Как реле задержки выключения Сохраняют синхронизацию после отключения питания: секрет конденсатора 

Когда питание отключается, таймер продолжает отсчет

Двигатель останавливается. Питание отключается.

Но ваш охлаждающий вентилятор должен работать еще 60 секунд, чтобы предотвратить повреждение подшипников от остаточного тепла. Со стандартным электронным таймером, как только вы отключаете питание реле, схема таймера умирает, и вентилятор немедленно останавливается. Через три минуты вы смотрите на заклинивший подшипник и замену двигателя стоимостью 8000 долларов — и все потому, что ваш “умный” электронный таймер не смог пережить источник питания на 60 секунд.

Итак, как получить надежную синхронизацию, когда источник питания уже отключен?

Парадокс питания: почему электронным таймерам нужно то, что они потеряли

Вот ирония: электронные реле времени должны быть умнее своих пневматических предшественников — меньше, дешевле, точнее. И они таковы, ровно до того момента, когда вам нужно, чтобы они работали без питания.

Стандартные электронные реле задержки выключения требуют непрерывного входного напряжения в течение всего периода времени. Микропроцессору или RC-цепи таймера необходимо электричество для подсчета. Катушке выходного реле необходимо электричество, чтобы оставаться под напряжением. Отключите питание, и вся система мгновенно рухнет — отсчет времени прекращается, реле размыкается, ваша нагрузка отключается.

Это как цифровые часы, которые перестают работать, как только вы их отключаете.

У пневматических таймеров не было этой проблемы. Когда вы отключали питание соленоида пневматического таймера, контакты оставались в измененном состоянии, пока сжатый воздух медленно выходил через регулируемое отверстие — непрерывное питание не требовалось. Механизм синхронизации был механическим, приводимым в действие давлением воздуха, а не электронной логикой. Они были громоздкими, дорогими (200-400 долларов) и ограничивались фиксированными диапазонами времени, но они работали, когда питание отключалось.

1970-е годы принесли твердотельные реле времени с RC-цепями, а затем и микропроцессоры — значительные улучшения в размере, стоимости и гибкости. Но приложения для замены уперлись в стену. Инженеры, определяющие модернизированные замены пневматических таймеров, обнаружили, что их элегантные новые электронные устройства выходят из строя именно в том сценарии, в котором пневматика превосходила: отсчет времени после отключения питания.

Рынок потребовал решения. Производителям нужна была электронная точность с пневматическим режимом работы “после отключения питания”.

Представляем “истинное реле задержки выключения” — также называемое “Таймер с призрачным питанием”.”

Таймер с призрачным питанием: три способа хранения энергии после отключения питания

Истинные реле задержки выключения решают парадокс питания, имея собственный источник энергии на борту. Когда входное питание отключается, реле не умирает — оно переключается на накопленную энергию и продолжает отсчет времени, как будто ничего не произошло.

Существует три метода достижения этого, каждый со своими компромиссами:

Метод 1: Разряд конденсатора (наиболее распространенный)

Конденсатор заряжается до напряжения питания при подаче питания. Когда питание отключается, конденсатор медленно разряжается через катушку реле и схему таймера, поддерживая все в рабочем состоянии в течение заданного периода задержки.

Думайте об этом как о “Последнем вздохе конденсатора”— этот накопленный электрический заряд постепенно выдыхается, питая катушку реле достаточно долго, чтобы завершить цикл синхронизации.

Конденсатор 2200 мкФ при 12 В запасает примерно 0,16 джоулей энергии. Это не кажется большим — это меньше энергии, чем требуется для подъема скрепки на один метр, — но этого достаточно, чтобы поддерживать катушку реле 12 В (типичное сопротивление 85 Ом, потребляемая мощность 140 мВт) под напряжением в течение 5-10 секунд, в зависимости от напряжения отключения реле.

Увеличьте это до конденсатора 10 000 мкФ, и вы получите 30-60 секунд отсчета времени без какого-либо внешнего питания.

