Danas je nabavljen potenciostat (galvanostat) njemačkog proizvođača Gerhard Bank Elektronik pod oznakom Wenking Potentiostat 70 HC 3 iz početka 1970-tih godina. Razvoj potenciostata započinje još u 1930-tim godinama, no tek 1953. godine Hans Wenking ostvaruje veliki korak u dizajnu preciznog i višenamjenskog potenciostata na principu elektrokemijske ćelije. 1954. godine Gerhard Bank je osnovao tvrtku ” Elektronische Werkstatt Goettingen ” koja je započela proizvodnju potenciostata na temelju Hans Wenkingovog patenta. 1959. godine tvrtka je promjenila ime u “Gerhard Bank Elektronik “, te nastavila proizvodnju potenciostata pod zaštinim znakom “Wenking Potentiostat”. 1994. godine “Gerhard Bank Elektronik ” spaja se sa tvrtkom “Intelligent Controls GmbH” te nastaje današnja tvrtka “Bank Elektronik – Intelligent Controls GmbH” koja se i dalje bavi proizvodnjom potenciostata, glavanostata, signal generatora, specijalnih ampermetara bez vlastitog unutarnjeg otpora i sličnih preciznih mjernih instrumenata za elektrokemijska mjerenja.
Potenciostati i galvanostati su uređaji koji registriraju dinamiku promjene svojstava ispitivanih materijala kada su podvrgnuti nekom elektrokemijskom procesu. Najčešće spominjana primjena takvih uređaja je kod ispitivanja korozivnih svojstava pojedinih industrijskih materijala, no potenciostati i galvanostati imaju i puno širu primjenu u različitim laboratorijskim elektrokemijskim ispitivanjima.
Potenciostati i galvanostati električki gledano imaju dva funkcijska sklopa: prvi je kontrolirani i konstantni izvor napona ili struje, a drugi je precizni elektronski voltmetar. To su dakle uređaji koji precizno kontroliraju i održavaju stalan napon (potenciostati) ili stalnu struju (galvanostati) između radne elektrode i protuelektrode te mjere razliku potencijala između radne i referentne elektrode u elektrokemijskoj ćeliji. Naš uređaj Wenking Potentiostat 70 HC 3 je izvor konstantne struje (do 10 A) te je stoga po svojoj konstrukciji galvanostat. Već smo spomenuli da je oznaka “Wenking Potentiostat” samo zaštitno ime robne marke i ovdje ne označava tip uređaja, no da puno ne kompliciramo mi ćemo nadalje koristiti samo termin potenciostat.
Spomenuli smo elektrokemijsku ćeliju sa tri elektrode pa ćemo pojednostavljeno shematski prikazati kako izgleda mjerni električni krug potenciostata i elektrokemijske ćelije. Naravno, elektrokemijska ili ispitna ćelija je u praksi precizno konstruirana, sa točnim međusobnim razmakom, oblikom i dimenzijama elektroda, sa odgovarajućom vrstom i volumenom elektrolita, a sve kako bi se faktori pogreške sveli na najmanju mjeru, odnosno kako bi mjerenja dala što točnije rezultate.
POMOĆNA ELEKTRODA ili PROTUELEKTRODA – služi za zatvaranje strujnog kruga u elektrokemijskoj ćeliji kroz elektrolit preko radne elektrode. Izrađuje se od inertnog materijala i ne sudjeluje u elektrokemijskoj reakciji.
REFERENTNA ELEKTRODA – inertna elektroda sa poznatim i stabilnim električnim potencijalom koji se koristi kao referentni potencijal za kontrolu i mjerenja. Teži se da struja kroz referentnu elektrodu bude što bliža nuli što se s jedne strane postiže preusmjeravanjem glavnine struje kroz električni krug sa pomoćnom elektrodom, a druge strane vrlo visokom ulaznom impedancijom mjernog kruga (> 100 GΩ). Na taj način struja preko referentne elektrode je svedena na veličine reda piko-ampera.
RADNA ELEKTRODA (UZORAK) – napravljena je od materijala koji ispitujemo te aktivno sudjeluje u elektrokemijskom procesu. Kemijsko-fizikalne promjene koje nastaju na ovoj elektrodi tijekom elektrokemijskog procesa mijenjanju i njena električna svojstva, a praćenjem istih u vremenskoj domeni dobivaju se grafički prikazi otpornosti materijala na te procese.
