초콜릿 공장과 정유 공장, 물 처리 시설 같은 설비들은 어떻게 멈추지 않고 작동할 수 있는 것일까? 이것은 바로 기계 자동화를 하기 때문이다. 기계 자동화를 해서 모든 것을 감지하고, 측정하고, 중요한 순간마다 대처할 수 있다.

온도, 압력, 유량 같은 것들을 측정하고 전송하기 위해서 필드 트랜스미터가 중요한 역할을 한다. 산업용 애플리케이션용으로 전 세계적으로 필드 트랜스미터 출하량이 연간 1억 개 이상에 달한다고 한다. 필드 트랜스미터로부터 정확하고 신뢰할 수 있는 측정 데이터가 주어지지 않는다면, 공장 자동화를 할 수 없을 것이다.

그러면 필드 트랜스미터가 무엇인지부터 간략하게 살펴보자.

 기본적으로 필드 트랜스미터는 센서를 사용해서 주변 환경에 대한 정보(온도, 압력, 유량 등)를 측정하고 전송하는 장치이다. 측정된 정보를 판독 가능한 전기적 신호로 변환하고, 이 데이터를 긴 케이블 거리에 걸쳐서 중앙의 장치로 전송해 정보를 처리하고 추가적인 계산을 한다. 널리 사용되는 필드 트랜스미터 아키텍처 중의 하나가 2와이어 또는 루프 구동 시스템으로서, 이 아키텍처는 4-20mA 버스를 기반으로 한다. 본고에서는 이 아키텍처에 대해서 살펴본다.

전력 측면의 고려 사항

필드 트랜스미터의 센싱 소자를 되도록 소스에 가깝게 해야 한다는 것은 쉽게 이해할 수 있는데, 전력 소모와 관련해서 허용되는 한에서 2와이어 트랜스미터가 선호된다는 것은 잘 알려져 있지 않다. 4-20mA 트랜스미터는 전송하고자 하는 측정에 기반해서 리시버로부터 전류를 인출한다. 가장 낮은 값의 리딩일 때 3.8mA부터 가장 높은 값의 리딩일 때 최대 20.5mA까지 이른다. 2와이어 트랜스미터가 왜 좋으냐 하면, 전류가 전원 소스와 신호 버스 둘 다의 역할을 할 수 있기 때문이다. 그러므로 센서 위치로 이차적인 전원이 필요하지 않고, 그러므로 견고한 신호 무결성을 달성할 뿐만 아니라 저렴하면서 훨씬 더 적은 양의 와이어를 사용할 수 있다.

필드 트랜스미터 설계 고려 사항

4-20mA 스펙트럼의 낮은 쪽 때문에 모든 2와이어 필드 트랜스미터는 3.6mA 미만의 전류로 동작할 수 있도록 설계해야 한다. 이 때문에 디자이너가 전력 예산을 맞추기가 까다로우며, 그렇기 때문에 설계 상의 결정을 할 때마다 전력 소모를 고려해야 한다. 모든 센싱 기법이 3.6mA 미만으로 동작할 수 있는 것이 아니기 때문이다.
리시버는 비록 수백 혹은 수천 미터 떨어져 있다고 하더라도, 필드 트랜스미터가 되도록 소스에 가까운 곳에서 측정을 취할 수 있다. 그런데 이러한 셋업을 공장 환경으로 정확도와 효과를 높이도록 설계한다고 하더라도, 원거리 구현으로 의도하지 않은 접지 루프로 인해서 실제로는 그 반대로 측정이 부정확해지고, 공장 효율을 떨어트릴 수 있다.

이 문제를 극복하기 위해서 센서와 전류 루프 사이에 절연 장벽을 구축해서 센서와 리시버를 개별적으로 접지하고, 그럼으로써 원치 않는 접지 루프를 제거할 수 있다.

전력 예산을 충족하면서 절연 가능

전통적으로 요구되는 전력 예산 이내에서 시스템을 절연하기 위해서 디자이너가 사용할 수 있는 옵션은 두 가지뿐이었다. 옵토커플러를 사용하거나 펄스 트랜스포머를 사용하는 것이다. 그런데 두 절연 기법 모두 많게는 가용 전류의 1/3까지 소모할 수 있으므로, 이러한 절연을 하기 위해서는 디자이너가 시스템 아키텍처 상의 많은 절충을 해야 한다. 예를 들어서 데이터 레이트를 낮추거나, 추가적인 마이크로컨트롤러를 사용해서 절연 장벽을 가로지르는 통신 라인을 줄이거나, 되도록 전력이 낮고 높은 온도가 가능한 방법을 사용하는 것을 들 수 있다. 그림 2는 이러한 펄스 트랜스포머 아키텍처의 예를 보여준다.
 
