¿Por qué es tan común 5V DC? [duplicar]

En los (muy) viejos tiempos, las cosas eran lentas y los diseñadores de circuitos lógicos usaban transistores discretos y voltajes de placa extraños como -15V para confundir mejor a los tipos de válvulas (también porque los transistores PNP de germanio eran mejores por un período).

Luego vino una gran demanda militar (para la época) de computadoras para la navegación, y se desarrolló la lógica RTL .

Era lento y consumía mucha energía, pero se podía meter en paquetes planos con una compuerta NOR o un flip-flop. Usó 3.6V (mi memoria, verificada por el Libro de cocina lógico RTL, que dice hasta 4.5V pero 3.6 nominal ) o 4V ( esquemas de la fuente de alimentación de la computadora de guía Apollo ). Algunos otros documentos anteriores indican un suministro nominal de 3V.

RTL engendró a DTL , que fue el primero , creo, en utilizar un solo suministro nominal de 5,0 V , en la forma de la serie 930.

En este punto, se estaban fabricando millones de piezas, principalmente para aplicaciones militares y de ese tipo, por lo que muchos paquetes de cerámica (los documentos Apollo de la NASA indican más de 700,000 piezas del paquete plano (paso de plomo de 1,27 mm) a medida que se retiraban TO-5 10 -paquetes de plomo). Luego vino TTL, que era retrocompatible con DTL, y reemplazó rápidamente a DTL, desde principios hasta mediados de la década de 1960 . Durante muchos años después, uno escribiría "compatible con TTL/DTL".

Aparte, casi al mismo tiempo, la lógica ECL con un suministro de -5,2 voltios se produjo en masa, pero nunca se usó tan ampliamente como TTL.

Las familias bipolares posteriores (algunas más populares que otras) como 74L, 74H, 74S, 74F y 74LS adoptaron el suministro de 5V.

Los primeros circuitos MOS usaban altos voltajes. Para permitir luego su uso con TTL, tendrían tres alimentaciones (+12, +5 y -5V). Cuando se desarrollaron los primeros circuitos CMOS, un solo suministro de 5 V era un punto de venta importante (los primeros circuitos CMOS funcionaban a 5 V pero no muy bien). Eventualmente, fue posible hacer equivalentes CMOS de la serie 74xx que funcionaron tan bien y mejor que los originales.

Así comenzó un largo período de relativa estabilidad durante el cual 5V fue el suministro de elección para los circuitos digitales (excepto ECL). Esto estuvo bien desde aproximadamente 1965 hasta 2000, pero gradualmente se volvió cada vez menos óptimo a medida que los dispositivos se encogían y los requisitos de consumo de energía se volvían más importantes comercialmente. Nuevamente tenemos una situación de suministro balcanizado con suministros comunes de 1.8, 2.5, 3.3 y 5V. Elegir 5V para USB (y, por lo tanto, como estándar de cargador/fuente de alimentación) significa que seguiremos viendo 5V durante muchos años más, si no décadas.

Por lo tanto, parecería reducirse a la decisión de diseño de la gente que hace una familia lógica dirigida a misiles y cosas por el estilo que es mejor que usen otro voltio más allá de lo que RTL usa comúnmente, y el tremendo atractivo de la compatibilidad con versiones anteriores con los requisitos heredados. . ¿Por qué el voltio extra o el voltio y medio, te preguntarás? Las entradas DTL tenían efectivamente tres caídas de diodo de Si en serie (consulte el esquema anterior), y desearía un voltaje razonable por encima de eso para que funcionen las resistencias pull-up, incluso con un suministro 10% bajo y temperatura de -55C (militar) así que 4V era un poco demasiado bajo, 6V innecesariamente alto y 5V correcto.

No está del todo en la misma clase que la afirmación de que las dimensiones del propulsor del transbordador espacial fueron determinadas por el ancho de dos traseros de caballos romanos , pero ya abarca dos generaciones humanas.

Una bombilla de 60 W es una tecnología de 1900 (muy ineficiente) que emite solo unos pocos vatios de luz visible pero también una gran cantidad de IR, según la ley de Planck ). Una luz LED equivalente (en luz visible) utiliza poco más de 10 W. Eventualmente podemos llegar a algo menos, tal vez 5 o 6W. Una CPU de PC de gama alta puede usar aproximadamente la misma cantidad de energía que una bombilla incandescente (alimentación de CC estrictamente regulada), por lo que es bastante difícil de enfriar. El costo de la computación en potencia por FLOP tiende a disminuir cada año, al igual que el costo por lumen de luz, pero la tecnología cambia. Las lámparas incandescentes son una tecnología madura (la mejora importante más reciente fue la halógena).

