Como Atraso Relés De Manter O Sincronismo Após A Alimentação Morre: O Capacitor Segredo 

Quando a Energia Acaba, o Temporizador Continua a Contar

O motor para. A energia é cortada.

Mas o seu ventilador de arrefecimento precisa funcionar por mais 60 segundos para evitar danos nos rolamentos devido ao calor residual. Com um temporizador eletrónico padrão, no instante em que corta a energia para o relé, o circuito de temporização morre e o ventilador para imediatamente. Três minutos depois, está a olhar para um rolamento travado e uma substituição do motor de €8.000 — tudo porque o seu temporizador eletrónico “inteligente” não conseguiu sobreviver à fonte de alimentação por 60 segundos.

Então, como obter uma temporização fiável quando a fonte de energia já desapareceu?

O Paradoxo da Energia: Por Que os Temporizadores Eletrónicos Precisam do Que Perderam

Eis a ironia: os relés de temporização eletrónicos são supostamente mais inteligentes do que os seus antecessores pneumáticos — menores, mais baratos, mais precisos. E são, até ao momento em que precisa que funcionem sem energia.

Os relés de retardo de desligamento eletrónicos padrão requerem tensão de entrada contínua durante todo o período de temporização. O microprocessador ou o circuito de temporização RC precisam de eletricidade para contar. A bobina do relé de saída precisa de eletricidade para permanecer energizada. Corte a energia e todo o sistema entra em colapso instantaneamente — a temporização para, o relé abre, a sua carga desliga-se.

É como um relógio digital que para de funcionar no instante em que o desliga.

Os temporizadores pneumáticos não tinham este problema. Quando cortava a energia para o solenoide de um temporizador pneumático, os contactos permaneciam no seu estado alterado enquanto o ar comprimido sangrava lentamente através de um orifício ajustável — sem necessidade de energia contínua. O mecanismo de temporização era mecânico, acionado por pressão de ar, não por lógica eletrónica. Eram volumosos, caros (€200-400) e limitados a intervalos de temporização fixos, mas funcionavam quando a energia acabava.

A década de 1970 trouxe relés de temporização de estado sólido com circuitos RC e, mais tarde, microprocessadores — melhorias massivas em tamanho, custo e flexibilidade. Mas as aplicações de substituição atingiram um impasse. Os engenheiros que especificavam substituições de modernização para temporizadores pneumáticos descobriram que as suas novas unidades eletrónicas elegantes falhavam exatamente no cenário em que os pneumáticos se destacavam: temporização após a remoção da energia.

O mercado exigiu uma solução. Os fabricantes precisavam de precisão eletrónica com operação “pós-energia” ao estilo pneumático.

Apresentamos o “relé de retardo de desligamento verdadeiro” — também chamado de “Temporizador de Energia Fantasma”.”

O Temporizador de Energia Fantasma: Três Maneiras de Armazenar Energia Após o Fim da Energia

Os relés de retardo de desligamento verdadeiros resolvem o paradoxo da energia transportando a sua própria fonte de energia a bordo. Quando a energia de entrada é removida, o relé não morre — ele muda para a energia armazenada e continua a temporizar como se nada tivesse acontecido.

Existem três métodos para conseguir isso, cada um com diferentes compensações:

Método 1: Descarga do Capacitor (Mais Comum)

Um capacitor carrega até à tensão de alimentação enquanto a energia é aplicada. Quando a energia é cortada, o capacitor descarrega lentamente através da bobina do relé e do circuito de temporização, mantendo tudo vivo durante o período de retardo predefinido.

Pense nisso como “O Último Suspiro do Capacitor”— essa carga elétrica armazenada exala gradualmente, alimentando a bobina do relé apenas o tempo suficiente para completar o ciclo de temporização.

Um capacitor de 2200μF a 12V armazena aproximadamente 0,16 joules de energia. Isso não parece muito — é menos energia do que levantar um clipe de papel um metro — mas é suficiente para manter uma bobina de relé de 12V (resistência típica de 85 ohms, consumo de energia de 140mW) energizada por 5-10 segundos, dependendo da tensão de dropout do relé.

