Электрическая схема устройства

Управляющий микроконтроллер (1) ЦАП (2) Ключ (3) Кнопка (4) Стабилизатор напряжения на 3.3 [В] (5) Операционные усилители (6) Стабилизатор напряжения 3.3 В (7) Разъем micro usb (8) CH340C (9) Кнопки (10) DW01A (11) FS8205A (8205A), транзистор с двойным N-каналом (12) Аккумулятор TP4056, Контроллер заряда Li-Ion батари (14)

Основными частями потенциостата являются формирующее входной сигнал устройство, три контакта для подключения электрохимической ячейки и дифференциальный усилитель сравнивающий выходной и входной потенциалы. На рисунке ниже изображена функциональная схема измерительного устройства. В качестве генератора входного сигнала выступает микроконтроллер с цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), то есть микроконтроллер передаёт на ЦАП число в двоичном коде, а ЦАП преобразует его в электрический потенциал. Например, в электрической схеме нашего потенциостата используется 16-битный ЦАП, подключённый к питанию от 3,3 В. Это значит, что наш ЦАП делит отрезок от 0 до 3,3 вольт на 216 значений и может выдавать любое из них на выходе. Далее этот сигнал идёт на сглаживающие фильтры в схеме обработки входного сигнала, то есть удаляются помехи, при этом аналоговые ключи в схеме задают схему подключения электродов: либо двухэлектродную, либо трехэлектродную.

После генерации данный сигнал подаётся на специальную электрохимическую ячейку по двум электродам, которые принято называть вспомогательным (COUNTER) и потенциальным (REF). С третьего подключенного электрода, который называется рабочим (WORK), снимается выходной сигнал и сравнивается с входным с помощью дифференциального усилителя (электрической схемы, которая при сравнении двух сигналов усиливает их разность, чтобы увеличить точность измерений).

Конечный сигнал возвращается на микроконтроллер с помощью встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), далее микроконтроллер производит простейшую обработку и отправку сигнала на подключенное устройство для дальнейшего анализа.

Управляющий микроконтроллер

В качестве управляющего микроконтроллера был выбрана платформа ESP32-WROOM-32. Одним из плюсов данной версии является то, что у него на кристалле находится Wi-Fi и Bluetooth модуль, что не требует установку дополнительных модулей. Также ESP32 отличается низким энергопотреблением.

Внешний вид платформы представлен ниже.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) AD5667R

ЦАП преобразовывает дискретный (цифровой) сигнал в аналоговый, позволяя создавать непрерывный сигнал сложной формы на выходе. Управление выходным сигналом идет через интерфейс I2C, подключаемый к контактам SDA и SCL.

Дискретный сигнал может принимать только два значения - 1 или 0. В качестве единицы может выступать напряжение на любом значении. В нашем случае логика работает на напряжении 3.3 В. В качестве нуля обычно выстуает нулевое напряжение.

На картинке ниже показан пример дискретного сигнала, который работает в логике 3.3 В.

Аналоговый же сигнал может существовать в произвольной форме.

В потенциостате ЦАП используется для задания линейно-возрастающего сигнала на электроды (с выхода OUTA), а также для задания нуля для измеряемого сигнала на выходе с дифференциального усилителя (номер U6.4)

Ключ ADG736BRMZ

ADG736BRMZ - низковольтный двухканальный переключатель на два направления.

На картинке ниже представлен принцип работы данного переключателя: + если на вход (Signal) подается положительный сигнал, то переключатель соединяет INPUT1 и OUT. + если на вход (Signal) подается нулевой сигнал, то переключатель соединяет INPUT2 и OUT.

Кнопка

Данный переключатель включает или выключает питание от батареи.

Стабилизатор напряжения на 3.3 В

В схеме потенциостата испоьзуется два стабилизатора для разограничения питания микроконтроллера и схемы измерения. Это сделано для более точной работы устройства. AMS1117-3.3 линейный стабилизатор напряжения на 3.3 В, используется отдельно для питания ESP32.

MIC5205 используется для питания основной логики схемы: операционных усилителей, ЦАП, аналоговых переключателей.

Операционные усилители

Четыре операционных усилитиля, объединенные в один корпус SO-14.

На схеме в easyEDA данные операционные усилители выглядят так:

Операционные усилители (далее ОУ) под цифрами 1 и 2 являются активнымы фильтрами. ОУ 3 благодаря переключателю U2 становится повторителем сигнала при соединении контактов COUNTER и REF, при их разъединении появляется возможность задавать нуль для выходного сигнала, с помощью напряжения на контакте REF. ОУ 4 используется, как дифференциальный усилитель, который в зависимости от состояния ключа рабоатет либо для измерения напряжения, либо для измерения тока.

