제너 배리어는 본질 안전 방폭(Intrinsic Safety Explosion Protection, Ex"i") 시스템의 핵심 부품으로, 폭발 위험 지역에서 전기적 폭발을 방지하는 역할을 합니다. 그 원리를 이해하기 위해서는 먼저 방폭 이론에 대한 지식이 필요합니다.

폭발 방지 이론과 본질 안전 방폭

폭발 방지 이론은 폭발성 가스나 분진이 존재하는 위험 지역에서 전기 장비의 사용으로 인한 폭발을 막기 위한 기술적 접근입니다. 이 이론은 IEC(국제전기기술위원회) 60079 시리즈에 규정되어 있습니다.

폭발을 막을 수 있는 방법은 현재 다음과 같은 여러 가지 방법이 있습니다. 
Ex”i”(본질안전방폭), Ex”d”(내압방폭), Ex”p”(압력방폭), Ex”e”(안전증방폭), Ex”s”(스페셜방폭), Ex”o”(오일방폭), Ex”q”(모래방폭)...etc.

여러 방폭 구조 중 제너 배리어를 사용하는 것은 본질 안전 방폭(Ex"i") 구조입니다.

• 본질 안전(Intrinsic Safety): 정상 작동 상태나 하나의 비정상(고장) 상태에서도 스파크나 열 효과에 의해 폭발성 분위기를 점화시킬 수 있는 전기적 에너지(전압, 전류)를 본질적으로 제한하여 폭발을 막는 방폭 구조입니다. 즉, 폭발이 일어나기 위한 최소 점화 에너지보다 훨씬 낮은 수준으로 에너지를 제어합니다.

제너 배리어의 역할

위험 지역에 설치된 계측기나 장비는 전기 에너지를 필요로 합니다. 제너 배리어는 이 에너지가 안전 지역에서 위험 지역으로 전달될 때, 폭발을 일으키지 않을 정도의 안전한 전기적 레벨로 그 수위를 제한하는 역할을 합니다. 즉, 위험 지역으로 인가되는 전압과 전류를 폭발이 일어나지 않는 임계값 이하로 유지합니다.

본질 안전 이론 
본질안전이란 폭발이 예상 되는 환경에서 점화를 야기시키는 정상 또는 1 비정상 상태하에서 전기적 에너지나 열적 효과를 제한 함으로서 폭발을 막을 수 있는 방폭 구조 입니다.

본질 안전 설비는 다음과 같이 구성되어 있습니다.

본질 안전 설비의 경우 상기와 같이 Barrier 를 쓰고 다른 방폭구조는 Barrier를 쓰지 않습니다.

Zener Barrier가 하는 역할

위험 지역에 설치되는 계기들은 전기적인 효과를 받아야만 동작을 합니다.
즉 안전지역에서 위험지역으로 흘러가는 모든 위험한 전기적 수위를 막아주는 역할을 합니다. 즉 폭발이 일어나지 않을 정도의 전기적 레벨을 위험지역으로 보내줌을 의미합니다. 어느 정도의 전기적 레벨이 안전한 레벨인지는 IEC 에서 제공하는 테스트결과를 보시면 알 수 있습니다.

즉 Barrier 없이는 본질 안전 방폭의 구성이 이루어 질 수 없습니다.

내부적으로는 다음과 같은 구조로 되어있습니다.

기본적으로 상기 그래프 미만으로 전류와 전압이 흐른다면 폭발이 일어나지 않는 다는 의미입니다.

제너 배리어의 내부 구조와 동작 원리

제너 배리어는 내부적으로 다음 세 가지 주요 부품으로 구성되어 전기적 에너지를 제한합니다.

1. 제너 다이오드(Zener Diode): 전압을 제한하는 핵심적인 역할을 합니다. 과전압이 인가되면 제너 다이오드는 역방향으로 항복하여 과도한 전압을 접지(Ground)로 흘려보냅니다.
2. 저항(Resistor): 전류 레벨을 제한합니다. 과전류가 흐르는 것을 막아 회로를 보호하고, 위험 지역으로 전달되는 전류량을 안전한 수준으로 유지합니다.
3. 퓨즈(Fuse): 지속적으로 들어오는 과전류를 차단하는 역할을 합니다. 제너 다이오드나 저항이 한계 이상의 에너지를 지속적으로 받게 될 경우, 퓨즈가 끊어져 회로를 완전히 개방함으로써 장비를 보호합니다. 퓨즈만으로는 폭발 방지가 불가능한데, 이는 순간적인 스파크를 막지 못하기 때문입니다. 제너 배리어는 퓨즈와 함께 제너 다이오드와 저항이 결합되어 순간적인 에너지도 안전하게 제어합니다.

결론적으로, 제너 배리어 없이는 본질 안전 방폭 시스템을 구현할 수 없습니다. 이는 전압(제너 다이오드), 전류(저항), 그리고 연속적인 과전류(퓨즈)를 동시에 제한하는 통합적인 기능을 수행하기 때문입니다.