Aumente isso para um capacitor de 10.000μF e está a olhar para 30-60 segundos de temporização sem qualquer energia externa.

Método 2: Relé de Travamento + Capacitor Pequeno (Mais Eficiente)

Em vez de alimentar continuamente uma bobina de relé padrão, use um relé de travamento (biestável) que trava mecanicamente na posição quando energizado, não exigindo corrente de retenção. Quando a energia é cortada, um pequeno capacitor só precisa fornecer energia suficiente para destravar o relé após o retardo predefinido — talvez 50-100ms de energia de pulso em vez de 60 segundos de corrente contínua.

Esta abordagem requer aproximadamente 1/10 do tamanho do capacitor para a mesma duração de temporização. Um capacitor de 470μF pode conseguir o que exigia 4700μF com o Método 1.

A compensação? Os relés de travamento custam 2-3x mais do que os relés padrão, e o circuito de temporização de destravamento é mais complexo. Está a trocar o custo do componente pelo tamanho do capacitor.

Método 3: Bateria Pequena (Maior Tempo de Espera)

Para períodos de temporização além de alguns minutos, ou para aplicações que exigem anos de fiabilidade em standby, uma pequena célula de moeda de lítio (CR2032 ou similar) pode alimentar o circuito de temporização indefinidamente.

A bateria não alimenta a bobina do relé de saída — isso esgotaria em horas. Em vez disso, alimenta apenas o microprocessador e a lógica de temporização, que consomem microamperes. Quando o período de temporização expira, o microprocessador alimentado por bateria libera um pequeno pulso armazenado no capacitor para derrubar o relé de saída.

Vantagens: Capacidade de temporização extremamente longa (minutos a horas), sem degradação do capacitor ao longo do tempo.

Desvantagens: Requisito de substituição da bateria (a cada 3-5 anos), maior custo inicial, considerações regulatórias para descarte da bateria.

Para o restante deste artigo, vamos concentrar-nos no Método 1 — temporização de descarga do capacitor — pois é a solução mais comum, mais económica e mecanicamente mais simples.

Como um Capacitor se Torna um Relógio: Constantes de Tempo RC Explicadas

Compreender como a carga armazenada se torna temporização precisa requer compreender a descarga do capacitor através de um resistor — o circuito RC fundamental.

A Fase de Carregamento: Armazenando a Energia Fantasma

Quando a energia é aplicada a um relé de retardo de desligamento verdadeiro, duas coisas acontecem simultaneamente: o relé de saída energiza (fechando ou abrindo contactos conforme a aplicação) e o capacitor de armazenamento carrega através de um resistor de carregamento até à tensão de alimentação.

A energia armazenada num capacitor totalmente carregado segue uma fórmula simples:

E = ½CV²

Onde:

• E = energia (joules)
• C = capacitância (farads)
• V = tensão (volts)

Para um capacitor de 2200μF carregado a 12V:

E = ½ × 0,0022F × (12V)² = 0,158 joules

Isso é energia suficiente para manter uma bobina de relé de 12V/85Ω (potência = V²/R = 1,69W) energizada por cerca de 0,094 segundos... se a descarregasse instantaneamente com potência total.

Mas não o faz. O capacitor descarrega gradualmente através da resistência da bobina do relé, e é aí que a magia da temporização acontece.

A Fase de Descarga: A Regra dos 37%

Quando a energia de entrada é removida, o capacitor começa a descarregar através da resistência da bobina do relé. A tensão através do capacitor não cai linearmente — segue uma curva de decaimento exponencial governada pela constante de tempo RC:

τ (tau) = R × C

Onde:

• τ = constante de tempo (segundos)
• R = resistência (ohms)
• C = capacitância (farads)

Aqui está a parte bonita: Após exatamente uma constante de tempo (τ), a tensão terá decaído para precisamente 37% do seu valor inicial.

Não 40%. Não 35%. Exatamente 37% (na verdade 36,8%, ou mais precisamente, 1/e onde e ≈ 2,718).

