کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ کے ساتھ موصلیت کے نقصانات میں کمی

روایتی پی این جنکشن ڈائیودز میں توانائی کے نقصان کی وضاحت

معیاری PN جنکشن ڈائیوڈز میں عام طور پر فارورڈ وولٹیج کا گراو 0.6 سے 1.0 وولٹ تک ہوتا ہے، جو بڑے کرنٹس کو سنبھالتے وقت کافی زیادہ توانائی کے ضیاع کا سبب بنتا ہے۔ مثال کے طور پر ایک عام سلیکان ڈائیوڈ پر غور کریں جس کا وولٹیج گراو تقریباً 0.7 وولٹ ہے۔ 10 ایمپیئر کے کرنٹ کے بہاؤ پر، صرف حرارت کے طور پر تقریباً 7 واٹس توانائی ضائع ہوتی ہے۔ TrrSemicon کی جانب سے 2023 میں شائع کردہ تحقیق کے مطابق، اس قسم کے نقصانات 48 وولٹ کے کچھ طاقت کے نظام میں تمام طاقت کے نقصانات کا تقریباً ایک تہائی حصہ ہو سکتے ہیں۔ اس مسئلے کو مزید بگاڑنے والی بات یہ ہے کہ یہ نقصانات اس لیے ہوتے ہیں کیونکہ الیکٹران اور ہولز PN جنکشن کے اندر ہی دوبارہ مل رہے ہوتے ہیں۔ یہ خاص طور پر کم وولٹیج پر کام کرنے والے سرکٹس کے لیے برا خبر ہے، کیونکہ اجزاء کے ساتھ وولٹیج میں چھوٹی کمی بھی پورے نظام کی کارکردگی کو نمایاں طور پر کم کر سکتی ہے۔

کم فارورڈ وولٹیج کے ذریعے شاٹکی ڈائیوڈز کنڈکشن نقصانات کو کیسے کم کرتے ہیں

شوتکی ڈایود دھات نیمی موصل جنکشن کے ساتھ کام کرتے ہیں اور آگے کی سمت وولٹیج تقریباً 0.3 وولٹ تک کم کر سکتے ہیں۔ یہ دراصل عام PN ڈایود کے مقابلے میں تقریباً 57 فیصد کم ہے۔ کم وولٹیج کا مطلب ہے کہ بجلی کی اطاعت کرتے وقت کم توانائی ضائع ہوتی ہے۔ گزشتہ سال ایک مطالعہ مختلف اجزاء کی موثر کارکردگی کا جائزہ لیا اور ایک قابل تعریف نتیجہ سامنے آیا۔ جب انجینئرز ڈی سی سے ڈی سی کنورٹرز میں سلیکان ڈایود کی جگہ شوتکی ڈایود استعمال کرتے ہیں، تو انہوں نے ریکٹیفیکیشن عمل کے دوران تقریباً 58 فیصد کم نقصان کا مشاہدہ کیا۔ ایک اور بڑی خوبی یہ ہے کہ ان ڈایود میں کوئی اقلیتی کیریئر ذخیرہ نہیں ہوتا، اس لیے جب وہ حالت تبدیل کرتے ہیں تو ریورس ریکوری کے نقصانات نہیں ہوتے۔ اس وجہ سے یہ ان اطلاقات میں خاص طور پر مفید ہیں جہاں تیز سوئچنگ کی ضرورت ہوتی ہے۔

سرکٹ ڈیزائن میں طاقت کے ضیاع اور حرارت پیدا ہونے پر اثر

شوتکی ڈائیوڈز کم طاقت استعمال کرتے ہیں جس کا مطلب ہے کہ وہ مجموعی طور پر کم حرارت پیدا کرتے ہی ہیں۔ اس کمی کی وجہ سے روایتی پی این ڈائیوڈ سیٹ اپ کے مقابلے میں تقریباً 40 فیصد تک ہیٹ سنکس کی ضرورت کم ہو جاتی ہے۔ خاص طور پر خودکار درخواستوں کے لیے، ہمیں 5 ایمپیئر کے بوجھ پر جنکشن کے درجہ حرارت میں تقریباً 15 ڈگری سیلسیس کی کمی نظر آتی ہے، جس سے گاڑی کے نظام میں ان اجزاء کی زندگی لمبی ہو جاتی ہے۔ حرارتی فوائد کی وجہ سے انجینئرز کو چھوٹے پاور سپلائی کے ڈیزائن کرنے میں زیادہ لچک حاصل ہوتی ہے جو بغیر پنکھوں یا دیگر ایکٹو کولنگ طریقوں کے 90 فیصد سے زیادہ کارکردگی حاصل کرتے ہیں۔

