JP4205072B2 - 電源供給装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電源供給端子に接続された端末機器に電源供給を行う電源供給装置に関する。
電源を供給する本体部と、本体部からの電源供給を受けて動作する端末機器とから構成された電源供給装置が特許文献1に記載されている。この電源供給装置は、図6に示すように、本体部100と本体部100からの電源供給を受けて動作する端末機器200で構成される。本体部100内に、検知電源供給部154と、電源切替手段としての電源切替スイッチ151と、本体部100と端末機器200に設けた接続検知手段としての検出電圧分圧抵抗152と、2値変換手段としての2値変換部153とを備える。制御部106は、接続検知手段としての接続検知スイッチ155からの端末接続信号および2値変換部153からの入力信号を認識し、電源供給部101、検知電源供給部154および電源切替スイッチ151を制御する機能を有している。
ここに、検知電源供給部154は、制御部106の指示により、端末機器200に供給する電源ラインの短絡検知に使用する電源を供給する。
電源切替スイッチ151は、制御部106の指示により、端末機器200へ供給する電源として、電源供給部101からの電源あるいは検知電源供給部154からの電源に切り替える。
検出電圧分圧抵抗152は、電源切替スイッチ151で検知電源供給部154からの電源が選択されたとき、端末機器200の負荷インピーダンス201とともに短絡検知用の電源電圧を分圧し、2値変換部153へ出力する。
2値変換部153は、分圧された短絡検知用の電圧を2値のデータに変換し、同データを制御部106に出力する。制御部106は、接続検知スイッチ155、2値変換部153からの入力信号に基づいて、電源供給部101、検知電源供給部154および電源切替スイッチ151を制御する。
次に、上記した構成を有する電源短絡及び開放検知機能を有する電源供給装置の動作について説明する。まず、本体部100は、端末機器200の本体部100への接続の有無を接続検知スイッチ155によって検知する。この接続検知スイッチ155としては、一般的にはスイッチ付きコネクタを用いる。そして、端末機器200をこのコネクタを用いて本体部100に対して着脱すると、自動的にコネクタについているスイッチが作動し、この作動信号が制御部106へ入力される。
制御部106は、本体部100に端末機器200が接続されていないことを検知しているとき、電源供給部101及び検知電源供給部154は供給電源のオフを指示するとともに、電源切替スイッチ151はコモン端子151cへのスイッチングを指示する。この結果、端末機器200が接続されていない時は、外部に出ている電源供給端子に電源は供給されず、短絡しないことになる。
一方、端末機器200が接続されていることを検知したときは、電源供給部101及び検知電源供給部154には供給電源のオン(V1及びVT)を指示するとともに、電源切替スイッチ151には検知電源端子151bへのスイッチングを指示する。これにより、電源ライン301は短絡検知用電源に接続される。
この際、端末機器200の電源系が正常なときの2値変換部153へ入力される検出電圧は(VT・Z1)/(R5+Z1)
ただし、VT=検知電源電圧(V1>VT)
V1=供給電源の電圧
R5=検出電圧分圧抵抗152
Z1=負荷インピーダンス201
となる。
ところで、この検出電圧はアナログ値であるため、2値変換部153において制御用の2値データに変換され、制御部106に出力される。そして、制御部106では、入力される2値データ化された検出電圧により、端末機器200の電源系が正常かどうかを判断する。
検出電圧が0(V)のときは短絡、検出電圧がVT(V)のときは開放、検出電圧が(VT・Z1)/(R5+Z1)(V)のときは正常と判断する。短絡のときは、電源供給部101及び検知電源供給部154には供給電源のオフを指示するとともに、電源切替スイッチ151にはコモン端子151cへのスイッチングを指示する。開放時は、本来、接続検知スイッチ155により端末機器200が接続されていると判断していることに反しており、これも短絡時と同様に、供給電源のオフを指示する。
正常時は、電源供給部101及び検知電源供給部154には供給電源のオンを指示するとともに、電源切替スイッチ151には供給電源端子151aへのスイッチングを指示する。以上のスイッチングにより端末機器200には正常な電源が供給されることになる。
電源供給状態において、端末機器200が着脱された場合の動作も同様である。すなわち、まず接続検知スイッチ155で端末機器200の着脱を検知し、取り外しの場合は、供給電源をオフし、装着の場合は、一旦短絡検知シーケンスを行ってから供給電源がオンとされる。
