Weekendowe hakowanie: bezprzewodowe ładowanie kalkulatora HP-25

Lub wprowadzenie 45-letniego kalkulatora w XXI wiek.

HP-25 był rewolucyjnym kalkulatorem jak na swoje czasy. Wprowadzony w 1975 roku, był pierwszym niedrogim programowalnym kalkulatorem inżynierskim. Z biegiem lat opracowano bardziej zaawansowane modele z większą funkcjonalnością. Ale model 25 zachował szczególnie dobrą równowagę między funkcjami, rozmiarem i łatwością użycia.

Dziś żyjemy w zupełnie innym świecie: wszyscy mamy wiele potężnych urządzeń obliczeniowych. Żaden inżynier nie rozważałby nawet robienia wykresów na kalkulatorze: mamy komputery, które mogą to zrobić szybciej i lepiej. Podobnie w przypadku manipulacji algebraicznych lub obliczeń symbolicznych. To, czego nadal potrzebujemy, to dobry kalkulator inżynierski — łatwo dostępne urządzenie, które może szybko wykonywać proste obliczenia i ma odpowiednią liczbę funkcji.

Dlatego HP-25 staje się znów atrakcyjny. Jeśli pracujesz z elektroniką lub projektowaniem mechanicznym, często musisz pracować z notacją naukową lub inżynierską i wykonywać obliczenia, dla których proste aplikacje kalkulatora w telefonie są zbyt ograniczone. Prosta programowalność oparta na naciśnięciach klawiszy oznacza, że możesz szybko zautomatyzować zadania: na przykład często mam wprowadzony wzór na rezystancję równoległą jako program, dostępny za pomocą jednego naciśnięcia klawisza. Wprowadź dwie rezystancje, naciśnij R/S i uzyskaj wynik. HP-25 został zaprojektowany przez inżynierów dla inżynierów i czujesz to, gdy go używasz. Co ważne, dobrze leży w dłoni i można go używać jedną ręką, co nie jest prawdą w przypadku wielu innych doskonałych późniejszych kalkulatorów HP (takich jak seria Voyager: HP-11C i HP-15C).

Kalkulator HP-25, który posiadam, został kupiony przez mojego tatę mniej więcej w czasie, gdy się urodziłem. Zawsze lubiłem go używać, ale cała ta seria kalkulatorów (nazwana "Woodstock") była ograniczona przez konstrukcję pakietu baterii. Oryginalny pakiet baterii zawierał dwa uszczelnione ogniwa NiCd, które oczywiście zawiodły wiele lat temu. Większość ludzi wymieniała swoje ogniwa NiCd na nowe, potem na ogniwa NiMh, a nawet na baterie alkaliczne AA. To zawsze było problematyczne: nowsze baterie były nieco większe i nigdy nie pasowały dobrze. Ponadto zużycie energii przez kalkulator z wyświetlaczem LED było znaczne, więc konieczne były częste wymiany baterii.

HP-25 był dostarczany z \"ładowarką\" (w rzeczywistości tylko transformatorem), ale obwód ładowania był fatalny: ładowarka bez obciążenia dostarczała 10V AC: wyższe napięcie niż kalkulator mógł obsłużyć, przy założeniu, że podłączone ogniwa baterii NiCd ograniczą napięcie. Cały obwód ładowania składał się z diody i rezystora! Jeśli twoje ogniwa nie stykały prawidłowo lub jeśli podłączyłeś ładowarkę bez włożonego pakietu baterii, twój kalkulator byłby spalony.

Zdecydowałem, że powinienem coś zrobić, aby mój HP-25 nadawał się do codziennego użytku. Postanowiłem więc zaprojektować akumulator, który zastępuje oryginalny, ale wykorzystuje nowoczesną baterię Li-Po i posiada ładowanie bezprzewodowe Qi/WPC z możliwością ładowania przez USB w razie potrzeby.

