JP6869116B2 - 誤接続検知回路 - Google Patents

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Description

本発明は、誤接続検知回路に関する。
従来から、電源と負荷との間の給電路の誤接続を防止することができる装置が知られている。例えば、特許文献1には、一次側接続部と二次側接続部とを開閉手段によって容易に接続でき、この二つの接続部の間に過電流が流れた際には、開閉手段を強制的に開放させて装置破壊を防ぐことができる回路遮断器が開示されている。
特開2009−163963号公報
特許文献1に開示された回路遮断器は、接続される負荷の電源電圧が一種類しかないことを前提としている。このため、複数の異なる電源電圧が混在するシステムには適用することができない。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、複数の異なる電源電圧が混在するシステムにおいて、給電路の誤接続を検知することができる誤接続検知回路を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る誤接続検知回路は、
第1電圧で駆動される第1電圧系負荷群と前記第1電圧系負荷群に電力を供給する第1電源との間に直列に接続される第1抵抗と、
前記第1電圧よりも低い第2電圧で駆動される第2電圧系負荷群と前記第2電圧系負荷群に電力を供給する第2電源との間に前記第2電圧系負荷群と並列に接続され、前記第2電圧よりも高い第3電圧が印加されると電流を通過させて前記第2電圧系負荷群を保護する保護手段と、
前記保護手段に前記第3電圧が印加されているか否かを判定する判定手段と、
を備える。
本発明によれば、負荷群を過電圧から保護しつつ、過電圧が印加されているか否かを判定することができるので、複数の異なる電源電圧が混在するシステムにおいて、給電路の誤接続を検知することができる。
本発明の実施の形態1に係る誤接続検知回路の一構成例を表す構成図 実施の形態1に係る判定手段の内部構成例を表す図 実施の形態1に係る誤接続検知回路における測定点VCでの電圧の変化と判定手段による判定結果とを説明する図 実施の形態1に係る誤接続検知回路の一構成例において、誤接続が生じた場合を説明する図 実施の形態1に係る誤接続検知回路で誤接続が生じた場合における測定点VCでの電圧の変化と判定手段による判定結果とを説明する図 実施の形態1に係る誤接続検知回路の一構成例において、誤接続が生じた場合の等価回路を説明する図 本発明の実施の形態2に係る誤接続検知回路の一構成例を表す構成図 実施の形態2に係る誤接続検知回路の一構成例において、誤接続が生じた場合の等価回路を説明する図 本発明の変形例2に係る誤接続検知回路の一構成例を表す構成図
以下、本発明の実施の形態に係る誤接続検知回路について、図面を参照しながら詳細に説明する。その際、図中同一又は相当部分には同一符号を付す。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1に係る誤接続検知回路100は、図1に示すように、24V電源11と24V系負荷12との間に直列に接続される第1抵抗R1、12V電源13と12V系負荷14との間に直列に接続される第2抵抗R2並びに12V系負荷14と並列に接続される保護手段15及び判定手段16を備える。なお、ここでは、24Vを第1電圧、12Vを第2電圧とも呼ぶことにする。また、第1電源のマイナス端子及び第2電源のマイナス端子は、共通のグラウンドに接続されている。該グラウンドは基準の電位=0Vと考えることができ、この場合、回路内の任意の点の電位の値と、該点とグラウンドとの間の電圧と、は同じ値になるため、本明細書では電位のことも電圧と称する。
24V電源11は、24V系負荷12に24Vの電圧を供給する直流電源である。24V電源11は、第1電源とも呼ばれる。24V系負荷12は、図1に示すように任意の個数を並列に接続することができ、これら複数の24V系負荷12のことを24V系負荷群又は第1電圧系負荷群と呼ぶ。24V系負荷12は、24Vで駆動される任意の回路、機器等である。なお、24V電源11及び24V系負荷群による回路を24V系回路又は第1電圧系回路と呼ぶ。
12V電源13は、12V系負荷14に12Vの電圧を供給する直流電源である。12V電源13は、第2電源とも呼ばれる。12V系負荷14は、図1に示すように任意の個数を並列に接続することができ、これら複数の12V系負荷14のことを12V系負荷群又は第2電圧系負荷群と呼ぶ。12V系負荷14は、12Vで駆動される任意の回路、機器等である。なお、12V電源13及び12V系負荷群による回路を12V系回路又は第2電圧系回路と呼ぶ。
