방폭 세이프티베리어-CSwiki

1.본질안전(Intrinsically Safe, Ex i)방폭의 개념

본질안전은 산업현장에서 많이 사용되고 있는 방폭구조로 영문 뜻대로 본질안전(Intrinsically Safe, 줄인 약자는 IS) 방폭이라고 부릅니다. 기본개념은 폭발3요소인 발화원, 산소, 연료 중 발화원을 통제하는 Avoidance로, 발화를 일으키기에는 약한 수준의 에너지(limited energy)를 사용하여 비정상적인 작동상태(fault condition)에서도 발화가 발생하지 않도록 설계합니다. 다른 방폭 구조들이 물리적인 방법(mechanical means)을 사용하는데 비해 본질안전은 전기적인 방법(electrical protective measure)을 사용하는 셈입니다. 이로 인해 주로 저전력장비에 적용됩니다. 때문에 고전압을 사용하는 전력회로 (power circuits)나 동력을 직접 사용하는 기기에서는 사용할 수 없습니다.
약한 수준의 에너지란 본질안전 장비에서 사용되는 에너지만으로는 스파크가 일어나도 또는 열이 발생해도 주변 가연성 혼합가스와 반응하여 폭발을 유발할 수 없을 정도로 약하다는 뜻입니다. 그럼 어느 정도로 에너지(즉, 전압과 전류값)가 작아야 할까요? 일반적으로는 전압 24VDC 이하이고 전류값은 100mA입니다.
좀 더 상세한 기준은 장비의 주변가스(또는 증기), 즉 앞서 말씀드렸던 가스그룹이 그 기준입니다. 가스그룹은 가스별로 위험한 정도에 따라 등급을 나눈 것으로, 최소발화전류(MIC: Minimum Ignition Current)값에 따라 상대적으로 낮은 전류에서도 발화가 되는 가스를 위험등급이 높은 가스로 분류하게 됩니다. 따라서, 위험도가 가장 높은 IIC등급의 가스는 IIB등급의 가스보다는 더 작은 에너지로도 폭발이 가능할 것이고, IIB등급의 가스가 폭발하려면 IIA보다는 더 작은 에너지값에도 가능할 것입니다.

2. 방폭 세이프티베리어의 역할

폭발이 가능한 지역에서 장비의 전압과 전류 출력이 어느 일정한 범위 내로 들어오도록 발화값 이하의 약한 수준의 에너지로 유지하기 위해, 배리어(barrier)를 사용할 수 있습니다. 배리어는 안전지역에 설치되어 안전지역에서 위험지역으로 흘러가는 위험한 수위의 전기적 에너지를 막아주는 역할을 합니다. 폭발이 일어나지 않을 정도의 전기적 레벨만을 위험지역으로 보내준다는 뜻입니다.
배리어의 기본적인 방식인 제너다이오드(zener diode) 또는 션트다이오드(shunt diode)를 예로 가장 단순한 형태의 회로를 통해 가정하면, 옆의 그림과 같이 퓨즈(fuse)와 저항(resistor)를 직렬로 연결하고 제너다이오드를 역방향바이어스(reverse bias)로 연결합니다. 옆의 회로 그림에는 다이오드가 여러개 병렬로 연결되어 있는데 이는 고장시에도 계속 작동하도록 하도록 하는 고장방지능력(fault tolerance)을 확보하기 위해서입니다.
다이오드는 통상적으로 한방향으로만 전류가 흐르도록 만들어진 소자라 역방향으로 일정전압을 걸면 전류를 흐르지 않는데, 이 역방향에서 전압을 계속 증가시키면 어느순간 다이오드는 전압을 이기지 못하고 파손이 일어납니다. 이를 Breakdown이라 하고 다이오드는 파손되어 더이상 동작을 하지 않게 됩니다. 이제 파손된 다이오드는 역방향으로 전압을 낮게 걸어도 마냥 전류를 통과시키게 됩니다. 그럼 더이상 소용이 없게 되죠. 제너다이오드란 Breakdown 될 때에 파손되지 않도록 만든 다이오드입니다. 역방향으로도 전압을 걸어서 해당 제너다이오드가 감당할 수 있는 전압을 넘어서면 전류를 통과시키고 다시 전압이 낮아지면 차단하게 되는 다이오드로써 역방향 전압을 활용할 수 있도록 만들어진 다이오드입니다. 회로 뒷단에 보호할 회로가 있을 경우 제너다이오드를 병렬로 연결해놓고, 역전압이 크게 들어올 경우 그냥 바이패스 시켜 뒷단 회로를 보호하는 용도로 사용합니다.
이렇게 분로(shunt)되고 제너(zener)효과를 이용한 것이 제너다이오드방식의 배리어입니다. 이 원리를 통해 저항으로 전류레벨을 제한하고, 제너다이오드가 전압을 일정한 수준으로 제한하며, 퓨즈가 연속적으로 들어오는 전압을 차단하게 됩니다. 이것이 배리어의 역할입니다. 이 배리어를 중심으로 본질안전 방폭시스템을 구성합니다.

3. 제너다이오드 베리어 와 아이솔레이터(galvanic isolator)

베리어의 역할로 앞서 말씀드린 제너다이오드 배리어외에 아이솔레이터(galvanic isolation)가 있습니다. 제너다이오드 베리어에 비해 나중에 개발된 아이솔레이터의 특징은 전기적인 연결이 없다는 것입니다. 왼쪽 회로도 그림에서 보이듯이 위험지역을 거치는 회로와 비위험지역용 회로 중간에 절연된 층(layer of insulation)을 집어넣어 물리적인 연결이 없게끔 설계되어 있습니다. 그럼에도 transformer나 optocoupler 또는 relay 등을 이용해 전기적 연결이 가능하며 최종적인 전원의 제한 역시 제너다이오드와 비슷한 원리를 가진 다이오드저항을 사용합니다.
아이솔레이터는 가장 큰 장점은 접지에서 자유롭다는 것입니다. 제너다이오드 베리어는 안전지역과 위험지역이 같은 접지(earth)를 공유하는 방식이라 안전지역에서 발생한 단락(fault current)이 메인접지(main earth)의 손상을 주지않아야 하고 따라서 특별하고도 높은 수준의 접지가 필요합니다. 하지만 아이솔레이터는 이같은 고민에 자유롭습니다. 물리적 연결에서 없다보니 번개와 써지에도 강한 구조입니다. 이외에도 배리어보다 더 큰 용량(higher power)을 적용할 수 있고, 전체적으로 보면 더 정확한 값을 출력합니다.
하지만, 배리어가 더 나은 측면도 있습니다. 배리어는 내부 부품이 적기 때문에 더 안정적으로 작동합니다. 아이솔레이터에 비해 반응성(Good frequency response)과 적용성(Versatile)도 더 좋습니다. 발열문제에서도 더 자유롭고 따라서 크기도 작습니다. 결정적으로 아이솔레이터에 비해 가격이 저렴하여 크게는 절반이하의 가격대를 형성합니다. 결국 베리어냐 아이솔레이터냐는 상황에 맞게 선택해야 하는 셈이지만, 최근 아이솔레이터의 성능이 향상되고 가격이 내려감에 따라 접지가 힘든 Offshore 환경에서 아이솔레이터쪽에 점점 더 많은 무게중심이 쏠리고 있습니다.