KR100450780B1

KR100450780B1 - 평판형람다(lambda)센서구동회로

Info

Publication number: KR100450780B1
Application number: KR1019970004110A
Authority: KR
Inventors: 이정호; 권창순; 김병기
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 1997-02-12
Filing date: 1997-02-12
Publication date: 2004-12-17
Also published as: KR19980067801A

Abstract

본 발명은 람다(λ)센서에 관한 것으로서, 특히 공기 기준극이 없는 평판형 람다센서의 구동회로에 관한 것이다.

평판형 람다센서의 구동회로에 있어서, 바테리의 마이너스전원을 상기 평판형 람다센서의 제3전극에 접속시키고 바테리의 플러스전원은 전류제한 저항을 통하여 상기 평판형 람다센서의 산소기준극인 제2전극에 접속시키며 상기 평판형 람다센서의 제1전극의 출력전압과 상기 제2전극의 전압을 차동증폭부에 접속함을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 자동차 바테리의 전원을 이용하여 추가적인 마이너스전원 발생회로 없이 안정적이고 간단한 평판형 람다센서의 구동회로를 제공한다.

Description

평판형 람다(lambda) 센서 구동회로{The driving circuit of plated lambda senseor}

일명 산소센서로도 칭하는 람다센서의 기능은 자동차 내연기관의 배기밸브에서 배출되는 배기가스의 산소 농도를 전기적인 신호로 변환시켜 출력한다. 그러면 자동차의 중앙제어부에서는 전기적인 신호를 유입하여 연료와 공기의 혼합비를 최적으로 제어하게 된다.

이러한 람다센서는 종래에는 튜브형 람다센서의 공기기준극이 외부로 노출되어야 할 뿐만아니라, 배기가스 등의 검지가스와 완전히 차단되어야하므로 구조가복잡하고 특히 실링(Sealing)이 어려운 단점이 있었다. 이에 대한 문제점을 해결한 양산성이 있는 평판형 람다센서는 한국 특허 출원번호 95-042407로 상세히 기술되어 출원되어 있다.

도 1은 평판형 람다센서의 일반 동작을 설명하기 위한 회로도이다.

도 1에서, 제3전극(3)과 제2전극(2) 사이에 YSZ(yttria, stablized zirconia) 고체전해질(4)을 두고 제3전극(3)보다 제2전극(2)에 보다 높은 전위로 전압을 인가하면 고체전해질(4)의 산소펌핑(pumming)특성에 의해 통상 산화알루미늄(Al2O3)로 구성되는 고밀도층(5)과 제2전극(2) 사이로 산소이온이 이동하여 이 방의 산소압은 상승하게 된다. 이때 바이어스전압(Vp) 및 저항(R)을 적당히 조절하면 이 방의 산소압은 0.1 내지 10기압으로 거의 일정하게 유지된다. 이때 바이어스전압(Vp)은 1볼트 이상이어야 하며 저항(R)의 크기는 적정 펌핑전류가 흐를 수 있도록 고체 전해질의 저항을 고려하여 결정할 수 있다. YSZ 등의 고체전해질(4) 양단에 산소 분압의 차이가 있으면 다음의 수학식1과 같이 산출되는 Nernst식에 의해 제1, 2전극(1, 2)양단간에 기전력(EMF)이 발생한다.

EMF= (RT/4F)/ln(P1/P2)

수학식 1에서 R은 기체상수, F는 패러데이(Faraday) 상수, T는 절대온도, P1과 P2 는 산소 부분압을 나타낸다.

따라서 제1전극(1)과 산소기준극인 제2전극(2) 사이에 발생하는 전압은 배기가스 중의 산소압과 제2전극(2)과 고밀도층(5) 사이의 산소압에 의해 결정된다. 한편, 노출된 전극 위에는 전극을 보호하고 촉매특성을 발휘하도록 다공질 절연층을 형성시킬 수 있다.

이러한 평판형 람다센서는 크게 센서부와 히터부로 구성되는데 미도시된 히터부는 평판형 람다센서가 동작 가능한 온도(450℃-900℃)가 되도록 하기 위한 것이고 자동 배기가스 등 고온하에서 사용할 때는 제거할 수도 있다.

