Cuando la energía se va, el temporizador sigue funcionando
El motor se detiene. Se corta la energía.
Pero su ventilador de refrigeración necesita funcionar durante otros 60 segundos para evitar daños en los cojinetes debido al calor residual. Con un temporizador electrónico estándar, en el instante en que corta la energía al relé, el circuito de temporización muere y el ventilador se detiene inmediatamente. Tres minutos después, está viendo un cojinete atascado y un reemplazo de motor de $8,000, todo porque su temporizador electrónico “inteligente” no pudo sobrevivir a la fuente de alimentación por 60 segundos.
Entonces, ¿cómo se obtiene una temporización confiable cuando la fuente de energía ya no está?
La paradoja de la energía: por qué los temporizadores electrónicos necesitan lo que han perdido
Aquí está la ironía: se supone que los relés de temporización electrónicos son más inteligentes que sus predecesores neumáticos: más pequeños, más baratos, más precisos. Y lo son, hasta el momento en que necesita que funcionen sin energía.
Los relés de retardo a la desconexión electrónicos estándar requieren un voltaje de entrada continuo durante todo el período de temporización. El microprocesador o el circuito de temporización RC necesita electricidad para contar. La bobina del relé de salida necesita electricidad para permanecer energizada. Corte la energía y todo el sistema colapsa instantáneamente: la temporización se detiene, el relé se abre, su carga se apaga.
Es como un reloj digital que deja de funcionar en el instante en que lo desenchufa.
Los temporizadores neumáticos no tenían este problema. Cuando cortaba la energía al solenoide de un temporizador neumático, los contactos permanecían en su estado cambiado mientras el aire comprimido se filtraba lentamente a través de un orificio ajustable, sin necesidad de energía continua. El mecanismo de temporización era mecánico, impulsado por la presión del aire, no por la lógica electrónica. Eran voluminosos, caros ($200-400) y estaban limitados a rangos de temporización fijos, pero funcionaban cuando la energía se apagaba.
La década de 1970 trajo relés de temporización de estado sólido con circuitos RC y, más tarde, microprocesadores: mejoras masivas en tamaño, costo y flexibilidad. Pero las aplicaciones de reemplazo chocaron contra una pared. Los ingenieros que especificaban reemplazos de modernización para temporizadores neumáticos descubrieron que sus nuevas y elegantes unidades electrónicas fallaban en el escenario exacto donde los neumáticos sobresalían: la temporización después de la eliminación de la energía.
El mercado exigía una solución. Los fabricantes necesitaban precisión electrónica con operación “post-energía” de estilo neumático.
Ingrese al “verdadero relé de retardo a la desconexión”, también llamado “Temporizador de energía fantasma”.”
El temporizador de energía fantasma: tres formas de almacenar energía después de que la energía se apaga
Los verdaderos relés de retardo a la desconexión resuelven la paradoja de la energía al llevar su propio suministro de energía a bordo. Cuando se elimina la energía de entrada, el relé no muere, sino que cambia a la energía almacenada y continúa la temporización como si nada hubiera pasado.
Hay tres métodos para lograr esto, cada uno con diferentes compensaciones:
Método 1: Descarga del condensador (el más común)
Un condensador se carga al voltaje de suministro mientras se aplica energía. Cuando se corta la energía, el condensador se descarga lentamente a través de la bobina del relé y el circuito de temporización, manteniendo todo vivo durante el período de retardo preestablecido.
Piense en ello como “El último aliento del condensador”—esa carga eléctrica almacenada exhala gradualmente, alimentando la bobina del relé el tiempo suficiente para completar el ciclo de temporización.
Un condensador de 2200 μF a 12 V almacena aproximadamente 0.16 julios de energía. Eso no parece mucho, es menos energía que levantar un clip de papel un metro, pero es suficiente para mantener energizada una bobina de relé de 12 V (resistencia típica de 85 ohmios, consumo de energía de 140 mW) durante 5 a 10 segundos, dependiendo del voltaje de desconexión del relé.
Aumente eso a un condensador de 10,000 μF y estará viendo de 30 a 60 segundos de temporización sin ninguna energía externa.
