Hackeando no fim de semana: carregamento sem fio para uma calculadora HP-25

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

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

Hoje vivemos em um mundo muito diferente: todos nós temos vários dispositivos de computação poderosos. Nenhum engenheiro 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 pode realizar cálculos simples rapidamente e que tem apenas o número certo de funções.

É por isso que o 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 no seu telefone são muito limitados. A programabilidade simples baseada em teclas significa que você pode automatizar rapidamente tarefas: por exemplo, eu costumo ter a fórmula de resistência paralela inserida como um programa, acessível usando uma única tecla. Insira duas resistências, pressione R/S e obtenha o resultado. O HP-25 foi projetado por engenheiros, para engenheiros, e você sente isso quando o usa. Importante, ele se encaixa bem na palma da sua mão e pode ser usado com uma única mão, o que não é verdade para muitas calculadoras HP excelentes, mas posteriores (como a série Voyager: HP-11C e HP-15C).

A HP-25 que eu tenho foi comprada pelo meu pai, por volta da época em que eu nasci. Eu sempre gostei de usá-la, mas toda essa série de calculadoras (apelidada de "Woodstock") foi limitada pelo design do pacote de baterias. O pacote de baterias original continha duas células NiCd seladas, que obviamente falharam muitos anos atrás. A maioria das pessoas substituiu suas células NiCd por novas, depois por células NiMh, ou até mesmo por 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 de LED era significativo, então eram necessárias substituições frequentes de baterias.

A HP-25 foi 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 mais alta do que a calculadora poderia suportar, com a suposição de que as células de bateria NiCd conectadas iriam limitar 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 a bateria inserida, sua calculadora seria torrada.

Decidi que deveria fazer algo para tornar meu HP-25 utilizável todos os dias. Então, decidi projetar um pacote de bateria recarregável, que substitui o original, mas usa uma bateria moderna Li-Po, e tem carregamento sem fio Qi/WPC com uma opção USB.

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

As suposições de design foram:

• Deve substituir a bateria original
• Sem modificações na 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 invólucro do pacote de bateria no Fusion 360, tirando medidas do pacote de bateria original. Isso acabou não sendo simples: o pacote original foi projetado para moldagem por injeção, e os ângulos de saída complicaram a geometria. Como não planejo produzir em massa esses, não me preocupei em projetar para moldagem por injeção e assumi a impressão 3D usando SLS (Sinterização Seletiva a Laser). É por isso que meu pacote de bateria se abre de maneira diferente do original, proporcionando melhor acesso à eletrônica e à bateria, mas sacrificando a capacidade de ser moldado 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 se 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 o adicional de 0,1V não prejudicaria 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 de impulso na calculadora ligeiramente mais eficiente.

Decidi usar um dos modernos controladores buck de baixo consumo da Texas Instruments (TPS62740). Sua baixa corrente quiescente de operação de 360nA significava que eu não teria que 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 por quê.

Para WPC/Qi, eu escolhi 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 vários protótipos e equipamentos de medição que eu não tenho. No final, eu fui com decisões de design que podem não ser ótimas, mas neste caso (com baixos requisitos de energia) fornecem desempenho aceitável. Em outras palavras, eu 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 tem uma porta Micro-USB para carregamento com fio, um controlador de carregamento IC (o popular MCP73832), um par de MOSFET atuando como um interruptor para a energia USB, um monte de proteção ESD para terminais expostos, e um termistor discreto para monitorar a temperatura da bateria, já que muitos LiPos baratos vêm sem um termistor ou com um que não corresponde ao que o IC de carregamento espera.

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

Como os dispositivos IC de contagem de coulomb são muito caros e geralmente vêm em pacotes BGA não amigáveis, e também porque eu não queria complicar demais o design, 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 olhando para o indicador. Um botão de "verificação de bateria"? Possivelmente, mas esses complicam significativamente o design mecânico.

Demorou um pouco, mas eu consegui encontrar uma solução.

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

Então, eu 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 está conectada a um dos pinos do seletor de tensão no regulador buck TPS62740 (é por isso que eu precisava de um componente com saída de tensão programável) e faz com que ele comece a produzir 2.1V em vez de 2.5V. Em outras palavras, bateria baixa, 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, o circuito de proteção delas cortará a saída logo abaixo de 3V, então você não tem muito tempo depois que seus pontos acendem.

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

No geral, estou muito satisfeito com o resultado deste projeto de fim de semana: meus calculadoras HP-25 (sim, eu tenho mais de uma) são úteis novamente e eu posso usá-las todos os dias sem me preocupar com as 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 algo assim é suficiente.

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

Jan Rychter (fundador do PartsBox)

(Se você gostou de ler isso e trabalha com eletrônica, por favor, confira o PartsBox — é uma ferramenta indispensável para empresas, e é gratuito para Hobbyistas/Fabricantes)