Метод 2: Фиксирующее реле + небольшой конденсатор (наиболее эффективный)

Вместо непрерывного питания стандартной катушки реле используйте фиксирующее (бистабильное) реле, которое механически фиксируется в положении при включении, не требуя удерживающего тока. Когда питание отключается, небольшому конденсатору нужно только обеспечить достаточно энергии, чтобы отпустить реле после заданной задержки — возможно, 50-100 мс импульсной энергии вместо 60 секунд непрерывного тока.

Этот подход требует примерно в 10 раз меньшего размера конденсатора для той же продолжительности времени. Конденсатор 470 мкФ может достичь того, что требовало 4700 мкФ с методом 1.

Компромисс? Фиксирующие реле стоят в 2-3 раза дороже стандартных реле, а схема отпускания более сложная. Вы обмениваете стоимость компонентов на размер конденсатора.

Метод 3: Небольшая батарея (самая длительная поддержка)

Для периодов времени, превышающих несколько минут, или для приложений, требующих многолетней надежности в режиме ожидания, небольшая литиевая дисковая батарея (CR2032 или аналогичная) может питать схему таймера неограниченно долго.

Батарея не питает катушку выходного реле — это разрядит ее за несколько часов. Вместо этого она питает только микропроцессор и логику таймера, которые потребляют микроамперы. Когда период времени истекает, микропроцессор с батарейным питанием выпускает небольшой импульс, хранящийся в конденсаторе, чтобы отпустить выходное реле.

Преимущества: Чрезвычайно длительная возможность синхронизации (от минут до часов), отсутствие деградации конденсатора с течением времени.

Недостатки: Требование замены батареи (каждые 3-5 лет), более высокая начальная стоимость, нормативные соображения по утилизации батареи.

В оставшейся части этой статьи мы сосредоточимся на методе 1 — синхронизации разряда конденсатора, — поскольку это наиболее распространенное, наиболее экономичное и механически самое простое решение.

Как конденсатор становится часами: объяснение постоянных времени RC

Понимание того, как накопленный заряд становится точным временем, требует понимания разряда конденсатора через резистор — фундаментальной RC-цепи.

Фаза зарядки: хранение призрачного питания

Когда питание подается на истинное реле задержки выключения, происходят две вещи одновременно: выходное реле включается (замыкая или размыкая контакты в соответствии с приложением), и накопительный конденсатор заряжается через зарядный резистор до напряжения питания.

Энергия, запасенная в полностью заряженном конденсаторе, следует простой формуле:

E = ½CV²

Где:

• E = энергия (джоули)
• C = емкость (фарады)
• V = напряжение (вольты)

Для конденсатора 2200 мкФ, заряженного до 12 В:

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

Этой энергии достаточно, чтобы поддерживать катушку реле 12 В/85 Ом (мощность = V²/R = 1,69 Вт) под напряжением в течение примерно 0,094 секунды… если вы разрядите ее мгновенно на полной мощности.

Но вы этого не делаете. Конденсатор разряжается постепенно через сопротивление катушки реле, и именно здесь происходит волшебство времени.

Фаза разряда: правило 37%

Когда входное питание отключается, конденсатор начинает разряжаться через сопротивление катушки реле. Напряжение на конденсаторе падает не линейно — оно следует экспоненциальной кривой затухания, определяемой постоянной времени RC:

τ (тау) = R × C

Где:

• τ = постоянная времени (секунды)
• R = сопротивление (омы)
• C = емкость (фарады)

Вот прекрасная часть: ровно через одну постоянную времени (τ) напряжение упадет ровно до 37% от своего начального значения.

Не 40%. Не 35%. Ровно 37% (фактически 36,8%, или, точнее, 1/e, где e ≈ 2,718).

Это не произвольно — это заложено в экспоненциальную функцию, которая управляет разрядом RC:

V(t) = V₀ × e^(-t/τ)

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

Почему это важно: Каждая дополнительная постоянная времени снижает напряжение еще на 37% от оставшегося напряжения.

• При 1τ: остается 37% (разряжено 63%)
• При 2τ: осталось 13,5% (разряжено 86,5%)
• При 3τ: осталось 5% (разряжено 95%)
• При 5τ: осталось 99%)

Для нашего 12В реле с катушкой 85 Ом и конденсатором 2200 мкФ:

τ = 85 Ом × 0,0022 Ф = 0,187 секунды

Через 0,187 секунды напряжение на конденсаторе (и, следовательно, на катушке реле) будет 4,4 В. Через 0,374 секунды (2τ) оно составит 1,6 В. Через 0,56 секунды (3τ) всего 0,6 В.

