電源が切れても、タイマーは動き続ける
モーターが停止し、電源が遮断される。.
しかし、冷却ファンは残留熱によるベアリングの損傷を防ぐために、さらに60秒間作動させる必要があります。標準的な電子タイマーでは、リレーへの電源を遮断した瞬間に、タイマー回路が停止し、ファンは直ちに停止します。3分後には、ベアリングが焼き付き、$8,000のモーター交換が必要になるでしょう。すべては、あなたの「スマート」な電子タイマーが電源よりも60秒長く動作できなかったことが原因です。.
では、電源がすでに切れている状態で、どのようにして信頼性の高いタイミングを得るのでしょうか？
電源のパラドックス：電子タイマーが失ったものを必要とする理由
皮肉なことに、電子式タイミングリレーは、空気圧式タイマーよりも小型で安価で、より正確であるはずです。そして、実際に電源なしで動作させる必要が生じるまではそうなのです。.
標準的な電子式オフディレーリレーは、タイミング期間全体を通して連続的な入力電圧を必要とします。マイクロプロセッサまたはRCタイミング回路は、カウントするために電気を必要とします。出力リレーコイルは、励磁状態を維持するために電気を必要とします。電源を切ると、システム全体が瞬時に停止し、タイミングが停止し、リレーが開き、負荷が遮断されます。.
それは、プラグを抜いた瞬間に動作を停止するデジタル時計のようなものです。.
空気圧式タイマーには、この問題はありませんでした。空気圧式タイマーのソレノイドへの電源を切ると、圧縮空気が調整可能なオリフィスをゆっくりと通過する間、接点は変化した状態を維持しました。連続的な電源は必要ありません。タイミング機構は機械式で、電子ロジックではなく、空気圧によって駆動されていました。かさばり、高価（$200-400）で、固定されたタイミング範囲に限定されていましたが、電源が切れても動作しました。.
1970年代には、RC回路と、後にマイクロプロセッサを搭載したソリッドステートタイミングリレーが登場し、サイズ、コスト、柔軟性が大幅に向上しました。しかし、交換用途は行き詰まりました。空気圧式タイマーのレトロフィット交換を指定するエンジニアは、洗練された新しい電子ユニットが、空気圧式タイマーが優れていたまさにそのシナリオ、つまり電源遮断後のタイミングで故障することを発見しました。.
市場は解決策を要求しました。メーカーは、空気圧式のような「電源遮断後」の動作と電子的な精度を必要としていました。.
そこで、「真のオフディレーリレー」が登場します。 “「ゴーストパワータイマー」とも呼ばれます。”
ゴーストパワータイマー：電源遮断後にエネルギーを蓄える3つの方法
真のオフディレーリレーは、独自のエネルギー源を搭載することで、電源のパラドックスを解決します。入力電源が遮断されても、リレーは停止せず、蓄積されたエネルギーに切り替わり、何事もなかったかのようにタイミングを継続します。.
これを実現するには3つの方法があり、それぞれに異なるトレードオフがあります。
方法1：コンデンサ放電（最も一般的）
電源が投入されている間、コンデンサは電源電圧まで充電されます。電源が切れると、コンデンサはリレーコイルとタイミング回路を通してゆっくりと放電し、プリセットされた遅延期間中、すべてを動作させ続けます。.
それを次のように考えてください。 “「コンデンサの最後の息吹」”蓄積された電荷が徐々に放出され、タイミングサイクルを完了するのに十分な時間だけリレーコイルに電力を供給します。.
12Vで2200μFのコンデンサは、約0.16ジュールのエネルギーを蓄えます。これは大したことではないように聞こえるかもしれません。ペーパークリップを1メートル持ち上げるよりも少ないエネルギーですが、12Vのリレーコイル（標準的な85オームの抵抗、140mWの消費電力）を、リレーのドロップアウト電圧に応じて、5〜10秒間励磁状態に保つのに十分です。.
それを10,000μFのコンデンサまでスケールアップすると、外部電源なしで30〜60秒のタイミングが得られます。.
