KR100707531B1 - 선형 배기-가스 프로브를 동작시키기 위한 회로 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 배기-가스 프로브(10a)를 동작시키기 위한 회로 장치에 관련하고, 상기 프로브는 측정-셀 전압을 결정함으로써 측정 챔버 내의 가스 농도를 측정하기 위한 측정 셀, 및 펌프 전류에 의해 가스를 펌핑하기 위한 펌프 셀을 포함한다. 상기 회로 장치는 상기 측정-셀 전압을 측정-셀 타겟 전압과 비교하고 대응하는 아날로그 편이 신호(Vin)를 제공하기 위한 비교기 회로; 및 펌프 전류를 제어하기 위한 펌프 전류원(12a)을 포함하고, 상기 전류원은 상기 특정 셀 전압을 상기 특정 셀 타겟 전압에 근사시키기 위한 제어 회로(16a)를 이용하여 상기 편이 신호(Vin)에 의해 제어된다. 동작 상에 있어 심각한 역효과를 주지 않으면서 펌프 전압을 제한하기 위해, 상기 회로 장치는 또한 상기 펌프 전압을 미리 정의된 임계 전압(Vref1+, Vref1-)과 비교하고 그에 대응하는 이진 스위칭 신호(Lim+, Lim-)를 제공하기 위한 제 2 비교기 회로(70a); 및 상기 펌프 전류원(12a)의 출력 및 상기 제어 회로(16a) 사이의 카운터 커플링 경로를 포함하고, 상기 경로는 상기 임계 전압 (Vref1+, Vref1-)이 초과 될 때 형성된다.

Description

선형 배기-가스 프로브를 동작시키기 위한 회로 장치 {CIRCUIT ARRANGEMENT FOR OPERATING A LINEAR EXHAUST-GAS PROBE}

본 발명은 청구항 1항의 전제부에 따라, 내연 기관에 대한 선형 배기-가스 프로브를 동작시키기 위한 회로 장치에 관련한다.

모터 차량에서 유해 성분 방출의 일정한 감소 및 낮은 연료 소비율을 갖는 최근의 개발예들은, 내연 기관이 상대적으로 정밀한 혼합 제어기를 갖는 것을 필요로 한다. 이러한 목적을 위해 펌핑 기준(측정 셀)을 갖는 선형 배기-가스 프로브로서 알려진 것을 사용하는 것이 유리하고, 이는 그러한 프로브를 사용할 때, 심지어 내연 기관의 동작 상태에 따라 상기 농도가 갑자기 변화할 때조차도 (특정 산소 부분압에서)배기 가스 내의 가스 농도의 상대적인 정밀한 측정치를 얻을 수 있기 때문이다.

공지된 기존의 산소 프로브(람다 프로브)에서 제 1 전극쌍은 측정 챔버 및 주변 공기 사이에 배열되고, 이러한 테스트 전극들에서 가스 농도 차에 의해 발생하는 네른스트 전압(Nernst voltage)을 측정함으로써 상기 측정 챔버의 산소 농도를 측정하기 위해 사용된다. 상기 측정 챔버, 및 상기 테스트 전극들을 위한 장치는 함께 앞서 언급한 측정 셀을 형성한다. 제 2 전극쌍은 상기 측정 챔버 및 배기 가스 스트림 사이에 배열되고, 적절한 극성의 전기적 전류가 인가될 때에는 산소가 상기 측정 챔버의 내부 또는 외부로 펌핑되도록 하여 준다. 이러한 목적을 위해 상기 측정 챔버는 확산 배리어(예를 들어, 지르코늄 세라믹으로 제조됨)를 통해 배기 가스 스트림과 소통한다. 이러한 확산 배리어 및 펌프 전극들은 함께 펌프 셀로서 알려진 것을 형성한다.

이러한 공지된 프로브가 동작 중일 때, 상기 측정 챔버의 내부 및 외부로의 산소의 확산-관련 및 펌프-전류-관련 흐름들 사이의 동적 평형은 전기적 펌프 전류에 대한 적절한 조정에 의해 유지된다. 상기 테스트 전극들의 도움으로 결정되는 상기 측정 챔버 내의 산소 농도는 이러한 목적을 위한 적합한 제어 기준이다. 이러한 농도는 전형적으로 450mV의 값을 갖는 네른스트 전압(측정 셀 전압)에 의해 한 λ=1의 공기/연료 비율에 해당하는 값으로 조정될 수 있다. 이러한 경우에 상기 펌프 셀을 통해 흐르는 펌프 전류는 배기 가스 내의 산소 농도의 측정치이거나 (수치적 변환 이후에) 해당 공기/연료 비율의 측정치일 수 있다.

선형 람다 프로브가 이러한 방식으로 동작 될 수 있는 회로 장치는 예를 들어, 독일 특허 문서(특허 번호 DE 101 01 755 C1)에서 공지된다.

