Cuối tuần hack: sạc không dây cho máy tính HP-25

Hoặc, đưa một máy tính 45 tuổi vào thế kỷ 21.

HP-25 là một máy tính cách mạng cho thời đại của nó. Được giới thiệu vào năm 1975, đó là máy tính kỹ thuật lập trình giá cả phải chăng đầu tiên. Theo thời gian, các mô hình tiên tiến hơn được phát triển với nhiều chức năng hơn. Nhưng chiếc 25 đã tạo ra một sự cân bằng đặc biệt tốt giữa các tính năng, kích thước và dễ sử dụng.

Ngày nay chúng ta sống trong một thế giới rất khác: tất cả chúng ta đều có nhiều thiết bị tính toán mạnh mẽ. Không một kỹ sư nào sẽ cân nhắc việc sử dụng máy tính bỏ túi để vẽ đồ thị 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 biểu tượng. Nhưng điều chúng ta vẫn cần, tuy nhiên, là một máy tính kỹ thuật tốt - một thiết bị dễ truy cập có thể thực hiện các phép tính đơn giản nhanh chóng và có đúng số lượng chức năng cần thiết.

Đây là lý do tại sao HP-25 lại trở nên hấp dẫn trở lại. Nếu bạn làm việc với điện tử hoặc thiết kế 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 là 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 như một chương trình, có thể truy cập bằng một phím bấm duy nhất. Nhập hai điện trở, nhấn R/S và nhận kết quả. HP-25 được thiết kế bởi kỹ sư, cho kỹ sư, và bạn cảm nhận được điều đó khi bạn sử dụng nó. Quan trọng là, nó vừa vặn trong lòng bàn tay của bạn và có thể sử dụng bằng một tay, điều này không đúng với nhiều máy tính HP xuất sắc khác 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 loạt máy tính này (được gọi là "Woodstock") bị giới hạn bởi thiết kế gói pin. Gói pin gốc chứa hai tế bào NiCd kín, rõ ràng đã hỏng nhiều năm trước. Hầu hết mọi người thay thế tế bào NiCd của họ bằng những tế bào mới, sau đó là tế bào NiMh, hoặc thậm chí là pin AA kiềm. Điều này luôn gặp vấn đề: pin mới hơi lớn hơn và không bao giờ vừa vặn. Ngoài ra, mức tiêu thụ điện năng của một máy tính với màn hình LED là đáng kể, do đó cần thay pin thường xuyên.

Máy tính HP-25 được giao kèm với một "bộ sạc" (thực sự chỉ là một bộ biến áp), nhưng mạch sạc thật kinh khủng: bộ sạc không tải cung cấp 10V AC: một điện áp cao hơn máy tính có thể xử lý, với giả định rằng các cell NiCd sẽ kẹp điện áp. Toàn bộ mạch sạc chỉ bao gồm một diode và một điện trở! Nếu cell của bạn không tiếp xúc đúng cách, hoặc nếu bạn kết nối bộ sạc mà không có gói pin, máy tính của bạn sẽ bị hỏng.

Tôi quyết định nên làm gì đó để HP-25 của mình có thể sử dụng hàng ngày. Vì vậy, tôi bắt đầu thiết kế một gói pin sạc lại, thay thế cho gói pin gốc, nhưng sử dụng pin Li-Po hiện đại, và có sạc không dây Qi/WPC với lựa chọn USB.

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

Các giả định thiết kế là:

• Nên thay thế gói pin gốc
• Không cần chỉnh sửa gì trên máy tính
• Sạc không dây WPC/Qi
• Cổng Micro-USB cho sạc có dây
• Pin Li-Po kéo dài ít nhất vài ngày sử dụng bình thường
• Chỉ báo pin yếu

Tôi đã thiết kế vỏ bọc pin trong Fusion 360, lấy kích thước của bộ pin gốc. Điều đó hóa ra không đơn giản: bộ pin gốc được thiết kế cho khuôn đúc tiêm, và các góc nghiêng làm phức tạp hình dạng hình học. Vì tôi không có kế hoạch sản xuất hàng loạt chúng, tôi không quan tâm đến việc thiết kế cho khuôn đúc tiêm và giả định in 3D sử dụng SLS (Selective Laser Sintering). Đó là lý do tại sao bộ pin của tôi mở ra khác với bản gốc, cung cấp quyền truy cập tốt hơn vào điện tử và pin, nhưng hy sinh khả năng được đúc tiêm.

Không sử dụng bất kỳ phụ kiện nào: một kẹp lò xo đơn giản là đủ để giữ nắp đậy, và gói được sử dụng trong máy tính hầu hết thời gian dù sao, vì vậy không có rủi ro nắp mở.

