Equipamentos e Circuitos de Segurança Intrínseca (Ex i) com Barreiras Zener e Isoladores Galvânicos

A Segurança Intrínseca (identificada pela marcação Ex i, regulamentada internacionalmente pelas normas ABNT NBR IEC 60079-11, IEC 60079-25 e IEC 60079-14) representa o conceito de engenharia mais refinado e seguro para instrumentação, controle e automação em atmosferas explosivas. Diferente dos invólucros à prova de explosão (Ex d), que toleram a queima interna e contêm o fogo, a segurança intrínseca adota uma abordagem preventiva radical: nenhuma centelha elétrica ou efeito térmico produzido em qualquer ponto do circuito (em operação normal ou sob condições anormais de falha) possui energia suficiente para inflamar a atmosfera gasosa circundante.

Por restringir os níveis de corrente, tensão e potência elétrica a grandezas milimétricas, a segurança intrínseca é a única tecnologia de proteção permitida para instalação direta na Zona 0 (ambientes onde a atmosfera explosiva está presente de forma permanente, prolongada ou frequente, como o interior de tanques de armazenamento de combustíveis, vasos de processo petroquímico e tubulações de hidrocarbonetos).

         CONCEITO DE SEGURANÇA INTRÍNSECA (Ex i)
 +--------------------+       +------------------------------------+
 |    ÁREA SEGURA     |       |     ÁREA CLASSIFICADA (ZONA 0/1)   |
 |                    |       |                                    |
 | +----------------+ |       | +--------------------------------+ |
 | | CLP / SDCD     | |       | | Transmissor de Pressão / Vazão | |
 | | 24 Vdc / 4-20mA| |       | | Ui = 30V, Ii = 100mA, Pi=0,75W | |
 | +-------+--------+ |       | +---------------+----------------+ |
 |         |          |       |                 |                  |
 | +-------v--------+ |       |                 |                  |
 | | BARREIRA Ex i  | | Linha |                 |                  |
 | | Uo ≤ 28 V      |=========(=================+                  |
 | | Io ≤ 93 mA     | Azul Exi| Cabo Blindado: Ccabo, Lcabo        |
 | | Po ≤ 0,65 W    |         | (Energia armazenada < MIE do gás)  |
 | +----------------+ |       |                                    |
 +--------------------+       +------------------------------------+

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1. Topologia Construtiva e Detalhamento da Seção Transversal

A interface crítica que divide o ambiente industrial comum da área perigosa é o Aparato Associado (Associated Apparatus), materializado principalmente sob a forma de Barreiras Zener Passivas ou Isoladores Galvânicos Ativos. O corte esquemático a seguir detalha a anatomia interna de um módulo de interface Ex i para trilho DIN.

Elementos Constituintes e Identificação (Callouts ① a ⑥):

