Helge-hacking: trådløs lading for en HP-25 kalkulator

Eller, å bringe en 45 år gammel kalkulator inn i det 21. århundre.

HP-25 var en revolusjonerende kalkulator for sin tid. Introdusert i 1975, var den den første rimelige programmerbare ingeniørkalkulatoren. Etter hvert som årene gikk, ble det utviklet mer avanserte modeller med mer funksjonalitet. Men 25 traff en spesielt god balanse mellom funksjoner, størrelse og brukervennlighet.

I dag lever vi i en veldig annerledes verden: vi har alle flere kraftige databehandlingsenheter. Ingen ingeniør ville engang vurdere å gjøre grafiske beregninger på en kalkulator i dag: vi har datamaskiner som kan gjøre dette raskere og bedre. Likevel for algebraiske manipulasjoner eller symbolsk databehandling. Det vi fortsatt trenger, er imidlertid en god ingeniørkalkulator — en lett tilgjengelig enhet som kan utføre enkle beregninger raskt og som har akkurat det riktige antallet funksjoner.

Dette er grunnen til at HP-25 blir attraktiv igjen. Hvis du jobber med elektronikk eller mekanisk design, trenger du ofte å jobbe med vitenskapelig eller ingeniørnotasjon og utføre beregninger som de enkle kalkulatorappene på telefonen din er for begrensede til. Den enkle tastaturbaserte programmerbarheten betyr at du raskt kan automatisere oppgaver: for eksempel har jeg ofte parallellmotstandsformelen lagt inn som et program, tilgjengelig med et enkelt tastetrykk. Skriv inn to motstander, trykk R/S og få resultatet. HP-25 ble designet av ingeniører, for ingeniører, og du føler det når du bruker den. Viktigst, den passer godt i håndflaten din og kan brukes med én hånd, noe som ikke er sant for mange ellers utmerkede senere HP-kalkulatorer (som Voyager-serien: HP-11C og HP-15C).

HP-25 jeg har ble kjøpt av pappaen min, rundt den tiden jeg ble født. Jeg har alltid likt å bruke den, men denne hele serien av kalkulatorer (døpt "Woodstock") var begrenset av batteripakke design. Den opprinnelige batteripakken inneholdt to forseglede NiCd-celler, som åpenbart feilet for mange år siden. De fleste erstattet sine NiCd-celler med nye, deretter med NiMh-celler, eller til og med alkaliske AA-batterier. Dette var alltid problematisk: nyere batterier var litt større og passet aldri godt. Også strømforbruket til en kalkulator med LED-skjerm var betydelig, så hyppige batteribytter var nødvendige.

HP-25 ble levert med en "lader" (egentlig bare en transformator), men ladekretsen var forferdelig: laderen uten belastning leverte 10V AC: en høyere spenning enn kalkulatoren kunne håndtere, med antagelsen om at tilkoblede NiCd-battericeller ville klemme spenningen. Hele ladekretsen besto av en diode og en motstand! Hvis cellene dine ikke hadde ordentlig kontakt, eller hvis du koblet til en lader uten batteripakken satt inn, ville kalkulatoren din være toast.

Jeg bestemte meg for å gjøre noe for å gjøre min HP-25 brukbar hver dag. Så jeg satte i gang med å designe et oppladbart batteripakke, som erstatter det originale, men bruker et moderne Li-Po batteri, og har Qi/WPC trådløs lading med en USB reserve.

Jeg har nå den perfekte ingeniørkalkulatoren, som er 45 år gammel og likevel sitter lykkelig på en Qi-ladepute og lades opp. Hvis jeg ikke har en pute tilgjengelig, kan jeg fjerne batteripakken og bruke mikro-USB-kontakten på siden for å lade den. Men som det viste seg, er ikke lading faktisk nødvendig så ofte – et 900mAh LiPo gir nok energi for mange uker med mitt bruk.

Designantagelsene var:

• Skal erstatte det originale batteripakken
• Ingen modifikasjoner til kalkulatoren selv
• WPC/Qi trådløs lading
• Micro-USB-kontakt for kablet lading
• Li-Po batteri som varer i minst flere dager med normal bruk
• Indikator for lavt batteri

Jeg designet batteripakkeinnkapslingen i Fusion 360, og tok mål av den originale batteripakken. Det viste seg å ikke være enkelt: den originale pakken var designet for sprøytestøping, og skråvinkler kompliserte geometrien. Siden jeg ikke planlegger å masseprodusere disse, brydde jeg meg ikke med å designe for sprøytestøping og antok 3D-printing ved hjelp av SLS (Selective Laser Sintering). Derfor åpnes min batteripakke annerledes enn den originale, noe som gir bedre tilgang til elektronikk og batteri, men ofrer muligheten for å bli sprøytestøpt.

Ingen festemidler ble brukt: en enkel fjærklemme holder lokket på plass, og pakken brukes mesteparten av tiden i kalkulatoren uansett, så det er ingen risiko for at lokket åpner seg.