特開平9−172734号公報
上記の電源供給装置では、電源供給中における端末機器の短絡は検知できない。そのため、ヒューズ等の安全保護部品が必要となる。また、接続検知スイッチとして用いられるスイッチ付きコネクタは、アプリケーションによっては利用できない場合があり、端末機器の接続、開放を検知することができなくなる。そして、制御部に接続される制御線の本数が多く、制御が複雑となって、開発負荷が大きくなり、バグの発生も懸念される。ヒューズ等の安全保護部品やスイッチ付きコネクタだけでなく、制御部に高速処理可能な大きなマイコンも必要となるので、非常にコスト高となる。
本発明は、上記に鑑み、常に電源供給端子への接続、開放および短絡を検知できるようにして、確実に電源供給の制御を行える電源供給装置の提供を目的とする。
本発明は、電源供給端子に接続された端末機器に電源供給を行う電源供給装置において、前記電源供給端子に端末機器が接続されたことを検知する接続検知部と、電源供給中に前記電源供給端子の開放および短絡を検知する状態検知部と、前記接続検知部により前記電源供給端子への接続が検知されたとき、電源供給を開始し、前記状態検知部により開放あるいは短絡が検知されたとき、電源供給を停止する制御部とを備えたものである。
接続検知部は、供給電圧より低い電圧のパルス出力に基づいて電源供給端子の接続、開放あるいは短絡のいずれかを検知し、電源供給開始前に、接続を検知したときには、検知信号を出力する。開放あるいは短絡を検知したときには、非検知信号を出力する。制御部は、前記検知信号の入力があると、電源供給を開始する。非検知信号の入力があるときは、電源供給は行わない。
状態検知部は、電源供給端子の開放あるいは短絡を検知したときには、検知信号を出力し、前記電源供給端子への接続を検知したときには、非検知信号を出力する。制御部は、電源供給中に前記検知信号の入力があると、電源供給を停止する。非検知信号が入力しているときは、そのまま電源供給を続行する。
電源供給端子に電源を供給する電源供給部と、制御部の駆動制御により前記電源供給部と電源供給端子との間の導通、非導通を切り替える電源供給遮断スイッチとを備え、接続検知部は、前記電源供給遮断スイッチと電源供給端子との間に接続され、前記電源供給端子にパルス出力して、接続、開放、短絡のいずれかに応じた電圧変化を検出する。
電源供給遮断スイッチのオンにより、電源供給部と電源供給端子とが導通して、電源供給が可能となる。また、オフにより、電源供給部と電源供給端子とが非導通となり、電源供給端子には電源が供給されない。しかし、接続検知部は、電源供給遮断スイッチのオンオフに関係なく、電源供給端子にパルス出力でき、電源供給開始前に電源供給端子の接続、開放あるいは短絡のいずれかを検知できる。
状態検知部は、電源供給部と電源供給遮断スイッチとの間に設けられ、前記状態検知部は、前記電源供給端子に流れる電流を監視して、接続、開放、短絡のいずれかを検出する。すなわち、電源供給遮断スイッチがオンしているとき、状態検知部は、電源供給端子の接続、開放、短絡を検出できる。
本発明によると、電源供給開始前だけでなく電源供給中でも、常に電源供給端子の接続、開放、短絡を検知することができ、確実に電源供給制御を行える。そのため、ヒューズ等の安全保護部品やスイッチ付きコネクタが不要となり、安価な電源供給装置を実現できる。
本実施形態の電源供給装置は、図1に示すように、端末機器200に電源を供給する本体部100からなり、端末機器200は、本体部100からの電源供給を受けて動作する。本体部100は、端末機器200を接続するための一対の電源供給端子300を備え、ここに端末機器200の電源ケーブルが接続されることにより、電源供給ライン301とグランドライン302が形成され、本体部100と端末機器200とは電気的に接続される。端末機器200は、負荷インピーダンス201を有する。
本体部100は、電源供給部101と、電流監視部102と、電源供給遮断スイッチ103と、パルス発生部104と、接続検知部105と、制御部106と、内部電源供給部107とを備える。
電源供給部101は、例えば商用電源を整流平滑して、供給用の直流電源を生成する一般的な電源回路であり、電源供給端子300を通じて端末機器200に電源を送出する。内部電源供給部107は、電源供給部101によって発生した電源から制御部106等の内部回路を動作させるための電源を生成する。
電源供給遮断スイッチ103は、開閉スイッチであり、電源供給部101と電源供給端子300とを結ぶ電源ライン303に介装され、制御部106によってオンオフが切り替えられ、電源ライン303を導通させたり、非導通にする。
