Hack cuối tuần: sạc không dây cho máy tính HP-25

Hoặc, đưa một chiếc máy tính bỏ túi 45 năm tuổi vào thế kỷ 21.

HP-25 là một máy tính mang tính cách mạng vào thời điểm đó. Được giới thiệu vào năm 1975, đây là máy tính kỹ thuật lập trình giá cả phải chăng đầu tiên. Khi nhiều năm trôi qua, các mẫu tiên tiến hơn đã được phát triển với nhiều chức năng hơn. Nhưng HP-25 đã đạt được sự cân bằng đặc biệt tốt giữa các tính năng, kích thước và tính dễ sử dụng.

Ngày nay chúng ta đang sống trong một thế giới rất khác: tất cả chúng ta đều có nhiều thiết bị tính toán mạnh mẽ. Không kỹ sư nào nghĩ đến việc vẽ đồ thị trên máy tính bỏ túi ngày nay: chúng ta có máy tính có thể làm điều này nhanh hơn và tốt hơn. Tương tự đối với các thao tác đại số hoặc tính toán ký hiệu. Tuy nhiên, những gì chúng ta vẫn cần là một máy tính kỹ thuật tốt — một thiết bị dễ tiếp cận có thể thực hiện các phép tính đơn giản một cách nhanh chóng và có vừa đủ số lượng chức năng.

Đây là lý do tại sao HP-25 đang trở nên hấp dẫn trở lại. Nếu bạn làm việc với thiết kế điện tử hoặc cơ khí, bạn thường cần làm việc với ký hiệu khoa học hoặc kỹ thuật và thực hiện các phép tính mà các ứng dụng máy tính đơn giản trên điện thoại của bạn quá hạn chế. Khả năng lập trình dựa trên phím bấm đơn giản có nghĩa là bạn có thể nhanh chóng tự động hóa các tác vụ: ví dụ, tôi thường nhập công thức điện trở song song dưới dạng một chương trình, có thể truy cập bằng một lần nhấn phím. Nhập hai giá trị điện trở, nhấn R/S và nhận kết quả. HP-25 được thiết kế bởi các kỹ sư, dành cho các kỹ sư, và bạn cảm nhận được điều đó khi sử dụng nó. Quan trọng hơn, nó nằm gọn trong lòng bàn tay của bạn và có thể được sử dụng bằng một tay, điều này không đúng với nhiều máy tính HP xuất sắc sau này (như dòng Voyager: HP-11C và HP-15C).

Chiếc HP-25 mà tôi có được mua bởi bố tôi, vào khoảng thời gian tôi được sinh ra. Tôi luôn thích sử dụng nó, nhưng toàn bộ dòng máy tính này (được đặt tên là "Woodstock") bị hạn chế bởi thiết kế bộ pin. Bộ pin gốc chứa hai cell NiCd kín, rõ ràng đã hỏng từ nhiều năm trước. Hầu hết mọi người thay thế các cell NiCd của họ bằng những cái mới, sau đó bằng các cell NiMh, hoặc thậm chí là pin kiềm AA. Điều này luôn có vấn đề: pin mới hơn lớn hơn một chút và không bao giờ vừa vặn. Ngoài ra, mức tiêu thụ điện năng của máy tính có màn hình LED là đáng kể, vì vậy cần phải thay pin thường xuyên.

HP-25 được vận chuyển cùng với một "bộ sạc" (thực ra chỉ là một máy biến áp), nhưng mạch sạc rất tệ: bộ sạc không tải cung cấp 10V AC: điện áp cao hơn mức máy tính có thể xử lý, với giả định rằng các pin NiCd được kết nối sẽ kẹp điện áp lại. Toàn bộ mạch sạc bao gồm một điốt và một điện trở! Nếu pin của bạn không tiếp xúc đúng cách, hoặc nếu bạn kết nối bộ sạc mà không lắp bộ pin, máy tính của bạn sẽ bị hỏng.

Tôi quyết định nên làm điều gì đó để chiếc HP-25 của mình có thể sử dụng được hàng ngày. Vì vậy, tôi bắt tay vào thiết kế một bộ pin sạc, thay thế cho bộ pin gốc, nhưng sử dụng pin Li-Po hiện đại và có sạc không dây Qi/WPC với dự phòng qua cổng USB.