第1抵抗R1は、24V電源11と24V系負荷12との間に直列に接続される抵抗である。第1電圧系回路と第2電圧系回路との間で誤接続が生じた場合、第1抵抗R1により、保護手段15に流入する電流の値を抑え、保護手段15の破壊を防ぐ。第2抵抗R2は、12V電源13と12V系負荷14との間に直列に接続される抵抗である。第1電圧系回路と第2電圧系回路との間で誤接続が生じた場合、第2抵抗R2により、12V電源13に逆流する電流の値を抑え、12V電源13の破壊を防ぐ。
第1抵抗R1及び第2抵抗R2による電圧降下により、24V系負荷群及び12V系負荷群に印加される電圧はそれぞれ24V及び12Vよりも低い値となる。しかし、24V系負荷群及び12V系負荷群の消費電流が小さければ、この電圧降下は小さいため、あまり問題にならない。例えば、第1抵抗R1の抵抗値が100Ωで24V系負荷群の消費電流が1mAの場合、第1抵抗R1による電圧降下は100Ω×1mA=0.1Vとなる。第2抵抗R2による電圧降下は、保護手段15及び判定手段16の消費電流にも影響されるが、後述するように、誤接続が生じていない場合には、保護手段15の消費電流も判定手段16の消費電流もかなり小さくすることができる。したがって、誤接続が生じていない場合には、第1抵抗R1と同様に、12V系負荷群の消費電流が小さければ、第2抵抗R2による電圧降下は小さい値に収まる。
保護手段15は、12V系負荷14に高電圧(例えば24V)が印加された場合に、電流を通過させることによって保護手段15に印加される電圧を一定の電圧に保ち(クランプし)、12V系負荷14を保護する。ここでは、該一定の電圧を第3電圧と呼ぶことにする。第3電圧は、第2電圧(12V)よりも高く、第1電圧(24V)よりも低い電圧だが、12V系負荷14の保護を考慮して、14V程度に設定されるのが望ましい。ここでは、第3電圧を14Vとすることにする。保護手段15は、ツェナー電圧が第3電圧であるツェナーダイオードを用いて実現することができる。保護手段15をツェナーダイオードで実現すると、12V系負荷14に第3電圧未満の電圧しか印加されていない時には、ツェナーダイオードにはほとんど電流が流れないため、保護手段15の消費電流は0とみなすことができる。
判定手段16は、保護手段15に第3電圧が印加されているか否かを判定する。判定手段16は、保護手段15と並列に接続されるため、この判定は判定手段16に第3電圧が印加されているか否かの判定と同一になる。図2に示すように、判定手段16は比較部161と表示部162とを備える。比較部161は、判定手段16に印加されている電圧と閾値電圧とを比較する。該閾値電圧には、第2電圧(12V)よりも高く、かつ、第3電圧(14V)以下の値が設定される。ここでは、この閾値電圧を13Vとすることにする。このように閾値電圧を設定することにより、保護手段15によるクランプ電圧に多少の変動があっても誤接続の有無を安定して検知することができるようになる。
表示部162は、比較部161による比較結果をLED(Light Emitting Diode)の発光によって表示する。表示部162のLEDの発光によって、ユーザは誤接続が生じているか否かを知ることができる。
比較部161は、判定手段16に印加されている電圧と閾値電圧(13V)とを比較するコンパレータ回路によって実現することができる。比較部161は、比較手段として機能する。また、表示部162は、該コンパレータ回路によって判定手段16に印加されている電圧が閾値電圧(13V)以上と判明したら、赤色のLEDを発光させ、該電圧が閾値電圧(13V)未満と判明したら緑色のLEDを発光させる回路により実現することができる。表示部162は、表示手段として機能する。
なお、誤接続が生じていない時の判定手段16の消費電流を抑えるために、表示部162は誤接続が生じている時だけ赤色のLEDを発光させ、誤接続が生じていない時にはLEDを発光させなくてもよい。誤接続が生じていない時にLEDを発光させなければ、誤接続が生じていない時の判定手段16の消費電流はコンパレータ回路の消費電流のみとなる。コンパレータ回路の消費電流は、コンパレータ回路の組み方にも依存するが、例えば低消費電力のコンパレータICを用いることにより、数十μA程度に抑えることも可能である。
