Penggodaman hujung minggu: pengecasan tanpa wayar untuk kalkulator HP-25

Atau, membawa kalkulator berusia 45 tahun ke abad ke-21.

HP-25 ialah kalkulator revolusioner pada zamannya. Diperkenalkan pada tahun 1975, ia merupakan kalkulator kejuruteraan boleh atur cara mampu milik yang pertama. Seiring berlalunya tahun, model yang lebih maju telah dibangunkan dengan lebih banyak fungsi. Tetapi 25 mencapai keseimbangan yang sangat baik antara ciri, saiz, dan kemudahan penggunaan.

Hari ini kita hidup dalam dunia yang sangat berbeza: kita semua mempunyai pelbagai peranti pengkomputeran yang berkuasa. Tiada jurutera yang akan mempertimbangkan untuk membuat graf pada kalkulator hari ini: kita mempunyai komputer yang boleh melakukan ini dengan lebih cepat dan lebih baik. Begitu juga untuk manipulasi algebra atau pengkomputeran simbolik. Apa yang masih kita perlukan, bagaimanapun, adalah kalkulator kejuruteraan yang baik — peranti yang mudah diakses yang boleh melakukan pengiraan mudah dengan cepat dan mempunyai jumlah fungsi yang tepat.

Inilah sebabnya mengapa HP-25 menjadi menarik semula. Jika anda bekerja dengan reka bentuk elektronik atau mekanikal, anda sering perlu bekerja dengan notasi saintifik atau kejuruteraan dan melakukan pengiraan yang mana aplikasi kalkulator mudah pada telefon anda terlalu terhad. Kebolehaturcaraan berasaskan ketukan kekunci yang mudah bermakna anda boleh mengautomasikan tugas dengan cepat: sebagai contoh, saya sering memasukkan formula rintangan selari sebagai program, yang boleh diakses menggunakan satu ketukan kekunci. Masukkan dua rintangan, tekan R/S dan dapatkan hasilnya. HP-25 direka oleh jurutera, untuk jurutera, dan anda merasakannya apabila anda menggunakannya. Yang penting, ia muat dengan baik di tapak tangan anda dan boleh digunakan dengan satu tangan, yang tidak benar untuk banyak kalkulator HP terkemudian yang sebaliknya sangat baik (seperti siri Voyager: HP-11C dan HP-15C).

HP-25 yang saya miliki dibeli oleh Ayah saya, sekitar masa saya dilahirkan. Saya sentiasa gemar menggunakannya, tetapi keseluruhan siri kalkulator ini (digelar "Woodstock") dihadkan oleh reka bentuk pek bateri. Pek bateri asal mengandungi dua sel NiCd tertutup, yang jelas gagal bertahun-tahun yang lalu. Kebanyakan orang menggantikan sel NiCd mereka dengan yang baru, kemudian dengan sel NiMh, atau bahkan bateri AA alkali. Ini sentiasa bermasalah: bateri yang lebih baru sedikit lebih besar dan tidak pernah muat dengan baik. Juga, penggunaan kuasa kalkulator dengan paparan LED adalah ketara, jadi penggantian bateri yang kerap diperlukan.

HP-25 dihantar dengan "pengecas" (sebenarnya hanya transformer), tetapi litar pengecasan adalah teruk: pengecas tanpa beban membekalkan 10V AC: voltan yang lebih tinggi daripada yang boleh dikendalikan oleh kalkulator, dengan anggapan bahawa sel bateri NiCd yang disambungkan akan mengapit voltan. Keseluruhan litar pengecasan terdiri daripada diod dan perintang! Jika sel anda tidak membuat sentuhan yang betul, atau jika anda menyambungkan pengecas tanpa pek bateri dimasukkan, kalkulator anda akan rosak.

Saya memutuskan saya harus melakukan sesuatu untuk menjadikan HP-25 saya boleh digunakan setiap hari. Jadi, saya mula mereka bentuk pek bateri boleh dicas semula, yang menggantikan yang asal, tetapi menggunakan bateri Li-Po moden, dan mempunyai pengecasan tanpa wayar Qi/WPC dengan sandaran USB.

