Почему 5 В постоянного тока так распространены? [дубликат]

В (очень) старые времена все было медленно, и разработчики логических схем использовали дискретные транзисторы и странные пластинчатые напряжения, такие как -15 В, чтобы лучше сбить с толку парней с электронными лампами (также потому, что германиевые PNP-транзисторы какое-то время были лучше).

Затем появился огромный (для того времени) военный спрос на компьютеры для навигации, и была разработана логика RTL .

Он был медленным и энергоемким, но его можно было втиснуть в плоские пакеты с вентилем NOR или триггером. Он использовал 3,6 В (моя память, проверено RTL Logic Cookbook, где написано до 4,5 В, но номинально 3,6 ) или 4 В ( схемы блока питания компьютера управления Apollo ). В некоторых других ранних документах указано номинальное напряжение питания 3 В.

RTL породил DTL , который, я полагаю, был первым , кто использовал одно номинальное питание 5,0 В , в форме серии 930.

На тот момент производились миллионы деталей, в основном для военных и подобных применений, поэтому много керамических корпусов (документы НАСА «Аполлон» указывают более 700 000 штук плоских пакетов (шаг свинца 1,27 мм), поскольку они постепенно отказывались от TO-5 10). - свинцовые пакеты). Затем появился TTL, который был обратно совместим с DTL и быстро заменил DTL, начиная с начала -середины 1960-х годов . Много лет спустя можно было бы написать «TTL/DTL совместимый».

Кстати, примерно в то же время логика ECL с питанием -5,2 В стала производиться серийно, но никогда не использовалась так широко, как TTL.

Последующие биполярные семейства (некоторые более популярные, чем другие), такие как 74L, 74H, 74S, 74F и 74LS, использовали питание 5 В.

Ранние схемы МОП использовали высокие напряжения. Чтобы их можно было использовать с TTL, они должны иметь три источника питания (+12, +5 и -5 В). Когда разрабатывались первые КМОП-схемы, одним источником питания 5 В было главное преимущество (ранние КМОП-схемы работали при 5 В, но не очень хорошо). В конце концов, стало возможным сделать КМОП-эквиваленты серии 74xx, которые работали так же хорошо и даже лучше, чем оригиналы.

Так начался длительный период относительной стабильности, в течение которого 5 В было предпочтительным источником питания для цифровых схем (за исключением ECL). Это было нормально примерно с 1965 по 2000 год или около того, но постепенно оно становилось все менее и менее оптимальным по мере того, как устройства сокращались, а требования к энергопотреблению становились все более важными с коммерческой точки зрения. Мы снова разделили ситуацию с поставками с общими источниками питания 1,8, 2,5, 3,3 и 5 В. Выбор 5 В для USB (и, следовательно, в качестве стандарта зарядного устройства / источника питания) означает, что мы продолжим видеть 5 В еще много лет, если не десятилетий.

Таким образом, похоже, все сводится к конструктивному решению людей, создающих семейство логических систем, предназначенных для ракет и тому подобного, что им лучше всего использовать еще один вольт или около того сверх того, что обычно используется RTL, и огромное преимущество обратной совместимости с устаревшими требованиями. . Вы спросите, зачем лишний вольт или полтора вольта? Входы DTL имели фактически три последовательно соединенных кремниевых диода (см. схему выше), и вам потребуется некоторое разумное напряжение выше этого для работы подтягивающих резисторов, даже при низком на 10% уровне питания и температуре -55 ° C (военная), поэтому 4 В был слишком низким, 6 В излишне высоким, а 5 В примерно правильным.

Это не совсем то же самое, что утверждение о том, что размеры ракеты-носителя космического шаттла определялись шириной двух римских конских задов , но оно уже охватывает два поколения людей.

Лампа мощностью 60 Вт — это технология 1900-х годов (очень неэффективная), излучающая всего несколько ватт видимого света, но также и целую кучу ИК-излучения, согласно закону Планка ). Эквивалентный (в видимом свете) светодиодный светильник потребляет немного больше энергии, чем 10 Вт. В конце концов, мы можем уменьшить мощность до 5 или 6 Вт. Высокопроизводительный процессор ПК может потреблять примерно столько же энергии, сколько и лампа накаливания (жестко регулируемая мощность постоянного тока), поэтому его довольно сложно охлаждать. Стоимость вычислительной мощности на FLOP имеет тенденцию снижаться с каждым годом, как и стоимость люмена света, но технологии меняются . Лампы накаливания — это зрелая технология (последним крупным усовершенствованием стали галогенные лампы).

Когда были разработаны оригинальные логические семейства интегральных схем, TTL (транзистор-транзистор-логика) стали наиболее популярными. Он был разработан для использования 5 вольт, потому что это обеспечивало наилучшее сочетание помехоустойчивости, энергопотребления и скорости с существующей технологией. Естественно, соединительные цепи, такие как датчики и другие устройства, пытались использовать то же напряжение, чтобы избежать необходимости в дополнительных источниках питания. На протяжении многих лет новые технологии позволяли (фактически требовалось) использовать более низкие рабочие напряжения для снижения энергопотребления, а также поддерживать градиенты напряжения внутри интегральных схем на безопасном уровне, поскольку размеры схемы были значительно уменьшены. Наследие 5-вольтового решения все еще живет, хотя оно уменьшается по мере распространения новых технологий. Что касается лампочки, то вы сравниваете яблоки и апельсины. Компьютер старается использовать наименьшее количество энергии для выполнения своих функций. Лампа пытается производить полезный уровень света с доступной технологией вольфрамовых нитей. Новые флуоресцентные и светодиодные технологии производят такое же количество света, как вольфрамовая лампа, но при гораздо меньшей мощности. На самом деле, лучшие светодиодные лампы производят столько же, сколько и вольфрамовые лампы мощностью 60 Вт, а потребляют всего около 10 Вт.