Но вот критический вопрос: При каком напряжении катушка реле фактически отключается?

Трюк с отпусканием: почему реальное время задержки больше, чем предсказывают расчеты

12В реле не требуется 12В для поддержания в активированном состоянии после срабатывания.

Сайт напряжение срабатывания (напряжение, необходимое для первоначальной активации обесточенного реле) обычно составляет 75-85% от номинального напряжения — назовем его 9-10 В для 12В реле. Но напряжение отпускания (напряжение, при котором уже активированное реле отключается) намного ниже: обычно 20-30% от номинального напряжения, или 2,4-3,6 В для нашего 12В реле.

Это происходит из-за гистерезиса магнитной цепи. Когда якорь реле касается полюсного наконечника (полностью активированное положение), воздушный зазор равен нулю, магнитное сопротивление минимально, и требуется гораздо меньшая магнитодвижущая сила (и, следовательно, меньший ток/напряжение катушки) для поддержания магнитного поля, удерживающего якорь на месте.

Это означает, что ваше время задержки значительно превышает наивные RC-расчеты.

Давайте пересчитаем для нашего 12В реле (катушка 85 Ом, конденсатор 2200 мкФ), предполагая напряжение отпускания 2,8 В (23% от номинального):

Используя V(t) = V₀ × e^(-t/τ), найдите t, когда V(t) = 2,8 В:

2,8 В = 12 В × e^(-t/0,187 с)

0,233 = e^(-t/0,187 с)

ln(0,233) = -t/0,187 с

-1,46 = -t/0,187 с

t = 0,273 секунды

Таким образом, наш конденсатор 2200 мкФ поддерживает реле в активированном состоянии в течение 0,273 секунды, а не <0,1 секунды, как предполагают наивные энергетические расчеты.

Это Трюк с отпусканием в действии.

Хотите 5 секунд времени удержания? Работаем в обратном направлении:

t_желаемое = 5 секунд, τ = RC = 0,187 с (из предыдущего)

Сколько постоянных времени составляют 5 секунд? 5 с / 0,187 с = 26,7 постоянных времени

При 26,7τ напряжение будет практически равно нулю — намного ниже напряжения отпускания. Нам нужно решить, когда напряжение достигнет 2,8 В:

2,8/12 = 0,233, поэтому нам нужно: e^(-t/τ) = 0,233

-t/τ = ln(0,233) = -1,46

Для t = 5 с: τ = 5 с / 1,46 = 3,42 секунды

Следовательно: C = τ/R = 3,42 с / 85 Ом = 0,040 Ф = 40 000 мкФ

Конденсатор 40 000 мкФ при 12 В? Это физически большой (примерно размером с батарейку D-типа) и стоит 15-25 долларов. Осуществимо, но не элегантно.

Вот почему в реле с фиксацией (метод 2) или при более длительных периодах времени часто используются микропроцессорные конструкции с небольшими батареями — размер конденсатора становится непрактичным при непрерывном удержании реле более 30-60 секунд.

Выбор размера конденсатора: метод в 3 шага

Давайте рассмотрим реальный пример проектирования: вам нужно, чтобы 12В реле оставалось активированным в течение 10 секунд после отключения питания.

Шаг 1: Знайте характеристики своего реле

Что вам нужно:

• Напряжение катушки: 12 В постоянного тока
• Сопротивление катушки: измерьте мультиметром или проверьте в техническом паспорте (допустим, 80 Ом)
• Напряжение отпускания: либо проверьте эмпирически, либо оцените как 25% от номинального = 3,0 В

Если у вас нет напряжения отпускания, проверьте его: Подайте номинальное напряжение на катушку реле. После активации медленно уменьшайте напряжение с помощью регулируемого источника питания, контролируя контакты. Отметьте напряжение, при котором реле отключается. Это и есть ваше напряжение отпускания.