실제로, 측정 챔버의 미리 정의된 가스 농도를 달성하거나 미리 정의된 측정-셀 타겟 전압을 얻기 위해 펌프 전류를 조정하는 동안에, 다음의 문제들이 발생한다: 프로브는 일반적으로 대략 500℃ 내지 800℃의 범위인 미리 정의된 공칭 동작 온도를 갖는다. 내연 기관이 시작된 이후에 가능한 빨리 상기 프로브를 상기 동작 온도로 올리기 위해서 또는 상기 프로브의 온도를 고의로 조절하기 위해서, 이러한 목적을 위해 제공되는 전용 가열 장치가 종종 프로브 상에 배열된다. 확산 배리어(펌프 셀)를 제공하기 위해 전형적으로 이용되는 세라믹 물질의 전기적 저항은 상당히 온도 의존적이고, 펌프 셀은 가열 단계 동안에는 높은 저항성을 갖는다. 측정 챔버 내에서 원하는 가스 농도를 달성하기 위해 펌프 전류가 조정될 때, 측정 셀 전압이 미리 정의된 측정-셀 타겟 전압(예를 들어 450mV)에 접근하도록 하기 위해, 적절한 펌프 전류를 생성할 목적으로 펌프 셀에 펌프 전류원이 인가하는 펌프 전압은 상대적으로 크다. 펌프 셀에 대해 사용되는 세라믹 물질에 따라, 만일 전형적으로 1.8V 내지 2.5V 근처에서 펌프 전압이 초과한다면, 이는 우선 프로브 기능에 있어 역효과를 가져오고, 결국 프로브에 있어 돌이킬 수 없는 손상을 유발하는데, 이는 특히 펌프 셀에서 이용되는 고체 전해질 물질에서 "흑화(blackening)" 또는 크레이징(crazing)으로서 알려진 것에 기인한다.

이러한 문제들을 해결하는 접근법은 종래 기술에서 찾을 수 있다.

그러한 해결책에 대한 제 1 방식에서, 펌프 셀 전압은 영구적으로 제한되는데, 이는 처음부터 펌프 전류원이 프로브에 대한 손상을 방지하는 출력 전압 범위(예를 들어 +/- 2.4V)를 갖도록 설계된다는 사실 때문이다. 그러나 이러한 해결책에서, 제한(제어 범위)은 변화하기 어렵다. 만일 회로가 집적된다면, 이러한 해결을 위한 유일한 실제 방식은 공급 전압을 변화시키는 것이고, 이는 회로의 다른 부품들에 대해서는 단점이 될 수 있다. 예를 들어, 연산 증폭기에 의한 것과 같이 펌프 전류원이 어떻게 구성되는지에 따라, 제한 값이 또한 부정확해질 수 있고 펌프 전류에 의존할 수 있다. 연산 증폭기가 이용될 때, 제한 값은 온 보드 출력 트 랜지스터들의 포화 전압에 의존한다. 더욱이 이러한 경우에 트랜지스터 회복 시간들은 제한 상태와는 별개로 원치 않는 과도적 효과를 유발할 수 있다.

그러한 해결책에 대한 제 2 방식에서, 펌프 셀 전압은 펌프 셀에 병렬로 연결되는 다이오드에 의해 제한된다. 다이오드의 온도-의존 특성으로 인해, 그러한 회로는 온도에 매우 의존적이므로 상대적으로 부정확한 제한을 가져온다. 다른 심각한 단점은 다음과 같은 상황들로부터 기인한다: 다이오드 특성에 따라 정상적 동작 모드(제한이 없음)에서 제한 모드로의 얼마간의 원활한 전이(smooth transition)가 존재하는데, 즉, 증가하는 펌프 전압에 의해 펌프 셀 상에서 제한 다이오드를 통해 바이패스 되는 전류는 점차 증가한다. 상기 제한 모드에서 펌프 전류원에 의해 전달되는 전류의 일부는 펌프 셀을 통해 흐르고 이러한 전류의 다른 부분은 상기 제한 다이오드를 통해 흐르기 때문에, 상기 펌프 전류 원에 의해 전달되고 분석 회로에 의해 측정되는 전류는 더 이상 상기 펌프 셀을 통한 전류 흐름의 측정이 아니고 상기 측정은 왜곡된다.

그러므로 본 발명의 목적은, 최초에 언급한 유형의 선형 배기-가스 프로브에서 펌프 전압을 미리 정의된 범위로 확실하게 제한하고 그렇게 함으로써, 획득된 제한 측정치들이 측정 동작 상에서 가능한 최소의 역효과들을 갖도록 하는 것을 보장하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 1항에서 청구된 특성들을 갖는 회로 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 족속항들에서 설명된다.

