การแฮ็กสุดสัปดาห์: การชาร์จแบบไร้สายสำหรับเครื่องคิดเลข HP-25

หรือนำเครื่องคิดเลขอายุ 45 ปีเข้าสู่ศตวรรษที่ 21

HP-25 เป็นเครื่องคิดเลขที่ปฏิวัติวงการในยุคนั้น เปิดตัวในปี 1975 เป็นเครื่องคิดเลขวิศวกรรมที่ตั้งโปรแกรมได้เครื่องแรกที่มีราคาจับต้องได้ เมื่อเวลาผ่านไป รุ่นที่ก้าวหน้ากว่าก็ได้รับการพัฒนาขึ้นพร้อมฟังก์ชันการทำงานที่มากขึ้น แต่รุ่น 25 สร้างความสมดุลที่ดีเป็นพิเศษระหว่างฟีเจอร์ ขนาด และความสะดวกในการใช้งาน

ทุกวันนี้เราอยู่ในโลกที่แตกต่างไปจากเดิมมาก: เราทุกคนมีอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังหลายเครื่อง ไม่มีวิศวกรคนไหนจะพิจารณาการทำกราฟบนเครื่องคิดเลขในปัจจุบัน: เรามีคอมพิวเตอร์ที่ทำสิ่งนี้ได้เร็วกว่าและดีกว่า ในทำนองเดียวกันสำหรับการจัดการทางพีชคณิตหรือการคำนวณเชิงสัญลักษณ์ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่เรายังต้องการคือเครื่องคิดเลขทางวิศวกรรมที่ดี — อุปกรณ์ที่เข้าถึงได้ง่ายซึ่งสามารถทำการคำนวณง่ายๆ ได้อย่างรวดเร็วและมีจำนวนฟังก์ชันที่เหมาะสม

นี่คือเหตุผลที่ HP-25 กลับมาน่าสนใจอีกครั้ง หากคุณทำงานด้านอิเล็กทรอนิกส์หรือการออกแบบเครื่องกล คุณมักจะต้องทำงานกับสัญกรณ์วิทยาศาสตร์หรือวิศวกรรม และทำการคำนวณที่แอปเครื่องคิดเลขง่ายๆ บนโทรศัพท์ของคุณมีข้อจำกัดเกินไป ความสามารถในการโปรแกรมด้วยการกดปุ่มง่ายๆ หมายความว่าคุณสามารถทำให้งานเป็นอัตโนมัติได้อย่างรวดเร็ว: ตัวอย่างเช่น ฉันมักจะป้อนสูตรความต้านทานแบบขนานเป็นโปรแกรม ซึ่งเข้าถึงได้ด้วยการกดปุ่มเพียงครั้งเดียว ป้อนค่าความต้านทานสองค่า กด R/S และรับผลลัพธ์ HP-25 ได้รับการออกแบบโดยวิศวกร เพื่อวิศวกร และคุณจะรู้สึกได้เมื่อใช้งาน ที่สำคัญคือ มันพอดีกับฝ่ามือของคุณและสามารถใช้งานได้ด้วยมือเดียว ซึ่งไม่เป็นความจริงสำหรับเครื่องคิดเลข HP รุ่นหลังๆ ที่ยอดเยี่ยมหลายรุ่น (เช่น ซีรีส์ Voyager: HP-11C และ HP-15C)

HP-25 ที่ฉันมีถูกซื้อโดยพ่อของฉัน ในช่วงเวลาที่ฉันเกิด ฉันสนุกกับการใช้มันเสมอ แต่เครื่องคิดเลขซีรีส์นี้ทั้งหมด (ขนานนามว่า "Woodstock") ถูกจำกัดด้วยการออกแบบแพ็คแบตเตอรี่ แพ็คแบตเตอรี่เดิมประกอบด้วยเซลล์ NiCd แบบปิดผนึกสองเซลล์ ซึ่งแน่นอนว่าเสื่อมสภาพไปหลายปีแล้ว คนส่วนใหญ่เปลี่ยนเซลล์ NiCd ด้วยของใหม่ จากนั้นก็เป็นเซลล์ NiMh หรือแม้แต่แบตเตอรี่อัลคาไลน์ AA สิ่งนี้เป็นปัญหาเสมอ: แบตเตอรี่รุ่นใหม่มีขนาดใหญ่กว่าเล็กน้อยและไม่เคยใส่ได้พอดี นอกจากนี้ การใช้พลังงานของเครื่องคิดเลขที่มีจอแสดงผล LED นั้นสูงมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่บ่อยครั้ง

