글쓴이 : SOONDORI
1930년대 아날로그 원격 통신에서 제안되었고, 1950년대 이후 유/공압 제어 분야에서 널리 사용된 커런트 루프 아이디어는, 장점이 너무 명확하여 확고부동한 업계 표준으로 자리 잡았고 오늘날에도 발전설비, 산업설비, 자동차 등에서 자주 활용되고 있다. 센서류를 찾다보면 거의 기본 스펙으로.
환형(=Loop 형상) 전류 흐름은 무엇이고 그것으로 원격 통신을 어떻게?
■ 기본 논리는,
○ 원자력 발전소이든 유화학 공장이든 뭐든, 어떤 공장에 집채만 한 물리 시스템이 있다고 하고… 어떤 위치에 압력, 온도 등 다양한 물리 변량을 측정하는 <커런트 루프형 센서>를 배치한다. 멀리 이격된 곳에 센서값을 받는 <센서 데이터 획득 장치 내지 제어계>를 배치한다. 이격 거리는 논리적으로 무한대. (실제로는 500m쯤. 1Km를 넘어가면 RS-485 통신 방식을 쓸 수 있다. 다만, 배선 총 비용이…)
(출처 : https://www.predig.com/indicatorpage/back-basics-fundamentals-4-20-ma-current-loops)
○ 양자를 두 가닥 꼬임 전선으로 연결한다. 여기서, 세 가닥, 네 가닥… n 가닥의 와이어가 아니라 오로지 두 가닥이라는 게 중요하다. 배선의 최저선일 두 가닥은 곧 비용 절감. 게다가 전선을 꼬아 놓으면 노이즈가 두 선에 동시에 영향을 주고 상쇄되기 때문에 내성 확보에도 도움이 된다. (차동방식 시리얼 통신에서 흔히 쓰이는 방법론)
○ 두 가닥 배선에서… 일단 동작 전압과 동작 전압의 미세 변동은 무시하고 전류 흐름에만 집중하는데, 센서가 획득한 값을 4mA(=0%) 이상, 20mA(=100%*) 이하의 전류량으로 변환하고 그것을 <센서 데이터 획득 장치 내지 제어계>가 받은 다음, 종단 저항으로 전압으로 변환하고 이후 ADC 등 적당한 수단을 이용하여 해석한다. 제어 기능을 포함하는 경우 센서 On/Off 제어 또는 동작점, 휴지점을 설정할 수도 있고…
* 왜 굳이 4mA, 20mA인가? 공압 3psi를 4mA로, 15psi를 20mA로 할당한 업계 관례 때문에. 초기 커런트 루프 전압은 60mA였다고 한다. 그렇게 보면 FM 재생주파수의 끝자락은 왜 15Khz일까? 기술적 이유가 있지만, 본질은 “먼저 정한 사람의 마음대로”. 한번 정해지고 시간이 흐르면 도저히 깰 수 없는 게 업계 표준이다.
○ <센서 데이터 획득 장치 내지 제어계>에서 0mA가 감지되었다면 센서 고장이거나 배선에 문제가 있는 경우. 0mA를 초과하지만 4mA보다 작은 3.9999mA이거나 20mA보다 큰 20.0001mA는 논리상 센서 불량이나 센싱 오류. 단선도 아니고 센싱 오류도 아닌 조건으로서, 예를 들어 0 psi~100 psi 압력을 측정할 수 있는 <커런트 루프형 압력센서>, 위 그림의 센서/트랜듀서가 4mA ~ 20mA 유효 구간의 절반인 12mA를 리시버쪽으로 흘리고 있다면 당연히 현재 압력은 50psi가 된다.
오로지 얇은 선 두 가닥으로 <커런트 루프형 센서>에 동작 전압도 공급할 수 있고 전류 변화를 가지고 센서 오류, 배선 오류, 정상 여부를 판별하며 외란의 영향을 최소화하면서 원격 관측을 할 수 있다면… 대단히 유용한 것 아닌가? 항상 구불구불 배선이 고민인 산업용으로 딱 맞다.
■ 전압과 전류의 의미를 각기 다르게 해석하는 <커런트 루프형 센서> 구현 사례.
(+) 단자를 통해 어떤 전압을 인가하면 어떤 값의 <전류 A>가 흐를 것이다. 그리고 즉시, 내부 회로용 <전류 B>가 흐를 것이며… 아래 압력센서 모듈은 동작 중.
왼쪽 브릿지 회로 + AD8226 내장 OP.AMP + 기타 회로가 감지한 압력값은 오른쪽의 ADA4091-2 + Q1으로 구성된 회로에 전달되는데, 후자가 (-)단자로 흐르는 전류량을 제어한다.
그런데… 유입 <전류 A>의 증가 없이 (-)의 유출 <전류 C>를 키우거나 감소시킬 수 있을까? 불가능. 그 말은 <전류 C>만큼 <전류 A>도 함께 등락해야 한다는 뜻이다. 그렇게 “함께”라는 조건을 충족하려면 <전류 A>와 <전류 B> 라인은 모듈 외부에서 서로 연결되어야 하고. 그런 연결고리가 전체 전류 경로 관점의 Loop. 첫 번째 그림의 #4.