Kalkulatoren ble normalt drevet av to NiCd-celler, som har en spenning på 1,2V hver. Jeg bestemte meg for å produsere 2,5V i stedet for 2,4V, og antok at den ekstra 0,1V ikke ville skade noe (tross alt, mange mennesker har brukt kalkulatorene sine med alkaliske celler, som har en spenning på 1,25V), og den økte spenningen ville gjøre boost-konverteren i kalkulatoren litt mer effektiv.

Jeg bestemte meg for å bruke en av de moderne lavstrøms buck-kontrollerne fra Texas Instruments (TPS62740). Dens lave 360nA drifts hvilestrøm betydde at jeg ikke trengte å bekymre meg for å ha en av/på-bryter. Det finnes kontrollere med lavere hvilestrøm (ned til 60nA!), men jeg ønsket å ha programmerbar spenning utgang — les videre for å lære hvorfor.

For WPC/Qi, gikk jeg med bq51050B (Texas Instruments) og en spole fra Wuerth Elektronik. Dette viste seg å være mye mer utfordrende enn jeg trodde: å designe enheter med trådløs lading er vanskelig, krever flere prototyper og måleutstyr som jeg ikke har. Til slutt gikk jeg med designbeslutninger som kanskje ikke er optimale, men i dette tilfellet (med lave strømkrav) gir akseptabel ytelse. Med andre ord, jeg improviserte. Dette ble gjort noe mer utfordrende av det faktum at bq51050B-dokumentasjonen er skuffende og ikke virkelig opp til TI's standarder.

Kortet har også en Micro-USB-port for kablet lading, en ladestyrings-IC (den populære MCP73832), et par MOSFET som fungerer som en bryter for USB-strøm, en haug med ESD-beskyttelse for eksponerte terminaler, og en diskret termistor for å overvåke batteritemperaturen, siden mange billige LiPos kommer uten en termistor eller med en som ikke matcher det ladnings-ICen forventer.

Å designe en lavbatteri-indikator var en interessant utfordring. Med antagelsen om at spenning er en indikator for batteriladning (som ikke helt stemmer for LiPo-celler), hvordan måler du spenningen uten å konstant trekke strøm og tømme batteriet i prosessen? Husk at vårt strømbudsjett for dette er i nanoampere: den hvilende strømtrekket av hele enheten skal være under 1μA.

Siden coulomb-tellende IC-enheter er altfor dyre og vanligvis kommer i uvennlige BGA-pakker, og også fordi jeg ikke ønsket å overkomplisere designet, måtte jeg finne noe enklere.

En mikrokontrollerbasert løsning kunne ha blitt designet, men for første gang på mange år ønsket jeg å designe en enhet uten en mikrokontroller og programvare.

Også, hvordan viser du resultatet? Du kan ikke lyse opp en LED, da det raskt ville spise opp den gjenværende energien, muligens uten at noen engang ser på indikatoren. En "batterisjekk"-knapp? Muligens, men disse kompliserer mekanisk design betydelig.

Det tok en stund, men jeg kom opp med en løsning.

Jeg innså at kalkulatoren faktisk har en innebygd lavbatteriindikator. Når batterispenningen faller under en terskel (som jeg målte til å være 2,1V), lyser LED-skjermen opp alle desimalpunktene, unntatt den som normalt skulle være aktiv. Med "inverterte" desimalpunkter på denne måten, kan du fortsatt bruke kalkulatoren, men du ser tydelig at batteriene må byttes.

Så, jeg brukte en spennings (reset) overvåker med en 250nA forsyningstrøm for å overvåke batterispenningen. Hvis den faller under 3V, går utgangen lav. Den utgangen er koblet til en av spenningsvelgerpinnene på TPS62740 buck-regulatoren (derfor trengte jeg en programmerbar spenningsutgangskomponent) og får den til å produsere 2.1V i stedet for 2.5V. Med andre ord, lavt batteri, desimalpunkt-LED-er lyser opp, oppdrag utført!

Dette viste seg å fungere ganske bra i praksis, og 2,1V-terskelen fungerte for alle HP-25-enhetene jeg hadde. Den eneste begrensningen er at med de fleste LiPo-batterier, vil deres beskyttelseskrets kutte utgangen av like under 3V, så du har ikke mye tid etter at prikkene dine lyser opp.

Mine tester viste at 900mAh LiPo er nok for omtrent 10 timer med kontinuerlig bruk, før indikatorene for lavt batteri lyser opp, og for 10-20 minutter etterpå. Godt nok for meg!

Alt i alt er jeg veldig fornøyd med resultatet av dette helge-hackeprosjektet: mine HP-25 kalkulatorer (ja, jeg har mer enn én) er nyttige igjen og jeg kan bruke dem hver dag uten å bekymre meg for batterier. Jeg plasserer dem bare på ladepads fra tid til annen. Batterilevetiden er så god, at å gjøre dette en gang i måneden eller så er nok.

Hvis du tenker over det, er det ganske utrolig at en 45 år gammel kalkulator fikk nytt liv takket være teknologi fra det 21. århundre!

Jan Rychter (grunnlegger av PartsBox)

(Hvis du likte å lese dette og du jobber med elektronikk, vennligst sjekk ut PartsBox — det er et uunnværlig verktøy for bedrifter, og det er gratis for Hobbyister/Makere)