Weekendowe hakowanie: bezprzewodowe ładowanie kalkulatora HP-25

Lub przywrócenie 45-letniego kalkulatora do XXI wieku.

HP-25 był rewolucyjnym kalkulatorem swoich czasów. Wprowadzony w 1975 roku, był pierwszym przystępnym cenowo programowalnym kalkulatorem inżynierskim. Z biegiem lat rozwijano bardziej zaawansowane modele z większą funkcjonalnością. Ale 25 wyróżniał się szczególnie dobrym balansem między funkcjami, rozmiarem i łatwością użycia.

Dzisiaj żyjemy w zupełnie innym świecie: wszyscy mamy wiele potężnych urządzeń komputerowych. Żaden inżynier nawet by nie pomyślał o robieniu wykresów na kalkulatorze dzisiaj: mamy komputery, które mogą to robić szybciej i lepiej. Podobnie dla manipulacji algebraicznych lub obliczeń symbolicznych. To, czego nadal potrzebujemy, to dobry kalkulator inżynierski - łatwo dostępne urządzenie, które może szybko wykonywać proste obliczenia i które ma właśnie odpowiednią liczbę funkcji.

Dlatego HP-25 staje się ponownie atrakcyjny. Jeśli pracujesz z elektroniką lub projektowaniem mechanicznym, często musisz pracować z notacją naukową lub inżynierską i wykonywać obliczenia, dla których proste aplikacje kalkulatora na telefonie są zbyt ograniczone. Prosta programowalność oparta na sekwencjach klawiszy oznacza, że możesz szybko automatyzować zadania: na przykład często mam wprowadzoną formułę oporu równoległego jako program, dostępną za pomocą jednego przycisku. Wprowadź dwa opory, naciśnij R/S i otrzymaj 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 dla wielu innych, doskonałych późniejszych kalkulatorów HP (jak seria Voyager: HP-11C i HP-15C).

HP-25, które mam, zostało kupione przez mojego tatę, około czasu moich narodzin. Zawsze lubiłem go używać, ale cała ta seria kalkulatorów (przydomkowana "Woodstock") była ograniczona przez projekt pakietu baterii. Oryginalny pakiet baterii zawierał dwie zamknięte ogniwa NiCd, które oczywiście zepsuły się wiele lat temu. Większość ludzi zastępowała swoje ogniwa NiCd nowymi, potem ogniwa NiMh, a nawet baterie alkaliczne AA. To zawsze było problematyczne: nowsze baterie były nieco większe i nigdy dobrze nie pasowały. Ponadto, zużycie energii przez kalkulator z wyświetlaczem LED było znaczące, więc częste wymiany baterii były potrzebne.

HP-25 został wysłany z "ładowarką" (naprawdę tylko transformator), ale obwód ładowania był okropny: ładowarka bez obciążenia dostarczała 10V AC: wyższe napięcie niż kalkulator mógł obsłużyć, zakładając, że połączone ogniwa NiCd będą ograniczać napięcie. Cały obwód ładowania składał się z diody i rezystora! Jeśli twoje ogniwa nie miały odpowiedniego kontaktu, lub jeśli podłączyłeś ładowarkę bez włożonego pakietu baterii, twój kalkulator byłby zniszczony.

Zdecydowałem, że powinienem zrobić coś, aby mój HP-25 był użyteczny na co dzień. Więc zabrałem się za projektowanie akumulatora, który zastępuje oryginalny, ale używa nowoczesnej baterii Li-Po i ma bezprzewodowe ładowanie Qi/WPC z opcją USB.

Mam teraz idealny kalkulator inżynierski, który ma 45 lat, a jednak z radością siedzi na podkładce Qi i ładuje się. Jeśli nie mam podkładki, mogę wyjąć pakiet baterii i użyć złącza micro-USB po boku, aby go naładować. Ale jak się okazało, ładowanie nie jest tak naprawdę potrzebne tak często — bateria LiPo o pojemności 900mAh zapewnia wystarczającą energię na wiele tygodni przy moim użytkowaniu.

Założenia projektowe były:

• Powinien zastąpić oryginalny pakiet baterii
• Bez modyfikacji samego kalkulatora
• Bezprzewodowe ładowanie WPC/Qi
• Złącze Micro-USB do ładowania przewodowego
• Bateria Li-Po wytrzymująca co najmniej kilka dni normalnego użytkowania
• Wskaźnik niskiego poziomu baterii

Zaprojektowałem obudowę pakietu baterii w Fusion 360, biorąc wymiary oryginalnego pakietu. To okazało się nie być proste: oryginalny pakiet był zaprojektowany pod kątem wtrysku, a kąty nachylenia komplikowały geometrię. Ponieważ nie planuję masowej produkcji tych, nie przejmowałem się projektowaniem pod kątem wtrysku i założyłem druk 3D przy użyciu SLS (Selective Laser Sintering). Dlatego mój pakiet baterii otwiera się inaczej niż oryginalny, zapewniając lepszy dostęp do elektroniki i baterii, ale poświęcając możliwość formowania wtryskowego.

Nie użyto żadnych elementów złącznych: wystarczy prosty zacisk sprężynowy, aby utrzymać pokrywę na miejscu, a pakiet jest używany w kalkulatorze większość czasu, więc nie ma ryzyka otwarcia pokrywy.