کارکردگی میں فائدے کی مقدار: حقیقی دنیا کے سرکٹس میں شوتکی اور پی این ڈائیوڈز کا موازنہ

تجزیہ سے ظاہر ہوتا ہے کہ شاکی ڈائیوڈز 12 وولٹ ریل ایپلی کیشنز میں نظام کی کارکردگی کو 2.5 سے 4 فیصد تک بڑھا سکتے ہیں، خاص طور پر ان انتہائی تیز PN ڈائیوڈز کے مقابلے میں۔ مثال کے طور پر ایک معیاری 100 واٹ پاور سپلائی لیجیے جو شاکی ریکٹیفائرز استعمال کرنے پر تقریباً 93 فیصد کارکردگی پر چلتی ہے، جبکہ سلیکان ڈائیوڈز صرف تقریباً 89 فیصد کارکردگی حاصل کرتے ہیں۔ اس کا مطلب ہے کہ مسلسل چلنے کی صورت میں ہر سال تقریباً 15.6 کلوواٹ گھنٹے بجلی بچ جاتی ہے۔ 100 کلوہرٹز سے زیادہ بلند فریکوئنسی والے نظاموں میں حالات اور بہتر ہو جاتے ہیں۔ روایتی ڈائیوڈز یہاں اپنا فائدہ کھونا شروع کر دیتے ہیں کیونکہ سوئچنگ اور کنڈکشن دونوں قسم کے نقصانات نمایاں طور پر بڑھ جاتے ہیں، جس کی وجہ سے یہ ڈائیوڈز ان مشکل ایپلی کیشنز کے لیے کم موزوں ہو جاتے ہیں۔

کیس اسٹڈی: پاور سپلائیز اور DC-DC کنورٹرز میں بہتر کارکردگی

ٹیلی کام کے انفراسٹرکچر کے اپ گریڈ میں، شاٹکی ڈائیوڈس پر مشتمل 48V ریکٹیفکیشن ماڈیولز نے 96% کارکردگی حاصل کی - جو پچھلے ڈیزائن کے مقابلے میں 3.2 پوائنٹس کا فائدہ ہے۔ 0.32V فارورڈ وولٹیج کی بدولت مقناطیسی اجزاء کا سائز 22% تک چھوٹا کر دیا گیا اور 300W یونٹس میں فورسڈ ایئر کولنگ کی ضرورت ختم ہو گئی، جس سے ہر سائٹ پر سالانہ توانائی کی لاگت میں 18,000 ڈالر کی کمی واقع ہوئی جبکہ 5G بیس اسٹیشنز میں 99.9% اپ ٹائم برقرار رہا۔

تیز بازیابی خصوصیات کے ذریعے سوئچنگ نقصانات کو کم کرنا

اعلیٰ تعدد پر سوئچنگ نقصانات کو کم کرنے میں تیز سوئچنگ رفتار کا کردار

شوتکی ڈایودز کے ریورس ری کوری تھوڑے عرصے کے لئے ہوتے ہیں، عام طور پر 100 نینو سیکنڈ سے کم۔ یہ عام PN ڈایودز کے مقابلے میں تقریباً 50 سے 100 گنا تیز ہوتا ہے۔ اس رفتار کی وجہ سے وولٹیج میں اچانک تبدیلی آنے پر وہ بہت کم توانائی ضائع کرتے ہیں۔ تیز ردعمل کا وقت اس بات کو یقینی بناتا ہے کہ جب قطبیت کی سمت تبدیل ہوتی ہے تو ڈایود تقریباً فوراً موصلیت بند کر دیتا ہے۔ تجربات سے پتہ چلتا ہے کہ 100 کلو ہرٹز سے زیادہ فریکوئنسی پر چلنے والے DC-DC کنورٹرز میں یہ عارضی طور پر توانائی کے نقصان کو تقریباً 30 فیصد تک کم کر سکتا ہے۔ سوئچ موڈ پاور سپلائی پر متعدد مطالعات اس کی تائید کرتے ہیں، حالانکہ درست اعداد و شمار درخواست کے مطابق مختلف ہو سکتے ہیں۔