• ① Bornes de Conexão Azuis Padronizados Ex i (Área Classificada Zona 0/1/2): Terminais coloridos na tonalidade azul clara (RAL 5015, exigência da IEC 60079-14) destinados exclusivamente à fiação que adentra a área com risco de explosão. Apresentam espaçamento dielétrico no ar (clearance) $\ge 50\text{mm}$ em relação a quaisquer bornes convencionais adjacentes, prevenindo contato acidental de condutores desencapados.
• ② Fusível de Ação Ultrarrápida Encapsulado ($I_n\le 50\text{ a }100\text{mA}$): Dispositivo de corte térmico-magnético submetido a processo de fundição em resina polimérica (compound potting) com areia de quartzo. Tem a função de interromper de forma irreversível e sem arco aberto a corrente de curto-circuito antes que os diodos Zener de grampeamento sofram estresse térmico por sobrecarga prolongada.
• ③ Diodos Zener Redundantes Triplos em Paralelo ($U_o\le 28\text{V}$): Semicondutores de precisão que atuam em modo de condução reversa (shunt). Para equipamentos certificados com nível de proteção Ex ia, a norma exige três diodos Zener idênticos conectados em paralelo para garantir redundância com tolerância a duas falhas simultâneas de componente. Se a tensão da área segura subir anormalmente (ex: falha de $250{\text{V}}_{\text{rms}}$ da rede), os Zeners grampeiam a saída para a área classificada no patamar estrito de $28\text{V}$.
• ④ Resistor de Potência Limitador de Corrente $R_{lim}$ ($I_o\le 93\text{mA}$): Resistor de filme metálico de alta estabilidade, à prova de centelhamento e à prova de enrolamento indutivo, montado em cerâmica refratária. Limita a corrente máxima instantânea que pode ser fornecida ao circuito de campo em caso de curto-circuito acidental nos bornes azuis para o valor $I_o=U_o/R_{lim}$.
• ⑤ Isolação Galvânica Total (Optoacopladores e Transformadores de Pulso): Barreira magnética e óptica com rigidez dielétrica garantida de $2,5{\text{kV}}_{\text{rms}}$ ($50/60\text{Hz}$ por 1 minuto) entre o circuito de entrada, saída de sinal e linha de alimentação auxiliar, eliminando qualquer dependência de terra de proteção de sinal.
• ⑥ Terminais Pretos/Cinza Conectados à Área Segura (CLP / SDCD): Bornes de comando industriais padrão destinados a receber alimentação de fontes de $24{\text{V}}_{\text{cc}}$ e transmitir sinais analógicos ($4\text{ a }20\text{mA}$ HART) ou digitais para os módulos de entrada e saída (I/O) dos controladores lógicos programáveis.

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2. Níveis de Proteção da Segurança Intrínseca: ia, ib e ic

A norma NBR IEC 60079-11 estabelece três níveis de proteção de segurança intrínseca baseados na probabilidade estatística de falha e na severidade da classificação de áreas:

Nível de Proteção	Zonas Permitidas	Fatores de Falha Considerados	Fator de Segurança ($FS$)	Aplicações Típicas de Campo
Ex ia	Zona 0, Zona 1 e Zona 2	Operação normal + 2 falhas contáveis independentes mais quaisquer falhas não-contáveis	$1,5$ (com 2 falhas) ou $1,0$ (com 2 falhas na pior condição)	Sensores de nível em tanques de combustível, sondas de poços de petróleo, transmissores em Zona 0
Ex ib	Zona 1 e Zona 2	Operação normal + 1 falha contável independente mais falhas não-contáveis	$1,5$ (op. normal) ou $1,0$ (com 1 falha)	Válvulas solenoides, sinalizadores sonoros, transmissores de pressão instalados em Zona 1
Ex ic	Zona 2 apenas	Operação normal sem considerar falhas internas adicionais	$1,0$ em operação normal	Sensores secundários, iluminação de cabine, I/O distribuído em áreas de baixo risco transitório

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3. Física da Ignição por Centelha e Limitação Energética

3.1 Energia Mínima de Ignição (MIE) e Energia em Reativos

A combustão de um gás requer a concentração de uma densidade crítica de energia em um volume microscópico no tempo de formação do núcleo de chama. A Energia Mínima de Ignição ($MIE$) varia drasticamente em função do grupo da mistura gasosa:

$MI{E}_{Metano(I)}\approx 280\mu \text{J}|MI{E}_{Propano(IIA)}\approx 260\mu \text{J}$

$MI{E}_{Etileno(IIB)}\approx 82\mu \text{J}|MI{E}_{Hidrogenio(IIC)}\approx 17\mu \text{J}$

Para circuitos de campo com componentes reativos ou cabos de grande comprimento, as energias armazenadas nos campos eletrostático e magnético são modeladas por:

$E_C=\frac{1}{2}C\cdot U^2\text{[Joules]}$

$E_L=\frac{1}{2}L\cdot I^2\text{[Joules]}$

Se um fio romper subitamente na área classificada ou sofrer um curto-circuito contra uma estrutura metálica, a energia reativa acumulada é descarregada quase instantaneamente na faísca de ruptura. Para evitar a inflamação, o projeto exige que a energia da centelha multiplicada pelo fator de segurança $FS=1,5$ seja mantida estritamente abaixo do limite de ignição:

