Hafta sonu hacklemesi: HP-25 hesap makinesi için kablosuz şarj

Veya, 45 yaşındaki bir hesap makinesini 21. yüzyıla getirmek.

HP-25, zamanının devrim niteliğinde bir hesap makinesiydi. 1975'te tanıtıldığında, 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 bilgisayar cihazı var. Hiçbir mühendis bugün hesaplamaları bir hesap makinesi üzerinde yapmayı düşünmez: bunu daha hızlı ve daha iyi yapabilen bilgisayarlarımız var. Benzer şekilde cebirsel manipülasyonlar veya sembolik hesaplama için de geçerlidir. Ancak, hala ihtiyacımız olan şey, basit hesaplamaları hızlı bir şekilde yapabilen ve tam doğru sayıda fonksiyona sahip kolayca erişilebilir bir mühendislik hesap makinesidir.

HP-25'in tekrar cazip hale gelmesinin nedeni budur. Elektronik veya mekanik tasarım ile çalışıyorsanız, genellikle bilimsel veya mühendislik notasyonu ile çalışmanız ve telefonunuzdaki basit hesap makinesi uygulamalarının çok sınırlı olduğu hesaplamalar yapmanız gerekir. Basit tuş vuruşu tabanlı programlama, görevleri hızlı bir şekilde otomatikleştirmenizi sağlar: örneğin, genellikle paralel direnç formülünü tek bir tuş vuruşuyla erişilebilen bir program olarak girerim. İki direnç girin, R/S'ye basın ve sonucu alın. HP-25, mühendisler tarafından mühendisler için tasarlandı ve bunu kullanırken hissedersiniz. Önemlisi, avucunuza iyi oturur ve tek el ile kullanılabilir, bu da birçok aksi takdirde mükemmel olan daha sonraki HP hesap makineleri (Voyager serisi: HP-11C ve HP-15C gibi) için geçerli değildir.

Benim olan HP-25'i babam, ben doğduğum zaman almıştı. Her zaman kullanmayı sevdim, ancak bu hesap makinesi serisi ("Woodstock" olarak adlandırıldı) pil paketi tasarımıyla sınırlıydı. Orijinal pil paketi, yıllar önce bozulan iki adet mühürlü NiCd hücresi içeriyordu. Çoğu insan NiCd hücrelerini yenileriyle değiştirdi, sonra NiMh hücreleriyle ve hatta alkalin AA pillerle değiştirdi. Bu her zaman sorunluydu: yeni piller biraz daha büyüktü ve hiçbir zaman iyi oturmazdı. Ayrıca, LED ekranlı bir hesap makinesinin güç tüketimi önemliydi, bu yüzden sık pil değişiklikleri gerekiyordu.

HP-25, bir "şarj cihazı" (gerçekte sadece bir transformatör) ile gönderildi, ancak şarj devresi korkunçtu: yüksüz şarj cihazı 10V AC sağladı: hesap makinesinin kaldırabileceğinden daha yüksek bir voltaj, bağlı NiCd pil hücrelerinin voltajı sınırlayacağı varsayımıyla. Tüm şarj devresi bir diyot ve bir dirençten oluşuyordu! Hücreleriniz düzgün temas kurmuyorsa veya pil paketi takılmadan şarj cihazını bağlarsanız, hesap makineniz yanardı.

HP-25'i her gün kullanılabilir hale getirmek için bir şeyler yapmam gerektiğine karar verdim. Bu yüzden, orijinalini değiştiren, ancak modern bir Li-Po pil kullanan ve Qi/WPC kablosuz şarjı ile USB yedeklemesi olan bir şarj edilebilir pil paketi tasarlamaya koyuldum.

