Zener-Barrieren im Explosionsschutz – Funktion, Nutzen und Grenzen

1. Was ist eine Zener-Barriere?

Eine Zener-Barriere ist ein passives Sicherheitselement, das elektrische Signale oder Stromkreise zwischen einem sicheren und einem explosionsgefährdeten Bereich so begrenzt, dass keine zündfähige Energie in den Ex-Bereich gelangen kann.

Sie besteht in der Regel aus:

• Widerständen zur Strombegrenzung,

• Zener-Dioden zur Spannungsbegrenzung,

• und einer Sicherung, die den Stromkreis im Fehlerfall unterbricht.

Damit sorgt sie dafür, dass Spannung, Strom und Energie im Stromkreis so gering bleiben, dass selbst bei einem Fehler keine Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre möglich ist.

2. Warum werden Zener-Barrieren eingesetzt?

In ATEX-Zonen ist elektrische Energie grundsätzlich ein mögliches Zündrisiko. Sensoren, Schalter oder Messfühler, die in Zone 0, 1 oder 2 (Gas) bzw. Zone 20, 21 oder 22 (Staub) installiert sind, benötigen daher eine sichere Energiebegrenzung.

Zener-Barrieren erfüllen diesen Zweck:

• Sie schützen eigensichere Stromkreise (Ex i).

• Sie ermöglichen die Nutzung normaler Steuer- oder Auswertegeräte außerhalb der Zone.

• Sie sind eine kosteneffiziente und bewährte Lösung für analoge oder binäre Signale.

Typische Anwendungen:

• Temperatur-, Druck- und Füllstandsmessung

• Sensorik an Rohrleitungen und Behältern

• Signalleitungen zwischen Leitsystem und Feldgeräten

3. Planung und Einsatz – was ist zu beachten?

🔹 a) Zertifizierung und Schutzart

Zener-Barrieren müssen über eine gültige ATEX- oder IECEx-Zulassung verfügen. Auf dem Typenschild finden sich Kennzeichnungen wie:

II (1) G [Ex ia Ga] IIC  
II (1) D [Ex ia Da] IIIC

Diese geben an, für welche Zone und Stoffgruppe das Gerät zugelassen ist.

🔹 b) Montageort

Zener-Barrieren werden im sicheren Bereich montiert, meist auf einer DIN-Schiene im Schaltschrank.

Sie dürfen nicht selbst in der Ex-Zone installiert werden.

🔹 c) Erdung

Eine sichere Erdverbindung ist zwingend erforderlich.

Nur so kann überschüssige Energie, die über die Zener-Dioden abgeleitet wird, gefahrlos abgeführt werden.

Eine fehlende oder lose Erdung ist ein häufiger und gefährlicher Montagefehler.

🔹 d) Schleifen- und Leitungsauslegung

Für jede Zener-Barriere gelten Grenzwerte für:

• maximale Spannung und Strom

• maximale Induktivität (L) und Kapazität (C) der Leitung

Diese Werte müssen in der Schleifenberechnung berücksichtigt werden.

Überschreitungen können die Eigensicherheit aufheben – auch wenn alle Einzelkomponenten zertifiziert sind.

🔹 e) Dokumentation

Jede Installation eigensicherer Stromkreise ist zu dokumentieren:

• Schaltplan mit Zuordnung Barriere ↔ Sensor

• Erdungspunkt und Schleifenparameter

• Zertifikate und Konformitätsnachweise

4. Was eine Zener-Barriere nicht kann

Zener-Barrieren sind einfach, zuverlässig und günstig – aber nicht universell einsetzbar.

Folgende Punkte müssen klar sein:

• Sie bieten keine galvanische Trennung. Potentialunterschiede zwischen Messkreis und Steuerung können daher zu Messfehlern führen.

• Sie sind nicht für Leistungsstromkreise oder Aktoren mit höherem Energiebedarf geeignet.

• Sie funktionieren nicht bei unzureichender Erdung.

• Sie sind nicht wartungsfrei – besonders die Erdungsverbindung und Sicherungen müssen regelmäßig geprüft werden.

In vielen modernen Anlagen werden daher zunehmend galvanisch getrennte eigensichere Trennverstärker eingesetzt, wenn Messgenauigkeit oder EMV-Anforderungen steigen.

5. Kennzeichnung und Prüfung

Zener-Barrieren tragen eine eindeutige Kennzeichnung, die Aufschluss über ihren Einsatzbereich gibt.

Beispielhafte Kennzeichnung:

Ex ia IIC Ga  
Uo = 28 V DC  
Io = 93 mA  
Po = 660 mW  
Lo = 10 mH  
Co = 83 nF  

Diese Werte geben an, welche maximale Energie der Ausgangskreis abgeben kann – und damit, ob der angeschlossene Sensorkreis innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt.

Checkliste zur Prüfung:

• Ist die Kennzeichnung vollständig und lesbar?

• Stimmen Spannung, Strom und Leistung mit der geplanten Anwendung überein?

• Ist die Erdung dokumentiert und gemessen?

• Ist die Leitungslänge innerhalb der berechneten Grenzen?

6. Fazit

Zener-Barrieren sind ein bewährter und einfacher Weg, elektrische Signale eigensicher in explosionsgefährdete Bereiche zu übertragen.

Sie bieten Schutz durch Energiebegrenzung, sind robust und günstig – setzen aber sorgfältige Planung, Erdung und Dokumentation voraus.

Fehler bei Erdung oder Schleifenberechnung machen die beste Barriere wirkungslos.

Darum gilt: Zener-Barrieren sind kein Einbau-Teil, sondern ein Sicherheitsbauteil.

7. Kurz gesagt