Профессиональный совет: напряжение отпускания — ваш друг. Большинство катушек реле удерживаются при 20-30% от номинального напряжения, что дает вам в 3-5 раз больше времени задержки, чем предполагают наивные энергетические расчеты.

Шаг 2: Рассчитайте требуемую емкость

Используйте формулу трюка с отпусканием, выведенную ранее:

t = -τ × ln(V_отпускания / V_начальное)

Где τ = RC, поэтому:

t = -RC × ln(V_отпускания / V_начальное)

Преобразуйте, чтобы решить для C:

C = -t / [R × ln(V_отпускания / V_начальное)]

Для нашего примера:

• t = 10 секунд
• R = 80 Ом
• V_начальное = 12 В
• V_отпускания = 3,0 В

C = -10 с / [80 Ом × ln(3,0 В / 12 В)]

C = -10 с / [80 Ом × ln(0,25)]

C = -10 с / [80 Ом × (-1,386)]

C = 10 с / 110,9

C = 0,090 Ф = 90 000 мкФ

Это теоретический минимум.

Шаг 3: Учет реальных факторов

Здесь теория встречается с практикой. Три фактора повлияют на ваше время задержки:

Фактор 1: Ток утечки конденсатора

Реальные конденсаторы не являются идеальными изоляторами. Ток утечки обеспечивает параллельный путь разряда, эффективно сокращая время задержки. Для электролитических конденсаторов утечка может составлять от 0,01CV до 0,03CV (мкА на мкФ-В) при комнатной температуре.

Для нашего конденсатора 90 000 мкФ/12 В: Утечка ≈ 0,02 × 90 000 мкФ × 12 В = 21 600 мкА = 21,6 мА

Сравните это с током катушки реле при отпускании (3 В / 80 Ом = 37,5 мА). Ток утечки потребляет более половины тока катушки реле!

Решение: Используйте пленочные конденсаторы с низким током утечки (полипропиленовые или полиэфирные) для критически важных приложений, связанных со временем, или добавьте запас по емкости 30-50% для электролитических.

Профессиональный совет: Ток утечки конденсатора сокращает время задержки. Используйте пленочные конденсаторы (полипропиленовые/полиэфирные) для задержек >10 секунд, а не электролитические.

Фактор 2: Температурные эффекты

Ток утечки конденсатора примерно удваивается на каждые 10°C повышения температуры. Конденсатор с утечкой 20 мА при 25°C может иметь 40 мА при 35°C, 80 мА при 45°C.

Напряжение отпускания реле также изменяется с температурой — обычно немного увеличивается, поскольку сопротивление катушки увеличивается с температурой (положительный температурный коэффициент меди). Это немного помогает, но недостаточно для компенсации утечки конденсатора.

Фактор 3: Допуск конденсатора

Электролитические конденсаторы обычно имеют допуск -20%/+80%. Этот конденсатор на 90 000 мкФ может фактически составлять 72 000 мкФ (при -20%). Пленочные конденсаторы имеют более жесткий допуск, обычно ±5-10%.

Примените запас прочности:

Учитывая эти факторы, умножьте рассчитанную емкость на 1,5–2,0 раза для надежной работы в диапазоне температур и допусков компонентов:

C_фактическая = 90 000 мкФ × 1,75 = 157 500 мкФ

Округлите до стандартного значения: 2 × 82 000 мкФ = 164 000 мкФ параллельно, или используйте один конденсатор на 150 000 мкФ, если он доступен.

При 12 В электролитический конденсатор на 150 000 мкФ физически имеет диаметр около 35 мм × высоту 60 мм, стоит 8-15 долларов и запасает примерно 10,8 джоулей.

Ограничение пускового тока: Не забудьте про зарядный резистор

Когда вы впервые подаете питание, этот большой незаряженный конденсатор выглядит как короткое замыкание. Конденсатор на 150 000 мкФ, заряжающийся от 0 В до 12 В через нулевое сопротивление, теоретически потребовал бы бесконечный ток.

На практике сопротивление проводки и импеданс источника питания ограничивают это, но вы все равно увидите пусковые токи 10-50 А в течение первых нескольких миллисекунд, что может повредить контакты, предохранители или сам источник питания.

