Hiểu về công suất và hiệu suất mạch điện

1. Giới thiệu

Công suất điện (Power) và hiệu suất (Efficiency) là hai khái niệm quan trọng giúp bạn hiểu được mức năng lượng tiêu thụ và mức độ tối ưu của một mạch điện tử. Trong thực tế, không có mạch nào truyền năng lượng hoàn hảo 100% — một phần năng lượng luôn bị tổn hao dưới dạng nhiệt hoặc nhiễu điện từ.

2. Công suất điện (Electrical Power)

Ký hiệu: P    Đơn vị: Watt (W)

Công suất biểu thị tốc độ tiêu thụ hoặc chuyển đổi năng lượng điện trong một mạch. Công thức tổng quát:

P = U × I

Khi biết điện trở R, ta có thể sử dụng các dạng khác của công thức công suất:

P = I² × R
P = V² / R

Những công thức này cho phép bạn tính toán công suất tỏa nhiệt trên điện trở hoặc linh kiện — từ đó chọn công suất định mức (power rating) phù hợp để tránh cháy hỏng.

3. Ví dụ tính công suất

Ví dụ 1: Một điện trở 10Ω chịu dòng 2A. Tính công suất tỏa nhiệt.

P = I² × R = 2² × 10 = 40 W

Điện trở cần công suất định mức tối thiểu 50W (chọn linh kiện dư công suất 20–30%).

Ví dụ 2: Một bóng đèn 12V–6W. Tính dòng tiêu thụ:

I = P / V = 6 / 12 = 0.5 A

Nếu sử dụng sai điện áp (ví dụ 24V), công suất sẽ tăng gấp bốn lần, dẫn đến cháy bóng.

4. Hiệu suất mạch điện (Circuit Efficiency)

Ký hiệu: η (eta)    Đơn vị: %

Hiệu suất thể hiện tỉ lệ năng lượng đầu ra có ích so với năng lượng đầu vào:

η = (P_out / P_in) × 100%

Ví dụ: Bộ nguồn tuyến tính (Linear Regulator) đầu vào 12V–1A → đầu ra 5V–1A.

P_in = 12V × 1A = 12W
P_out = 5V × 1A = 5W
η = (5 / 12) × 100% ≈ 41.7%

Khoảng 7W bị tổn hao dưới dạng nhiệt. Đó là lý do bộ nguồn tuyến tính cần tản nhiệt lớn.

5. So sánh nguồn tuyến tính và xung (Linear vs Switching Supply)

Tiêu chí	Nguồn tuyến tính	Nguồn xung (SMPS)
Hiệu suất	40–60%	80–95%
Kích thước	Lớn	Nhỏ, nhẹ
Nhiễu	Thấp	Cao (EMI)
Ứng dụng	Mạch âm thanh, thiết bị đo	Máy tính, sạc, TV, hệ thống công nghiệp

6. Các yếu tố ảnh hưởng đến công suất & hiệu suất

• Điện trở dây dẫn: Tổn hao I²R tăng nhanh theo dòng điện.
• Nhiệt độ linh kiện: Nhiệt làm tăng điện trở và giảm hiệu suất.
• Thiết kế mạch: Mạch lọc, chuyển mạch hoặc tản nhiệt kém đều làm suy giảm hiệu suất.

7. Mẹo thiết kế thực tế

• Chọn điện trở có công suất định mức ≥ 2 lần công suất thực tế.
• Tránh lắp linh kiện tản nhiệt sát nhau — cần khoảng cách và luồng gió.
• Dùng MOSFET hoặc IC hiệu suất cao (low Rds-on, synchronous buck) để giảm tổn hao.

8. Bài tập

Bài 1: Một nguồn 24V cấp cho điện trở 120Ω. Tính dòng và công suất tiêu thụ.

I = 24 / 120 = 0.2A
P = 24 × 0.2 = 4.8W

Bài 2: Một bộ nguồn đầu vào 9V–2A, đầu ra 5V–3A. Tính hiệu suất.

P_in = 9 × 2 = 18W
P_out = 5 × 3 = 15W
η = (15 / 18) × 100% = 83.3%

9. Kết luận

Công suất và hiệu suất là những thông số cốt lõi để thiết kế mạch an toàn và tối ưu. Việc hiểu rõ công thức P = U×I và η = P_out/P_in giúp bạn chọn linh kiện đúng công suất, giảm tổn hao nhiệt và tăng tuổi thọ thiết bị.

Tài liệu tham khảo

• Thomas L. Floyd, Electronics Fundamentals: Circuits, Devices, and Applications, Pearson, 2014.
• Paul Horowitz & Winfield Hill, The Art of Electronics, Cambridge University Press, 2015.

Từ khóa: công suất điện, hiệu suất, điện năng tiêu thụ, P=UI, bộ nguồn, power efficiency, điện tử cơ bản