Método 2: Relé de enclavamiento + Condensador pequeño (el más eficiente)
En lugar de alimentar continuamente una bobina de relé estándar, use un relé de enclavamiento (biestable) que se bloquea mecánicamente en su posición cuando se energiza, sin necesidad de corriente de mantenimiento. Cuando se corta la energía, un condensador pequeño solo necesita proporcionar suficiente energía para desbloquear el relé después del retardo preestablecido, tal vez de 50 a 100 ms de energía de pulso en lugar de 60 segundos de corriente continua.
Este enfoque requiere aproximadamente 1/10 del tamaño del condensador para la misma duración de temporización. Un condensador de 470 μF puede lograr lo que requería 4700 μF con el Método 1.
¿La compensación? Los relés de enclavamiento cuestan de 2 a 3 veces más que los relés estándar, y el circuito de temporización de desbloqueo es más complejo. Está intercambiando el costo de los componentes por el tamaño del condensador.
Método 3: Batería pequeña (retención más larga)
Para períodos de temporización de más de unos pocos minutos, o para aplicaciones que requieren años de confiabilidad en espera, una pequeña pila de botón de litio (CR2032 o similar) puede alimentar el circuito de temporización indefinidamente.
La batería no alimenta la bobina del relé de salida, eso la agotaría en horas. En cambio, alimenta solo el microprocesador y la lógica de temporización, que consumen microamperios. Cuando expira el período de temporización, el microprocesador alimentado por batería libera un pequeño pulso almacenado en el condensador para soltar el relé de salida.
Ventajas: Capacidad de temporización extremadamente larga (de minutos a horas), sin degradación del condensador con el tiempo.
Desventajas: Requisito de reemplazo de la batería (cada 3 a 5 años), mayor costo inicial, consideraciones regulatorias para la eliminación de la batería.
Para el resto de este artículo, nos centraremos en el Método 1, la temporización de descarga del condensador, ya que es la solución más común, más rentable y mecánicamente más simple.
Cómo un condensador se convierte en un reloj: Explicación de las constantes de tiempo RC
Comprender cómo la carga almacenada se convierte en una temporización precisa requiere comprender la descarga del condensador a través de una resistencia: el circuito RC fundamental.
La fase de carga: Almacenamiento de la energía fantasma
Cuando se aplica energía a un verdadero relé de retardo a la desconexión, suceden dos cosas simultáneamente: el relé de salida se energiza (cerrando o abriendo los contactos según la aplicación) y el condensador de almacenamiento se carga a través de una resistencia de carga al voltaje de suministro.
La energía almacenada en un condensador completamente cargado sigue una fórmula simple:
E = ½CV²
Donde:
- E = energía (julios)
- C = capacitancia (faradios)
- V = voltaje (voltios)
Para un condensador de 2200 μF cargado a 12 V:
E = ½ × 0.0022F × (12V)² = 0.158 julios
Esa es suficiente energía para mantener energizada una bobina de relé de 12 V/85 Ω (potencia = V²/R = 1.69 W) durante aproximadamente 0.094 segundos... si la descargara instantáneamente a plena potencia.
Pero no lo hace. El condensador se descarga gradualmente a través de la resistencia de la bobina del relé, y ahí es donde ocurre la magia de la temporización.
La fase de descarga: La regla del 37%
Cuando se elimina la energía de entrada, el condensador comienza a descargarse a través de la resistencia de la bobina del relé. El voltaje a través del condensador no cae linealmente, sino que sigue una curva de decaimiento exponencial gobernada por la constante de tiempo RC:
τ (tau) = R × C
Donde:
- τ = constante de tiempo (segundos)
- R = resistencia (ohmios)
- C = capacitancia (faradios)
Aquí está la parte hermosa: Después de exactamente una constante de tiempo (τ), el voltaje habrá decaído precisamente al 37% de su valor inicial.
No 40%. No 35%. Exactamente 37% (en realidad 36.8%, o más precisamente, 1/e donde e ≈ 2.718).
Esto no es arbitrario, está integrado en la función exponencial que gobierna la descarga RC:
V(t) = V₀ × e^(-t/τ)
En t = τ: V(τ) = V₀ × e^(-1) = V₀ × 0.368 = 37% de V₀
Por qué esto es importante: Cada constante de tiempo adicional reduce el voltaje en otro 37% del voltaje restante voltaje.