Mam teraz idealny kalkulator inżynierski, który ma 45 lat, a mimo to siedzi szczęśliwie na podkładce zasilającej Qi i się ładuje. Jeśli nie mam dostępnej podkładki, mogę wyjąć pakiet baterii i użyć złącza micro-USB z boku, aby go naładować. Ale jak się okazało, ładowanie wcale nie jest potrzebne tak często — LiPo 900mAh zapewnia wystarczającą ilość energii na wiele tygodni przy moim użytkowaniu.

Założenia projektowe były następujące:

• Powinien zastąpić oryginalny pakiet baterii
• Brak modyfikacji samego kalkulatora
• Ładowanie bezprzewodowe WPC/Qi
• Złącze Micro-USB do ładowania przewodowego
• Bateria Li-Po wystarczająca na co najmniej kilka dni normalnego użytkowania
• Wskaźnik niskiego poziomu baterii

Zaprojektowałem obudowę pakietu baterii w Fusion 360, biorąc wymiary z oryginalnego pakietu. Okazało się to nie być proste: oryginalny pakiet został zaprojektowany do formowania wtryskowego, a kąty pochylenia skomplikowały geometrię. Ponieważ nie planuję ich masowej produkcji, nie przejmowałem się projektowaniem pod kątem wtrysku i założyłem druk 3D przy użyciu SLS (selektywnego spiekania laserowego). Dlatego mój pakiet baterii otwiera się inaczej niż oryginał, zapewniając lepszy dostęp do elektroniki i baterii, ale poświęcając możliwość formowania wtryskowego.

Nie użyto żadnych elementów złącznych: prosty klips sprężynowy wystarcza do utrzymania pokrywy na miejscu, a pakiet i tak jest używany w kalkulatorze przez większość czasu, więc nie ma ryzyka otwarcia pokrywy.

Kalkulator był normalnie zasilany dwoma ogniwami NiCd, które mają napięcie 1,2 V każde. Zdecydowałem się wytworzyć 2,5 V zamiast 2,4 V, zakładając, że dodatkowe 0,1 V niczemu nie zaszkodzi (w końcu wiele osób używało swoich kalkulatorów z ogniwami alkalicznymi, które mają napięcie 1,25 V), a zwiększone napięcie sprawi, że przetwornica podwyższająca napięcie w kalkulatorze będzie nieco bardziej wydajna.

Zdecydowałem się użyć jednego z nowoczesnych kontrolerów buck o niskim poborze mocy od Texas Instruments (TPS62740). Jego niski prąd spoczynkowy wynoszący 360nA oznaczał, że nie musiałbym martwić się o posiadanie włącznika/wyłącznika. Istnieją kontrolery o niższym prądzie spoczynkowym (nawet do 60nA!), ale chciałem mieć programowalne napięcie wyjściowe — czytaj dalej, aby dowiedzieć się dlaczego.

Dla WPC/Qi wybrałem bq51050B (Texas Instruments) i cewkę od Wuerth Elektronik. Okazało się to znacznie trudniejsze niż myślałem: projektowanie urządzeń z ładowaniem bezprzewodowym jest trudne, wymaga wielu prototypów i sprzętu pomiarowego, którego nie posiadam. Ostatecznie zdecydowałem się na decyzje projektowe, które mogą nie być optymalne, ale w tym przypadku (przy niskich wymaganiach mocy) zapewniają akceptowalną wydajność. Innymi słowy, improwizowałem. Było to nieco utrudnione przez fakt, że dokumentacja bq51050B jest rozczarowująca i niezbyt zgodna ze standardami TI.

Płytka posiada również port Micro-USB do ładowania przewodowego, układ scalony kontrolera ładowania (popularny MCP73832), parę tranzystorów MOSFET działających jako przełącznik zasilania USB, zestaw zabezpieczeń ESD dla odsłoniętych terminali oraz dyskretny termistor do monitorowania temperatury baterii, ponieważ wiele tanich akumulatorów LiPo jest dostarczanych bez termistora lub z takim, który nie pasuje do tego, czego oczekuje układ ładowania.

