Hafta sonu hack'i: HP-25 hesap makinesi için kablosuz şarj

Veya, 45 yıllık bir hesap makinesini 21. yüzyıla taşımak.

HP-25, zamanı için devrim niteliğinde bir hesap makinesiydi. 1975'te tanıtılan bu cihaz, ilk uygun fiyatlı programlanabilir mühendislik hesap makinesiydi. Yıllar geçtikçe, daha fazla işlevselliğe sahip daha gelişmiş modeller geliştirildi. Ancak 25, özellikler, boyut ve kullanım kolaylığı arasında özellikle iyi bir denge kurdu.

Bugün çok farklı bir dünyada yaşıyoruz: hepimizin birden fazla güçlü bilgi işlem cihazı var. Hiçbir mühendis bugün bir hesap makinesinde grafik çizmeyi düşünmez bile: bunu daha hızlı ve daha iyi yapabilen bilgisayarlarımız var. Cebirsel işlemler veya sembolik hesaplama için de benzer şekilde. Ancak yine de ihtiyacımız olan şey iyi bir mühendislik hesap makinesidir; basit hesaplamaları hızlı bir şekilde yapabilen ve tam olarak doğru sayıda fonksiyona sahip, kolayca erişilebilir bir cihaz.

HP-25'in yeniden cazip hale gelmesinin nedeni budur. Elektronik veya mekanik tasarımla uğraşıyorsanız, genellikle bilimsel veya mühendislik notasyonuyla çalışmanız ve telefonunuzdaki basit hesap makinesi uygulamalarının çok sınırlı kaldığı hesaplamalar yapmanız gerekir. Basit tuş vuruşu tabanlı programlanabilirlik, görevleri hızlı bir şekilde otomatikleştirebileceğiniz anlamına gelir: örneğin, paralel direnç formülünü genellikle tek bir tuş vuruşuyla erişilebilen bir program olarak girerim. İki direnç girin, R/S tuşuna basın ve sonucu alın. HP-25 mühendisler tarafından mühendisler için tasarlandı ve kullandığınızda bunu hissediyorsunuz. Daha da önemlisi, avucunuza iyi oturur ve tek elle kullanılabilir; bu, diğer mükemmel sonraki HP hesap makinelerinin çoğu için (Voyager serisi: HP-11C ve HP-15C gibi) geçerli değildir.

Sahip olduğum HP-25, ben doğduğum sıralarda babam tarafından satın alınmıştı. Kullanmaktan her zaman keyif aldım, ancak bu hesap makinesi serisi ("Woodstock" olarak adlandırılır) pil takımı tasarımıyla sınırlıydı. Orijinal pil takımı iki adet sızdırmaz NiCd hücresi içeriyordu ve bunlar doğal olarak yıllar önce bozuldu. Çoğu insan NiCd hücrelerini yenileriyle, ardından NiMh hücreleriyle ve hatta alkalin AA pillerle değiştirdi. Bu her zaman sorunluydu: yeni piller biraz daha büyüktü ve asla tam olarak sığmıyordu. Ayrıca, LED ekranlı bir hesap makinesinin güç tüketimi önemliydi, bu nedenle sık sık pil değişimi gerekiyordu.

HP-25 bir "şarj cihazı" (aslında sadece bir transformatör) ile gönderildi, ancak şarj devresi korkunçtu: yüksüz şarj cihazı 10V AC sağlıyordu: bağlı NiCd pil hücrelerinin voltajı kenetleyeceği varsayımıyla, hesap makinesinin kaldırabileceğinden daha yüksek bir voltaj. Tüm şarj devresi bir diyot ve bir dirençten oluşuyordu! Hücreleriniz düzgün temas etmiyorsa veya pil takımı takılı olmadan bir şarj cihazı bağlarsanız, hesap makineniz yanardı.

HP-25'imi her gün kullanılabilir hale getirmek için bir şeyler yapmam gerektiğine karar verdim. Bu yüzden, orijinalinin yerini alan ancak modern bir Li-Po pil kullanan ve USB yedekli Qi/WPC kablosuz şarj özelliğine sahip şarj edilebilir bir pil takımı tasarlamak için yola çıktım.

