Warum ist 5,1 V die Standard-Zenerspannung und nicht 5 V?

Bei Digikey gibt es ~ 1300 Ergebnisse für 5,1-V-Zener-Dioden im Vergleich zu 6 für 5-V-Dioden.

Gibt es einen physikbezogenen Grund dafür oder ist es etwas anderes?

Zenerdiodenspannungen folgen weitgehend den E24-Widerstandswertintervallen, einem Intervallbereich, der mit einer Genauigkeit von +/- 5% spezifiziert ist.

Zenerdioden haben sich nicht speziell als Technologie entwickelt und verwenden stattdessen genaue Spannungsreferenzen unter Verwendung von Bandlückentechniken. Die Intervalle sind seit vielen Jahren gleich geblieben.

Abgesehen davon sind Zenerdioden in Schaltkreisen seltener anzutreffen als es für Elektronikneulinge zu erwarten ist, die sie manchmal als ansprechende "magische Spannungsabfälle" betrachten können. Ihre Kombination aus grundlegender Ungenauigkeit, bemerkenswerter Abweichung von Temperatur und Strom und einem relativ großen Arbeitsstrom für die Stabilität verringert ihre Nützlichkeit im Vergleich zu anderen Konstruktionsansätzen und Bauteilen.

Nun, genau wie Widerstände und Kondensatoren tendieren die Spannungswerte der Zenerdioden dazu, einer Reihe von bevorzugten Zahlen zu folgen, wie zum Beispiel:

So finden Sie ziemlich oft 4,3 Volt, 4,7 Volt, 5,1 Volt, 5,6 Volt Zenerdioden usw.

Abgesehen davon weist die 5,1-Volt-Zenerdiode in verschiedenen Lieferbereichen den niedrigsten Temperaturkoeffizienten der Spannungsänderung mit der Temperatur auf:

Wenn Sie also gefragt hätten, warum in vielen Designs 5,1-Volt-Zenere verwendet werden, würde ich sagen, dass dies auf die Physik zurückzuführen ist.

Wie Andy bereits sagte, werden die verfügbaren Zeners wie andere Komponenten in die E24-Serie aufgenommen. Dies geschieht durch Herumspielen mit der Physik. Niedrigere Spannungen (weniger als etwa 5 V) sind eigentlich Zenerdioden, und höhere Spannungsdioden sind Lawinendioden. Die Lawinendioden arbeiten viel besser (im Sinne eines scharfen Spannungs-Strom-Knies). Hier einige Kennlinien von Onsemi , die die Variation der Kennlinien mit der Zenerspannung (die sie als stetige Variable anzeigen) zeigen:

Beachten Sie, dass die Zener-Impedanz in einem Lot-Log-Diagramm aufgezeichnet ist. Die Impedanz eines ~ 3-V-Zener bei 5 mA beträgt etwa 80 Ohm, während die eines 10-V-Zener eher 8 Ohm entspricht. Wenn wir also einen 400-Ohm-Widerstand am Former verwenden (von einer 5-V-Versorgung). Wenn wir in ähnlicher Weise eine 16,7-V-Versorgung und einen 10-V-Zener mit 1,33 K in Reihe verwenden, ist die prozentuale Regulierung bei letzterem um mehr als das 25-fache besser. Zener mit niedrigerer Spannung sind also ziemlich nutzlos.

Es gibt eine Nische, in der die ausgewählte Zenerspannung auf der Physik und den obigen Eigenschaften basiert - und zwar für Spannungsreferenzen. Für viele Anwendungen haben Bandlückenreferenzen Zener ersetzt - sie haben viele Vorteile, insbesondere für nicht kritische Anwendungen - niedriger Stromverbrauch und Niederspannungsbetrieb usw. Sie sind verrauscht und weisen andere Nachteile auf, jedoch wurden diese nach und nach behoben.

Einige der besten Komponentenreferenzen waren eine Zenerdiode mit einer integrierten Seriendiode, um den Temperaturkoeffizienten der Spannung effektiv auf Null zu setzen. Diese Kombination funktioniert nur mit einer einzelnen Spannungs- / Stromkombination (ca. 6,2 V oder 6,55 V), sodass die zugrunde liegende Spannung von +2 mV / Grad C ca. 600 mV unter dieser Spannung liegt. Ein Beispiel für diese Teile ist der 1N829 .

Obwohl diese Geräte sehr stabil sind, sind sie heutzutage weniger beliebt, zum Teil, weil sie nicht gekürzt werden können, so dass die Spannungstoleranz nicht extrem eng gemacht werden kann. Moderne Bandlückenreferenzen mit getrimmten Widerständen können mit sehr engen Toleranzen hergestellt werden. Die Stabilität ist möglicherweise nicht so gut wie die des Zeners.

Einige der besten verfügbaren Referenzen sind noch integrierte Zenerdioden (unterirdische "vergrabene" Zenerdioden mit zusätzlicher Temperaturkompensation und Trimmung, häufig in ofenbetriebener Form). Ein Beispiel dafür ist der LTZ1000, wahrscheinlich die beste allgemein verfügbare Referenz in Bezug auf Tempo und Stabilität (wenn auch teuer, leistungshungrig und in anderen Bereichen etwas bedürftig).

Zener-Dioden tendieren dazu, der E24-Serie zu folgen, wie von Andy aka angegeben. Die angegebene Toleranz von Gerät zu Gerät für Zener beträgt 5%. Wenn Variationen der Temperatur und des Zener-Stroms berücksichtigt werden, kann der Unterschied zwischen 5 V viel schlimmer werden als 5% und 5v1 ist nur 2%. Wenn Sie zwei Beutel mit 10 Zenern getestet haben, die Beutel A 5V und Beutel B 5V1 waren, können Sie möglicherweise nicht erkennen, welcher Beutel welcher war. Dieselbe Überlegung gilt für 5% Widerstände.