- En 1τ: 37% restante (63% descargado)
- A 2τ: 13.51% restante (86.51% descargado)
- A 3τ: 5% restante (95% descargado)
- A 5τ: 99% descargado)
Para nuestro relé de 12V con bobina de 85Ω y condensador de 2200μF:
τ = 85Ω × 0.0022F = 0.187 segundos
Después de 0.187 segundos, el voltaje a través del condensador (y por lo tanto a través de la bobina del relé) será de 4.4V. Después de 0.374 segundos (2τ), será de 1.6V. Después de 0.56 segundos (3τ), solo 0.6V.
Pero aquí está la pregunta crítica: ¿A qué voltaje se desactiva realmente la bobina del relé?
El truco de la desconexión: Por qué el tiempo real es más largo de lo que predicen las matemáticas
Un relé de 12V no necesita 12V para permanecer energizado una vez que se ha activado.
El voltaje de activación (voltaje necesario para energizar inicialmente un relé desenergizado) es típicamente el 75-85% del voltaje nominal; llámelo 9-10V para un relé de 12V. Pero el voltaje de desconexión (voltaje al que se desactiva un relé ya energizado) es mucho más bajo: típicamente el 20-30% del voltaje nominal, o 2.4-3.6V para nuestro relé de 12V.
Esto sucede debido a la histéresis del circuito magnético. Cuando la armadura del relé está tocando la pieza polar (posición totalmente energizada), el entrehierro es cero, la reluctancia magnética se minimiza y se necesita mucha menos fuerza magnetomotriz (y por lo tanto menos corriente/voltaje de la bobina) para mantener el campo magnético que mantiene la armadura en su lugar.
Esto significa que su tiempo se extiende mucho más allá del cálculo RC ingenuo.
Recalculemos para nuestro relé de 12V (bobina de 85Ω, condensador de 2200μF) asumiendo un voltaje de desconexión de 2.8V (23% del nominal):
Usando V(t) = V₀ × e^(-t/τ), resuelva para t cuando V(t) = 2.8V:
2.8V = 12V × e^(-t/0.187s)
0.233 = e^(-t/0.187s)
ln(0.233) = -t/0.187s
-1.46 = -t/0.187s
t = 0.273 segundos
Por lo tanto, nuestro condensador de 2200μF mantiene el relé energizado durante 0.273 segundos, no los <0.1 segundos sugeridos por los cálculos de energía ingenuos.
Que El truco de la desconexión en acción.
¿Quiere 5 segundos de tiempo de retención? Trabaje al revés:
t_deseado = 5 segundos, τ = RC = 0.187s (de antes)
¿Cuántas constantes de tiempo son 5 segundos? 5s / 0.187s = 26.7 constantes de tiempo
A 26.7τ, el voltaje sería esencialmente cero, muy por debajo de la desconexión. Necesitamos resolver para cuando el voltaje alcanza 2.8V:
2.8/12 = 0.233, por lo que necesitamos: e^(-t/τ) = 0.233
-t/τ = ln(0.233) = -1.46
Para t = 5s: τ = 5s / 1.46 = 3.42 segundos
Por lo tanto: C = τ/R = 3.42s / 85Ω = 0.040F = 40,000μF
¿Un condensador de 40,000μF a 12V? Eso es físicamente grande (aproximadamente del tamaño de una batería tipo D) y cuesta entre $15 y $25. Factible, pero no elegante.
Esta es la razón por la que los relés de enclavamiento (Método 2) o los períodos de temporización más largos a menudo utilizan diseños basados en microprocesadores con baterías pequeñas: el tamaño del condensador se vuelve poco práctico más allá de 30-60 segundos de retención continua del relé.
Dimensionamiento de su condensador: El método de 3 pasos
Trabajemos con un ejemplo de diseño del mundo real: Necesita que un relé de 12V permanezca energizado durante 10 segundos después de la eliminación de la energía.
Paso 1: Conozca las especificaciones de su relé
Lo que necesita:
- Voltaje de la bobina: 12V DC
- Resistencia de la bobina: Mida con un multímetro o consulte la hoja de datos (digamos 80Ω)
- Voltaje de desconexión: Ya sea que lo pruebe empíricamente o lo estime en el 25% del nominal = 3.0V
Si no tiene el voltaje de desconexión, pruébelo: Aplique el voltaje nominal a la bobina del relé. Una vez energizado, reduzca lentamente el voltaje con una fuente de alimentación variable mientras monitorea los contactos. Anote el voltaje al que se desactiva el relé. Ese es su voltaje de desconexión.