Isso não é arbitrário — está incorporado na função exponencial que governa a descarga RC:

V(t) = V₀ × e^(-t/τ)

Em t = τ: V(τ) = V₀ × e^(-1) = V₀ × 0,368 = 37% de V₀

Por que isso é importante: Cada constante de tempo adicional diminui a tensão em outros 37% da tensão restante.

• Em 1τ: 37% restante (63% descarregado)
• Em 2τ: 13,5% restantes (86,5% descarregados)
• Em 3τ: 5% restantes (95% descarregados)
• Em 5τ: 99% descarregados)

Para o nosso relé de 12V com bobina de 85Ω e capacitor de 2200μF:

τ = 85Ω × 0,0022F = 0,187 segundos

Após 0,187 segundos, a tensão no capacitor (e, portanto, na bobina do relé) será de 4,4V. Após 0,374 segundos (2τ), será de 1,6V. Após 0,56 segundos (3τ), apenas 0,6V.

Mas aqui está a questão crítica: Em qual tensão a bobina do relé realmente desativa?

O Truque da Desativação: Por que o Tempo Real é Maior do que a Matemática Prevê

Um relé de 12V não precisa de 12V para permanecer energizado depois de ativado.

O tensão de ativação (tensão necessária para energizar inicialmente um relé desenergizado) é tipicamente 75-85% da tensão nominal—chame de 9-10V para um relé de 12V. Mas a tensão de desativação (tensão na qual um relé já energizado desativa) é muito menor: tipicamente 20-30% da tensão nominal, ou 2,4-3,6V para o nosso relé de 12V.

Isso acontece por causa da histerese do circuito magnético. Quando a armadura do relé está tocando a peça polar (posição totalmente energizada), o entreferro é zero, a relutância magnética é minimizada e muito menos força magnetomotriz (e, portanto, menos corrente/tensão na bobina) é necessária para manter o campo magnético segurando a armadura no lugar.

Isso significa que seu tempo se estende muito além do cálculo RC ingênuo.

Vamos recalcular para o nosso relé de 12V (bobina de 85Ω, capacitor de 2200μF) assumindo uma tensão de desativação de 2,8V (23% da nominal):

Usando V(t) = V₀ × e^(-t/τ), resolva para t quando 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

Portanto, nosso capacitor de 2200μF mantém o relé energizado por 0,273 segundos, não os <0,1 segundos sugeridos por cálculos de energia ingênuos.

Isso é O Truque da Desativação em ação.

Quer 5 segundos de tempo de retenção? Trabalhe ao contrário:

t_desejado = 5 segundos, τ = RC = 0,187s (do anterior)

Quantas constantes de tempo são 5 segundos? 5s / 0,187s = 26,7 constantes de tempo

Em 26,7τ, a tensão seria essencialmente zero—muito abaixo da desativação. Precisamos resolver para quando a tensão atinge 2,8V:

2,8/12 = 0,233, então precisamos de: e^(-t/τ) = 0,233

-t/τ = ln(0,233) = -1,46

Para t = 5s: τ = 5s / 1,46 = 3,42 segundos

Portanto: C = τ/R = 3,42s / 85Ω = 0,040F = 40.000μF

Um capacitor de 40.000μF a 12V? Isso é fisicamente grande (aproximadamente o tamanho de uma bateria D) e custa US$15-25. Viável, mas não elegante.

É por isso que relés de travamento (Método 2) ou períodos de tempo mais longos geralmente usam projetos baseados em microprocessadores com pequenas baterias—o tamanho do capacitor se torna impraticável além de 30-60 segundos de retenção contínua do relé.

Dimensionando Seu Capacitor: O Método de 3 Etapas

Vamos trabalhar em um exemplo de design do mundo real: Você precisa que um relé de 12V permaneça energizado por 10 segundos após a remoção da energia.

Etapa 1: Conheça as Especificações do Seu Relé

O que você precisa:

• Tensão da bobina: 12V DC
• Resistência da bobina: Meça com um multímetro ou verifique a folha de dados (digamos 80Ω)
• Tensão de desativação: Teste empiricamente ou estime em 25% da nominal = 3,0V

Se você não tiver a tensão de desativação, teste-a: Aplique a tensão nominal à bobina do relé. Uma vez energizado, reduza lentamente a tensão com uma fonte de alimentação variável enquanto monitora os contatos. Observe a tensão na qual o relé desativa. Essa é a sua tensão de desativação.

