週末黑客活動：為HP-25計算器進行無線充電
或者，將一台45年歷史的計算器帶入21世紀。
HP-25 是一款革命性的計算器，於1975年推出，是第一款負擔得起的可編程工程計算器。隨著時間的推移，開發了更多功能更強大的型號。但25型在功能、尺寸和易用性之間取得了特別好的平衡。
今天我們生活在一個非常不同的世界：我們都擁有多個功能強大的計算設備。今天沒有工程師會考慮在計算器上進行繪圖：我們有的計算機可以更快更好地完成這項工作。同樣對於代數操作或符號計算。然而，我們仍然需要的是一個好的工程計算器——一個可以快速執行簡單計算並且具有恰到好處的功能數量的輕鬆訪問設備。
這就是為什麼HP-25再次變得吸引人。如果您從事電子或機械設計，您經常需要使用科學或工程記號進行計算，對於手機上的簡單計算器應用程序來說太有限了。簡單的按鍵編程功能意味著您可以快速自動化任務：例如，我經常將並聯電阻公式輸入為一個程序，使用單個按鍵即可訪問。輸入兩個電阻，按R/S獲得結果。HP-25是由工程師為工程師設計的，當您使用它時您會感受到。重要的是，它適合您的手掌，可以單手使用，這對於許多其他優秀的後期HP計算器（如Voyager系列：HP-11C和HP-15C）來說並非如此。
我擁有的HP-25是我父親在我出生時買的。我一直喜歡使用它，但這整個計算器系列（被稱為"Woodstock"）受到電池包設計的限制。原始電池包包含兩個密封的NiCd電池，顯然多年前就已經失效。大多數人用新的NiCd電池替換了它們，然後是NiMh電池，甚至是鹼性AA電池。這總是有問題的：新電池稍微大一些，從來沒有很好地適配。此外，帶有LED顯示屏的計算器的功耗很大，因此需要經常更換電池。
HP-25附帶了一個“充電器”（實際上只是一個變壓器），但充電電路很糟糕：無負載時充電器提供10V AC：一個比計算器能處理的更高的電壓，假設連接的NiCd電池單元會夾緊電壓。整個充電電路由一個二極體和一個電阻組成！如果您的電池未能正確接觸，或者您在未插入電池組的情況下連接了充電器，您的計算器將會報廢。
我決定我應該做些什麼來讓我的HP-25每天都能使用。所以，我著手設計一個可充電電池組，它替換了原來的電池組，但使用了現代的Li-Po電池，並具有Qi/WPC無線充電和USB後備。
我現在有了完美的工程計算器，它已經有 45 年的歷史，但仍然可以愉快地放在 Qi 電源墊上並充電。如果我沒有可用的墊子，我可以取出電池包並使用側面的 micro-USB 連接器充電。但事實證明，充電實際上並不經常需要——一個 900mAh 的 LiPo 提供足夠的能量供我使用多周。
設計假設是：
- 應該替換原始電池組
- 對計算器本身無需修改
- WPC/Qi無線充電
- Micro-USB連接器用於有線充電
- Li-Po電池至少能正常使用多天
- 低電量指示器
我在Fusion 360中設計了電池包外殼，根據原始電池包的尺寸進行測量。這並不簡單：原始包裝是為注塑設計的，且斜角使得幾何形狀變得複雜。由於我不打算大量生產這些，我沒有考慮為注塑設計，而是假設使用SLS（選擇性激光燒結）進行3D打印。這就是為什麼我的電池包與原始的打開方式不同，提供了更好的電子和電池訪問，但犧牲了注塑的能力。
未使用緊固件：一個簡單的彈簧夾就足以固定蓋子到位，而且電池組大部分時間都在計算器中使用，所以蓋子打開的風險很小。
計算器通常由兩個NiCd電池供電，每個電池的電壓為1.2V。我決定產生2.5V而不是2.4V，假設額外的0.1V不會造成任何損害（畢竟，許多人一直在使用電壓為1.25V的鹼性電池的計算器），並且增加的電壓會使計算器中的升壓轉換器略微更有效。
我決定使用德州儀器（Texas Instruments）的一款現代低功耗降壓控制器（TPS62740）。其低360nA的工作靜態電流意味著我不必擔心開關的問題。有些控制器的靜態電流更低（甚至降到60nA！），但我想要有可編程電壓輸出——繼續閱讀以了解原因。
對於WPC/Qi，我選擇了bq51050B（德州儀器）和Wuerth Elektronik的線圈。這證明比我想象的要困難得多：設計具有無線充電的設備很困難，需要多個原型和我沒有的測量設備。最後，我採取了可能不是最佳的設計決策，但在這種情況下（低功率要求）提供了可接受的性能。換句話說，我是在即興發揮。這被bq51050B的文檔令人失望且不真正達到TI的標準的事實所加劇。
該板還具有用於有線充電的Micro-USB端口，一個充電控制器IC（流行的MCP73832），一對作為USB電源開關的MOSFET，一堆用於暴露端子的ESD保護，以及一個用於監控電池溫度的獨立熱敏電阻，因為許多便宜的LiPos沒有熱敏電阻或者與充電IC期望的不匹配。
設計低電池指示器是一個有趣的挑戰。假設電壓是電池電量的代理（對於LiPo電池來說並非完全如此），您如何在不持續消耗電力並在此過程中放電的情況下測量電壓？請記住，我們的功率預算在納安培範圍內：整個設備的靜態功耗應低於1μA。
由於庫倫計數IC裝置價格過高且通常以不友好的BGA封裝形式出現，而且因為我不想讓設計過於複雜，我不得不找到更簡單的東西。
可以設計基於微控制器的解決方案，但多年來我第一次想要設計一個不使用微控制器和軟件的設備。
此外，您如何顯示結果？您不能點亮一個LED，因為那會迅速消耗剩餘能量，可能沒有人會看到指示燈。"電池檢查"按鈕？可能，但這些顯著增加了機械設計的複雜性。
想出解決方案花了一些時間，但我確實找到了解決方案。
我意識到計算器實際上確實有一個低電量指示器。當電池電壓低於閾值（我測量的是2.1V）時，LED屏幕會點亮所有的小數點，除了正常應該啟動的那一個。通過這種方式"反轉"小數點，你仍然可以使用計算器，但你會清楚地看到電池需要更換。
所以，我使用了一個帶有250nA供應電流的電壓（重置）監視器來監測電池電壓。如果它低於3V，輸出變低。該輸出連接到TPS62740降壓調節器上的一個電壓選擇引腳（這就是我需要一個可編程電壓輸出零件的原因），並使其開始產生2.1V而不是2.5V。換句話說，電池電量低，小數點LED亮起，任務完成！
這在實踐中證明效果相當好，2.1V的閾值適用於我所擁有的所有HP-25單位。唯一的限制是，對於大多數LiPo電池，它們的保護電路會在剛好低於3V時切斷輸出，所以在您的點亮後沒有太多時間。
我的測試顯示，900mAh的LiPo電池足夠連續使用約10小時，在低電量指示燈亮起後還可以使用10-20分鐘。對我來說足夠了！
總的來說，我對這個週末黑客項目的結果非常滿意：我的 HP-25 計算器（是的，我有不止一個）再次變得有用，我可以每天使用它們，而不用擔心電池。我偶爾將它們放在充電墊上。電池壽命如此之好，做這件事一個月一次或者這樣就足夠了。
如果你仔細想想，一台45年老的計算器得益於21世紀的技術而獲得新生，這實在是太神奇了！
Jan Rychter（PartsBox創始人）
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