Tengo un arduino, beaglebone black y una tabla Arndale octa y todos funcionan a 5V DC (aunque con diferentes tasas de amperios). La mayoría de mis sensores eléctricos parecen funcionar en el rango de 5V.
¿Por qué es este el caso? ¿Cómo puedo alimentar una computadora Linux con 10 vatios y mis bombillas necesitan 60?
Cuando se desarrollaron las familias de lógica de circuito integrado original, TTL (transistor-transistor-lógica) se convirtió en el más popular. Fue diseñado para utilizar 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 los sensores y otros dispositivos, intentaron usar el mismo voltaje para evitar la necesidad de fuentes de alimentación adicionales. A través de los años, la tecnología más nueva ha permitido (de hecho, requiere) 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 aún perdura, aunque está disminuyendo a medida que las nuevas tecnologías se afianzan. En cuanto a la bombilla, estás comparando manzanas y naranjas. La computadora intenta usar la menor potencia para realizar sus funciones. La bombilla está tratando de producir un nivel de luz útil con la tecnología disponible de filamentos de tungsteno. Las nuevas tecnologías de fluorescencia y LED 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, mientras que solo consumen unos 10 vatios.
Todavía hay un montón de cosas antiguas que quedan de donde 5 V era el voltaje lógico estándar. Este fue el caso probablemente durante aproximadamente 30 años (aproximadamente 1970-2000). Hoy en día son más comunes 3.3 V y voltajes más bajos. Sin embargo, todavía se utiliza 5 V, especialmente en entornos industriales donde la inmunidad al ruido adicional vale un poco más de uso 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 al ruido decente, pero no tomar demasiado poder.
Hoy en día, la lógica se implementa con una tecnología totalmente diferente a la de los viejos chips TTL. El voltaje para ejecutar un procesador moderno es una compensación cuidadosa para minimizar la potencia. Demasiado alto, y cada transición de voltaje tiene que mover más carga hacia dentro o fuera de la inevitable capacidad parasitaria del nodo que se está cambiando. Esto causa una corriente proporcional al voltaje para la misma frecuencia de conmutación, lo que hace que la disipación general de potencia sea proporcional al cuadrado del voltaje. En el otro extremo, 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 allí, y muy pronto obtendrás una verdadera disipación de poder.
Las computadoras y las bombillas son dos cosas completamente diferentes, por lo que la pregunta real es por qué alguien asumiría que los requisitos de energía de una tenían algo que ver con la otra.
Una bombilla es un convertidor de potencia. Su trabajo es convertir la energía eléctrica en energía de la luz. Ya que tiene que apagar la luz, obviamente requerirá al menos esa cantidad de energía como entrada. En realidad, los viejos LEB (bombillas que emiten luz) basados en el principio de la radiación del cuerpo negro eran horriblemente ineficientes. Muy por debajo del 10% del poder que pones en realidad salió como luz. Un viejo LEB "60W", por lo tanto, con menos de 6 W de luz, el resto se calentó con la bombilla y la radiación infrarroja que no podemos ver.
Las bombillas LED modernas siguen siendo ineficientes en una escala absoluta, pero mucho mejor que las antiguas LEB. Tal bombilla podría necesitar solo 12 W, por ejemplo, para producir la misma luz.
Las computadoras son cosas totalmente diferentes de las bombillas. Su trabajo definido no tiene nada que ver con emitir poder de alguna forma. Por lo tanto, inherentemente no requieren casi ningún poder teóricamente. Todas nuestras formas de realizar la lógica digital requieren algo de poder para operar, pero la tecnología más nueva sigue haciendo que cada vez sean menos las mismas capacidades computacionales. En la década de 1970, una pequeña minicomputadora con menos capacidad que un microcontrolador de hoy en día tomaría un par de racks de electrónica y su propia habitación con su propio aire acondicionado.
Hoy en día, su computadora pequeña de una sola placa puede tomar 10 W. En unos pocos años, la misma 10 W funcionará algo 100 veces más potente, o puede usar el equivalente de la computadora de hoy 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.
En los (muy) viejos tiempos las cosas eran lentas y los diseñadores de circuitos lógicos usaban transistores discretos y voltajes de placas extraños como -15V para confundir mejor a los tipos de tubos de vacío (también porque los transistores PNP de germanio eran mejores durante un período).
Luego vino la gran demanda militar (por el momento) de computadoras para la navegación, y RTL
Eralentoyhambrientodepoder,perosepodíaagruparenpaquetesdepaquetesplanosconunapuertaNORounflip-flop.Usó3.6V(mimemoria,verificadaporel
RTL begat DTL , que fue la primera , creo, para usar un único suministro nominal de 5.0V , en la forma de la serie 930.