Dica Profissional: A tensão de desativação é sua amiga. A maioria das bobinas de relé se mantém em 20-30% da tensão nominal, dando a você 3-5x mais tempo do que os cálculos de energia ingênuos sugerem.

Etapa 2: Calcule a Capacitância Necessária

Use a fórmula do truque de desativação derivada anteriormente:

t = -τ × ln(V_desativação / V_inicial)

Onde τ = RC, então:

t = -RC × ln(V_desativação / V_inicial)

Rearranje para resolver para C:

C = -t / [R × ln(V_desativação / V_inicial)]

Para o nosso exemplo:

• t = 10 segundos
• R = 80Ω
• V_inicial = 12V
• V_desativação = 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

Esse é o mínimo teórico.

Passo 3: Levar em Conta os Fatores do Mundo Real

A teoria encontra a prática aqui. Três fatores vão roubar seu tempo:

Fator 1: Corrente de Fuga do Capacitor

Capacitores reais não são isolantes perfeitos. A corrente de fuga fornece um caminho de descarga paralelo, efetivamente reduzindo o tempo. Para capacitores eletrolíticos, a fuga pode ser de 0,01CV a 0,03CV (μA por μF-V) à temperatura ambiente.

Para o nosso capacitor de 90.000μF/12V: Fuga ≈ 0,02 × 90.000μF × 12V = 21.600μA = 21,6mA

Compare isso com a corrente da bobina do relé no desligamento (3V / 80Ω = 37,5mA). A corrente de fuga está consumindo mais da metade da corrente da bobina do relé!

Solução: Use capacitores de filme de baixa fuga (polipropileno ou poliéster) para aplicações de temporização crítica, ou adicione uma margem de capacitância de 30-50% para eletrolíticos.

Dica Profissional: A corrente de fuga do capacitor rouba seu tempo. Use capacitores de filme (polipropileno/poliéster) para atrasos >10 segundos, não eletrolíticos.

Fator 2: Efeitos da Temperatura

A corrente de fuga do capacitor dobra aproximadamente a cada aumento de 10°C na temperatura. Um capacitor com fuga de 20mA a 25°C pode ter 40mA a 35°C, 80mA a 45°C.

A tensão de desligamento do relé também muda com a temperatura — tipicamente aumentando ligeiramente à medida que a resistência da bobina aumenta com a temperatura (coeficiente de temperatura positivo do cobre). Isso ajuda ligeiramente, mas não o suficiente para compensar a fuga do capacitor.

Fator 3: Tolerância do Capacitor

Capacitores eletrolíticos comumente têm tolerância de -20%/+80%. Aquele capacitor de 90.000μF pode realmente ser de 72.000μF (a -20%). Capacitores de filme são mais precisos, tipicamente ±5-10%.

Aplique Margem de Segurança:

Dados esses fatores, multiplique sua capacitância calculada por 1,5 a 2,0x para uma operação confiável em toda a temperatura e tolerância do componente:

C_real = 90.000μF × 1,75 = 157.500μF

Arredonde para um valor padrão: 2 × 82.000μF = 164.000μF em paralelo, ou use um único capacitor de 150.000μF, se disponível.

A 12V, um capacitor eletrolítico de 150.000μF tem fisicamente cerca de 35mm de diâmetro × 60mm de altura, custa $8-15 e armazena aproximadamente 10,8 joules.

Limitação da Corrente de Inrush: Não se Esqueça do Resistor de Carga

Quando você aplica energia pela primeira vez, aquele grande capacitor descarregado parece um curto-circuito. Um capacitor de 150.000μF carregando de 0V a 12V através de resistência zero teoricamente exigiria corrente infinita.

Na prática, a resistência da fiação e a impedância da fonte de alimentação limitam isso, mas você ainda verá correntes de inrush de 10-50A nos primeiros milissegundos, potencialmente danificando contatos, fusíveis ou a própria fonte de alimentação.

