¿Por qué muchos dispositivos electrónicos funcionan con 5 y 3.3 voltios?

Muchos electrodomésticos modernos usan una conexión de alimentación de 5V. Internamente están trabajando con 3.3V. ¿No sería más fácil tener 5V en todas partes?

Algunos ejemplos son muchos dispositivos USB o enrutadores (utilizan 5 V para la alimentación pero 3,3 V para la comunicación en serie).

5 V se utilizó mucho en las primeras familias de lógica, y especialmente en TTL. Si bien TTL está muy pasado de moda, ahora todos todavía hablan de "niveles de TTL". (Incluso escucho a UART descrito como "bus TTL", que es un nombre inapropiado: es un canal de comunicación de nivel lógico, pero puede ser un voltaje diferente a 5 V.) En TTL, 5 V era una buena opción para los puntos de ajuste de los BJT y para 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 74HCxx IC pueden funcionar a 5 V, pero el 74HCT también es compatible con TTL para sus niveles de entrada. Esa compatibilidad puede ser requerida en circuitos de tecnología mixta, y esa es la razón por la cual 5 V no se abandonará por completo pronto.

Pero HCMOS no necesita los 5 V como los transistores bipolares de TTL. 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, crea un microcontrolador que funciona internamente a 3.3 V para ahorrar energía, pero tiene 5 VI / Os. (La E / S también puede ser tolerante a 5 V; luego funciona en los niveles de 3.3 V, pero no será dañado por 5 V en sus entradas. Además de la compatibilidad, 5 V también ofrece una mejor inmunidad al ruido.

Y va más allá. He trabajado con controladores ARM7TDMI (NXP LPC2100) con un núcleo que se ejecuta en 1.8 V, con 3.3 VI / Os. El voltaje más bajo es un ahorro de energía adicional (solo el 13% de un controlador de 5 V) y un EMI más bajo también. El inconveniente es que necesita dos reguladores de voltaje.

Esa es la tendencia: voltajes internos cada vez más bajos para un menor consumo de energía y EMI, y externamente un voltaje más alto para una mejor inmunidad al ruido y conectividad.

Seguro. Pero recuerde 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 un valor en usar el voltaje más bajo posible, incluso si hay algunas pérdidas en la fuente de alimentación de la conversión.

La mayoría de los dispositivos electrónicos tenían +5 disponibles a bordo, pero cuando los circuitos solo requerían 3.3v, era más fácil dejar caer el voltaje en el chip en lugar de requerir que los fabricantes rediseñaran sus fuentes de alimentación y tableros para agregar 3.3v. El voltaje más bajo no solo reduce el consumo de energía, sino que en los circuitos digitales de alta velocidad lleva menos tiempo pasar de un riel a otro.