Proposta de um potenciostato de fonte aberta para ensino
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Data
2026-01-19
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Resumo
Este trabalho apresenta o projeto, o desenvolvimento e a validação de um protótipo de potenciostato modular de fonte aberta (open hardware), destinado à realização de ensaios de voltametria cíclica em contextos didáticos e de pesquisa. O objetivo central consistiu na criação de um instrumento de baixo custo com alta capacidade de corrente, superando limitações de equipamentos educacionais convencionais. A arquitetura eletrônica baseia-se na integração do microcontrolador Arduino Nano com uma interface de controle em Python e um hardware dedicado, composto por um conversor digitalanalógico de 16 bits (DAC714) para a geração do sinal do equipamento, um amplificador operacional para o controle do potencial (OP07 ou TL1028), um driver de potência (OPA541) capaz de fornecer até ±2, 5 A nas condições atuais, e um sensor de corrente modular (INA282). O sistema inclui ainda um buffer de alta impedância (OPA128) para o eletrodo de referência e um Eletrodo de Referência de Hidrogênio (CHE) desenvolvido localmente. Os resultados da caracterização elétrica demonstraram excelente linearidade, com um tempo de acomodação de 33 − 50 휇푠 na versão original, reduzido para aproximadamente 4 휇푠 após a otimização da malha de controle. A validação funcional com uma célula simulada (dummy cell) frente a um potenciostato comercial Autolab PGSTAT302N revelou uma sobreposição quase perfeita das curvas voltamétricas, confirmando a precisão da topologia adotada. O eletrodo de referência construído manteve estabilidade sob alta corrente por mais de duas horas. Conclui-se que o equipamento é uma solução robusta e modular, consolidando-se como uma ferramenta eficiente para a instrumentação científica aberta e o ensino interdisciplinar em Engenharia Física.
Resumen
Este trabajo presenta el diseño, el desarrollo y la validación de un prototipo de potenciostato modular de código abierto (open hardware), destinado a la realización de ensayos de voltamperometría cíclica en contextos didácticos y de investigación. El objetivo central consistió en la creación de un instrumento de bajo costo con alta capacidad de corriente, superando las limitaciones de los equipos educativos convencionales. La arquitectura electrónica se basa en la integración del microcontrolador Arduino Nano con una interfaz de control en Python y un hardware dedicado, compuesto por un convertidor digital-analógico de 16 bits (DAC714) para la generación de la señal del equipo, un amplificador operacional para el control del potencial (OP07 o TL1028), un driver de potencia (OPA541) capaz de suministrar hasta ±2, 5 A en las condiciones actuales, y un sensor de corriente modular (INA282). El sistema incluye además un buffer de alta impedancia (OPA128) para el electrodo de referencia y un Electrodo de Referencia de Hidrógeno (CHE) desarrollado localmente. Los resultados de la caracterización eléctrica demostraron una excelente linealidad, con un tiempo de asentamiento de 33 − 50 휇푠 en la versión original, reducido a aproximadamente 4 휇푠 tras la optimización del lazo de control. La validación funcional con una celda simulada (dummy cell) frente a un potenciostato comercial Autolab PGSTAT302N reveló una superposición casi perfecta de las curvas voltamperométricas, confirmando la precisión de la topología adoptada. El electrodo de referencia construido mantuvo la estabilidad bajo alta corriente durante más de dos horas. Se concluye que el equipo es una solución robusta y modular, consolidándose como una herramienta eficiente para la instrumentación científica abierta y la enseñanza interdisciplinaria en Ingeniería Física.
Abstract
This work presents the design, development, and validation of an open-source modular potentiostat prototype aimed at performing cyclic voltammetry tests in didactic and research contexts. The central objective was the creation of a low-cost instrument with high current capacity, overcoming the limitations of conventional educational equipment. The electronic architecture is based on the integration of the Arduino Nano microcontroller with a Python control interface and dedicated hardware, consisting of a 16-bit digital-to-analog converter (DAC714) for signal generation, an operational amplifier for potential control (OP07 or TL1028), a power driver (OPA541) capable of supplying up to ±2.5 A under current conditions, and a modular current sensor (INA282). The system also includes a highimpedance buffer (OPA128) for the reference electrode and a locally developed Hydrogen Reference Electrode (CHE). Electrical characterization results demonstrated excellent linearity, with a settling time of 33−50 휇푠 in the original version, reduced to approximately 4 휇푠 after control loop optimization. Functional validation with a dummy cell against a commercial Autolab PGSTAT302N potentiostat revealed a near-perfect overlap of the voltammetric curves, confirming the accuracy of the adopted topology. The constructed reference electrode maintained stability under high current for more than two hours. It is concluded that the equipment is a robust and modular solution, establishing itself as an efficient tool for open scientific instrumentation and interdisciplinary teaching in Physical Engineering.
Descrição
Palavras-chave
potenciostato modular, voltametria, instrumentação científica, ensino