산업용 루프전류 4-20mA 란 무엇인가?

자동제어나 소형 전자기기의 일반적인 센서는 신호 출력으로 0~5V를 사용하는 경우가 많습니다. 저도 보드개발 업무를 할 때에도 0~5V, 주파수를 신호 출력으로 사용하는 센서를 주로 사용했었습니다. 하지만 산업용 센서는 신호 출력이 4-20mA인 루프전류를 주로 사용한다는 것을 알게 되었습니다.

 

즉 전압이 아닌 전류 신호를 AD변환하는 개념이죠. 처음 4~20mA 루프전류를 사용하는 센서를 보고 0-5V 전압으로 하면 편한데 왜 굳이 전류로 신호를 주고 받을까? 하는 의문이 들곤 했습니다. 오늘은 산업계에서 주로 사용하는 루프전류 4-20mA에 대해 알아보고 왜 산업전반에 활용하고 있는지 그 이유에 대해 알아보겠습니다.

What is Industrial Loop Current 4-20mA?

루프전류 4-20mA란?

모든 센서류는 측정값을 컴퓨터가 인식할 수 있는 방식으로 변환하는 장치입니다. 압력 트랜스미터를 예를 들어 보겠습니다. 1kpa과 같은 압력값은 그 자체로는 컴퓨터가 인식할 수 없습니다. 즉 압력 트랜스미터는 이 압력값을 전기신호로 변환하는 장치입니다. 0~10kpa를 측정할 수 있는 압력트랜스미터는 0kpa~10kpa로 압력이 가변하는 만큼 전류출력은 4~20mA로 변합니다. 즉 0kpa일 때는 4mA, 10kpa일 때에는 20mA가 나옵니다.

4-20 mA standard typical connection diagram <출처: http://www.libelium.com>

루프전류 4-20mA를 사용하는 이유?

1) 전압강하가 없다.

센서의 출력이 전압일 경우 전송거리가 길어질수록 전압강하가 발생합니다. 구리는 이상적인 도체이지만 길이가 길어질수록 당연히 저항이 생기게 됩니다. 이러한 저항 성분 때문에 실제 센서에서 보내는 전압과 받아들이는 CPU에서의 전압값과의 차이가 발생할 수 있습니다. 즉 센서측에서는 5V를 보내지만 전압강하 때문에 CPU는 4.8V로 받아들일 수 있습니다.

반면 센서의 출력이 4-20mA와 같은 전류의 경우 전송거리가 길더라도 항상 같은 전류값을 유지할 수 있습니다. 부하측이나 전송선로의 저항에 상관없이 항상 정전류가 흐르기 때문에 센서측과 받아들이는 CPU의 전류값이 동일하기 때문에 전압강하에 의한 오차가 없습니다.

2) 접촉불량등의 오작동 영향이 적다.

전압의 경우 미세한 접촉불량에 의해서도 선로의 저항값이 가변하기 때문에 영향을 받기 쉬우나 전류신호의 경우 이러한 영향이 상대적으로 적습니다.

3) 노이즈에 강하다.

전압신호의 경우 노이즈에 취약한 면이 있습니다. 패라이트코어나 트위스트 페어로 전선을 연결하는 경우가 전압노이즈를 감소하기 위한 조치이기도 합니다. 반면 전류신호는 노이즈에 의한 영향이 적습니다.

4) 단선을 감지할 수 있다.

왜 굳이 0~20mA가 아닌 4mA~20mA일까? 궁금했었습니다. 이유는 0mA일 경우 단선이 되어 0인지 실제로 0mA인지 판단할 수 없다는 것입니다. 반면 4mA-20mA 범위에서 0mA 신호가 들어오면 분명 회로가 끊어졌다는 것이므로 단선, 즉 회로의 고장여부를 판단할 수 있다는 것입니다.

5) 종단저항 250옴을 사용하여 전압측정 가능

마이크로칩은 보통 0~5V 아날로그 채널을 가지고 있습니다. 따라서 일반적인 MCU 기반의 보드에서는 전류신호를 전압으로 변환시켜야 MCU에서 값을 읽을 수 있습니다. 4-20mA의 경우 종단저항으로 쉽게 전압변환이 가능합니다. 즉 수신측에 250옴 종단저항을 달아 저항 양측의 전압을 측정하면 V=IR 이므로 4mA일 경우 0.004A*250Ω=1V, 20mA일 경우 0.02A*250Ω=5V이므로 1~5V 전압신호로 변환이 가능합니다. 또한 16mA의 영역에서 전류가 가변하기 때문에 2진법을 사용하는 MCU에서 ADC, DAC의 변환이 쉽습니다.

이처럼 다양한 장점을 가지고 있기 때문에 산업용 센서에는 루프전류 4~20mA를 활용하는 경우가 많습니다. PLC 기반의 센서류도 보통 4~20mA 전류 입력을 많이 사용하고 있습니다.