본 발명과 관련하는 회로 장치에는 펌프 셀에 인가되는 전압을 적어도 하나의 미리 정의된 임계 전압과 비교하고 그 비교 결과에 대응하는 이진 스위칭 신호를 제공하기 위한 비교기 회로가 제공된다. 이러한 방법을 사용하여, 제한 값은 즉 펌프 전압과 비교되는 미리 정의된 임계 전압에 의해, 높은 정확성을 가지면서 유연하게 결정될 수 있다. 이러한 비교의 결과로서 제공되는 이진 스위칭 신호는, 쉽게 디지털로 분석될 수 있고 또한 예를 들어 제한 모드를 감지하기 위해 내연 기관을 제어하기 위한 전기 장치에 의해 바람직하게 사용될 수 있는 제어 신호를 나타낸다. 더욱이, 본 발명에 따라, 스위칭가능한 카운터 커플링 경로는 펌프 전류원의 출력 및 펌프 전류원의 제어 회로 사이에 제공되고, 임계 전압이 (제한 모드에서)초과될 때 상기 경로는 형성됨으로써 펌프 전압의 제어된 제한을 생성하게 된다.

바람직하게 펌프 전압은 특정 프로브에 대한 적응을 위한 규정 값으로 쉽게 제한될 수 있다. 그러므로 전압 제한은 정밀하고 개별적으로 조정될 수 있다. 게다가 펌프 셀을 통해 흐르는 펌프 전류의 측정은 전압 제한에 의해 왜곡되지 않고, 상기 제한은 상기 회로 장치의 정상 동작 모드와 상호 작용하지 않는다. 더욱이, 본 발명의 회로 장치는, 불안정성 또는 임의의 오버슈트 효과들을 유발하지 않으면서 상기 제한이 생성 및 비생성되도록 허용하고, 이때 엔진 제어기의 이진 스위칭 신호의 도움으로 전압 제한의 동작을 표시하는 것은 간단한 문제이다. 측정들 장기간 제한의 경우에 프로브를 보호하기 위해 측정들이 취해질 수 있고, 예를 들어 프로브는 엔진 제어기에 의해 동작되지 않을 수 있다. 마지막으로 본 발명의 장치는 펌프 전류원 자체의 출력 전압을 제한하는 단점을 피하고, 상기 장치의 간단한 구성은 집적을 위해 적합하다.

프로브의 작동이 허용될 수 있는 미리 정의된 전압 범위로 펌프 전압이 제한되는 것을 보장하기 위해서, 본 발명의 개발예에서는 제 2 비교기 회로가 제공되고, 상기 비교기 회로는 상기 펌프 셀에 인가되는 전압을 미리 정의된 제 1 임계 전압 및 미리 정의된 제 2 임계 전압과 비교되도록 설계되고 또한 그 비교들의 결과들에 해당하는 2개의 이진 스위칭 신호들을 제공하도록 설계되며, 상기 두 개의 임계 전압들은 펌프 셀 상에서 전압이 허용될 수 있는 전압 범위를 정의한다. 상기 제 1 및 제 2 임계 전압들에 있어서, 동작 중에 만일 다른 극성을 갖는 전압들이 펌프 전류원의 출력에서 예측될 수 있다면, 예를 들의 양의 임계 전압 및 음의 임계 전압을 고려하는 것이 가능하다. 그 후, 바람직하게, 이러한 양의 전압 제한 및 음의 전압 제한은 특정하게는 서로 다른 값들로 개별적으로 미리 정의될 수 있다.

또한, 상기 임계 전압들 중 적어도 하나는 조정 가능 및/또는 스위치-선택가능하게 미리 정의될 수 있고, 예를 들어 이에 의해 회로 장치는 상이한 프로브들에 개별적으로 적응될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 각 비교를 위한 비교기를 갖도록 하는 제 2 비교기 회로, 펌프 전류원의 출력에 연결되는 상기 비교기의 제 1 입력, 및 상기 비교기의 제 2 입력에 인가되는 대응하는 임계 전압이 제공되고, 이에 의해 상기 비교기의 출력은 대응하는 이진 스위칭 신호를 제공하고, 스위칭 엘리먼트(예를 들어 스위칭 트랜지스터)의 제어 게이트에 연결되며, 상기 스위칭 엘리먼트는 카운터 커플링 경로의 제공을 위해 펌프 전류원의 출력을 제어 회로의 입력에 연결시킨다. 이러한 설계는 특히 집적에 적합한 방식의 원하는 제한 기능성을 생성한다. 상기 회로 장치의 기준 전위는 저항을 통해 상기 제어 회로 입력에 인가될 수 있고, 이에 의해 운반된 이러한 입력 또는 전위는 정상 동작 모드(카운터 커플링이 없음) 및 제한 모드에서 모두에서 펌프 전류원을 제어하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명은 예시적 실시예들 및 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 더욱 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 함께 동작하는 선형 람다 프로브를 갖는, 종래 기술에 따른 회로 장치의 블록 다이어그램.

도 2는 도 1에 도시된 람다 프로브의 측정 셀에서 내부 저항의 기존의 등가 회로 다이어그램.

도 3은 상기 내부 저항의 온도 의존성의 그래픽적 디스플레이.

도 4는 선형 배기-가스 프로브를 동작시키기 위해 본 발명에서 중요한, 회로 장치의 컴포넌트들을 도시하는 블록 다이어그램.

도 5는 수정된 실시예에서 도 4로부터의 임계 전압원의 상세도.

