JP6322124B2 - ノイズ検知回路 - Google Patents

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Description

この発明は、雷サージ対策が施された機器の筐体に収容された内部回路に侵入するノイズを検知するノイズ検知回路に関するものである。
従来より、プラントなどで使用されるフィールド機器として、バルブの開度を制御するポジショナが用いられている。このポジショナは、上位側システムより一対の電線を介して直流の電気信号(4〜20mAの電流)を受け、この直流の電気信号から自己の動作電源を生成する一方、この直流の電気信号の値に応じて調節弁の開度を制御する。例えば、調節弁を比例弁とし、上位側システムより4mAの電流が送られてきた場合には比例弁の開度を0%とし、20mAの電流が送られてきた場合には比例弁の開度を100%とする。
このようなポジショナは、CPU(Central Processing Unit)やRAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)などから構成される電子回路を備えており、この電子回路を内部回路として筐体に収容している。このため、内部回路に侵入しようとする雷サージに対する対策が求められる。
一般的に、雷サージ対策としては、バリスタやアレスタなどのサージ電圧吸収素子が用いられる。このサージ電圧吸収素子は、両端子間の電圧が低い場合には電気抵抗が高いが、ある程度以上に電圧が高くなると急激に電気抵抗が低くなる性質を持ち、他の電子部品を高電圧から保護するためのバイパスとして用いられる(例えば、特許文献1,2参照)。
図10に雷サージ対策が施されたポジショナの要部を示す。同図において、1はポジショナの内部回路(電子回路)であり、内部回路1は筐体2に収容されている。L1,L2は内部回路1への直流の電気信号を受ける一対の信号ラインであり、+側の信号ラインL1と筐体2のアースライン(筐体アース)FGとの間に第1のサージ電圧吸収素子としてバリスタ3−1が接続されており、−側の信号ラインL2と筐体アースFGとの間に第2のサージ電圧吸収素子としてバリスタ3−2が接続されている。
この雷サージ対策が施されたポジショナ100(100C)では、信号ラインL1より内部回路1へ雷サージが侵入しようとすると、この雷サージがバリスタ3−1を通して筐体アースFGへ流れ込む。また、信号ラインL2より内部回路1へ雷サージが侵入しようとすると、この雷サージがバリスタ3−2を通して筐体アースFGへ流れ込む。
特開平5−316647号公報 特開2011−239283号公報
しかしながら、雷サージ対策として用いられるバリスタやアレスタなどのサージ電圧吸収素子は、構造上少なからず容量成分を持っているため、機器の信号ラインと筐体アース間が容量結合する形となる。このため、フィールドの環境によって、信号ラインと筐体アース間にノイズが発生し、この時のノイズの周波数が容量結合の共振周波数と重なったような場合、このノイズが内部回路に侵入してしまう。
すなわち、図10に示した例で言えば、バリスタ3−1,3−2が容量成分を持っているため、信号ラインL1,L2と筐体アースFG間が容量結合する形となる。
このため、例えば、図11に示すように、信号ラインL2と筐体アースFG間にノイズNZが発生し、このノイズNZの周波数がバリスタ3−1の容量結合の共振周波数と重なったような場合、図11中にその侵入経路を実線および点線で示すように、ノイズNZがバリスタ3−1を通して内部回路1に侵入してしまう。
また、図12に示すように、信号ラインL1と筐体アースFG間にノイズNZが発生し、このノイズNZの周波数がバリスタ3−2の容量結合の共振周波数と重なったような場合、図12中にその侵入経路を実線および点線で示すように、ノイズNZがバリスタ3−2を通して内部回路1に侵入してしまう。