Bây giờ tôi có một chiếc máy tính kỹ thuật hoàn hảo, đã 45 tuổi nhưng vẫn nằm vui vẻ trên đế sạc Qi và sạc lại. Nếu tôi không có sẵn đế sạc, tôi có thể tháo bộ pin và sử dụng đầu nối micro-USB ở bên cạnh để sạc nó. Nhưng hóa ra, việc sạc thực sự không cần thiết thường xuyên như vậy — một pin LiPo 900mAh cung cấp đủ năng lượng cho nhiều tuần với mức sử dụng của tôi.

Các giả định thiết kế là:

• Nên thay thế bộ pin gốc
• Không sửa đổi bản thân máy tính
• Sạc không dây WPC/Qi
• Đầu nối Micro-USB để sạc có dây
• Pin Li-Po kéo dài ít nhất nhiều ngày sử dụng bình thường
• Chỉ báo pin yếu

Tôi đã thiết kế vỏ bộ pin trong Fusion 360, lấy số đo từ bộ pin gốc. Điều đó hóa ra không đơn giản: bộ pin gốc được thiết kế để đúc phun, và các góc thoát khuôn làm phức tạp hình học. Vì tôi không có kế hoạch sản xuất hàng loạt những thứ đó, tôi không bận tâm đến việc thiết kế cho đúc phun và giả định in 3D bằng SLS (Thiêu kết Laser Chọn lọc). Đây là lý do tại sao bộ pin của tôi mở khác với bộ pin gốc, cung cấp khả năng tiếp cận tốt hơn với các linh kiện điện tử và pin, nhưng hy sinh khả năng đúc phun.

Không có ốc vít nào được sử dụng: một kẹp lò xo đơn giản là đủ để giữ nắp tại chỗ, và dù sao thì bộ pin cũng được sử dụng trong máy tính hầu hết thời gian, vì vậy không có nguy cơ nắp bị mở ra.

Máy tính thường được cấp nguồn bởi hai pin NiCd, có điện áp 1.2V mỗi pin. Tôi quyết định tạo ra 2.5V thay vì 2.4V, giả sử rằng thêm 0.1V sẽ không gây hại gì (xét cho cùng, nhiều người đã sử dụng máy tính của họ với pin kiềm, có điện áp 1.25V), và điện áp tăng lên sẽ làm cho bộ chuyển đổi tăng áp trong máy tính hiệu quả hơn một chút.

Tôi quyết định sử dụng một trong những bộ điều khiển buck công suất thấp hiện đại từ Texas Instruments (TPS62740). Dòng tĩnh hoạt động thấp 360nA của nó có nghĩa là tôi sẽ không phải lo lắng về việc có công tắc bật/tắt. Có những bộ điều khiển có dòng tĩnh thấp hơn (thậm chí xuống tới 60nA!), nhưng tôi muốn có đầu ra điện áp có thể lập trình — hãy đọc tiếp để biết lý do tại sao.

Đối với WPC/Qi, tôi đã chọn bq51050B (Texas Instruments) và một cuộn dây từ Wuerth Elektronik. Điều này tỏ ra khó khăn hơn nhiều so với tôi nghĩ: thiết kế các thiết bị có sạc không dây rất khó, đòi hỏi nhiều nguyên mẫu và thiết bị đo lường mà tôi không có. Cuối cùng, tôi đã chọn các quyết định thiết kế có thể không tối ưu, nhưng trong trường hợp này (với yêu cầu năng lượng thấp) cung cấp hiệu suất chấp nhận được. Nói cách khác, tôi đã tùy cơ ứng biến. Điều này trở nên khó khăn hơn một chút do thực tế là tài liệu bq51050B gây thất vọng và không thực sự đạt tiêu chuẩn của TI.

Bo mạch cũng có cổng Micro-USB để sạc có dây, IC điều khiển sạc (MCP73832 phổ biến), một cặp MOSFET hoạt động như một công tắc cho nguồn USB, một loạt bảo vệ ESD cho các thiết bị đầu cuối bị hở và một nhiệt điện trở rời để theo dõi nhiệt độ pin, vì nhiều pin LiPo giá rẻ không có nhiệt điện trở hoặc có một cái không khớp với những gì IC sạc mong đợi.

