Zenerbarrières bij explosiebeveiliging – werking, voordelen en beperkingen

1 Wat is een Zener-barrière?

Een Zenerbarrière is een passief veiligheidselement dat elektrische signalen of circuits tussen een veilige zone en een potentieel explosieve zone zodanig beperkt dat er geen ontvlambare energie de gevaarlijke zone kan binnendringen.

Het bestaat meestal uit:

• Weerstanden voor stroombegrenzing,

• Zenerdiodes voor spanningsbegrenzing,

• en een zekering die het circuit onderbreekt in geval van een storing.

Dit zorgt ervoor dat de spanning, stroom en energie in het circuit laag genoeg blijven om ontbranding van een explosieve atmosfeer te voorkomen, zelfs in het geval van een storing.

2 Waarom worden Zener-barrières gebruikt?

In ATEX-zones vormt elektrische energie altijd een potentieel ontstekingsgevaar. Sensoren, schakelaars of meetelementen die zijn geïnstalleerd in zone 0, 1 of 2 (gas) of zone 20, 21 of 22 (stof) moeten daarom worden voorzien van een veilige energiebeperking.

Zener-barrières dienen dit doel:

• Ze beschermen intrinsiek veilige circuits (Ex i).

• Hierdoor kunnen buiten de zone gewone bedienings- of meetapparaten worden gebruikt.

• Ze vormen een kosteneffectieve en beproefde oplossing voor analoge of binaire signalen.

Typische toepassingen:

• Temperatuur-, druk- en niveaumeting

• Sensoren op leidingen en containers

• Signaalkabels tussen het besturingssysteem en de veldapparatuur

3. Planning en gebruik – waar moet rekening mee worden gehouden?

🔹 a) Certificering en beschermingsklasse

Zenerbarrières moeten beschikken over een geldige ATEX- of IECEx-goedkeuring. Op het typeplaatje staan vermeldingen zoals:

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

Deze geven de zone en de stofgroep aan waarvoor het apparaat is goedgekeurd.

🔹 b) Installatielocatie

Zener-barrières worden in de veilige zone geïnstalleerd, meestal op een DIN-rail in de schakelkast.

Ze mogen niet in de Ex-zone zelf worden geïnstalleerd.

🔹 c) Aarding

Een goede aarding is essentieel.

Dit is de enige manier om overtollige energie, die via de zenerdiodes wordt afgevoerd, op een veilige manier af te voeren.

Een ontbrekende of losse aarding is een veelvoorkomende en gevaarlijke installatiefout.

🔹 d) Lussen- en kabelpatroon

De grenswaarden gelden voor elke Zener-barrière voor:

• Maximale spanning en stroomsterkte

• maximale inductie (L) en capaciteit (C) van de leiding

Bij de berekening van de regelkring moet met deze waarden rekening worden gehouden.

Het overschrijden van de limieten kan de intrinsieke veiligheid tenietdoen – zelfs als alle afzonderlijke componenten gecertificeerd zijn.

🔹 e) Documentatie

Elke installatie van intrinsiek veilige circuits moet worden gedocumenteerd:

• Schakelschema met toewijzing van barrière ↔ sensor

• Aardingspunt- en lusparameters

• Certificaten en conformiteitsverklaringen

4. Wat een Zener-barrière niet kan

Zener-barrières zijn eenvoudig, betrouwbaar en goedkoop – maar niet overal toepasbaar.

De volgende punten moeten duidelijk zijn:

• Ze bieden geen galvanische scheiding. Potentiaalverschillen tussen het meetcircuit en het besturingssysteem kunnen daarom tot meetfouten leiden.

• Ze zijn niet geschikt voor stroomcircuits of aandrijvingen met een hoger energieverbruik.

• Ze werken niet als de aarding onvoldoende is.

• Ze zijn niet onderhoudsvrij – met name de aardverbinding en de zekeringen moeten regelmatig worden gecontroleerd.

In veel moderne systemen wordt daarom steeds vaker gebruikgemaakt van galvanisch gescheiden, intrinsiek veilige isolatieversterkers wanneer de eisen op het gebied van meetnauwkeurigheid of EMC toenemen.

5. etikettering en testen

Zener-barrières zijn duidelijk gemarkeerd om hun toepassingsgebied aan te geven.

Voorbeeld van etikettering:

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

Deze waarden geven aan hoeveel energie het uitgangscircuit maximaal kan leveren – en dus of het aangesloten sensorkircuit binnen de toegestane grenzen blijft.

Checklist voor het testen:

• Is de etikettering volledig en goed leesbaar?

• Zijn de spanning, stroomsterkte en het vermogen geschikt voor de beoogde toepassing?

• Is de aarding gedocumenteerd en gemeten?

• Valt de kabellengte binnen de berekende grenzen?

6. Doe

Zenerbarrières zijn een beproefde en eenvoudige methode om elektrische signalen op intrinsiek veilige wijze door te geven naar potentieel explosieve omgevingen.

Ze bieden bescherming door het beperken van de stroomsterkte, zijn robuust en goedkoop – maar vereisen een zorgvuldige planning, aarding en documentatie.

Fouten bij de aarding of bij de berekening van de aardlus maken zelfs de beste barrière ondoeltreffend.

Zener-barrières zijn dus geen installatieonderdelen, maar veiligheidscomponenten.

7. kort gezegd