도 6은 정상 동작 모드(도 6a) 및 생성된 펌프 전압 제한을 갖는 모드(도 6b)에서 도 4의 회로 장치의 시뮬레이션 된 신호 변형도.

도 7은 본 발명에 따른 회로 장치의 다른 실시예에서 중요 컴포넌트들을 도 시하는 블록 다이어그램.

도 8은 도 7에 도시된 회로 장치를 가지면서, 생성된 펌프 전압 제한을 갖는 도 6b에 해당하는 시뮬레이션 된 신호 변형들.

도 1의 상부 부분은 내연 기관의 배기 가스에서 산소 농도 또는 공기 번호(λ)를 측정하기 위한, 10으로 표시된 기존의 프로브를 도시한다.

프로브(10)는 회로 다이어그램에서 네른스트 전압(Vs) 및 측정 셀의 내부 저항(Ris)으로 표시되는 측정 셀, 및 회로 다이어그램에서 편극 전압(Vp) 및 펌프 셀의 내부 저항(Rip)으로 표시되는 펌프 셀을 포함한다. 프로브 포트들(3, 4)은 상기 포트들(3, 4) 사이의 측정-셀 전압(Vs)을 결정함으로써 프로브(10)의 측정 챔버의 산소 농도를 측정하기 위해 프로브(10) 내에 테스트 전극 쌍을 형성한다. 도면에서 지정된 전압 값들 및 컴포넌트들의 값들은 단지 예시일뿐이다.

프로브(10)가 동작중 일때, 측정 챔버 내의 산소 농도는 펌프 전류원(12)을 적절하게 제어함으로써 측정 셀 전압(측정-셀 타겟 전압)의 미리 정의된 값에 해당하는 미리 정의된 값으로 조정되고, 이에 의해 펌프 전압 및 그에 따라, 포트들(1 또는 2) 및 포트(3)에 의해 상기 펌프 셀을 통해 흐르고 산소 이온들이 상기 측정 챔버의 내부 또는 외부(펌핑)로 이동하도록 하는 펌프 전류가 생성된다. 상기 펌프 전류는 프로브(10)에 배열된 교정 저항(Ric) 및 외부 측정 저항(Rc)의 병렬 회로를 통해 흐른다.

프로브의 포트(4)는 차동 증폭기(14)의 비-반전 입력에 연결되고, 상기 차동 증폭기의 반전 입력에는 측정-셀 타겟 전압(Vref)이 상기 반전 입력 및 프로브 포트(3) 사이에 배열되는 전압원에 의해 인가된다. 이러한 차동 증폭기(14)는 측정 셀 전압(Vs)(네른스트 전압)을 측정-셀 타겟 전압(Vref)과 비교하고 아날로그 편이(deviation) 신호(Vin)를 입력 측에 생성시킨다. 이러한 편이 신호(Vin)는 PID 제어기(16)의 반전 입력에 제공되고, 상기 제어기의 비-반전 입력에는 상기 입력 및 상기 회로 장치의 접지 연결 사이에 배열되는 전압원을 통해 중간-범위 전압(Vm)이 인가된다. 상기 PID-제어기(16)의 출력에서는 뒤따르는 펌프 전류원(12)에 대한 제어 신호가 상기 편이 신호(Vin)로부터 형성된다. 이러한 목적을 위해, PID-제어기(16)의 출력은 프로브 포트(1)를 통해 상기 프로브의 조정 저항(Ric) 및 외부 측정 저항(Rc)의 포트에 연결되고, 상기 외부 측정 저항의 나머지 포트는 차동 증폭기로서 구성되는 펌프 전류원(12)의 반전 입력에 뿐만 아니라 프로브 포트(2)에 연결된다. 펌프 전류원(12)의 비-반전 입력은 PID-제어기(16)의 비-반전 입력, 및 그에 따라 접지시키기 위해 중간-범위 전압(Vm)에 연결된다. 그러므로 상기 PID-제어기(16)는 펌프 전류원(12)을 위한 제어 회로를 형성하고, 따라서 프로브(10)가 동작중일 때 측정 셀 전압(Vs)은 측정-셀 타겟 전압(Vref)에 근사시키기 위해 조정된다.

도 1의 하부 부분에서 30으로 표시되는 블록은, 측정 셀 전압(Vs)의 측정에 기초하여 펌프 전류원(12)에 의한 제어 방식으로 생성되는 펌프 전류에 대한 제어기를 개략적으로 형성한다.

