¿Por qué es 5.1V el voltaje estándar de Zener y no 5V?

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En cuanto a Digikey, hay ~ 1300 resultados para diodos Zener de 5.1V en comparación con 6 para los de 5V.

¿Hay alguna razón relacionada con la física para esto o es algo más?

zener materials

— Vintila
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Obtiene una bonificación de 100 mV por el mismo precio.

— Olin Lathrop

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Los diodos de avalancha tienen un coeficiente de voltaje de temperatura positivo, los diodos zener tienen un coeficiente negativo. Cerca de 5.1V, el efecto zener y el efecto de ruptura de avalancha son casi iguales, y los coeficientes de temperatura se cancelan un poco.

— Dietrich Epp

@OlinLathrop: Sí, pero a cambio de ese aumento del 2% en el voltaje, recibes un 2% de impacto en la capacidad de manejo actual en una disipación de potencia dada.

— Dave Tweed

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@DietrichEpp: tenía la impresión de que la cancelación se produjo más cerca de 5.6V, lo cual es fortuito, ya que un zener seguido de un seguidor de emisor entrega casi exactamente 5.0V. Esta puede ser incluso una de las razones por las que se eligieron 5 V como el voltaje de suministro estándar para la lógica digital hace tantas décadas.

— Dave Tweed

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Los voltajes de diodo Zener siguen en gran medida los intervalos de valores de resistencia E24, un rango de intervalos especificados con una precisión de +/- 5%.

Los diodos Zener no se han desarrollado particularmente como tecnología, con referencias de voltaje precisas que utilizan técnicas de banda prohibida. Los intervalos se han mantenido igual durante muchos años.

Por otro lado, los diodos Zener son menos comunes en los circuitos de lo que cabría esperar de los recién llegados a la electrónica, que a veces pueden considerarlos como atractivas "caídas mágicas de voltaje". Su combinación de imprecisión básica, variación notable con la temperatura y la corriente y una corriente de trabajo bastante grande para la estabilidad disminuye su utilidad en comparación con otros enfoques y componentes de diseño.

— TonyM
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Quizás valga la pena señalar que, si bien la precisión absoluta de un zener es mucho menor que la de un bandgap, en general, su estabilidad a largo plazo y tal es muy superior, lo que los convierte en el dispositivo ideal para sistemas de alta precisión que dependen del recorte para obtener la precisión inicial correcta (LM199 / LM399 / LTZ1000).

— Joren Vaes

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Bueno, al igual que las resistencias y los condensadores, los valores de voltaje del diodo zener tienden a seguir un rango de números preferidos, tales como:

Entonces, con bastante frecuencia encontrará diodos zener de 4.3 voltios, 4.7 voltios, 5.1 voltios, 5.6 voltios, etc.

Además, el diodo zener de 5.1 voltios en varios rangos de proveedores tiene el coeficiente de temperatura más bajo de cambio de voltaje con la temperatura:

Entonces, si hubiera preguntado por qué muchos diseños usan zeners de 5.1 voltios, diría que todo se reduce a la física.

— Andy alias
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Como dijo Andy, los zeners disponibles son forzados a la serie E24, como otros componentes. Esto se hace jugando con la física: el voltaje más bajo (menos de aproximadamente 5 V) son en realidad diodos Zener, y los diodos de voltaje más alto son diodos de avalancha. Los diodos de avalancha funcionan mucho mejor (en términos de tener una 'rodilla' de voltaje-corriente aguda). Aquí hay algunas curvas características de Onsemi que muestran la variación de las características con el voltaje zener (que muestran como una variable continua):

Tenga en cuenta que la impedancia zener se representa en un gráfico de registro de lote: la impedancia de un zener de ~ 3 V a 5 mA es de aproximadamente 80 ohmios, mientras que la de un zener de 10 V es más como 8 ohmios. Entonces, si usamos una resistencia de 400 ohmios en el primero (de un suministro de 5V). Si utilizamos de manera similar un suministro de 16,7 V y un Zener de 10 V con 1,33 K en serie, la regulación porcentual es más de 25 veces mejor con este último. Así que los zeners de bajo voltaje son bastante inútiles.

Hay un nicho en el que el voltaje zener que se selecciona se basa en la física y en las características anteriores, y eso es para referencias de voltaje. Para muchas aplicaciones, las referencias de banda prohibida han reemplazado a los zeners; tienen muchas ventajas, especialmente para aplicaciones no críticas: funcionamiento de baja potencia y bajo voltaje, etc. Son ruidosas y tienen otras desventajas, sin embargo, se han abordado gradualmente.

Algunas de las mejores referencias de componentes fueron un diodo zener con un diodo integrado en serie para poner a cero efectivamente el coeficiente de temperatura del voltaje. Esta combinación solo funciona en una sola combinación de voltaje / corriente, aproximadamente 6.2V o 6.55V, por lo que el zener subyacente + 2mV / grado C es aproximadamente 600mV menos que eso. Un ejemplo de estas partes es el 1N829 .

Esos dispositivos, aunque muy estables, son menos populares en estos días, en parte porque no se pueden recortar, por lo que la tolerancia de voltaje no se puede hacer extremadamente ajustada. Las referencias modernas de banda prohibida con resistencias recortadas se pueden hacer con tolerancias muy estrictas. Sin embargo, la estabilidad puede no ser tan buena como la del zener.

Algunas de las mejores referencias disponibles son los diodos Zener integrados (zeners "enterrados" subsuperficiales con compensación de temperatura y recorte adicionales, a menudo en forma de horno). Un ejemplo de eso es el LTZ1000, probablemente la mejor referencia comúnmente disponible en términos de tempco y estabilidad (aunque caro, hambriento de energía y un poco necesitado en otras áreas).

— Spehro Pefhany
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Algún día usaré uno de esos dispositivos LTZ1000A. Solo necesitan jugar con ellos en términos de que el voltaje de salida sin procesar no se asocie particularmente a un número consistente y sensible. Sin embargo, TempCo es increíble.

— Andy, alias

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@Andyaka Son bastante impresionantes, pero necesitas un montón de resistencias de $ 15, etc. para hacerles justicia.

— Spehro Pefhany

Sí, es por eso que sigo usando el LTC6655: ¡está prácticamente todo allí y sin objeciones!

— Andy, alias

@Andyaka Hay otra razón para usar el LTC6655 en algunas circunstancias, pero no puedo hablar en un foro público.

— Spehro Pefhany

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Los diodos Zener tienden a seguir la serie E24 como dijo Andy aka. La tolerancia indicada del dispositivo a dispositivo de la variedad de jardín Zeners es del 5%. Cuando las variaciones en la temperatura y la corriente de Zener se tienen en cuenta, las cosas pueden ser mucho peores que el 5%. La diferencia entre 5V y 5v1 es solo el 2%. Si probó dos bolsas de, digamos, 10 zeners que eran la bolsa A 5V y la bolsa B 5V1, es posible que no pueda decir qué bolsa era cuál. El mismo razonamiento se aplica con resistencias del 5%.

— Autista
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