Elektrokimyasal ölçümler için potansiyostat tasarımı
Potentiostat design for electrochemical measurements
Yazar: MURAT ALIBEK
Danışman: PROF. DR. TÜLAY YILDIRIM
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik Ana Bilim Dalı / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde, teknoloji hareketsiz durmuyor, çok hızlı gelişiyor ve insanlığı yeni keşifleriyle şaşırtıyor. Mühendislik ve tıp gibi bazı büyük bilimsel alanlar, karmaşıklıklarına rağmen birleşmeye ve yeni buluşlar üretmeye başladı. Elektronik ve elektrokimya alanlarının kombinasyonu, bilimsel dünyayı insan sağlığı için faydalı keşiflere götürebilir. Bu yüzden, su kalitesini kontrol etmek için sıvıların algılanması çevrenin korunmasında büyük rol oynamaktadır. 

Bu tez çalışmasında potansiyostat analog kartı geliştirilerek sıvı içinde bulunan toksinleri tespit eden cihazın skileti tasarlanmıştır. Sistemin çekirdeği olan potansiyostat kartı SPE serigrafi elektrotları ile elektrolitik hücreyi oluşturarak elektrokimyasal maddeler ile bağlantı kurmaktadır. Potansiyostat tasarımında hassas operasyonel kuvvetdiriciler ve düşük akımlarda oluşan değişiklikleri tespit etmek için 16-bit analog dijital çevirici kullanılmıştır. Potansiyostat devre tasarımının simülasyonu LTspice yazılımı ve baskı devre tasarımı easyEDA yazılımı ile yapılmıştır.

Potansiyostat ilk önce Randles RC modeli ile test edilmiştir. Randles RC modelinde pasif elektronik malzemeler ile ortalama 1MΩ empedans oluşturularak elektrolitik hücrenin simülasyonu yapılmıştır. Transempedans yükseltme uygulaması ile hücre içinden geçen akım gerilime çevrilerek gerilim sinyali elde edilmiştir. Potansiyostatın gerçek elektrolitik hücrelerle denemesi kimyasal sıvı ve arıtılmış su ile yapılarak sonuçları karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Nowadays, technology does not stand still and is developing very rapidly, surprising humanity with its discoveries. Some large scientific areas such as engineering and medicine began to unite, despite their complexity and make new discoveries. The combination of the scientific fields of electronics and electrochemistry could lead the scientific world to discoveries that are useful for human health. For the same reason, sensing the liquids to control water quality also plays a large role in protecting the environment.

In this work, we have developed an analog PCB potentiostat for measuring solutions of analytical liquids. The potentiostat is the electronic hardware required to run most electroanalytical experiments. Based on a three-electrode system, we developed a circuit with high-precision op-amps for detection, which have a very low input bias current and a low input bias voltage. Results can be measured by converting a low-level current into a voltage using a trans-impedance amplifier, amplifying a voltage using an inverting amplifier, and digitizing using a 16-bit ADC. The design required the use of an analog bi-directional power supply for amplifiers, therefore, a step-down module was used for such requirements. To prove the effectiveness of the potentiostat, we checked the PCB with an analytical liquid solution and showed good results at the end of the test.

Initially, the potentiostat has been tested using a simulation electrolytic cell made using passive electronic components with a total impedance of  1MΩ. At the output of the ADC, the average voltage showed 285 mV, which means that the potentiostat can perform amperometric detection at a value of 100 nA with an average of 5% tolerance. The test with real chemical reagents showed that the molecules of toxic substances in the liquid increase the voltage level at the output of the ADC, when, as in the test with distilled water, the ADC went to a very low voltage level. This means that the potentiostat recognizes toxic substances and shows them by changes in current in the cell.