このように、雷サージ対策として用いられるバリスタやアレスタなどのサージ電圧吸収素子は容量成分を持っているため、信号ラインと筐体アース間に発生したノイズが内部回路に侵入してしまうことがあり、内部回路にノイズが侵入すると、異常な電流が内部回路内に流れ、誤動作の原因となる。
このため、内部回路へのノイズの侵入を防ぐことが望まれる。しかしながら、侵入するノイズの周波数(共振周波数)は配線されるケーブル長によって異なる。すなわち、機器の設置環境により個々に影響を受ける周波数が変わるため、特定の周波数に対する対策は効果がない。
また、現場で発生しているノイズが常に存在するとは限らない。すなわち、誤動作が発生したものを現地調査するとき、同様のノイズが発生しているとは限らない。また、複数の周波数のノイズが乗っている場合、影響を与えたノイズかどうか現場で判断することは難しい。また、原因の特定に時間がかかると調査の工数などのコストがかかる。
また、電源や信号ラインへ通るノイズを直接検知すると影響が大きい。すなわち、電源や信号ラインへノイズを検知する回路を設けると、このノイズを検知する回路によって電源や信号に影響を与えてしまう。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、電源や信号に影響を与えず、内部回路へのノイズの侵入をリアルタイムで知らせることが可能なノイズ検知回路を提供することにある。
このような目的を達成するために本発明は、筐体に収容された内部回路と、内部回路への直流の電気信号を受ける一対の信号ラインと、一対の信号ラインの一方と筐体のアースラインとの間に接続された第1のサージ電圧吸収素子と、一対の信号ラインの他方と筐体のアースラインとの間に接続された第2のサージ電圧吸収素子とを備えた機器に搭載され、内部回路に侵入するノイズを検知するノイズ検知回路であって、一対の信号ラインの他方と筐体のアースラインとの間に接続されたコンデンサと、コンデンサに流れる電流に基づいて内部回路へのノイズの侵入の有無を報知するノイズ報知部とを備え、コンデンサは、第1のサージ電圧吸収素子とほゞ同じ容量を持つことを特徴とする。
本発明において、第1のサージ電圧吸収素子を介して内部回路に侵入するノイズが発生した場合、第1のサージ電圧吸収素子とほゞ同じ容量を持つコンデンサにもそのノイズが侵入し、このコンデンサを通して電流(ノイズ電流)が流れる。本発明では、このコンデンサに流れる電流(ノイズ電流)に基づいて、内部回路へのノイズの侵入の有無を報知する。
本発明において、第2のサージ電圧吸収素子を第1のサージ電圧吸収素子と同一種別の素子とし、コンデンサを第1および第2のサージ電圧吸収素子とほゞ同じ容量を持つものとすると、第2のサージ電圧吸収素子を介して内部回路に侵入するノイズが発生した場合、第2のサージ電圧吸収素子とほゞ同じ容量を持つコンデンサにもそのノイズが侵入する。これにより、第1のサージ電圧吸収素子を介して内部回路に侵入するノイズが発生した場合と同様にして、第2のサージ電圧吸収素子を介して内部回路に侵入するノイズが発生した場合にも、内部回路へのノイズの侵入が報知される。
本発明において、ノイズ報知部の一例として、コンデンサに直列に接続され、このコンデンサを通して流れる電流の供給を受けて、内部回路へ侵入しているノイズの侵入の有無を報知する報知素子とすることが考えられる。この報知素子を例えばランプとした場合、報知素子は、内部回路へ侵入しているノイズの侵入の有無を光によって報知する。この報知素子を例えばブザーとした場合、報知素子は、内部回路へ侵入しているノイズの侵入の有無を音によって報知する。
本発明において、ノイズ報知部の別の例として、コンデンサに直列に接続された抵抗と、機器に搭載されているバッテリによって駆動され、抵抗とコンデンサとの接続点に生じる電圧を安定した電圧に変換するオペアンプと、オペアンプの出力によって駆動されるトランジスタと、トランジスタによってオン/オフされる電流路に接続され、トランジスタを通して流れるバッテリからの電流の供給を受けて、内部回路へ侵入しているノイズの侵入の有無を報知する報知素子とを備えた構成とすることが考えられる。このような構成とすると、バッテリを搭載することで、ノイズ検知回路を確実に動作させることが可能となる。