Wenking Potentiostat 70 HC 3 ima prednju ploču s kontrolama razdijeljenu na tri funkcijske cjeline:
- mrežni dio sa indikacijom napona, indikacijom strujnog preopterećenja i osiguračima
- mjerni instrument s trimerom za kalibraciju, sklopka za odabir jačine izlazne struje za radnu i pomoćnu elektrodu, utičnica za priključenje uređaja za registriranje izmjerenih veličina u vremenskoj i naponskoj domeni
- Sklopka Multiplier i potenciometar mV nalaze se u krugu preciznog podešavanja veličine napona sa četiri interne baterije ugrađene u uređaj. Ovaj napon doveden je na priključnice označene sa + i – (povezuju se kratkospojnikom na priključnicu za radnu elektrodu). Između tih priključnica nalazi se još jedan trimer potenciometar koji je također u krugu podešavanja ovog napona. Sa ovim ručnim kontrolama moguće je podesiti bilo koji napon u rasponu 0-6 V sa rezolucijom 1 mV. Ovaj napon vjerojatno služi za kompenzaciju (kalibraciju) napona na radnoj elektrodi. Gornje dvije priključnice su za referentnu elektrodu i pomoćnu elektrodu koja se još naziva i protuelektroda (eng. Counter Electrode). Sklopka Operating Selector je glavna sklopka kojom se kontroliraju naponi na priključnicama za elektrode.
Evo kako naš potenciostat izgleda iznutra. Na pločici se mogu razaznati tri funkcijske cjeline: lijevo je tranzistorsko mjerno pojačalo, u sredini je regulacijski konstantni strujni izvor 10 A, a desno je mrežni ispravljački dio. Dva mrežna transformatora su međusobno povezana i na izlazu daju napon 2 x 32 V. Kad se ti ispravi graetzovim diodnim mostom i filtrira kondenzatorima dobijemo simetrični istosmjerni napon 2 x 44 V (u praznom hodu).
Mjerno pojačalo na ulazu ima dvostruki JFET TIS26 te još desetak tranzistora u narednim stupnjevima pojačanja, sve komponente iz 1970-tih godina.
Strujni izvor bazira se na parovima pogonskih tranzistora RCA 40409 i RCA 40410, te na paru izlaznih tranzistora 2N3716 i 2N3792. Ovi tranzistori mogu se naći u audio pojačalima snage iz 1970-tih godina.
Na hladilo sa ventilatorom, ispod izlaznih strujnih tranzistora, montirane su dvije diode međusobno paralelno spojene obrnutim polaritetom. Iste su vezane paralelno svitku mjernog istrumenta te kao takve služe za njegovu zaštitu od prenapona.
Evo kako Wenking Potentiostat 70 HC 3 izgleda s donje strane. Dvije ljubičaste žice po sredini spajaju zaštitbe diode sa mjernim instrumentom. Ispod njih je skrivena smeđa žica koja je izlaz iz tranzistorskog stabilizatora struje. Žice gore u kutu su mase i kontakti potenciometra za korekciju skale instrumenta. Sve u svemu vrlo pregledan i uredni dizajn kako za proučavanje tako i za popravak uređaja.
Ovo su četiri baterije za izvor preciznog korekcijskog napona. Vidi se da su već više puta bile mijenjane i prelemljivane, ispale su i iz ležišta, no to je i za očekivati kod 50 godina starih uređaja.
Malo bolji pogled na precizne višeokretne potenciometre u krugu regulacije baterijskog napona.
Malo bolji pogled na strujne otpornike za ograničenje jačine izlazne struje na pojedinom opsegu.
I na kraju sklopke i indikacije mrežnog dijela…
Tranzistorski izvori konstantne struje mogu biti izvedeni na više načina, no gotovo uvijek je to serijski spoj tranzistora kao regulacijskog elementa sa trošilom. Tranzistor obično radi u spoju zajedničke baze tako da ima mali izlazni otpor, a otpornici za ograničenje struje se koriste u regulacijskom krugu kako bi disipacija snage na njima bila minimalna. Naponska mjerna pojačala pak se danas u pravilu rade sa operacijskim pojačalima.
Ovaj naš uređaj već se opasno približio vremenu kada bi bilo dobro zamijeniti sve elektrolite ukoliko bi ga htjeli osposobiti za stalnu upotrebu. No, do danas smo već svi nabavili moderne izvore regulacijskih konstantnih napona i struja koji mogu u vrlo finim podjelama te veličine ograničiti i stabilizirati u širokom rasponu (obično to budu regulacije napona do 30 V i struja do 5 A što je više nego dovoljno za pokrivanje velike većine elektroničkih uređaja koji nam se nađu na radnom stolu). Isto tako svi posjedujemo elektronske (analogne ili digitalne) mjerne instrumente dovoljno velikog unutarnjeg otpora za gotovo sva mjerenja u amaterskoj elektronici. Stoga ovaj potenciostat ili točnije rečeno galvanostat možda i nije toliko atraktivan za obnovu, pogotovo ako ne želimo svoje područje rada proširiti na elektrokemiju. No to ne znači da nije zaslužio da mu jednom (možda) ipak posvetimo još malo vremena, pa makar i samo za testiranje rada njegovog strujnog izvora i elektronskog voltmetra. Ako ništa drugo, onda i ovaj njegov baterijski izvor može odlično poslužiti kao izvor kalibracijskog napona za testiranje i podešavanje svih mogućih voltmetara koji su se do sada već opasno nakupili po mojim bezvremenskim vintage policama 🙂