4-20mA 신호란? 전류신호를 쓰는 이유

2026년 9월 2일 읽는 시간 약 5분

4-20mA 신호란 센서의 측정값을 4mA에서 20mA 범위의 전류로 변환해 전달하는 산업용 표준 신호입니다. 4-20mA의 동작 원리와 Live Zero, 전압신호보다 장거리 전송에 유리한 이유를 알아봅니다.

4-20mA 신호란 무엇이며 어떻게 값을 전달할까?

4-20mA 신호는 온도, 압력, 유량, 수위 등 산업현장의 물리량을 4mA에서 20mA 범위의 전류값으로 변환하여 PLC나 제어기로 전달하는 대표적인 아날로그 신호방식입니다. 예를 들어 측정범위가 0~100℃인 온도 Transmitter라면 일반적인 선형 설정에서 0℃를 4mA, 50℃를 12mA, 100℃를 20mA로 표현할 수 있습니다. 압력센서가 0~10bar 범위를 측정한다면 4mA가 0bar, 20mA가 10bar에 대응하도록 설정할 수 있습니다. PLC의 Analog Input Module은 이 전류를 측정해 A/D 변환을 거쳐 Raw Data로 만들고, 프로그램에서는 Scaling을 통해 다시 ℃, bar, %, L/min 등의 공학단위로 환산합니다. 따라서 4-20mA는 센서가 측정한 물리량 자체가 아니라 그 측정결과를 전류 크기에 대응시켜 전달하는 신호입니다. 센서와 PLC 사이에서 일정한 전류 Loop를 구성하여 정보를 전달하기 때문에 Current Loop 방식이라고도 부릅니다.

왜 0-20mA가 아니라 4-20mA를 사용할까?

4-20mA 방식의 중요한 특징 중 하나는 측정범위의 최소값을 0mA가 아닌 4mA로 표현한다는 것입니다. 이를 Live Zero라고 합니다. 만약 0~20mA 시스템에서 정상적인 측정값 0%를 0mA로 표현한다면 신호선이 단선되어 전류가 흐르지 않는 상태와 정상적인 0% 측정상태를 단순 전류값만으로 구분하기 어려울 수 있습니다. 반면 4-20mA에서는 정상적인 측정범위의 하한에서도 4mA가 흐르도록 설계할 수 있으므로 0mA에 가까운 비정상 상태와 정상적인 최소 측정값을 구분하는 데 유리합니다. 또한 2-Wire Transmitter에서는 같은 두 가닥의 배선을 통해 장치의 동작에 필요한 전력을 공급하면서 측정정보를 전류로 전달할 수 있습니다. 다만 4mA 미만이면 무조건 단선처럼 단순하게 판단해서는 안 됩니다. 실제 고장 판정 범위는 Transmitter와 PLC 입력모듈의 진단기능 및 적용 규격에 따라 달라지며 일부 계측 시스템에서는 NAMUR NE 43과 같은 기준을 활용하기도 합니다.

4-20mA는 왜 장거리 전송에 유리할까?

산업현장에서 4-20mA가 널리 사용되는 이유 중 하나는 적절하게 설계된 Current Loop에서 배선저항에 의한 전압강하가 일정 범위 내에 있는 동안 신호전류를 유지할 수 있기 때문입니다. 전압신호는 케이블과 접속부의 저항에서 발생하는 전압강하가 측정오차에 직접 영향을 줄 수 있지만, 전류 Loop에서는 Transmitter가 필요한 전류를 유지할 수 있는 충분한 공급전압과 Compliance Voltage가 확보된다면 수신 측에서 동일한 Loop 전류를 측정할 수 있습니다. 이 때문에 센서와 PLC 사이의 거리가 긴 공장이나 플랜트에서 유용합니다. 그러나 배선 길이가 무한정 길어져도 문제가 없다는 의미는 아닙니다. 전원전압, 케이블 저항, PLC 입력저항, Barrier나 Isolator 등 Loop에 연결된 장치들의 전압강하를 모두 합산하여 Transmitter가 정상적으로 동작할 수 있는 Loop 전압을 확보해야 합니다. 또한 전자기적 노이즈가 강한 환경에서는 적절한 케이블 선정과 Shield, 접지 및 배선 분리도 중요합니다.

2선식·3선식·4선식 4-20mA는 무엇이 다를까?

4-20mA 장치는 전원과 신호의 구성에 따라 2-Wire, 3-Wire, 4-Wire 방식 등으로 구분할 수 있습니다. 2선식 Transmitter는 두 가닥의 배선에 전원공급과 4-20mA 신호전송 기능을 함께 구성하는 Loop-Powered 방식으로 산업용 계측에서 널리 사용됩니다. 3선식 장치는 일반적으로 전원 +, 0V와 별도의 출력선을 사용하며 장치 구조에 따라 전류 출력의 기준과 배선방법을 확인해야 합니다. 4선식 장치는 전원회로와 출력신호 회로를 별도로 구성하는 형태가 사용될 수 있으며 외부전원을 독립적으로 공급하는 계측기에 적용됩니다. 따라서 단순히 4-20mA 센서라는 정보만 보고 PLC에 연결해서는 안 되며 센서가 Active Output인지 Passive Output인지, PLC Analog Input이 어떤 방식의 전류입력을 지원하는지도 확인해야 합니다. 전류 Loop가 잘못 구성되면 측정값이 나오지 않거나 장비에 문제가 발생할 수 있습니다. 결국 4-20mA 신호를 이해하는 핵심은 4mA와 20mA의 숫자를 외우는 것이 아니라 센서의 측정값이 하나의 전류 Loop를 통해 어떻게 안정적으로 PLC까지 전달되는지를 이해하는 것입니다.