4-20mA 부하저항 계산｜2선식 트랜스미터 Loop Power 공식

2선식 4-20mA 트랜스미터는 두 가닥의 배선으로 전원을 공급받으면서 측정 신호를 전류로 전송합니다.

이때 24V DC 전원이 연결되어 있다고 해서 트랜스미터가 항상 24V를 모두 사용할 수 있는 것은 아닙니다.

PLC/DCS 입력, 케이블, 배리어 등에서 전압이 떨어진 뒤에도 트랜스미터가 필요한 최소 단자전압이 남아 있어야 합니다.

이 글에서는 2선식 트랜스미터의 4-20mA 부하저항 계산 방법에만 집중합니다.

4-20mA 부하저항은 왜 계산할까?

4-20mA 루프에서 저항에 발생하는 전압강하는 옴의 법칙으로 계산합니다.

V = I × R

전류가 커질수록 같은 저항에서도 더 큰 전압강하가 발생합니다.

따라서 루프에 연결된 부하가 너무 크면 트랜스미터가 필요한 단자전압을 확보하지 못할 수 있습니다.

기본 관계는 다음과 같습니다.

공급전압 ≥ 트랜스미터 최소전압 + 루프의 전압강하

여기서 남는 전압으로 허용 가능한 부하저항을 계산합니다.

최대 부하저항 계산 공식

가장 기본적인 계산식은 다음과 같습니다.

Rmax = (Vs – Vmin) ÷ Imax

각 항목은 다음 의미입니다.

• Rmax: 허용 가능한 최대 외부 부하저항
• Vs: 루프 공급전압
• Vmin: 트랜스미터가 요구하는 최소 단자전압
• Imax: 계산에 적용하는 최대 루프전류

배리어 등에서 별도의 고정 전압강하를 고려해야 한다면 다음처럼 계산할 수 있습니다.

Rmax = (Vs – Vmin – Vfixed) ÷ Imax

다만 제조사가 Maximum Load, Load Limitation, Load Curve를 제공한다면 제조사 사양을 우선해야 합니다.

24V에서 부하저항 계산 예시

다음 값은 계산 방법을 설명하기 위한 가정값이며 특정 제조사 제품의 사양이 아닙니다.

• 공급전압: 24V DC
• 최소 단자전압: 12V
• 계산 전류: 20mA
• 별도 전압강하: 없음

외부 부하에 사용할 수 있는 전압은

24V – 12V = 12V

입니다.

20mA는 0.020A이므로

Rmax = 12 ÷ 0.020

Rmax = 600Ω

이 됩니다.

즉 이 가정 조건에서만 계산상 외부 부하의 합을 600Ω 이하로 볼 수 있습니다.

600Ω을 모든 4-20mA 트랜스미터의 허용 부하로 사용하면 안 됩니다.

제품마다 최소 동작전압과 Load Curve가 다를 수 있기 때문입니다.

PLC 입력저항도 전체 부하에 포함한다

트랜스미터와 직렬로 연결되는 저항성 부하는 전체 루프에서 함께 봐야 합니다.

대표적으로 확인할 항목은 다음과 같습니다.

• PLC/DCS Analog Input 입력저항
• 외부 직렬저항
• 케이블 왕복저항
• 직렬 연결된 표시계 등의 부하

이번에도 계산 예시로 PLC 입력저항을 250Ω, 기타 저항을 50Ω이라고 가정하겠습니다.

전체 부하는

250Ω + 50Ω = 300Ω

입니다.

20mA에서 이 부하에 발생하는 전압강하는

0.020A × 300Ω = 6V

입니다.

24V를 공급한다면 단순 계산상 트랜스미터 측에 남는 전압은

24V – 6V = 18V

입니다.

이 값을 사용하는 트랜스미터의 최소 단자전압과 비교하면 됩니다.

250Ω 저항은 무조건 추가하지 않는다

4-20mA 시스템에서 250Ω이라는 숫자가 자주 보이지만 모든 루프에 외부 250Ω을 추가하는 것은 아닙니다.

PLC/DCS Analog Input 자체가 이미 필요한 입력저항을 가지고 있을 수 있기 때문입니다.

HART 통신에 필요한 루프저항 역시 사용하는 트랜스미터와 통신장비의 매뉴얼을 기준으로 확인해야 합니다.

관련 개념 더 알아보기
250Ω이 1~5V 변환이나 HART 통신에서 사용되는 이유는 별도 글에서 다룹니다.
4-20mA 신호에서 250Ω 저항을 사용하는 이유 → 글 보기

배리어·아이솔레이터가 있다면

안전배리어나 아이솔레이터를 항상 하나의 고정 저항으로 환산할 수 있는 것은 아닙니다.

제품 데이터시트가 전압강하를 제시한다면 해당 값을 Vfixed로 고려할 수 있습니다.