Artık 45 yaşında olmasına rağmen mükemmel bir mühendislik hesap makinesine sahibim ve Qi güç pedi üzerinde mutlu bir şekilde oturuyor ve şarj oluyor. Bir pedim yoksa, pil paketini çıkarabilir ve yan taraftaki mikro-USB konektörünü kullanarak şarj edebilirim. Ancak ortaya çıktığı gibi, şarj etmek o kadar da sık gerekmiyor - 900mAh LiPo, kullanımımla birlikte birkaç hafta boyunca yeterli enerji sağlıyor.

Tasarım varsayımları şunlardı:

• Orijinal pil paketini değiştirmelidir
• Hesap makinesine kendisine hiçbir değişiklik yapılmamalıdır
• WPC/Qi kablosuz şarj
• Kablolu şarj için Mikro-USB bağlantısı
• Normal kullanımda en az birkaç gün süren Li-Po pil
• Düşük pil göstergesi

Pil paketi muhafazasını Fusion 360'ta, orijinal pil paketinin ölçümlerini alarak tasarladım. Bu basit olmadı: orijinal paket enjeksiyon kalıplama için tasarlanmıştı ve eğim açıları geometriyi karmaşıklaştırdı. Bunları toplu üretmeyi planlamadığım için, enjeksiyon kalıplama için tasarlamakla uğraşmadım ve SLS (Seçici Lazer Sinterleme) kullanarak 3D baskı varsaydım. Bu yüzden pil paketim orijinalinden farklı açılıyor, elektroniklere ve pile daha iyi erişim sağlıyor ama enjeksiyon kalıplanabilme özelliğinden feragat ediyor.

Kullanılan hiçbir bağlantı elemanı yok: basit bir yay klipsi, kapağı yerinde tutmak için yeterlidir ve paket zaten çoğu zaman hesap makinesinde kullanıldığından, kapağın açılma riski yoktur.

Hesap makinesi normalde iki adet NiCd hücresi ile çalışıyordu, her birinin voltajı 1.2V idi. Ben ise 2.4V yerine 2.5V üretmeye karar verdim, ek 0.1V'nin bir zararı olmayacağını varsaydım (sonuçta birçok kişi hesap makinelerini 1.25V voltajında alkalin hücreler ile kullanıyor), ve artırılan voltajın hesap makinesindeki boost dönüştürücüyü biraz daha verimli hale getireceğini düşündüm.

Texas Instruments'tan modern düşük güçlü buck kontrolörlerinden birini kullanmaya karar verdim (TPS62740). Düşük 360nA çalışma bekleme akımı, açma/kapama düğmesi hakkında endişelenmem gerekmeyeceği anlamına geliyordu. Daha düşük bekleme akımına sahip kontrolörler var (60nA'ya kadar düşük!), ancak programlanabilir voltaj çıkışı istediğim için okumaya devam edin.

WPC/Qi için, Texas Instruments'tan bq51050B ve Wuerth Elektronik'ten bir bobin seçtim. Düşündüğümden çok daha zorlayıcı oldu: kablosuz şarj ile cihaz tasarlamak zordur, birden fazla prototip ve sahip olmadığım ölçüm ekipmanları gerektirir. Sonunda, bu durumda (düşük güç gereksinimleri ile) kabul edilebilir performans sağlayan, optimal olmayabilecek tasarım kararları aldım. Başka bir deyişle, işi yarım yamalak hallettim. Bu, bq51050B dokümantasyonunun hayal kırıklığı yaratan ve TI'ın standartlarına gerçekten ulaşamayan bir durumda olmasıyla biraz daha zorlaştı.

Kart ayrıca kablolu şarj için bir Mikro-USB bağlantı noktasına, popüler MCP73832 olan bir şarj kontrolcü IC'ye, USB gücü için bir anahtar olarak hareket eden bir MOSFET çiftine, maruz kalan terminaller için bir sürü ESD korumasına ve birçok ucuz LiPo'nun termistör olmadan veya şarj IC'sinin beklediğiyle eşleşmeyen bir termistörle gelmesi nedeniyle pil sıcaklığını izlemek için ayrı bir termistöre sahiptir.

