Hacking de fim de semana: carregamento sem fio para uma calculadora HP-25

Ou, trazendo uma calculadora de 45 anos para o século 21.

A HP-25 foi uma calculadora revolucionária para a sua época. Introduzida em 1975, foi a primeira calculadora de engenharia programável acessível. Com o passar dos anos, modelos mais avançados foram desenvolvidos com mais funcionalidades. Mas a 25 atingiu um equilíbrio particularmente bom entre recursos, tamanho e facilidade de uso.

Hoje vivemos em um mundo muito diferente: todos nós temos múltiplos dispositivos de computação poderosos. Nenhum engenheiro sequer consideraria fazer gráficos em uma calculadora hoje: temos computadores que podem fazer isso mais rápido e melhor. Da mesma forma para manipulações algébricas ou computação simbólica. O que ainda precisamos, no entanto, é de uma boa calculadora de engenharia — um dispositivo facilmente acessível que possa realizar cálculos simples rapidamente e que tenha apenas o número certo de funções.

É por isso que a HP-25 está se tornando atraente novamente. Se você trabalha com eletrônica ou design mecânico, muitas vezes precisa trabalhar com notação científica ou de engenharia e realizar cálculos para os quais os aplicativos de calculadora simples em seu telefone são muito limitados. A programabilidade simples baseada em teclas significa que você pode automatizar tarefas rapidamente: por exemplo, muitas vezes tenho a fórmula de resistência paralela inserida como um programa, acessível usando uma única tecla. Insira duas resistências, pressione R/S e obtenha o resultado. A HP-25 foi projetada por engenheiros, para engenheiros, e você sente isso quando a usa. Importante, ela cabe bem na palma da sua mão e pode ser usada com uma única mão, o que não é verdade para muitas calculadoras HP posteriores excelentes (como a série Voyager: HP-11C e HP-15C).

A HP-25 que tenho foi comprada pelo meu pai, na época em que nasci. Sempre gostei de usá-la, mas toda essa série de calculadoras (apelidada de "Woodstock") era limitada pelo design do pacote de baterias. O pacote de baterias original continha duas células NiCd seladas, que obviamente falharam há muitos anos. A maioria das pessoas substituiu suas células NiCd por novas, depois por células NiMh, ou até mesmo pilhas alcalinas AA. Isso sempre foi problemático: as baterias mais novas eram ligeiramente maiores e nunca se encaixavam bem. Além disso, o consumo de energia de uma calculadora com display LED era significativo, então substituições frequentes de bateria eram necessárias.

A HP-25 era enviada com um "carregador" (na verdade apenas um transformador), mas o circuito de carregamento era terrível: o carregador sem carga fornecia 10V AC: uma tensão maior do que a calculadora podia suportar, com a suposição de que as células de bateria NiCd conectadas limitariam a tensão. Todo o circuito de carregamento consistia em um diodo e um resistor! Se suas células não estivessem fazendo contato adequado, ou se você conectasse um carregador sem o pacote de bateria inserido, sua calculadora estaria frita.

Decidi que deveria fazer algo para tornar minha HP-25 utilizável todos os dias. Então, comecei a projetar uma bateria recarregável, que substitui a original, mas usa uma bateria Li-Po moderna e possui carregamento sem fio Qi/WPC com um fallback USB.

Agora tenho a calculadora de engenharia perfeita, que tem 45 anos e ainda assim fica feliz em uma base de carregamento Qi e recarrega. Se eu não tiver uma base disponível, posso remover a bateria e usar o conector micro-USB na lateral para carregá-la. Mas, como se viu, o carregamento não é realmente necessário com tanta frequência — uma LiPo de 900mAh fornece energia suficiente para muitas semanas com meu uso.

As premissas do projeto foram:

• Deve substituir o pacote de bateria original
• Sem modificações na própria calculadora
• Carregamento sem fio WPC/Qi
• Conector Micro-USB para carregamento com fio
• Bateria Li-Po com duração de pelo menos vários dias de uso normal
• Indicador de bateria fraca

Eu projetei o gabinete da bateria no Fusion 360, tirando medidas da bateria original. Isso acabou não sendo simples: a bateria original foi projetada para moldagem por injeção, e os ângulos de saída complicaram a geometria. Como não planejo produzi-los em massa, não me preocupei em projetar para moldagem por injeção e assumi a impressão 3D usando SLS (Sinterização Seletiva a Laser). É por isso que minha bateria abre de forma diferente da original, proporcionando melhor acesso à eletrônica e à bateria, mas sacrificando a capacidade de ser moldada por injeção.

Nenhum fixador foi usado: um simples clipe de mola é suficiente para manter a tampa no lugar, e o pacote é usado na calculadora na maior parte do tempo de qualquer maneira, então não há risco de a tampa abrir.

