엔지니어 로드맵 #42 — 자기회로 해석과 설계 응용

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#42 — 자기회로: 자기장을 위한 고속도로 설계하기 #42 — 자기회로 해석과 설계 응용 자기장을 위한 고속도로 설계하기: 자기회로(Magnetic Circuit)의 이해 🔑 자기회로(Magnetic Circuit) 란 자속(Magnetic Flux)이 흐르는 통로를 전기회로처럼 모델링하여 분석하는 기법입니다. 전기회로의 전류가 전선을 따라 흐르듯, 자속은 철심(Core)과 같은 강자성체를 따라 흐르려는 성질을 이용합니다. 🎯 왜 알아야 할까요? 실제 인덕터나 변압기를 설계할 때, "코일을 몇 번 감아야 원하는 성능이 나올까?" 혹은 "철심의 크기는 얼마나 커야 할까?"라는 질문에 답하기 위해 반드시 필요합니다. 복잡한 전자기학 수식을 전기회로의 '옴의 법칙' 수준으로 단순화시켜 주는 마법 같은 도구이기 때문입니다. 목차 1. 자기회로 비유: 자기장을 위한 전용 도로 2. 전기회로 vs 자기회로: 놀라운 평행이론 3. 자기저항(Reluctance): 도로의 정체 구간 4. 설계 응용: 공극(Air-gap)의 비밀 1. 자기회로 비유: 자기장을 위한 전용 도로 자기장은 사방으로 퍼지려는 성질이 있지만, 철심(Iron Core) 을 만나면 그 속으로만 흐르려고 합니다. > 고속도로 비유: 자속($\phi$)을 자동차라고 한다면, 공기 중은 울퉁불퉁한 산길이고 철심은 탁 트인 8차선 고...
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엔지니어 로드맵#17 : 센서와 액추에이터 기초 이해

#17 — 센서와 액추에이터 기초 이해

#17 — 센서와 액추에이터 기초 이해

💡 센서(Sensor)는 물리적 신호를 전기적 신호로 변환하고, 액추에이터(Actuator)는 전기적 제어신호를 물리적 동작으로 변환합니다. 두 요소는 제어시스템의 “감각”과 “근육” 역할을 하며, 정확한 신호 변환과 매칭이 핵심입니다.

1️⃣ 센서의 기본 원리

센서는 외부의 물리량(온도, 압력, 거리, 속도 등)을 감지하여 전기적 신호로 바꾸는 장치입니다. 이때 트랜스듀서(Transducer)는 ‘에너지 형태를 변환하는 장치’로, 센서와 동일 개념으로 사용되기도 합니다. 예를 들어, 온도를 전기저항으로 바꾸는 RTD나, 열에너지를 전압으로 바꾸는 열전대(Thermocouple)가 대표적입니다.

🔹 RTD (Resistance Temperature Detector)

RTD는 온도가 상승하면 금속 저항이 증가하는 원리를 이용합니다. 일반적으로 백금(Pt100, Pt1000)을 사용하며, 정확도는 높지만 응답속도가 느린 특성을 가집니다.

🔹 열전대 (Thermocouple)

서로 다른 두 금속을 접합하면, 온도차에 의해 기전력이 발생하는 열전효과(Seebeck Effect)를 이용합니다. 측정 범위가 넓고 반응속도가 빠르지만, 노이즈 영향과 정확도는 RTD보다 떨어집니다.

⚙️ 센서 선택 시 고려사항
  • 측정 범위와 정확도 — 실제 공정 조건에 적합한가?
  • 측정물의 특성 — 반사율, 온도, 재질 등
  • 출력 방식 — PNP/NPN, 전압(0~5V), 전류(4~20mA), 저항 등
  • 환경 내성 — 방진·방수(IP등급), 온도 범위, 진동 내성
  • 통신 사양 — 아날로그/디지털, 시리얼/이더넷 등 지원 여부

2️⃣ 액추에이터의 역할

액추에이터는 제어기로부터 받은 전기신호를 기계적 동작(회전, 직선운동, 밸브 개폐 등)으로 변환하는 장치입니다. 전동기, 솔레노이드 밸브, 유압/공압 실린더 등이 대표적입니다.