Kalkulator był zwykle zasilany dwoma ogniwami NiCd, które mają napięcie 1,2V każde. Zdecydowałem się na wyprodukowanie 2,5V zamiast 2,4V, zakładając, że dodatkowe 0,1V niczego nie zaszkodzi (w końcu wiele osób używało swoich kalkulatorów z bateriami alkalicznymi, które mają napięcie 1,25V), a zwiększone napięcie sprawi, że przetwornica podwyższająca 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 jałowy 360nA oznaczał, że nie musiałem martwić się o przełącznik włącz/wyłącz. Istnieją kontrolery o niższym prądzie jałowym (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 być znacznie trudniejsze niż myślałem: projektowanie urządzeń z ładowaniem bezprzewodowym jest trudne, wymaga wielu prototypów i sprzętu pomiarowego, którego nie posiadam. Ostatecznie podjąłem decyzje projektowe, które mogą nie być optymalne, ale w tym przypadku (z niskimi wymaganiami energetycznymi) zapewniają akceptowalną wydajność. Innymi słowy, zaimprowizowałem. Było to nieco utrudnione przez fakt, że dokumentacja bq51050B jest rozczarowująca i nie dorównuje standardom TI.

Płytka ma również port Micro-USB do ładowania przewodowego, kontroler ładowania IC (popularny MCP73832), parę tranzystorów MOSFET działających jako przełącznik dla zasilania USB, szereg zabezpieczeń ESD dla wystawionych zacisków oraz dyskretny termistor do monitorowania temperatury baterii, ponieważ wiele tanich LiPo przychodzi bez termistora lub z takim, który nie pasuje do oczekiwań kontrolera ładowania.

Projektowanie wskaźnika niskiego poziomu baterii było interesującym wyzwaniem. Zakładając, że napięcie jest wskaźnikiem poziomu naładowania baterii (co nie jest całkowicie prawdą dla ogniw LiPo), jak zmierzyć napięcie nie pobierając ciągle mocy i nie rozładowując baterii w tym procesie? Pamiętaj, że nasz budżet mocy dla tego jest w nano-amperach: pobór mocy w stanie spoczynku całego urządzenia powinien być poniżej 1μA.

Ponieważ układy do liczenia kulombów są zbyt drogie i zwykle dostępne w nieprzyjaznych obudowach BGA, a także dlatego, że nie chciałem komplikować projektu, musiałem znaleźć coś prostszego.

Rozwiązanie oparte na mikrokontrolerze mogłoby być zaprojektowane, ale po raz pierwszy od wielu lat chciałem zaprojektować urządzenie bez mikrokontrolera i oprogramowania.

Ponadto, jak wyświetlić wynik? Nie możesz zapalić diody LED, ponieważ to szybko zużyłoby pozostałą energię, możliwe, że nikt nawet nie patrząc na wskaźnik. Przycisk "sprawdzenia baterii"? Możliwe, ale to znacznie komplikuje projekt mechaniczny.

Zajęło to trochę czasu, ale wymyśliłem rozwiązanie.

Zdałem sobie sprawę, że kalkulator faktycznie ma wbudowany wskaźnik niskiego poziomu baterii. Gdy napięcie baterii spadnie poniżej progu (który zmierzyłem na 2,1V), ekran LED zapala wszystkie kropki dziesiętne, z wyjątkiem tej, która powinna być aktywna. Z kropkami dziesiętnymi "odwróconymi" w ten sposób, możesz nadal używać kalkulatora, ale wyraźnie widzisz, że baterie potrzebują wymiany.

Więc użyłem nadzorcy napięcia (reset) z prądem zasilania 250nA do monitorowania napięcia baterii. Jeśli spadnie poniżej 3V, wyjście staje się niskie. To wyjście jest połączone z jednym z pinów selektora napięcia na regulatorze buck TPS62740 (dlatego potrzebowałem części z programowalnym napięciem wyjściowym) i powoduje, że zaczyna on produkować 2.1V zamiast 2.5V. Innymi słowy, niskie napięcie baterii, zapalają się diody LED kropki dziesiętnej, misja zakończona!

To okazało się działać całkiem dobrze w praktyce, a próg 2,1V działał dla wszystkich jednostek HP-25, które miałem. Jedynym ograniczeniem jest to, że w przypadku większości baterii LiPo, ich obwody ochronne odłączą wyjście tuż poniżej 3V, więc nie masz zbyt wiele czasu po tym, jak twoje kropki się zapalą.

Moje testy pokazały, że 900mAh LiPo wystarcza na około 10 godzin ciągłego użytkowania, zanim zapalą się kropki wskaźnika niskiego poziomu baterii, i na 10-20 minut później. Dla mnie to wystarczające!

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

Jeśli o tym pomyśleć, to dość niesamowite, że 45-letni kalkulator otrzymał nowe życie dzięki technologii XXI wieku!

Jan Rychter (założyciel PartsBox)

(Jeśli podobał Ci się ten artykuł i pracujesz z elektroniką, sprawdź PartsBox — to niezbędne narzędzie dla firm, a dla hobbystów/twórców jest darmowe)