤 엔지니어도 계산기로 그래프를 그리는 것을 고려하지 않을 것입니다. 우리에게는 더 빠르고 더 잘 수행할 수 있는 컴퓨터가 있기 때문입니다. 대수 조작이나 기호 컴퓨팅도 마찬가지입니다. 하지만 여전히 필요한 것은 좋은 공학용 계산기입니다. 즉, 간단한 계산을 빠르게 수행할 수 있고 딱 적당한 수의 기능을 갖춘 쉽게 접근할 수 있는 장치입니다.

이것이 HP-25가 다시 매력적으로 다가오는 이유입니다. 전자 또는 기계 설계를 다루는 경우, 과학적 또는 공학적 표기법으로 작업하고 휴대폰의 단순한 계산기 앱으로는 너무 제한적인 계산을 수행해야 할 때가 많습니다. 간단한 키 입력 기반의 프로그래밍 기능 덕분에 작업을 빠르게 자동화할 수 있습니다. 예를 들어, 저는 병렬 저항 공식을 프로그램으로 입력해 두고 단 한 번의 키 입력으로 사용하곤 합니다. 두 개의 저항 값을 입력하고 R/S를 누르면 결과가 나옵니다. HP-25는 엔지니어가 엔지니어를 위해 설계했으며, 사용할 때 그 느낌을 받을 수 있습니다. 중요한 점은 손바닥에 딱 맞고 한 손으로 사용할 수 있다는 것인데, 이는 나중에 나온 훌륭한 HP 계산기들(Voyager 시리즈: HP-11C 및 HP-15C 등) 중 다수에는 해당되지 않는 장점입니다.

제가 가지고 있는 HP-25는 제가 태어날 무렵 아버지가 구입하신 것입니다. 저는 항상 그것을 사용하는 것을 즐겼지만, 이 계산기 시리즈 전체("Woodstock"이라고 불림)는 배터리 팩 설계에 의해 제한되었습니다. 원래 배터리 팩에는 두 개의 밀봉된 NiCd 셀이 들어 있었는데, 당연히 오래전에 고장 났습니다. 대부분의 사람들은 NiCd 셀을 새 것으로 교체한 다음 NiMh 셀이나 알카라인 AA 배터리로 교체했습니다. 이것은 항상 문제가 되었습니다. 최신 배터리는 약간 더 커서 잘 맞지 않았습니다. 또한 LED 디스플레이가 있는 계산기의 전력 소비가 상당했기 때문에 배터리를 자주 교체해야 했습니다.

HP-25는 "충전기"(실제로는 변압기에 불과함)와 함께 배송되었지만 충전 회로는 끔찍했습니다. 부하가 없는 충전기는 10V AC를 공급했는데, 이는 연결된 NiCd 배터리 셀이 전압을 클램핑할 것이라는 가정하에 계산기가 처리할 수 있는 것보다 높은 전압이었습니다. 전체 충전 회로는 다이오드 하나와 저항 하나로 구성되었습니다! 셀이 제대로 접촉되지 않거나 배터리 팩을 삽입하지 않고 충전기를 연결하면 계산기가 타버릴 수 있었습니다.

저는 제 HP-25를 매일 사용할 수 있도록 무언가 해야겠다고 결심했습니다. 그래서 원래 배터리 팩을 대체하지만 최신 Li-Po 배터리를 사용하고 USB 폴백 기능이 있는 Qi/WPC 무선 충전 기능을 갖춘 충전식 배터리 팩을 설계하기 시작했습니다.

저는 이제 45년이 되었지만 Qi 전원 패드 위에 행복하게 앉아 충전되는 완벽한 공학용 계산기를 갖게 되었습니다. 패드를 사용할 수 없는 경우 배터리 팩을 제거하고 측면의 마이크로 USB 커넥터를 사용하여 충전할 수 있습니다. 하지만 실제로는 충전이 그렇게 자주 필요하지 않은 것으로 밝혀졌습니다. 900mAh LiPo는 제 사용량으로는 몇 주 동안 충분한 에너지를 제공합니다.

설계 가정은 다음과 같습니다:

원래 배터리 팩을 교체해야 함
계산기 자체에 대한 수정 없음
WPC/Qi 무선 충전
유선 충전을 위한 Micro-USB 커넥터
일반적인 사용 시 최소 며칠 동안 지속되는 Li-Po 배터리
배터리 부족 표시기

저는 원래 배터리 팩의 치수를 측정하여 Fusion 360에서 배터리 팩 인클로저를 설계했습니다. 하지만 그 과정은 간단하지 않았습니다. 원래 팩은 사출 성형용으로 설계되었고, 구배 각도(draft angles)로 인해 형상이 복잡했습니다. 저는 이것들을 대량 생산할 계획이 없었기 때문에 사출 성형을 위한 설계를 신경 쓰지 않고 SLS(선택적 레이저 소결)를 이용한 3D 프린팅을 가정했습니다. 이것이 제 배터리 팩이 원래 것과 다르게 열리는 이유이며, 전자 부품과 배터리에 더 쉽게 접근할 수 있지만 사출 성형이 불가능하다는 단점이 있습니다.

패스너는 사용되지 않았습니다. 간단한 스프링 클립만으로도 커버를 제자리에 고정하기에 충분하며, 팩은 어차피 대부분의 시간 동안 계산기 안에서 사용되므로 커버가 열릴 위험이 없습니다.