$FS\cdot E_{disparada}<MIE$

3.2 Curvas de Avaliação de Centelha da Norma IEC 60079-11

A norma não avalia a segurança apenas por cálculos teóricos simples de $E=\frac{1}{2}C{U}^2$, pois a dinâmica da ruptura do contato e a tensão de manutenção do arco elétrico influenciam a taxa de liberação de energia. A IEC 60079-11 disponibiliza diagramas padronizados de curvas características:

• Curvas de Tensão vs. Capacitância Admissível ($C_o$): Determinam a máxima capacitância equivalente que pode ser alimentada por uma dada tensão $U_o$ sem risco de ignição na descarga capacitiva.
• Curvas de Tensão vs. Corrente Admissível ($I_o$): Determinam o limite de corrente em circuitos resistivos puramente ôhmicos.
• Curvas de Corrente vs. Indutância Admissível ($L_o$): Determinam a indutância máxima permitida em série com a corrente de curto-circuito.

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4. Comparativo de Arquiteturas: Barreira Zener vs. Isolador Galvânico

               (A) BARREIRA ZENER PASSIVA
  Área Segura                Fusível      Área Classificada (Ex i)
  (+) ------------------------[====]----+---------------------> (+)
                                        |  Rlim
                                      [ Z1 ]   +--/\/\/\/\----+
                                      [ Z2 ]   |              |
  (-) ----------------------------------+------+-------------> (-)
                                        |
                             Aterramento Ex i Dedicado
                             (R_terra ≤ 1,0 Ohm obrigatório)

               (B) ISOLADOR GALVÂNICO ATIVO
  Área Segura        Isolação Dielétrica (2,5 kV)  Área Classificada (Ex i)
  (+) -----[ Modulador ]      Trafo       [ Demodulador ]-----> (+)
              PWM        ~ ( (     ) ) ~      e Filtro
  (-) -------------------~ ( (     ) ) ~  --------------------> (-)
                         Optoacoplador
                   (Sem Aterramento Ex i Dedicado)

Critério de Engenharia	Barreira Zener Passiva	Isolador Galvânico Ativo
Princípio de Funcionamento	Rede puramente passiva (shunt) de fusível, diodos Zener e resistores	Eletrônica ativa com conversão de alta frequência, transformadores e optoacopladores
Aterramento de Segurança	Mandatório e crítico: exige conexão de baixíssima impedância ($R_{terra}\le 1,0\Omega$) a um Barramento Ex i dedicado	Desnecessário: os circuitos de campo flutuam isolados com rigidez $\ge 2,5{\text{kV}}_{\text{rms}}$
Queda de Tensão Interna	Elevada: a corrente do laço passa pelo resistor $R_{lim}$ ($\approx 300\Omega$), reduzindo a tensão útil no sensor	Mínima ou nula: o isolador atua como fonte ativa repetidora regenerando os $24{\text{V}}_{\text{cc}}$
Reversibilidade após Sobretensão	Destrutiva: sobretensão na área segura queima o fusível interno selado em resina, inutilizando o módulo	Auto-recuperável: o circuito de desacoplamento bloqueia a tensão anômala sem queimar o isolador
Susceptibilidade a Laços de Terra	Alta: loops de corrente galvânica pelo terra geram ruído no sinal $4\text{ a }20\text{mA}$	Nula: rejeição de modo comum de alta imunidade ($CMRR>120\text{dB}$)
Custo de Aquisição e Painel	Baixo custo inicial por canal, mas elevado custo de infraestrutura de malha de aterramento	Custo por canal mais elevado, mas reduz dramaticamente o custo global de engenharia de campo

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5. Teoria e Equações do Conceito de Entidade (Entity Concept)

A interconexão de um Equipamento Intrinsecamente Seguro (o instrumento de campo: transmissor, sensor, posicionador de válvula) com um Aparato Associado (a barreira ou isolador) é validada pelo Conceito de Entidade (NBR IEC 60079-14 e IEC 60079-25).