接続検知部105は、電源供給端子300に端末機器200が接続されているのか、電源供給端子300が開放されているのかを検知する。パルス発生部104は、本来の端末機器200への供給電圧V1より低い電圧のパルス信号を適当な周期で生成し、接続検知部105に送る。ここで、端末機器200がDC/DC電源などを備えている場合に、DC/DC電源が動作しない低い電圧に設定すれば、端末機器200の負荷インピーダンス201を抵抗などによって調整し易くなる。そのため、端末機器200への供給電圧V1より低い電圧とする。なお、パルス発生部104の電源は、内部回路電圧VCCを利用する。また、制御部106の制御により、パルス信号を発生させてもかまわない。
接続検知部105は、パルス発生部104から出力されたパルス信号を使用して、端末機器200の接続を検知し、制御部106へ検知信号を出力する。また、電源供給端子300の開放や、不安全となる短絡などを検知した場合は、制御部106へ非検知信号を出力する。
電流監視部102は、端末機器200への電源供給中の電流を監視し、電源供給端子300の状態を検出する状態検知部である。そして、開放あるいは短絡を検知したとき、制御部106に検知信号を出力し、接続を検知したときには、制御部106に非検知信号を出力する。
制御部105は、マイコンからなり、接続検知部105や電流監視部102からの出力に基づき電源供給端子300の接続、開放および短絡を判断して、電源供給遮断スイッチ103を駆動制御することにより、端末機器200に対する電源供給を制御する。
接続検知部105の具体的な回路構成を図2に示す。接続検知部105は、電源供給遮断スイッチ103と電源供給端子300との間において電源ライン303に接続され、電源供給端子300にパルス信号を印加する。接続検知部105は、第1パルス電圧分圧抵抗108、第2パルス電圧分圧抵抗109、逆流防止ダイオード110、短絡検知トランジスタ111、接続検知トランジスタ112、排他的論理和(XOR)演算回路113を有する。
パルス発生部104からのパルス信号は、第1パルス電圧分圧抵抗108、第2パルス電圧分圧抵抗109、逆流防止ダイオード110が直列に接続されたパルス信号ライン304から電源ライン303を経由して電源供給端子300に送出される。パルス信号の出力時に、電源供給端子300の状態に応じた各抵抗108、109での電圧変化を検出できるように、短絡検知トランジスタ111および接続検知トランジスタ112がパルス信号ラインに接続される。各トランジスタ111、112の出力側が排他的論理和演算回路113に接続される。
接続検知電圧検出点Aの電圧V(V)は、
=(VCC−V)×{Z1/(R1+R2+Z1)}+V
となる。また、短絡検知電圧検出点Bの電圧V(V)は、
=(VCC−V)×{(Z1+R2)/(R1+R2+Z1)}+V
となる。
ただし、
VCC:パルス電圧
:逆流防止ダイオード110の順方向電圧
Z1:端末機器200の負荷インピーダンス201
R1:第1パルス電圧分圧抵抗108の抵抗値
R2:第2パルス電圧分圧抵抗109の抵抗値
接続検知部105では、これら2つの電圧とVCCとの電位差を利用して、接続検知トランジスタ112および短絡検知トランジスタ111を駆動させ、排他的論理和演算回路113への2つの入力を生成し、2つの入力の排他的論理和が制御部106に出力される。
端末機器200が電源供給端子300に接続されているときに接続検知トランジスタ112を駆動させるためには、VCC−Vが接続検知トランジスタ112のVBE(ON)を超えるように、R1とR2の合計値を決定する。また、電源供給端子300の短絡時、つまりZ1が0の場合にVCC−Vが短絡検知トランジスタ111のVBE(ON)を超えるように、R1を決定すると、同時にR2も決まる。
短絡検知トランジスタ111は、電源供給端子300が短絡しているときに駆動され、排他的論理和演算回路113にHレベルの信号を出力する。接続検知トランジスタ112は、電源供給端子300に端末機器200が接続されているとき、および電源供給端子300が短絡しているときにそれぞれ駆動され、排他的論理和演算回路113にHレベルの信号を出力する。
すなわち、接続検知部105のパルス出力がないとき、接続検知トランジスタ112も短絡検知トランジスタ111も駆動しない。排他的論理和演算回路113から制御部106への出力はLレベルとなる。
接続検知部105のパルス出力があるとき、端末機器200が接続されておらず、電源供給端子300が開放されている場合は、接続検知トランジスタ112も短絡検知トランジスタ111も駆動しない。排他的論理和演算回路113から制御部106への出力はLレベルとなる。
パルス出力があり、端末機器200が接続されている場合は、接続検知トランジスタ112が駆動し、短絡検知トランジスタ111は駆動しない。排他的論理和演算回路113から制御部106への出力はHレベルとなる。