Consejo profesional: El voltaje de desconexión es su amigo. La mayoría de las bobinas de relé se mantienen al 20-30% del voltaje nominal, lo que le da 3-5 veces más tiempo de lo que sugieren los cálculos de energía ingenuos.
Paso 2: Calcule la capacitancia requerida
Use la fórmula del truco de desconexión derivada anteriormente:
t = -τ × ln(V_desconexión / V_inicial)
Donde τ = RC, entonces:
t = -RC × ln(V_desconexión / V_inicial)
Reorganice para resolver para C:
C = -t / [R × ln(V_desconexión / V_inicial)]
Para nuestro ejemplo:
- t = 10 segundos
- R = 80Ω
- V_inicial = 12V
- V_desconexión = 3.0V
C = -10s / [80Ω × ln(3.0V / 12V)]
C = -10s / [80Ω × ln(0.25)]
C = -10s / [80Ω × (-1.386)]
C = 10s / 110.9
C = 0.090F = 90,000μF
Ese es el mínimo teórico.
Paso 3: Tenga en cuenta los factores del mundo real
La teoría se encuentra con la práctica aquí. Tres factores robarán su tiempo:
Factor 1: Corriente de fuga del condensador
Los condensadores reales no son aislantes perfectos. La corriente de fuga proporciona una ruta de descarga paralela, reduciendo efectivamente el tiempo. Para los condensadores electrolíticos, la fuga puede ser de 0.01CV a 0.03CV (μA por μF-V) a temperatura ambiente.
Para nuestro condensador de 90,000μF/12V: Fuga ≈ 0.02 × 90,000μF × 12V = 21,600μA = 21.6mA
Compare eso con la corriente de la bobina del relé en el dropout (3V / 80Ω = 37.5mA). ¡La corriente de fuga está consumiendo más de la mitad de la corriente que la bobina del relé!
Solución: Utilice condensadores de película de baja fuga (polipropileno o poliéster) para aplicaciones de temporización críticas, o agregue un margen de capacitancia de 30-50% para los electrolíticos.
Consejo profesional: La corriente de fuga del condensador roba su tiempo. Utilice condensadores de película (polipropileno/poliéster) para retrasos >10 segundos, no electrolíticos.
Factor 2: Efectos de la temperatura
La corriente de fuga del condensador se duplica aproximadamente por cada aumento de 10°C en la temperatura. Un condensador con una fuga de 20mA a 25°C podría tener 40mA a 35°C, 80mA a 45°C.
El voltaje de dropout del relé también cambia con la temperatura, típicamente aumentando ligeramente a medida que la resistencia de la bobina aumenta con la temperatura (coeficiente de temperatura positivo del cobre). Esto ayuda ligeramente, pero no lo suficiente para compensar la fuga del condensador.
Factor 3: Tolerancia del condensador
Los condensadores electrolíticos comúnmente tienen una tolerancia de -20%/+80%. Ese condensador de 90,000μF podría ser en realidad de 72,000μF (al -20%). Los condensadores de película son más ajustados, típicamente ±5-10%.
Aplique margen de seguridad:
Dados estos factores, multiplique su capacitancia calculada por 1.5 a 2.0x para una operación confiable a través de la temperatura y la tolerancia de los componentes:
C_actual = 90,000μF × 1.75 = 157,500μF
Redondee a un valor estándar: 2 × 82,000μF = 164,000μF en paralelo, o utilice un solo condensador de 150,000μF si está disponible.
A 12V, un condensador electrolítico de 150,000μF tiene físicamente aproximadamente 35mm de diámetro × 60mm de altura, cuesta $8-15, y almacena aproximadamente 10.8 julios.
Limitación de la corriente de irrupción: No olvide la resistencia de carga
Cuando aplica la energía por primera vez, ese gran condensador descargado parece un cortocircuito. Un condensador de 150,000μF que se carga de 0V a 12V a través de una resistencia cero teóricamente demandaría una corriente infinita.
