Helgehacking: 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 det den første rimelige programmerbare ingeniørkalkulatoren. Etter hvert som årene gikk, ble mer avanserte modeller utviklet med mer funksjonalitet. Men 25 traff en spesielt god balanse mellom funksjoner, størrelse og brukervennlighet.

I dag lever vi i en helt annen verden: vi har alle flere kraftige dataenheter. Ingen ingeniør ville engang vurdere å lage grafer på en kalkulator i dag: vi har datamaskiner som kan gjøre dette raskere og bedre. Det samme gjelder 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 riktig antall 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 teknisk notasjon og utføre beregninger som de enkle kalkulatorappene på telefonen din er for begrensede for. Den enkle tastetrykk-baserte programmerbarheten betyr at du raskt kan automatisere oppgaver: for eksempel har jeg ofte formelen for parallellmotstand 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 av alt, den passer godt i håndflaten din og kan brukes med én hånd, noe som ikke er tilfelle for mange ellers utmerkede senere HP-kalkulatorer (som Voyager-serien: HP-11C og HP-15C).

HP-25-en jeg har ble kjøpt av faren min, omtrent på den tiden jeg ble født. Jeg likte alltid å bruke den, men hele denne serien med kalkulatorer (kalt "Woodstock") var begrenset av batteripakkens design. Den originale batteripakken inneholdt to forseglede NiCd-celler, som åpenbart sviktet for mange år siden. De fleste byttet ut NiCd-cellene sine 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. Strømforbruket til en kalkulator med LED-skjerm var også betydelig, så hyppige batteribytter var nødvendig.

HP-25 ble levert med en "lader" (egentlig bare en transformator), men ladekretsen var forferdelig: laderen uten last 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 bli ødelagt.

Jeg bestemte meg for at jeg burde gjøre noe for å gjøre min HP-25 brukbar hver dag. Så jeg satte meg fore å designe en oppladbar batteripakke, som erstatter den originale, men bruker et moderne Li-Po-batteri, og har Qi/WPC trådløs lading med USB som reserveløsning.

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

Designforutsetningene var:

• Bør erstatte den originale batteripakken
• Ingen modifikasjoner på selve kalkulatoren
• WPC/Qi trådløs lading
• Micro-USB-kontakt for kablet lading
• Li-Po-batteri som varer i minst flere dager ved normal bruk
• Indikator for lavt batteri

Jeg designet batteripakkens innkapsling i Fusion 360 ved å ta mål av den originale batteripakken. Det viste seg å ikke være enkelt: den originale pakken var designet for sprøytestøping, og slippvinkler kompliserte geometrien. Siden jeg ikke planlegger å masseprodusere disse, brydde jeg meg ikke om å designe for sprøytestøping og antok 3D-printing ved bruk av SLS (Selective Laser Sintering). Dette er grunnen til at min batteripakke åpnes 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 er nok til å holde dekselet på plass, og pakken brukes i kalkulatoren mesteparten av tiden uansett, så det er ingen risiko for at dekselet åpnes.

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, under antagelsen om at de ekstra 0,1V ikke ville skade noe (tross alt har mange brukt kalkulatorene sine med alkaliske celler, som har en spenning på 1,25V), og den økte spenningen ville gjøre boost-omformeren i kalkulatoren litt mer effektiv.

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

For WPC/Qi gikk jeg for 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 for 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 vanskeligere av det faktum at bq51050B-dokumentasjonen er skuffende og egentlig ikke opp til TIs standarder.

Kortet har også en Micro-USB-port for kablet lading, en ladekontroller-IC (den populære MCP73832), et MOSFET-par som fungerer som en bryter for USB-strøm, en mengde ESD-beskyttelse for eksponerte terminaler, og en diskret termistor for å overvåke batteritemperaturen, siden mange billige LiPo-batterier kommer uten termistor eller med en som ikke samsvarer med hva ladekontroller-IC-en forventer.

Å designe en indikator for lavt batteri var en interessant utfordring. Gitt at spenning er en indikator for batteriladning (noe som ikke er helt sant for LiPo-celler), hvordan måler man spenningen uten å trekke strøm konstant og lade ut batteriet i prosessen? Husk at strømbudsjettet vårt for dette er i nano-ampere: hvilestrømmen for hele enheten bør 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 mikrokontroller-basert løsning kunne vært 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 tenne 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 litt tid, men jeg kom opp med en løsning.

Jeg innså at kalkulatoren faktisk har en innebygd indikator for lavt batteri. Når batterispenningen faller under en terskel (som jeg målte til 2,1V), lyser LED-skjermen opp alle desimalpunktene, bortsett fra det som normalt skal være aktivt. Med desimalpunkter "invertert" på denne måten, kan du fortsatt bruke kalkulatoren, men du ser tydelig at batteriene må byttes.

Så jeg brukte en spenningsvakt (reset supervisor) med en forsyningsstrøm på 250nA for å overvåke batterispenningen. Hvis den faller under 3V, går utgangen lavt. Den utgangen er koblet til en av spenningsvelgerpinnene på TPS62740 buck-regulatoren (det er derfor jeg trengte en del med programmerbar spenningsutgang) og får den til å begynne å produsere 2,1V i stedet for 2,5V. Med andre ord, lavt batteri, desimalpunkt-LED-ene lyser opp, oppdrag utført!

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

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

Alt i alt er jeg veldig fornøyd med resultatet av dette helge-hackerprosjektet: 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 bare plasserer dem på ladeputer fra tid til annen. Batterilevetiden er så god at det er nok å gjøre dette omtrent en gang i måneden.

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

Jan Rychter (PartsBox-grunnlegger)

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