Saya kini mempunyai kalkulator kejuruteraan yang sempurna, yang berusia 45 tahun namun duduk dengan gembira di atas pad kuasa Qi dan mengecas semula. Jika saya tidak mempunyai pad yang tersedia, saya boleh mengeluarkan pek bateri dan menggunakan penyambung mikro-USB di sisi untuk mengecasnya. Tetapi ternyata, pengecasan sebenarnya tidak diperlukan begitu kerap — LiPo 900mAh menyediakan tenaga yang cukup untuk beberapa minggu dengan penggunaan saya.

Andaian reka bentuk adalah:

• Harus menggantikan pek bateri asal
• Tiada pengubahsuaian pada kalkulator itu sendiri
• Pengecasan tanpa wayar WPC/Qi
• Penyambung Micro-USB untuk pengecasan berwayar
• Bateri Li-Po bertahan sekurang-kurangnya beberapa hari penggunaan biasa
• Penunjuk bateri lemah

Saya mereka bentuk penutup pek bateri dalam Fusion 360, mengambil ukuran pek bateri asal. Ternyata itu tidak mudah: pek asal direka untuk pengacuan suntikan, dan sudut draf merumitkan geometri. Oleh kerana saya tidak merancang untuk mengeluarkan secara besar-besaran, saya tidak bersusah payah dengan reka bentuk untuk pengacuan suntikan dan menganggap percetakan 3D menggunakan SLS (Selective Laser Sintering). Inilah sebabnya mengapa pek bateri saya dibuka secara berbeza daripada yang asal, memberikan akses yang lebih baik kepada elektronik dan bateri, tetapi mengorbankan keupayaan untuk diacu suntikan.

Tiada pengikat digunakan: klip spring mudah sudah cukup untuk memegang penutup di tempatnya, dan pek digunakan dalam kalkulator hampir sepanjang masa, jadi tiada risiko penutup terbuka.

Kalkulator biasanya dikuasakan oleh dua sel NiCd, yang mempunyai voltan 1.2V setiap satu. Saya memutuskan untuk menghasilkan 2.5V dan bukannya 2.4V, dengan anggapan bahawa tambahan 0.1V tidak akan merosakkan apa-apa (lagipun, ramai orang telah menggunakan kalkulator mereka dengan sel alkali, yang mempunyai voltan 1.25V), dan peningkatan voltan akan menjadikan penukar galak dalam kalkulator sedikit lebih cekap.

Saya memutuskan untuk menggunakan salah satu pengawal buck berkuasa rendah moden dari Texas Instruments (TPS62740). Arus senyap operasinya yang rendah sebanyak 360nA bermakna saya tidak perlu risau tentang mempunyai suis hidup/mati. Terdapat pengawal dengan arus senyap yang lebih rendah (malah sehingga 60nA!), tetapi saya mahu mempunyai output voltan boleh atur cara — baca terus untuk mengetahui sebabnya.

Untuk WPC/Qi, saya memilih bq51050B (Texas Instruments) dan gegelung dari Wuerth Elektronik. Ini terbukti jauh lebih mencabar daripada yang saya sangkakan: mereka bentuk peranti dengan pengecasan tanpa wayar adalah sukar, memerlukan pelbagai prototaip dan peralatan pengukuran yang saya tidak miliki. Akhirnya, saya memilih keputusan reka bentuk yang mungkin tidak optimum, tetapi dalam kes ini (dengan keperluan kuasa rendah) memberikan prestasi yang boleh diterima. Dengan kata lain, saya buat sahaja. Ini menjadi agak lebih sukar oleh fakta bahawa dokumentasi bq51050B mengecewakan dan tidak benar-benar mencapai standard TI.

Papan ini juga mempunyai port Micro-USB untuk pengecasan berwayar, IC pengawal pengecasan (MCP73832 yang popular), pasangan MOSFET yang bertindak sebagai suis untuk kuasa USB, sekumpulan perlindungan ESD untuk terminal terdedah, dan termistor diskret untuk memantau suhu bateri, memandangkan banyak LiPo murah datang tanpa termistor atau dengan satu yang tidak sepadan dengan apa yang dijangkakan oleh IC pengecasan.

