산업용 아날로그 원격 통신 방법, Current Loop - 빈티지 오디오 콘텐츠와 판매, 오디오퍼브

글쓴이 : SOONDORI

1930년대 아날로그 원격 통신에서 제안되었고, 1950년대 이후 유/공압 제어 분야에서 널리 사용된 커런트 루프 아이디어는, 장점이 너무 명확하여 확고부동한 업계 표준으로 자리 잡았고 오늘날에도 발전설비, 산업설비, 자동차 등에서 자주 활용되고 있다. 센서류를 찾다보면 거의 기본 스펙으로.

환형(=Loop 형상) 전류 흐름은 무엇이고 그것으로 원격 통신을 어떻게?

■ 기본 논리는,

○ 원자력 발전소이든 유화학 공장이든 뭐든, 어떤 공장에 집채만 한 물리 시스템이 있다고 하고… 어떤 위치에 압력, 온도 등 다양한 물리 변량을 측정하는 <커런트 루프형 센서>를 배치한다. 멀리 이격된 곳에 센서값을 받는 <센서 데이터 획득 장치 내지 제어계>를 배치한다. 이격 거리는 논리적으로 무한대. (실제로는 500m쯤. 1Km를 넘어가면 RS-485 통신 방식을 쓸 수 있다. 다만, 배선 총 비용이…)

(출처 : https://www.predig.com/indicatorpage/back-basics-fundamentals-4-20-ma-current-loops)

○ 양자를 두 가닥 꼬임 전선으로 연결한다. 여기서, 세 가닥, 네 가닥… n 가닥의 와이어가 아니라 오로지 두 가닥이라는 게 중요하다. 배선의 최저선일 두 가닥은 곧 비용 절감. 게다가 전선을 꼬아 놓으면 노이즈가 두 선에 동시에 영향을 주고 상쇄되기 때문에 내성 확보에도 도움이 된다. (차동방식 시리얼 통신에서 흔히 쓰이는 방법론)

○ 두 가닥 배선에서… 일단 동작 전압과 동작 전압의 미세 변동은 무시하고 전류 흐름에만 집중하는데, 센서가 획득한 값을 4mA(=0%) 이상, 20mA(=100%*) 이하의 전류량으로 변환하고 그것을 <센서 데이터 획득 장치 내지 제어계>가 받은 다음, 종단 저항으로 전압으로 변환하고 이후 ADC 등 적당한 수단을 이용하여 해석한다. 제어 기능을 포함하는 경우 센서 On/Off 제어 또는 동작점, 휴지점을 설정할 수도 있고…

* 왜 굳이 4mA, 20mA인가? 공압 3psi를 4mA로, 15psi를 20mA로 할당한 업계 관례 때문에. 초기 커런트 루프 전압은 60mA였다고 한다. 그렇게 보면 FM 재생주파수의 끝자락은 왜 15Khz일까? 기술적 이유가 있지만, 본질은 “먼저 정한 사람의 마음대로”. 한번 정해지고 시간이 흐르면 도저히 깰 수 없는 게 업계 표준이다.

○ <센서 데이터 획득 장치 내지 제어계>에서 0mA가 감지되었다면 센서 고장이거나 배선에 문제가 있는 경우. 0mA를 초과하지만 4mA보다 작은 3.9999mA이거나 20mA보다 큰 20.0001mA는 논리상 센서 불량이나 센싱 오류. 단선도 아니고 센싱 오류도 아닌 조건으로서, 예를 들어 0 psi~100 psi 압력을 측정할 수 있는 <커런트 루프형 압력센서>, 위 그림의 센서/트랜듀서가 4mA ~ 20mA 유효 구간의 절반인 12mA를 리시버쪽으로 흘리고 있다면 당연히 현재 압력은 50psi가 된다.

오로지 얇은 선 두 가닥으로 <커런트 루프형 센서>에 동작 전압도 공급할 수 있고 전류 변화를 가지고 센서 오류, 배선 오류, 정상 여부를 판별하며 외란의 영향을 최소화하면서 원격 관측을 할 수 있다면… 대단히 유용한 것 아닌가? 항상 구불구불 배선이 고민인 산업용으로 딱 맞다.

■ 전압과 전류의 의미를 각기 다르게 해석하는 <커런트 루프형 센서> 구현 사례.

(+) 단자를 통해 어떤 전압을 인가하면 어떤 값의 <전류 A>가 흐를 것이다. 그리고 즉시, 내부 회로용 <전류 B>가 흐를 것이며… 아래 압력센서 모듈은 동작 중.

왼쪽 브릿지 회로 + AD8226 내장 OP.AMP + 기타 회로가 감지한 압력값은 오른쪽의 ADA4091-2 + Q1으로 구성된 회로에 전달되는데, 후자가 (-)단자로 흐르는 전류량을 제어한다.

