Safety Barrier의 개념, 원리, 장단점 등에 대해서 알아보겠습니다.
Intrinsic Safety - 본질 안전 방폭 시스템에서 저에너지의 수준으로 유지 할수 있도록 해주는 제품이 Barrier (배리어)입니다. Barrier는 안전지역에 설치되어 안전지역에서 위험지역으로 흘러가는 위험한 수준의 전기적 에너지를 막아주는 역할을 하며, 폭발이 일어나지 않을 정도의 전기적 레발만을 위험지역으로 보내주는 기능을 하게됩니다.
(※본질 안전 방폭 개념에 대한 자세한 설명은 여기를 클릭하여 확인바랍니다.)
1. 제너 베리어(Zener Barrier) 와 Isolator(Galvanically Isolated Barrier) 사이의 선택
위에서 설명한 것처럼, Safety Barrier는 위험 지역의 에너지를 폭발성 대기를 점화하는 데 필요한 최소 수준보다 낮은 수준으로 제한할 목적으로 위험 지역과 비위험 지역 상호 연결된 장치 사이에 배치되는 보호 장치입니다.
안전 지역의 결함 상태로 인해 위험 지역 회로에 과도한 전기 에너지가 침입하는 것을 다음을 통해 방지할 수 있습니다.
- 결함 에너지를 접지로 전환 (fault energy to earth(ground) → Zener Barrier
- 절연 요소(Isolating)를 사용하여 결함 에너지를 차단 → Isolator
오류 상태에서 위험 지역에 나타날 수 있는 전압 및 전류 수준은 안전한 값으로 제한됩니다.
R.STAHL 9001 Safety Barrier
알스탈 9170 Switching Repeater
STAHL 사 Barrier
1.1 제너 배리어 (Zener Barrier)
Zener Barrier는 도입된 이래 오래 전부터 위험 지역의 대부분의 안전 인터페이스로 널리 사용되어오고 있습니다.
에너지 전환 개념을 기반으로 하는 이러한 유형의 Barrier는 아래 그림과 같이 배열된 간단한 구성 시스템입니다.
Zener Diode Barrier - 퓨즈와 저항을 직렬 연결, 제너다이오드는 역박향 바이어스 연결
★여기서 잠깐, 제너 다이오드(Zener diode) 개념 및 원리에 대해서 간략히 설명드리자면,
제너 다이오드는 정전압 다이오드라고도 하며, 일반적인 다이오드와 유사한 PN 접합 구조이지만, 차이점은 매우 낮고 일정한 항복(Breakdown) 전압 특성을 갖고 있고, breakdown 시 까지 파손되지 않도록 설계되었으며, 역방향으로 어느 일정값 이상의 전압이 가해졌을 때 전류가 흐르게 되고, 전압이 낮아지면 차단하게 됨으로써 역방향 전압을 사용 할 수 있도록 설계된 다이오드입니다.
제너 항복(Zener Breakdown)과 전자사태 항복(Avalanche Breakdown) 현상을 이용하며, 5.6V 이하에서는 제너 항복이, 그 이상에서는 전자사태 항복 현상이 주 특성이 됩니다. 넓은 전류범위에서 안정된 전압특성을 보여 간단히 정전압을 만들거나 과전압으로부터 회로소자를 보호하는 용도로 사용됩니다.
다시 Zener Barrier로 돌아와서,
정상적인 작동 조건에서 Barrier는 전기 신호를 shunt (분로)하지 않고 양방향으로 전달합니다.
Barrier의 안전 영역이 아닌 단자에 오류 전압(최대 250Vrms)이 나타나면 결과적으로 높은 전류가 퓨즈와 제너 다이오드를 통해 접지로 흐릅니다. 퓨즈는 제너 다이오드의 고장을 방지하고, 퓨즈가 끊어질 때 안전 영역 회로에서 위험 요소를 격리하기 위해 매우 신속하게 끊어지게 됩니다.
법규상 안전을 손상시킬 수 있는 오류를 방지하기 위해 퓨즈를 교체할 수 없도록 되어있기 때문에, 일단 퓨즈가 끊어지면 전체 Barrier를 교체해야 합니다.
일시적인 오류가 발생하는 동안, 위험 지역의 단락 전류(Isc)는 출력 저항기(Rlm)에 의해 제한되는 동안, 배리어의 위험 지역 단자의 개방 회로 전압(Voc)은 제너 전압으로 고정됩니다. Voc 및 Isc 값은 위험 지역에서 해당 값으로 발화될 수 없는 가스 그룹에 대한 최대 허용 정전 용량 및 인덕턴스를 확인하는데 사용됩니다.
이 원리를 통해 저항으로 전류레벨을 제한하고, 제너다이오드가 전압을 일정한 수준으로 제한하며, 퓨즈가 연속적으로 들어오는 전압을 차단하게 됩니다. 이것이 Barrier의 작동 원리입니다.
Barrier의 효율성은 위험 지역 단자에서 전압 및 전류의 실질적인 증가를 방지하여 안전 지역으로 돌아가는 오류 전류에 대한 복귀 경로를 제공해야 하는 양호한 접지 연결에 따라 달라지게 됩니다.