Cada dispositivo possui parâmetros normativos certificados expressos na plaqueta de identificação:

• Parâmetros de Saída da Barreira (Fonte de Energia):
  • $U_o$ (Open-circuit voltage): Máxima tensão de circuito aberto nos bornes da barreira.
  • $I_o$ (Short-circuit current): Máxima corrente de curto-circuito instantânea fornecida pela barreira.
  • $P_o$ (Maximum power): Máxima potência elétrica entregue pela barreira ($P_o=\frac{U_o\cdot I_o}{4}$ para fontes lineares).
  • $C_o$ (Allowable external capacitance): Máxima capacitância externa conectável aos terminais.
  • $L_o$ (Allowable external inductance): Máxima indutância externa conectável aos terminais.
• Parâmetros de Entrada do Instrumento de Campo (Carga):
  • $U_i$ (Maximum input voltage): Tensão máxima que o instrumento suporta sem perder a segurança intrínseca.
  • $I_i$ (Maximum input current): Corrente máxima que os componentes internos toleram sem centelhamento ou aquecimento.
  • $P_i$ (Maximum input power): Potência térmica máxima admissível na carcaça do sensor.
  • $C_i$ (Internal capacitance): Capacitância desprotegida interna do instrumento.
  • $L_i$ (Internal inductance): Indutância desprotegida interna do instrumento.
• Parâmetros Distribuídos do Cabo de Conexão:
  • $C_{cabo}=c_c\cdot d_{cabo}$: Capacitância total dos fios e blindagem ($c_c$ em $\text{pF/m}$).
  • $L_{cabo}=l_c\cdot d_{cabo}$: Indutância total de ida e volta ($l_c$ em $\mu \text{H/m}$).

As 5 Equações de Ouro da Compatibilidade de Entidade:

$1.{\mathbf{U}}_{\mathbf{o}}\le {\mathbf{U}}_{\mathbf{i}}$

$2.{\mathbf{I}}_{\mathbf{o}}\le {\mathbf{I}}_{\mathbf{i}}$

$3.{\mathbf{P}}_{\mathbf{o}}\le {\mathbf{P}}_{\mathbf{i}}$

$4.{\mathbf{C}}_{\mathbf{o}}\ge {\mathbf{C}}_{\mathbf{i}}+{\mathbf{C}}_{\mathbf{cabo}}⟹{\mathbf{C}}_{\mathbf{cabo}}\le {\mathbf{C}}_{\mathbf{o}}-{\mathbf{C}}_{\mathbf{i}}$

$5.{\mathbf{L}}_{\mathbf{o}}\ge {\mathbf{L}}_{\mathbf{i}}+{\mathbf{L}}_{\mathbf{cabo}}⟹{\mathbf{L}}_{\mathbf{cabo}}\le {\mathbf{L}}_{\mathbf{o}}-{\mathbf{L}}_{\mathbf{i}}$

Alternativamente, quando o fabricante do cabo não especifica $L_c$, admite-se a verificação pela relação de indutância/resistência do cabo:

$\frac{L_{cabo}}{R_{cabo}}\le {\left(\frac{L}{R}\right)}_o$

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6. Dimensionamento Completo e Exemplo Numérico Resolvido

Cenário de Aplicação:

Projetar e validar a malha de instrumentação analógica ($4\text{ a }20\text{mA}$ HART) de um Transmissor de Nível por Onda Guiada (Radar) instalado diretamente no topo de um tanque de hidrogênio líquido em uma planta de refino químico.

• Classificação da Área: Zona 0, Grupo IIC, Classe de Temperatura T4.
• Distância entre a Sala de Controle e o Tanque: $d_{cabo}=420\text{metros}$.

