네놈은 무엇이냐?!

자동제어나 소형 전자기기의 일반적인 센서는 신호 출력으로 0-5V 를 사용하는 경우가 많습니다.

필자도 아두이노와 보드개발을 할 때는 0-5V를 출력으로 하는 센서들을 주로 사용하였지만,

이번에 산업용 가스센서를 이용하면서 신호 출력이 4-20mA 루프전류를 사용 한다는 것을 처음으로 알게 되었습니다.

여기에서 필자는 그냥 V로 출력하면 되는 것을 굳이 mA로 출력하는가 하는 궁금증이 생겨 여러 사용하는 이유에 대해 찾아 보게 되었습니다.


4 ~ 20mA 루프전류를 사용하는 이유

  • 1) 전압강하가 없다.
    • 센서의 출력이 전압일 경우 전송거리가 길어질수록 전압강하가 발생합니다.
    • 구리는 이상적인 도체이지만 길이가 길어질수록 저항이 생기기 때문이죠, 이러한 저항 성분 때문에 실제 센서에서 보내는 전압과 받아들이는 CPU에서의 전압값과의 차이가 발생할 수 있습니다.
    • 반면 센서의 출력이 전류일 경우 전송거리가 길더라도 항상 같은 전류값을 유지할 수 있습니다. 부하측이나 전송선로의 저항에 상관없이 항상 정전류가 흐르기 때문에 센서측과 받아들이는 CPU의 전류값이 동일 하므로 전압강하에 의한 오차가 없습니다.


  • 2) 접촉불량의 오작동의 영향이 적다.
    • 전압의 경우 미세한 접촉불량에 의해서도 선로의 저항값이 가변하기 때문에 영향을 받기 쉬우나 전류 신호의 경우 이러한 영향이 상대적으로 적습니다.


  • 3) 노이즈에 강하다.
    • 전압 신호 전송을 사용하는 경우 Stray Electro-Magnetic Interference, EMI에 대한 상당한 고려가 필요합니다.
    • 전기장과 자기장은 근접한 두 전선 사이에서 서로 영향을 미칩니다. 두 가닥의 전선을 꼬아서 사용하는 경우, EMI 효과가 양쪽 케이블에 동일하게 발생하여 현상을 완화시킬 수 있습니다.
    • 두 전선에 발생하는 영향이 동일하므로 상호 간의 전위차는 거의 0으로 나타납니다. 차폐를 시킬 경우 전자기장의 영향은 매우 감소될 수 있습니다.
    • 그러나 이러한 방법을 사용하더라도 그 영향을 감소시키는 것이지 제거할 수는 없습니다. 대형 전동기는 전류 서지를 생성하며, 강한 전기장을 형성합니다. 전원 공급용 장치들도 이러한 현상을 발생시킵니다.
    • 전류 방식의 신호 전송을 사용하면, EMI에 의한 현상을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 쌍을 이룬 케이블이 EMI 필터 내에서 상당한 전압을 생성하지만 전류를 생성하는 것은 매우 어렵습니다.
    • 이런 이유로, 전류 신호 전송 방식의 센서는 전기적 노이즈가 최소화되어야 하는 환경에서 선호됩니다.
    • 회로 내에서 접촉과 관련된 문제가 있는 경우 접촉 저항은 변경되고 전압에 근거한 회로들은 심각한 노이즈 문제에 직면하게 됩니다. 그러나 전류에 근거한 회로들은 저항 변화에 그다지 민감하지 않습니다.


  • 4) 단선을 감지할수 있다.
    • 왜 그러면 0-20m가 아니라 4-20mA일까요? 그것은 만약 0-20mA일 경우 단선이 되어 실제로 0인지 실제로 0mA인지 판단할 수 없기 때문입니다.
    • 반면 4-20mA 범위에서 0mA 신호가 들어오면 회로가 끊어졌다 즉, 단선이 되었다는 의미가 되겠지요. 이것으로 회로의 고장 여부를 알 수 있습니다.


  • 5) 종단저항을 사용하여 전압측정이 가능하다.
    • 마이크로칩은 보통 0-5V 아날로그 채널을 가지고 있습니다. 따라서 일반적인 MCU기반의 보드에서는 전류신호를 전압으로 변환시켜야 MCU에서 값을 읽을 수 있습니다.
    • 4-20mA의 경우 종단저항으로 쉽게 전압으로 변환이 가능합니다.
    • 즉, 수신측에 250옴 종단저항을 달아 저항의 양측의 전압을 측정하면 V=IR 이므로 4mA일 경우 0.004A x 250ohm = 1V, 20mA일 경우 0.02A x 250ohm = 5V 이므로 1-5V 전압신호로 변환이 가능합니다.



참조

  • http://www.incosys.co.kr/index.php?option=com_content&view=article&id=384&Itemid=2073
  • https://kkdww.tistory.com/65