En la práctica, la resistencia del cableado y la impedancia de la fuente de alimentación limitan esto, pero aún verá corrientes de irrupción de 10-50A durante los primeros milisegundos, lo que podría dañar los contactos, los fusibles o la propia fuente de alimentación.
Solución: Agregue una resistencia de carga (R_charge) en serie con el condensador para limitar la corriente de irrupción, con un diodo paralelo para evitarla durante la descarga:
[Entrada de energía] → [R_charge] → [+Condensador-] → [Bobina del relé] → [Tierra]
El diodo permite que el condensador se descargue directamente a través de la bobina del relé (sin resistencia en serie) mientras fuerza la corriente de carga a través de R_charge.
Dimensione R_charge para limitar la corriente de carga a un nivel razonable (0.5-2A):
R_charge = V_supply / I_charge_max = 12V / 1A = 12Ω
Esto agrega 12Ω a la constante de tiempo RC durante la carga solamente, extendiendo el tiempo de carga a aproximadamente 5τ = 5 × (12Ω + 80Ω) × 0.15F = 69 segundos para cargar completamente.
Si eso es demasiado largo, reduzca R_charge pero acepte una mayor irrupción (digamos 6Ω para ~2A de irrupción, tiempo de carga de 35 segundos). La compensación es suya.
Consejo profesional: La constante de tiempo RC (τ = RC) es solo el punto de partida: el tiempo de retención real depende de la resistencia de la bobina del relé que coincida con su curva de descarga del condensador.
Selección del condensador: Por qué el tipo importa más que el tamaño
Ha calculado la capacitancia. Ahora necesita elegir el componente real. La química del condensador afecta dramáticamente el rendimiento en aplicaciones de temporización: el tamaño no lo es todo.
Condensadores de película vs electrolíticos: La guerra de fugas
Condensadores electrolíticos (aluminio o tantalio):
Ventajas:
- Mayor capacitancia por unidad de volumen (crítico para valores grandes)
- Bajo costo por microfaradio ($0.05-0.15 por 1000μF)
- Fácilmente disponibles en altos voltajes
Desventajas:
- Alta corriente de fuga (especificación de 0.01-0.03 CV, peor en la práctica)
- Sensibles a la polaridad (voltaje inverso = muerte instantánea)
- Vida útil limitada (el electrolito se seca en 5-10 años)
- Capacitancia y fuga sensibles a la temperatura
Mejor para: Retrasos de temporización <30 segundos donde el tamaño y el costo dominan, o donde ha agregado un margen de 1.5-2x para la fuga.
Condensadores de película (polipropileno, poliéster, policarbonato):
Ventajas:
- Corriente de fuga muy baja (<0.001 CV, a menudo 10-100 veces menor que los electrolíticos)
- Excelente estabilidad térmica
- Larga vida útil (más de 20 años)
- Sin restricciones de polaridad (puede manejar CA o CC invertida)
Desventajas:
- Tamaño físico mucho mayor para la misma capacitancia
- Mayor costo ($0.50-2.00 por 1000μF)
- Limitado a valores de capacitancia más bajos (prácticamente <50μF para un tamaño razonable)
Mejor para: Temporización de precisión >30 segundos, entornos de alta temperatura o aplicaciones donde la deriva a largo plazo es inaceptable.
El enfoque híbrido: Lo mejor de ambos mundos
Para la temporización en el rango de 30-60 segundos, considere combinación paralela:
- Electrolítico grande (80% de la capacitancia calculada) para el almacenamiento de energía a granel
- Condensador de película pequeño (20% de la capacitancia calculada) para precisión de baja fuga
Ejemplo: electrolítico de 120,000μF + película de 30,000μF = 150,000μF en total
El condensador de película compensa la fuga electrolítica, extendiendo la temporización más cerca de los cálculos teóricos. El aumento de costo es moderado (~30% más que todo electrolítico), pero la precisión de la temporización mejora significativamente.
Errores comunes y soluciones
Error: Usar condensadores clasificados por debajo del voltaje de suministro
Un suministro de 12V necesita condensadores clasificados para 16V (o más) para la confiabilidad. Los transitorios de voltaje, la ondulación y la tolerancia de los componentes significan que un “sistema de 12V” podría ver 14-15V bajo ciertas condiciones. Operar un condensador cerca de su clasificación de voltaje acelera la falla y aumenta la fuga.