Artık 45 yaşında olan ve yine de bir Qi güç pedi üzerinde mutlu bir şekilde durup şarj olan mükemmel bir mühendislik hesap makinem var. Eğer bir pedim yoksa, pil paketini çıkarabilir ve şarj etmek için yan taraftaki mikro-USB konektörünü kullanabilirim. Ancak ortaya çıktığı üzere, şarj etmeye aslında o kadar sık ihtiyaç duyulmuyor — 900mAh'lik bir LiPo, benim kullanımımla haftalarca yetecek enerji sağlıyor.

Tasarım varsayımları şunlardı:

• Orijinal pil takımının yerini almalı
• Hesap makinesinin kendisinde değişiklik yapılmamalı
• WPC/Qi kablosuz şarj
• Kablolu şarj için mikro USB konektörü
• Normal kullanımda en az birkaç gün dayanan Li-Po pil
• Düşük pil göstergesi

Pil paketi muhafazasını Fusion 360'ta tasarladım ve orijinal pil paketinin ölçümlerini aldım. Bunun basit olmadığı ortaya çıktı: orijinal paket enjeksiyon kalıplama için tasarlanmıştı ve kalıp açısı geometrisini karmaşıklaştırıyordu. Bunları seri üretmeyi planlamadığım için, enjeksiyon kalıplama için tasarlamakla uğraşmadım ve SLS (Seçici Lazer Sinterleme) kullanarak 3D baskı yapılacağını varsaydım. Bu yüzden pil paketim orijinalinden farklı açılıyor, elektroniklere ve pile daha iyi erişim sağlıyor, ancak enjeksiyonla kalıplanabilme özelliğinden feragat ediyor.

Hiçbir bağlantı elemanı kullanılmadı: kapağı yerinde tutmak için basit bir yaylı klips yeterlidir ve paket çoğu zaman hesap makinesinin içinde kullanılır, bu nedenle kapağın açılma riski yoktur.

Hesap makinesi normalde her biri 1.2V voltaja sahip iki NiCd pil ile çalışıyordu. 2.4V yerine 2.5V üretmeye karar verdim, fazladan 0.1V'un hiçbir şeye zarar vermeyeceğini varsayarak (sonuçta birçok insan hesap makinelerini 1.25V voltaja sahip alkalin pillerle kullanıyor) ve artan voltajın hesap makinesindeki yükseltici dönüştürücüyü (boost converter) biraz daha verimli hale getireceğini düşündüm.

Texas Instruments'ın modern düşük güçlü buck kontrolcülerinden birini (TPS62740) kullanmaya karar verdim. Düşük 360nA çalışma sükunet akımı, bir açma/kapama anahtarına sahip olma konusunda endişelenmeme gerek olmadığı anlamına geliyordu. Daha düşük sükunet akımına sahip kontrolcüler var (hatta 60nA'ya kadar!), ancak programlanabilir voltaj çıkışına sahip olmak istedim — nedenini öğrenmek için okumaya devam edin.

WPC/Qi için bq51050B (Texas Instruments) ve Wuerth Elektronik'ten bir bobin kullandım. Bu düşündüğümden çok daha zorlu oldu: kablosuz şarjlı cihazlar tasarlamak zordur, birden fazla prototip ve bende olmayan ölçüm ekipmanları gerektirir. Sonunda, optimal olmayabilecek ancak bu durumda (düşük güç gereksinimleriyle) kabul edilebilir performans sağlayan tasarım kararlarıyla ilerledim. Başka bir deyişle, doğaçlama yaptım. Bu durum, bq51050B dokümantasyonunun hayal kırıklığı yaratması ve gerçekten TI standartlarında olmaması nedeniyle biraz daha zorlaştı.

Kartta ayrıca kablolu şarj için bir Mikro-USB bağlantı noktası, bir şarj kontrol entegresi (popüler MCP73832), USB gücü için anahtar görevi gören bir MOSFET çifti, açıkta kalan terminaller için bir dizi ESD koruması ve pil sıcaklığını izlemek için ayrı bir termistör bulunur; çünkü birçok ucuz LiPo termistörsüz veya şarj entegresinin beklediğiyle eşleşmeyen bir termistörle gelir.

