Warum ist 5V DC so üblich? [Duplikat]

In den (sehr) alten Tagen waren die Dinge langsam und Designer von Logikschaltungen verwendeten diskrete Transistoren und seltsame Plattenspannungen wie -15 V, um die Vakuumröhren-Jungs besser zu verwirren (auch weil Germanium-PNP-Transistoren eine Zeit lang besser waren).

Dann kam eine große (für die damalige Zeit) militärische Nachfrage nach Computern für die Navigation, und RTL- Logik wurde entwickelt.

Es war langsam und energiehungrig, aber es konnte mit einem NOR-Gatter oder einem Flip-Flop in Flatpack-Pakete gestopft werden. Es verbrauchte 3,6 V (meine Erinnerung, verifiziert durch das RTL Logic Cookbook. Das sagt bis zu 4,5 V, aber 3,6 nominal ) oder 4 V ( Schaltpläne der Stromversorgung des Apollo-Führungscomputers ). Einige andere frühe Dokumente weisen auf eine Nennversorgung von 3 V hin.

RTL hat DTL gezeugt , das meiner Meinung nach das erste war, das eine einzelne 5,0-V-Nennversorgung in Form der 930-Serie verwendete .

Zu diesem Zeitpunkt wurden Millionen von Teilen hergestellt, hauptsächlich für militärische und ähnliche Anwendungen, so dass viele Keramikgehäuse (NASA-Apollo-Dokumente weisen auf mehr als 700.000 Stück des Flachgehäuses (1,27 mm Bleiabstand) hin, als sie TO-5 10 auslaufen ließen -Lead-Pakete). Dann kam TTL, das abwärtskompatibel mit DTL war und DTL schnell ersetzte, beginnend Anfang bis Mitte der 1960er Jahre . Viele Jahre später würde man "TTL/DTL-kompatibel" schreiben.

Übrigens wurde etwa zur gleichen Zeit ECL-Logik mit einer -5,2-Volt-Versorgung zur Massenproduktion, aber sie wurde nie so weit verbreitet wie TTL.

Nachfolgende bipolare Familien (einige beliebter als andere) wie 74L, 74H, 74S, 74F und 74LS übernahmen alle die 5-V-Versorgung.

Frühe MOS-Schaltungen verwendeten Hochspannungen. Um dann mit TTL verwendet werden zu können, hätten sie drei Versorgungen (+12, +5 und -5 V). Als frühe CMOS-Schaltungen entwickelt wurden, war eine einzige 5-V-Versorgung ein wichtiges Verkaufsargument (frühe CMOS-Schaltungen arbeiteten bei 5 V, aber nicht sehr gut). Schließlich wurde es möglich, CMOS-Äquivalente der 74xx-Serie herzustellen, die genauso gut und besser funktionierten als die Originale.

Damit begann eine lange Periode relativer Stabilität, während der 5 V die bevorzugte Versorgung für digitale Schaltungen (mit Ausnahme von ECL) war. Das war von ungefähr 1965 bis 2000 in Ordnung, wurde aber allmählich immer weniger optimal, als die Geräte schrumpften und die Anforderungen an den Stromverbrauch kommerziell wichtiger wurden. Wir haben wieder eine balkanisierte Versorgungssituation mit gemeinsamen 1,8-, 2,5-, 3,3- und 5-V-Versorgungen. Die Wahl von 5 V für USB (und damit als Standard für Ladegeräte/Netzteile) bedeutet, dass wir noch viele Jahre, wenn nicht Jahrzehnte, 5 V sehen werden.

Es scheint also auf die Designentscheidung der Leute hinauszulaufen, die eine logische Familie machen, die auf Raketen und dergleichen abzielt, dass sie am besten ein weiteres Volt oder so über das hinausgehen, was RTL üblicherweise verwendet, und die enorme Anziehungskraft der Abwärtskompatibilität mit älteren Anforderungen . Warum das zusätzliche Volt oder anderthalb Volt, fragen Sie? DTL-Eingänge hatten effektiv drei Reihen-Si-Diodenabfälle (siehe Schema oben), und Sie möchten eine vernünftige Spannung darüber, damit die Pull-up-Widerstände funktionieren, selbst bei einer Versorgung von 10% niedrig und einer Temperatur von -55 ° C (Militär), also 4 V war ein bisschen zu niedrig, 6 V unnötig hoch und 5 V ungefähr richtig.