CH340C

Данный чип служит мостом между интерфейсами USB (у ПК) и UART (у микроконтролера), через него к примеру осущевствялется загрузка прошивки. Для работы с данным драйвером нужно установить драйвер, ссылка для скачивания находится в разделе работы с ARDUINO IDE.

Кнопки

Данные кнопки используются для перезапуска ESP32, а также для ее перепрошивки.

DW01A

Данный чип предназначен для защиты литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторов от перезарядки или перегрузки.

FS8205A (8205A), транзистор с двойным N-каналом

FS8205A - транзистор с двойным N-каналом. Используется для усиления сигнала заряда на аккумулятор, то есть менее мощным сигналом мы можем задать более мощный благодаря этому транзистору.

Аккумулятор

Используется для автономной работы устройства, емкость данного аккумулятора равна 5000 мАч, а время автономной работы примерно равна 3.5 часа. Максимальный потребляемый потенциостатом ток равен 0.5 А.

TP4056, Контроллер заряда Li-Ion батареи

TP4056 используется для правильного задания тока заряда и разряда, то есть более эффективного для li-ion батареии. Также данный контроллер подает такой ток на батарею, чтобы он был больше, чем саморазряд и меньше, чем максимальный ток заряда, который разрушит структуру аккумулятора.

Другие элементы

Конденсаторы

В схеме используются два вида конденсаторов.

Танталовый в корпусе CASE-B_3528 и полипропиленовые пленочные конденсаторы в корпусах C0603.

Спецификацию на пленочные конденсаторы можно посмотреть по ссылке: https://lcsc.com/product-detail/Polypropylene-Film-Capacitors-CBB_PANASONIC-ECPU1C104MA5_C150376.html

Резисторы

Резисторы используются в корпусах C0603.

Спецификацию на резисторы можно посмотреть по ссылке: https://lcsc.com/product-detail/Chip-Resistor-Surface-Mount_KOA-Speer-Elec-RN73H2ATTD1002B25_C186277.html

Схемы подключения потенциостата

Потенциостат имеет три электрода:

CTR – COUNTER (Вспомогательный);
WRK – WORKING (Рабочий);
REF – REFERENCE (электрод сравнения/референсный электрод).

Электроды подсоединяются к электрохимической ячейке, которая состоит из сенсора и раствора. Сенсор представляет из себя два и более проводящих электрода из различных материалов.

Из-за различных конструкций сенсора электрохимическая может быть в трёх исполнениях:

Проводящие электроды сенсора погружены отдельно друг от друга в один раствор;
Проводящие электроды сенсора объединены в одном корпусе и погружены в раствор;

Электроды являются тонкими напылением на основу в виде пластинку, а раствор титрируется прямо на эту пластинку.

Для подключения сенсоров к потенциостату используют провода со специальными зажимами – «крокодилы», обычные провода и специальный коннектор, последний можно использовать без проводов в случае использования сенсора в виде трехэлектродной химической ячейки.

Наш потенциостат может работать в двух схемах подключения: в двухэлектродной и трехэлетродном.

Разбор двухэлектродной схемы

В данном случае подается положительный сигнал на контакт IO25, что соединяет между собой контакты REF и COUNTER. В данном случае U6.3 играет роль повторителя сигнала, так как при соединении выхода ОУ с инвертирующем входом, ОУ будет делать так, чтобы на обоих входах ОУ (- и +) образовавался одинаковый потенциал.

Таким образом на выходе повторителя будет точно такой же сигнал, как на его входе. Сделано это для того, чтобы на электроды можно было подать более мощный сигнал, так как выход с ЦАП не может выдавать большие токи, поэтому за него это делает повторитель сигнала, который для этого использует условно другой источник питания.

Разбор трехэлектродной схемы

В данном случае этот ОУ становится повторителем с возможностью задания нуля для выходного сигнала. При этом нуль задается напряжением на контакте REF.

Разбор диффиринциального усилителя

Дифференциальный усилитель в данной схеме используется как средство измерения либо тока, либо напряжения.

Измерение тока

При низком сигнале (0 Вольт) на IO26 измеряется сила тока, при этом переключатели встают в положение, как на картинке.

Измерение напряжения

При высоком сигнале (логическая единица, задаваемая напряжением, в данном случае 3.3 В) на IO26 измеряется напряжение.