Por que 5.1V é a tensão padrão do Zener e não 5V?

Olhando no Digikey, existem ~ 1300 resultados para diodos Zener de 5,1V em comparação com 6 para diodos de 5V.

Existe alguma razão relacionada à física para isso ou é outra coisa?

As tensões do diodo Zener seguem amplamente os intervalos de valor do resistor E24, uma faixa de intervalos especificados com +/- 5% de precisão.

Os diodos Zener não se desenvolveram particularmente como tecnologia, com referências precisas de tensão usando técnicas de bandgap. Os intervalos permaneceram os mesmos por muitos anos.

Além disso, os diodos Zener são menos comuns em circuitos do que se pode esperar dos recém-chegados à eletrônica, que às vezes podem considerá-los como atraentes 'quedas mágicas de tensão'. Sua combinação de imprecisão básica, variação notável com temperatura e corrente e uma corrente de trabalho bastante grande para estabilidade diminui sua utilidade em comparação com outras abordagens e componentes de projeto.

Bem, como resistores e capacitores, os valores de tensão do diodo zener tendem a seguir uma faixa de números preferenciais, como:

Então, muitas vezes você encontrará diodos zener de 4,3 volts, 4,7 volts, 5,1 volts, 5,6 volts etc.

Além disso, o diodo zener de 5,1 volts em várias faixas de fornecedores possui o menor coeficiente de temperatura da mudança de tensão com a temperatura: -

Então, se você tivesse perguntado por que muitos projetos usam zeners de 5,1 volts, eu diria que tudo se resume à física.

Como Andy disse, os zeners disponíveis são forçados na série E24, como outros componentes. Isso é feito brincando com a física - a tensão mais baixa (menos de cerca de 5V) é na verdade diodos Zener, e os diodos de alta tensão são diodos de avalanche. Os diodos de avalanche funcionam muito melhor (em termos de um forte 'joelho' de corrente de tensão). Aqui estão algumas curvas características de Onsemi que mostram a variação de características com a tensão zener (que elas mostram como uma variável contínua):

Observe que a impedância do zener é plotada em um gráfico de log de lotes - a impedância de um zener de ~ 3V a 5mA é de cerca de 80 ohms, enquanto a de um zener de 10V é mais semelhante a 8 ohms. Portanto, se usarmos um resistor de 400 ohms no primeiro (de uma fonte de 5V). Se usarmos da mesma forma uma fonte de 16,7V e um zener de 10V com 1,33K em série, a regulação percentual é mais do que 25x melhor neste último. Portanto, os zeners de baixa tensão são bastante inúteis.

Há um nicho em que a tensão zener escolhida é baseada na física e nas características acima - e isso é para referências de tensão. Para muitas aplicações, as referências de intervalo de banda substituíram os zeners - elas têm muitas vantagens, especialmente para aplicações não críticas - operação de baixa potência e baixa tensão etc. Elas são barulhentas e têm outras desvantagens, mas essas foram sendo abordadas gradualmente.

Algumas das melhores referências de componentes foram um diodo zener com um diodo em série integrado para efetivamente zerar o coeficiente de temperatura da tensão. Essa combinação funciona apenas em uma única combinação de tensão / corrente - cerca de 6,2V ou 6,55V; portanto, o zener + 2mV / grau C subjacente é cerca de 600mV menor que isso. Um exemplo dessas partes é o 1N829 .

Esses dispositivos, embora muito estáveis, são menos populares atualmente, em parte porque não podem ser cortados, de modo que a tolerância de tensão não pode ser extremamente rígida. As referências modernas de bandgap com resistores aparados podem ser feitas com tolerâncias muito rigorosas. A estabilidade pode não ser tão boa quanto o zener.

Algumas das melhores referências disponíveis ainda são diodos Zener integrados (zeners "enterrados" na superfície, com compensação e compensação de temperatura adicionais, geralmente em forma de forno). Um exemplo disso é o LTZ1000, provavelmente a melhor referência comumente disponível em termos de temperatura e estabilidade (embora caro, com muita energia e um pouco carente em outras áreas).

Os diodos Zener tendem a seguir a série E24, como Andy também afirmou. O dispositivo declarado para tolerar a variedade de jardins Zeners é de 5%. Quando variações na temperatura e corrente de Zener são fatoradas, as coisas podem ficar muito piores que 5%. e 5v1 é de apenas 2%. Se você testou dois sacos de, digamos, 10 zeners que eram o saco A 5V e o saco B 5V1, talvez você não consiga dizer qual saco era qual. O mesmo raciocínio se aplica aos resistores de 5%.