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4-20mA 출력 회로 2선식·3선식·4선식 결선 방법

요약
4-20mA 출력 회로 결선은 전송기(트랜스미터)와 수신기(PLC·기록계·게이트웨이) 사이에 전원과 신호선을 몇 가닥으로, 어떤 순서로 잇는지를 정하는 작업입니다.
결선 방식은 2선식·3선식·4선식으로 나뉘며 전원을 누가 공급하는지에 따라 배선과 입력 카드 설정이 달라집니다.
이 글에서는 방식별 결선도를 글로 풀어 설명하고 24V 전원에서 허용 부하저항을 구하는 계산(예: (24V − 12V) ÷ 0.02A = 600Ω), 250Ω 수신 저항으로 1~5V를 읽는 방법, 잘못 결선했을 때 나타나는 증상을 정리합니다.

새 센서를 달고 배선까지 마쳤는데 화면에 0mA나 측정 범위 밖의 값이 뜨는 일은 현장에서 꽤 자주 생깁니다. 대부분 센서 고장이 아니라 결선 방식이 맞지 않아서 생기는 문제입니다. 2선식 전송기를 전원이 없는 입력에 물렸거나 이미 전원을 내보내는 입력 카드에 외부 전원을 한 번 더 넣은 경우가 대표적입니다.

4-20mA 신호의 원리와 표준 자체는 4-20mA 전류 루프 전송 표준 글에서 다뤘습니다. 이 글은 실제로 단자에 선을 꽂는 단계에 맞춰 방식별로 무엇을 어디에 연결하고 전원 전압과 저항을 어떻게 맞추는지를 설명합니다.

1. 4-20mA 출력 회로란?

4-20mA 출력 회로는 전송기가 측정값에 비례하는 직류 전류를 4mA(측정 하한)에서 20mA(측정 상한) 사이로 흘려 보내는 하나의 닫힌 고리입니다. 회로에는 반드시 세 가지가 들어갑니다. 전류를 만드는 전원, 전류 크기를 조절하는 전송기, 전류를 전압으로 바꿔 읽는 수신 저항(부하)입니다.

고리 안 어디서 재든 전류는 같습니다. 그래서 전선이 길어도 값이 거의 변하지 않고 0mA는 "단선이나 전원 이상"으로 구분할 수 있습니다. 결선 방식의 이름(2선·3선·4선)은 전원과 출력 회로에 필요한 전선 수를 뜻하며 차폐선(쉴드)과 센서 입력선은 세지 않습니다.

2. 2선식·3선식·4선식 결선은 어떻게 다를까?

미국 계측 표준 ANSI/ISA-50.00.01은 전송기를 Type 2, Type 3, Type 4로 나누고 숫자를 전원과 출력에 쓰는 전선 수로 정합니다. 국내 현장에서 말하는 2선식·3선식·4선식이 이 분류에 해당합니다.

2-1. 2선식 (루프 전원형)

2선식 전송기는 신호선 두 가닥으로 전원을 받고 신호도 보냅니다. 전송기 자체는 전류를 만들지 못하고 루프에 흐르는 전류의 크기만 조절합니다. 결선 순서는 다음과 같습니다.

  1. 24V DC 전원 (+) → 전송기 (+) 단자
  2. 전송기 (−) 단자 → 수신기 입력 (+) 단자
  3. 수신기 입력 (−) 단자(수신 저항 반대쪽) → 24V DC 전원 (−)

수신기 입력 카드가 루프 전원을 직접 내보내는 방식(능동 입력, Active/Source)이라면 외부 전원 없이 전송기 두 선을 카드에 바로 연결합니다. 압력·온도 전송기처럼 소비 전력이 작은 기기에 가장 많이 쓰이는 방식이고 전원 방식의 차이는 센서 전원 공급 방식 (Loop Power / External Power) 글에서 더 자세히 설명합니다.