분석 증폭기(18)는 배기 가스 스트림의 산소 농도 또는 공기 번호의 측정치로써 Ric, Rc로의 병렬 회로를 통해 흐르는 펌프 전류를 측정하기 위해 제공된다. 이러한 펌프 전류 측정은 비-반전 입력 및 반전 입력들로부터 형성되는 이러한 분석 증폭기(18)의 입력을 상기 저항들에 병렬로 연결시켜서, 저항 장치(Ric, Rc)에서의 전압 강하를 측정하여 수행된다. 증폭기(18)의 출력에서 제공되는 신호(Ipout)는 기화(carburation)를 위해 분석되고 전자 엔진 제어기(예를 들어 마이크로 제어기-미도시됨)에 의해 이용된다. 펌프 전류원(12)은 반전 연산 증폭기로서 구성되기 때문에, 저항들(Ric, Rc)을 통해 흐르는 전류는 또한 펌프 전류로서 프로브(10)의 펌프 셀을 통해 흐르고, 상기 펌프 셀을 통해 형성되는 피드백으로 인해 연산 증폭기(12)는 입력 전압이 차가 거의 제로가 접근하도록 하는 방식으로 자신의 출력 전압을 조정한다. 그 후 상기 분석 증폭기(18)는 저항들(Ric 및 Rc)의 병렬 회로 상에서 펌프 전류에 의해 생성되는 전압 강하를 검출하고, 이러한 전압 강하를 증폭하며, 마지막으로 다른 처리를 위한 엔진 제어기의 ADC에 전달되는 전압 형태로 입력 측에 펌프 전류의 측정치를 제공한다.

도 1의 우측 부분에서 50으로 표시되는 블록은 프로브(10)의 측정 셀에서 내부 저항(Ris)을 측정하기 위한 공지된 회로를 나타낸다. 이러한 내부 저항(Ris)은 프로브(10)의 온도에 상당한 영향을 받고 프로브 온도의 인식은 다양한 목적을 위해 유용하기 때문에, 이러한 회로는 프로브 온도를 간접적으로 특정한다. AC 신호는 발진기(Osz)에 의해 생성되고 프로브(10)의 저항(Rv) 및 디커플링 커패시터(Cv)를 통해 변조되는데, 상기 발진기 신호의 주파수는 유용한 프로브 신호의 주파수와는 상당히 다르다. 변조 신호로의 응답 및 프로브(10)의 내부 저항(Ris)의 함수로써, AC 신호가 획득되고, 그 진폭은 저항(Ris)을 나타내므로 프로브 온도를 나타내는 것이다. 이러한 진폭의 측정은 증폭기(52)에 의한 AC 신호의 증폭, 및 정류기(54)에 의한 후속하는 정류에 의해 획득되고, 상기 정류기의 출력 측에서는 프로브 온도를 지정하는 신호(Risout)가 엔진 제어기에 대해 제공된다.

도 2는 프로브(10)의 내부 저항(임피던스)의 기존의 등가 회로 다이어그램을 도시한다. 이러한 다이어그램에서, R1 및 C1은 전극들 및 세라믹 물질 사이의 전달 임피던스를 나타내고, R2 및 C2은 세라믹 소결물 입자들의 결정 경계들 사이의 전달 임피던스를 나타내며, R3는 상기 소결 세라믹의 고유 저항을 나타낸다.

도 3은 온도에 매우 의존하는 내부 저항(Ris)의 개략적 알고리즘 도이다. 이로부터, 실제로 관련된 온도 범위에 대한 저항은 다수의 진폭 순서들에 의해 변화한다. 성질상 동일한 특성이 프로브(10)의 펌프 셀에서 내부 저항(Rip)에 대해 나타난다.

도 1에 도시된 회로가 동작 중 일때, 다음의 문제들이 발생한다. 프로브 포트들(2 및 3) 사이의 펌프 셀 전압은 편극 전압(Vp)(예를 들어, -350mV 내지 +450mV)의 함수이고, 펌프 전류 및 펌프 셀 저항(Rip)의 곱이다. 프로브(10)가 동작할 준비가 되었을 때, 즉 프로브(10)가 예를 들어 750℃의 동작 온도에 도달했을 때, 내부 저항(Rip)은 100 옴 정도가 되고, 따라서 6mA의 전형적 펌프 전류에 대한 펌프 셀 전압은 대략 1V가 되고, 이는 흑화(blackening)로 인해 프로브(10)에 전형적으로 손상이 시작되는 펌프 셀 전압들 이하의 전압이다.

그러나, 내연 기관이 개시된 이후에 가능한 빨리 제어된 방식으로 동작될 수 있도록 하기 위해, 그리하여 배출량의 감소에 기여하면서, 가능하면 프로브(10)가 안전하게 자신의 정상 동작 온도에 도달할 때까지는 대기하는 대신에 조기에 상기 프로브(10)를 스위칭 온시키고자 하는 시도가 존재한다. 만일 위에서 언급된 바와 같이 펌프 전류를 생성하기 위해 프로브의 가열 단계 동안에 제어 루프가 닫히면, 차동 증폭기(14)는 시스템 편이 Vin을 발생시킬 것이고, PID-제어기(16)는 상기 시스템 편이 Vin을 상대적으로 큰 펌프 전류 필요(Rc, Ric로의 전압)로 변환시키고, 그 후 펌프 전류원(12)은 필요한 펌프 전류가 흐를때까지 펌프 셀에서 전압을 증가시킴으로써 이러한 필요를 만족시키고자 시도한다. 심지어 400℃의 프로브 온도(3.5 ㏀의 내부 저항(Rip)에 대응함)에서, 1㎃ 미만의 펌프 전류필요는 전형적인 최고 허용 가능 펌프 셀 전압을 초과하기에 충분하다. 이러한 상황, 즉 프로브(10)에 영구 손상을 입힐 수 있는 이러한 상황을 피하기 위해 적합한 측정들이 취해져야만 한다. 본 발명에 의해 제공되는 측정들은 펌프 전압을 확실하게 제한하며 도 4 내지 도 8을 참조하고 예시적 실시예들을 통해 아래에서 설명될 것이다.