上述の回路では、24V系回路は24Vで動作し、12V系回路は12Vで動作し、24V系回路と12V系回路は独立している。したがって、図1の計測点VCの電圧は第2電圧(12V)であり、保護手段15には電流は流れず、判定手段16の表示部162は緑色のLEDを発光させる(又はLEDを発光させない)。図3に示すように、この時の電源投入後の計測点VCの電圧は実線L1で示されるように0Vから12Vに上昇し、判定手段16による誤接続判定結果は実線L2で示されるように「誤接続無し」との判定になる。なお、実際には計測点VCの電圧は、第2抵抗R2による電圧降下の分、12Vよりも小さくなる。しかし、ここでは、12V系負荷14、保護手段15及び判定手段16の消費電流はいずれもとても小さく、第2抵抗R2による電圧降下を無視できるものとする。
そして、図4に示すように、24V系の回路と12V系の回路の間で導線17による誤接続が生じると、12V系負荷14に24Vの第1電圧が印加される。すると、図4の計測点VCの電圧は、図5の実線L3に示すように、実線L1よりも急峻に立ち上がり、12Vを超えて上昇する。もし保護手段15がなければ、計測点VCの電圧は点線L4に示すように24Vに向かって上昇するが、保護手段15により計測点VCの電圧は実線L5に示すように14Vにクランプされる。そして、計測点VCの電圧が13V以上になると判定手段16による誤接続判定結果は実線L6で示されるように「誤接続有り」との判定になる。この時、判定手段16の表示部162は赤色のLEDを発光させる。なお、上記同様、実際には導線17による誤接続が生じた際に12V系負荷14に印加される電圧は、第1抵抗R1による電圧降下の分、24Vよりも小さくなる。しかし、ここでは、24V系負荷12の消費電流も、12V系負荷14、保護手段15及び判定手段16の消費電流と同様にとても小さく、第1抵抗R1による電圧降下を無視できるものとする。
24V系負荷12、12V系負荷14及び判定手段16の消費電流がいずれもとても小さい場合、導線17による誤接続時においても、24V系負荷12、12V系負荷14及び判定手段16に流入する電流はとても小さい。そこで、これらに流入する電流を無視できるほど小さいと想定した場合の誤接続時の等価回路を図6に示す。図6で保護手段15にも電流が流入しない場合の計測点VCにおける電圧VPは以下の式(1)で表すことができる。なお、これ以降の式及び説明において、第1抵抗R1の抵抗値をR1で表し、第2抵抗R2の抵抗値をR2で表すこととする。
VP=12V+(24V−12V)×R2/(R1+R2)…(1)
すると、VP<14Vであれば、保護手段15には電流が流れず、計測点VCの電圧はVPとなる。また、VP≧14Vであれば、保護手段15に電流が流れて計測点VCの電圧は14Vにクランプされる。
図6において、12V電源13には、逆方向の電流I2が流れる。VP<14Vの場合は、電流I2の値は以下の式(2)で表すことができる。
I2=(24V−12V)/(R1+R2)…(2)
また、VP≧14Vの場合は、保護手段15によって、計測点VCの電圧が14Vにクランプされるため、電流I2の値は以下の式(3)で表すことができる。
I2=(14V−12V)/R2…(3)
第1抵抗R1及び第2抵抗R2の抵抗値は、いずれもできるだけ小さい方が、これらの抵抗による電圧降下を極力小さくすることができる点で望ましい。しかし、これらの抵抗値を小さくしすぎると電流I2の値が大きくなるため、12V電源13に悪影響を与える。12V電源13への悪影響をできるだけ小さくするためには、誤接続時には保護手段15に電流が流れるように、式(1)においてVP≧14Vとなるように第1抵抗R1及び第2抵抗R2の抵抗値を設定する必要がある。また、式(3)において、電流I2ができるだけ小さくなるように第2抵抗R2の抵抗値を設定する必要がある。
例えば、12V電源13が0.1Aまでの逆電流であれば問題なく耐えられる場合、式(3)に基づき、第2抵抗R2の抵抗値を20Ω以上に設定する必要がある。そして、例えば第2抵抗R2の抵抗値を20Ωに設定した場合、式(1)に基づき、12V+(24V−12V)×20Ω/(R1+20Ω)≧14Vとなるように、第1抵抗R1の抵抗値を100Ω以下に設定する必要がある。なお、第1抵抗R1の抵抗値を100Ωに設定した場合、誤接続時に保護手段15には、(24V−14V)/100Ω=0.1Aの電流が流入する。したがって、もし保護手段15の耐電流値が0.1A未満の場合には、上記式(1)でVP≧14Vを満たしつつ、10V/R1の値が保護手段15の耐電流値以下になるように、第1抵抗R1及び第2抵抗R2の抵抗値を大きくする必要がある。