2-2. 3선식 (공통 0V 공유형)

3선식은 전원 (+), 공통 0V(COM), 신호 출력 세 가닥을 씁니다. 전송기가 별도 전원을 받아 스스로 4-20mA 전류를 내보내고 그 전류는 수신 저항을 지나 공통 0V로 돌아옵니다.

  1. 24V DC (+) → 전송기 V+
  2. 24V DC (−) → 전송기 COM, 그리고 수신기 입력 (−)
  3. 전송기 신호 출력(Iout) → 수신기 입력 (+)

전원 (−)과 수신기 (−)가 같은 0V를 공유하는 점이 특징입니다. 가스 감지기처럼 소비 전류가 4mA보다 큰 센서는 루프 전류만으로 동작할 수 없어 3선식이나 4선식을 씁니다.

2-3. 4선식 (전원·신호 분리형)

4선식은 전원 두 가닥과 신호 두 가닥이 따로 있습니다. 전원은 24V DC일 수도 있고 AC 220V일 수도 있습니다. 전송기가 신호 루프에 전류를 직접 내보내므로 수신기 입력은 전원을 내보내지 않는 수동 입력(Passive/Sink)으로 맞춥니다. 분석기·유량계처럼 전력을 많이 쓰는 기기가 주로 4선식이며 신호 출력이 전원과 절연된 제품이 많아 접지 문제에 비교적 강합니다.

구분 2선식 3선식 4선식
전선 수 2 (전원·신호 공용) 3 (V+, COM, 신호) 4 (전원 2, 신호 2)
전류를 만드는 쪽 수신기 또는 외부 전원 전송기 전송기
수신기 입력 설정 능동 입력, 또는 수동 입력 + 외부 전원 수동 입력 (0V 공유) 수동 입력
전송기 소비 전력 4mA 미만으로 동작해야 함 제한 적음 제한 적음 (AC 전원 가능)
주요 사용 기기 압력·온도·차압 전송기 가스 감지기, 소형 센서 분석기, 유량계, 레벨계

3. 2선식 루프의 전원 전압과 부하저항은 어떻게 계산할까?

2선식 루프에서는 전원 전압이 전송기 동작 전압, 수신 저항, 전선 저항에 나뉘어 걸립니다. 전송기 단자에 남는 전압이 제품의 최소 동작 전압보다 낮아지면 전송기는 20mA까지 전류를 올리지 못합니다. 계산식은 다음과 같습니다.

  • 허용 최대 부하저항 : R최대 = (전원 전압 − 전송기 최소 동작 전압) ÷ 최대 루프 전류
  • 필요한 전원 전압 : V필요 = 전송기 최소 동작 전압 + 최대 루프 전류 × (수신 저항 + 전선 왕복 저항 + 기타 저항)

3-1. 계산 예시

조건을 이렇게 가정합니다. 전원 24V DC, 전송기 최소 동작 전압 12V(제품마다 다르므로 사양서 값 사용), 수신 저항 250Ω, 전선 왕복 저항 10Ω입니다.

계산 항목 식 결과
20mA 기준 허용 부하 (24 − 12) ÷ 0.020 600Ω
고장 신호 22mA 기준 허용 부하 (24 − 12) ÷ 0.022 약 545Ω
실제 루프 저항 250 + 10 260Ω
22mA에서 필요한 전원 전압 12 + 0.022 × 260 약 17.7V
전압 여유 24 − 17.7 약 6.3V

20mA만 기준으로 잡지 말고 고장 신호 전류까지 넣어 계산하는 편이 안전합니다. NAMUR NE43 권고를 따르는 전송기는 정상 측정 범위를 3.8~20.5mA로 두고 3.6mA 이하나 21mA 이상을 고장 신호로 내보내는데, 고장 시 실제로 내는 전류는 제품과 설정에 따라 22mA 안팎까지 올라가기도 합니다. 루프에 안전 장벽(배리어)이나 지시계가 하나 더 들어가면 그 저항도 합산해야 합니다.