Thiết kế một chỉ báo pin yếu là một thách thức thú vị. Giả sử rằng điện áp là đại diện cho mức sạc pin (điều này không hoàn toàn đúng đối với các cell LiPo), làm thế nào để bạn đo điện áp mà không tiêu thụ điện năng liên tục và làm cạn kiệt pin trong quá trình này? Hãy nhớ rằng ngân sách năng lượng của chúng ta cho việc này là nano-ampe: dòng điện tĩnh của toàn bộ thiết bị phải dưới 1μA.

Vì các thiết bị IC đếm coulomb quá đắt và thường đi kèm trong các gói BGA không thân thiện, và cũng vì tôi không muốn làm phức tạp hóa thiết kế, tôi đã phải tìm một thứ gì đó đơn giản hơn.

Một giải pháp dựa trên vi điều khiển có thể được thiết kế, nhưng lần đầu tiên sau nhiều năm, tôi muốn thiết kế một thiết bị không có vi điều khiển và phần mềm.

Ngoài ra, bạn hiển thị kết quả như thế nào? Bạn không thể thắp sáng đèn LED, vì điều đó sẽ nhanh chóng tiêu tốn năng lượng còn lại, có thể không ai nhìn vào chỉ báo. Một nút "kiểm tra pin"? Có thể, nhưng những thứ này làm phức tạp thiết kế cơ khí đáng kể.

Mất một lúc, nhưng tôi đã tìm ra giải pháp.

Tôi nhận ra rằng máy tính thực sự có tích hợp chỉ báo pin yếu. Khi điện áp pin giảm xuống dưới ngưỡng (tôi đo được là 2.1V), màn hình LED sẽ sáng tất cả các dấu chấm thập phân, ngoại trừ dấu chấm thường hoạt động. Với các dấu chấm thập phân bị "đảo ngược" theo cách này, bạn vẫn có thể sử dụng máy tính, nhưng bạn thấy rõ rằng pin cần được thay thế.

Vì vậy, tôi đã sử dụng bộ giám sát điện áp (reset) với dòng cung cấp 250nA để theo dõi điện áp pin. Nếu nó giảm xuống dưới 3V, đầu ra sẽ xuống mức thấp. Đầu ra đó được kết nối với một trong các chân chọn điện áp trên bộ điều chỉnh giảm áp TPS62740 (đây là lý do tại sao tôi cần một linh kiện đầu ra điện áp có thể lập trình) và khiến nó bắt đầu tạo ra 2.1V thay vì 2.5V. Nói cách khác, pin yếu, đèn LED dấu chấm thập phân sáng lên, nhiệm vụ hoàn thành!

Điều này hóa ra hoạt động khá tốt trong thực tế, và ngưỡng 2.1V hoạt động cho tất cả các đơn vị HP-25 mà tôi có. Hạn chế duy nhất là với hầu hết các pin LiPo, mạch bảo vệ của chúng sẽ cắt đầu ra ngay dưới 3V, vì vậy bạn không có nhiều thời gian sau khi các chấm sáng lên.

Các thử nghiệm của tôi cho thấy pin LiPo 900mAh đủ cho khoảng 10 giờ sử dụng liên tục, trước khi các chấm chỉ báo pin yếu sáng lên, và thêm 10-20 phút sau đó. Đủ tốt cho tôi!

Nói chung, tôi rất hài lòng với kết quả của dự án vọc vạch cuối tuần này: máy tính HP-25 của tôi (vâng, tôi có nhiều hơn một cái) lại hữu ích và tôi có thể sử dụng chúng hàng ngày mà không phải lo lắng về pin. Tôi chỉ cần đặt chúng lên đế sạc thỉnh thoảng. Tuổi thọ pin tốt đến mức làm điều này mỗi tháng một lần hoặc lâu hơn là đủ.

Nếu bạn nghĩ về điều đó, thật tuyệt vời khi một chiếc máy tính 45 năm tuổi có được một cuộc sống mới nhờ công nghệ thế kỷ 21!

Jan Rychter (người sáng lập PartsBox)

(Nếu bạn thích đọc bài này và bạn làm việc với điện tử, vui lòng xem PartsBox — đó là một công cụ không thể thiếu cho các công ty và miễn phí cho Người có sở thích/Người chế tạo)