Mereka bentuk penunjuk bateri rendah adalah satu cabaran yang menarik. Dengan mengandaikan bahawa voltan adalah proksi untuk cas bateri (yang tidak sepenuhnya benar untuk sel LiPo), bagaimana anda mengukur voltan tanpa menarik kuasa secara berterusan dan menyahcas bateri dalam proses tersebut? Ingat bahawa bajet kuasa kami untuk ini adalah dalam nano-amp: penggunaan kuasa senyap keseluruhan peranti harus di bawah 1μA.

Memandangkan peranti IC pengiraan coulomb terlalu mahal dan biasanya datang dalam pakej BGA yang tidak mesra, dan juga kerana saya tidak mahu merumitkan reka bentuk secara berlebihan, saya terpaksa mencari sesuatu yang lebih mudah.

Penyelesaian berasaskan mikropengawal boleh direka bentuk, tetapi buat pertama kalinya dalam masa bertahun-tahun saya ingin mereka bentuk peranti tanpa mikropengawal dan perisian.

Juga, bagaimana anda memaparkan hasilnya? Anda tidak boleh menyalakan LED, kerana itu akan memakan tenaga yang tinggal dengan cepat, mungkin tanpa sesiapa pun melihat penunjuk itu. Butang "semak bateri"? Mungkin, tetapi ini merumitkan reka bentuk mekanikal dengan ketara.

Ia mengambil sedikit masa, tetapi saya berjaya mencari penyelesaian.

Saya menyedari bahawa kalkulator sebenarnya mempunyai penunjuk bateri lemah terbina dalam. Apabila voltan bateri jatuh di bawah ambang (yang saya ukur sebagai 2.1V), skrin LED menyalakan semua titik perpuluhan, kecuali satu yang sepatutnya aktif secara normal. Dengan titik perpuluhan "terbalik" dengan cara ini, anda masih boleh menggunakan kalkulator, tetapi anda melihat dengan jelas bahawa bateri perlu diganti.

Jadi, saya menggunakan penyelia voltan (set semula) dengan arus bekalan 250nA untuk memantau voltan bateri. Jika ia jatuh di bawah 3V, output menjadi rendah. Output itu disambungkan ke salah satu pin pemilih voltan pada pengawal selia buck TPS62740 (inilah sebabnya saya memerlukan komponen output voltan boleh atur cara) dan menyebabkannya mula menghasilkan 2.1V dan bukannya 2.5V. Dengan kata lain, bateri rendah, LED titik perpuluhan menyala, misi tercapai!

Ini ternyata berfungsi dengan baik dalam praktiknya, dan ambang 2.1V berfungsi untuk semua unit HP-25 yang saya miliki. Satu-satunya batasan ialah dengan kebanyakan bateri LiPo, litar perlindungannya akan memotong output sejurus di bawah 3V, jadi anda tidak mempunyai banyak masa selepas titik anda menyala.

Ujian saya menunjukkan bahawa LiPo 900mAh cukup untuk kira-kira 10 jam penggunaan berterusan, sebelum titik penunjuk bateri rendah menyala, dan selama 10-20 minit selepas itu. Cukup baik untuk saya!

Secara keseluruhannya, saya sangat gembira dengan hasil projek penggodaman hujung minggu ini: kalkulator HP-25 saya (ya, saya ada lebih daripada satu) berguna semula dan saya boleh menggunakannya setiap hari tanpa perlu risau tentang bateri. Saya hanya meletakkannya pada pad pengecas dari semasa ke semasa. Hayat bateri sangat baik, sehinggakan melakukan ini sebulan sekali atau lebih sudah memadai.

Jika anda memikirkannya, agak menakjubkan bahawa kalkulator berusia 45 tahun mendapat kehidupan baharu berkat teknologi abad ke-21!

Jan Rychter (pengasas PartsBox)

(Jika anda seronok membaca ini dan anda bekerja dengan elektronik, sila lihat PartsBox — ia adalah alat yang sangat diperlukan untuk syarikat, dan ia percuma untuk Penggemar/Pembuat)