1、 第一章、直流稳压电源电路组成及其工作原理一直流稳压电源的组成直流稳压电源由输入电压变换电路、整流、滤波电路和稳压输出电路组成。输入电压变换电路由电源变压器、整流电路、滤波电路组成，其中整流电路方式有半波整流、全波整流和桥式整流三种。为了获得直流电压最常用的方法是将交流市电经电源变压器产生合适的交流电压后，再利用二极管的单向导电特性将其转变为单方向（即直流）脉动电压，这一过程称为整流。下图所示为直流稳压电源的组成框图，实际上它就是表示把交流电转换为直流电的过程。图中各环节的功能如下：1、电源变压器：将标准交流电源电压变换为符合整流需要的交流电压（一般为降压） 。2、整流电路： 利用二极管等整流
2、器件的单向导电特性，将交流电压变换为单向脉动电压。3、滤波电路： 减小整流电压的脉动程度，以适合稳压电路的需要。4、稳压电路： 在交流电源电压波动或负载变化时，使直流输出电压稳定。直流稳压电源是一种将 220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。四个环节的工作原理如下： (1)电源变压器：是降压变压器，它将电网 220V 交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。 (2)整流滤波电路：整流电路将交流电压 Ui 变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压 U1。
3、常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。 (3)滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容 C 满足 RL-C（35）T/2 ，或中 T 为输入交流信号周期，RL 为整流滤波电路的等效负载电阻。 (4)稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有 CW317（LM317）系列，它们的输出电压从1.25V37 伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流
4、为 1.5A。其典型电路如下图，其中电阻 R1 与电位器 R2 组成输出电压调节器，输出电压 Uo 的表达式为：Uo1.25（1R2/R1）式中 R1 一般取 120240 欧姆，输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压（典型值为 1.25V）。二 直流稳压电源工作原理： 电路中，D5、D6 和 C1 共同组成全波整流滤波电路，将输入的交流电转换成直流电；Q1、Q2 组成一达林顿射随电路，Q1 称为调整管，Q2 称为推动管，为负载供电；Q3、D8、R2、R3、RW1 共同组成输出电压取样负反馈电路， Q3称为采样放大管，D8 称为基准稳压管，此部分用于稳定输出电压； Q4、R5 组成输出电流取样
5、电路，为输出提供过流保护；C5 为输出滤波电容。由于调整管和负载相对于输入而言呈串连的关系，故这种电源称为串联型直流稳压电源。 直流稳压电源电原理图 220V 交流电经电源变压器降压为低压交流电后，经由 D5、D6、C1 组成的全波整流滤波电路整流滤波变成直流电，输送给达林顿射随电路，最后由射随电路向负载提供直流电压 VO，该电压 VO 的大小由基准电压 VREF 和采样支路的分压比决定。当输出电压 VO 由于某种原因瞬时升高时，输出电压取样电路的 Q3 的集电极电流就会增大，导致射随电路的基极电流下降，调整管的内阻增大，管压降增加，输出电压 VO 降低；当输出电压 VO 瞬时降低时，输出电压