Revisión: Utilice condensadores con una tensión nominal de al menos 1,3 veces la tensión de alimentación (16 V para sistemas de 12 V, 25 V para 18 V, etc.).
Error #2: Ignorar la ESR (Resistencia Serie Equivalente)
Los condensadores tienen una resistencia interna (ESR) que aparece en serie con la capacitancia ideal. Una ESR alta reduce la corriente de descarga disponible y crea una caída de tensión bajo carga, lo que reduce efectivamente el tiempo de retención.
Los electrolíticos grandes pueden tener una ESR de 0,1-1Ω. Para una bobina de relé que consume 150 mA en el momento de la desconexión, 1Ω de ESR significa 0,15 V perdidos por la resistencia interna, lo suficiente como para reducir su margen.
Revisión: Compruebe las especificaciones de la ESR. Para aplicaciones de temporización, prefiera los tipos de baja ESR (0,1Ω o menos).
Error #3: Conexión en paralelo sin equilibrado de corriente
Conectar varios condensadores en paralelo (por ejemplo, cuatro condensadores de 10.000 μF en lugar de uno de 40.000 μF) funciona muy bien en teoría, pero puede causar problemas si los condensadores tienen una ESR o una fuga no coincidentes. El condensador “mejor” hace más trabajo, envejece más rápido y falla primero, entonces los condensadores restantes son repentinamente de tamaño insuficiente.
Revisión: Utilice condensadores emparejados del mismo lote de fabricación cuando los conecte en paralelo. Añada pequeñas resistencias en serie (0,1-0,5Ω) a cada condensador para forzar el reparto de corriente.
Consejo profesional #4: El truco del relé de enclavamiento le da 1/10 del tamaño del condensador para la misma temporización mediante el uso de memoria mecánica en lugar de energía continua.
Relé temporizador VIOX Productos
El temporizador de energía fantasma: Temporización que sobrevive a la pérdida de energía
Los relés de retardo a la desconexión verdaderos resuelven una paradoja fundamental: ¿cómo se mide el tiempo cuando desaparece la fuente de alimentación del reloj?
La respuesta reside en El último aliento del condensador—energía eléctrica almacenada que se exhala gradualmente, alimentando las bobinas de los relés y los circuitos de temporización durante segundos o minutos después de que la energía de entrada desaparezca. Es energía fantasma: suficiente energía para completar una última tarea antes de desvanecerse a cero.
Tres métodos logran esto:
- Descarga del condensador (el más común): las constantes de tiempo RC convierten el almacenamiento de energía en una temporización precisa
- Relé de enclavamiento + condensador pequeño (el más eficiente): la memoria mecánica solo necesita energía de pulso
- Pequeña batería de respaldo (mayor tiempo de retención): el consumo de microamperios permite horas de temporización
La física es elegante: La regla 37% rige la descarga RC exponencial, pero El truco de la desconexión extiende la temporización práctica de 3 a 5 veces más allá de los cálculos ingenuos al explotar la histéresis del relé.
Un condensador de película $2 y un relé $5 pueden lograr lo que antes requería un temporizador neumático $200: más pequeño, más barato, más fiable y ajustable en el campo.
Los sistemas de control modernos exigen una temporización que sobreviva a las interrupciones de energía. Ya se trate de ventiladores de refrigeración que evitan daños en los cojinetes, válvulas de proceso que completan las secuencias de apagado o circuitos de seguridad que mantienen la protección durante los transitorios, el relé de retardo a la desconexión verdadero ofrece un seguro de temporización cuando la electrónica estándar fallaría.
VIOX ELECTRIC ofrece una gama completa de relés de temporización electrónicos, incluidos los modelos de retardo a la desconexión verdaderos con almacenamiento de energía basado en condensadores, adecuados para el control de motores, la automatización de procesos y las aplicaciones de seguridad. Nuestros relés de temporización cumplen con las normas IEC 61810 y proporcionan un funcionamiento fiable en rangos de temperatura industriales (-25°C a +70°C ambiente).
Para obtener especificaciones técnicas y orientación sobre la selección, póngase en contacto con nuestro equipo de ingeniería de aplicaciones. Le ayudaremos a dimensionar la solución de temporización adecuada para su aplicación, sin necesidad de energía fantasma por nuestra parte.
