제너다이오드 베리어 VS 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.

본질안전 방폭장비의 종류

이렇게 베리어와 아이솔레이터의 역할을 중시하는 본질안전 방폭은 장비가 설치되는 지역이나 개별장비에만 초점을 둔다기 보다는 위험지역과 안전지역을 동시에 고려하는 전체 시스템의 개념이 강합니다. 때문에 본질안전 방폭장비 외에 관련기기(Associated apparatus)와 단순장비(simple device)라는 개념이 있습니다.
먼저, 관련기기(Associated apparatus)는 안전지역에 설치되는 장비입니다. 위험지역에 설치되지 않기 때문에 T등급이 없습니다. 하지만 위험지역의 장비와 연결되어 전압과 전류에 제한하는 역할을 합니다. 장비에 꺽쇠괄호를 사용하여 [Ex ia] IIC 로 표시합니다.
만일 관련기기가 방폭지역에 설치될 경우에는 관련기기 내부에 에너지를 제한하는 장치가 있어야 합니다. 이 경우에는 T등급도 표시되고 꺽쇠괄호 또한 사용하여 Ex d [ib] IIC T5 와 같이 표시합니다. 이 방폭마킹의 뜻은 내압방폭 박스내에 본질안전형 관련기기가 있다는 뜻입니다.
관련기기가 안전지역이나 위험지역에 각각 방폭표시를 달리하며 설치될 수 있는 반면 주로 위험지역에 설치되는 장비가 있습니다. 본질안전용 인증을 받은 IS라고 표시되는 장비(complex appratus라고도 합니다)가 있습니다. 이 장비들은 꺽쇠괄호없이 Ex ia IIC T6 와 같이 표시되며, T등급도 표시됩니다. 주로 계장장비, LED 라이팅, 솔레노이드 등에 설치되고, 방폭지역에서 작업자들이 가지고 다니는 (handheld) 장비들도 self-contained라 하여 이런 장비들의 범주에 속합니다.
위험지역에 설치가능한 또다른 장비로 단순장비(simple device)가 있습니다. 이 장비들은 위험지역에 설치되지만 방폭인증이 필요 없습니다. 따라서 방폭 등급의 마킹도 없습니다. 수동적 부품(passive component)에 불과해, 에너지를 발생하거나 저장하지 않기 떄문입니다. 물론 에너지의 발생이 전혀 없지는 않고 1.2V, 100mA, 또는 25mW 미만의 값을 갖는 장비들입니다. 단자대나 스위치의 contact, 저항 Resistors (including RTDs), Thermocouples, 다이오드, 포토셀 같은 장비들이 그 예입니다. 본질안전 방폭 시스템의 구성에 방폭 인증이 필요없는 이런 단순장비의 도입은 본질안전 방폭시스템내의 확장성이 놀랄만큼 커진다는 것에 의미가 있습니다.

본질안전방폭의 장단점 및 설치시 주의사항

본질안전 방폭구조의 가장 큰 장점은 장비의 단전(isolating)없이(gas clearance인증없이) 검사와 유지관리(live maintenance)가 가능하다는 점입니다. 이는 전기적 문제점의 발견(fault-finding)은 장비 작동이 없는 상태에서는 사실상 찾아내기가 쉽지 않다는 점을 고려하면 더욱 크게 다가오는 대목입니다.
본질안전 방폭은 드물게 Zone 0지역까지 적용 가능하다는 장점도 있습니다. Ex ia등급을 가진 장비의 경우 Zone 1지역에서 사용이 가능합니다. 본질안전방폭을 3가지 등급인 ia, ib, ic으로 세분할 수 있는데(EPL에는 각각 Ga/Db, Gb/Db, Gc/Dc로 대응) 각 등급간의 차이는 고장허용한계(fault tolerance)의 정도나 설계에 있어 안전요인을 얼마나 적용되었는지에 따른 분류입니다.
설치후 관리도 간단한 편이고, 아주 다양한 장비들에 본질안전 방폭구조를 적용할 수 있는 범용성도 갖췄습니다. 다만 설치가 까다롭고, 초기비용이 많이 들며, 저전력구조의 장비에만 적용가능한 점이 단점입니다.

자료출처: Shunt-Diode Safety Barriers and Galvanic Isolators ? a Critical Comparison, Essential Concepts of Intrinsic Safety