Zaprojektowanie wskaźnika niskiego poziomu baterii było ciekawym wyzwaniem. Zakładając, że napięcie jest wyznacznikiem naładowania baterii (co nie jest do końca prawdą dla ogniw LiPo), jak zmierzyć napięcie bez ciągłego pobierania prądu i rozładowywania baterii w trakcie tego procesu? Należy pamiętać, że nasz budżet energetyczny na to wynosi nanoampery: spoczynkowy pobór prądu całego urządzenia powinien wynosić poniżej 1μA.

Ponieważ układy scalone do zliczania kulombów są zdecydowanie za drogie i zazwyczaj występują w nieprzyjaznych obudowach BGA, a także dlatego, że nie chciałem nadmiernie komplikować projektu, musiałem znaleźć coś prostszego.

Można by zaprojektować rozwiązanie oparte na mikrokontrolerze, ale po raz pierwszy od wielu lat chciałem zaprojektować urządzenie bez mikrokontrolera i oprogramowania.

Ponadto, jak wyświetlić wynik? Nie możesz zapalić diody LED, ponieważ szybko zużyłoby to pozostałą energię, a prawdopodobnie nikt nawet nie spojrzałby na wskaźnik. Przycisk "sprawdź baterię"? Możliwe, ale to znacznie komplikuje projekt mechaniczny.

Zajęło to chwilę, ale wymyśliłem rozwiązanie.

Zdałem sobie sprawę, że kalkulator w rzeczywistości ma wbudowany wskaźnik niskiego poziomu baterii. Gdy napięcie baterii spada poniżej progu (który zmierzyłem na 2.1V), ekran LED zapala wszystkie kropki dziesiętne, z wyjątkiem tej, która normalnie powinna być aktywna. Z kropkami dziesiętnymi \"odwróconymi\" w ten sposób, nadal możesz używać kalkulatora, ale wyraźnie widzisz, że baterie wymagają wymiany.

Więc użyłem nadzorcy napięcia (resetu) z prądem zasilania 250 nA do monitorowania napięcia baterii. Jeśli spadnie poniżej 3 V, wyjście przechodzi w stan niski. To wyjście jest podłączone do jednego z pinów wyboru napięcia na regulatorze obniżającym TPS62740 (dlatego potrzebowałem części z programowalnym napięciem wyjściowym) i powoduje, że zaczyna on wytwarzać 2,1 V zamiast 2,5 V. Innymi słowy, niski poziom baterii, diody LED kropki dziesiętnej zapalają się, misja zakończona!

W praktyce okazało się to działać całkiem dobrze, a próg 2,1 V działał dla wszystkich jednostek HP-25, które miałem. Jedynym ograniczeniem jest to, że w przypadku większości akumulatorów LiPo ich obwody zabezpieczające odetną wyjście tuż poniżej 3 V, więc nie masz zbyt wiele czasu po zaświeceniu się kropek.

Moje testy wykazały, że akumulator LiPo 900mAh wystarcza na około 10 godzin ciągłego użytkowania, zanim zapalą się kropki wskaźnika niskiego poziomu baterii, oraz na 10-20 minut po tym. Dla mnie wystarczająco dobrze!

Podsumowując, jestem bardzo zadowolony z wyniku tego weekendowego projektu hakerskiego: moje kalkulatory HP-25 (tak, mam więcej niż jeden) są znów użyteczne i mogę ich używać codziennie, nie martwiąc się o baterie. Po prostu kładę je na podkładkach ładujących od czasu do czasu. Żywotność baterii jest tak dobra, że robienie tego raz w miesiącu lub rzadziej jest wystarczające.

Jeśli się nad tym zastanowić, to niesamowite, że 45-letni kalkulator zyskał nowe życie dzięki technologii XXI wieku!

Jan Rychter (założyciel PartsBox)

(Jeśli podobało Ci się to czytać i pracujesz z elektroniką, sprawdź PartsBox — to niezastąpione narzędzie dla firm i jest darmowe dla hobbystów/twórców)