수많은 장점에도 불구하고, 디지털 절연기는 전력 소모량이 할당 요건을 벗어나기 때문에 필드 트랜스미터 설계에는 그 동안 거의 사용되지 않았다. 그러나 전력 소모량을 줄이는 등 디지털 절연기 기술이 크게 발전하면서, 핵심 필드 트랜스미터 시스템도 개선되었다. 일례로, TI의 ISO 7041 초저전력 디지털 절연기는 정동작(Quiescent) 상태에서의 소비 전력이 채널 당 4.2µA 밖에 되지 않는다.

애플리케이션 노트 “2와이어 루프 파워 필드 트랜스미터 절연 방법”에서 상세히 다룬 몇 가지 장점은 다음과 같다.

디지털 아이솔레이터는 많은 장점에도 불구하고, 전류 소모 때문에 필드 트랜스미터 디자인에 거의 사용되지 못했다. 그런데 디지털 아이솔레이터 기술이 혁신적으로 발전하고 전력 소모를 낮출 수 있게 됨으로써 필드 트랜스미터에 사용해서 대대적인 향상을 이룰 수 있게 되었다. 이러한 예로서 TI의 ISO7041 극저전력 디지털 아이솔레이터는 정지 동작으로 채널당 4.2 A밖에 소모하지 않는다.

TI의 애플리케이션 노트 “2와이어 루프 구동 필드 트랜스미터 절연”에서는 이러한 장점에 대해서 자세히 설명하고 있다. 이 중의 일부로 다음과 같은 것들을 들 수 있다.

•극저전력 : 10kbps로 총 전력 소모가 20 A 미만이므로 상당한 전력을 절약할 수 있으며, 이렇게 해서 남는 전력으로 기존에는 전력 예산 이내에서 할 수 없던 것들을 할 수 있다.
•데이터 레이트/쓰루풋 향상 : 최대 2Mbps의 데이터 레이트가 가능하므로 센서와 트랜스미터     사이에  데이터 전송을 향상시킬 수 있다.
•넓은 온도 범위 : -55℃~125℃의 넓은 온도 범위로 동작하므로 높은 온도 정격의 비싼 옵토커플러를   사용할 필요 없이 극한 조건으로 트랜스미터를     작동할 수 있다.
•솔루션 크기 소형화 : 절반 미만의 면적으로 더 많은 채널을 제공하고, 높이를 낮춤으로써 더 콤팩트한   디자인을 달성할 수 있으며, PCB 비용을 낮출 수 있다.
•신뢰성과 견고성 향상 : 최적화된 반도체 프로세스를 사용해서 산업 표준에서 정한 절연 장벽 수명으로 신뢰할 수 있는 절연을 제공하며, 옵토커플러에 비해서 디바이스-대-디바이스 변동이 훨씬 낮다.

절연형 4-20mA 디자인을 빠르게 개발할 수 있도록 TI는 “저전력 애플리케이션용으로 절연형 전력 및 데이터 인터페이스 레퍼런스 디자인”과 “온도 센서로 냉접점 보상 RTD를 대체하기 위한 레퍼런스 디자인”을 제공한다. 이들 레퍼런스 디자인을 사용해서 TI의 최신 디바이스를 기반으로 절연형 온도 트랜스미터 디자인을 빠르게 개발할 수 있다. 그림 3은 이들 디자인을 사용한 블록 다이어그램을 보여준다.

공장 자동화를 위해서는 다양한 센서들을 사용해서 정확한 측정을 해야 하고, 그러기 위해서 필드 트랜스미터가 중요한 역할을 한다. 전체적인 시스템 비용을 낮추기 위해서는 저전력 2와이어 솔루션이 선호되며, 4채널 ISO7041이나 2채널 ISO7021 같은 디지털 아이솔레이터를 사용해서 전력 예산과 비용 예산을 넘지 않으면서 신뢰성과 기능성을 향상시킬 수 있게 되었다. 공장 자동화가 가속화함에 따라서 쓰루풋을 높이고, 일관성을 향상시키고, 비용과 에너지를 줄이기 위해서 모든 수단을 동원하게 되었다.

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