1. Giới thiệu về 4N13
4N13 là một optocoupler (hoặc photocoupler) – linh kiện cách ly quang điện, gồm một đèn LED hồng ngoại và một transistor quang (phototransistor) nằm trong cùng một vỏ kín.
Nó cho phép truyền tín hiệu điện giữa hai mạch có điện thế khác nhau mà không có sự kết nối điện trực tiếp, chỉ truyền qua ánh sáng.
Linh kiện này được sản xuất bởi nhiều hãng (Vishay, Fairchild, Everlight, Lite-On, Renesas, v.v.) và có đóng gói SOP-6 hoặc DIP-6, tùy ứng dụng.
2. Cấu tạo bên trong của 4N13
Bên trong 4N13 gồm hai phần chính:
-
LED hồng ngoại (Input side):
-
Phát ánh sáng khi được phân cực thuận.
-
Đóng vai trò kích thích quang.
-
-
Transistor quang (Output side):
-
Thu ánh sáng từ LED phát ra và chuyển nó thành dòng điện đầu ra.
-
Có cấu trúc giống transistor NPN với Collector, Emitter, và thêm chân Base để điều khiển hoặc để hở tùy ứng dụng.
-
-
Cách ly quang học:
-
Giữa LED và transistor có lớp cách điện trong suốt (thường bằng nhựa epoxy hoặc nhôm oxit) → cho phép truyền ánh sáng mà cách ly hoàn toàn về điện áp (lên tới hàng nghìn volt).
-
3. Thông số kỹ thuật của 4N13
| Thông số | Ký hiệu | Giá trị định danh |
|---|---|---|
| Điện áp cách ly tối đa giữa ngõ vào–ra | V<sub>ISO</sub> | 5000 Vrms |
| Điện áp ngược cực đại của LED | V<sub>R</sub> | 5 V |
| Dòng thuận LED tối đa | I<sub>F</sub> | 60 mA |
| Điện áp thuận LED (ở I<sub>F</sub> = 10 mA) | V<sub>F</sub> | 1.2 – 1.4 V |
| Dòng Collector cực đại | I<sub>C</sub> | 50 mA |
| Điện áp Collector–Emitter tối đa | V<sub>CEO</sub> | 30 V |
| Điện áp Collector–Base tối đa | V<sub>CBO</sub> | 70 V |
| Hệ số truyền dòng quang (CTR, tại I<sub>F</sub>=10 mA, V<sub>CE</sub>=10 V)** | CTR | 20% – 200% (tùy loại) |
| Thời gian chuyển mạch lên/xuống | t<sub>r</sub>/t<sub>f</sub> | 2 – 10 µs |
| Nhiệt độ hoạt động | T<sub>op</sub> | -55°C → +100°C |
| Kiểu đóng gói | — | SOP-6 hoặc DIP-6 |
4. Kiểu chân và chức năng của 4N13 (SOP-6)
| Số chân | Ký hiệu | Chức năng | Mô tả |
|---|---|---|---|
| 1 | Anode (A) | Cực dương LED | Nối với nguồn tín hiệu điều khiển dương. |
| 2 | Cathode (K) | Cực âm LED | Nối với cực âm hoặc mass điều khiển. |
| 3 | NC | Không nối | Không kết nối nội bộ. |
| 4 | Emitter (E) | Cực phát của transistor quang. | |
| 5 | Base (B) | Cực gốc transistor (có thể hở hoặc dùng để tăng độ khuếch đại). | |
| 6 | Collector (C) | Cực thu của transistor quang, đầu ra tín hiệu. |
Lưu ý:
Khi LED sáng, transistor quang dẫn dòng từ Collector → Emitter.
Có thể bỏ chân Base (5) nếu không sử dụng (thường để hở).
Ngõ vào và ngõ ra hoàn toàn cách ly điện áp cao, chỉ truyền tín hiệu bằng ánh sáng.
5. Chức năng hoạt động của 4N13
Nguyên lý hoạt động của 4N13 dựa trên hiện tượng phát và thu ánh sáng hồng ngoại:
-
Khi có dòng điện đi qua LED (chân 1–2), LED phát ra ánh sáng hồng ngoại.
-
Ánh sáng này được truyền qua lớp cách điện đến transistor quang.
-
Transistor quang nhận ánh sáng → dẫn dòng giữa Collector – Emitter.
-
Khi LED tắt → transistor không dẫn, tín hiệu đầu ra ở mức cao.
→ Như vậy, 4N13 hoạt động như một khóa điện tử cách ly quang học, cho phép tín hiệu điều khiển mạch công suất mà không ảnh hưởng đến phần điều khiển logic.
6. Ứng dụng của 4N13
-
Mạch cách ly tín hiệu giữa mạch điều khiển và công suất.
-
Mạch bảo vệ vi điều khiển khỏi điện áp cao.
-
Mạch truyền tín hiệu qua cách ly quang trong truyền thông RS232, RS485, PLC.
-
Chuyển mạch logic – điều khiển rơ-le hoặc MOSFET.
-
Mạch phản hồi quang (feedback) trong nguồn xung SMPS.
-
Ứng dụng trong thiết bị công nghiệp, máy CNC, viễn thông, y tế, điều khiển tự động.
7. Kích thước vật lý của 4N13 (SOP-6)
| Thông số | Ký hiệu | Kích thước (mm) |
|---|---|---|
| Chiều dài tổng | D | 4.30 – 4.50 |
| Chiều rộng tổng | E | 6.00 – 6.20 |
| Chiều cao tổng | A | 1.60 – 1.75 |
| Khoảng cách giữa các chân | e | 1.27 |
| Chiều dài chân | L | 0.40 – 1.00 |
| Số chân | — | 6 |
| Kiểu vỏ | — | SOP-6 (Surface Mount) |
8. Cách đo và kiểm tra sống/chết của 4N13
A. Kiểm tra phần LED (ngõ vào):
-
Dùng đồng hồ VOM thang diode.
-
Đặt que đỏ vào chân Anode (1), que đen vào Cathode (2) → kim hoặc màn hình hiển thị khoảng 1.1–1.4V (LED tốt).
-
Đổi ngược que → hiển thị OL (không dẫn).
-
Nếu dẫn cả hai chiều → LED chập.
-
Nếu luôn OL → LED đứt.
-
B. Kiểm tra phần transistor quang (ngõ ra):
-
Dùng đồng hồ ở thang ohm cao (x10k).
-
Que đỏ vào Collector (6), que đen vào Emitter (4) → ban đầu hiển thị OL (ngắt).
-
Dùng một nguồn 1.5V hoặc 3V nối qua điện trở 1kΩ vào chân LED (1–2) để bật LED → đồng hồ sẽ hiển thị giảm điện trở (transistor dẫn).
-
Nếu không thay đổi → transistor quang hỏng hoặc CTR yếu.
-
C. Kiểm tra chân Base (5):
-
Nếu đo thấy transistor không nhạy, có thể nối điện trở 100kΩ giữa Base – Collector để tăng hệ số khuếch đại.