이하의 예시적 실시예들의 설명에서, 동일한 참조 번호들이 유사한 컴포넌트들 또는 블록들에 대해 사용되고, 또한 관련되는 실시예들과 구별하기 위해 소문자를 부가한다. 대부분은 이미 설명된 예시적 실시예들과 관련되는 차이점들만이 언급될 것이고, 이전의 예시적 실시예들의 설명에 대해 뚜렷하게 또한 기준이 만들어질 것이다.

도 4는 선형 람다 프로브(10a)를 동작시키기 위한 본 발명의 회로 장치를 도 시하고, 본 발명의 개념을 이해에 있어 중요하지 않은 몇몇 이전에 설명된 회로 컴포넌트들은 생략되었다. 그것들의 기능들의 상세 사항들은 도 1에 도시된 회로에 대한 설명들을 참고하여 얻을 수 있다.

도 4에 따른 회로는 다음과 같이 구성된다: 이미 위에서 언급된 아날로그 편이 신호(Vin)를 제공하는 신호원의 한쪽은 접지에 연결되고 나머지 한쪽은 저항(R1)의 포트에 연결된다. 저항(R1)의 나머지 포트는 PID-증폭기(16a)의 반전 입력 뿐만 아니라 저항(R4)의 포트 및 커패시터(C1)의 포트로 안내된다. PID-증폭기의 비-반전 입력은 저항(R3)을 통한 접지 뿐만 아니라 스위칭 엘리먼트들(S1a, S1b)(예를 들어, 스위칭 트랜지스터)의 제 1 스위칭 접촉부들에 연결된다. PID-증폭기(16a)의 출력은 조정 저항(Rc) 및 프로브 포트(2a)를 통해 프로브(10a)의 펌프 셀의 내부 저항(Rip) 및 펌프 전류원을 형성하는 증폭기(12a)의 비-반전 입력 뿐만 아니라, R4 및 C1의 제 2 포트들에 연결된다. 상기 증폭기(12a)의 비-반전 입력은 접지에 연결된다. 상기 증폭기(12a)의 출력은 펌프-셀 내부 저항(Rip)의 나머지 포트(프로브 포트 3a), 제 1 비교기(22a)의 반전 입력, 제 2 비교기(24a)의 비-반전 입력, 및 스위치들(S1a 및 S1b)의 제 2 스위칭 접촉부들로 안내한다. 비교기(22a)의 출력은 스위치(S1a)의 제어 입력에 연결되는 반면, 비교기(24a)의 출력은 스위치(S1b)의 제어 입력에 연결된다. 비교기(22a)의 비-반전 입력은 제 1 임계 전압원(Vref1+)의 양극에 연결되고, 상기 제 1 임계 전압원의 음극은 한쪽은 접지에 연결되고 다른 한쪽은 제 2 임계 전압원(Vref1-)의 양극에 안내되며, 상기 제 2 임계 전압원의 음극은 비교기(24a)의 반전 입력에 연결된다.

지금부터 회로 작업이 설명될 것이다. 도 4의 상부 부분에서 도시된 컴포넌트들, PID(16a), R1, R4, C1 및 펌프 전류원(12a)와 함께 Rc 및 Rip는 도 1에 도시된 바와 같이 제어 편이 신호(Vin)에 기초하여 펌프 전류를 조정하기 위한 전형적 회로 장치에 해당한다. 도 4에 도시된 신호원은 이러한 신호(Vin)를 제공하고 도 1에 도시된 차동 증폭기(14)의 출력에 해당한다.

제 2 비교기 회로(70a)인 도 4에 도시된 회로에 대한 주목할 사항들은 회로 다이어그램의 하부 부분으로부터 자명해진다. 펌프 전류원(12a)의 출력에서의 전압(펌프 전압)은 두 개의 비교기들(22a, 24a)에 의해 양의 기준 전압(Vref1+) 및 음의 기준 전압(Vref1-)과 비교된다. 이러한 두 개의 기준 전압들은 과도하게 높은 전압들로부터 펌프 셀을 보호하기 위해 펌프 전압에 대한 허용가능한 전압 범위를 정의한다.

펌프 전압이 양의 기준 전압 및 음의 기준 전압 사이에 존재할 때, 비교기들(22a, 24a)의 출력은 각각 로우-레벨 신호(논리 레벨)를 제공하고, 상기 로우-레벨 신호는 표시 신호(Lim+ 또는 Lim-)로서 엔진 제어기(미도시됨)에 이용 가능하게 된다.

