Công suất điện, nhiệt tỏa ra và dung lượng pin: W, mAh, Wh tính thế nào

Công suất điện P = U × I, nhiệt trên điện trở và cách chọn công suất điện trở, điện năng Wh và kWh, khác nhau giữa mAh và Wh, ước tính thời gian chạy pin cho ESP32, ghép pin nối tiếp và song song.

Định luật Ohm cho biết dòng điện và điện áp; công suất cho biết linh kiện tiêu thụ bao nhiêu năng lượng mỗi giây và nóng tới đâu. Từ công suất lại suy ra được điện năng tiêu thụ trên hóa đơn và thời gian một viên pin nuôi được mạch. Bài viết giải thích công suất điện, ba dạng công thức, cách chọn công suất cho điện trở, điện năng Wh và kWh, sự khác nhau giữa mAh và Wh khi so pin, cách ước tính thời gian chạy pin cho ESP32, và cách ghép pin nối tiếp, song song.

1. Công suất điện là gì

• Công suất là năng lượng tiêu thụ (hoặc cung cấp) trong mỗi giây, đơn vị oát (W): 1 W = 1 J/s. Với mạch điện một chiều, P = U × I.
• Vài con số để hình dung: ESP32 đang bật Wi-Fi ở 3,3 V, dòng khoảng 120 mA, tiêu thụ khoảng 0,4 W; quạt bàn khoảng 40–60 W; ấm siêu tốc khoảng 1800–2200 W.
• Kết hợp với định luật Ohm (U = I × R) được thêm hai dạng: P = I² × R (dùng khi biết dòng qua điện trở) và P = U² / R (dùng khi biết điện áp hai đầu điện trở).

2. Nhiệt tỏa ra và cách chọn công suất điện trở

• Trong điện trở, toàn bộ điện năng biến thành nhiệt. Mỗi điện trở có một công suất danh định (1/8 W, 1/4 W, 1/2 W, 1 W…), là mức nó chịu được lâu dài ở nhiệt độ môi trường khoảng 70 °C trở xuống.
• Quy tắc an toàn hay dùng: chọn công suất danh định ít nhất gấp đôi công suất tính ra. Ở đúng công suất danh định, điện trở vẫn có thể nóng trên 100 °C.
• Vì P tỉ lệ với bình phương điện áp, tăng điện áp gấp đôi thì công suất tăng gấp bốn. Một điện trở 100 Ω loại 1/4 W dùng tốt ở 3,3 V, nhưng nối vào 12 V sẽ tỏa 1,44 W: cháy sém, có mùi khét và có thể đứt.
• Không chỉ điện trở: IC ổn áp, transistor, MOSFET cũng tỏa nhiệt bằng điện áp rơi trên chúng nhân dòng qua chúng. Ví dụ IC ổn áp tuyến tính hạ 12 V xuống 5 V cho dòng 0,5 A sẽ tỏa (12 − 5) × 0,5 = 3,5 W, phải có tản nhiệt (bài 24 của loạt bài).

3. Điện năng: Wh và kWh

• Điện năng là công suất nhân thời gian: W = P × t. Đơn vị thực tế là oát giờ (Wh) và kilôoát giờ (kWh); 1 kWh chính là "1 số điện" trên đồng hồ công tơ.
• Ví dụ quạt 50 W chạy 8 giờ mỗi ngày trong 30 ngày: 50 × 8 × 30 = 12 000 Wh = 12 kWh. Nhân với đơn giá điện theo bậc trên hóa đơn để ra tiền điện.
• Một mạch ESP32 tiêu thụ 0,4 W chạy liên tục cả tháng chỉ tốn 0,4 × 24 × 30 ≈ 0,29 kWh. Điện năng không đáng kể với điện lưới, nhưng rất đáng kể khi chạy bằng pin.