Düşük pil göstergesi tasarlamak ilginç bir meydan okumaydı. Gerilimin pil şarjı için bir proxy olduğunu varsayarsak (bu LiPo hücreleri için tamamen doğru değildir), sürekli güç çekmeden ve pilin boşalmasına neden olmadan gerilimi nasıl ölçersiniz? Unutmayın ki, bütçemiz nano-amperlerdedir: tüm cihazın bekleme güç tüketimi 1μA'nın altında olmalıdır.

Coulomb sayma IC cihazları çok pahalı olduğu ve genellikle kullanıcı dostu olmayan BGA paketlerinde geldiği için, ayrıca tasarımı çok karmaşık hale getirmek istemediğim için, daha basit bir şey bulmam gerekiyordu.

Bir mikrodenetleyici tabanlı çözüm tasarlanabilirdi, ancak birçok yıldan sonra ilk kez bir mikrodenetleyici ve yazılım olmadan bir cihaz tasarlamak istedim.

Ayrıca, sonucu nasıl gösterirsiniz? Bir LED'i aydınlatamazsınız, çünkü bu hızla kalan enerjiyi tüketecek, muhtemelen kimse göstergeye bakmadan. "Pil kontrolü" düğmesi mi? Belki, ama bunlar mekanik tasarımı önemli ölçüde karmaşıklaştırır.

Bir çözüm bulmam biraz zaman aldı, ama sonunda buldum.

Hesap makinesinin aslında düşük pil göstergesine sahip olduğunu fark ettim. Pil voltajı bir eşik değerin (2.1V olarak ölçtüğüm) altına düştüğünde, LED ekran tüm ondalık noktaları aydınlatır, normalde aktif olması gereken hariç. Ondalık noktalar bu şekilde "ters" olduğunda, hesap makinesini hala kullanabilirsiniz, ancak pillerin değiştirilmesi gerektiğini açıkça görürsünüz.

Bu yüzden, pil voltajı düştüğünde çıkışın düşük olduğu bir voltaj (reset) gözetleyicisi ile 250nA besleme akımı kullandım. Eğer 3V'un altına düşerse, çıkış düşük olur. Bu çıkış, TPS62740 buck regülatörünün voltaj seçici pinlerinden birine bağlanır (bu yüzden programlanabilir bir voltaj çıkışı bileşeni gerekti) ve onun 2.5V yerine 2.1V üretmesine neden olur. Yani, pil düşük, ondalık nokta LED'leri yanar, görev tamamlandı!

Bu, pratikte oldukça iyi çalıştı ve 2.1V eşiği sahip olduğum tüm HP-25 birimleri için işe yaradı. Tek sınırlama, çoğu LiPo pilinin koruma devresinin çıkışı 3V'un biraz altında kestiği için, noktalarınızın yanmaya başlamasından sonra çok fazla zamanınızın olmamasıdır.

Testlerim, 900mAh LiPo'nun sürekli kullanımda yaklaşık 10 saat yeterli olduğunu, düşük pil göstergesi noktaları yanmaya başladıktan sonra 10-20 dakika daha yeterli olduğunu gösterdi. Benim için yeterli!

Sonuç olarak, bu hafta sonu hackleme projesinin sonucundan çok memnunum: HP-25 hesap makinelerim (evet, birden fazla tane var) tekrar kullanışlı hale geldi ve her gün pil konusunda endişelenmeden kullanabilirim. Zaman zaman onları şarj pedlerine koyuyorum. Pil ömrü o kadar iyi ki, bunu ayda bir kez yapmak yeterli.

Bunu düşünün, 21. yüzyıl teknolojisi sayesinde 45 yıllık bir hesap makinesinin yeni bir hayat bulması oldukça şaşırtıcı!

Jan Rychter (PartsBox kurucusu)

(Bu yazıyı beğendiyseniz ve elektronikle çalışıyorsanız, lütfen PartsBox'a göz atın — şirketler için vazgeçilmez bir araçtır ve Hobiciler/Üreticiler için ücretsizdir)