4-20mA가 20mA까지 안 올라갈 때｜전압 부족·부하저항 점검 순서

4-20mA 루프를 점검하다 보면 4mA 부근에서는 정상인데 출력이 올라갈수록 오차가 커지고, 18~19mA 부근에서 더 이상 증가하지 않는 현상이 나타날 수 있습니다.

이때 바로 트랜스미터 고장이나 PLC 아날로그 입력 불량으로 판단하면 원인을 놓칠 수 있습니다.

먼저 확인해야 할 것은 두 가지입니다.

1. 트랜스미터가 실제로 20mA까지 출력하지 못하는가
2. 실제 전류는 20mA인데 PLC나 HMI에만 100%로 표시되지 않는가

첫 번째라면 루프 전압 부족과 과도한 부하저항을 우선 확인해야 합니다.

두 번째라면 PLC Analog Input 설정이나 Scaling 문제일 가능성이 더 높습니다.

이 글에서는 4-20mA가 높은 출력 영역에서 포화될 때 현장에서 어떤 순서로 확인해야 하는지에 집중해 설명합니다.

먼저 실제 전류가 20mA까지 올라가는지 확인한다

가장 먼저 해야 할 일은 PLC 화면만 보는 것이 아니라 루프에 실제로 흐르는 전류를 확인하는 것입니다.

예를 들어 공정값이나 트랜스미터 출력 설정이 100%인데 PLC 화면에는 94%만 표시된다고 하겠습니다.

이때 실제 루프전류를 측정했더니

• 실제 전류: 20.00mA
• PLC 표시값: 94%

라면 전압 부족 문제로 보기 어렵습니다.

반대로 실제 전류도

• 18.6mA
• 18.9mA
• 19.1mA

정도에서 더 이상 증가하지 않는다면 루프가 필요한 전류를 유지할 만큼 충분한 전압을 확보하고 있는지 확인할 필요가 있습니다.

증상별로 먼저 의심할 부분

증상	먼저 확인할 항목
실제 전류가 18~19mA에서 멈춤	공급전압, 부하저항, 트랜스미터 단자전압
실제 전류는 20mA인데 PLC 값이 낮음	PLC Scaling, Analog Input 설정
250Ω 저항 추가 후 최대 출력이 낮아짐	전체 루프저항 증가
안전배리어 설치 후 출력 포화	배리어 전압강하
긴 케이블 설치 후 높은 영역에서 오차 발생	케이블 왕복 저항
3.6mA 또는 21mA 부근으로 고정	트랜스미터 Fault/Alarm 설정 확인

특히 18~19mA 부근에서 부드럽게 포화되는 현상과 3.6mA·21mA처럼 특정 고장전류로 이동하는 현상은 구분해서 보는 것이 좋습니다.

왜 4mA에서는 정상인데 20mA에서 문제가 생길까

원인은 옴의 법칙으로 이해할 수 있습니다.

V = I × R

• V: 부하에서 발생하는 전압강하
• I: 루프전류
• R: 루프에 존재하는 저항

같은 저항이라도 전류가 커질수록 필요한 전압이 증가합니다.

예를 들어 전체 저항이 500Ω이라고 가정하겠습니다.

4mA일 때

0.004A × 500Ω = 2V

12mA일 때

0.012A × 500Ω = 6V

20mA일 때

0.020A × 500Ω = 10V

4mA에서는 부하에서 2V만 필요하지만 20mA에서는 10V가 필요합니다.

따라서 루프의 전압 여유가 부족하면 낮은 전류에서는 정상으로 보이다가 높은 출력 영역에서 문제가 나타날 수 있습니다.

Fluke도 4-20mA 루프에서 전체 저항이 증가하면 전압이 그 저항을 극복할 만큼 충분해야 하며, 부하가 커지면 트랜스미터가 설정된 전류를 유지하지 못할 수 있다고 설명합니다.

24V 전원이 정상이어도 트랜스미터 전압은 부족할 수 있다

현장에서 흔히 하는 확인 방법이 전원공급장치 출력단에서 24V를 측정하는 것입니다.

24V가 정상적으로 나오면 전원 문제는 아니라고 생각하기 쉽습니다.

