Bộ chuyển mức & cách ly tín hiệu cho Arduino, ESP32, hệ thống công suất cao

1. Giới thiệu

Module cách ly quang 4 kênh dùng IC TLP281-4 là một bo mạch nhỏ gọn giúp:

• Cách ly điện giữa vi điều khiển (3,3V / 5V) và hệ thống điện áp cao, nhiều nhiễu.

• Chuyển mức logic: từ tín hiệu TTL 3,3V hoặc 5V sang mức 9V, 12V, 24V DC.

• Bảo vệ MCU khỏi xung, nhiễu, vòng lặp mass và các sự cố từ phía tải.

Trên một PCB nhỏ (khoảng 25 × 24 mm) đã tích hợp:

• IC TLP281-4 (4 optocoupler độc lập).

• Mỗi kênh có điện trở hạn dòng và LED báo phía input.

• Phía output là transistor + điện trở kéo lên (5,1k) để đưa tín hiệu lên mức HVCC.

Module rất hữu ích để nối Arduino/ESP32 với:

• Servo, motor dùng điện áp cao hơn.

• Mạch điều khiển rơ-le, contactor, van, PLC…

• Bất kỳ hệ thống “ồn ào” (nhiều nhiễu điện từ) cần tách khỏi phần logic.

2. Thông số kỹ thuật chính

• IC chính: TLP281-4 (4 kênh optocoupler).

• Số kênh: 4 kênh vào / ra độc lập: IN1..IN4 ↔ OUT1..OUT4.

• Điện áp cấp phía input (logic):

• Tín hiệu điều khiển: 3,3V hoặc 5V (tương thích ESP32, Arduino, STM32…).

• Dòng cần cho mỗi kênh: vài mA (đủ để kích LED trong optocoupler).

• Điện áp phía output (cao áp – HVCC):

• Dải hoạt động: 3V – 24V DC (không vượt quá 24V).

• Dòng điều khiển tối đa mỗi kênh:

• Dòng qua transistor tối đa khoảng 500 mA (theo mô tả của shop).

• Dòng kéo lên giới hạn bởi điện trở 5,1k nối tới HVCC → phù hợp làm tín hiệu điều khiển, không nên dùng để cấp trực tiếp tải công suất.

• Kích thước PCB: khoảng 25 × 24 mm.

• Cách ly điện: mô-đun dùng optocoupler → cách ly an toàn giữa hai mass logic (GND) và cao áp (HGND) nếu bạn cấp nguồn hoàn toàn độc lập.

3. Sơ đồ chân module

3.1. Phía input (logic – nối với Arduino, ESP32…)

Header 1 (thường ở một cạnh PCB), gồm:

• IN1, IN2, IN3, IN4

• Nối tới các chân digital / PWM của MCU.

• Mức HIGH → LED trong TLP281 sáng → transistor phía output dẫn.

• Mức LOW → LED tắt → transistor ngắt.

• GND

• GND logic, nối với GND của vi điều khiển (Arduino, ESP32…).

Bạn có thể dùng tín hiệu 3,3V hoặc 5V cho INx. Module đã có điện trở hạn dòng và LED báo trạng thái cho từng kênh.

3.2. Phía output (cao áp – HV side)

Header còn lại (ở cạnh đối diện), gồm:

• OUT1, OUT2, OUT3, OUT4

• Tín hiệu ra đã được “copy” từ IN1..IN4 nhưng ở mức điện áp HVCC.

• Thường là dạng collector hở với điện trở kéo lên HVCC (5,1k).

• HVCC

• Cực dương của nguồn cao áp (3–24V), ví dụ 12V dùng cho motor, rơ-le, input PLC…

• HGND

• Cực âm của nguồn cao áp.

• Có thể nối chung hoặc tách riêng với GND logic tùy mục tiêu cách ly:

• Nếu muốn cách ly hoàn toàn, dùng nguồn riêng và không nối chung GND.

• Nếu chỉ cần chuyển mức, có thể nối chung GND để đo lường dễ dàng.

4. Nguyên lý hoạt động

Mỗi kênh gồm 2 phần:

1. LED phía input

• Khi chân INx lên mức HIGH (3,3–5V), dòng chạy qua điện trở hạn dòng và LED trong optocoupler.