             DIAGRAMA UNIFILAR DA MALHA DE NÍVEL Ex ia IIC
 [ PAINEL DA SALA DE CONTROLE ]                      [ TOPO DO TANQUE (ZONA 0) ]
 +-----------------------------+                    +---------------------------+
 | Isolador Galvânico Ativo    |  Cabo Par Trançado | Transmissor Radar         |
 | Certificado: [Ex ia Ga] IIC |  Blindado Azul     | Certificado: Ex ia IIC T4 |
 | Uo = 28,0 V                 |  d = 420 metros    | Ui = 30,0 V               |
 | Io = 93,0 mA                |===================>| Ii = 110,0 mA             |
 | Po = 0,651 W                |  Cc = 110 pF/m     | Pi = 0,80 W               |
 | Co = 83,0 nF                |  Lc = 0,65 uH/m    | Ci = 5,2 nF               |
 | Lo = 3,05 mH                |  Rc = 24,5 Ohm/km  | Li = 12,0 uH              |
 +-----------------------------+                    +---------------------------+

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Passo 1: Verificação das Condições Elétricas Escalares ($U,I,P$)

1. Tensão Máxima: $U_o=28,0\text{V}\le U_i=30,0\text{V}⟹[\mathbf{APROVADO}]$ A barreira nunca aplicará nos terminais do transmissor uma tensão superior ao seu limite elétrico dielétrico.

2. Corrente Máxima: $I_o=93,0\text{mA}\le I_i=110,0\text{mA}⟹[\mathbf{APROVADO}]$ A corrente de curto-circuito fornecida pelo resistor interno do isolador é inferior ao limite de condução térmica do transmissor.

3. Potência Máxima: $P_o=0,651\text{W}\le P_i=0,800\text{W}⟹[\mathbf{APROVADO}]$ A energia térmica dissipada no interior do sensor em condição de falha não elevará sua carcaça além de $135^{\circ }\text{C}$ (Classe T4).

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Passo 2: Cálculo dos Parâmetros Reativos Acumulados no Cabo de Campo

Para o cabo de instrumentação de $d_{cabo}=420\text{m}$:

• Capacitância Total do Cabo ($C_{cabo}$): $C_{cabo}=c_c\cdot d_{cabo}=110\text{pF/m}\cdot 420\text{m}=46.200\text{pF}=46,20\text{nF}$

• Indutância Total do Cabo ($L_{cabo}$): $L_{cabo}=l_c\cdot d_{cabo}=0,65\mu \text{H/m}\cdot 420\text{m}=273\mu \text{H}=0,273\text{mH}$

• Resistência Ôhmica de Ida e Volta ($R_{cabo}$): $R_{cabo}=24,5\Omega /\text{km}\cdot 0,420\text{km}=10,29\Omega$

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Passo 3: Verificação da Capacitância Máxima Permitida ($C_o$)

A soma da capacitância interna concentrada do transmissor ($C_i$) com a capacitância distribuída do cabo ($C_{cabo}$) não pode exceder o valor limite $C_o$ do isolador para o Grupo IIC:

$C_{total}=C_i+C_{cabo}=5,2\text{nF}+46,20\text{nF}=51,40\text{nF}$

Comparação com $C_o$:

$C_{total}=51,40\text{nF}\le C_o=83,0\text{nF}⟹[\mathbf{APROVADO}]$

Margem de segurança de capacitância remanescente:

$\Delta C=C_o-C_{total}=83,0-51,40=31,60\text{nF}(\text{Margem de }38\%)$

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Passo 4: Verificação da Indutância Máxima Permitida ($L_o$)

A indutância equivalente do sistema conectado à barreira é:

$L_{total}=L_i+L_{cabo}=12\mu \text{H}+273\mu \text{H}=285\mu \text{H}=0,285\text{mH}$

Comparação com $L_o$:

$L_{total}=0,285\text{mH}\le L_o=3,05\text{mH}⟹[\mathbf{APROVADO}]$

Margem de folga indutiva: o sistema utiliza menos de $10\%$ da capacidade de indutância tolerada pelo isolador para Grupo IIC.

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Passo 5: Verificação do Comprimento Máximo Admissível do Cabo

Qual seria o comprimento máximo teórico de cabo ($d_{max}$) antes de violar o critério de capacitância da barreira?