4. Dung lượng pin: mAh và Wh khác nhau thế nào

• mAh (miliampe giờ) cho biết điện tích pin cấp được: pin 3000 mAh về lý thuyết cấp 3000 mA trong 1 giờ, hoặc 300 mA trong 10 giờ. mAh chưa nói gì về điện áp.
• Wh cho biết năng lượng: Wh = mAh × V / 1000. Chỉ so được hai pin bằng mAh khi chúng cùng điện áp; khác điện áp thì phải so bằng Wh.
• Ví dụ sạc dự phòng ghi 10 000 mAh là tính theo cell 3,7 V bên trong, tức 37 Wh. Khi xuất ra cổng USB 5 V với hiệu suất khoảng 85 %, dung lượng ở 5 V chỉ còn khoảng 37 × 0,85 / 5 ≈ 6,3 Ah, tức khoảng 6300 mAh.
• Tốc độ C: dòng 1C của pin 3000 mAh là 3 A. Pin Li-ion thường sạc ở 0,5C đến 1C; xả liên tục tới mức cho phép ghi trong datasheet. Dòng xả càng lớn, dung lượng thực lấy ra càng giảm.

5. Ước tính thời gian chạy pin cho ESP32

Công thức ước tính: thời gian (giờ) ≈ dung lượng (mAh) × 0,8 / dòng trung bình (mA). Hệ số 0,8 bù cho việc không xả cạn pin (bảo vệ pin ngắt trước), hao hụt của mạch hạ áp, và dung lượng giảm theo tuổi pin.

• ESP32 bật Wi-Fi liên tục, khoảng 120 mA, chạy bằng pin 18650 3000 mAh: 3000 × 0,8 / 120 = 20 giờ.
• Muốn chạy nhiều tuần, phải cho ESP32 ngủ sâu và chỉ thức dậy khi cần. Ví dụ mỗi 10 phút thức 10 giây ở 100 mA, thời gian còn lại ngủ ở 0,01 mA: dòng trung bình = (100 × 10 + 0,01 × 590) / 600 ≈ 1,68 mA, pin chạy khoảng 2400 / 1,68 ≈ 1430 giờ, gần 60 ngày.
• Bo DevKit có đèn báo nguồn, chip USB và IC ổn áp tiêu thụ thêm vài mA cả khi ESP32 ngủ, nên khi chạy pin lâu dài cần đo dòng thật bằng đồng hồ vạn năng (bài 7).
• Nếu tải chạy qua mạch hạ áp hay tăng áp, tính bằng năng lượng chính xác hơn: tải 5 V × 0,2 A = 1 W; pin 18650 có 10,8 Wh, mạch hạ áp hiệu suất 85 % cho khoảng 10,8 × 0,85 / 1 ≈ 9,2 giờ.

6. Ghép pin nối tiếp và song song

• Nối tiếp (cực dương cell này nối cực âm cell kia, ký hiệu S): điện áp cộng lại, dung lượng mAh giữ nguyên. Pin "3S" của máy khoan, flycam là ba cell nối tiếp, khoảng 11,1 V danh định.
• Song song (nối các cực cùng dấu với nhau, ký hiệu P): điện áp giữ nguyên, dung lượng cộng lại, chịu được dòng xả lớn hơn.
• Chỉ ghép các cell cùng loại, cùng dung lượng và cùng mức sạc. Hai cell lệch điện áp nối song song sẽ có dòng lớn chạy từ cell đầy sang cell vơi ngay lúc nối. Bộ nhiều cell nối tiếp cần mạch bảo vệ và cân bằng, ví dụ khay pin 18650 chỉ là phần giữ pin, vẫn phải có mạch sạc, bảo vệ phù hợp.

7. Tự kiểm tra

1. Điện trở 220 Ω mắc vào 5 V tỏa bao nhiêu công suất, nên chọn loại nào? (Đáp án: 5² / 220 ≈ 0,114 W; chọn loại 1/4 W.)
2. Pin Li-po 2000 mAh, 3,7 V có bao nhiêu Wh? (Đáp án: 2000 × 3,7 / 1000 = 7,4 Wh.)
3. Mạch dùng trung bình 25 mA chạy bằng pin 1000 mAh được khoảng bao lâu? (Đáp án: 1000 × 0,8 / 25 = 32 giờ.)

8. Xem thêm

• Deep Sleep trên ESP32: tiết kiệm pin, đánh thức theo thời gian.
• Sạc pin Li-ion 1S ở dòng 1 A: chọn pin, thời gian sạc, an toàn.
• Cấp nguồn ESP32 bằng pin 18650 sạc qua jack Type-C.
• Mạch hạ áp LM2596 và MP1584: hiệu suất của mạch hạ áp và cách chọn.