하지만 2선식 루프에서는 24V 전체를 트랜스미터가 사용하는 것이 아닙니다.

루프에는 다음과 같은 부하가 포함될 수 있습니다.

• PLC 또는 DCS Analog Input
• 외부 부하저항
• 안전배리어
• Signal Isolator
• Local Indicator
• Surge Protector
• 케이블 저항

이 장비들에서도 전압이 사용됩니다.

따라서 현장 점검에서는 전원공급장치 출력전압뿐 아니라 실제 트랜스미터 +와 – 단자 사이의 전압을 확인하는 것이 중요합니다.

일부 산업용 트랜스미터는 실제 단자전압을 진단 항목으로 제공하기도 합니다. Emerson Rosemount 3051 매뉴얼에서도 Terminal Voltage와 Loop Power Characterization을 진단 항목으로 다루고 있습니다.

트랜스미터 단자전압은 높은 출력에서 측정한다

출력 포화가 의심된다면 4mA 상태에서만 전압을 확인해서는 충분하지 않습니다.

가능하다면 문제가 발생하는 18~20mA 조건에서 확인하는 것이 좋습니다.

예를 들어 다음과 같다고 가정합니다.

• 전원공급장치: 24V
• 트랜스미터 최소 요구전압: 12V
• 실제 트랜스미터 단자전압: 10.8V

이 조건이라면 전원공급장치에서는 24V가 정상으로 보여도 트랜스미터가 요구하는 최소 전압을 확보하지 못한 상태일 수 있습니다.

이때는 트랜스미터를 바로 교체하기보다 나머지 전압이 어디에서 떨어지고 있는지를 확인해야 합니다.

전체 부하저항을 계산한다

루프에 존재하는 저항은 하나씩 따로 보기보다 합산해서 확인하는 것이 좋습니다.

예를 들어 다음과 같은 시스템을 가정하겠습니다.

• PLC 입력저항: 250Ω
• 외부 추가저항: 250Ω
• 케이블 왕복저항: 40Ω

전체 저항은

250Ω + 250Ω + 40Ω = 540Ω

입니다.

20mA에서 발생하는 전압강하는

0.020A × 540Ω = 10.8V

입니다.

24V 공급전압에서 저항성 부하에 10.8V가 사용된다면 단순 계산상 남는 전압은

24V – 10.8V = 13.2V

입니다.

트랜스미터가 최소 12V를 요구한다고 가정하면 여유는 약 1.2V뿐입니다.

계산상 동작하더라도

• 전원전압 변동
• 추가 접촉저항
• 배리어 전압강하
• 실제 최대 출력전류

등을 고려하면 높은 출력 영역에서 문제가 발생할 수 있습니다.

최대 허용 부하저항은 진단용으로 이렇게 계산한다

현장에서 전압 부족 가능성을 빠르게 판단할 때는 다음 관계를 사용할 수 있습니다.

Rmax = (Vs – Vmin – Vfixed) ÷ Imax

• Rmax: 허용 가능한 최대 저항성 부하
• Vs: 공급전압
• Vmin: 트랜스미터 최소 동작전압
• Vfixed: 배리어·아이솔레이터 등에서 필요한 추가 전압
• Imax: 점검할 최대 루프전류

예를 들어

• Vs = 24V
• Vmin = 12V
• 별도 고정 전압강하 없음
• Imax = 20mA

라면

(24V – 12V) ÷ 0.020A

= 600Ω

입니다.

이 값은 특정 가정을 사용한 계산 결과일 뿐 모든 트랜스미터의 공통 허용 부하가 600Ω이라는 의미는 아닙니다.

실제 제품에서는 제조사가 제시하는 Minimum Supply Voltage, Load Limitation, Maximum Output Current 또는 Load Curve를 우선 확인해야 합니다.

250Ω 저항을 추가한 뒤 문제가 생겼다면

4-20mA 루프에서 250Ω은 자주 사용되기 때문에 외부에 별도로 추가되는 경우가 있습니다.

20mA가 흐를 때 250Ω에서 발생하는 전압강하는

0.020A × 250Ω = 5V

입니다.

문제는 PLC Analog Input 내부에 이미 250Ω에 가까운 입력저항이 있는 시스템에서 외부 250Ω을 다시 직렬로 추가하는 경우입니다.