그러나, 만일 펌프 전류원(12a)의 펌프 전압이 양의 기준 전압(Vref1+)을 초과한다면, 비교기(22a)의 출력은 하이-레벨 신호로 변하고, 상기 하이-레벨 신호는 신호(Lim+)를 통해 엔진 제어기에 표시된다. 신호(Lim+)의 하이 레벨은 스위칭 엘리먼트(S1a)로 하여금 닫히도록 하고, 펌프 전류원(12a) 및 PID-증폭기(16a)의 비-반전 입력 사이에 연결을 형성한다. 한편, 만일 펌프 전압이 음의 기준 전압(Vref1-) 이하로 떨어진다면, 비교기(24a)의 출력은 하이-레벨 신호로 변하고 스위칭 엘리먼트(S1b)는 닫힌다. 이러한 상황은 또한 신호(Lim-)를 통해 엔진 제어기에 통지되고 스위칭 엘리먼트(S1b)에 의해 펌프 전류원(12a)의 출력 및 PID-증폭기(16a)의 사이에 연결을 형성하게 한다.

회로 장치의 정상 동작 중에는, 즉 펌프 전압이 임계 전압들로써 동작하는 기준 전압들(Vref1+, Vref1-) 사이에 존재할때, 미리 정의된 전위(본 예에서는 접지 전위)가 저항(R3)을 통해 PID-증폭기(16a)의 비-반전 입력에 연결되는 반면, 만일 임계 전압들 중 하나가 대응하는 스위칭 엘리먼트(S1)가 닫힘으로써 초과된다면, 카운터 커플링 경로가 형성되어, PID-증폭기(16a)의 비-반전 입력에 전압이 인가되며, 이는 펌프 전압 생성에 관련해서 필요 전압(Vin)에 대해 역작용을 하고, 따라서 안정적 평형이 PID-증폭기(16a)의 R1을 통해 반전 입력 상에서 동작하는 전압 및 카운터 커플링 경로를 통해 상기 PID-증폭기(16a)의 비-반전 입력 상에서 동작하는 전압 사이에 설정되고 이는 실제로 펌프 전압이 임계 전압을 초과하지 않는 방식으로 이루어진다. 요약하면, 펌프 전류원(12a)의 출력 전압은 미리 정의된 전압 범위(Vref1+, Vref1-)로 제어된 방식으로 제한된다.

도 6a 및 도 6b는 도 4에 따른 회로에 대한 시뮬레이션 된 신호 편이들에 의해 이러한 내용을 도시하고, 이때 도 6a는 정상 동작 모드(제한이 없음)에서의 신호들을 도시하고 도 6b는 제한이 있는 동일한 신호들을 도시한다. 제한은 펌프 셀의 내부 저항(Rip)을 100Ω에서 1㏀으로 단순히 증가시키고 필요 신호(Vin)를 변화되지 않도록 둠으로써 시뮬레이션 되었다.

도 6a 및 도 6b에서 참조 문자들을 다음을 나타낸다:

a: 편이 신호(Vin)

b: PID-증폭기(12a)의 출력 측 신호

c: 펌프 전류원(12a)의 출력 측 신호

d: PID-증폭기(12a)의 비-반전 입력 측 신호

도 6a에서, 톱니 모양 신호로서 본 도면에서 제공되는 편이 신호(Vin)로 시작하는 것이 명백하고, PID-증폭기(16a)의 적분기 특성은 이러한 신호를 사인 신호로 변환하고, 상기 사인 신호는 더욱 반전된다. 그 후 펌프 전압(곡선 c)은 제한 임계치들에 의해 한정되는 허용가능한 범위 내에 항상 존재한다. PID-증폭기(16a)의 비-반전 입력 상의 과도하게 낮은 전압들은 스위칭 엘리먼트들(S1a)의 유한 저항에 의해 생성되고 사실상 무시된다.

도 6b에 따른 제한 경우에 있어서, PID-증폭기(16a)의 출력 신호(곡선 b)는 현재 급격히 제한된다. 따라서 펌프 전류원(12a)의 출력 신호(곡선 c)는 대응하는 시간 주기들에서 정확하게 제한 임계치 상에 존재한다. 상기 제한 임계치에 도달하기 전에, PID-증폭기(16a)의 비-반전 입력 측 신호(곡선 d)의 값은 0V이다. 일단 제한 임계치에 도달하면 이러한 신호는, 값이 제한 임계치 이하로 다시 떨어질 때까지 Vin으로서 동일한 편이를 따른다. 그 후 신호는 다시 0V로 떨어진다.

도 5는 임계 전압들의 제공 영역에서 도 4에 따른 회로 장치의 변형을 도시한다. 이러한 변형을 사용하여, 스위치-가능하게끔 양의 기준 전압 및 음의 기준 전압을 지정하는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위해 두 개의 양의 기준 전압들 (Vref1+, Vref2+), 및 두 개의 음의 기준 전압들(Vref1-, Vref2-)이 제공된다. 스위칭은 토글 스위치들(S2 또는 S3)을 이용하여 대응하는 제어 신호들(Se1+, Se1-)에 의해 수행될 수 있다.

도 7은 도 1에 도시된 공지된 회로 장치의 응용예에 적응된, 본 발명의 회로 장치의 다른 실시예를 도시한다.

