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使用金瑞电子（JK）PPTC自恢复保险丝作为RS-485在多功能电能表中的防雷电路设计方案

来源：金瑞电子

2018-08-30

类别：家用电器

383

拍明

原标题：RS-485在多功能电能表中的防雷电路设计

智能电表系统已经广泛地应用到工业和生活的领域。在电表中使用自动抄表技术通过通信端口读取数据，而且大部分情况采用远程读数方式。对于电表应用来说既安全又节省了时间和金钱。实现该技术的关键是确保通信链路安全可靠。由于RS-485标准具有长距离传输(1200米以上)，最大传输数率可以达到10Mbps，且高信号噪声印制。同时，RS-485电路具有控制方便，成本低等优点，使多点连接成为可能。因此，RS-485成为智能电表的标准通信接口。但RS-485口传输线通常暴露于户外，因此极易因为雷击等原因引入过电压。而RS-485收发器工作电压较低(5V左右)，其本身耐压也非常低(-7V~+12V)，一旦过压引入，就会击穿损坏。在有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。因此防雷击保护成为RS-485接口设计必须要考虑的。

通常，如图1所画，使用PPTC和TVS作为RS-485的防雷击保护。

使用PPTC和TVS作为RS-485的防雷击保护.png

当雷击发生时，感应过电压由A/B线引入，经过PPTC，然后GDT作为初级共模防护，通常GDT可以承受10KA(8x20us)浪涌冲击。之后残压已经大大降低到1KV以下，然后TVS作为二级保护进行共模/差模保护，到收发器的电压被钳制在12V以下，同时，通过A/B线上的上拉电压可以保证A/B线上的电压保持在高电平。而实现对收发器的浪涌保护。通常，对于4KV以下过电压，可以省去初级保护—--GDT。单用TVS就能实现浪涌保护的要求。当RS-485总线与电力线(例如220VAC)搭接短路时。A/B线上的PPTC可以提供短路保护。

但这种传统方式有问题需要考虑：

1：GDT浪涌击穿电压较高，这就意味着后面的电阻值比较大。这可能会影响传输距离减少。2：TVS的漏电流较高，以SMBJ6.0CA来讲大致在800uA左右。这样会影响点对点通讯的可靠性。3：PPTC的响应速度较慢，因此在电力塔接时，可能会造成TVS被交流击穿

TVS是半导体保护器件，具有响应速度快，可靠性高的优点。但它是Clamping保护模式。其残压会比较高而我们的Sidactor作为半导体器件同样具有响应速度快，可靠性高的优点。但它是Crowbar保护模式。其导通以后保持电压低，同时还具有抗浪涌能力强，耐搭接能力强特点。

因此，请看图3，使用Sidactor的RS-485的保护方案。

使用Sidactor的RS-485的保护方案。.png

当雷击发生时，Sidacto P0080作为共模/差模防护，通常Sidactor可以承受800A(8x20us)浪涌冲击。到收发器的电压被保制在4V左右，当RS-485总线与电力线(例如220VAC)搭接短路时。A/B线上的PPTC可以提供短路保护。

JK产品页面：https://www.iczoom.com/brand/885-c-1-20.html

JK产品特性

应用原理

传统保险丝作为过流保护，仅能保护一次，烧断了就需更换。而作为新型过流保护元件的可恢复保险丝具有过流保护，自动复原双重功能：

过流保护 JKPPTC元件串接在电路中，正常情况下，呈低阻状态，保证电路正常工作;当电路发生短路或窜入异常大电流时，JKPPTC元件的自热使其阻抗增加把电流限制到足够小，起到过电流保护作用。

自动复原当产生过电流的故障得到排除，JKPPTC元件自动复原到低阻状态。这既避免了维护更换，也避免了可能引起电路损坏的持续循环的开闭状态。JKPPTC可恢复保险丝具有过流保护，自动复原双重功能的原因是由于其特殊的构造。JKPPTC可恢复保险丝是又高分子聚合物及导电材料等混合制成。正常情况下，导电材料通过聚合物材料构成三维导电通道，JKPPTC阻值很小;当有异常大电流通过时，JKPPTC元件温度迅速上升，聚合物材料随即膨胀，使得导电通道断开，引起阻抗剧增，通过的电流变小，电路如同断开，达到保护目的。当异常大电流消失后，JKPPTC的自热不足以维持其高阻状态，其阻抗又恢复到低阻状态。与传统保险丝相比，具有可自复，体积小，更坚实的优点。

动作原理

JKPPTC可恢复保险丝的动作原理是一种能量的动态平衡，流过JKPPTC元件的电流由于JKPPTC的关系产生热量，产生的热全部或部分散发到环境中，而没有散发出去的热便会提高JKPPTC元件的温度。

正常工作时的温度较低，产生的热和散发的热达到平衡。JKPPTC元件处于低阻状态，JKPPTC不动作，当流过JKPPTC元件的电流增加或环境温度升高，但如果达到产生的热和散发的热的平衡时，JKPPTC仍不动作。当电流或环境温度再提高时，JKPPTC会达到较高的温度。若此时电流或环境温度继续再增加，产生的热量会大于散发出去的热量，使得JKPPTC元件温度骤增，在此阶段，很小的温度变化会造成阻值的大幅提高，这时JKPPTC 元件处于高阻保护状态，阻抗的增加限制了电流，电流在很短时间内急剧下降，从而保护电路设备免受损坏，只要施加的电压所产生的热量足够JKPPTC元件散发出的热量，处于变化状态下JKPPTC元件便可以一直处于动作状态(高阻)。当施加的电压消失时，JKPPTC便可以自动恢复了。

恢复时间特性

在JKPPTC元件过电流条件消失后的几秒内，JKPPTC元件的温度很快下降，JKPPTC元件便很快恢复到其低阻状态。

环境温度的影响

1、环境温度的提高在超过25°C时便会使通过可恢复保险丝的电流递减。

2、环境温度20°C时线路上的电流100%通过可恢复保险丝，但若有超过两倍以上额定电流产生时，可恢复保险丝便会动作。

3、环境温度越高，通过的电流越大，则动作的时间会越短。环境温度与电流值折减率如下表所示：

规格	-20°C	-0°C	20°C	30°C	40°C	50°C	60°C	70°C	85°C
JK16 系列	132%	120%	105%	96%	88%	80%	71%	61%	47%
JK60 系列	136%	119%	100%	90%	81%	72%	63%	54%	40%
JK30 系列	130%	115%	100%	91%	83%	77%	68%	61%	52%
JK6 系列	130%	115%	115%	91%	83%	77%	68%	61%	52%
JK250 系列	132%	117%	100%	91%	85%	77%	68%	61%	48%
JK600 系列	138%	119%	100%	92%	83%	73%	64%	55%	42%