Máy tính thường được cung cấp năng lượng bởi hai cell NiCd, mỗi cell có điện áp 1.2V. Tôi quyết định sản xuất 2.5V thay vì 2.4V, giả định rằng 0.1V thêm vào sẽ không làm hại gì (dù sao, nhiều người đã sử dụng máy tính của họ với cell alkaline, có điện áp 1.25V), và điện áp tăng thêm 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 tiết kiệm năng lượng hiện đại từ Texas Instruments (TPS62740). Dòng điện chờ hoạt động thấp 360nA của nó có nghĩa là tôi không phải lo lắng về việc có công tắc bật/tắt. Có những bộ điều khiển với dòng điện chờ thấp hơn (thậm chí xuống đến 60nA!), nhưng tôi muốn có đầu ra điện áp có thể lập trình — đọc tiếp để biết tại sao.

Đối với WPC/Qi, tôi đã chọn bq51050B (Texas Instruments) và một cuộn từ Wuerth Elektronik. Điều này đã chứng minh là thách thức hơn tôi nghĩ: thiết kế các thiết bị với sạc không dây khó khăn, đòi hỏi nhiều mẫu thiết kế và thiết bị đo lường mà tôi không có. Cuối cùng, tôi đã đi với các quyết định thiết kế có thể không tối ưu, nhưng trong trường hợp này (với yêu cầu công suất thấp) cung cấp hiệu suất chấp nhận được. Nói cách khác, tôi đã tự mình giải quyết. Điều này được làm khó khăn hơn một chút bởi thực tế là tài liệu bq51050B không thực sự đạt tiêu chuẩn của TI.

Bảng mạch cũng có cổng Micro-USB cho sạc có dây, một IC điều khiển sạc (MCP73832 phổ biến), một cặp MOSFET hoạt động như một công tắc cho nguồn USB, một số bảo vệ ESD cho các cực tiếp xúc, và một thermistor rời để theo dõi nhiệt độ pin, vì nhiều pin LiPo rẻ tiền không có thermistor hoặc có một cái không khớp với điều IC sạc mong đợi.

Thiết kế một chỉ báo pin yếu là một thách thức thú vị. Giả sử rằng điện áp là một chỉ số cho lượng pin (điều này không hoàn toàn đúng với các cell LiPo), làm thế nào bạn đo điện áp mà không rút điện liên tục và làm cạn kiệt pin trong quá trình đó? Hãy nhớ rằng ngân sách năng lượng của chúng tôi cho điều này là ở nano-amp: lượng điện năng tiêu thụ không tải của toàn bộ thiết bị nên dưới 1μA.

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

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

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

Mất một thời gian, nhưng tôi đã tìm ra một giải pháp.

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

Vì vậy, tôi đã sử dụng một 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 thấp. Đầu ra này được kết nối với một trong các chân lựa chọn điện áp trên bộ điều chỉnh buck TPS62740 (đây là lý do tôi cần một linh kiện đầu ra điện áp có thể lập trình) và khiến nó bắt đầu sản xuất 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 đã chứng minh 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 pin LiPo, mạch bảo vệ của chúng sẽ cắt nguồn ra ngay dưới 3V, vì vậy bạn không có nhiều thời gian sau khi các dấu chấm của bạn sáng lên.

Các bài kiểm tra của tôi cho thấy pin LiPo 900mAh đủ cho khoảng 10 giờ sử dụng liên tục, trước khi các dấu hiệu chỉ báo pin yếu sáng lên, và trong 10-20 phút sau đó. Đủ tốt cho tôi!

Tất cả trong tất cả, tôi rất hài lòng với kết quả của dự án hack cuối tuần này: máy tính HP-25 của tôi (vâng, tôi có nhiều hơn một) lại trở nên hữu ích và tôi có thể sử dụng chúng hàng ngày mà không lo lắng về pin. Tôi chỉ cần đặt chúng lên bệ sạc từ thời gian này sang thời gian khác. Tuổi thọ pin tốt đến mức, chỉ cần làm điều này một lần mỗi tháng hoặc vậy là đủ.

Nếu bạn nghĩ về nó, thật đáng kinh ngạc khi một máy tính 45 tuổi được hồi sinh nhờ công nghệ thế kỷ 21!

Jan Rychter (người sáng lập PartsBox)

(Nếu bạn thích đọc điều này và bạn làm việc với điện tử, hãy thử PartsBox — đó là một công cụ không thể thiếu cho các công ty, và nó miễn phí cho Hobbyists/Makers)