3-2. 250Ω 수신 저항으로 값 읽기

수신 저항 250Ω에 4mA가 흐르면 1V, 20mA가 흐르면 5V가 걸립니다. 그래서 전류 입력이 없는 장비도 250Ω 저항 하나로 1~5V 전압 입력처럼 읽을 수 있습니다. 측정값은 아래 식으로 환산합니다.

측정값 = 측정 하한 + (전류 − 4) ÷ 16 × (측정 상한 − 측정 하한)

측정 범위가 0~100℃인 온도 전송기에서 9.6mA가 읽혔다면 (9.6 − 4) ÷ 16 = 0.35이므로 35℃입니다. 이때 수신 저항 양단 전압은 9.6mA × 250Ω = 2.4V입니다. 저항 오차가 그대로 측정 오차가 되므로 수신 저항은 오차 ±0.1% 정도의 정밀 저항을 쓰는 경우가 많습니다.

4. 잘못 결선하면 어떤 증상이 나타날까?

결선 오류는 증상만 보고도 원인을 꽤 좁힐 수 있습니다. 아래 표는 현장에서 자주 만나는 경우를 정리한 것입니다.

증상 흔한 원인 확인 방법
0mA, 화면에 단선·하한 이탈 표시 2선식 극성 반대, 수동 입력에 2선식을 물리고 전원 없음, 단자 풀림 전송기 단자 전압 측정 (0V면 전원 경로 문제)
값이 특정 지점(예: 16mA)에서 더 오르지 않음 루프 저항 과다, 전원 전압 부족 20mA 출력 시 전송기 단자 전압이 최소 동작 전압 이상인지 확인
입력 카드 이상, 퓨즈 단선, 값이 엉뚱하게 튐 능동 입력에 외부 전원을 또 연결, 4선식 능동 출력을 능동 입력에 연결 루프 안 전원이 하나뿐인지 확인, 입력 카드 설정(Active/Passive) 점검
값이 일정량 어긋나거나 계속 흔들림 접지 루프 (전송기 출력과 수신기 입력이 모두 접지됨), 3선식 공통 0V 미연결 접지 지점 확인, 신호 절연기 설치 검토
수신기 값이 실제보다 정확히 4배·1/4 등 비례로 틀림 수신 저항값과 입력 스케일 설정 불일치 저항값 실측, 입력 범위(1~5V, 4~20mA) 설정 대조

출력이 접지된 전송기를 입력이 접지된 수신기에 연결하면 두 접지 사이 전위차로 전류가 새어 값이 틀어질 수 있습니다. ISA 표준도 이 조합에는 절연기를 넣거나 수신기 입력을 접지에서 띄우라고 권합니다. 절연기의 역할은 센서 신호 변환기(Signal Converter)의 역할 글을 참고하면 됩니다.

5. 현장에서 결선할 때 확인할 점

  • 입력 카드 방식 먼저 확인 : 수신기 입력이 루프 전원을 내보내는지(Active), 받기만 하는지(Passive) 사양서와 점퍼·설정값으로 먼저 확인합니다. 결선 오류 대부분이 여기서 시작됩니다.
  • 루프 안 전원은 하나 : 한 루프에 전류를 만드는 전원이 둘 이상 들어가지 않도록 결선도를 그려 보고 작업합니다.
  • 전선과 차폐 : 신호선은 꼬임 차폐 케이블을 쓰고 차폐는 한쪽(보통 수신기 쪽)만 접지합니다. 동력선과 같은 덕트에 넣지 않는 것도 기본입니다. 노이즈 대책은 4-20mA 신호에서 노이즈에 강한 이유 글에 정리되어 있습니다.
  • 시운전 측정 : 결선 후 루프에 멀티미터를 직렬로 넣어 전류를 재고 전송기 단자 전압도 함께 기록합니다. 4mA, 12mA, 20mA 세 점을 모의 출력(루프 테스트)으로 확인하면 스케일 설정 오류까지 한 번에 잡힙니다.
  • 알람 기준 : 모니터링 시스템에서 3.6mA 이하와 21mA 이상은 측정값 알람과 별도로 "센서·배선 이상" 알람으로 분리해 두면 단선과 실제 공정 이상을 구분할 수 있습니다.
  • 기록 : 단자 번호, 선 색, 입력 채널, 수신 저항값을 결선 기록표로 남겨 두면 교체·증설 때 같은 실수를 반복하지 않습니다.