方法2：ラッチングリレー+小型コンデンサ（最も効率的）
標準的なリレーコイルに継続的に電力を供給する代わりに、励磁されると機械的に位置をロックし、保持電流を必要としないラッチング（双安定）リレーを使用します。電源が切れると、小型コンデンサは、プリセットされた遅延後にリレーのラッチを解除するのに十分なエネルギーのみを提供する必要があります。これは、60秒の連続電流ではなく、50〜100msのパルスエネルギーです。.
このアプローチでは、同じタイミング期間に対して、コンデンサのサイズが約1/10で済みます。470μFのコンデンサで、方法1で4700μFが必要だったことを実現できます。.
トレードオフは？ラッチングリレーは、標準的なリレーよりも2〜3倍高価であり、アンラッチタイミング回路はより複雑です。コンデンサのサイズとコンポーネントのコストをトレードオフしています。.
方法3：小型バッテリー（最長の保持時間）
数分を超えるタイミング期間、または長年のスタンバイ信頼性を必要とするアプリケーションの場合、小型のリチウムコイン電池（CR2032など）は、タイミング回路に無期限に電力を供給できます。.
バッテリーは出力リレーコイルに電力を供給しません。そうすると数時間で消耗してしまいます。代わりに、マイクロアンペアを消費するマイクロプロセッサとタイミングロジックのみに電力を供給します。タイミング期間が終了すると、バッテリー駆動のマイクロプロセッサは、小型のコンデンサに蓄えられたパルスを放出して、出力リレーをドロップします。.
利点：非常に長いタイミング機能（数分から数時間）、時間の経過に伴うコンデンサの劣化がない。.
欠点：バッテリー交換の必要性（3〜5年ごと）、初期コストが高い、バッテリーの廃棄に関する規制上の考慮事項。.
この記事の残りの部分では、最も一般的で、最も費用対効果が高く、機械的に最も単純なソリューションである方法1、つまりコンデンサ放電タイミングに焦点を当てます。.
コンデンサがクロックになる仕組み：RC時定数の説明
蓄積された電荷が正確なタイミングになる仕組みを理解するには、抵抗を介したコンデンサの放電、つまり基本的なRC回路を理解する必要があります。.
充電フェーズ：ゴーストパワーの蓄積
真のオフディレーリレーに電力が供給されると、2つのことが同時に発生します。出力リレーが励磁され（アプリケーションごとに接点を閉じたり開いたりします）、ストレージコンデンサが充電抵抗を介して電源電圧まで充電されます。.
完全に充電されたコンデンサに蓄積されたエネルギーは、単純な式に従います。
E = ½CV²
どこでだ：
- E = エネルギー（ジュール）
- C = 静電容量（ファラッド）
- V = 電圧（ボルト）
12Vまで充電された2200μFのコンデンサの場合：
E = ½ × 0.0022F × (12V)² = 0.158ジュール
これは、12V/85Ωのリレーコイル（電力 = V²/R = 1.69W）を約0.094秒間励磁状態に保つのに十分なエネルギーです…フルパワーで瞬時に放電した場合。.
しかし、そうではありません。コンデンサは放電します 徐々に リレーコイルの抵抗を介して、そこでタイミングのマジックが発生します。.
放電フェーズ：37%ルール
入力電源が遮断されると、コンデンサはリレーコイルの抵抗を介して放電を開始します。コンデンサの電圧は直線的に低下するのではなく、 RC時定数:
τ (タウ) = R × C
どこでだ：
- τ = 時定数（秒）
- R = 抵抗（オーム）
- C = 静電容量（ファラッド）
ここが素晴らしいところです。正確に1つの時定数（τ）後、電圧は正確に 初期値の37%.
40%ではありません。35%でもありません。正確に37%（実際には36.8%、またはより正確には1/e、ここでe ≈ 2.718）。.
これは恣意的ではありません。RC放電を支配する指数関数に組み込まれています。
V(t) = V₀ × e^(-t/τ)
t = τの場合：V(τ) = V₀ × e^(-1) = V₀ × 0.368 = V₀の37%
これがなぜ重要なのか: 追加の時定数ごとに、電圧は 残りの 電圧の別の37%だけ低下します。.