Cuando se desarrollaron las familias lógicas de circuitos integrados originales, TTL (transistor-transistor-logic) se convirtió en la más popular. Fue diseñado para usar 5 voltios porque proporcionaba la mejor combinación de inmunidad al ruido, consumo de energía y velocidad con la tecnología existente. Naturalmente, los circuitos de conexión como sensores y otros dispositivos intentaron usar el mismo voltaje para evitar la necesidad de fuentes de alimentación adicionales. A lo largo de los años, la tecnología más nueva ha permitido (de hecho requerido) voltajes operativos más bajos para reducir el consumo de energía y también mantener los gradientes de voltaje dentro de los circuitos integrados a niveles seguros ya que las dimensiones del circuito se han reducido considerablemente. El legado de la decisión de 5 voltios sigue vivo, aunque está disminuyendo a medida que se afianzan las nuevas tecnologías. En cuanto a la bombilla, estás comparando manzanas y naranjas. La computadora trata de usar la menor cantidad de energía para realizar sus funciones. La bombilla está tratando de producir un nivel útil de luz con la tecnología disponible de filamentos de tungsteno. Las tecnologías fluorescentes y LED más nuevas producen la misma cantidad de luz que la bombilla de tungsteno con mucha menos energía. De hecho, las mejores bombillas LED producen tanto como la bombilla de tungsteno de 60 vatios y solo consumen unos 10 vatios.

Todavía quedan muchas cosas viejas de cuando 5 V era el voltaje lógico estándar. Este fue el caso probablemente durante unos 30 años (aproximadamente 1970-2000). Hoy en día son más comunes los voltajes de 3,3 V y menores. Sin embargo, todavía se usan 5 V, particularmente en entornos industriales donde la inmunidad adicional al ruido vale un poco más de consumo de energía.

No sé por qué se eligió exactamente 5 V para la lógica TTL, pero probablemente fue lo suficientemente alto como para encender fácilmente los transistores, tener una inmunidad de ruido decente, pero no consumir demasiada energía.

Hoy en día, la lógica se implementa con una tecnología totalmente diferente a la de los antiguos chips TTL. El voltaje para ejecutar un procesador moderno es una compensación cuidadosa para minimizar la energía. Demasiado alto, y cada transición de voltaje tiene que mover más carga hacia o desde la inevitable capacitancia parásita del nodo que se está cambiando. Esto provoca una corriente proporcional al voltaje para la misma frecuencia de conmutación, lo que hace que la disipación de potencia total sea proporcional al cuadrado del voltaje. Por otro lado, un voltaje demasiado bajo no permite una diferencia suficiente entre las características de encendido y apagado de los MOSFET, por lo que obtiene más corriente de fuga cuando está apagado. Cada transistor solo pierde una pequeña cantidad, pero unos pocos millones aquí, unos pocos millones allá, y muy pronto obtienes una disipación de energía real.

Computadoras y Bombillas

Las computadoras y las bombillas son dos cosas completamente diferentes, por lo que la verdadera pregunta es por qué alguien asumiría que los requisitos de energía de uno tienen algo que ver con el otro.

Una bombilla es un convertidor de potencia. Su trabajo es convertir la energía eléctrica en energía luminosa. Dado que tiene que apagar la energía de la luz, obviamente requerirá al menos esa cantidad de energía como entrada. En realidad, las antiguas LEB (bombillas emisoras de luz) basadas en el principio de radiación de cuerpo negro eran terriblemente ineficientes. Mucho menos del 10% de la energía que pusiste en realidad salió como luz. Por lo tanto, un viejo LEB "60W" apagó muy por debajo de 6 W de luz, el resto se calentó en la bombilla y la radiación infrarroja no podemos verla.

Las bombillas LED modernas siguen siendo ineficientes en una escala absoluta, pero mucho mejores que las antiguas LEB. Tal bombilla podría necesitar solo 12 W, por ejemplo, para producir la misma luz.

Las computadoras son cosas totalmente diferentes a las bombillas. Su trabajo definido no tiene nada que ver con la emisión de energía de alguna forma. Por lo tanto, inherentemente, casi no requieren energía en teoría. Todas nuestras formas de realizar la lógica digital requieren algo de energía para operar, pero la tecnología más nueva sigue haciendo que cada vez sea menos para las mismas capacidades computacionales. En la década de 1970, una pequeña minicomputadora con menos capacidad que un microcontrolador mediano de hoy en día necesitaría un par de estantes de electrónica y su propia habitación con su propio aire acondicionado.

Hoy en día, su pequeña computadora de placa única puede consumir 10 W. En unos años, los mismos 10 W harán funcionar algo 100 veces más potente, o puede hacer funcionar el equivalente a la computadora actual durante una semana con un par de baterías AA. El límite físico inherente a la cantidad de energía requerida para la computación es muy, muy pequeño.

La especificación para los rieles de alimentación de 5 V para los primeros suministros lógicos era bastante estricta (básicamente +/- 5 %) y los reguladores de voltaje necesarios tendrían que mantenerse dentro de las especificaciones a pesar de que las cosas se estaban calentando. Por lo tanto, un regulador necesitaba una referencia de voltaje bastante estable y sospecho que los diodos zener la proporcionaron. No digo que esta sea la respuesta definitiva, pero podría valer la pena leerla . Básicamente, está demostrando que para una gama de diodos zener, aquellos que tienen una clasificación de 5 V están más cerca de tener una desviación de temperatura cero: -

Supongo que la implicación de esto es que los reguladores de voltaje de 5V probablemente sean más estables que los reguladores de otros voltajes (en los viejos tiempos).

Con respecto a la pregunta de la bombilla, la eficiencia de conversión de energía de una lámpara de filamento de tungsteno significa que la potencia de salida de la luz es una pequeña fracción de la potencia que entra, así que rebotaré y diré que para los LED, la potencia es probablemente comparable con su linux computadora y agregaré descaradamente "y qué" y señalaré que esta última pregunta probablemente esté fuera de tema para este sitio (¡pero no es su primera pregunta)!