6、取样电路的 Q3 的集电极电流就会减小，射随电路的基极电流就会增加，管压降减小，从而使输出电压 VO 也跟着升高；上述过程使得输出电压稳定在某个电压值上，从而实现稳压。通过调节 RW1 ，可以改变输出电压值的大小。当负载电流超过额定输出电流时，在 R5 上的压降将使 Q4 导通，迫使射随电路的偏置电压减小，内阻增加，管压降增加，则射随电路的输出电流被限制，输出电压也降低，从而起到过流保护作用，这种结构属于限流型保护电路。 输入的 220V 交流电压经过变压器降压后，经整流二极管整流后输出为脉动直流电压，具有较大的电压纹波，经过电容 C1、C2、 C3 平滑滤波后输出电压较为平稳，再输入到稳压电
7、路，就可在输出端得到一个稳定的、电压纹波很小的直流稳压电源。并联稳压电源经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性仍比较差。其原因主要有以下几个方面： 1、 由 于 输 入 电 压 不 稳 定 （ 通 常 交 流 电 网 允 许 有 10 的 波 动 ） ， 而 导 致 整 流 滤 波电 路 输 出 直 流 电 压 不 稳 定 ； 2、 由 于 整 流 滤 波 电 路 存 在 内 阻 ， 当 负 载 变 化 时 ， 引 起 负 载 电 流 发 生 变 化 ， 使 输 出直 流 电 压 发 生 变 化 ； 3、 由 于 电 子 元 件 （ 特 别 是 导 体 器 件 ） 的 参 数
8、 与 温 度 有 关 ， 当 环 境 温 度 发 生 变 化 时 ，引 起 电 路 元 件 参 数 发 生 变 化 ， 导 致 输 出 电 压 发 生 变 化 ； 4、 整 流 滤 波 后 得 到 的 直 流 电 压 中 仍 然 会 有 少 量 纹 波 成 份 ， 不 能 直 接 供 给 那 些 对 电源 质 量 要 求 较 高 的 电 路 。 所 以 ， 经 整 流 滤 波 后 的 直 流 电 压 必 须 采 取 一 定 的 稳 压 措 施 才 能 适 合 电子 设 备 的 需 要 。 常 用 的 直 流 稳 压 电 路 有 并 联 型 和 串 联 型 稳 压 电 路 两 种 类 型 。串
9、联 型 稳 压 电 源串 联 稳 压 电 路 属 直 流 稳 压 电 源 中 的 一 种 ， 在 实 际 应 用 电 路 中 应 用 非 常 广 泛 。 如 我 们平 常 常 用 的 78 或 79 系 列 三 端 稳 压 器 也 是 属 于 它 的 一 种 。 整 流 滤 波 后 的 电 压 是 不 稳 定 的 电 压 ， 在 电 网 电 压 或 负 载 变 化 时 ， 该 电压 都 会 产 生 变 化 ， 而 且 纹 波 电 压 又 大 。 所 以 ， 整 流 滤 波 后 ， 还 须 经 过 稳 压 电路 ， 才 能 使 输 出 电 压 在 一 定 的 范 围 内 稳 定 不 变 。 在
10、这 里 我 们 就 用 串 联 型 稳 压电 路 对 其 进 行 稳 压 。线 性 串 联 型 稳 压 电 路这 种 稳 压 电 路 的 主 回 路 由 调 整 管 T 与 负 载 相 串 联 构 成 ， 且 T 工 作 在 线性 状 态 ， 故 称 为 线 性 串 联 式 稳 压 电 路 。 输 出 电 压 Vo=VI-VCE， 其 变 化 量 由 反 馈 网 络 取 样 ， 并 经 放 大 电 路 (A)放大 后 去 控 制 调 整 管 T 的 基 极 电 压 ， 从 而 改 变 调 整 管 T 的 VCE 大 小 。 当 输 入 电 压 VI 增 加 (或 负 载 电 流 Io 减 小