- 1τの場合：37%が残っています（63%が放電されました）
- 2τ時: 13.51% 残存 (86.51% 放電)
- 3τ時: 5% 残存 (95% 放電)
- 5τ時: 99% 放電)
当社の12Vリレー、85Ωコイル、2200μFコンデンサの場合:
τ = 85Ω × 0.0022F = 0.187秒
0.187秒後、コンデンサ（およびリレーコイル）の電圧は4.4Vになります。0.374秒後（2τ）には1.6Vになります。0.56秒後（3τ）には、わずか0.6Vになります。.
しかし、ここで重要な質問があります: リレーコイルは実際に何ボルトで解放されるのでしょうか？
ドロップアウトのトリック: 実際のタイミングが計算よりも長くなる理由
12Vリレーは、一度引き込まれると、通電状態を維持するために12Vを必要としません。.
について ピックアップ電圧 （非通電状態のリレーを最初に通電するために必要な電圧）は、通常、定格電圧の75〜85％です。12Vリレーの場合、9〜10Vとします。しかし、 ドロップアウト電圧 （すでに通電されているリレーが解放される電圧）は、はるかに低く、通常、定格電圧の20〜30％、つまり当社の12Vリレーの場合、2.4〜3.6Vです。.
これは、磁気回路のヒステリシスのために発生します。リレーアーマチュアがポールピースに接触しているとき（完全に通電された位置）、エアギャップはゼロになり、磁気抵抗が最小限に抑えられ、アーマチュアを所定の位置に保持する磁場を維持するために必要な起磁力（したがって、コイルの電流/電圧）がはるかに少なくなります。.
これは、タイミングが単純なRC計算をはるかに超えて延長されることを意味します。.
2.8V（定格の23％）のドロップアウト電圧を想定して、当社の12Vリレー（85Ωコイル、2200μFコンデンサ）について再計算しましょう。
V(t) = V₀ × e^(-t/τ) を使用して、V(t) = 2.8V のときの t を求めます:
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秒
したがって、当社の2200μFコンデンサは、リレーを通電状態に0.273秒間維持します。これは、単純なエネルギー計算で示唆される<0.1秒ではありません。.
ことになる ドロップアウトのトリック 制御/負荷の分離.
5秒の保持時間が必要ですか？逆算してみましょう:
t_desired = 5秒、τ = RC = 0.187秒（上記より）
5秒は何個の時定数ですか？ 5秒 / 0.187秒 = 26.7 時定数
26.7τでは、電圧は本質的にゼロになります—ドロップアウトをはるかに下回ります。電圧が2.8Vに達するタイミングを求める必要があります:
2.8/12 = 0.233 なので、e^(-t/τ) = 0.233 が必要です
-t/τ = ln(0.233) = -1.46
t = 5秒の場合: τ = 5秒 / 1.46 = 3.42秒
したがって: C = τ/R = 3.42秒 / 85Ω = 0.040F = 40,000μF
12Vで40,000μFのコンデンサですか？それは物理的に大きく（おおよそ単一電池のサイズ）、15〜25ドルの費用がかかります。実行可能ですが、エレガントではありません。.
これが、ラッチングリレー（方法2）またはより長いタイミング期間で、小型バッテリーを備えたマイクロプロセッサベースの設計がよく使用される理由です—コンデンサのサイズは、30〜60秒を超える連続リレー保持では非現実的になります。.
コンデンサのサイジング: 3ステップメソッド
実際の設計例を見てみましょう: 電源を切断した後、12Vリレーを10秒間通電状態に保つ必要があります。.
ステップ1: リレーの仕様を知る
必要なもの:
- コイル電圧: 12V DC
- コイル抵抗: マルチメーターで測定するか、データシートを確認します（80Ωとしましょう）
- ドロップアウト電圧: 経験的にテストするか、定格の25％= 3.0Vと推定します
ドロップアウト電圧がない場合は、, テストします: 定格電圧をリレーコイルに印加します。通電したら、可変電源で電圧をゆっくりと下げながら、接点を監視します。リレーが解放される電圧をメモします。それがドロップアウト電圧です。.