なお、本発明において、内部回路への直流の電気信号を受ける一対の信号ラインの一方は、+側ラインであってもよく、−側ラインであってもよい。すなわち、一対の信号ラインの一方を+側ラインとすれば、他方が−側ラインとなり、一対の信号ラインの一方を−側ラインとすれば、他方が+側ラインとなる。このように、本発明において、一対の信号ラインは、+側ラインと−側ラインとを入れ替えても構わない。また、本発明において、サージ電圧吸収素子としては、バリスタやアレスタを用いることが考えられるが、他の素子を用いても構わない。
本発明によれば、一対の信号ラインの他方と筐体のアースラインとの間に第1のサージ電圧吸収素子とほゞ同じ容量を持つコンデンサを接続し、このコンデンサに流れる電流に基づいて内部回路へのノイズの侵入の有無を報知するようにしたので、電源や信号に影響を与えず、内部回路へのノイズの侵入をリアルタイムで知らせることが可能となる。
本発明に係るノイズ検知回路の一実施の形態(実施の形態1)を搭載したポジショナの要部を示す図である。 このポジショナにおいて−側の信号ラインと筐体アース間にノイズが発生した場合のノイズの侵入経路を示す図である。 このポジショナにおいて+側の信号ラインと筐体アース間にノイズが発生した場合のノイズの侵入経路を示す図である。 このポジショナにおいてコンデンサにLEDを直列に接続してノイズ検知回路とした例を示す図である。 コンデンサにLEDを直列に接続してノイズ検知回路とした場合の図2に対応する図である。 コンデンサにLEDを直列に接続してノイズ検知回路とした場合の図3に対応する図である。 本発明に係るノイズ検知回路の他の実施の形態(実施の形態2)を搭載したポジショナの要部を示す図である。 このポジショナにおいて−側の信号ラインと筐体アース間にノイズが発生した場合のノイズの侵入経路を示す図である。 このポジショナにおいて+側の信号ラインと筐体アース間にノイズが発生した場合のノイズの侵入経路を示す図である。 雷サージ対策が施されたポジショナの要部を示す図である。 このポジショナにおいて−側の信号ラインと筐体アース間にノイズが発生した場合のノイズの侵入経路を示す図である。 このポジショナにおいて+側の信号ラインと筐体アース間にノイズが発生した場合のノイズの侵入経路を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
〔実施の形態1〕
図1は本発明に係るノイズ検知回路の一実施の形態(実施の形態1)を搭載したポジショナの要部を示す図である。同図において、図10と同一符号は図10を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。
このポジショナ100(100A)においても、図10に示したポジショナ100(100C)と同様、+側の信号ラインL1と筐体アースFGとの間に第1のサージ電圧吸収素子としてバリスタ3−1が接続され、−側の信号ラインL2と筐体アースFGとの間に第2のサージ電圧吸収素子としてバリスタ3−2が接続されている。すなわち、このポジショナ100Aにおいても、図10に示したポジショナ100Cと同様、サージ電圧吸収素子としてバリスタ3(3−1,3−2)を用いた雷サージ対策が施されている。
本実施の形態では、この雷サージ対策が施されたポジショナ100Aにおいて、信号ラインL2と筐体アースFGとの間に、コンデンサC1とランプ4との直列接続回路をノイズ検知回路5として接続している。このノイズ検知回路5は、コンデンサC1を筐体アースFG側として信号ラインL2と筐体アースFGとの間に接続されており、コンデンサC1はバリスタ3(3−1,3−2)と同じ容量とされている。このノイズ検知回路5において、コンデンサC1の容量はバリスタ3(3−1,3−2)と同じとされているので、共振周波数もバリスタ3(3−1,3−2)と同じになる。