A calculadora era normalmente alimentada por duas células NiCd, que têm uma tensão de 1,2V cada. Decidi produzir 2,5V em vez de 2,4V, assumindo que os 0,1V adicionais não prejudicariam nada (afinal, muitas pessoas têm usado suas calculadoras com células alcalinas, que têm uma tensão de 1,25V), e a tensão aumentada tornaria o conversor boost na calculadora ligeiramente mais eficiente.

Decidi usar um dos modernos controladores buck de baixa potência da Texas Instruments (TPS62740). Sua baixa corrente quiescente de operação de 360nA significava que eu não precisaria me preocupar em ter um interruptor liga/desliga. Existem controladores com corrente quiescente mais baixa (até 60nA!), mas eu queria ter saída de tensão programável — continue lendo para saber o porquê.

Para WPC/Qi, optei pelo bq51050B (Texas Instruments) e uma bobina da Wuerth Elektronik. Isso provou ser muito mais desafiador do que eu pensava: projetar dispositivos com carregamento sem fio é difícil, requer múltiplos protótipos e equipamentos de medição que eu não tenho. No final, optei por decisões de design que podem não ser ideais, mas neste caso (com baixos requisitos de energia) fornecem desempenho aceitável. Em outras palavras, improvisei. Isso foi um pouco mais difícil pelo fato de que a documentação do bq51050B é decepcionante e não está realmente à altura dos padrões da TI.

A placa também possui uma porta Micro-USB para carregamento com fio, um CI controlador de carregamento (o popular MCP73832), um par de MOSFETs atuando como um interruptor para alimentação USB, um monte de proteção ESD para terminais expostos e um termistor discreto para monitorar a temperatura da bateria, já que muitas LiPos baratas vêm sem termistor ou com um que não corresponde ao que o CI de carregamento espera.

Projetar um indicador de bateria fraca foi um desafio interessante. Assumindo que a tensão é um indicador da carga da bateria (o que não é totalmente verdade para células LiPo), como medir a tensão sem consumir energia constantemente e descarregar a bateria no processo? Tenha em mente que nosso orçamento de energia para isso é em nano-amperes: o consumo de energia em repouso de todo o dispositivo deve ser inferior a 1μA.

Como os dispositivos CI de contagem de coulomb são muito caros e geralmente vêm em encapsulamentos BGA pouco amigáveis, e também porque eu não queria complicar demais o projeto, tive que encontrar algo mais simples.

Uma solução baseada em microcontrolador poderia ser projetada, mas pela primeira vez em muitos anos eu queria projetar um dispositivo sem um microcontrolador e software.

Além disso, como você exibe o resultado? Você não pode acender um LED, pois isso consumiria rapidamente a energia restante, possivelmente sem ninguém sequer olhar para o indicador. Um botão de "verificação de bateria"? Possivelmente, mas isso complica significativamente o design mecânico.

Demorou um pouco, mas eu encontrei uma solução.

Percebi que a calculadora na verdade tem um indicador de bateria fraca embutido. Quando a tensão da bateria cai abaixo de um limite (que medi ser 2,1V), a tela de LED acende todos os pontos decimais, exceto aquele que normalmente deveria estar ativo. Com os pontos decimais "invertidos" dessa maneira, você ainda pode usar a calculadora, mas vê claramente que as baterias precisam ser substituídas.

Então, usei um supervisor de tensão (reset) com uma corrente de alimentação de 250nA para monitorar a tensão da bateria. Se cair abaixo de 3V, a saída fica baixa. Essa saída é conectada a um dos pinos seletores de tensão no regulador buck TPS62740 (é por isso que precisei de um componente de saída de tensão programável) e faz com que ele comece a produzir 2,1V em vez de 2,5V. Em outras palavras, bateria fraca, LEDs de ponto decimal acendem, missão cumprida!

Isso acabou funcionando muito bem na prática, e o limite de 2,1V funcionou para todas as unidades HP-25 que eu tinha. A única limitação é que, com a maioria das baterias LiPo, seu circuito de proteção cortará a saída logo abaixo de 3V, então você não tem muito tempo depois que seus pontos acenderem.

Meus testes mostraram que a LiPo de 900mAh é suficiente para cerca de 10 horas de uso contínuo, antes que os pontos indicadores de bateria fraca acendam, e por 10-20 minutos depois. Bom o suficiente para mim!

No geral, estou muito feliz com o resultado deste projeto de hacking de fim de semana: minhas calculadoras HP-25 (sim, tenho mais de uma) são úteis novamente e posso usá-las todos os dias sem me preocupar com baterias. Eu apenas as coloco em bases de carregamento de vez em quando. A vida útil da bateria é tão boa que fazer isso uma vez por mês ou mais é suficiente.

Se você pensar bem, é incrível que uma calculadora de 45 anos tenha ganhado uma nova vida graças à tecnologia do século 21!

Jan Rychter (fundador do PartsBox)

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