プロのヒント: ドロップアウト電圧はあなたの味方です。ほとんどのリレーコイルは定格電圧の20〜30％で保持されるため、単純なエネルギー計算よりも3〜5倍長いタイミングが得られます。.
ステップ2: 必要な静電容量を計算する
前述のドロップアウトトリックの公式を使用します:
t = -τ × ln(V_dropout / V_initial)
ここで、τ = RC なので:
t = -RC × ln(V_dropout / V_initial)
Cについて解くために並べ替えます:
C = -t / [R × ln(V_dropout / V_initial)]
例の場合:
- t = 10秒
- R = 80Ω
- V_initial = 12V
- V_dropout = 3.0V
C = -10秒 / [80Ω × ln(3.0V / 12V)]
C = -10秒 / [80Ω × ln(0.25)]
C = -10秒 / [80Ω × (-1.386)]
C = 10秒 / 110.9
C = 0.090F = 90,000μF
それが理論上の最小値です。.
ステップ3：現実世界の要因を考慮する
ここで理論と実践が出会います。以下の3つの要因がタイミングを狂わせます。
要因1：コンデンサのリーク電流
実際のコンデンサは完全な絶縁体ではありません。リーク電流は並列放電経路を提供し、実質的にタイミングを短縮します。電解コンデンサの場合、リークは室温で0.01CV〜0.03CV（μFあたりμA/V）になる可能性があります。.
当社の90,000μF/12Vコンデンサの場合：リーク ≈ 0.02 × 90,000μF × 12V = 21,600μA = 21.6mA
これをリレーコイルのドロップアウト時の電流（3V / 80Ω = 37.5mA）と比較してください。リーク電流は、リレーコイルの電流の半分以上を消費しています！
【解決 重要なタイミングアプリケーションには、低リークフィルムコンデンサ（ポリプロピレンまたはポリエステル）を使用するか、電解コンデンサの場合は30〜50％の静電容量マージンを追加してください。.
プロのヒント：コンデンサのリーク電流はタイミングを狂わせます。10秒を超える遅延には、電解コンデンサではなく、フィルムコンデンサ（ポリプロピレン/ポリエステル）を使用してください。.
要因2：温度の影響
コンデンサのリーク電流は、温度が10℃上昇するごとにほぼ2倍になります。25℃で20mAのリークがあるコンデンサは、35℃で40mA、45℃で80mAになる可能性があります。.
リレーのドロップアウト電圧も温度によって変化します。通常、コイル抵抗が温度とともに増加するにつれて（銅の正の温度係数）、わずかに増加します。これはわずかに役立ちますが、コンデンサのリークを補償するのに十分ではありません。.
要因3：コンデンサの公差
電解コンデンサは通常、-20％/+80％の公差があります。その90,000μFのコンデンサは、実際には72,000μF（-20％時）である可能性があります。フィルムコンデンサはより厳密で、通常±5〜10％です。.
安全マージンを適用する：
これらの要因を考慮して、温度とコンポーネントの公差全体で信頼性の高い動作を確保するために、計算された静電容量に1.5〜2.0倍を掛けます。
C_actual = 90,000μF × 1.75 = 157,500μF
標準値に切り上げます。 2 × 82,000μF = 164,000μF（並列）, または、入手可能であれば、単一の150,000μFコンデンサを使用します。.
12Vで、150,000μFの電解コンデンサは物理的に直径約35mm×高さ60mmで、コストは8〜15ドルで、約10.8ジュールを蓄積します。.
突入電流制限：充電抵抗を忘れないでください
最初に電源を投入すると、その大きな未充電のコンデンサは短絡のように見えます。抵抗ゼロで0Vから12Vまで充電する150,000μFのコンデンサは、理論的には無限の電流を要求します。.
実際には、配線抵抗と電源インピーダンスがこれを制限しますが、それでも最初の数ミリ秒で10〜50Aの突入電流が発生し、接点、ヒューズ、または電源自体が損傷する可能性があります。.