HP-25 จัดส่งมาพร้อมกับ "ที่ชาร์จ" (จริงๆ แล้วเป็นเพียงหม้อแปลง) แต่วงจรการชาร์จนั้นแย่มาก: ที่ชาร์จที่ไม่มีโหลดจ่ายไฟ 10V AC: แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าที่เครื่องคิดเลขจะรับได้ โดยสมมติว่าเซลล์แบตเตอรี่ NiCd ที่เชื่อมต่อจะยึดแรงดันไฟฟ้าไว้ วงจรการชาร์จทั้งหมดประกอบด้วยไดโอดและตัวต้านทาน! หากเซลล์ของคุณสัมผัสไม่ถูกต้อง หรือหากคุณเชื่อมต่อที่ชาร์จโดยไม่ได้ใส่ชุดแบตเตอรี่ เครื่องคิดเลขของคุณจะพัง

ฉันตัดสินใจว่าควรทำอะไรสักอย่างเพื่อให้ HP-25 ของฉันใช้งานได้ทุกวัน ดังนั้นฉันจึงเริ่มออกแบบชุดแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ซึ่งมาแทนที่ของเดิม แต่ใช้แบตเตอรี่ Li-Po สมัยใหม่ และมีการชาร์จแบบไร้สาย Qi/WPC พร้อมระบบสำรองผ่าน USB

ตอนนี้ฉันมีเครื่องคิดเลขวิศวกรรมที่สมบูรณ์แบบ ซึ่งมีอายุ 45 ปีแล้ว แต่ยังคงวางอยู่บนแท่นชาร์จ Qi และชาร์จไฟได้อย่างมีความสุข หากฉันไม่มีแท่นชาร์จ ฉันสามารถถอดชุดแบตเตอรี่ออกและใช้ขั้วต่อ micro-USB ที่ด้านข้างเพื่อชาร์จได้ แต่ปรากฏว่าการชาร์จไม่ได้จำเป็นบ่อยขนาดนั้น — LiPo 900mAh ให้พลังงานเพียงพอสำหรับหลายสัปดาห์ด้วยการใช้งานของฉัน

สมมติฐานการออกแบบคือ:

• ควรแทนที่ชุดแบตเตอรี่เดิมได้
• ไม่มีการดัดแปลงตัวเครื่องคิดเลข
• การชาร์จไร้สาย WPC/Qi
• ขั้วต่อ Micro-USB สำหรับการชาร์จแบบมีสาย
• แบตเตอรี่ Li-Po ที่ใช้งานได้ปกติอย่างน้อยหลายวัน
• ไฟแสดงสถานะแบตเตอรี่ต่ำ

ฉันออกแบบกล่องใส่แบตเตอรี่ใน Fusion 360 โดยวัดขนาดจากแพ็คแบตเตอรี่เดิม ซึ่งปรากฏว่าไม่ใช่เรื่องง่าย: แพ็คเดิมถูกออกแบบมาสำหรับการฉีดขึ้นรูป (injection molding) และมุมลาดเอียง (draft angles) ทำให้รูปทรงซับซ้อน เนื่องจากฉันไม่ได้วางแผนที่จะผลิตจำนวนมาก ฉันจึงไม่สนใจเรื่องการออกแบบสำหรับการฉีดขึ้นรูปและสมมติว่าจะใช้การพิมพ์ 3 มิติแบบ SLS (Selective Laser Sintering) นี่คือเหตุผลที่กล่องใส่แบตเตอรี่ของฉันเปิดแตกต่างจากของเดิม โดยให้การเข้าถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และแบตเตอรี่ได้ดีกว่า แต่ต้องแลกกับการที่ไม่สามารถฉีดขึ้นรูปได้

ไม่ได้ใช้ตัวยึดใดๆ: คลิปสปริงธรรมดาก็เพียงพอที่จะยึดฝาครอบให้เข้าที่ และแพ็คนี้ก็ถูกใช้ในเครื่องคิดเลขเกือบตลอดเวลาอยู่แล้ว ดังนั้นจึงไม่มีความเสี่ยงที่ฝาครอบจะเปิดออก