  • 전동식 — 정밀제어 가능, 반응속도 빠름 (서보모터, 스테핑모터)
  • 공압식 — 단순 반복동작, 빠른 동작 속도, 구조 단순
  • 유압식 — 큰 출력이 필요할 때 사용, 반응속도는 느림

실무에서는 액추에이터의 종류나 사양은 기계설계 기술자가 정하고, 전기기술자는 그 사양을 근거로 전기용량(kW)과 제어방식을 설계합니다. 따라서 액추에이터의 전기사양(정격전류, 구동전압, 제어신호)을 정확히 파악해야 합니다.

3️⃣ 센서와 액추에이터의 신호 관계

제어시스템은 ‘입력(센서) → 로직(PLC, MCU) → 출력(액추에이터)’ 구조로 동작합니다. 따라서 각 신호의 전기적 호환성이 확보되어야 안정적인 제어가 가능합니다.

  • PNP/NPN 논리 — 센서 출력의 접지 기준 방식
  • 전압/전류 신호 — 제어기의 입력 범위(0~5V, 4~20mA) 확인 필요
  • 직렬/이더넷 — 통신 규격(RS-232/485, Modbus RTU/TCP, EtherNet/IP)을 양쪽 장치가 지원해야 함.
    ⚠️ 단, RS-232 통신은 10m 이상의 거리에서는 신호 감쇠와 노이즈 위험이 커 사용을 권장하지 않습니다.

4️⃣ PNP/NPN 논리와 안전성

PNP/NPN의 차이는 단순한 배선 논리가 아니라 안전성과 오작동 대응성에서도 큰 차이를 만듭니다.

  • NPN — 쇼트(단락) 발생 시 제어기는 신호를 ‘지속 ON’으로 인식 → 고장 감지가 어려움
  • PNP — 단선 시 신호는 OFF로 인식 → 이상 상태를 즉시 감지 가능 → 안전 PLC 환경에서 유리

따라서 산업안전용 설비에서는 PNP 타입이 선호되지만, NPN 타입 역시 장비에서 여전히 많이 사용됩니다. 설계 단계에서 두 타입의 혼용은 피해야 하며, 반드시 제어기 I/O 사양과 일치시켜야 합니다.

5️⃣ 실무 적용 및 트러블슈팅

  • 입력 이상 점검 — 센서 입력 시그널이 PLC에서 ‘항상 ON’이면 NPN 쇼트 가능성 확인
  • 출력 이상 점검 — 액추에이터 구동 불량 시 출력 전압/전류 실측, 로직 차단 여부 점검
  • 신호 간섭 — 아날로그 신호는 실드선과 접지 분리 필수, 전원선 근접 배선 금지
  • 통신 장애 — RS-232 거리 초과, 접지 루프, 노이즈 차폐 미흡 여부 확인
  • 센서 오동작 — 온도·습도 변화로 인한 드리프트, EMI 영향, 전원 불안정 점검
🧩 핵심 요약
센서는 정확한 “입력”을, 액추에이터는 신뢰성 높은 “출력”을 담당합니다. 그러나 실무에서는 이 두 신호 사이의 호환성과 안정성이 설비의 전체 신뢰도를 결정짓습니다. 설계 시 반드시 센서/액추에이터 사양서와 제어기 I/O 모듈의 전기적 특성을 대조해야 합니다.
📘 다음 글 예고
→ #18 — PLC 기초: 입력, 출력, 논리 구조
센서와 액추에이터가 전달하는 신호가 실제 제어 로직으로 어떻게 연결되는지, PLC의 I/O 구조와 래더 논리의 기본 개념을 다룹니다.

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