PWM اور SMPS اطلاقات میں سست ری کوری والے PN ڈایودز کے ساتھ کارکردگی کا موازنہ

PWM موٹر ڈرائیوز کے حوالے سے، شاکی ڈایودز واقعی پرانے سست ریکوری والے PN ڈایودز کے مقابلے میں تقریباً 40 فیصد سوئچنگ نقصانات کم کر دیتے ہیں۔ 2023 کی حالیہ تحقیق نے بک کنورٹرز کا جائزہ لیا اور ایک دلچسپ بات دریافت کی - جب شاکی ڈایودز استعمال کیے جاتے ہیں، تو یہ نظام تقریباً 92 فیصد کی حد تک کارآمدی حاصل کرتے ہیں، جبکہ PN ورژن صرف تقریباً 85 فیصد تک محدود رہتے ہیں۔ اور یہ سوچیں، فریکوئنسیز 500 کلوہرٹز سے اوپر جانے پر ان دونوں کے درمیان فرق اور بھی بڑھ جاتا ہے۔ یہ تیز رفتار خصوصیت انہیں ٹیلی کام پاور سسٹمز کے لیے بہت مفید بناتی ہے جہاں تنگ وولٹیج کنٹرول برقرار رکھنا بہت اہم ہوتا ہے۔ سیل ٹاورز کے بارے میں سوچیں جنہیں سگنل کی معیار کو متاثر کیے بغیر مستحکم بجلی کی فراہمی کی ضرورت ہوتی ہے۔

کارآمدی کی ضروریات کی وجہ سے سوئچ ماڈ پاور سپلائیز میں بڑھتی ہوئی اپنانے کا رجحان

یو اے لوٹ 9 جیسی عالمی توانائی کی مقررات کی وجہ سے، 68 فیصد سب 1 کلو واٹ ایس ایم پی ایس ڈیزائن میں اب شاٹکی ڈائیوڈز کا استعمال ہو رہا ہے۔ ویریفائیڈ مارکیٹ ریسرچ کا اندازہ ہے کہ تجدیدی توانائی کے نظام میں 2028 تک ہائی اسپیڈ ڈائیوڈز کے لیے 25 فیصد سی اے جی آر ہوگی، کیونکہ مینوفیکچررز اپنی بہتر حرارتی کارکردگی کو استعمال کرتے ہوئے کمپیکٹ، فین لیس ایڈاپٹرز ڈیزائن کر رہے ہیں۔

توانائی کو بچانے والے کم وولٹیج اور بیٹری سے چلنے والے نظام کو ممکن بنانا

جدید کم وولٹیج الیکٹرانکس میں وولٹیج ہیڈ روم کے چیلنجز

جب الیکٹرانکس تقریباً 1.8V اور 3.3V کے اندر کم وولٹیج پر کام کرنا شروع کرتے ہیں، تو وہ پرانے انداز کے PN ڈائیوڈز مسئلہ بن جاتے ہی ہیں کیونکہ وہ صرف بیٹھے رہنے پر 0.7V کا استعمال کر لیتے ہیں۔ شاٹکی ڈائیوڈز اس مسئلے کو بہت حد تک حل کر دیتے ہیں، کیونکہ ان کا فارورڈ ڈراپ تقریباً 0.3V کے قریب ہوتا ہے، جس سے قیمتی وولٹیج کی 30 سے 50 فیصد تک بچت ہوتی ہے۔ جب بیٹری کی سطح کم ہو جاتی ہے تو یہ فرق بہت اہمیت اختیار کر لیتا ہے۔ دل کے پیس میکرز یا دیگر داخلی طبی آلات جیسی چیزوں کے لیے، چھوٹی سے چھوٹی تبدیلی بھی اہم ہوتی ہے۔ مطالعات سے پتہ چلتا ہے کہ اگر وولٹیج 1 فیصد سے زیادہ اتار چڑھاو کا شکار ہو جائے، تو جسم کے اندر کیا ہو رہا ہے اس کی درست پیمائش میں اندر موجود سینسرز کی درستگی متاثر ہونا شروع ہو جاتی ہے۔ اس قسم کی درستگی صرف اچھی بات نہیں ہے، بلکہ قابل اعتماد مریض کی نگرانی کے لیے یہ بالکل ضروری ہے۔