그런데… 유입 <전류 A>의 증가 없이 (-)의 유출 <전류 C>를 키우거나 감소시킬 수 있을까? 불가능. 그 말은 <전류 C>만큼 <전류 A>도 함께 등락해야 한다는 뜻이다. 그렇게 “함께”라는 조건을 충족하려면 <전류 A>와 <전류 B> 라인은 모듈 외부에서 서로 연결되어야 하고. 그런 연결고리가 전체 전류 경로 관점의 Loop. 첫 번째 그림의 #4.

A, B, C의 관계를 수식으로 정리하면,

입/출이 같아야 하니까 당연히 A = C.
전류 A 또는 전류 C = <내부 소모 전류 B> + <ADA4091-2가 드라이버 트랜지스터를 이용해서 조절할 수 있는 전류>

내부용 <전류 B>와 <ADA4091-2가 드라이버 트랜지스터를 이용해서 조절할 수 있는 전류>는 감지 내지 통제 가능하다. 후자에 주목하고 ‘조절할 수 있는 전류’를 0%@4mA ~ 100%@20mA 안에 묶어 두면? 압력 변화는 곧 (+) ~ (-) 단자를 통과하는 전류 흐름 변화가 된다.

그렇다면 센서 동작의 또 다른 요소인 전압은 어떻게 해석해야 하는지?

위 회로에서,

1) 좌측 AD8226 쪽 회로는 전압 등락과 전혀 상관없는 브릿지 평형 회로를 가지고 압력 변화를 인식하고,

2) 우측 ADA4091과 트랜지스터 쪽 회로는 R4에 의한 국부 전압 등, ADA4091 Negative 핀 조합으로 센서 모듈의 동작 전압 등락을 무효로 만들고 있다. 즉, 동작 전압이 5V이든 5.1V이든 10V이든… 사용 반도체 소자들이 최소한으로 동작할 수 있거나 (전압 높아졌을 때) 최대한 버틸 수 있는 범위 안에 있기만 하면 (+), (-) 단자 전압의 등락은 아무 영향을 주지 못한다.

그 말은 7V, 12V, 15V… 적당한 DC 전압을 쓸 수 있다는 뜻이기도 함. 3선식 AC도 가능. 아무려나 항상 흔들리는 라인 전압에서 “전압은 잊어주세요!” 그렇게 자유롭다는 것은 대단히 큰 강점이다.

■ 빈티지 세상의 사례

○ 아래는 4m~20mA를 임의 출력함으로써 공장 제어 계통의 상태 판정, 다양한 센서 모듈의 캘리브레이션을 위해 사용되었던 빈티지 장치. (표제부 사진은 같은 논리로 시스템 밸브의 동작을 테스트하는, 비싸고 모던한 Fluke 710 포터블 캘리브레이터)

* 관련 글 : 프로세스 캘리브레이터

(▲ 공정 즉, 프로세스 캘리브레이터, TIME Electronics CAL 1030. 출처 : https://picclick.com/TIME-MICRO-CAL-1030-precision-analogue-voltage-current-124362395975.html)

○ 한편으로 빈티지 튜너나 앰프에서 Loop라는 단어가 종종 쓰인다. 피드백 루프(Feedback Loop, NFB), 그라운드 루프(Ground Loop), 폐루프(Closed Loop)… 테크닉스가 자사 릴데크의 묘한 아이디어에 붙인 어거지식 Isolated Loop에 이르기까지. 그런데…

오디오가 무슨 센싱 장치인가? 커런트 루프 4mA~20mA와는 특별한 관계가 없음. 그러므로 글의 취지를…

1) 아날로그적 전류 변화가 곧 안정적인 통신 기재가 된다는 사실은 별것 아닌 듯 보이지만, 잠시 더 생각해보면 매우 흥미롭다. 실제로 High Current(=디지털의 High), Low Current(=디지털의 Low)가 조합되는 저속 데이터 통신(예 : 구형 독일제 Telex, 50 Baud Rate, 60V/40mA)에 적용된 사례가 있고… 여기서, 장거리 Loop 케이블은 장치와 장치를 연결하는 아날로그기반 통신 라인이다.

2) V = I × R로 표현되는 전류와 전압의 밀접하고 명확한 관계에도 불구하고 양자를 무관한 것처럼 취급할 수 있다. 흔히 계측에서 전압 단위를 많이 쓰지만, 전류 단위도 유효한 계측 수단. 참고로 빈티지 앰프의 종단 시멘트 저항에서 mV 전압을 측정하는 게 사실은 mA 단위 아이들 커런트를 측정하는 것.

3) 커런트 루프 통신에서도 케이블 임피던스가 중요 변수로 작용한다는 사실을 강조해두는 정도로.

○ 예시 자료로서, 센서 + 트랜스듀서 회로 = 커런트 루프형 센서.