【解決 コンデンサと直列に充電抵抗（R_charge）を追加して突入電流を制限し、放電中にそれをバイパスする並列ダイオードを追加します。
[電源入力] → [R_charge] → [+コンデンサ-] → [リレーコイル] → [グランド]
ダイオードにより、コンデンサは（直列抵抗なしで）リレーコイルを介して直接放電できますが、充電電流はR_chargeを強制的に通過します。.
R_chargeのサイズを決定する 充電電流を妥当なレベル（0.5〜2A）に制限するため：
R_charge = V_supply / I_charge_max = 12V / 1A = 12Ω
これにより、充電時のみRC時定数に12Ωが追加され、充電時間が約5τ = 5 × (12Ω + 80Ω) × 0.15F = 完全充電まで69秒延長されます。.
それが長すぎる場合は、R_chargeを減らしますが、より高い突入を受け入れます（たとえば、6Ωで〜2Aの突入、35秒の充電時間）。トレードオフはあなた次第です。.
プロのヒント：RC時定数（τ = RC）は単なる出発点です。実際の保持時間は、コンデンサの放電曲線に一致するリレーコイルの抵抗によって異なります。.
コンデンサの選択：なぜタイプがサイズよりも重要なのか
静電容量を計算しました。次に、実際のコンポーネントを選択する必要があります。コンデンサの化学的性質は、タイミングアプリケーションのパフォーマンスに劇的な影響を与えます。サイズがすべてではありません。.
フィルムコンデンサ対電解コンデンサ：リーク戦争
電解コンデンサ（アルミニウムまたはタンタル）：
利点がある：
- 単位体積あたりの最高の静電容量（大きな値に不可欠）
- マイクロファラッドあたりの低コスト（1000μFあたり0.05〜0.15ドル）
- 高電圧で容易に入手可能
デメリット
- 高いリーク電流（0.01〜0.03 CV仕様、実際にはさらに悪い）
- 極性依存（逆電圧 = 即死）
- 寿命が限られている（電解液は5〜10年で乾燥する）
- 温度に敏感な静電容量とリーク
最適な用途: サイズとコストが支配的な30秒未満のタイミング遅延、またはリークに対して1.5〜2倍のマージンを追加した場合。.
フィルムコンデンサ（ポリプロピレン、ポリエステル、ポリカーボネート）：
利点がある：
- 非常に低いリーク電流（<0.001 CV、多くの場合、電解コンデンサよりも10〜100倍低い）
- 優れた温度安定性
- 長い寿命（20年以上）
- 極性制限なし（ACまたは逆DCを処理可能）
デメリット
- 同じ静電容量に対してはるかに大きな物理サイズ
- より高いコスト（1000μFあたり0.50〜2.00ドル）
- より低い静電容量値に制限される（実際には妥当なサイズで<50μF）
最適な用途: 30秒を超える精密なタイミング、高温環境、または長期的なドリフトが許容できないアプリケーション。.
ハイブリッドアプローチ：両方の長所
30〜60秒の範囲のタイミングの場合、以下を検討してください 並列組み合わせ:
- 大型の電解コンデンサ（計算された静電容量の80％）によるバルクエネルギー貯蔵
- 小型フィルムコンデンサ（計算された静電容量の20％）による低リーク精度
例：120,000μF電解コンデンサ + 30,000μFフィルムコンデンサ = 合計150,000μF
フィルムコンデンサは電解コンデンサのリークを補償し、タイミングを理論計算に近づけます。コストの増加はわずかです（すべて電解コンデンサよりも約30％多い）が、タイミング精度は大幅に向上します。.
よくある間違いと修正
間違い1：電源電圧よりも低い定格のコンデンサを使用する
12V電源には、信頼性を高めるために16V定格（またはそれ以上）のコンデンサが必要です。電圧トランジェント、リップル、およびコンポーネントの公差は、「12Vシステム」が特定の条件下で14〜15Vになる可能性があることを意味します。コンデンサを電圧定格近くで動作させると、故障が加速し、リークが増加します。.