شاٹکی ریکٹیفیکیشن کا استعمال کرتے ہوئے پورٹیبل ڈیوائس کی کارکردگی کو بہتر بنانا

شافٹی ڈائیوڈز کا کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ اور تیز سوئچنگ کی خصوصیات کا مطلب ہے کہ وہ پورٹیبل آلات میں ریکٹیفیکیشن نقصانات کو تقریباً 40 فیصد تک کم کر دیتے ہیں۔ 2022 میں شائع ہونے والی توانائی کی موثرتا کے بارے میں تحقیق کے مطابق، اسمارٹ فونز جو اپنے چارجنگ سرکٹس میں ان ڈائیوڈز کا استعمال کرتے ہیں، توانائی کی تبدیلی کی شرح 94 فیصد تک پہنچ جاتی ہے، جبکہ روایتی PN ڈائیوڈز صرف تقریباً 86 فیصد تک ہی حاصل کر پاتے ہیں۔ اس کا صارفین کے لیے کیا عملی مطلب ہے؟ ان ڈائیوڈز کی بدولت فونز مزید پتلے ہو سکتے ہیں بغیر کسی پریشان کن حرارتی سنک کے جو باہر نکلتے ہیں، اور اس کے باوجود بھی پروسیسرز طویل عرصے تک مضبوطی سے چلتے رہتے ہیں، چاہے وہ 5G نیٹ ورکس پر اسٹریمنگ یا گرافکس والے بھاری ایپس چلا رہے ہوں۔

شافٹی ڈائیوڈز کے ساتھ بیٹری کی زندگی کو بڑھانے کے لیے ڈیزائن کی حکمتِ عملیاں

بیٹری کے دورانیے کو بڑھانے کے لیے، انجینئرز تین اہم حکمتِ عملیاں استعمال کرتے ہیں:

1. آپریٹنگ کرنٹس پر <0.4V فارورڈ وولٹیج کے ساتھ ڈائیوڈز کا انتخاب کرنا
2. سوئچنگ فریکوئنسی کی ضروریات کے مقابلے میں الٹی رساؤ (<100µA) کا توازن قائم کرنا
3. پاور گیٹڈ سرکٹس میں ڈیوٹی سائیکل کنٹرول کو نافذ کرنا

فیلڈ ٹیسٹس ظاہر کرتے ہیں کہ ان طریقوں سے صنعتی PDAs میں لیتھیم آئن بیٹری کی زندگی 15 سے 20 فیصد تک بڑھ جاتی ہے، جو توانائی پر مشتمل ماحول میں شاٹکی ڈایودس کے کردار کو اجاگر کرتا ہے۔

طاقت کی تبدیلی اور قابل تجدید توانائی کے درخواستوں میں اضافہ

ای سی ڈی سی اور ڈی سی ڈی سی تبادلوں کی تشکیلات میں موثر طاقت کی ت rectification

شاٹکی ڈایودز ای سی ڈی سی اور ڈی سی ڈی سی دونوں طاقت کے نظاموں میں کارکردگی کو بڑھاتے ہیں کیونکہ وہ بجلی تبدیل کرتے وقت وولٹیج ڈراپ کو کم کر دیتے ہیں۔ نئے کنورٹر کے ڈیزائن میں تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ یہ ڈایودز چیزوں کو عام PN جنکشن ڈایودز کے مقابلے میں تقریباً 12 سے 15 فیصد تک بہتر چلانے میں کامیاب ہوتے ہیں، خاص طور پر بک/بووسٹ تشکیلات میں 100 کلو ہرٹز سے زیادہ فریکوئنسی پر کام کرنے پر، جیسا کہ 2024 میں انٹیچ اوپن کے ذریعہ شائع کردہ حالیہ کام میں بتایا گیا ہے۔ انہیں اتنا مؤثر بنانے والی بات یہ ہے کہ ان کا کم فارورڈ وولٹیج ڈراپ تقریباً 0.3 سے 0.4 وولٹ ہوتا ہے، حتیٰ کہ 10 ایمپیئر تک کے معقول کرنٹس کو سنبھالتے وقت بھی، جس کا مطلب ہے کہ وولٹیج تبدیلی کے پورے عمل میں کم توانائی ضائع ہوتی ہے۔

سورج کے پینلز میں ریورس کرنٹ کو روکنا: فوٹو وولٹائک سسٹمز میں شاٹکی ڈایود

سورج کے اریز میں، شاٹکی ڈایود کم روشنی کی حالت کے دوران ریورس کرنٹ فلو کو روکتے ہیں، جس سے غیر تحفظ والے سیٹ اپس کے مقابلے میں رات کے وقت توانائی کے نقصان میں 72% تک کمی آتی ہے۔ سایہ دار واقعات کے لحاظ سے ان کا تیز ردعمل (<50ns) خلیات کو ہاٹ-اسپاٹ گرمی سے بچاتا ہے جبکہ روزانہ توانائی کے آؤٹ پٹ کا 98.5% برقرار رکھتا ہے (سولر انرجی جرنل 2023)۔