반대로 외부 부하저항이나 등가저항으로 사양이 제시되어 있다면 전체 저항에 포함합니다.

특히 본질안전방폭 루프에서는 배리어가 허용 부하 계산에 포함될 수 있으므로 해당 구성의 제조사 자료를 확인해야 합니다.

Yokogawa EJX·EJA-E 계열의 공식 설치 매뉴얼도 4-20mA 출력에서 공급전압과 외부 부하저항의 관계를 별도로 제시하며, 본질안전방폭 구성에서는 외부 부하에 Safety Barrier Resistance가 포함된다고 명시합니다.

실제 제품은 Load Curve를 먼저 본다

기본 공식은 원리를 이해하는 데 유용하지만 실제 설계에서는 해당 모델의 Load Curve가 가장 중요합니다.

특정 모델 예시: Rosemount 3051

Emerson의 Rosemount 3051 HART 4-20mA 모델 매뉴얼에는 특정 출력 코드에 대해 다음 최대 루프저항 관계가 제시되어 있습니다.

Maximum Loop Resistance = 43.5 × (Power Supply Voltage – 10.5)

24V를 적용하면

43.5 × (24 – 10.5) ≈ 587Ω

입니다.

이 값은 Rosemount 3051의 해당 4-20mA 출력 모델에 대한 예시이며 모든 트랜스미터에 적용하는 공식이 아닙니다.

같은 매뉴얼은 해당 모델의 무부하 최소 공급전압을 10.5V DC로 제시하고 HART 통신에는 최소 250Ω의 Loop Resistance가 필요하다고 설명합니다.

이 사례가 보여주는 핵심은 하나입니다.

기본 계산 결과보다 제조사의 실제 Load Limitation을 우선해야 합니다.

왜 20mA보다 높은 전류도 확인해야 할까?

정상 측정범위 계산에서는 20mA를 사용할 수 있습니다.

하지만 실제 제품에 별도의 Maximum Output Current나 Alarm Current가 정의되어 있다면 그 조건도 확인해야 합니다.

같은 저항이라도 전류가 높아지면

V = I × R

에 따라 전압강하가 더 커지기 때문입니다.

여기서는 고장전류 기준을 더 설명하지 않습니다. 해당 내용은 NAMUR NE43 글의 검색의도이므로 별도 글에서 다루는 편이 사이트 중복을 줄이는 데 좋습니다.

데이터시트에서 확인할 항목

2선식 트랜스미터의 Loop Power를 계산할 때는 먼저 데이터시트에서 아래 항목을 찾으세요.

• Supply Voltage
• Minimum Operating Voltage
• Minimum Terminal Voltage
• Maximum Load Resistance
• Load Limitation / Load Curve
• Maximum Output Current

HART를 사용한다면 추가로 필요한 Loop Resistance 조건을 확인합니다.

PLC/DCS에서는 Analog Input의 입력저항 또는 입력 임피던스를 확인합니다.

배리어나 아이솔레이터가 있다면 해당 장비의 부하조건이나 전압강하도 함께 봐야 합니다.

계산은 맞는데 20mA까지 올라가지 않는다면?

Loop Power 계산이 맞더라도 실제 현장에서는 결선이나 추가 부하, 트랜스미터 단자전압 등을 확인해야 할 수 있습니다.

이 문제는 본 글에서 반복해서 설명하지 않고 별도의 트러블슈팅 글로 분리합니다.

관련 개념 더 알아보기
4mA 부근은 정상인데 높은 출력에서 20mA까지 올라가지 않는다면 실제 루프의 전압과 부하를 점검해야 합니다.
4-20mA가 20mA까지 안 올라가는 이유 → 글 보기

4-20mA 부하저항 계산 핵심 정리

기본 관계는 간단합니다.

공급전압 ≥ 트랜스미터 최소 단자전압 + 루프 전압강하

기본 계산식은

Rmax = (Vs – Vmin) ÷ Imax

입니다.

배리어 등에서 별도 전압강하가 있다면

Rmax = (Vs – Vmin – Vfixed) ÷ Imax

로 계산할 수 있습니다.

하지만 실제 설계에서는 사용하는 트랜스미터의 Load Curve와 Maximum Load 조건을 최우선으로 확인해야 합니다.

같은 24V, 같은 4-20mA 방식이라도 제품별 허용 부하는 달라질 수 있습니다.

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참고자료

• Emerson, Rosemount 3051 Pressure Transmitter with HART Protocol Reference Manual — 해당 4-20mA 출력 모델의 공급전압, Load Limitation 및 HART Loop Resistance 조건.
• Yokogawa, EJX and EJA-E Series Differential Pressure and Pressure Transmitters Installation Manual — 공급전압과 외부 부하저항 관계 및 Safety Barrier 포함 조건.