パルス出力があり、電源供給端子200が短絡している場合は、接続検知トランジスタ112も短絡検知トランジスタ111も駆動する。排他的論理和演算回路113から制御部106への出力はLレベルとなる。
なお、以上のことは電源供給遮断スイッチ103がオフしている場合である。パルス出力があり、電源供給遮断スイッチ103がオンしている場合は、接続検知トランジスタ112も短絡検知トランジスタ111も駆動しない。排他的論理和演算回路113から制御部106への出力はLレベルとなる。
したがって、電源供給遮断スイッチ103がオフ、すなわち電源供給端子300に電源が供給されていないとき、接続検知部105は、端末機器200が接続されている場合のみ、パルス出力のタイミングに応じて検知信号を制御部106に出力し、その他の場合は非検知信号を出力する。なお、排他的論理和演算回路113の出力がHレベルのときを検知信号、Lレベルのときを非検知信号とする。
制御部106は、接続検知部105からの信号を受け、検知信号であると、電源供給遮断スイッチ103をオンして、端末機器200への電源供給を開始する。非検知信号のときには、電源供給遮断スイッチ103をオフにして、電源供給を行わない。このとき、接続検知部105の制御部106への信号を割り込み入力などに設定すれば、制御部106の負荷は少なくすむ。
なお、排他的論理和演算回路113として、ワンチップICの代わりに、図3に示すように、トランジスタやダイオードを用いて、演算回路を構成してもよい。
電流監視部102の具体的な回路構成を図4に示す。電流監視部102は、電源ライン303の電源供給部101と電源供給遮断スイッチ103との間に設けられ、電源供給により電源ライン303に流れる電流が電源供給端子300の状態に応じて変化することを監視する。電流監視部102は、第1電流検知抵抗120、第2電流検知抵抗121、過電流検知トランジスタ122、コンパレータ123、短絡検知トランジスタ124、排他的論理和の否定(XNOR)演算回路125を有する。
電源ライン303に、第1電流検知抵抗120と第2電流検知抵抗121が上流側から順に接続されている。電源供給時に電源供給端子300の状態の変化に応じた各抵抗120、121での電圧変化を検出できるように、コンパレータ123および過電流トランジスタ122が電源ライン303に接続される。コンパレータ123の出力側が排他的論理和の否定演算回路125に接続される。過電流トランジスタ122の下段に短絡検知トランジスタ124が接続され、短絡検知トランジスタ124の出力側が排他的論理和の否定演算回路125に接続される。
ここで、端末機器200が接続され、電源供給遮断スイッチ103がオンしている場合、電流が消費されているので、第2電流検知抵抗121より下流側のC点では、第1電流検知抵抗120および第2電流検知抵抗121によって電圧降下する。その電圧降下をコンパレータ123などで検出し、電流消費信号を生成する。この検出の閾値は、端末機器200の最小消費電流より小さく設定される。第1電流検知抵抗120と第2電流検知抵抗121との合計抵抗値(R3+R4)は、端末機器200の最大消費電流時に許容される電圧降下と、端末機器200の最小消費電流時の電圧降下量の検出精度によって決定される。
また、電源供給遮断スイッチ103がオンした状態で電源供給端子300が短絡した場合は、第1電流検知抵抗120と第2電流検知抵抗121との間のD点にて、第1電流検知抵抗120による電圧降下を検出し、過電流検知トランジスタ122が駆動され、このトランジスタ122のオンにより短絡検知トランジスタ124が駆動して、短絡信号を生成する。第1電流検知抵抗120では、短絡時にこの抵抗120に発生する電圧が過電流検知トランジスタ122のVBE(ON)を超えるように抵抗値R3が決定される。
そして、電流消費信号と短絡信号が排他的論理和の否定演算回路125に入力して、これらの信号の排他的論理和の否定が制御部106に出力される。すなわち、電源供給遮断スイッチ103がオフの場合は、電流消費信号および短絡信号は発生せず、排他的論理和の否定演算回路125から制御部106への出力はHレベルとなる。電源供給遮断スイッチ103がオンのとき、端末機器200に正常に電源が供給されている場合は、電流消費信号が生成され、短絡信号は発生しない。排他的論理和の否定演算回路125から制御部106への出力はLレベルとなる。
電源供給遮断スイッチ103がオンのとき、端末機器200を外して電源供給端子300が開放となった場合は、電流消費信号および短絡信号は発生せず、排他的論理和の否定演算回路125から制御部106への出力はHレベルとなる。電源供給遮断スイッチ103がオンのとき、端末機器200が短絡するといったように電源供給端子300が短絡した場合は、電流消費信号と短絡信号が生成される。排他的論理和の否定演算回路125から制御部106への出力はHレベルとなる。