그러나, 종래의 튜브형 람다센서는 산소농도차에 의해 발생된 기전력이 바로 출력신호가 되므로 별도의 구동회로가 필요없으나 평판형 람다센서는 자동차에 장착되어 있을 때 출력신호를 바로 얻을 수 없고 평판형 람다센서에서 적절히 출력될 수 있도록 하는 구동회로가 요구된다.

도 2 및 도 3은 일반적인 평판형 람다센서의 구동회로를 설명하기 위한 회로도이다.

도 2에서 제3전극(3)과 제2전극(2) 사이에 바이어스전압(Vp)을 인가하여 제2전극(2)을 기준전압극으로 만든다. 이때 제3전극(3)은 접지되어 있다. 제1전극(1)과 제2전극(2) 사이의 전압이 출력신호가 되는 데 출력신호를 제1전극(1)이 접지된다. 이와 같은 동작에서는 제1전극(1)과 제3전극(3)이 공통 접지 되어있기 때문에 바이어스전압(Vp)에 의한 제2전극(2)과 제3전극(3) 양단 사이의 전압값이 그대로 출력전압(Vout)으로 출력되는 현상이 발생한다. 따라서 정상적인 센싱전압값으로 출력되지 못한다.

도 3에서 보이는 회로도는 도 2에서 도시된 제1전극(1)과 제3전극(3)과의 공통접지를 막기위해 제2전극(2)을 접지를 하였다. 그러면 고체전해질(4)을 통하여산소이온의 펌핑을 위해서 제3전극(3)에는 마이너스전원이 인가되어야하고 출력신호는 제1전극(1)에서 얻게 되는데 이 출력신호도 마이너스전압이 된다. 따라서, 자동차에서 센서를 동작하기 위해서는 플러스전압과 자체와 접속되어 동일한 그라운드전위를 갖는 자동차 바테리를 전원을 이용해야 하므로 마이너스전원과 마이너스전위로 출력되는 센서출력전압(Vout)을 플러스전압으로 반전시키기 위해서 별도의 마이너스전원회로가 필요하게 되어 센서 구동회로가 복잡해지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창출한 것으로서 편탕형 람다센서에서 발생되는 센서전압을 간단한 구동회로로서 적절하게 출력시킬 수 있는 평판형 람다센서의 구동회로를 제공하는 데 목적이 있다.

도 2 및 도 3은 일반적인 평판형 람다센서의 구동회로를 설명하기 위한 회로도이다

도 4는 본 발명에 따른 평판형 람다센서의 구동회로를 보이는 회로도이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 평판형 람다센서의 구동회로에 있어서, 바테리의 플러스전원을 상기 평판형 람다센서의 제3전극에 접속시키고 바테리의 마이너스전원은 전류제한 저항을 통하여 상기 평판형 람다센서의 산소기준극인 제2전극에 접속시키며 상기 평판형 람다센서의 제1전극의 출력전압과 상기 제2전극의 전압을 차동증폭부에 접속함을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2전극과 제3전극 사이에 인가되는 바이어스전압(Vp)을 안정화시키는 레귤레이터(Regulator)를 더 구비함을 특징으로 한다.

또한, 상기 차동증폭부는 단일 전원을 사용하는 OP(Operational) 앰프를 포함함을 특징으로 한다.