Es ist nicht ganz in der gleichen Klasse wie die Behauptung, dass die Abmessungen von Space-Shuttle-Boostern durch die Breite von zwei römischen Pferdekolben bestimmt wurden , aber es überspannt bereits zwei menschliche Generationen.

Eine 60-W-Glühbirne ist eine Technologie aus den 1900er Jahren (sehr ineffizient), die nur wenige Watt sichtbares Licht, aber auch eine ganze Menge IR gemäß dem Planckschen Gesetz emittiert ). Ein gleichwertiges (bei sichtbarem Licht) LED-Licht verbraucht kaum mehr als 10 W. Irgendwann kommen wir vielleicht auf etwas weniger herunter, vielleicht 5 oder 6 W. Eine High-End-PC-CPU verbraucht möglicherweise etwa die gleiche Menge an Strom wie eine Glühlampe (streng regulierter Gleichstrom), sodass sie ziemlich schwer zu kühlen ist. Die Kosten für Rechenleistung pro FLOP sinken tendenziell jedes Jahr, ebenso wie die Kosten pro Lumen Licht, aber die Technologie ändert sich. Glühlampen sind eine ausgereifte Technologie (die jüngste große Verbesserung war Halogen).

Als die ursprünglichen Logikfamilien integrierter Schaltungen entwickelt wurden, wurde TTL (Transistor-Transistor-Logik) am beliebtesten. Es wurde für die Verwendung mit 5 Volt entwickelt, da dies mit der vorhandenen Technologie die beste Kombination aus Störfestigkeit, Stromverbrauch und Geschwindigkeit bietet. Natürlich versuchten Verbindungsschaltungen wie Sensoren und andere Geräte, dieselbe Spannung zu verwenden, um die Notwendigkeit zusätzlicher Netzteile zu vermeiden. Im Laufe der Jahre hat die neuere Technologie niedrigere Betriebsspannungen ermöglicht (tatsächlich erforderlich), um den Stromverbrauch zu senken und auch die Spannungsgradienten innerhalb der integrierten Schaltungen auf einem sicheren Niveau zu halten, da die Schaltungsabmessungen erheblich reduziert wurden. Das Vermächtnis der 5-Volt-Entscheidung lebt immer noch weiter, obwohl dies abnimmt, wenn sich neuere Technologien durchsetzen. Was die Glühbirne betrifft, so vergleichen Sie Äpfel und Birnen. Der Computer versucht, die geringste Energie zu verbrauchen, um seine Funktionen auszuführen. Die Glühbirne versucht, mit der verfügbaren Technologie von Wolframfilamenten ein brauchbares Lichtniveau zu erzeugen. Neuere Leuchtstoff- und LED-Technologien erzeugen die gleiche Lichtmenge wie die Wolframlampe mit viel weniger Strom. Tatsächlich produzieren die besten LED-Lampen so viel wie die 60-Watt-Wolframlampe, während sie nur etwa 10 Watt verbrauchen.

Es gibt noch viel altes Zeug aus der Zeit, als 5 V die Standard-Logikspannung waren. Dies war wahrscheinlich etwa 30 Jahre lang (ungefähr 1970-2000) der Fall. Heutzutage sind 3,3 V und niedrigere Spannungen üblicher. 5 V werden jedoch immer noch verwendet, insbesondere in industriellen Umgebungen, wo die zusätzliche Störfestigkeit einen etwas höheren Stromverbrauch wert ist.

Ich weiß nicht, warum genau 5 V für die TTL-Logik gewählt wurden, aber es war wahrscheinlich hoch genug, um Transistoren leicht fest einzuschalten, eine anständige Störfestigkeit zu haben, aber nicht zu viel Strom zu verbrauchen.

Heutzutage wird Logik mit einer völlig anderen Technologie implementiert als die alten TTL-Chips. Mit welcher Spannung ein moderner Prozessor betrieben werden soll, ist ein sorgfältiger Kompromiss, um den Stromverbrauch zu minimieren. Zu hoch, und jeder Spannungsübergang muss mehr Ladung auf oder von der unvermeidlichen parasitären Kapazität des zu schaltenden Knotens bewegen. Dies verursacht bei gleicher Schaltfrequenz einen Strom, der proportional zur Spannung ist, wodurch die Gesamtverlustleistung proportional zum Quadrat der Spannung wird. Andererseits lässt eine zu niedrige Spannung keinen ausreichenden Unterschied zwischen den Ein- und Ausschalteigenschaften der MOSFETs zu, sodass Sie im ausgeschalteten Zustand mehr Leckstrom erhalten. Jeder Transistor leckt nur eine winzige Menge, aber ein paar Millionen hier, ein paar Millionen dort, und ziemlich bald bekommt man eine echte Verlustleistung.