A, B, C의 관계를 수식으로 정리하면,
입/출이 같아야 하니까 당연히 A = C.
전류 A 또는 전류 C = <내부 소모 전류 B> + <ADA4091-2가 드라이버 트랜지스터를 이용해서 조절할 수 있는 전류>
내부용 <전류 B>와 <ADA4091-2가 드라이버 트랜지스터를 이용해서 조절할 수 있는 전류>는 감지 내지 통제 가능하다. 후자에 주목하고 ‘조절할 수 있는 전류’를 0%@4mA ~ 100%@20mA 안에 묶어 두면? 압력 변화는 곧 (+) ~ (-) 단자를 통과하는 전류 흐름 변화가 된다.
그렇다면 센서 동작의 또 다른 요소인 전압은 어떻게 해석해야 하는지?
위 회로에서,
1) 좌측 AD8226 쪽 회로는 전압 등락과 전혀 상관없는 브릿지 평형 회로를 가지고 압력 변화를 인식하고,
2) 우측 ADA4091과 트랜지스터 쪽 회로는 R4에 의한 국부 전압 등, ADA4091 Negative 핀 조합으로 센서 모듈의 동작 전압 등락을 무효로 만들고 있다. 즉, 동작 전압이 5V이든 5.1V이든 10V이든… 사용 반도체 소자들이 최소한으로 동작할 수 있거나 (전압 높아졌을 때) 최대한 버틸 수 있는 범위 안에 있기만 하면 (+), (-) 단자 전압의 등락은 아무 영향을 주지 못한다.
그 말은 7V, 12V, 15V… 적당한 DC 전압을 쓸 수 있다는 뜻이기도 함. 3선식 AC도 가능. 아무려나 항상 흔들리는 라인 전압에서 “전압은 잊어주세요!” 그렇게 자유롭다는 것은 대단히 큰 강점이다.
■ 빈티지 세상의 사례
○ 아래는 4m~20mA를 임의 출력함으로써 공장 제어 계통의 상태 판정, 다양한 센서 모듈의 캘리브레이션을 위해 사용되었던 빈티지 장치. (표제부 사진은 같은 논리로 시스템 밸브의 동작을 테스트하는, 비싸고 모던한 Fluke 710 포터블 캘리브레이터)
* 관련 글 : 프로세스 캘리브레이터
(▲ 공정 즉, 프로세스 캘리브레이터, TIME Electronics CAL 1030. 출처 : https://picclick.com/TIME-MICRO-CAL-1030-precision-analogue-voltage-current-124362395975.html)
○ 한편으로 빈티지 튜너나 앰프에서 Loop라는 단어가 종종 쓰인다. 피드백 루프(Feedback Loop, NFB), 그라운드 루프(Ground Loop), 폐루프(Closed Loop)… 테크닉스가 자사 릴데크의 묘한 아이디어에 붙인 어거지식 Isolated Loop에 이르기까지. 그런데…
* 관련 글 : Technics RS-1500 프로용 릴-데크, 그리고 Isolated Loop
오디오가 무슨 센싱 장치인가? 커런트 루프 4mA~20mA와는 특별한 관계가 없음. 그러므로 글의 취지를…
1) 아날로그적 전류 변화가 곧 안정적인 통신 기재가 된다는 사실은 별것 아닌 듯 보이지만, 잠시 더 생각해보면 매우 흥미롭다. 실제로 High Current(=디지털의 High), Low Current(=디지털의 Low)가 조합되는 저속 데이터 통신(예 : 구형 독일제 Telex, 50 Baud Rate, 60V/40mA)에 적용된 사례가 있고… 여기서, 장거리 Loop 케이블은 장치와 장치를 연결하는 아날로그기반 통신 라인이다.
2) V = I × R로 표현되는 전류와 전압의 밀접하고 명확한 관계에도 불구하고 양자를 무관한 것처럼 취급할 수 있다. 흔히 계측에서 전압 단위를 많이 쓰지만, 전류 단위도 유효한 계측 수단. 참고로 빈티지 앰프의 종단 시멘트 저항에서 mV 전압을 측정하는 게 사실은 mA 단위 아이들 커런트를 측정하는 것.
3) 커런트 루프 통신에서도 케이블 임피던스가 중요 변수로 작용한다는 사실을 강조해두는 정도로.
○ 예시 자료로서, 센서 + 트랜스듀서 회로 = 커런트 루프형 센서.
(▲ 아날로그 전압 출력 모드와 커런트 루프 모드를 선택할 수 있는 복합형 제품)
○ 4~20mA 감지/변환 회로 + 기타 = 센서 데이터 획득 장치 내지 제어계. 큰 기업 무라타가 이런 소소한 솔루션을 열심히 팔고 있는 것은, 산업분야에서 많이 쓰이기 때문이다.
(▲ Self Powered라는 단어에 유의. 커런트 루프의 에너지를 활용하므로 별도 전원 공급은 필요 없음. 더불어, 최소 전력으로 동작해야 하므로 표시부에 LCD를 쓰고 있다)
