Muchos electrodomésticos modernos utilizan una conexión de energía de 5V, pero internamente funcionan con 3.3V. ¿No sería más fácil tener 5V en todas partes?
Hay muchos ejemplos de dispositivos USB o enrutadores (utilizan 5V para la energía pero 3.3V para la comunicación serial).
5 V se convirtió en un valor muy utilizado en las primeras familias lógicas, especialmente en TTL. Aunque TTL está muy pasado de moda en la actualidad, todo el mundo sigue hablando de "niveles TTL". (Incluso escucho que la UART es descrita como "bus TTL", lo cual es incorrecto: es un canal de comunicación de nivel lógico, pero puede tener un voltaje diferente al de 5 V). En TTL, 5 V era una buena elección para los puntos de ajuste de los BJT y para obtener una alta inmunidad al ruido.
El nivel de 5 V se mantuvo cuando la tecnología cambió a HCMOS (CMOS de Alta Velocidad), con 74HC como la familia más conocida; los ICs 74HCxx pueden operar a 5 V, pero el 74HCT es compatible con TTL para sus niveles de entrada también. Esa compatibilidad puede ser necesaria en circuitos de tecnología mixta, y esa es la razón por la cual 5 V no será completamente abandonado pronto.
Pero HCMOS no necesita los 5 V como los transistores bipolares de TTL lo hacían. Un voltaje más bajo significa un menor consumo de energía: un IC HCMOS a 3.3 V típicamente consumirá un 50 % o menos de energía que el mismo circuito a 5 V. Por lo tanto, se crea un microcontrolador que funciona internamente a 3.3 V para ahorrar energía, pero tiene E/S de 5 V. (Las E/S también pueden ser tolerantes a 5 V; entonces funcionan a los niveles de 3.3 V, pero no se dañarán con 5 V en sus entradas). Además de la compatibilidad, los 5 V también ofrecen una mejor inmunidad al ruido.
Y va más allá. He trabajado con controladores ARM7TDMI (NXP LPC2100) con un núcleo funcionando a 1.8 V, con E/S de 3.3 V. El voltaje más bajo es un ahorro adicional de energía (solo el 13 % de un controlador de 5 V), y también reduce las emisiones electromagnéticas. La desventaja es que se necesitan dos reguladores de voltaje.
Así que esa es la tendencia: internamente voltajes cada vez más bajos para un menor consumo de energía y emisiones electromagnéticas, y externamente un voltaje más alto para una mejor inmunidad al ruido y conectividad.
Acabo de descubrir un hecho que no había notado antes: 5V es un lugar natural para un diodo zener porque a aproximadamente 5V el coeficiente de temperatura de un zener cae casi a cero. Quizás por eso TTL eligió 5V. En la tecnología CMOS hay un gran incentivo para bajar los umbrales para reducir el consumo de energía y aumentar la velocidad. Una vez más, la física de dispositivos impulsa la tendencia a voltajes más bajos.
Claro. Pero recuerda que el consumo de energía aumenta con el cuadrado del voltaje. Aumentar el voltaje utilizado de 3.3V a 5V aumenta el consumo de energía en 2.3 veces. Por lo tanto, hay valor en utilizar el voltaje más bajo posible, incluso si hay algunas pérdidas en la fuente de alimentación por la conversión.
La mayoría de los dispositivos electrónicos tenían +5 disponible a bordo, pero cuando los circuitos solo requerían 3.3v, era más fácil reducir la tensión en el chip en lugar de exigir a los fabricantes que reingeniaran sus fuentes de alimentación y placas para agregar 3.3v. El voltaje más bajo no solo reduce el consumo de energía, sino que en circuitos digitales de alta velocidad, tarda menos tiempo en oscilar de un riel a otro.
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Tendrás muchas dificultades para encontrar chips modernos que funcionen con 5V, pero tus dispositivos aún deben aceptar una entrada de 5V a través de USB.