아날로그 센서 출력 완전 정복: 전류(4~20mA) vs 전압 출력 차이

FAQ 2024. 7. 23. 10:20

"아날로그적이다."라는 표현을 일상생활에서 종종 하곤 합니다. 디지털화된 세계와는 달리 더 느긋하거나 장인 정신이 느껴지는 손수 만든 것들을 볼 때도 그러한 표현을 씁니다.

그런데 센서에서 아날로그는 조금 다른 의미를 지닙니다.

물질계의 성질이나 상태를 나타내는 양을 '물리량'이라고 합니다.

바람의 세기나 소음, 온도 등은 시간의 흐름에 따라 유동적으로 변하기 마련인데 이러한 연속적인 값들에 대한 물리량을 표현한 용어가 바로 아날로그(Analog)입니다.

아날로그에 대비되는 것이 디지털이(Digital)입니다. 디지털은 물리량을 컴퓨터가 인식하는 '0'과 '1'의 이진 데이터를 사용해 신호가 있느냐 없느냐, ON이냐 OFF냐, "1"이냐 "0"이냐 등 양자적으로 표현합니다.

아날로그와 디지털시계를 예로 들겠습니다. 아날로그시계를 보면 분침, 시침이 60분이라는 시간의 흐름을 표현하기 위해 끊임없이 움직이고 있으며 시간의 흐름에 대한 물리량을 표현하고 있습니다. 반면 디지털시계는 분 단위, 혹은 초 단위로 정적인 고정 값을 표현합니다.

센서는 주로 온도, 습도, 풍속 등 자연 현상을 측정합니다. 이러한 물리적 현상을 세기나 강도에 따라 연속적으로 진폭 또는 진동수의 변화를 가지면서 파동의 형태로 나타내어지는 것을 아날로그 신호라고 합니다. 아날로그 신호를 사용하는 이유는 다음과 같습니다.

자연 현상의 연속성 : 연속적인 변화 측정 및 출력
정밀한 데이터 제공 : 무한한 해상도를 가진 아날로그 신호는 매우 정밀한 값 측정 가능
단순한 설계 및 저비용 : 디지털 출력 센서에 비해 구조가 간단함
빠른 반응 속도 : 연속적인 데이터를 출력하므로 반응 속도가 빠름
기존 시스템과의 호환성 : 이미 아날로그 신호를 기반으로 설계되어 기존 시스템과 쉽게 통합 가능

센서의 아날로그 출력은 물리량을 측정한 아날로그 신호를 외부 장치나 프로그램이 처리할 수 있도록 출력해 주는 것으로 주로 전압이나 전류의 형태로 나타냅니다.

🔌전류 출력(Current Output)

전류 출력은 센서가 전류를 출력하는 방식으로 센서가 측정한 값을 전류로 출력하여 이를 외부 장치(PLC)나 시스템으로 보내 측정값을 해석 및 표시합니다.

전류 출력은 암페어(A)로 측정됩니다.

전류 출력의 특징은

전류 신호: 출력 전류의 크기에 따라 정보를 전달 (ex. 4~20mA일 때, 최소 값=4mA/최대값=20mA)
전류의 범위는 일반적으로 4~20mA 또는 0~20mA
부하 임피던스에 관계없이 일정한 전류를 유지 (*임피던스= 교류 AC 회로에서 전류 흐름에 대한 저항을 나타냄, 부하=전기 회로에서 전류를 소비하거나 전압을 드롭시키는 전기적 요소나 장치, 부하 임피던스=부하가 회로에 걸리는 총 임피던스)
긴 거리 전송 시 전압 강하에 덜 민감 (*전압 강하=회로의 특정 지점에서 전압이 감소하는 현상)

센서는 전류의 경우 4~20mA가 일반적인데 그렇다면 왜 0~20mA가 아닌 4~20mA를 기본 출력 범위로 하는지 의문이 드실 겁니다.

0mA를 최소 값으로 설정할 경우, 이것이 실제 센서의 출력이 0mA인지 또는 센서의 고장인지 아니면 회로가 단락 됐는지 등의 문제를 파악하는 것이 어렵기 때문에 4mA를 최소 값으로 설정해서 0mA로 출력이 나올 경우 센서나 회로에 문제가 있는 것을 확인할 수 있습니다.

또한, 4mA를 하한으로 설정하면 전선의 저항 변화나 전기적 노이즈에 의한 영향을 줄여 더 안정적인 신호를 제공합니다.

하지만 이러한 전류 출력에도 아래와 같은 단점이 있습니다.

전력 손실: 높은 전류는 더 많은 전력 손실 유발, 열 발생과 관련된 문제를 초래할 수 있음
부하 의존성: 부하가 변할 때 출력 전압이 변할 수 있어 부하 특성에 따라 설계해야 함

따라서 저전력을 요하는 애플리케이션에선 전압 출력이 더 적합할 수 있습니다.

⚡전압 출력(Voltage Output)

센서가 측정값을 전압으로 변환하여 외부 장치나 시스템에 전달하는 방식으로 단위는 볼트(V)입니다.

전압 출력의 특징은

출력 범위: 특정 범위 내에서 전압을 출력 (주로 0-10V, 0-5V 등)
선형성: 측정값과 출력 전압 간의 선형 관계 유지 (예: 온도 센서가 0℃에서 0V, 100℃에서 10V 출력하는 경우 출력 전압은 온도에 비례하여 증가함)
단순성: 설계와 구현이 비교적 간단
정밀도와 호환성: 높은 정밀도 제공, 다양한 장비와의 호환성도 좋음

전압의 출력 범위는 측정할 물리적 양의 범위와 그에 따라 필요한 전압의 범위에 맞춰 설정됩니다.

0-10V	0V부터 10V까지 전압을 출력. 가장 일반적인 전압 출력 범위 중 하나. 모든 분야 센서 등에서 널리 사용됨.
0-5V	0V부터 5V까지 전압을 출력. 보다 작은 범위의 전압을 사용하는 경우로 저전압 신호에 적합함. 다양한 실험실 장비, 소형 센서 및 저전압 회로에서 사용됨.
0-1V 또는 0-2V	0V부터 1V 또는 2V까지의 전압을 출력. 매우 낮은 범위의 신호를 사용하는 경우로, 작은 측정값을 정확히 구별하는 데 유용. 고해상도의 정밀 측정 장비에서 사용됨
0-20V	0V부터 20V까지의 전압을 출력. 넓은 범위의 신호를 제공하며, 높은 전압이 필요한 응용에서 사용됨. 산업용 제어 시스템, 고전압 센서에서 사용됨.