Computer und Glühbirnen

Computer und Glühbirnen sind zwei völlig verschiedene Dinge, also ist die eigentliche Frage, warum irgendjemand annehmen sollte, dass der Strombedarf des einen etwas mit dem anderen zu tun hat.

Eine Glühbirne ist ein Stromwandler. Seine Aufgabe ist es, elektrische Energie in Lichtenergie umzuwandeln. Da es Lichtleistung ausgeben muss, wird es offensichtlich mindestens so viel Leistung als Eingabe benötigen. In Wirklichkeit waren alte LEBs (Light Emitting Bulbs), die auf dem Prinzip der Schwarzkörperstrahlung basierten, schrecklich ineffizient. Weit unter 10 % der Leistung, die Sie eingesteckt haben, kam tatsächlich als Licht heraus. Ein alter "60W" LEB hat also gut unter 6 W Licht abgegeben, der Rest ging an der Birne in Wärme und Infrarotstrahlung können wir nicht sehen.

Moderne LED-Lampen sind im absoluten Maßstab immer noch ineffizient, aber viel besser als die alten LEBs. Eine solche Glühbirne benötigt beispielsweise nur 12 W, um das gleiche Licht zu erzeugen.

Computer sind völlig andere Dinge als Glühbirnen. Ihre definierte Aufgabe hat nichts damit zu tun, in irgendeiner Form Leistung abzugeben. Sie benötigen daher von Natur aus theoretisch fast keine Leistung. Alle unsere Möglichkeiten, digitale Logik auszuführen, erfordern eine gewisse Leistung, um zu funktionieren, aber neuere Technologien machen dies immer weniger für die gleichen Rechenkapazitäten. In den 1970er Jahren benötigte ein kleiner Minicomputer mit weniger Leistungsfähigkeit als ein heutiger mittelgroßer Mikrocontroller ein paar Elektronikracks und einen eigenen Raum mit einer eigenen Klimaanlage.

Heute braucht Ihr kleiner Einplatinencomputer vielleicht 10 W. In ein paar Jahren werden die gleichen 10 W etwas 100-mal stärkeres leisten, oder Sie können das Äquivalent eines heutigen Computers eine Woche lang mit ein paar AA-Batterien betreiben. Die inhärente physikalische Grenze für die zum Rechnen erforderliche Energiemenge ist sehr, sehr gering.

Die Spezifikation für die 5-V-Stromschienen für frühe Logikversorgungen war ziemlich eng (im Grunde +/- 5 %), und die erforderlichen Spannungsregler mussten trotz Erwärmung innerhalb der Spezifikation bleiben. Ein Regler benötigte daher eine ziemlich stabile Spannungsreferenz, und ich vermute, dass dies von Zenerdioden bereitgestellt wurde. Ich sage nicht, dass dies die endgültige Antwort ist, aber dies könnte eine Lektüre wert sein. Grundsätzlich zeigt es, dass für eine Reihe von Zenerdioden diejenigen mit einer Nennspannung von 5 V einer Temperaturdrift von Null am nächsten kommen: -

Ich denke, dies impliziert, dass 5-V-Spannungsregler wahrscheinlich stabiler waren als Regler bei anderen Spannungen (in der guten alten Zeit).

In Bezug auf die Glühbirnenfrage bedeutet die Energieumwandlungseffizienz einer Wolframfadenlampe, dass die Lichtausgangsleistung einen winzigen Bruchteil der eingehenden Leistung ausmacht, also werde ich dies zurückwerfen und sagen, dass die Leistung für LEDs wahrscheinlich mit Ihrem Linux vergleichbar ist Computer und ich füge frech "na und" hinzu und weise darauf hin, dass diese letzte Frage für diese Site wahrscheinlich nicht zum Thema gehört (aber nicht Ihre erste Frage)!