このように、制御部106への出力は、いかなる場合でも、端末機器200へ正常に電源が供給されている場合のみLレベルとなる。電源供給遮断スイッチ103がオンのとき、制御部106への出力がHレベルとなる場合は、電源供給端子300の開放かあるいは短絡である。すなわち、電流監視部102は、電源供給端子300の開放あるいは短絡を検知したとき、排他的論理和の否定演算回路125の出力がHレベルとなり、制御部106に検知信号を出力する。電源供給端子300に端末機器200が正常に接続されているとき、排他的論理和の否定演算回路125の出力がLレベルとなり、制御部106に非検知信号を出力する。
制御部106は、電流監視部102の出力がHレベルである限り、電源供給遮断スイッチ103をオフに制御して、電源供給が不要または禁止とされる。電流監視部102の出力がLレベルであるとき、電源供給遮断スイッチ103をオンのままに維持して、電源供給を行う。
なお、端末機器200の最大消費電流時に第1電流検知抵抗120と第2電流検知抵抗121に発生する電圧がVBE(ON)より小さい場合、これらの抵抗を共通化してもよい。また、図5に示すように、排他的論理和の否定演算回路125の代わりに、トランジスタやダイオードを用いて演算回路を構成してもよい。
以上のように、制御部106は、電源供給開始前に接続検知部105からの検知信号を受信すれば、電源供給遮断スイッチ103をオンし、電源供給中に電流監視部102からの検知信号を受信すれば、電源供給遮断スイッチ103をオフにする。したがって、端末機器200の接続を検知して電源を供給し、端末機器200が外されたとき電源を遮断し、電源供給端子300が短絡されたときには、電源供給の有無にかかわらず電源供給を遮断する機能を有する電源供給装置を実現できる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正および変更を加え得ることは勿論である。
本発明の電源供給装置の概略構成を示すブロック図 接続検知部の回路構成図 他の形態の接続検知部の回路構成図 電流監視部の回路構成図 他の形態の電流監視部の回路構成図 従来の電源供給装置の概略構成を示すブロック図
符号の説明
100 本体部
101 電源供給部
102 電流監視部
103 電源供給遮断スイッチ
104 パルス発生部
105 接続検知部
106 制御部
300 電源供給端子

Claims (4)

  1. 電源供給端子に接続された端末機器に電源供給を行う電源供給装置において、前記電源供給端子に端末機器が接続されたことを検知する接続検知部と、電源供給中に前記電源供給端子の開放および短絡を検知する状態検知部と、前記接続検知部により前記電源供給端子への接続が検知されたとき、電源供給を開始し、前記状態検知部により開放あるいは短絡が検知されたとき、電源供給を停止する制御部とを備え、前記接続検知部は、供給電圧より低い電圧のパルス出力に基づいて電源供給端子の接続、開放あるいは短絡のいずれかを検知し、前記接続検知部が、電源供給開始前に、接続を検知したとき、前記制御部は、電源供給を開始することを特徴とする電源供給装置。
  2. 電源供給端子に電源を供給する電源供給部と、制御部の駆動制御により前記電源供給部と電源供給端子との間の導通、非導通を切り替える電源供給遮断スイッチとを備え、接続検知部は、前記電源供給遮断スイッチと電源供給端子との間に接続され、前記電源供給端子にパルス出力して、接続、開放、短絡のいずれかに応じた電圧変化を検出することを特徴とする請求項記載の電源供給装置。
  3. 状態検知部が、電源供給部と電源供給遮断スイッチとの間に設けられ、前記状態検知部は、前記電源供給端子に流れる電流を監視して、接続、開放、短絡のいずれかを検出することを特徴とする請求項記載の電源供給装置。
  4. 接続検知部は、電源が供給されていないとき、接続を検知すると検知信号を出力し、開放あるいは短絡を検知すると非検知信号を出力し、状態検知部は、電源供給端子の開放あるいは短絡を検知したときには、検知信号を出力し、前記電源供給端子への接続を検知したときには、非検知信号を出力し、制御部は、前記接続検知部から検知信号の入力があると、電源供給を開始し、前記接続検知部から非検知信号の入力があると、電源供給を行わず、前記状態検知部から検知信号の入力があると、電源供給を停止し、前記状態検知部から非検知信号の入力があると、電源供給を続行することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電源供給装置。
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