PLC 입력 250Ω만 있는 경우

20mA × 250Ω = 5V

외부 250Ω까지 추가한 경우

20mA × 500Ω = 10V

저항 하나를 추가했을 뿐인데 최대 출력 조건에서 필요한 전압이 5V 증가합니다.

따라서 250Ω 저항을 추가한 뒤부터 20mA까지 올라가지 않는다면 외부 저항을 제거하기 전에 PLC/DCS 입력 임피던스와 HART 구성 조건을 먼저 확인하는 것이 좋습니다.

안전배리어와 아이솔레이터는 Ω만으로 판단하지 않는다

Intrinsic Safety Barrier나 Signal Isolator가 설치된 루프에서는 단순히 저항값만 합산해서는 정확하지 않을 수 있습니다.

이 장비들은 제품 구조에 따라 자체적으로 필요한 전압 조건이나 Voltage Drop 사양을 가지고 있을 수 있습니다.

예를 들어

• 공급전압: 24V
• 트랜스미터 최소 동작전압: 12V
• 배리어에서 필요한 전압: 3V

라면 저항성 부하에서 사용할 수 있는 전압은

24V – 12V – 3V = 9V

입니다.

20mA 기준 허용 가능한 저항성 부하는 단순 계산으로

9V ÷ 0.020A = 450Ω

이 됩니다.

배리어가 없을 때 계산한 600Ω보다 감소합니다.

따라서 배리어를 설치한 뒤부터 최대 출력이 낮아졌다면 제조사 데이터시트의 전압강하나 입력·출력 조건을 반드시 확인해야 합니다.

케이블 저항도 전체 부하에 포함한다

짧은 케이블에서는 영향이 작을 수 있지만 장거리 배선에서는 케이블 저항도 무시할 수 없습니다.

중요한 것은 케이블 길이 그 자체보다 왕복 전류 경로의 전체 저항입니다.

예를 들어 케이블 한 가닥의 저항이 20Ω이라면 루프에서 전류가 갔다가 돌아오는 경로가 필요한 구성에서는 실제 전류 경로에 해당하는 전체 저항을 기준으로 계산해야 합니다.

단순히 편도 길이만 이용해 저항을 계산하면 실제 전압강하를 작게 평가할 수 있습니다.

현장에서는 이 순서로 점검하는 것이 빠르다

4-20mA가 20mA까지 올라가지 않는다면 다음 순서로 확인하면 원인을 비교적 빠르게 좁힐 수 있습니다.

1. 실제 루프전류를 측정한다

PLC 화면 값만 보지 말고 실제 전류가 몇 mA인지 확인합니다.

실제 전류가 20mA인데 표시만 낮다면 전압 부족보다 PLC 입력이나 Scaling을 먼저 확인합니다.

2. 문제가 발생하는 출력구간을 확인한다

4mA부터 이미 이상한지, 16mA까지는 정상인데 18~19mA 이후부터 포화되는지 확인합니다.

높은 전류에서만 문제가 커지는 패턴은 전압 여유 부족을 의심할 중요한 단서입니다.

3. 트랜스미터 단자전압을 측정한다

낮은 출력뿐 아니라 문제가 발생하는 높은 출력 조건에서 트랜스미터 단자전압을 확인합니다.

제조사가 요구하는 최소 동작전압보다 낮지 않은지 데이터시트와 비교합니다.

4. PLC/DCS 입력저항을 확인한다

Analog Input 모듈 데이터시트에서 입력 임피던스를 확인합니다.

내부에 이미 부하저항이 있는데 외부 저항을 중복으로 추가하지 않았는지도 확인합니다.

5. 외부 250Ω 저항과 기타 부하를 확인한다

HART 또는 측정 목적으로 추가된 저항, 표시계, 서지보호기 등이 있는지 확인합니다.

6. 배리어·아이솔레이터 사양을 확인한다

각 장치에서 요구하는 전압이나 Voltage Drop을 제조사 자료에서 확인합니다.

7. 케이블 저항을 포함해 전체 부하를 다시 계산한다

특히 장거리 배선은 왕복 전류 경로를 기준으로 확인합니다.