ユーザは、以上のように第1抵抗R1及び第2抵抗R2の抵抗値を設定して、誤接続検知回路100を構成する。すると、24V系回路と12V系回路との間で誤接続が生じた場合でも、誤接続検知回路100の保護手段15により12V系負荷14は保護され、また、判定手段16により誤接続が生じていることが検知される。そして、ユーザは判定手段16が備える表示部162のLEDの点灯により、誤接続が生じているか否かを知ることができる。
なお、図4では、24V系負荷12が複数並列に接続された24V系負荷群の右端と12V系負荷14が複数並列に接続された12V系負荷群の右端とを誤って接続した場合で説明している。しかし、24V系負荷群の接続されている導線の任意の場所と、12V系負荷群の接続されている導線の任意の場所と、を誤接続した場合も同じ状況になることは明らかである。したがって、誤接続検知回路100は、誤接続の場所によらずに、誤接続が生じていることを検知できる。また、誤接続検知回路100は、24V系負荷12の個数及び12V系負荷14の個数によらずに誤接続を検知できる。
(変形例1)
以上説明した実施の形態1では、第2抵抗R2による電圧降下により、12V系負荷14には、12Vよりも低い電圧しか印加されなくなる。複数接続されている12V系負荷14の消費電流がいずれも小さい場合には、該電圧降下は無視できるが、1つでも消費電流の大きい12V系負荷14が存在する場合、該電圧降下を無視できなくなる可能性がある。この場合、12V系負荷群全体の消費電流に基づき、第2抵抗R2での電圧降下の値Vr2を算出し、12V電源13の出力電圧を12V+Vr2にしても良い。このようにすると、第2抵抗R2による電圧降下があっても、12V系負荷14に12Vを供給することができる。
ただし、12V+Vr2の値が判定手段16における閾値電圧以上になる場合には、誤接続が生じていないにも関わらず、判定手段16が「誤接続有り」と判定してしまう可能性がある。従って、Vr2の値は、最大でも、閾値電圧と第2電圧との差の80%程度の電圧にすることが望ましい。例えば、閾値電圧が13Vの場合は、Vr2の値は最大でも0.8V程度にするのが望ましい。
(実施の形態2)
実施の形態1では、第2抵抗R2によって12V電源13を保護している。しかし、第2抵抗R2の代わりに、ダイオードを用いることによっても、12V電源13を保護することができる。そこで、第2抵抗R2の代わりに、ダイオードを用いた本発明の実施の形態2について説明する。
本発明の実施の形態2に係る誤接続検知回路101は、図7に示すように、24V電源11と24V系負荷12との間に直列に接続される第1抵抗R1、12V電源13と12V系負荷14との間に直列に順方向に接続されるダイオードD1並びに12V系負荷14と並列に接続される保護手段15及び判定手段16を備える。ダイオードD1は、12V電源13に逆電流が流入しないようにするための逆流防止手段である。
図1と図7とを比較するとわかるように、実施の形態1に係る誤接続検知回路100の第2抵抗R2をダイオードD1に置き換えた回路が実施の形態2に係る誤接続検知回路101である。この点以外は、実施の形態2に係る誤接続検知回路101は、実施の形態1に係る誤接続検知回路100と同じである。
誤接続検知回路101では、誤接続が生じていない場合には、ダイオードD1による電圧降下は、ダイオードD1の特性によって定まる一定の値になる。例えば、ダイオードD1がシリコンダイオードなら、この電圧降下の値は0.6Vから0.7V程度である。また、誤接続が生じた場合、ダイオードD1にかかる電圧が逆方向バイアスになるためダイオードD1に電流が流れなくなり、12V電源13には逆方向電流は流れない。
実施の形態1と同様に、導線17による誤接続時の等価回路を図8に示す。ダイオードD1が存在するため、12V電源13には逆方向の電流I3は流れない。そして、保護手段15に流れる電流は(24V−14V)/R1となる。例えば、第1抵抗R1の抵抗値が100Ωに設定されている場合、保護手段15に流れる電流は、(24V−14V)/100Ω=0.1Aとなる。保護手段15の耐電流値が0.1A未満の場合には、10V/R1の値が保護手段15の耐電流値以下になるように、第1抵抗R1の抵抗値を大きくする必要がある。この場合、実施の形態1と異なり、第2抵抗R2の抵抗値を考慮する必要がないので、回路設計がその分楽になる。
また、ダイオードD1による順方向の電圧降下の値は、ダイオードの種類によって定まる一定の値になる。そこで、この一定の値をVFとすると、12V電源13の出力電圧を12V+VFにしておくことより、ダイオードD1による電圧降下があっても、12V系負荷14に12Vを供給することができる。つまり、12V電源13の出力電圧をダイオードD1による電圧降下の分だけ高くすることによって、ダイオードD1による電圧降下を補償することができる。