Seestabanhaciendomillonesdepiezasenestepunto,principalmenteparaaplicacionesmilitaresydeesetipo,porloquemuchospaquetesdecerámica(losdocumentosdelaNASAApolloindicanmásde700,000piezasdelpaqueteplano(pasodeplomode1,27mm),yaqueseestabanretirandogradualmente-5paquetesde10-derivaciones).LuegovinoTTL,queeracompatibleconversionesanterioresdeDTL,yreemplazórápidamenteaDTL,comenzandoen
Aparte, casi al mismo tiempo, la lógica ECL con un suministro de -5.2 voltios se produjo en serie, pero nunca se usó tan ampliamente como TTL.
Las familias bipolares posteriores (algunas más populares que otras) como 74L, 74H, 74S, 74F y 74LS todas adoptaron el suministro de 5V.
Los primeros circuitos MOS utilizaban altos voltajes. Para permitir que luego se usen con TTL, tendrían tres suministros (+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 funcionarían a 5 V pero no muy bien). Con el tiempo, fue posible hacer equivalentes de CMOS de la serie 74xx que funcionaron igual de bien que los originales.
Así comenzó un largo período de relativa estabilidad durante el cual 5V fue el suministro de elección para circuitos digitales (excepto ECL). Esto estuvo bien entre 1965 y 2000 aproximadamente, pero gradualmente se hizo cada vez menos óptimo a medida que los dispositivos se reducían y los requisitos de consumo de energía se volvían más importantes comercialmente. Nuevamente, tenemos una situación de suministro balcanizada con suministros comunes de 1.8, 2.5, 3.3 y 5V. Elegir 5V para USB (y de ahí como un cargador / estándar de alimentación) significa que continuaremos viendo 5V durante muchos años más, si no décadas.
Por lo tanto, parece que se reduce a la decisión de diseño de las personas que hacen una familia lógica dirigida a misiles y similares que usarían más o menos voltios más allá de lo que RTL usó comúnmente, y el tremendo impulso de la compatibilidad con versiones anteriores. Con requisitos legados. ¿Por qué el voltio extra o voltio y medio, preguntas? Las entradas DTL tenían efectivamente tres series de caídas de diodo Si (vea el esquema anterior), y querría un voltaje razonable por encima de ese para que funcionen las resistencias de pull-up, incluso con un suministro de 10% de temperatura baja y -55 ° C (militar), de modo que 4V fue un poco demasiado bajo, 6V innecesariamente alto y 5V aproximadamente.
No está del todo en la misma clase que la afirmación de que las dimensiones del refuerzo del transbordador espacial se determinaron por el ancho de dos romanos las culatas de los caballos , pero ya abarcan dos generaciones humanas.
Una bombilla de 60W es una tecnología de 1900 (muy ineficiente) que emite solo unos pocos vatios de luz visible pero también una gran cantidad de IR, según ley de Planck ). Una luz LED equivalente (en luz visible) usa un poco más de potencia que 10W. Eventualmente, podremos bajar a algo menos, tal vez 5 o 6W. Una CPU de PC de gama alta podría utilizar aproximadamente la misma cantidad de energía que una bombilla incandescente (potencia de CC estrechamente regulada) por lo que es bastante difícil de enfriar. El costo de computar en energía 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 más reciente más reciente fue la de halógeno).
La especificación de los rieles de alimentación de 5 V para los suministros lógicos tempranos era bastante estricta (básicamente +/- 5%) y los reguladores de voltaje necesarios tendrían que mantenerse dentro de la especificación a pesar de que las cosas se calienten. Por lo tanto, un regulador necesitaba una referencia de voltaje bastante estable y sospecho que esto fue proporcionado por diodos zener. No digo que esta sea la respuesta definitiva, pero this podría valer la pena una lectura. Básicamente, está demostrando que para un rango de diodos Zener, aquellos que tienen una clasificación de 5 V están más cerca de tener una desviación de temperatura cero: -
Supongoquelaimplicacióndeestoesqueesprobablequelosreguladoresdevoltajede5Vseanmásestablesquelosreguladoresaotrosvoltajes(enlosviejostiempos).
Conrespectoalapreguntasobrelabombilla,laeficienciadeconversióndeenergíadeunalámparadefilamentodetungstenosignificaquelapotenciadesalidadelaluzesunapequeñafraccióndelapotenciaqueentra,asíquerebotaréestoydiréqueparalosLEDlapotenciaesprobablementecomparableconsucomputadoralinuxyagregarédescaradamente"¿y qué?" y señalaré que esta última pregunta probablemente no sea un tema para este sitio (pero no su primera pregunta).
