4-20mA 아날로그 신호 완벽 정리 – 개념부터 활용까지

4-20mA 신호는 산업 자동화 및 계측 장비에서 표준적으로 사용되는 아날로그 신호 전송 방식이다.
센서, 변환기, PLC(Programmable Logic Controller), SCADA 시스템 등에서 데이터를 안정적으로 전송하기 위해 사용된다.

이번 글에서는 4-20mA의 개념, 동작 원리, 0-10V 신호와의 차이점, 활용 분야 및 장점까지 자세히 알아보겠다.

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1. 4-20mA란?

4-20mA는 전류 루프(Current Loop) 방식의 아날로그 신호 전송 규격으로,
센서 및 변환기가 측정 값을 전류(4~20mA)로 변환하여 송신하는 방식이다.

✅ 장거리 전송 시 신호 감쇠가 거의 없음
✅ 노이즈(EMI, RFI)에 강하여 산업 환경에서 안정적
✅ 센서의 정상 동작 여부(4mA 미만 = 오류)를 쉽게 확인 가능

📌 산업 자동화에서는 4-20mA가 가장 널리 사용되는 아날로그 신호 전송 방식이다.

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2. 4-20mA의 주요 특징

① 전류 기반 신호 전송

4-20mA는 전압(0-10V)과 달리 전류를 이용하여 신호를 전송한다.
전류는 배선 저항과 관계없이 일정한 값을 유지하기 때문에,
장거리 전송 시에도 신호 감쇠가 거의 발생하지 않는다.

✅ 전압 강하(Voltage Drop) 없이 안정적인 데이터 전송 가능
✅ 센서와 컨트롤러 사이의 거리(최대 1000m) 영향을 덜 받음

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② 4mA를 기준으로 오류 감지 가능

4-20mA 방식은 최소값을 0mA가 아닌 4mA로 설정하여,
센서 또는 배선 이상을 쉽게 감지할 수 있도록 설계되었다.

전류 값(mA) 상태

0mA	배선 단락(센서 또는 배선 오류)
4mA	최소 측정값
12mA	중간 값(50%)
20mA	최대 측정값

📌 0mA가 나오면 센서가 단선되었거나, 시스템 오류가 발생했음을 의미한다.

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③ 2선식 vs. 4선식 4-20mA 시스템

구분 2선식 4-20mA 4선식 4-20mA

배선 방식	전원선(+)과 신호선(-) 2가닥 사용	전원선 2가닥 + 신호선 2가닥 사용
배선 수	적음	많음
사용 용도	원격 센서, 장거리 신호 전송	정밀 측정이 필요한 경우

✅ 2선식(Loop Powered) 방식은 센서와 컨트롤러 간 최소한의 배선으로 동작 가능하여, 설치가 간단하다.
✅ 4선식 방식은 별도의 전원을 사용하므로, 더 정밀한 측정이 가능하다.

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3. 4-20mA vs. 0-10V 신호 차이점

구분 4-20mA 0-10V

신호 유형	전류	전압
신호 감쇠	없음 (장거리 전송 가능)	있음 (전압 강하 발생)
노이즈 저항성	강함 (EMI, RFI 영향 적음)	약함 (노이즈 영향 큼)
배선 방식	2선식 또는 4선식	3선식 또는 4선식
주요 사용 환경	공장 자동화, 산업용 센서	실험실, 단거리 신호 전송

📌 4-20mA는 산업 환경에서 신뢰성이 높아, 공장 자동화 및 계측 시스템에서 필수적으로 사용된다.
📌 0-10V는 짧은 거리에서 신호를 전송할 때 적합하며, 실험실 및 연구소에서 주로 사용된다.

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4. 4-20mA의 동작 원리

1️⃣ 센서가 측정 데이터를 전류(4-20mA) 신호로 변환
2️⃣ 컨트롤러(PLC, DCS)가 4-20mA 신호를 수신하여 처리
3️⃣ 변환된 신호를 디지털 값으로 변환하여 디스플레이 또는 제어 시스템에 전달

✅ 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여, 4-20mA 신호를 디지털 값으로 변환할 수 있다.

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5. 4-20mA의 활용 분야

🏭 산업 자동화 – PLC, DCS, SCADA 시스템에서 센서 및 계측 장비 연결
⚡ 전력 및 에너지 관리 – 전류, 전압, 온도 센서 데이터 전송
🚆 교통 시스템 – 철도 및 신호 제어 장비
🏢 건물 자동화 – HVAC(공조 시스템), 조명 제어, 환경 모니터링
💉 의료 기기 – 혈압, 유량, 산소 농도 측정 시스템

✅ 4-20mA 신호는 센서와 제어 시스템 간 신뢰성 높은 데이터 전송을 위해 필수적이다.

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6. 4-20mA 시스템 설정 및 배선 방법

📌 기본 배선 구성 (2선식 4-20mA)

• 센서(출력) → 전원(24V) → 컨트롤러(입력, PLC)
• 배선은 신호선(+)과 공통선(-) 2가닥만 필요

📌 저항값 계산 (PLC 입력용 4-20mA → 전압 변환)

• 대부분의 PLC 입력은 전압(0-10V)을 받으므로,
  250Ω 저항을 사용하면 4-20mA → 1-5V로 변환 가능

📌 PLC 입력이 전압 기반이라면, 반드시 저항을 사용하여 4-20mA 신호를 변환해야 한다.

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7. 4-20mA의 장점과 단점

✅ 장점

✔ 신호 감쇠 없음 – 장거리(최대 1000m) 전송 가능
✔ 노이즈 저항성 높음 – 산업 환경에서도 안정적
✔ 센서 오류 감지 가능 (4mA 미만 = 센서 이상 감지 가능)

❌ 단점

❌ 전압 신호(0-10V)보다 변환이 필요할 수 있음
❌ 일부 컨트롤러에서 추가 저항이 필요할 수 있음
❌ 2선식 방식에서는 전력 공급량이 제한될 수 있음