11、)时 ， 导 致 输 出 电 压 Vo 增 加 ，随 之 反 馈 电 压 VF=R2Vo/(R1+R2)=FvVo 也 增 加 (Fv 为 反 馈 系 数 )。 VF 与 基 准电 压 VREF 相 比 较 ， 其 差 值 电 压 经 比 较 放 大 电 路 放 大 后 使 调 整 管 的 VB 和 IC减 小 ， 于 是 调 整 管 T 的 c-e 间 电 压 VCE 增 大 ， 使 Vo 下 降 ， 从 而 维 持 Vo 基本 恒 定 。 显 然 ， 这 是 电 压 负 反 馈 电 路 基 本 性 能 。集 成 线 性 稳 压 电 路如 果 将 前 述 的 串 联 型 稳 压 电 路 全
12、部 集 成 在 一 块 硅 片 上 ， 加 以 封 装 后 引 出 三 端 引 脚 ，就 成 了 三 端 集 成 稳 压 电 源 了 。 正 电 压 输 出 的 78系 列 ， 负 电 压 输 出 的 79系 列 。 其 中 表示 固 定 电 压 输 出 的 数 值 。 如 ：7805、 7806、 7809、 7812、 7815、 7818、 7824 等 ， 指 输 出 电 压 是+5V、 +6V、 +9V、 +12V、 +15V、 +18V、 +24V。 79系 列 也 与 之 对 应 ， 只 不过 是 负 电 压 输 出 。 这 类 稳 压 器 的 最 大 输 出 电 流 为 1.5
13、A， 塑 料 封 装 (TO-220)最 大 功 耗 为 10W(加 散 热 器 )； 金 属 壳 封 装 (TO-3)外 形 ， 最 大 功 耗 为 20W(加散 热 器 )。第 2 章、汽车氧传感器组成、类型及工作原理2.1 引言随着汽车工业的发展，汽车尾气所带来的环境污染问题日益严重。因此，有效地控制汽车尾气，减少其对环境污染已成为当今重要的研究课题之一。汽车行业是目前国际上应用传感器最大市场之一，现在世界上汽车年产量在 4000 万辆以上，其中日本的年产量达1000 万辆以上。从世界各国公布的专利情况来看，各主要汽车生产厂家和电气、元件生产厂家，都很重视汽车传感器的研制和生产。而氧传感
14、器的申报专利数，居汽车传感器的首位，这反映了该传感器的技术难度和各国的重视程度。控制汽车空燃比用的氧传感器在日本以每年 50-60的速度增长。就我国来说，仅近三年需改加氧传感器的旧车就超过2000 万辆，每年新生产的轿车所需的氧传感器也超过 200 万个。目前，一辆普通家用轿车大约要安装几十到近百只传感器，而豪华轿车上的传感器数量可多达 200 余只。据报道，2000 年汽车传感器的市场为 61.7 亿美元 (9.04 亿件产品)，2005 年达到 84.5 亿美元(12.68 亿件产品)，增长率为 6.5(按美元计)和 7.0(按产品件数计)，所以，氧传感器(氧探头)的市场前景非常广阔，对氧
15、传感器的研究也成为热点。2.2 汽车氧传感器的组成、类型及工作原理2.2.1、氧传感器的功用：氧传感器是排气氧传感器的简称，是电喷发动机控制系统中关键的传感部件，是控制汽车尾气排放、降低汽车对环境污染、提高汽车发动机燃油燃烧质量的关键零件。其功用是通过监测排气中氧离子的含量来获得混合气的空燃比信号，并将该信号转变为电信号输入ECU。ECU 根据氧传感器信号，对喷油时间进行修正，实现空燃比反馈控制(闭环控制) ，从而将过量空气系数 控制在 0.981.02 范围内空燃比(A/F)约为 14.7，使发动机得到最佳浓度的混合气，从而达到降低有害气体的排放量和节约燃油的目的。在使用三元催化转换器以减少
16、排气污染的发动机上，氧传感器是必不可少的元件。由于混合气的空燃比一旦偏离理论空燃比，三元催化剂对 CO、HC 和 NOx 的净化能力将急剧下降，故在排气管中安装氧传感器，用以检测排气中氧的浓度，并向 ECU 发出反馈信号，再由 ECU 控制喷油器喷油量的增减，从而将混合气的空燃比控制在理论值附近。电喷车为获得高排气净化率，降低排气中（CO）一氧化碳、 （HC）碳氢化合物和（NOx）氮氧化合物成份，必须利用三元催化器。但为了能有效地使用三元催化器，必须精确地控制空燃比，使它始终接近理论空燃比。催化器通常装在排气歧管与消声器之间。氧传感器具有一种特性，在理论空燃比（14.7：1）附近它输出的电压有