Düşük pil göstergesi tasarlamak ilginç bir zorluktu. Voltajın pil şarjı için bir vekil olduğunu varsayarsak (ki bu LiPo hücreleri için tamamen doğru değildir), sürekli güç çekmeden ve bu süreçte pili boşaltmadan voltajı nasıl ölçersiniz? Bunun için güç bütçemizin nano-amper cinsinden olduğunu unutmayın: tüm cihazın sükunet akımı çekişi 1μA'nın altında olmalıdır.

Coulomb sayma entegre devre cihazları çok pahalı olduğundan ve genellikle kullanıcı dostu olmayan BGA paketlerinde geldiğinden, ayrıca tasarımı aşırı karmaşıklaştırmak istemediğimden, daha basit bir şey bulmam gerekiyordu.

Mikrodenetleyici tabanlı bir çözüm tasarlanabilirdi, ancak yıllar sonra ilk kez mikrodenetleyici ve yazılım olmadan bir cihaz tasarlamak istedim.

Ayrıca, sonucu nasıl görüntülersiniz? Bir LED yakamazsınız, çünkü bu kalan enerjiyi hızla tüketir, muhtemelen kimse göstergeye bakmıyordur bile. Bir "pil kontrol" düğmesi mi? Belki, ama bunlar mekanik tasarımı önemli ölçüde karmaşıklaştırır.

Biraz zaman aldı ama bir çözüm buldum.

Hesap makinesinin aslında yerleşik bir düşük pil göstergesine sahip olduğunu fark ettim. Pil voltajı bir eşiğin altına düştüğünde (bunu 2.1V olarak ölçtüm), LED ekran normalde aktif olması gereken hariç tüm ondalık noktaları yakıyor. Ondalık noktalar bu şekilde "tersine çevrildiğinde", hesap makinesini kullanmaya devam edebilirsiniz, ancak pillerin değiştirilmesi gerektiğini açıkça görürsünüz.

Bu yüzden, pil voltajını izlemek için 250nA besleme akımına sahip bir voltaj (sıfırlama) denetleyicisi kullandım. 3V'un altına düşerse çıkış düşer. Bu çıkış, TPS62740 buck regülatöründeki voltaj seçici pinlerden birine bağlıdır (bu yüzden programlanabilir bir voltaj çıkış bileşenine ihtiyacım vardı) ve 2.5V yerine 2.1V üretmeye başlamasına neden olur. Başka bir deyişle, pil zayıf, ondalık nokta LED'leri yanar, görev tamamlandı!

Bunun pratikte oldukça iyi çalıştığı ortaya çıktı ve 2.1V eşiği elimdeki tüm HP-25 üniteleri için çalıştı. Tek sınırlama, çoğu LiPo pil ile koruma devrelerinin çıkışı 3V'un hemen altında kesecek olmasıdır, bu nedenle noktalarınız yandıktan sonra fazla zamanınız kalmaz.

Testlerim, 900mAh LiPo'nun düşük pil gösterge noktaları yanmadan önce yaklaşık 10 saatlik sürekli kullanım için ve sonrasında 10-20 dakika daha yeterli olduğunu gösterdi. Benim için yeterince iyi!

Sonuç olarak, bu hafta sonu hackleme projesinin sonucundan çok memnunum: HP-25 hesap makinelerim (evet, birden fazla var) tekrar kullanışlı hale geldi ve piller hakkında endişelenmeden her gün kullanabiliyorum. Sadece zaman zaman şarj pedlerine yerleştiriyorum. Pil ömrü o kadar iyi ki, bunu ayda bir kez yapmak yeterli oluyor.

Düşündüğünüzde, 45 yıllık bir hesap makinesinin 21. yüzyıl teknolojisi sayesinde yeni bir hayata kavuşması oldukça şaşırtıcı!

Jan Rychter (PartsBox kurucusu)

(Bunu okumaktan keyif aldıysanız ve elektronikle çalışıyorsanız, lütfen PartsBox'a göz atın — şirketler için vazgeçilmez bir araçtır ve Hobiciler/Yapımcılar için ücretsizdir)