4-20mA 250Ω 저항을 사용하는 이유｜1-5V 변환과 HART 관계

4-20mA 신호에서 250Ω 저항은 자주 등장합니다.

가장 직접적인 이유는 옴의 법칙으로 설명할 수 있습니다.

4mA × 250Ω = 1V
20mA × 250Ω = 5V

즉 4-20mA 전류 신호를 1-5V 전압 신호로 바꿀 수 있습니다.

다만 250Ω은 모든 4-20mA 루프에 반드시 넣어야 하는 저항은 아닙니다.

PLC/DCS 입력회로, HART 통신 조건, Loop Power 여유에 따라 외부 250Ω이 필요하지 않을 수도 있습니다.

4-20mA에 250Ω을 연결하면 왜 1-5V가 될까?

기본식은 다음과 같습니다.

V = I × R

여기서

• V = 저항 양단 전압
• I = 루프 전류
• R = 저항값

입니다.

250Ω을 적용하면 다음과 같습니다.

• 4mA → 0.004A × 250Ω = 1V
• 12mA → 0.012A × 250Ω = 3V
• 20mA → 0.020A × 250Ω = 5V

따라서 4-20mA 신호를 1-5V 범위로 선형 변환할 수 있습니다.

이 관계 때문에 전류 입력을 직접 받을 수 없는 일부 전압 입력장치에서 250Ω 부하저항을 사용하는 구성이 있습니다.

왜 하필 250Ω이 자주 쓰일까?

핵심은 4-20mA와 1-5V의 범위가 정확히 대응하기 때문입니다.

4mA가 1V, 20mA가 5V가 되므로 원래의 0~100% 측정 범위를 그대로 유지할 수 있습니다.

하지만 250Ω이 가장 정확하다거나 250Ω이 모든 4-20mA 시스템의 표준값이다라고 해석하면 안 됩니다.

필요한 저항값은 전압 입력 범위와 시스템 설계에 따라 달라질 수 있습니다.

예를 들어 단순 계산상 4-20mA를 2-10V로 변환하려면 500Ω이 필요합니다.

따라서 250Ω은 1-5V 변환에 편리한 값이라고 이해하는 것이 정확합니다.

PLC·DCS에 외부 250Ω을 꼭 넣어야 할까?

아닙니다.

PLC 또는 DCS의 Analog Input이 Current Input으로 설계되어 있다면 내부에 이미 전류 측정용 저항 또는 이에 해당하는 입력회로가 있을 수 있습니다.

이 상태에서 외부에 250Ω을 추가하면 전체 Loop Resistance가 증가합니다.

예를 들어 계산을 위한 가정값으로 PLC 내부 입력저항이 250Ω이고 외부에 250Ω을 추가했다고 보겠습니다.

전체 부하는

250Ω + 250Ω = 500Ω

입니다.

20mA에서 발생하는 전압강하는

0.020A × 500Ω = 10V

가 됩니다.

따라서 외부 저항을 추가하기 전에는 PLC/DCS 데이터시트에서 다음 항목을 먼저 확인해야 합니다.

• Input Resistance
• Input Impedance
• Current Input Circuit
• 허용 입력 범위

전류 입력 모듈이라면 외부 250Ω 자체가 불필요할 수 있습니다.

외부 저항을 추가했을 때 트랜스미터에 필요한 전압이 충분한지 계산하려면 아래 글을 참고하세요.
4-20mA 부하저항 계산｜2선식 트랜스미터 Loop Power 공식 → 글 보기

HART에서도 왜 250Ω이 등장할까?

HART는 기존 4-20mA 아날로그 루프 위에 디지털 통신 신호를 함께 전달하는 방식입니다. FieldComm Group도 HART를 4-20mA 아날로그 Current Loop를 이용해 디지털 정보를 송수신하는 기술로 설명합니다.

HART 통신에서는 루프에 일정한 임피던스가 있어야 통신 신호를 안정적으로 검출할 수 있습니다.

그래서 특정 HART 트랜스미터 매뉴얼에서 250Ω이라는 값이 자주 등장합니다.

특정 모델 예시: Rosemount 3051

Emerson의 Rosemount 3051 HART 4-20mA 모델 매뉴얼에서는 Field Communicator와 통신하려면 최소 250Ω의 Loop Resistance가 필요하다고 명시합니다. 같은 매뉴얼은 전체 Loop Resistance에 신호선, Controller, Indicator 및 관련 장비의 저항을 합산하도록 안내합니다.

이 값은 Rosemount 3051 해당 모델의 제조사 조건입니다.

따라서 HART = 무조건 외부 250Ω 추가라고 일반화하면 안 됩니다.

현재 루프에 이미 250Ω 이상의 유효 저항이 있다면 외부 저항을 추가할 필요가 없을 수 있습니다.

HART 통신이 안 된다고 250Ω부터 추가하면 안 되는 이유

먼저 확인해야 할 것은 현재 루프 전체의 저항과 전압 여유입니다.