이는 다른 구조적 접지와 별도로 기준 접지점까지 연결되어야 하는 전용 도체를 사용하여 수행됩니다. (위 그림)
가장 먼 배리어에서 접지점까지의 저항은 1Ω 미만으로 유지되어야 하며, 표준 요구 사항은 최소 크기 4mm2(미국의 경우 12AWG)입니다.
▶ Zener Barrier 장점
- 내부 부품이 적기 때문에 안정적으로 작동합니다.
- Isolator에 비해 반응성과 적용성이 좋습니다.
- Isolator 보다 발열문제가 적고 크기가 더 작습니다.
- 보통 Isolator 보다 가격이 저렴합니다.
▶ Zener Barrier 단점
Zener Barrier는 간단하고 안정적이며 저렴한 장치이지만 본질 안전 application을 위해 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 단점이 있습니다.
- 양호한 접지 연결을 제공하고 유지해야 합니다.
- 현장 장치는 접지로부터 격리되어야 하며 접지 상태로 유지되어야 합니다.
- Barrier 전체의 전압 강하는 일부 애플리케이션에 문제를 야기 할 수 있습니다.
- 연결이 잘못되었거나 전압 서지가 발생하면 퓨즈가 끊어질 수 있습니다.
- 매우 열악한 common mode 제거(common mode 제거는 접지와 관련하여 두 입력 단자에 적용되는 간섭 전압에 대한 장치의 내성입니다.)
1.2 아이솔레이터 (Galvanically Isolated Barrier)
제너 배리어(Zener Barrier)에서 발생하는 문제는 에너지 전환이 아닌 격리(Isolation) 개념을 기반으로 하는 안전 인터페이스를 사용하여 해결할 수 있습니다.
기본적인 차이점은 안전을 보장하기 위해 안전 표준 요구 사항을 준수해야 하는 변압기, 계전기, 광커플러 등의 구성 요소를 사용하여 위험 지역 회로와 안전 지역 회로 간의 절연(Galvanic Isolation)을 제공한다는 점입니다. (아래 그림 참조)
Galvanic Isolator Barrier는 2차측의 최대 전압만 견딜 수 있어야 하는 에너지 제한 회로에 도달하는 오류 전압(최대 250Vrms)을 허용하지 않습니다. Galvanic Isolation을 통해 에너지 제한 회로가 접지에서 플로팅(floating)될 수 있습니다. 따라서 이 회로에는 접지 연결과 보호 퓨즈가 필요하지 않습니다.
안전 매개변수 Voc 및 Isc는 "제너 배리어"에 사용된 것과 유사한 방식으로 결정됩니다.
Isolator의 가장 큰 장점은 접지 문제가 없는 것입니다. Zener Diode Barrier는 안전지역과 위험지역이 같은 접지를 공유하는 방식이기때문에 안전지역에서 발생한 단락(fault current)이 메인접지(main earth)의 손상을 주지 않아야하기 때문에 고도의 접지가 필요합니만, Isolator는 물리적 연결이 없으므로 번개와 surge에도 강한 구조입니다. lsolator는 전기적인 연결이 없고 위험지역과 안전지역 회로 중간에 절연층을 적용하여 물리적 연결이 없게 설계되어 있습니다. 그렇지만 릴레이 등을 이용해 전기적 연결이 가능고 최종 전원의 제한도 제너 다이오드와 비슷한 원리를 가진 다이오드 저항을 사용합니다.
▶ Galvanic Isolator Barrier의 주요 특징을 정리하면 다음과 같습니다.
- 전용 접지 연결이 필요하지 않으며 현장 장치를 접지에 연결할 수 있습니다.
- 현장 장치에 전체 전압을 사용할 수 있습니다.
- 신호 조정 및 회로 보호가 단일 장치에 결합되어 있습니다.
- 접지 루프가 없어 설치 및 시운전이 간단합니다.
- Barrier보다 큰 용량 적용이 가능하고, 정확한 출력값이 도출됩니다.
- 높은 commen mode 전압을 견딜 수 있습니다.
2. Intrinsic Safety Interfaces (본질 안전 인터페이스)
모든 I.S(본질 안전) 인터페이스는 제너 다이오드 기술을 사용하여 위험 지역으로의 전력 흐름을 제한합니다.
간단한 형태로 과잉 전류가 직접 접지 연결을 통해 접지로 전달되는 션트(shunt) 다이오드 회로를 사용할 수 있습니다. 이러한 제품은 일반적으로 제너 배리어(Zener Barrier)로 알려져 있습니다.
또는 위험 회로를 안전 지역 회로 및 전원으로부터 갈바닉 절연(Galvanic Isolation)하여 계측기 신호를 변압기 및 관련 변조 및 복조 회로를 통과하여 접지 및 설치를 단순화할 수 있습니다. 이러한 제품은 일반적으로 갈바닉 절연체(Isolator)로 알려져 있습니다.
출처 : Intrinsic Safety Basic Principles_TR Automatyka_IS Principles
▶Safety Barrier 공급 예시 (아래 링크 참조하세요.)
Single-Channel Safety Barriers Series 9001 공급 - Hasol Plant(한솔공장)
Single-Channel Safety Barriers Series 9001 공급 - Hasol Plant(한솔공장) 견적 & 제품 문의 ...
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Email : snjglobal1@gmail.com
Tel : 070-8809-8332
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