このポジショナ100Aにおいて、図2に示すように、信号ラインL2と筐体アースFG間にノイズNZが発生し、このノイズNZの周波数がバリスタ3−1の容量結合の共振周波数と重なったような場合、図2中にその侵入経路を実線および点線で示すように、ノイズNZがバリスタ3−1を通して内部回路1に侵入する。
この際、信号ラインL2と筐体アースFGとの間にはバリスタ3−1と同じ容量を持つコンデンサC1が接続されているため、このバリスタ3−1と同じ容量を持つコンデンサC1にもノイズNZが侵入し、このコンデンサC1を通してランプ4に電流(ノイズ電流)が流れる。これにより、ランプ4が点灯し、内部回路1へのノイズNZの侵入を知らせる。
また、このポジショナ100Aにおいて、図3に示すように、信号ラインL1と筐体アースFG間にノイズNZが発生し、このノイズNZの周波数がバリスタ3−2の容量結合の共振周波数と重なったような場合、図3中にその侵入経路を実線および点線で示すように、ノイズNZがバリスタ3−2を通して内部回路1に侵入する。
この際、信号ラインL2と筐体アースFGとの間にはバリスタ3−2と同じ容量を持つコンデンサC1が接続されているため、このバリスタ3−2と同じ容量を持つコンデンサC1にもノイズNZが侵入し、このコンデンサC1を通してランプ4に電流(ノイズ電流)が流れる。これにより、ランプ4が点灯し、内部回路1へのノイズNZの侵入を知らせる。
このように、本実施の形態では、ランプ4の点灯の有無で内部回路1へのノイズの侵入の有無をリアルタイムで知ることができ、内部回路1へのノイズの侵入の有無を明確に判断することができるようになる。また、現場の誤動作の原因が筐体アースFGを介してのノイズか否かをすぐに判断することができるようになる。また、ノイズ検知回路5は容量として結合しているのみであるので、ポジショナ100Aの動作電源や信号ラインに影響を与えることもない。また、ランプ4は流れる電流の大きさによって明るさが変わるので、この明るさの変化から内部回路1に侵入しているノイズの大きさを知ることも可能である。
なお、この実施の形態1では、コンデンサC1にランプ4を直列に接続してノイズ検知回路5としたが、図4に示すようにコンデンサC1にLED6を直列に接続してノイズ検知回路5’としてもよい。この場合の図2,図3に対応する図を図5,図6に示す。このノイズ検知回路5’では、LED6が点滅することによって、内部回路1へのノイズの侵入を知らせる。また、LED6の明るさの変化から、そのノイズの大きさを知ることもできる。
〔実施の形態2〕
図7に本発明に係るノイズ検知回路の他の実施の形態(実施の形態2)を搭載したポジショナの要部を示す。このポジショナ100(100B)は、バッテリ(電池)7を搭載しており、このバッテリ7から供給される電圧VTをノイズ検知回路8の動作電源として使用するようにしている。
ノイズ検知回路8は、信号ラインL2と筐体アースFGとの間に接続されたコンデンサC1と抵抗R1との直接接続回路と、コンデンサC1と抵抗R1との接続点P1に生じる電圧Vaをその非反転入力端(+側入力端)への入力電圧とするオペアンプOP1と、オペアンプOP1の出力をそのベース入力とするNPNトランジスタTr1と、トランジスタTr1によってオン/オフされる電流路L3に接続されたLED9とから構成されている。
ノイズ検知回路8において、コンデンサC1と抵抗R1との直接接続回路は、コンデンサC1を筐体アースFG側として信号ラインL2と筐体アースFGとの間に接続されており、コンデンサC1はバリスタ3(3−1,3−2)と同じ容量とされている。
また、オペアンプOP1は、その反転入力端(−側入力端)が出力端に接続されており、バッテリ7からの電圧VTを電源として駆動される。トランジスタTr1は、そのエミッタが信号ラインL2に接続され、そのコレクタがLED9のカソードに接続されている。LED9のアノードはバッテリ7からの電圧VTの供給ラインに接続されている。