เครื่องคิดเลขปกติใช้พลังงานจากเซลล์ NiCd สองก้อน ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้า 1.2V ต่อก้อน ฉันตัดสินใจผลิต 2.5V แทนที่จะเป็น 2.4V โดยสมมติว่า 0.1V ที่เพิ่มขึ้นจะไม่ทำให้อะไรเสียหาย (เพราะหลายคนใช้เครื่องคิดเลขกับเซลล์อัลคาไลน์ ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้า 1.25V) และแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นจะทำให้วงจร boost converter ในเครื่องคิดเลขมีประสิทธิภาพมากขึ้นเล็กน้อย

ฉันตัดสินใจใช้หนึ่งในตัวควบคุม buck พลังงานต่ำที่ทันสมัยจาก Texas Instruments (TPS62740) กระแสไฟฟ้านิ่งขณะทำงานที่ต่ำเพียง 360nA หมายความว่าฉันไม่ต้องกังวลกับการมีสวิตช์เปิด/ปิด มีตัวควบคุมที่มีกระแสไฟฟ้านิ่งต่ำกว่านี้ (แม้กระทั่งต่ำถึง 60nA!) แต่ฉันต้องการให้มีเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าที่ตั้งโปรแกรมได้ — อ่านต่อเพื่อเรียนรู้ว่าทำไม

สำหรับ WPC/Qi ฉันเลือกใช้ bq51050B (Texas Instruments) และขดลวดจาก Wuerth Elektronik สิ่งนี้พิสูจน์แล้วว่าท้าทายกว่าที่ฉันคิดมาก: การออกแบบอุปกรณ์ที่มีการชาร์จแบบไร้สายนั้นยาก ต้องใช้ต้นแบบหลายชิ้นและอุปกรณ์วัดที่ฉันไม่มี ในท้ายที่สุด ฉันเลือกการตัดสินใจออกแบบที่อาจไม่เหมาะสมที่สุด แต่ในกรณีนี้ (ด้วยความต้องการพลังงานต่ำ) ให้ประสิทธิภาพที่ยอมรับได้ พูดง่ายๆ คือฉันด้นสด สิ่งนี้ยากขึ้นบ้างเนื่องจากเอกสารของ bq51050B นั้นน่าผิดหวังและไม่ได้มาตรฐานของ TI จริงๆ

บอร์ดยังมีพอร์ต Micro-USB สำหรับการชาร์จแบบมีสาย, IC ควบคุมการชาร์จ (MCP73832 ยอดนิยม), คู่ MOSFET ที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์สำหรับพลังงาน USB, การป้องกัน ESD จำนวนมากสำหรับขั้วต่อที่เปิดเผย และเทอร์มิสเตอร์แบบแยกส่วนเพื่อตรวจสอบอุณหภูมิแบตเตอรี่ เนื่องจาก LiPos ราคาถูกจำนวนมากมาโดยไม่มีเทอร์มิสเตอร์หรือมีเทอร์มิสเตอร์ที่ไม่ตรงกับสิ่งที่ IC การชาร์จคาดหวัง

การออกแบบตัวบ่งชี้แบตเตอรี่ต่ำเป็นความท้าทายที่น่าสนใจ หากสมมติว่าแรงดันไฟฟ้าเป็นตัวแทนของประจุแบตเตอรี่ (ซึ่งไม่จริงทั้งหมดสำหรับเซลล์ LiPo) คุณจะวัดแรงดันไฟฟ้าโดยไม่ดึงพลังงานตลอดเวลาและทำให้แบตเตอรี่หมดในกระบวนการได้อย่างไร? โปรดจำไว้ว่างบประมาณพลังงานของเราสำหรับสิ่งนี้อยู่ในระดับนาโนแอมป์: การดึงพลังงานขณะสงบนิ่ง (quiescent power draw) ของอุปกรณ์ทั้งหมดควรต่ำกว่า 1μA

เนื่องจากอุปกรณ์ IC สำหรับนับคูลอมบ์มีราคาแพงเกินไปและมักจะมาในแพ็คเกจ BGA ที่ใช้งานยาก และเนื่องจากฉันไม่ต้องการทำให้การออกแบบซับซ้อนเกินไป ฉันจึงต้องหาสิ่งที่ง่ายกว่า

โซลูชันที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถออกแบบได้ แต่เป็นครั้งแรกในรอบหลายปีที่ฉันต้องการออกแบบอุปกรณ์ โดยไม่มี ไมโครคอนโทรลเลอร์และซอฟต์แวร์