상기 차동증폭부는 상기 제1전극을 저항(R1)을 통하여 OP 앰프의 반전입력단자에 접속시키고, 상기 제2전극은 저항(R3)을 통하여 OP 앰프의 비반전입력단자에 접속시키고, 상기 반전입력단자와 상기 OP 앰프의 출력단자를 저항(R2)을 통하여 접속시키며, 상기 비반전입력단자와 접지간은 저항(R4)을 통하여 접지됨을 특징으로 한다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 4에서, 바테리(10) 전원은 레귤레이터(11)를 통하여 안정화된 다음 전류제한 저항(R5)을 통하여플러스전압은 평판형 람다센서의 고밀도층(5)에 안의 산소기준극 제2전극(2)에 인가되고 자동차의 차체와 접지되어 차체와 동일한 전위를 이루는 0볼트 전압은 제3전극(3)에 접속된다. 따라서, 제2, 3전극(2, 3) 양단자간에 바이어스전압(Vp)는 레귤레이터(11)와 저항(R5)을 통하여 인가되며 바이어스전압(Vp)에 의해 고체전해질(4)을 통하여 제2전극(2)으로 펌핑된 산소의 압에 의한 산소기준극인 제2전극(2)과 제1전극(1)사이에 발생된 출력전압은 차동증폭부(12)에 인가된다. 차동증폭부(12)는 출력전압(V1, V2)을 차동증폭하는 부분으로 OP 앰프(13)를 이용하여 상기 출력전압의 차를 증폭하여 출력한다. 여기서 제1전극(1)과 제2전극(2)의 출력전압(V1, V2)은 각각 저항(R1, R2)을 통하여 OP 앰프(13)의 입력단에 출력된다.

OP 앰프(13)의 입력저항은 이상적인 상태에서는 무한대로 센서에서 OP 앰프(13)로 입력되는 전류가 거의 없다. 따라서, 평판형 람다센서에 영향을 미치지 않고 출력을 얻을 수 있다. 여기서 중요한 것은 OP 앰프(13)를 단일전원으로 사용한다는 점이다. V1, V2의 차전압이 0볼트 내지 1볼트로 양전압이므로 단일전원의 OP 앰프(13)를 사용하여도 문제가 없다. 구동에 사용되는 전원을 플러스와 마이너스의 두전원으로 동작되는 OP 앰프를 사용하게 되면 자동차 배터리전원에서 별도의 마이너스전원 발생회로가 필요하게 되어 회로를 간단히 구성할 수 없게 된다.

여기서, 차동증폭부(12)의 차신호에 대한 출력의 증폭도는 다음과 같이 정할 수 있다. 해석은 중첩의 원리를 이용한다. 우선 V2를 접지시킨 상태에서 출력전압 Vo1을 다음 수학식2에 의해 산출한다.

Vo1 = -(R2/R1)·V1

다음 V1을 접지시킨 상태에서의 출력전압 Vo2를 다음 수학식3에 의해 산출한다.

Vo2 = R4/(R3+R4)·(1 + R2/R1)·V2

중첩의 원리에 의해 출력전압 Vo는 Vo1과 Vo2의 합이되어 다음 수학식4에 의해 산출된다.

Vo = Vo1+Vo2 = -(R2/R1)·V1 + (1 + R2/R1)/(1 + R3/R4)·V2

특히 R2/R1과 R4/R3이 같을 때에는 출력전압(Vo)은 다음의 수학식5로 산출된다.

Vo = R2/R1·(V2-V1)

따라서, 차동증폭부(12)의 입력전압(V1, V2)의 차동증폭도는 상기 수학식2 내지 수학식5에 따라 저항(R1 내지 R4)의 값을 조정하여 제어할 수 있다.

Claims

평판형 람다센서의 구동회로에 있어서,

바테리의 마이너스전원을 상기 평판형 람다센서의 제3전극에 접속시키고 바테리의 플러스전원은 전류제한 저항을 통하여 람다센서의 산소기준극인 제2전극에 접속시키고 상기 평판형 람다센서의 제1전극의 출력전압과 상기 제2전극의 전압을 차동증폭부에 접속하며, 상기 차동증폭부는 상기 제1전극을 저항(R1)을 통하여 OP 앰프의 반전입력단자에 접속시키고, 상기 제2전극은 저항(R3)을 통하여 OP 앰프의 비반전입력단자에 접속시키고, 상기 반전입력단자와 상기 OP 앰프의 출력단자를 저항(R2)을 통하여 접속시키며, 상기 비반전입력단자와 접지간은 저항(R4)을 통하여 접지됨을 특징으로 하는 평판형 람다센서의 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 차동증폭부는 단일전원을 사용하는 OP 앰프를 포함함을 특징으로 하는 평판형 람다센서의 구동회로.
제1항에 있어서, 상기 제2전극과 제3전극 사이에 인가되는 바이어스전압을 안정화시키는 레귤레이터를 더 구비함을 특징으로 하는 평판형 람다센서의 구동회로.