このポジショナ100Bにおいて、図8に示すように、信号ラインL2と筐体アースFG間にノイズNZが発生し、このノイズNZの周波数がバリスタ3−1の容量結合の共振周波数と重なったような場合、図8中にその侵入経路を実線および点線で示すように、ノイズNZがバリスタ3−1を通して内部回路1に侵入する。
この際、信号ラインL2と筐体アースFGとの間にはバリスタ3−1と同じ容量を持つコンデンサC1が接続されているため、このバリスタ3−1と同じ容量を持つコンデンサC1にもノイズNZが侵入し、このコンデンサC1を通して抵抗R1に電流(ノイズ電流)が流れる。これにより、コンデンサC1と抵抗R1との接続点P1に電圧Vaが生じ、この接続点P1に生じる電圧VaがオペアンプOP1の非反転入力端へ与えられる。
オペアンプOP1は、バッテリ7から供給される電圧VTを電源として駆動され、非反転入力端に入力された電圧Vaを安定した電圧Vbに変換する。このオペアンプOP1によって変換された電圧VbはトランジスタTr1のベースへ与えられる。これにより、トランジスタTr1のコレクタ−エミッタ間がオン(電流路L3がオン)とされ、LED9にバッテリ7からの電流が流れる。この電流の供給を受けて、LED9が点灯し、内部回路1へのノイズNZの侵入を知らせる。
また、このポジショナ100Bにおいて、図9に示すように、信号ラインL1と筐体アースFG間にノイズNZが発生し、このノイズNZの周波数がバリスタ3−2の容量結合の共振周波数と重なったような場合、図9中にその侵入経路を実線および点線で示すように、ノイズNZがバリスタ3−2を通して内部回路1に侵入する。
この際、信号ラインL2と筐体アースFGとの間にはバリスタ3−2と同じ容量を持つコンデンサC1が接続されているため、このバリスタ3−2と同じ容量を持つコンデンサC1にもノイズNZが侵入し、このコンデンサC1を通して抵抗R1に電流(ノイズ電流)が流れる。これにより、コンデンサC1と抵抗R1との接続点P1に電圧Vaが生じ、この接続点P1に生じる電圧VaがオペアンプOP1の非反転入力端へ与えられる。
オペアンプOP1は、バッテリ7から供給される電圧VTを駆動電源として動作し、非反転入力端に入力された電圧Vaを安定した電圧Vbに変換する。このオペアンプOP1によって変換された電圧VbはトランジスタTr1のベースへ与えられる。これにより、トランジスタTr1のコレクタ−エミッタ間がオン(電流路L3がオン)とされ、LED9にバッテリ7からの電流が流れる。この電流の供給を受けて、LED9が点灯し、内部回路1へのノイズNZの侵入を知らせる。
このように、本実施の形態では、LED9の点灯の有無で内部回路1へのノイズの侵入の有無をリアルタイムで知ることができ、内部回路1へのノイズの侵入の有無を明確に判断することができるようになる。また、現場の誤動作の原因が筐体アースFGを介してのノイズか否かをすぐに判断することができるようになる。また、ノイズ検知回路8は、ポジショナ100Bの動作電源や信号ラインとは独立しているので、ポジショナ100Bの動作に影響を与えることはない。
また、この実施の形態2では、ポジショナ100Bにバッテリ7を搭載し、このバッテリ7をノイズ検知回路8の動作電源として使用することにより、コンデンサC1と抵抗R1との接続点P1に生じる電圧Vaを安定した電圧Vbに変換し、またLEDE9をバッテリ7から供給される電流によって点灯させるようにして、ノイズ検知回路8を確実に動作させることができる。
なお、この実施の形態2において、オペアンプOP1を増幅器とし、このオペアンプOP1において増幅された電圧VbをトランジスタTr1に与え、トランジスタTr1を流れる電流の大きさを電圧Vbの値に応じて変化させるようにしてもよい。このようにすると、内部回路1へのノイズの侵入の有無だけではなく、LED9の明るさの変化から、内部回路1に侵入しているノイズの大きさを知ることも可能となる。
また、上述した実施の形態1,2では、報知素子としてランプやLEDを用い、内部回路1へのノイズの侵入の有無を光によって知らせるようにしたが、ブザーなどを用いることによって音で知らせるようにしてもよい。
