Helghackande: trådlös laddning för en HP-25-kalkylator

Eller, att ta en 45 år gammal miniräknare in i 2000-talet.

HP-25 var en revolutionerande miniräknare för sin tid. Den introducerades 1975 och var den första prisvärda programmerbara ingenjörsräknaren. Allteftersom åren gick utvecklades mer avancerade modeller med mer funktionalitet. Men 25:an träffade en särskilt bra balans mellan funktioner, storlek och användarvänlighet.

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

Det är därför HP-25 börjar bli attraktiv igen. Om du arbetar med elektronik eller mekanisk konstruktion 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 tangenttryckningsbaserade programmerbarheten innebär att du snabbt kan automatisera uppgifter: jag har till exempel ofta formeln för parallellresistans inlagd som ett program, tillgängligt med en enda tangenttryckning. Ange två resistanser, tryck på R/S och få resultatet. HP-25 designades av ingenjörer, för ingenjörer, och det känns när du använder den. Viktigt är att den passar bra i handflatan och kan användas med en hand, vilket inte gäller för många annars utmärkta senare HP-kalkylatorer (som Voyager-serien: HP-11C och HP-15C).

Den HP-25 jag har köptes av min pappa, ungefär vid den tidpunkt då jag föddes. Jag tyckte alltid om att använda den, men hela denna serie av miniräknare (kallad "Woodstock") begränsades av batteripackets design. Det ursprungliga batteripacket innehöll två förseglade NiCd-celler, som uppenbarligen slutade fungera 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: nyare batterier var något större och passade aldrig riktigt bra. Dessutom var strömförbrukningen för en miniräknare med LED-display betydande, så frekventa batteribyten krävdes.

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

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

Jag har nu den perfekta ingenjörskalkylatorn, som är 45 år gammal men ändå sitter glatt på en Qi-laddplatta och laddas. 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 behövs laddning faktiskt inte så ofta — en 900mAh LiPo ger tillräckligt med energi för många veckor med min användning.

Designantagandena var:

• Bör ersätta det ursprungliga batteripaketet
• Inga modifieringar av själva kalkylatorn
• WPC/Qi trådlös laddning
• Micro-USB-kontakt för trådbunden laddning
• Li-Po-batteri som räcker i minst flera dagar vid normal användning
• Indikator för lågt batteri

Jag designade batteripackshöljet i Fusion 360 genom att ta mått på det ursprungliga batteripacket. Det visade sig inte vara enkelt: originalpacket var designat för formsprutning, och släppvinklar komplicerade geometrin. Eftersom jag inte planerar att massproducera dessa, brydde jag mig inte om att designa för formsprutning utan antog 3D-utskrift med SLS (Selective Laser Sintering). Det är därför mitt batteripack öppnas annorlunda än originalet, 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 packet används i kalkylatorn större delen av tiden ändå, så det finns ingen risk att locket öppnas.

Kalkylatorn 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, under antagandet att de extra 0,1V inte skulle skada något (många har trots allt använt sina kalkylatorer med alkaliska celler, som har en spänning på 1,25V), och den ökade spänningen skulle göra boost-omvandlaren i kalkylatorn något mer effektiv.

Jag bestämde mig för att använda en av de moderna lågeffekts buck-kontrollerna från Texas Instruments (TPS62740). Dess låga viloström på 360nA innebar att jag inte behövde oroa mig för att ha en på/av-knapp. Det finns kontroller med lägre viloström (till och med ner till 60nA!), men jag ville ha programmerbar spänningsutgång — läs vidare för att få veta varför.

För WPC/Qi valde jag bq51050B (Texas Instruments) och en spole från Würth 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 valde jag designbeslut som kanske inte är optimala, men som i detta fall (med låga effektkrav) ger acceptabel prestanda. Med andra ord, jag improviserade. Detta försvårades något av det faktum att dokumentationen för bq51050B är en besvikelse och inte riktigt uppfyller TI:s standard.

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

Att designa en indikator för lågt batteri var en intressant utmaning. Om man antar att spänning är en indikator för batteriladdning (vilket inte är helt sant för LiPo-celler), hur mäter man spänningen utan att dra ström konstant och ladda ur batteriet i processen? Tänk på att vår energibudget för detta är i nano-ampere: viloströmsförbrukningen för hela enheten bör vara under 1μA.

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

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

Dessutom, hur visar du resultatet? Du kan inte tända en lysdiod, eftersom det snabbt skulle äta upp den återstående energin, möjligen utan att någon ens tittar på indikatorn. En "batterikontroll"-knapp? Möjligen, men dessa komplicerar den mekaniska designen avsevärt.

Det tog ett tag, men jag kom på en lösning.

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

Så jag använde en spänningsövervakare (reset) med en matningsström på 250nA för att övervaka batterispänningen. Om den faller under 3V går utgången låg. Den utgången är ansluten till en av spänningsväljarpinnarna på TPS62740 buck-regulatorn (det är därför jag behövde en komponent med programmerbar spänningsutgång) och får den att börja producera 2,1V istället för 2,5V. Med andra ord, lågt batteri, decimalpunkts-LED:erna tänds, uppdraget slutfört!

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

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

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

Om man tänker efter är det ganska fantastiskt att en 45 år gammal kalkylator fick nytt liv tack vare 2000-talets teknik!

Jan Rychter (PartsBox grundare)

(Om du gillade att läsa detta och arbetar med elektronik, kolla in PartsBox — det är ett oumbärligt verktyg för företag, och det är gratis för hobbyister/makers)