Solução: Adicione um resistor de carga (R_carga) em série com o capacitor para limitar a corrente de inrush, com um diodo paralelo para ignorá-lo durante a descarga:

[Entrada de Energia] → [R_carga] → [+Capacitor-] → [Bobina do Relé] → [Terra]

O diodo permite que o capacitor descarregue diretamente através da bobina do relé (sem resistência em série), forçando a corrente de carga através de R_carga.

Dimensione R_carga para limitar a corrente de carga a um nível razoável (0,5-2A):

R_carga = V_fonte / I_carga_máx = 12V / 1A = 12Ω

Isso adiciona 12Ω à constante de tempo RC durante o carregamento apenas, estendendo o tempo de carga para cerca de 5τ = 5 × (12Ω + 80Ω) × 0,15F = 69 segundos para carregar completamente.

Se isso for muito longo, reduza R_carga, mas aceite um inrush maior (digamos 6Ω para ~2A de inrush, tempo de carga de 35 segundos). A escolha é sua.

Dica Profissional: A constante de tempo RC (τ = RC) é apenas o ponto de partida — o tempo de retenção real depende da resistência da bobina do relé corresponder à sua curva de descarga do capacitor.

Seleção do Capacitor: Por Que o Tipo Importa Mais do Que o Tamanho

Você calculou a capacitância. Agora você precisa escolher o componente real. A química do capacitor afeta drasticamente o desempenho em aplicações de temporização — o tamanho não é tudo.

Capacitores de Filme vs Eletrolíticos: A Guerra da Fuga

Capacitores Eletrolíticos (Alumínio ou Tântalo):

Vantagens:

• Maior capacitância por unidade de volume (crítico para valores grandes)
• Baixo custo por microfarad ($0,05-0,15 por 1000μF)
• Facilmente disponíveis em altas tensões

Desvantagens:

• Alta corrente de fuga (especificação de 0,01-0,03 CV, pior na prática)
• Sensível à polaridade (tensão reversa = morte instantânea)
• Vida útil limitada (o eletrólito seca ao longo de 5-10 anos)
• Capacitância e fuga sensíveis à temperatura

Melhor para: Atrasos de temporização <30 segundos onde o tamanho e o custo dominam, ou onde você adicionou uma margem de 1,5-2x para fuga.

Capacitores de Filme (Polipropileno, Poliéster, Policarbonato):

Vantagens:

• Corrente de fuga muito baixa (<0,001 CV, frequentemente 10-100x menor que eletrolíticos)
• Excelente estabilidade de temperatura
• Longa vida útil (20+ anos)
• Sem restrições de polaridade (pode lidar com AC ou DC reverso)

Desvantagens:

• Tamanho físico muito maior para a mesma capacitância
• Custo mais alto ($0,50-2,00 por 1000μF)
• Limitado a valores de capacitância mais baixos (praticamente <50μF para um tamanho razoável)

Melhor para: Temporização de precisão >30 segundos, ambientes de alta temperatura ou aplicações onde o desvio de longo prazo é inaceitável.

A Abordagem Híbrida: O Melhor dos Dois Mundos

Para temporização na faixa de 30-60 segundos, considere combinação paralela:

• Grande eletrolítico (80% da capacitância calculada) para armazenamento de energia em massa
• Pequeno capacitor de filme (20% da capacitância calculada) para precisão de baixa fuga

Exemplo: 120.000μF eletrolítico + 30.000μF filme = 150.000μF total

O capacitor de filme compensa a fuga eletrolítica, estendendo a temporização mais perto dos cálculos teóricos. O aumento de custo é moderado (~30% mais do que todo eletrolítico), mas a precisão da temporização melhora significativamente.

Erros Comuns e Correções

Erro #1: Utilizar capacitores com tensão nominal inferior à tensão de alimentação

Uma fonte de alimentação de 12V necessita de capacitores com tensão nominal de 16V (ou superior) para garantir a fiabilidade. Transientes de tensão, ondulação e tolerância dos componentes significam que um “sistema de 12V” pode atingir 14-15V sob certas condições. Operar um capacitor próximo da sua tensão nominal acelera a falha e aumenta a fuga.