외부 250Ω을 추가하면 통신 조건은 개선될 수 있지만 동시에 4-20mA 루프의 전압강하도 증가합니다.

20mA에서 250Ω 저항 하나에 발생하는 전압강하는

0.020A × 250Ω = 5V

입니다.

따라서 2선식 트랜스미터에서는 외부 저항을 추가한 뒤에도 트랜스미터 최소 동작전압을 확보할 수 있는지 확인해야 합니다.

Emerson의 Rosemount 3051 매뉴얼도 HART 최소 Loop Resistance와 함께 공급전압에 따른 최대 Loop Resistance 제한을 별도로 제시합니다.

HART의 FSK 신호가 4-20mA에 어떻게 함께 전달되는지는 아래 글에서 별도로 설명합니다.
HART 통신이 4-20mA 신호에 중첩되는 원리 → 글 보기

250Ω 저항의 전력은 어떻게 계산할까?

저항에서 발생하는 전력은 다음 식으로 계산할 수 있습니다.

P = I² × R

20mA와 250Ω을 적용하면

P = 0.020² × 250

P = 0.1W

입니다.

이 값은 순수한 전기 계산 결과입니다.

하지만 실제 저항 정격을 선정할 때는 최대 루프전류, 주변온도, PCB 또는 단자대 설치조건, 제조사의 Derating 조건 등을 함께 확인해야 합니다.

따라서 0.25W 저항이면 항상 충분하다처럼 단정해서는 안 됩니다.

저항 허용오차는 몇 %가 적당할까?

이 역시 시스템 요구 정확도에 따라 달라집니다.

250Ω 저항을 이용해 4-20mA를 전압으로 변환하면 저항값 오차가 변환 전압에 직접 영향을 줍니다.

예를 들어 실제 저항값이 명목값에서 벗어나면 같은 20mA에서도 측정되는 전압이 달라집니다.

따라서 저항 선정 시에는 다음을 함께 봐야 합니다.

• 저항 허용오차
• 온도계수
• Analog Input 정확도
• 전체 측정 정확도 요구조건

0.1% 저항을 반드시 사용해야 한다는 보편 규칙은 아닙니다.

250Ω 저항은 어디에 연결해야 할까?

설치 위치는 사용 목적에 따라 달라집니다.

1-5V 변환이 목적이라면 전압을 측정하려는 입력단이 250Ω 양단의 전압을 읽도록 구성해야 합니다.

HART 통신용 임피던스 확보가 목적이라면 Communicator 또는 Modem이 HART 신호를 읽을 수 있는 루프 구성인지 확인해야 합니다.

따라서 250Ω은 항상 PLC 바로 앞에 설치한다고 단정하기보다 제조사의 Wiring Diagram을 기준으로 연결하는 것이 좋습니다.

250Ω 저항을 추가하기 전 확인할 것

현장에서는 아래 순서로 보면 빠릅니다.

1. PLC/DCS 입력이 Current Input인지 Voltage Input인지 확인
2. 내부 입력저항 또는 Input Impedance 확인
3. 1-5V 변환이 실제로 필요한지 확인
4. HART 사용 시 장비가 요구하는 Loop Resistance 확인
5. 외부 저항 추가 후 전체 Loop Resistance 확인
6. 트랜스미터 최소 단자전압 확보 여부 확인
7. 필요한 경우 저항 정격전력과 허용오차 검토

핵심은 250Ω이라는 숫자부터 넣는 것이 아니라, 왜 필요한지부터 확인하는 것입니다.

4-20mA 250Ω 저항 핵심 정리

4-20mA에서 250Ω이 자주 사용되는 첫 번째 이유는 간단합니다.

4-20mA × 250Ω = 1-5V

가 되기 때문입니다.

두 번째는 특정 HART 시스템에서 필요한 Loop Resistance 조건과 관련이 있습니다.

하지만 250Ω은 모든 4-20mA 루프에 반드시 추가해야 하는 저항은 아닙니다.

PLC/DCS 내부 입력저항, HART 장비 조건, 전체 Loop Resistance, 트랜스미터의 전압 여유를 확인한 뒤 필요할 때만 적용하는 것이 맞습니다.

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참고자료

• FieldComm Group, HART Technology — HART가 기존 4-20mA 아날로그 Current Loop에서 디지털 정보를 전달하는 기술임을 설명합니다.
• Emerson, Rosemount 3051 Pressure Transmitter with HART Protocol Reference Manual — 특정 Rosemount 3051 HART 모델의 최소 250Ω Loop Resistance 조건과 Load Limitation을 제공합니다.
• Analog Devices, AD421 Loop-Powered 4-20mA DAC — 4-20mA Loop-Powered Transmitter 및 HART 호환 회로 설계 참고자료입니다.
• 실제 적용 시에는 사용하는 트랜스미터, PLC/DCS, HART Communicator 또는 Modem의 최신 제조사 매뉴얼을 최종 기준으로 확인합니다.