계산기는 일반적으로 각각 1.2V 전압을 가진 두 개의 NiCd 전지로 구동되었습니다. 저는 2.4V 대신 2.5V를 생산하기로 결정했는데, 추가 0.1V가 아무런 해를 끼치지 않을 것이라고 가정했고(어쨌든 많은 사람들이 1.25V 전압을 가진 알카라인 전지로 계산기를 사용해 왔습니다), 전압이 높아지면 계산기의 부스트 컨버터 효율이 약간 더 높아질 것이기 때문입니다.

저는 Texas Instruments의 최신 저전력 벅 컨트롤러 중 하나(TPS62740)를 사용하기로 결정했습니다. 360nA의 낮은 작동 대기 전류 덕분에 온/오프 스위치에 대해 걱정할 필요가 없었습니다. 더 낮은 대기 전류를 가진 컨트롤러도 있지만(심지어 60nA까지!), 저는 프로그래밍 가능한 전압 출력을 원했습니다 — 그 이유는 계속 읽어보세요.

WPC/Qi의 경우 bq51050B(Texas Instruments)와 Wuerth Elektronik의 코일을 사용했습니다. 이것은 생각보다 훨씬 더 어려웠습니다. 무선 충전 장치를 설계하는 것은 어렵고 여러 프로토타입과 제가 가지고 있지 않은 측정 장비가 필요합니다. 결국 저는 최적은 아닐지라도 이 경우(저전력 요구 사항)에는 허용 가능한 성능을 제공하는 설계 결정을 내렸습니다. 즉, 임기응변으로 처리했습니다. bq51050B 문서가 실망스럽고 TI의 표준에 미치지 못한다는 사실 때문에 다소 더 어려웠습니다.

이 보드에는 유선 충전을 위한 Micro-USB 포트, 충전 컨트롤러 IC(인기 있는 MCP73832), USB 전원 스위치 역할을 하는 MOSFET 쌍, 노출된 단자를 위한 다수의 ESD 보호 장치, 그리고 배터리 온도를 모니터링하기 위한 개별 서미스터가 있습니다. 많은 저가형 LiPo 배터리에는 서미스터가 없거나 충전 IC가 예상하는 것과 일치하지 않는 서미스터가 있기 때문입니다.

배터리 부족 표시기를 설계하는 것은 흥미로운 도전이었습니다. 전압이 배터리 충전량의 대리 지표라고 가정할 때(LiPo 셀의 경우 전적으로 사실은 아니지만), 전력을 지속적으로 소모하여 배터리를 방전시키지 않고 어떻게 전압을 측정할 수 있을까요? 이 작업의 전력 예산은 나노암페어 단위라는 점을 명심하십시오. 전체 장치의 대기 전력 소모량은 1μA 미만이어야 합니다.

쿨롱 카운팅 IC 장치는 너무 비싸고 보통 다루기 힘든 BGA 패키지로 제공되며, 설계를 지나치게 복잡하게 만들고 싶지 않았기 때문에 더 간단한 것을 찾아야 했습니다.

마이크로컨트롤러 기반 솔루션을 설계할 수도 있었지만, 수년 만에 처음으로 마이크로컨트롤러와 소프트웨어 없이 장치를 설계하고 싶었습니다.

또한 결과를 어떻게 표시합니까? LED를 켤 수는 없습니다. 그러면 남은 에너지가 빠르게 소모되고 아무도 표시기를 보지 않을 수도 있기 때문입니다. "배터리 확인" 버튼? 가능하지만 기계적 설계를 상당히 복잡하게 만듭니다.

시간이 좀 걸렸지만 해결책을 찾았습니다.

계산기에 실제로 배터리 부족 표시기가 내장되어 있다는 것을 깨달았습니다. 배터리 전압이 임계값(제가 측정한 바로는 2.1V) 아래로 떨어지면 LED 화면에 정상적으로 활성화되어야 하는 점을 제외한 모든 소수점이 켜집니다. 소수점이 이런 식으로 "반전"되면 계산기를 계속 사용할 수는 있지만 배터리를 교체해야 한다는 것을 명확하게 알 수 있습니다.

그래서 저는 배터리 전압을 모니터링하기 위해 250nA 공급 전류를 사용하는 전압(리셋) 감시기를 사용했습니다. 전압이 3V 아래로 떨어지면 출력이 낮아집니다. 해당 출력은 TPS62740 벅 레귤레이터의 전압 선택 핀 중 하나에 연결되어(이것이 프로그래밍 가능한 전압 출력 부품이 필요했던 이유입니다) 2.5V 대신 2.1V를 생성하기 시작합니다. 즉, 배터리가 부족하면 소수점 LED가 켜지고 임무가 완료됩니다!

이것은 실제로 꽤 잘 작동했으며, 2.1V 임계값은 제가 가진 모든 HP-25 장치에서 작동했습니다. 유일한 제한 사항은 대부분의 LiPo 배터리의 경우 보호 회로가 3V 바로 아래에서 출력을 차단하므로 점이 켜진 후 시간이 많지 않다는 것입니다.

제 테스트 결과 900mAh LiPo는 배터리 부족 표시등이 켜지기 전까지 약 10시간 동안 연속 사용이 가능하며, 그 후에도 10-20분 정도 더 사용할 수 있었습니다. 저에게는 충분합니다!

결론적으로, 저는 이번 주말 해킹 프로젝트의 결과에 매우 만족합니다. 제 HP-25 계산기들(네, 하나 이상 가지고 있습니다)이 다시 유용해졌고 배터리 걱정 없이 매일 사용할 수 있습니다. 가끔 충전 패드 위에 올려놓기만 하면 됩니다. 배터리 수명이 너무 좋아서 한 달에 한 번 정도만 이렇게 해도 충분합니다.