6. 관련 산업용어

■ 루프 전원 (Loop Power)
2선식 전송기가 신호 전류가 흐르는 같은 두 선으로 동작 전력을 받는 방식입니다. 전송기는 4mA 미만의 전류로 동작하도록 설계됩니다.

■ 능동 입력·수동 입력 (Active·Passive Input)
능동 입력은 입력 카드가 루프 전원을 내보내고 수동 입력은 외부에서 만들어진 전류를 받기만 합니다. 제조사에 따라 Source·Sink라고도 부릅니다.

■ 수신 저항 (Shunt Resistor)
루프 전류를 전압으로 바꾸는 저항입니다. 250Ω을 쓰면 4-20mA가 1~5V가 됩니다.

■ 최소 동작 전압 (Lift-off Voltage)
2선식 전송기가 정상 동작하려면 단자에 걸려야 하는 최소 전압입니다. 부하저항 계산의 출발점이며 제품 사양서에 적혀 있습니다.

7. 자주 묻는 질문

Q. 4-20mA 2선식 센서에 전원을 따로 넣어야 하나요?
수신기 입력 방식에 따라 다릅니다. 입력 카드가 루프 전원을 내보내면 따로 넣지 않고 수동 입력이면 24V DC 전원을 루프에 직렬로 넣어야 합니다.

Q. 4-20mA를 250Ω에 걸면 몇 V가 나오나요?
1~5V입니다. 4mA × 250Ω = 1V, 20mA × 250Ω = 5V이며 12mA면 중간값 3V가 나옵니다.

Q. 24V 전원으로 2선식 루프에 저항을 얼마까지 넣을 수 있나요?
전송기 최소 동작 전압이 12V라면 20mA 기준 600Ω까지입니다. 고장 신호 전류(22mA 안팎)까지 고려하면 약 545Ω 이하로 잡는 편이 안전합니다.

Q. 3선식 센서를 2선식 입력에 연결할 수 있나요?
입력 카드가 수동 입력으로 설정되어 있고 0V를 공유할 수 있으면 연결할 수 있습니다. 능동 입력 그대로 연결하면 전원이 겹쳐 값이 나오지 않거나 카드가 손상될 수 있습니다.

Q. 4-20mA 값이 0mA로 나오면 센서 고장인가요?
대부분은 고장보다 배선 문제입니다. 2선식 극성 반대, 전원 누락, 단자 풀림을 먼저 확인하고 전송기 단자 전압이 0V인지 재 보면 원인을 좁힐 수 있습니다.

8. 마무리

4-20mA 결선 방식은 전원을 누가 공급하는지로 나뉩니다. 2선식은 수신기나 외부 전원이 루프 전류를 만들고 3선식과 4선식은 전송기가 직접 전류를 내보냅니다. 결선 전에 입력 카드가 능동인지 수동인지 확인하고 한 루프에 전원은 하나만 둔다는 두 가지만 지켜도 대부분의 오류를 막을 수 있습니다. 2선식이라면 전원 전압 − 최소 동작 전압을 최대 전류로 나눈 값보다 루프 저항이 작은지 고장 신호 전류까지 넣어 계산해 두는 것이 좋습니다.

참고 기준 : IEC 60381-1:1982 Analogue signals for process control systems – Part 1: Direct current signals, ANSI/ISA-50.00.01-1975 (R2002) Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments, NAMUR NE43 (아날로그 출력 전송기의 고장 정보 신호 레벨 표준화)

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