Решение: Добавьте зарядный резистор (R_заряда) последовательно с конденсатором, чтобы ограничить пусковой ток, с параллельным диодом для его обхода во время разряда:

[Вход питания] → [R_заряда] → [+Конденсатор-] → [Катушка реле] → [Земля]

Диод позволяет конденсатору разряжаться непосредственно через катушку реле (без последовательного сопротивления), заставляя зарядный ток проходить через R_заряда.

Определите размер R_заряда чтобы ограничить зарядный ток до разумного уровня (0,5-2 А):

R_заряда = V_питания / I_заряда_макс = 12 В / 1 А = 12 Ом

Это добавляет 12 Ом к постоянной времени RC только во время зарядки, увеличивая время зарядки примерно до 5τ = 5 × (12 Ом + 80 Ом) × 0,15 Ф = 69 секунд для полной зарядки.

Если это слишком долго, уменьшите R_заряда, но примите более высокий пусковой ток (скажем, 6 Ом для пускового тока ~2 А, время зарядки 35 секунд). Выбор за вами.

Профессиональный совет: Постоянная времени RC (τ = RC) — это только отправная точка — реальное время удержания зависит от соответствия сопротивления катушки реле вашей кривой разряда конденсатора.

Выбор конденсатора: Почему тип важнее размера

Вы рассчитали емкость. Теперь вам нужно выбрать фактический компонент. Химический состав конденсатора существенно влияет на производительность в приложениях, связанных со временем — размер не главное.

Пленочные конденсаторы против электролитических: Война утечек

Электролитические конденсаторы (алюминиевые или танталовые):

Преимущества:

• Самая высокая емкость на единицу объема (критично для больших значений)
• Низкая стоимость на микрофарад (0,05-0,15 доллара за 1000 мкФ)
• Легко доступны с высоким напряжением

Недостатки:

• Высокий ток утечки (спецификация 0,01-0,03 CV, хуже на практике)
• Чувствительны к полярности (обратное напряжение = мгновенная смерть)
• Ограниченный срок службы (электролит высыхает в течение 5-10 лет)
• Емкость и утечка, чувствительные к температуре

Лучше всего подходит для: Задержки по времени <30 секунд, где размер и стоимость доминируют, или где вы добавили запас 1,5-2x для утечки.

Пленочные конденсаторы (полипропиленовые, полиэфирные, поликарбонатные):

Преимущества:

• Очень низкий ток утечки (<0,001 CV, часто в 10-100 раз ниже, чем у электролитических)
• Отличная температурная стабильность
• Длительный срок службы (20+ лет)
• Отсутствие ограничений по полярности (могут работать с переменным или обратным постоянным током)

Недостатки:

• Гораздо больший физический размер для той же емкости
• Более высокая стоимость (0,50-2,00 доллара за 1000 мкФ)
• Ограничены более низкими значениями емкости (практически <50 мкФ для разумного размера)

Лучше всего подходит для: Точное определение времени >30 секунд, высокотемпературные среды или приложения, где неприемлем долгосрочный дрейф.

Гибридный подход: Лучшее из обоих миров

Для определения времени в диапазоне 30-60 секунд рассмотрите параллельную комбинацию:

• Большой электролитический (80% от расчетной емкости) для накопления основной энергии
• Маленький пленочный конденсатор (20% от расчетной емкости) для низкоутечной точности

Пример: электролитический 120 000 мкФ + пленочный 30 000 мкФ = всего 150 000 мкФ

Пленочный конденсатор компенсирует утечку электролитического, приближая время к теоретическим расчетам. Увеличение стоимости умеренное (~30% больше, чем полностью электролитический), но точность определения времени значительно улучшается.

Распространенные ошибки и исправления

Ошибка 1: Использование конденсаторов, рассчитанных на напряжение ниже напряжения питания

Для обеспечения надежности источнику питания 12 В требуются конденсаторы с номинальным напряжением 16 В (или выше). Переходные процессы напряжения, пульсации и допуски компонентов означают, что в “системе 12 В” при определенных условиях может наблюдаться 14-15 В. Эксплуатация конденсатора вблизи его номинального напряжения ускоряет выход из строя и увеличивает утечку.