また、上述した実施の形態1,2では、サージ電圧吸収素子としてバリスタを用いるようにしたが、アレスタなど他の素子を用いるようにしてもよい。
また、上述した実施の形態1,2では、信号ラインL1を+側の信号ラインとし、信号ラインL2を−側の信号ラインとしたが、信号ラインL1を−側の信号ラインとし、信号ラインL2を+側の信号ラインとしてもよい。
また、上述した実施の形態1,2では、筐体に内部回路が収容された機器としてポジショナを例にとって説明したが、ポジショナに限られるものでないことは言うまでもない。また、サージ電圧吸収素子もバリスタに限られるものではなく、アレスタなど他の素子を用いてもよい。
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
1…内部回路、2…筐体、3(3−1,3−2)…バリスタ、4…ランプ、5,5’…ノイズ検知回路、6…LED、7…バッテリ(電池)、8…ノイズ検知回路、9…LED、L1,L2…信号ライン、FG…筐体アース、C1…コンデンサ、NZ…ノイズ、100(100A,100B)…ポジショナ。

Claims (6)

  1. 筐体に収容された内部回路と、前記内部回路への直流の電気信号を受ける一対の信号ラインと、前記一対の信号ラインの一方と前記筐体のアースラインとの間に接続された第1のサージ電圧吸収素子と、前記一対の信号ラインの他方と前記筐体のアースラインとの間に接続された第2のサージ電圧吸収素子とを備えた機器に搭載され、前記内部回路に侵入するノイズを検知するノイズ検知回路であって、
    前記一対の信号ラインの他方と前記筐体のアースラインとの間に接続されたコンデンサと、
    前記コンデンサに流れる電流に基づいて前記内部回路へのノイズの侵入の有無を報知するノイズ報知部とを備え、
    前記コンデンサは、
    前記第1のサージ電圧吸収素子とほゞ同じ容量を持つ
    ことを特徴とするノイズ検知回路。
  2. 請求項1に記載されたノイズ検知回路において、
    前記第2のサージ電圧吸収素子は、
    前記第1のサージ電圧吸収素子と同一種別の素子とされ、
    前記コンデンサは、
    前記第1および第2のサージ電圧吸収素子とほゞ同じ容量を持つ
    ことを特徴とするノイズ検知回路。
  3. 請求項1又は2に記載されたノイズ検知回路において、
    前記ノイズ報知部は、
    前記コンデンサに直列に接続され、このコンデンサを通して流れる電流の供給を受けて、前記内部回路へ侵入しているノイズの侵入の有無を報知する報知素子である
    ことを特徴とするノイズ検知回路。
  4. 請求項1又は2に記載されたノイズ検知回路において、
    前記ノイズ報知部は、
    前記コンデンサに直列に接続された抵抗と、
    前記機器に搭載されているバッテリによって駆動され、前記抵抗と前記コンデンサとの接続点に生じる電圧を安定した電圧に変換するオペアンプと、
    前記オペアンプの出力によって駆動されるトランジスタと、
    前記トランジスタによってオン/オフされる電流路に接続され、前記トランジスタを通して流れる前記バッテリからの電流の供給を受けて、前記内部回路へ侵入しているノイズの侵入の有無を報知する報知素子と
    を備えることを特徴とするノイズ検知回路。
  5. 請求項3又は4に記載されたノイズ検知回路において、
    前記報知素子は、
    前記内部回路へ侵入しているノイズの侵入の有無を光によって報知する
    ことを特徴とするノイズ検知回路。
  6. 請求項3又は4に記載されたノイズ検知回路において、
    前記報知素子は、
    前記内部回路へ侵入しているノイズの侵入の有無を音によって報知する
    ことを特徴とするノイズ検知回路。
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