8. Loop Calibrator로 구간을 분리한다

루프 캘리브레이터가 있다면 트랜스미터와 PLC 입력을 따로 점검하면 원인을 더 빠르게 구분할 수 있습니다.

Fluke는 mA Simulate 기능을 사용하면 트랜스미터 대신 알려진 전류값을 루프에 인가해 배선, 24V 전원과 컨트롤러 입력 쪽을 분리해서 점검할 수 있다고 설명합니다.

Loop Calibrator로 트랜스미터와 PLC를 구분하는 방법

전압 부족처럼 보이는 문제가 실제로 어디에서 발생하는지 애매하다면 루프 캘리브레이터를 이용해 두 구간을 나누어 확인할 수 있습니다.

PLC 입력 쪽 확인

트랜스미터를 분리하고 PLC 쪽 루프에

• 4mA
• 12mA
• 20mA

를 순서대로 인가합니다.

PLC 또는 HMI가 각각

• 0%
• 50%
• 100%

에 해당하는 값으로 정상 표시된다면 PLC 입력과 Scaling 쪽은 정상일 가능성이 높습니다.

트랜스미터 쪽 확인

트랜스미터를 별도로 전원 공급하여 실제 출력이 20mA까지 정상적으로 올라가는지 확인합니다.

독립된 시험에서는 20mA까지 정상인데 현장 루프에 연결하면 18~19mA에서 멈춘다면 현장 루프의 부하나 전원 조건을 다시 확인할 근거가 됩니다.

Fluke도 Loop Power를 이용해 트랜스미터를 현장 회로와 분리한 상태에서 시험할 수 있다고 설명합니다.

실제 전류는 20mA인데 PLC 값만 낮다면

이 경우에는 부하저항이나 Compliance Voltage 문제를 계속 추적할 필요가 없습니다.

예를 들어

• 멀티미터: 20.00mA
• PLC Raw 값: 정상 Full Scale에 도달
• HMI 표시: 93%

라면 HMI 또는 PLC 프로그램의 Scaling 범위를 먼저 확인해야 합니다.

반대로

• 실제 전류: 18.7mA
• PLC 값: 약 92%

라면 PLC는 실제로 들어오는 전류를 정상적으로 표시하고 있을 가능성이 있습니다.

따라서 전류가 부족한 문제와 표시값이 잘못된 문제를 반드시 구분해야 합니다.

3.6mA나 21mA로 고정된다면 같은 문제일까

반드시 그렇지는 않습니다.

일부 트랜스미터는 센서 이상이나 내부 진단 결과에 따라 정상 4-20mA 범위를 벗어난 전류를 Fault 또는 Alarm 신호로 사용합니다.

따라서 출력이 서서히 18~19mA에서 포화되는 것이 아니라 특정 조건에서

• 약 3.6mA 이하
• 약 21mA 이상

같은 값으로 이동한다면 전압 부족만 의심하지 말고 해당 제품의 Alarm Current와 Failure Current 설정도 확인해야 합니다.

제품별 설정값은 다를 수 있으므로 제조사 데이터시트가 최종 기준입니다.

Compliance Voltage는 현장에서는 어떻게 이해하면 될까

Compliance Voltage는 전류 출력회로가 설정한 전류를 유지하기 위해 사용할 수 있는 전압 능력과 관련된 개념입니다.

현장에서 복잡하게 생각할 필요는 없습니다.

20mA를 흘리기 위해 필요한 전압보다 실제 사용할 수 있는 전압이 부족하면 전류를 더 이상 올릴 수 없다

고 이해하면 됩니다.

즉 문제 해결에서는 용어 자체보다 다음 질문이 더 중요합니다.

• 현재 공급전압은 얼마인가
• 트랜스미터에 최소 몇 V가 필요한가
• 루프의 총 부하는 얼마인가
• 20mA에서 각 부하에 몇 V가 필요한가
• 최대 출력에서도 전압 여유가 남는가

계산만으로 정상이라고 판단하면 안 되는 이유

계산 결과가 한계값 바로 아래라고 해서 현장에서 반드시 안정적으로 동작하는 것은 아닙니다.

