Helghackning: trådlös laddning för en HP-25 kalkylator

Eller, att föra in en 45 år gammal räknare i 2000-talet.

HP-25 var en revolutionerande räknare för sin tid. Introducerad 1975, var den den första överkomliga programmerbara ingenjörsräknaren. Med åren utvecklades mer avancerade modeller med mer funktionalitet. Men 25:an hade en särskilt bra balans mellan funktioner, storlek och användarvänlighet.

Idag lever vi i en helt annan värld: vi har alla flera kraftfulla databehandlingsenheter. Ingen ingenjör skulle ens överväga att göra grafer på en räknare idag: vi har datorer som kan göra detta snabbare och bättre. Likaså för algebraiska manipulationer eller symbolisk databehandling. Vad vi fortfarande behöver är dock en bra ingenjörsräknare - en lättillgänglig enhet som kan utföra enkla beräkningar snabbt och som har precis rätt antal funktioner.

Detta är varför HP-25 åter blir attraktiv. Om du arbetar med elektronik eller mekanisk design, behöver du ofta arbeta med vetenskaplig eller teknisk notation och utföra beräkningar för vilka de enkla kalkylatorapparna på din telefon är för begränsade. Den enkla programmerbarheten baserad på tangenttryckningar innebär att du snabbt kan automatisera uppgifter: till exempel har jag ofta parallellresistansformeln inmatad som ett program, tillgänglig med ett enda tangenttryck. Ange två motstånd, tryck på R/S och få resultatet. HP-25 designades av ingenjörer, för ingenjörer, och du känner det när du använder den. Viktigt är att den passar bra i handen och kan användas med en hand, vilket inte är sant för många annars utmärkta senare HP-kalkylatorer (som Voyager-serien: HP-11C och HP-15C).

HP-25 jag har köptes av min pappa, ungefär vid den tid jag föddes. Jag har alltid tyckt om att använda den, men hela denna serie av räknare (kallad "Woodstock") begränsades av batteripacksdesignen. Det ursprungliga batteripacket innehöll två förseglade NiCd-celler, som uppenbarligen misslyckades för många år sedan. De flesta bytte ut sina NiCd-celler mot nya, sedan mot NiMh-celler, eller till och med alkaliska AA-batterier. Detta var alltid problematiskt: nya batterier var något större och passade aldrig bra. Dessutom var strömförbrukningen för en räknare med LED-display betydande, så frekventa batteribyten behövdes.

HP-25 levererades med en "laddare" (egentligen bara en transformator), men laddningskretsen var hemsk: laddaren utan belastning levererade 10V AC: en högre spänning än vad kalkylatorn kunde hantera, med antagandet att anslutna NiCd-battericeller skulle klämma spänningen. Hela laddningskretsen bestod av en diod och en resistor! Om dina celler inte hade korrekt kontakt, eller om du anslöt en laddare utan batteripaketet isatt, skulle din kalkylator vara körd.

Jag bestämde mig för att jag borde göra något för att göra min HP-25 användbar varje dag. Så jag satte igång att designa ett uppladdningsbart batteripaket, som ersätter det ursprungliga, men använder ett modernt Li-Po-batteri, och har Qi/WPC trådlös laddning med en USB-reserv.

Jag har nu den perfekta ingenjörskalkylatorn, som är 45 år gammal och ändå sitter lyckligt på en Qi-laddningsplatta och laddas om. Om jag inte har en platta tillgänglig, kan jag ta bort batteripaketet och använda mikro-USB-kontakten på sidan för att ladda den. Men som det visade sig, är laddning faktiskt inte nödvändigt så ofta - ett 900mAh LiPo ger tillräckligt med energi för många veckor med min användning.

Designantagandena var:

• Bör ersätta det ursprungliga batteripaketet
• Inga modifieringar av räknaren själv
• WPC/Qi trådlös laddning
• Micro-USB-kontakt för trådbunden laddning
• Li-Po-batteri som varar i minst flera dagars normal användning
• Indikator för lågt batteri

Jag designade batteripaketets hölje i Fusion 360, tog mått på det ursprungliga batteripaketet. Det visade sig inte vara enkelt: det ursprungliga paketet var designat för formsprutning, och dragvinklar komplicerade geometrin. Eftersom jag inte planerar att massproducera dem, brydde jag mig inte om att designa för formsprutning och antog 3D-utskrift med SLS (Selective Laser Sintering). Det är därför mitt batteripaket öppnas annorlunda från det ursprungliga, vilket ger bättre åtkomst till elektronik och batteri, men offrar möjligheten att formsprutas.

Inga fästelement användes: en enkel fjäderklämma räcker för att hålla locket på plats, och paketet används i räknaren för det mesta ändå, så det finns ingen risk för att locket öppnas.