$C_{cabo,max}=C_o-C_i=83,0\text{nF}-5,2\text{nF}=77,8\text{nF}=77.800\text{pF}$

$d_{max}=\frac{C_{cabo,max}}{c_c}=\frac{77.800\text{pF}}{110\text{pF/m}}=707,27\text{metros}$

Como o comprimento real é de $420\text{m}$, a instalação atende plenamente a todos os requisitos normativos da ABNT NBR IEC 60079-11 e 60079-14 para operação na Zona 0 com hidrogênio.

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7. Diretrizes Construtivas de Painéis e Segregação de Campo (NBR IEC 60079-14)

A não conformidade mais comum e perigosa em instalações Ex i é o desrespeito às distâncias mínimas de segregação, o que pode permitir o acoplamento eletrostático ou eletromagnético induzido por cabos de potência adjacentes.

       DIRETRIZ DE SEGREGAÇÃO FÍSICA EM PAINÉIS DE AUTOMAÇÃO
 +------------------------------------------------------------------+
 |  Canaleta Cinza / Preta:          Canaleta Azul (RAL 5015):      |
 |  Fiação Convencional (Não-Ex)     Fiação Intrínseca (Ex i)       |
 |  [ 220 Vac / 24 Vdc / Relés ]     [ 4-20 mA / Sensores Zona 0 ]  |
 |        |                                      |                  |
 |        v                                      v                  |
 |   +----------+                           +----------+            |
 |   | CLP / I/O|                           |Isoladores|            |
 |   |          |<------- d ≥ 50 mm ------->|  Ex i    |            |
 |   +----------+                           +----------+            |
 |                       Separação no Ar                            |
 |                      ou Divisória Rígida                         |
 +------------------------------------------------------------------+

Regras de Ouro de Instalação:

1. Identificação Cromática: Todos os cabos, bornes, conectores e canaletas de fiação que conduzem sinais Ex i devem ser identificados na cor azul claro (RAL 5015).
2. Distância de Separação Mínima: Condutores de circuitos intrinsecamente seguros e não-intrinsecamente seguros devem manter distância de no mínimo $50\text{mm}$ de separação no ar, ou ser segregados por uma chapa metálica de barreira aterrada ou partição isolante rígida de espessura $\ge 1,5\text{mm}$.
3. Blindagem e Aterramento da Malha: A blindagem metálica de cabos intrínsecos (shield) deve ser aterrada em apenas um único ponto (preferencialmente no painel de controle da área segura) para evitar a circulação de correntes parasitas decorrentes de diferenças de potencial entre terras distantes.
4. Proibição de Cabos Multicondutores Mistos: É estritamente proibido passar no mesmo cabo multicondutor vias pertencentes a circuitos Ex i e circuitos convencionais não protegidos.

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8. Ficha Técnica Padronizada de Especificação de Engenharia

Parâmetro de Especificação	Valor de Projeto / Requisito	Norma de Referência
Marcação de Certificação	[Ex ia Ga] IIC (Aparato Associado para Zona 0)	NBR IEC 60079-0 / 60079-11
Tensão Nominal de Alimentação	$24{\text{V}}_{\text{cc}}\pm 10\%$ ($19,2\text{ a }30{\text{V}}_{\text{cc}}$)	Folha de dados do fabricante
Rigidez Dielétrica de Isolação	$\ge 2500{\text{V}}_{\text{rms}}$ ($50/60\text{Hz}$, 1 minuto entre portas)	NBR IEC 60079-11 cláusula 6.3.13
Parâmetros de Entidade ($U_o,I_o,P_o$)	$U_o\le 28\text{V}$, $I_o\le 93\text{mA}$, $P_o\le 650\text{mW}$	Certificado de conformidade INMETRO
Capacitância / Indutância ($C_o,L_o$)	$C_o=83\text{nF}$, $L_o=3,05\text{mH}$ (Grupo IIC)	IEC 60079-11 Anexo A
Temperatura de Operação	$-20^{\circ }\text{C}\le T_{amb}\le +60^{\circ }\text{C}$	Ensaio térmico industrial
Grau de Proteção da Caixa	IP20 (para montagem abrigada em cubículo IP54)	ABNT NBR IEC 60529

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