ただし、12V+VFの値が判定手段16における閾値電圧以上になる場合には、誤接続が生じていないにも関わらず、判定手段16が「誤接続有り」と判定してしまう可能性がある。従って、VFの値は、最大でも、閾値電圧と第2電圧との差の80%程度の電圧にすることが望ましい。例えば、閾値電圧が13Vの場合は、VFの値は最大でも0.8V程度にするのが望ましい。もっともダイオードD1がシリコンダイオードの場合はVFの値は0.6Vから0.7V程度に収まるので、この問題は生じない。
(変形例2)
以上説明した実施の形態では、12V電源13に過剰な逆電流が流入しないようにするために、第2抵抗R2又はダイオードD1を備えている。しかし、12V電源13が、内部に逆電流を防止する保護回路を備えている場合には、図9に示すように、誤接続検知回路102は第2抵抗R2及びダイオードD1を備えなくとも問題なく動作する。これは、実施の形態2のダイオードD1が、12V電源13の内部に組み込まれた形態と考えることができる。
(変形例3)
以上説明した実施の形態では、第1抵抗R1による電圧降下により、24V系負荷12には、24Vよりも低い電圧しか印加されなくなる。複数接続されている24V系負荷12の消費電流がいずれも小さい場合には、該電圧降下は無視できるが、1つでも消費電流の大きい24V系負荷12が存在する場合、該電圧降下を無視できなくなる可能性がある。この場合、24V系負荷群全体の消費電流に基づき、第1抵抗R1での電圧降下の値Vr1を算出し、24V電源11の出力電圧を24V+Vr1にしても良い。このようにすると、第1抵抗R1による電圧降下があっても、24V系負荷12に24Vを供給することができる。
以上説明したように、実施の形態1においても実施の形態2においても、誤接続検知回路100,101,102は、電源に隣接して構成することができ、負荷の個数や誤接続の場所によらずに誤接続を検知できる。
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
11 24V電源、12 24V系負荷、13 12V電源、14 12V系負荷、15 保護手段、16 判定手段、17 導線、100,101,102 誤接続検知回路、161 比較部、162 表示部、D1 ダイオード、I2,I3 電流、L1,L2,L3,L5,L6 実線、L4 点線、R1 第1抵抗、R2 第2抵抗、VC 計測点

Claims (6)

  1. 第1電圧で駆動される第1電圧系負荷群と前記第1電圧系負荷群に電力を供給する第1電源との間に直列に接続される第1抵抗と、
    前記第1電圧よりも低い第2電圧で駆動される第2電圧系負荷群と前記第2電圧系負荷群に電力を供給する第2電源との間に前記第2電圧系負荷群と並列に接続され、前記第2電圧よりも高い第3電圧が印加されると電流を通過させて前記第2電圧系負荷群を保護する保護手段と、
    前記保護手段に前記第3電圧が印加されているか否かを判定する判定手段と、
    を備える誤接続検知回路。
  2. 前記判定手段は、前記保護手段に前記第3電圧が印加されているか否かを表示する表示手段を備える、
    請求項1に記載の誤接続検知回路。
  3. 前記判定手段は、前記第2電圧よりも高くかつ前記第3電圧以下の閾値電圧と、前記保護手段に印加されている電圧と、を比較する比較手段を備え、
    前記比較手段により、前記保護手段に印加されている電圧が前記閾値電圧以上であると判明したら、前記保護手段に前記第3電圧が印加されていると判定する、
    請求項1または2に記載の誤接続検知回路。
  4. 前記第2電圧系負荷群と前記第2電源との間に直列に接続される第2抵抗を備える、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の誤接続検知回路。
  5. 前記第2電圧系負荷群と前記第2電源との間に直列に接続される逆流防止手段を備える、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の誤接続検知回路。
  6. 前記第2電源は、前記逆流防止手段による電圧降下の分だけ前記第2電圧より高い電圧を供給する、
    請求項5に記載の誤接続検知回路。
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