• LED sáng → phát ánh sáng lên phototransistor phía bên kia.

2. Transistor phía output

• Phototransistor nhận ánh sáng → dẫn dòng giữa collector và emitter.

• Một đầu transistor được kéo lên HVCC qua điện trở 5,1k, đầu kia về HGND.

• Kết quả:

• INx = HIGH → OUTx ≈ HVCC (qua điện trở).

• INx = LOW → OUTx bị “thả nổi” hoặc kéo về HGND (tùy cấu trúc), tạo tín hiệu tương đương mức thấp.

Vì không có đường điện trực tiếp từ input sang output, nên xung nhiễu, overshoot, ground bounce ở phía cao áp sẽ khó quay về phá MCU.

5. Cách đấu nối mẫu

5.1. Dùng Arduino 5V điều khiển hệ 12V

Mục tiêu: Arduino UNO điều khiển 4 đầu vào 12V của một bộ driver motor / PLC.

• Phía input (logic)

• IN1..IN4 → D2, D3, D4, D5 (chân digital Arduino).

• GND → GND Arduino.

• Phía output (cao áp)

• HVCC → +12V (nguồn 12V cấp cho PLC/driver).

• HGND → GND nguồn 12V.

• OUT1..OUT4 → các chân “input 12V” của PLC/driver.

Nếu muốn cách ly mass, không nối GND Arduino với HGND; nhưng lúc đó cần phân tích kỹ xem phía tải yêu cầu tham chiếu thế nào.

5.2. ESP32 3,3V điều khiển 24V input PLC

• IN1..IN4 → GPIO bất kỳ của ESP32 (3,3V).

• GND → GND ESP32.

• HVCC → 24V (từ nguồn 24V của PLC).

• HGND → GND 24V.

• OUT1..OUT4 → tới input số 24V của PLC.

Module sẽ chuyển mức từ 3,3V → 24V và cách ly quang giúp hệ ESP32 an toàn.

6. Ứng dụng gợi ý

• Giao tiếp vi điều khiển với hệ công nghiệp (PLC, relay 24V, driver motor).

• Cách ly tín hiệu điều khiển servo/motor chạy điện áp cao hơn 5V.

• Tách nhiễu giữa mạch logic và mạch công suất (motor, biến tần, bơm, van…).

• Module chuẩn hóa trong hệ sinh thái IoTLabs để nối ESP32/Arduino với:

• Board relay 24V.

• Driver motor DC/Stepper công suất lớn.

• Các bộ điều khiển ngoại vi có chung chuẩn input “kích dương 12V/24V”.

7. Lưu ý sử dụng

1. Không dùng để cấp trực tiếp tải công suất lớn

• Dù ghi dòng tới 500 mA, tốt nhất chỉ dùng OUTx như tín hiệu điều khiển, không nuôi trực tiếp motor hay đèn công suất.

2. Kiểm tra hướng logic

• Một số mạch opto hoạt động kiểu active-low (IN HIGH → OUT LOW). Nếu yêu cầu logic chuẩn, bạn cần đọc thêm sơ đồ trên PCB hoặc test thực tế rồi điều chỉnh code.

3. Nguồn và GND

• Nếu mục tiêu chính là cách ly, hãy dùng nguồn riêng và không nối chung mass.

• Nếu chỉ cần chuyển mức, nối chung GND giúp đo lường & debug thuận tiện hơn.

4. Tốc độ tín hiệu

• TLP281 đáp ứng tốt cho tín hiệu on/off, PWM tần số thấp – trung bình.

• Không dùng cho tín hiệu tốc độ rất cao (SPI MHz, truyền dữ liệu nhanh).

8. Kết luận

Module cách ly quang 4 kênh TLP281 là một “cầu nối an toàn” giữa:

• Thế giới vi điều khiển 3,3V – 5V (Arduino, ESP32, STM32…)

• và hệ thống 9–12–24V nhiễu, công suất cao (PLC, motor, relay, van…).

Kích thước nhỏ, 4 kênh độc lập, cách ly quang, đấu dây đơn giản, đây là một module nên có trong Thư viện Datasheet – Module cách ly & giao tiếp của IoTLabs để chuẩn hóa các thiết kế kết nối giữa mạch logic và mạch công suất.