17、突变。这种特性被用来检测排气中氧气的浓度并反馈给电脑，以控制空燃比。当实际空燃比变高，在排气中氧气的浓度增加而氧传感器把混合气稀的状态（小电动势：O 伏）通知 ECU。当空燃比比理论空燃比低时，在排气中氧气的浓度降低，而氧传感器的状态（大电动势：1 伏）通知（ECU）电脑。ECU 根据来自氧传感器的电动势差别判断空燃比的低或高，并相应地控制喷油持续的时间。但是，如氧传器有故障使输出的电动势不正常， （ECU）电脑就不能精确控制空燃比。所以氧传感器还能弥补由于机械及电喷系统其它件磨损而引起空燃比的误差。可以说是电喷系统中唯一有“智能”的传感器。2、氧传感器的组成：主氧传感器包括一根加热氧化锆元件
18、的热棒，加热棒受（ECU）电脑控制，当空气进量小（排气温度低）电流流向加热棒加热传感器，使能精确检测氧气浓度。在试管状态化锆元素（ZRO2）的内外两侧，设置有白金电极，为了保护白金电极，用陶瓷包覆电机外侧，内侧输入氧浓度高于大气，外侧输入的氧浓度低于汽车排出气体浓度。应当指出采用三元催化器后，必须使用无铅汽油，否则三元催化器和氧传感器会很快失效。再注意，氧传感器在油门稳定，配制标准混合时较为重要的作用，而在频繁加浓或变稀混合时， （ECU）电脑将忽略氧传感器的信息，氧传感器就不能起作用。3、氧传感器的类型：自 1976 年德国博世公司率先在瑞典沃尔沃(VOLV0)轿车上装用氧传感器之后，通用、
19、福特、丰田、日产等汽车公司相继完成了氧传感器的开发与应用工作。汽车发动机燃油喷射系统采用的氧传感器分为二氧化锆(zrO2)式和二氧化钛(TiO2)式两种类型，二氧化锆式又分为加热型与非加热型两种，二氧化钛式一般都为加热型。由于实用的二氧化钛式氧传感器价格便宜，且不易受到硅离子的腐蚀，因此越来越多的汽车采用这种氧传感器。（1） 、二氧化锆式氧传感器：1、二氧化锆式氧传感器的结构特点如图 1图 1主要由钢质护管、钢质壳体、锆管、加热元件、电极组威。在固体电解质粉末(ZrO2、 TiO2 等)中添加少量的添加剂后通过压力成形，再烧结而成；绝缘体的成形工艺完全相同。二氧化锆晶体的体积蛮化量会因晶体老化
20、而失效(阻止氧离子扩散) ，加入添加剂的目的就是防止二氧化锆晶体的老化。常用的添加剂有三氧化二钇(Y2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO) 、氧化二镱(Yb2O)。锆管制作成试管形状，以便氧离子能均匀扩散与渗透。锆管为了防止发动机排出的废气腐蚀外层铂电极，在外层铂电极表面还涂敷一层陶瓷保护层。在锆管的内、外表面都涂覆一层金属铂(Pt)作为电极，并用金属线与传感器信号输出端子连接。金属铂除了起到电极作用将信号电压引出传感器之外，另一个更重要的作用是催化作用。在催化剂铂的作用下，当发动机排气中的一氧化碳(CO)有害气体与氧气(O 2)接触时，就会生成二氧化碳(CO2)无害气体，其化学反应方程
21、式为 :2CO+O2=2CO2 二氧化锆陶瓷管的强度很低，而且安装在排气管上承受排气压力冲击。为了防止锆管受排气压力冲击而造成陶瓷管破碎，因此将锆管封装在钢质护管内。护管上制作有若干个小孔，以便于排气流通。在钢质壳体上制作有六角螺边和螺纹，以便安装和拆卸传感器。国产轿车大都采用非加热型氧传感器，其线束插头只有一个或两个接线端子；中高档轿车大都采用加热型氧传感器，其线束插头有三个或四个接线端子。加热器采用陶瓷加热元件制成，没在锆管内侧，由汽车电源通入电流进行加热。由于二氧化锆式氧传感器在 300。以上的环境中时，才能输出稳定地信号电压，因此加热的目的是保证低温(排气温度在 150200以下)时，氧传感器就能投入工作，从而减少有害气体的排放量。