실제 시스템에는

• 전원공급장치 출력 변동
• 단자 접촉저항
• 케이블 온도에 따른 저항 변화
• 장비 내부 회로의 전압 요구조건
• Alarm/Overrange에서 20mA를 초과하는 출력

등이 존재할 수 있습니다.

특히 일부 트랜스미터는 정상 Full Scale인 20mA보다 높은 전류를 Alarm 또는 Overrange 조건에서 출력할 수 있습니다.

따라서 최종 판단은 일반 계산식보다 해당 트랜스미터의 Load Curve와 Maximum Output Current 조건을 우선하는 것이 좋습니다.

현장 점검 예제

다음 조건을 가정해 보겠습니다.

• 공급전압: 24V
• 트랜스미터 최소 동작전압: 11V
• PLC 입력저항: 250Ω
• 안전배리어 고정 전압강하: 3V
• 케이블 왕복저항: 100Ω

저항성 부하는

250Ω + 100Ω = 350Ω

입니다.

20mA에서 저항성 부하 전압강하는

0.020A × 350Ω = 7V

입니다.

필요한 총 전압은

11V + 3V + 7V = 21V

입니다.

24V를 공급하면 계산상 여유는

24V – 21V = 3V

입니다.

그런데 여기에 외부 250Ω 저항을 추가하면 전체 저항은 600Ω이 됩니다.

20mA에서 저항성 부하 전압강하는

0.020A × 600Ω = 12V

가 되고,

11V + 3V + 12V = 26V

가 필요합니다.

공급전압은 24V이므로 이 조건에서는 높은 출력에서 필요한 전압을 확보할 수 없습니다.

이처럼 장비 하나 또는 250Ω 저항 하나를 추가한 뒤 20mA 출력이 올라가지 않는다면 전체 루프를 다시 계산해야 합니다.

핵심 정리

4-20mA가 20mA까지 올라가지 않을 때는 트랜스미터를 바로 교체하기보다 먼저 실제 전류와 전압 조건을 분리해서 확인하는 것이 좋습니다.

점검의 핵심은 다음과 같습니다.

1. 실제 전류가 정말 20mA에 도달하지 않는지 확인한다.
2. 18~19mA 부근에서만 포화되는지 확인한다.
3. 높은 출력 상태에서 트랜스미터 단자전압을 측정한다.
4. PLC 입력저항과 외부 저항을 합산한다.
5. 배리어·아이솔레이터의 전압강하를 확인한다.
6. 장거리 케이블의 왕복 저항을 포함한다.
7. Loop Calibrator로 트랜스미터와 PLC 구간을 분리한다.
8. 실제 전류가 20mA라면 PLC Scaling을 확인한다.

결국 중요한 것은

“전원공급장치에 24V가 있는가?”

가 아니라

“최대 전류가 흐를 때도 트랜스미터가 필요한 최소전압을 확보하고 있는가?”

입니다.

이 기준으로 점검하면 4-20mA 출력이 높은 영역에서 포화되는 원인을 훨씬 빠르게 좁힐 수 있습니다.

함께 보면 좋은 글

2선식 트랜스미터 Loop Power 계산법: 4-20mA 전압·부하저항·HART 250Ω 완벽 정리

4-20mA 신호에서 250Ω 저항을 사용하는 이유

PLC Analog Input에서 4-20mA Scaling 계산하는 방법

참고자료

• Fluke, What Is a 4-20 mA Current Loop?
  4-20mA 루프의 구성, 옴의 법칙, 부하저항과 전압 관계를 설명하는 기술자료입니다.
• Fluke, Troubleshooting a 4-20 mA Loop Using mA Simulate
  Loop Calibrator의 mA Simulate 기능을 이용해 트랜스미터와 PLC 입력회로를 분리 점검하는 방법을 설명합니다.
• Fluke, Using Loop Power for Process Instrument and 4-20 mA Loop Testing
  트랜스미터를 현장 루프와 분리하여 24V Loop Power로 시험하는 방법을 설명합니다.
• Emerson, Rosemount 3051 Pressure Transmitter Reference Manual
  Terminal Voltage, Loop Power Characterization, Alarm/Saturation 등 실제 트랜스미터 진단 항목을 확인할 수 있는 제조사 기술문서입니다.