먼저 알아둘 용어
4–20 mA 루프: 측정 범위를 전류값에 대응시켜 전달하는 계측 회로입니다. 여기서 다루는 2선식 구성은 같은 두 선으로 송신기에 전원을 공급하고 신호도 전달합니다.
컴플라이언스와 전원 여유: 설정한 전류를 유지할 수 있는 전압 조건을 뜻합니다. 케이블과 수신 저항 등에서 쓰는 전압을 빼고도 송신기의 최소 동작 전압이 남아야 합니다.
수신 저항: 루프 전류를 전압으로 바꾸어 읽는 저항입니다. 저항값이 커지면 읽는 전압도 커지지만 루프의 전압 여유는 줄어듭니다.
영점·스팬: 영점은 측정 범위의 시작 기준, 스팬은 시작과 끝 사이의 범위입니다. 전류를 읽었다고 해서 두 기준이 정확히 보정됐다는 뜻은 아닙니다.
같은 전류가 하나의 루프를 흐릅니다
2선식 계측 루프에서는 두 선으로 송신기에 전원을 공급하면서 측정값을 전류로 전달합니다. 4 mA는 보정된 영점, 20 mA는 보정된 최대 범위로 쓰는 일반적인 매핑입니다. 0 mA는 단선이나 전원 상실 등의 단서이지 원인 하나를 확정하는 진단은 아닙니다.
이 글의 도식은 일반적인 루프를 설명하는 자체 개념도입니다. Amy Jiang 글의 LM324 회로를 복제·검증하거나 생산 설계로 승인한 것이 아닙니다. 소자 연결과 보호·절연 요구는 실제 회로별로 확인해야 합니다.
전원 → 케이블 저항 → 2선식 송신기
송신기 → 귀환 케이블 → 수신 저항 → 전원
수신 저항의 전압 → 허용 범위를 맞춘 ADC 입력
송신기에 남는 전압을 계산합니다
전원 최저 전압은 송신기 최소 단자 전압, 최대 전류와 전체 직렬 저항의 곱, 보호소자 등 기타 전압 강하의 합보다 낮아서는 안 됩니다. 저항에는 왕복 케이블과 수신 저항을 모두 포함합니다. 이 조건을 벗어나면 설정 전류를 유지하지 못할 수 있습니다.
TI의 XTR116 설명은 최소 7.5 V를 요구하는 소자를 예로 듭니다. 전원 24 V, 전체 직렬 저항 900 Ω, 전류 20 mA이면 저항에서 18 V가 떨어져 송신기에는 6 V만 남습니다. 이 회로의 7.5 V 요구를 만족하지 않습니다.
같은 이상적 조건에서 저항 상한은 (24 − 7.5) / 0.020 = 825 Ω입니다. 수신 저항이 250 Ω이면 다른 직렬 저항에 남는 양은 575 Ω입니다. 공급 허용차·보호소자·온도·진단용 상한 전류의 여유를 빼지 않은 계산값이므로 케이블 선정 보증값으로 쓰지 않습니다.
250 Ω은 1–5 V를 만들지만 모든 ADC에 맞지는 않습니다
V = I × R이므로 250 Ω에서 4 mA는 1 V, 20 mA는 5 V입니다. 3.3 V ADC에 이 전압을 그대로 넣을 수 있다고 가정하지 않습니다. 실제 입력 범위·공통모드·과전압 보호와 오차 예산에 맞춰 수신 회로를 설계합니다.
수신 저항의 손실은 P = I²R이며 20 mA·250 Ω에서 0.1 W입니다. 정격 여유, 주변 온도와 저항의 온도 계수도 검토해야 합니다. 저항을 키우면 신호 전압은 커지지만 전원 여유를 더 사용합니다.
영점·스팬·고장 판정은 별도 항목입니다
선형 매핑의 계산 예시는 I = 4 mA + 16 mA × (Vin − Vmin) / (Vmax − Vmin)입니다. 이는 측정 범위와 출력 범위의 관계이지 임의 LM324 회로의 전달함수를 증명하는 식은 아닙니다. 실제 레퍼런스·입력 부하·소자 편차와 보정 범위를 확인합니다.
고장 출력과 수신기 경보 임계값은 장비 설정·데이터시트로 정합니다. 발열도 수신 저항과 송신기 각 소자에 걸리는 전압·전류로 나누어 계산합니다. 이 글에는 원저자 회로의 실물 제작·정확도·노이즈 내성·안전 인증 결과가 없습니다.