修正： 少なくとも1.3倍の供給電圧定格のコンデンサを使用してください（12Vシステムの場合は16V、18Vの場合は25Vなど）。
間違い#2：ESR（等価直列抵抗）の無視
コンデンサは、理想的な静電容量と直列に見える内部抵抗（ESR）を持っています。高いESRは、利用可能な放電電流を減らし、負荷時に電圧降下を発生させ、実質的に保持時間を短縮します。.
大型電解コンデンサは、0.1〜1ΩのESRを持つ場合があります。ドロップアウト時に150mAを消費するリレーコイルの場合、1ΩのESRは、内部抵抗によって0.15Vが失われることを意味し、マージンを減らすのに十分です。.
修正： ESR仕様を確認してください。タイミングアプリケーションには、低ESRタイプ（0.1Ω以下）をお勧めします。.
間違い#3：電流バランシングなしの並列接続
複数のコンデンサを並列に接続する（たとえば、1つの40,000μFの代わりに4つの10,000μFのコンデンサ）ことは、理論的にはうまく機能しますが、コンデンサのESRまたはリークが一致しない場合、問題を引き起こす可能性があります。「より良い」コンデンサはより多くの作業を行い、より速く劣化し、最初に故障します。その後、残りのコンデンサは突然サイズ不足になります。.
修正： 並列接続する場合は、同じ製造バッチからの適合するコンデンサを使用してください。各コンデンサに小さな直列抵抗（0.1〜0.5Ω）を追加して、電流共有を強制します。.
プロのヒント#4：ラッチングリレーのトリックを使用すると、連続的な電力の代わりに機械的なメモリを使用することで、同じタイミングで1/10のコンデンササイズが得られます。.
ゴーストパワータイマー：停電後も持続するタイミング
真のオフディレイリレーは、根本的なパラドックスを解決します。クロックの電源が消えたときに、どのように時間を測定しますか？
答えは コンデンサの最後の息吹にあります—入力電源が消えてから数秒または数分間、リレーコイルとタイミング回路に電力を供給する、徐々に放出される蓄積された電気エネルギー。それはゴーストパワーです。ゼロになる前に最後のタスクを完了するのに十分なジュースです。.
これを達成する3つの方法：
- コンデンサ放電 （最も一般的）—RC時定数は、エネルギー貯蔵を正確なタイミングに変換します
- ラッチングリレー+小型コンデンサ （最も効率的）—機械的メモリはパルスエネルギーのみを必要とします
- 小型バッテリーバックアップ （最長の保持）—マイクロアンペア消費により、数時間のタイミングが可能になります
物理学はエレガントです： 37%ルール は指数関数的なRC放電を支配しますが、 ドロップアウトのトリック リレーヒステリシスを利用して、ナイーブな計算よりも3〜5倍実用的なタイミングを拡張します。.
$2フィルムコンデンサと$5リレーは、かつて$200空気圧タイマーを必要としたものを実現できます—より小型、安価、信頼性が高く、現場で調整可能です。.
最新の制御システムは、停電後も持続するタイミングを必要とします。冷却ファンがベアリングの損傷を防ぎ、プロセスバルブがシャットダウンシーケンスを完了し、安全回路が過渡現象中の保護を維持するかどうかにかかわらず、真のオフディレイリレーは、標準的な電子機器が故障した場合にタイミング保険を提供します。.
VIOX ELECTRICは、モーター制御、プロセスオートメーション、および安全アプリケーションに適した、コンデンサベースのエネルギー貯蔵を備えた真のオフディレイモデルを含む、電子タイミングリレーの完全な範囲を提供しています。当社のタイミングリレーはIEC 61810規格に適合し、産業用温度範囲（-25°C〜+ 70°Cの周囲温度）で信頼性の高い動作を提供します。.
技術仕様と選択ガイダンスについては、当社のアプリケーションエンジニアリングチームにお問い合わせください。お客様のアプリケーションに最適なタイミングソリューションのサイズを決定するお手伝いをします—当社の側ではゴーストパワーは必要ありません。.
