2선식·3선식·4선식 센서 차이｜배선 원리

2선식·3선식·4선식 센서 차이는 전원과 출력신호를 몇 개의 배선으로 구성하는지에 있습니다. 산업용 센서의 2-Wire·3-Wire·4-Wire 구조와 NPN·PNP 출력, 4-20mA 센서의 배선 원리를 알아봅니다.

2선식·3선식·4선식 센서 차이는 무엇일까?

산업용 센서는 전원공급과 출력신호를 구성하는 방식에 따라 2선식(2-Wire), 3선식(3-Wire), 4선식(4-Wire) 등으로 구분할 수 있습니다. 하지만 단순히 선의 개수만 보고 센서의 동작방식을 판단해서는 안 됩니다. 같은 2선식이라도 근접센서처럼 부하와 직렬로 연결되는 ON·OFF 센서가 있는 반면, 계측용 4-20mA Transmitter처럼 두 선을 이용해 전원과 아날로그 신호를 동시에 전달하는 장치도 있습니다. 3선식 센서는 일반적으로 전원 +, 0V, 출력선을 각각 사용하며 NPN·PNP 방식의 DC 센서에서 흔히 볼 수 있습니다. 4선식 역시 두 개의 출력이나 독립적인 전원·신호회로 등 다양한 구조가 존재합니다. 따라서 3선식은 NPN 센서, 4선식은 아날로그 센서처럼 선의 개수만으로 기능을 단정할 수 없습니다. PLC에 센서를 연결할 때는 배선 수와 함께 출력형식, 정격전압, Sink·Source 구성, Analog·Digital 신호 여부를 반드시 확인해야 합니다.

2선식 센서는 전원과 신호를 어떻게 함께 사용할까?

2선식 센서는 두 개의 배선으로 회로를 구성하지만 동작방식은 센서 종류에 따라 다릅니다. 2선식 DC 근접센서나 스위칭 센서의 경우 센서가 부하 또는 PLC 입력회로와 직렬로 연결되어 같은 회로를 통해 동작전류와 출력신호가 흐르는 구조가 사용됩니다. 이 때문에 센서가 OFF 상태에서도 내부회로를 동작시키기 위한 작은 누설전류가 흐를 수 있고, ON 상태에서도 센서 내부에서 일정한 전압강하가 발생할 수 있습니다. PLC 입력과 연결할 때는 이러한 특성이 입력의 ON·OFF 판정에 영향을 주지 않는지 확인해야 합니다. 한편 2-Wire 4-20mA Transmitter는 Current Loop를 이용하여 동일한 두 선으로 전원을 공급받으면서 측정값을 4~20mA 전류로 표현합니다. 따라서 2선식이라는 공통점이 있더라도 디지털 스위칭 센서와 아날로그 Transmitter의 배선원리는 서로 다릅니다. 실제 설치에서는 센서 데이터시트의 Wiring Diagram을 기준으로 전원과 PLC 입력의 전류경로를 확인하는 것이 중요합니다.

3선식 센서는 NPN·PNP 출력과 어떤 관계가 있을까?

3선식 DC 센서는 근접센서와 포토센서 등 산업자동화에서 매우 흔하게 사용됩니다. 일반적으로 전원 +, 0V, 출력신호의 세 선으로 구성되어 센서 내부회로의 전원과 출력회로를 구분할 수 있습니다. IEC 계열 색상관례가 적용된 많은 제품에서는 Brown을 +전원, Blue를 0V, Black을 출력으로 사용하지만 모든 장치에 동일하게 적용된다고 가정해서는 안 됩니다. 3선식 센서에서는 NPN과 PNP Transistor 출력이 대표적입니다. NPN 출력은 ON될 때 출력단을 0V 방향으로 연결하는 Sinking Output이며, PNP 출력은 +전원 측에서 PLC 입력으로 전류를 공급하는 Sourcing Output입니다. 따라서 NPN 센서는 이에 대응하는 Source 입력회로와, PNP 센서는 Sink 입력회로와 조합되어 전류경로를 형성해야 합니다. 일부 센서에는 Analog Voltage 또는 Current Output을 사용하는 3선식 구조도 있으므로 3선식=디지털 NPN·PNP라고 항상 단정할 수는 없습니다.

4선식 센서는 어떤 경우에 사용될까?

4선식 센서는 센서 기능과 출력구성에 따라 여러 형태로 사용됩니다. 디지털 센서에서는 전원 +와 0V 외에 두 개의 출력선을 제공하여 NO·NC 또는 상보(Complementary) 출력을 동시에 사용할 수 있는 제품이 있습니다. 예를 들어 하나의 출력은 물체 감지 시 ON되고 다른 출력은 반대 상태가 되도록 구성할 수 있습니다. 계측용 Transmitter에서는 장치에 별도의 전원을 공급하고 출력신호 회로를 독립적으로 구성하는 4-Wire 방식이 사용되기도 합니다. 또한 센서 종류에 따라 4개의 배선이 완전히 다른 기능을 담당할 수 있으므로 선의 개수만으로 연결법을 결정하면 안 됩니다. PLC에 연결하기 전에는 각 선의 기능, 전원전압, 출력이 NPN·PNP인지, 0-10V·4-20mA인지, 출력회로가 Active인지 Passive인지 등을 확인해야 합니다. 특히 4선식이라는 용어는 센서의 기능을 정의하는 규격명이 아니라 배선구조를 설명하는 표현에 가깝습니다. 결국 산업용 센서 배선의 핵심은 2선·3선·4선이라는 숫자를 암기하는 것이 아니라 제조사의 회로도를 통해 전원과 신호의 실제 흐름을 이해하는 것입니다.