นอกจากนี้ คุณจะแสดงผลลัพธ์อย่างไร? คุณไม่สามารถเปิดไฟ LED ได้ เพราะนั่นจะกินพลังงานที่เหลืออยู่อย่างรวดเร็ว โดยอาจไม่มีใครมองที่ตัวบ่งชี้ด้วยซ้ำ ปุ่ม "ตรวจสอบแบตเตอรี่"? เป็นไปได้ แต่สิ่งเหล่านี้ทำให้การออกแบบทางกลซับซ้อนขึ้นอย่างมาก

ใช้เวลาสักพัก แต่ฉันก็หาวิธีแก้ปัญหาได้

ฉันตระหนักว่าเครื่องคิดเลข มี ตัวบ่งชี้แบตเตอรี่ต่ำในตัว เมื่อแรงดันแบตเตอรี่ลดลงต่ำกว่าเกณฑ์ (ซึ่งฉันวัดได้ 2.1V) หน้าจอ LED จะสว่างจุดทศนิยมทั้งหมด ยกเว้นจุดที่ควรจะทำงานตามปกติ ด้วยจุดทศนิยมที่ "กลับด้าน" ในลักษณะนี้ คุณยังสามารถใช้เครื่องคิดเลขได้ แต่คุณจะเห็นได้ชัดเจนว่าจำเป็นต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่

ดังนั้น ฉันจึงใช้ตัวตรวจสอบแรงดันไฟฟ้า (รีเซ็ต) ที่มีกระแสไฟเลี้ยง 250nA เพื่อตรวจสอบแรงดันแบตเตอรี่ หากต่ำกว่า 3V เอาต์พุตจะต่ำลง เอาต์พุตนั้นเชื่อมต่อกับหนึ่งในพินเลือกแรงดันไฟฟ้าบนตัวควบคุมบั๊ก TPS62740 (นี่คือเหตุผลที่ฉันต้องการชิ้นส่วนเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าที่ตั้งโปรแกรมได้) และทำให้เริ่มผลิต 2.1V แทนที่จะเป็น 2.5V กล่าวอีกนัยหนึ่ง แบตเตอรี่ต่ำ ไฟ LED จุดทศนิยมสว่างขึ้น ภารกิจสำเร็จ!

ปรากฏว่าใช้งานได้ดีทีเดียวในทางปฏิบัติ และเกณฑ์ 2.1V ก็ใช้ได้กับเครื่อง HP-25 ทุกเครื่องที่ฉันมี ข้อจำกัดเพียงอย่างเดียวคือแบตเตอรี่ LiPo ส่วนใหญ่ วงจรป้องกันจะตัดเอาต์พุตที่ต่ำกว่า 3V เล็กน้อย ดังนั้นคุณจึงมีเวลาไม่มากหลังจากจุดไฟติด

การทดสอบของฉันแสดงให้เห็นว่า LiPo 900mAh เพียงพอสำหรับการใช้งานต่อเนื่องประมาณ 10 ชั่วโมง ก่อนที่จุดแสดงสถานะแบตเตอรี่ต่ำจะสว่างขึ้น และใช้งานได้ต่ออีก 10-20 นาทีหลังจากนั้น ดีพอสำหรับฉัน!

โดยรวมแล้ว ฉันมีความสุขมากกับผลลัพธ์ของโปรเจกต์แฮ็กสุดสัปดาห์นี้: เครื่องคิดเลข HP-25 ของฉัน (ใช่ ฉันมีมากกว่าหนึ่งเครื่อง) กลับมามีประโยชน์อีกครั้งและฉันสามารถใช้มันได้ทุกวันโดยไม่ต้องกังวลเรื่องแบตเตอรี่ ฉันแค่วางมันบนแท่นชาร์จเป็นครั้งคราว อายุการใช้งานแบตเตอรี่ดีมาก จนการทำเช่นนี้เดือนละครั้งก็เพียงพอแล้ว

หากคุณลองคิดดู มันน่าทึ่งมากที่เครื่องคิดเลขเก่าแก่ 45 ปีได้รับชีวิตใหม่ด้วยเทคโนโลยีศตวรรษที่ 21!

Jan Rychter (ผู้ก่อตั้ง PartsBox)

(หากคุณสนุกกับการอ่านสิ่งนี้และคุณทำงานกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ โปรดลองดู PartsBox — มันเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้สำหรับบริษัท และฟรีสำหรับนักประดิษฐ์/ผู้สร้าง)