Räknaren drevs normalt av två NiCd-celler, som har en spänning på 1,2V vardera. Jag bestämde mig för att producera 2,5V istället för 2,4V, i antagandet att den extra 0,1V inte skulle skada något (trots allt har många människor använt sina räknare med alkaliska celler, som har en spänning på 1,25V), och den ökade spänningen skulle göra boostomvandlaren i räknaren något mer effektiv.

Jag bestämde mig för att använda en av de moderna lågeffekts buck-regulatorerna från Texas Instruments (TPS62740). Dess låga 360nA driftskviesström innebar att jag inte behövde oroa mig för att ha en av/på-knapp. Det finns regulatorer med lägre kviesström (även ner till 60nA!), men jag ville ha programmerbar utspänning — läs vidare för att lära dig varför.

För WPC/Qi valde jag bq51050B (Texas Instruments) och en spole från Wuerth Elektronik. Detta visade sig vara mycket mer utmanande än jag trodde: att designa enheter med trådlös laddning är svårt, kräver flera prototyper och mätutrustning som jag inte har. Till slut gick jag med designbeslut som kanske inte är optimala, men i detta fall (med låga kraftkrav) ger acceptabel prestanda. Med andra ord, jag chansade. Detta gjordes något svårare av det faktum att dokumentationen för bq51050B är besvikande och inte riktigt lever upp till TIs standarder.

Kortet har också en Micro-USB-port för trådbunden laddning, en laddningskontroller-IC (den populära MCP73832), ett par MOSFET som fungerar som en strömbrytare för USB-ström, en massa ESD-skydd för exponerade terminaler och en diskret termistor för att övervaka batteritemperaturen, eftersom många billiga LiPos kommer utan en termistor eller med en som inte matchar vad laddnings-IC förväntar sig.

Att designa en indikator för lågt batteri var en intressant utmaning. Med antagandet att spänning är en indikator för batteriladdning (vilket inte helt är sant för LiPo-celler), hur mäter du spänningen utan att ständigt dra ström och urladda batteriet i processen? Tänk på att vår energibudget för detta är i nanoampere: den vilande strömförbrukningen av hela enheten bör vara under 1μA.

Eftersom coulomb-räknande IC-enheter är alldeles för dyra och vanligtvis kommer i ovänliga BGA-paket, och också för att jag inte ville komplicera designen för mycket, var jag tvungen att hitta något enklare.

En lösning baserad på mikrokontroller kunde ha designats, men för första gången på många år ville jag designa en enhet utan en mikrokontroller och mjukvara.

Hur visar du också resultatet? Du kan inte tända en LED, eftersom det snabbt skulle förbruka den återstående energin, möjligtvis utan att någon ens tittar på indikatorn. En "batterikontroll"-knapp? Möjligt, men dessa komplicerar den mekaniska designen avsevärt.

Det tog ett tag, men jag kom fram till en lösning.

Jag insåg att kalkylatorn faktiskt har en inbyggd indikator för lågt batteri. När batterispänningen faller under en tröskel (som jag mätte till 2,1V), lyser LED-skärmen upp alla decimalpunkter, förutom den som normalt ska vara aktiv. Med "inverterade" decimalpunkter på detta sätt, kan du fortfarande använda kalkylatorn, men du ser tydligt att batterierna behöver bytas.

Så jag använde en spänningsåterställningssupervisor med en 250nA strömförsörjning för att övervaka batterispänningen. Om den sjunker under 3V, går utgången låg. Den utgången är ansluten till en av spänningsväljarpinnarna på TPS62740 buck-regulatorn (det är därför jag behövde en programmerbar spänningsutgångskomponent) och orsakar att den börjar producera 2,1V istället för 2,5V. Med andra ord, batteri lågt, decimalpunkts-LEDs lyser, uppdrag slutfört!

Detta visade sig fungera ganska bra i praktiken, och 2,1V-tröskeln fungerade för alla HP-25-enheter som jag hade. Den enda begränsningen är att med de flesta LiPo-batterier kommer deras skyddskrets att klippa utgången strax under 3V, så du har inte mycket tid efter att dina punkter lyser upp.

Mina tester visade att 900mAh LiPo räcker för ungefär 10 timmars kontinuerlig användning, innan indikatorpunkterna för lågt batteri tänds, och för 10-20 minuter därefter. Tillräckligt bra för mig!

Allt som allt är jag mycket nöjd med resultatet av detta helgprojekt: mina HP-25 räknare (ja, jag har mer än en) är åter användbara och jag kan använda dem varje dag utan att oroa mig för batterier. Jag placerar dem bara på laddningsplattor då och då. Batterilivslängden är så bra att det räcker att göra detta en gång i månaden eller så.

Om du tänker på det, är det ganska fantastiskt att en 45 år gammal räknare fick ett nytt liv tack vare 2000-talets teknik!

Jan Rychter (grundare av PartsBox)

(Om du tyckte om att läsa detta och du arbetar med elektronik, kolla in PartsBox - det är ett oumbärligt verktyg för företag, och det är gratis för Hobbyister/Makare)