도 7에 도시된 전체 회로에는 양의 공급 전압(Vcc)을 갖는 단일 전압원으로부터 전원 공급되기 때문에, PID-증폭기(16a) 및 펌프 전류원(12b)의 비-반전 입력들은 빠져 나가는(drawn off) 기준 전위(Vref)(2.25V)를 참조한다. 따라서 제 2 비교기 회로(70b)의 임계 전압들을 또한 변경되는데, 즉 2.25V + 2V = 4.25V의 양의 기준 전압 및 2.25V - 2V = 0.25V로 변경된다. 도 4에 도시된 실시예에서는, 단지 두 개의 기준 전압들의 쌍이 허용가능한 펌프 전압 범위를 정의하기 위해 제공된다.

시뮬레이션 된 신호 편이들이(도 6b와 유사함) 또한 제한 경우에 있어 이러한 회로 장치에 대해 결정되고 도 8에 도시된다.

요약하면, 미리 정의된 임계치를 초과할 때 본 발명에서는 펌프 전압의 제한이 발생하는데, 이때 제한될 필요가 있는 전압 신호(펌프 전압)는 평상시 제어량(Vin)에 대해 역작용을 하거나 제한을 위한 영향력을 한정시킨다. 도시된 예시적 실시예들의 경우에 있어서, 이러한 전압 제한은 비교기들에 의해 생성되고, 상기 비교기의 한쪽에서는 펌프 전류원의 출력에 전압이 제공되고 상기 비교기의 다른 한쪽에서는 기준 전압이 입력되며, 제한 전압을 초과하면, 카운터 커플링 경로를 형성하기 위한 스위칭 엘리먼트들이 활성화된다.

Claims (4)

1. 측정-셀 전압(Vs)을 미리 정의된 측정-셀 타겟 전압(Vref)과 비교하고 그 비교 결과에 해당하는 아날로그 편이(deviation) 신호(Vin)를 제공하기 위한 비교기 회로(14); 및

   펌프 전류를 제공하기 위한 펌프 전류원(12) - 상기 펌프 전류원(12)은 상기 측정 셀 전압(Vs)을 상기 측정 셀 타겟 전압(Vref)에 근사화시킬 목적으로 상기 편이 신호(Vin)를 이용하는 제어 회로(16)에 의해 제어됨 - 을 포함하고,

   측정-셀 전압(Vs)을 결정함으로써 배기-가스 프로브의 측정 챔버 내의 가스 농도를 측정하기 위한 측정 셀, 및 펌프 전류가 자신에게 인가되었을 때 상기 측정 챔버의 외부 또는 내부로 가스를 펌핑하기 위한 펌프 셀을 포함하는 선형 배기-가스 프로브(10)를 내연 기관에 대해 동작시키기 위한 회로 장치로서,

   상기 펌프 셀에 인가되는 전압을 적어도 하나의 미리 정의된 임계 전압(Vref+, Vref-)과 비교하고 그 비교 결과에 해당하는 이진 스위칭 신호(Lim+, Lim-)를 제공하기 위한 제 2 비교기 회로(70); 및

   상기 펌프 전류원(12)의 출력 및 상기 펌프 전류원의 제어 회로(16) 사이의 스위칭가능한 카운터 커플링 경로 - 상기 스위칭가능한 카운터 커플링 경로는 상기 펌프 셀에 인가되는 전압이 상기 임계 전압(Vref+, Vref-)을 초과할 때 형성됨 -

   를 포함하는 회로 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 비교기 회로(70)는 상기 펌프 셀에 인가되는 전압을 상기 미리 정의된 제 1 임계 전압(Vref+) 및 상기 미리 정의된 제 2 임계 전압(Vref-)과 비교하도록 설계되고, 또한 상기 비교들의 결과들에 해당하는 두 개의 이진 스위칭 신호들(Lim+, Lim-)을 제공하도록 설계되며, 상기 두 개의 임계 전압들(Vref+, Vref-)은 상기 펌프 셀에서의 전압에 대해 허용가능한 전압 범위를 정의하는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 임계 전압들(Vref+, Vref-) 중 적어도 하나는 조정가능하거나 또는 스위치-선택가능 할 수 있도록 미리 정의되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 제 2 비교기 회로(70)는 각각의 비교를 위한 비교기(22, 24)를 갖고, 상기 비교기의 제 1 입력은 상기 펌프 전류원(12)의 출력에 연결되고, 대응하는 임계 전압(Vref+, Vref-)이 상기 비교기의 제 2 입력에 인가되며, 따라서 상기 비교기의 출력은 해당하는 이진 스위칭 신호(Lim+, Lim-)를 제공하고 스위칭 엘리먼트(S1a, S1b)의 제어 게이트에 연결되며, 상기 스위칭 엘리먼트는 상기 카운터 커플링 경로를 제공하기 위해 상기 펌프 전류원(12)의 출력을 상기 제어 회로(16)의 입력에 연결시키는 것을 특징으로 하는 회로 장치.

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