Исправление: Используйте конденсаторы с номинальным напряжением не менее 1,3x напряжения питания (16 В для систем 12 В, 25 В для 18 В и т. д.).

Ошибка #2: Игнорирование ESR (эквивалентного последовательного сопротивления)

Конденсаторы имеют внутреннее сопротивление (ESR), которое появляется последовательно с идеальной емкостью. Высокий ESR снижает доступный ток разряда и создает падение напряжения под нагрузкой, эффективно сокращая время удержания.

Большие электролитические конденсаторы могут иметь ESR 0,1-1 Ом. Для катушки реле, потребляющей 150 мА при отключении, 1 Ом ESR означает потерю 0,15 В на внутреннем сопротивлении — достаточно, чтобы уменьшить ваш запас.

Исправление: Проверьте спецификации ESR. Для приложений синхронизации предпочтительны типы с низким ESR (0,1 Ом или меньше).

Ошибка #3: Параллельное соединение без балансировки тока

Подключение нескольких конденсаторов параллельно (например, четырех конденсаторов по 10 000 мкФ вместо одного 40 000 мкФ) отлично работает в теории, но может вызвать проблемы, если конденсаторы имеют несогласованные ESR или утечки. “Лучший” конденсатор выполняет больше работы, быстрее стареет и выходит из строя первым — тогда оставшиеся конденсаторы внезапно оказываются недостаточными по размеру.

Исправление: При параллельном соединении используйте согласованные конденсаторы из одной производственной партии. Добавьте небольшие последовательные резисторы (0,1-0,5 Ом) к каждому конденсатору, чтобы обеспечить разделение тока.

Профессиональный совет #4: Трюк с фиксирующим реле дает вам 1/10 размера конденсатора для той же синхронизации, используя механическую память вместо непрерывного питания.

Продукция реле времени VIOX

Таймер призрачного питания: Синхронизация, переживающая потерю питания

Истинные реле задержки отключения решают фундаментальный парадокс: как измерить время, когда источник питания часов исчезает?

Ответ кроется в Последнем вздохе конденсатора— накопленной электрической энергии, которая постепенно выдыхается, питая катушки реле и схемы синхронизации в течение нескольких секунд или минут после исчезновения входного питания. Это призрачное питание: достаточно энергии, чтобы выполнить одну последнюю задачу, прежде чем исчезнуть до нуля.

Это достигается тремя способами:

1. Разряд конденсатора (наиболее распространенный) — постоянные времени RC превращают накопление энергии в точную синхронизацию
2. Фиксирующее реле + небольшой конденсатор (наиболее эффективный) — механической памяти требуется только импульсная энергия
3. Небольшой резервный аккумулятор (самое длительное удержание) — потребление микроампер обеспечивает часы синхронизации

Физика элегантна: Правило 37% управляет экспоненциальным разрядом RC, но Трюк с отпусканием продлевает практическую синхронизацию в 3-5 раз по сравнению с наивными расчетами за счет использования гистерезиса реле.

Пленочный конденсатор $2 и реле $5 могут достичь того, что когда-то требовало пневматического таймера $200 — меньше, дешевле, надежнее и регулируется в полевых условиях.

Современные системы управления требуют синхронизации, которая переживает перебои в подаче электроэнергии. Будь то охлаждающие вентиляторы, предотвращающие повреждение подшипников, технологические клапаны, завершающие последовательности отключения, или цепи безопасности, поддерживающие защиту во время переходных процессов, истинное реле задержки отключения обеспечивает страхование синхронизации, когда стандартная электроника выйдет из строя.

VIOX ELECTRIC предлагает полный ассортимент электронных реле времени, включая истинные модели задержки отключения с накопителем энергии на основе конденсаторов, подходящие для управления двигателями, автоматизации процессов и приложений безопасности. Наши реле времени соответствуют стандартам IEC 61810 и обеспечивают надежную работу в промышленных температурных диапазонах (от -25°C до +70°C окружающей среды).

Для получения технических характеристик и рекомендаций по выбору обратитесь в нашу группу инженеров по применению. Мы поможем вам подобрать правильное решение для синхронизации для вашего приложения — никакого призрачного питания с нашей стороны не потребуется.