Там все еще много старого, оставшегося от того времени, когда 5 В было стандартным логическим напряжением. Так было примерно 30 лет (примерно с 1970 по 2000 год). В настоящее время более распространены напряжения 3,3 В и ниже. Тем не менее, 5 В по-прежнему используется, особенно в промышленных условиях, где дополнительная помехоустойчивость стоит немного большего энергопотребления.

Я не знаю, почему для ТТЛ-логики было выбрано именно 5 В, но, вероятно, этого было достаточно, чтобы солидно легко включать транзисторы, иметь достойную помехозащищенность, но не потреблять слишком много энергии.

В настоящее время логика реализована с помощью совершенно другой технологии, чем старые TTL-чипы. На каком напряжении должен работать современный процессор — это тщательный компромисс для минимизации энергопотребления. Слишком высокое, и каждый переход напряжения должен перемещать больше заряда на неизбежную паразитную емкость переключаемого узла или с нее. Это приводит к тому, что ток пропорционален напряжению при той же частоте переключения, что делает общую рассеиваемую мощность пропорциональной квадрату напряжения. С другой стороны, слишком низкое напряжение не обеспечивает достаточной разницы между характеристиками включения и выключения МОП-транзисторов, так что вы получаете больший ток утечки в выключенном состоянии. Каждый транзистор пропускает совсем немного, но несколько миллионов здесь, несколько миллионов там, и довольно скоро вы получите некоторое реальное рассеивание мощности.

Компьютеры и лампочки

Компьютеры и лампочки — это две совершенно разные вещи, поэтому реальный вопрос заключается в том, почему кто-то может предположить, что требования к питанию одного имеют какое-то отношение к другому.

Лампочка — это преобразователь энергии. Его работа состоит в том, чтобы преобразовывать электрическую энергию в энергию света. Поскольку он должен излучать световую мощность, очевидно, что ему потребуется как минимум столько же входной мощности. На самом деле старые ЛЭБ (светоизлучающие лампочки), основанные на принципе излучения абсолютно черного тела, были ужасно неэффективны. Ну, менее 10% мощности, которую вы вложили, на самом деле вышло в виде света. Таким образом, старый LEB «60 Вт» излучал менее 6 Вт света, остальное ушло на нагрев лампы и инфракрасное излучение, которое мы не видим.

Современные светодиодные лампы все еще неэффективны в абсолютном масштабе, но намного лучше, чем старые LEB. Например, такой лампочке может потребоваться всего 12 Вт, чтобы произвести такой же свет.

Компьютеры — это совсем другие вещи, чем лампочки. Их определенная работа не имеет ничего общего с излучением энергии в той или иной форме. Поэтому теоретически они по своей сути почти не требуют мощности. Все наши способы реализации цифровой логики требуют некоторой мощности для работы, но новые технологии делают ее все меньше и меньше при тех же вычислительных возможностях. Еще в 1970-х годах небольшой мини-компьютер с меньшими возможностями, чем у современного среднего микроконтроллера, занимал бы пару стоек с электроникой и отдельную комнату с собственным кондиционером.

Сегодня ваш маленький одноплатный компьютер может потреблять 10 Вт. Через несколько лет те же 10 Вт будут работать на чем-то в 100 раз более мощном, или вы сможете неделю работать на эквиваленте сегодняшнего компьютера от пары батареек типа АА. Неотъемлемый физический предел количества энергии, необходимой для вычислений, очень и очень мал.

Спецификация шин питания 5 В для ранних источников питания логики была довольно жесткой (в основном +/- 5%), и требуемые регуляторы напряжения должны были соответствовать спецификации, несмотря на нагрев. Поэтому регулятору требовалось довольно стабильное опорное напряжение, и я подозреваю, что это обеспечивалось стабилитронами. Я не говорю, что это окончательный ответ, но это, возможно, стоит прочитать. По сути, это демонстрирует, что для ряда стабилитронов те, которые имеют номинал 5 В, ближе всего к нулевому температурному дрейфу:

Я предполагаю, что следствием этого является то, что стабилизаторы напряжения 5 В, вероятно, были более стабильными, чем стабилизаторы с другими напряжениями (еще в старые добрые времена).

Что касается вопроса об лампочке, эффективность преобразования энергии лампы накаливания с вольфрамом означает, что выходная мощность света составляет ничтожную долю потребляемой мощности, поэтому я возражу и скажу, что мощность светодиодов, вероятно, сравнима с мощностью вашего Linux. компьютера, и я нахально добавлю "ну и что" и укажу, что этот последний вопрос, вероятно, не по теме этого сайта (но не ваш первый вопрос)!