Correção: Utilize capacitores com uma tensão nominal de pelo menos 1,3x a tensão de alimentação (16V para sistemas de 12V, 25V para 18V, etc.)

Erro #2: Ignorar a ESR (Resistência Série Equivalente)

Os capacitores têm resistência interna (ESR) que aparece em série com a capacitância ideal. Uma ESR elevada reduz a corrente de descarga disponível e cria uma queda de tensão sob carga, reduzindo efetivamente o tempo de retenção.

Os eletrolíticos grandes podem ter uma ESR de 0,1-1Ω. Para uma bobina de relé que consome 150mA no dropout, 1Ω de ESR significa 0,15V perdidos para a resistência interna - o suficiente para reduzir a sua margem.

Correção: Verifique as especificações de ESR. Para aplicações de temporização, prefira tipos de baixa ESR (0,1Ω ou menos).

Erro #3: Ligação em paralelo sem balanceamento de corrente

Ligar vários capacitores em paralelo (por exemplo, quatro capacitores de 10.000μF em vez de um de 40.000μF) funciona muito bem em teoria, mas pode causar problemas se os capacitores tiverem ESR ou fuga incompatíveis. O capacitor “melhor” faz mais trabalho, envelhece mais rapidamente e falha primeiro - então os capacitores restantes ficam subdimensionados repentinamente.

Correção: Utilize capacitores correspondentes do mesmo lote de fabrico ao ligar em paralelo. Adicione pequenos resistores em série (0,1-0,5Ω) a cada capacitor para forçar a partilha de corrente.

Dica profissional #4: O truque do relé de retenção dá-lhe 1/10 do tamanho do capacitor para a mesma temporização, utilizando memória mecânica em vez de energia contínua.

Produtos de relé de tempo VIOX

O Temporizador de Energia Fantasma: Temporização Que Sobrevive à Perda de Energia

Os verdadeiros relés de atraso no desligamento resolvem um paradoxo fundamental: como medir o tempo quando a fonte de alimentação do relógio desaparece?

A resposta reside em O Último Suspiro do Capacitor—energia elétrica armazenada que exala gradualmente, alimentando bobinas de relé e circuitos de temporização durante segundos ou minutos após o desaparecimento da energia de entrada. É energia fantasma: sumo suficiente para completar uma última tarefa antes de desaparecer para zero.

Três métodos conseguem isto:

1. Descarga do capacitor (mais comum) — as constantes de tempo RC transformam o armazenamento de energia em temporização precisa
2. Relé de retenção + capacitor pequeno (mais eficiente) — a memória mecânica necessita apenas de energia de impulso
3. Pequena bateria de reserva (retenção mais longa) — o consumo de microamperes permite horas de temporização

A física é elegante: A Regra 37% governa a descarga RC exponencial, mas O Truque da Desativação estende a temporização prática em 3-5x além dos cálculos ingénuos, explorando a histerese do relé.

Um capacitor de filme $2 e um relé $5 podem conseguir o que antes exigia um temporizador pneumático $200 — menor, mais barato, mais fiável e ajustável no campo.

Os sistemas de controlo modernos exigem uma temporização que sobreviva às interrupções de energia. Quer se trate de ventoinhas de arrefecimento que evitam danos nos rolamentos, válvulas de processo que completam sequências de encerramento ou circuitos de segurança que mantêm a proteção durante os transientes, o verdadeiro relé de atraso no desligamento oferece seguro de temporização quando a eletrónica padrão falharia.

A VIOX ELECTRIC oferece uma gama completa de relés de temporização eletrónicos, incluindo modelos de atraso no desligamento verdadeiros com armazenamento de energia baseado em capacitores, adequados para controlo de motores, automação de processos e aplicações de segurança. Os nossos relés de temporização cumprem as normas IEC 61810 e proporcionam um funcionamento fiável em gamas de temperatura industrial (-25°C a +70°C ambiente).

Para especificações técnicas e orientação de seleção, contacte a nossa equipa de engenharia de aplicações. Ajudá-lo-emos a dimensionar a solução de temporização certa para a sua aplicação — não é necessária energia fantasma do nosso lado.