سورج کے خلیات کے اریز میں بائی پاس ڈایود کے طور پر شاٹکی ڈایود کا استعمال

جب 60-خلیہ ماڈیوز میں بائی پاس ڈایود کے طور پر ضم کیا جاتا ہے، تو شاٹکی اقسام جزوی سایہ داری کی وجہ سے پاور کے نقصان کو 40–60% تک کم کرتی ہیں۔ ان کا کم حرارتی مزاحمت (1.5°C/W) 85°C ماحولیاتی درجہ حرارت پر بغیر ڈیریٹنگ کے مسلسل آپریشن کی حمایت کرتی ہے، جو بڑے پیمانے پر تنصیبات کے لیے مناسب بناتی ہے جہاں طویل مدتی قابل اعتمادی معمولی اضافی رساؤ کرنٹ کے مقابلے زیادہ اہم ہوتی ہے۔

رساؤ کرنٹ کے نقصانات کے مقابلے میں کارآمدی میں حاصل شدہ فائدے کا موازنہ

اگرچہ شاٹکی ڈایودز کا الٹا رساؤ سلیکون ڈایودز کے مقابلے میں 2–5 گنا زیادہ ہوتا ہے، تاہم جدید ڈیزائن اسے مندرجہ ذیل کے ذریعے کم کرتے ہیں:

• درجہ حرارت کی معاوضہ داری کے ساتھ رکاوٹ انجینئرنگ (-0.02mV/°C کی ضریب)
• حفاظتی حلقہ ساخت جو کنارے کے رساؤ کو 80% تک کم کرتی ہے
• V کو بہتر بنانے کے لیے انتخابی ایپی-لیئر ڈوپنگ _ت /I_ر توازن

یہ ترقیات MPPT چارج کنٹرولرز میں 94% نظام کی کارکردگی کو ممکن بناتی ہیں، حالانکہ 25°C پر 100µA رساؤ ہوتا ہے (Renewable Energy Focus 2024)۔

شوتکی بنیاد پر سرکٹس میں طاقت کے نقصان میں کمی کی وجہ سے کم حرارتی دباؤ

شوتکی ڈائیوڈ، معمول کے پی این ڈائیوڈ کے مقابلے میں تقریباً آدھی طاقت ضائع کرتے ہیں کیونکہ ان کا فارورڈ وولٹیج ڈراپ بہت کم ہوتا ہے، تقریباً 0.3 سے 0.4 وولٹ کے درمیان، جبکہ روایتی ڈائیوڈز میں عام طور پر یہ 0.7 سے 1.1 وولٹ ہوتا ہے۔ اس کا کیا مطلب ہے؟ اس کا مطلب ہے کم حرارت پیدا ہونا۔ 10 ایمپئر کرنٹ کے بہاؤ پر، یہ شوتکی صرف 3 سے 5 واٹ حرارت پیدا کرتے ہیں، جبکہ سلیکان بنیاد پر مبنی ڈائیوڈز پچھلے سال پاور الیکٹرانکس جرنل میں شائع ہونے والی حالیہ تحقیقات کے مطابق 7 سے 11 واٹ تک حرارت خارج کرتے ہیں۔ چونکہ اتنی زیادہ حرارت جمع نہیں ہوتی، اس لیے یہ اجزاء قابل اعتماد طریقے سے چل سکتے ہیں حتیٰ کہ جب درجہ حرارت 125 ڈگری سیلسیئس تک پہنچ جائے، بغیر کسی کارکردگی کی ایڈجسٹمنٹ کے۔ اس وجہ سے یہ ایسی صورتحال کے لیے بہترین ہیں جہاں بند باکسز کے اندر یا کاروں کے ہود کے نیچے چیزوں کا گرم ہونا عام بات ہے، جہاں وقتاً فوقتاً زیادہ حرارت عام طور پر مسائل پیدا کر دیتی ہے۔

کمپیکٹ ڈیزائن کے مواقع: چھوٹے ہیٹ سنکس اور زیادہ طاقت کی کثافت

بجلی کے نقصان کو 40٪ سے 60٪ تک کم کرکے، شاٹکی ڈائیوڈ ڈی سی-ڈی سی کنورٹرز میں حرارت کم کرنے والے ہیٹ سنک کے وزن کی ضروریات کو 30٪ سے 50٪ تک کم کر دیتے ہیں۔ اس لیے ڈیزائنرز مندرجہ ذیل کر سکتے ہیں:

• الومینیم ہیٹ سنک کی جگہ ہلکے اسٹیمپڈ سٹیل یا پولیمر کمپوزٹس کو استعمال کریں
• سرور پی ایس یو میں پاور کثافت کو 8W/in³ سے بڑھا کر 12W/in³ تک کریں
• ذیلی 100W پورٹیبل آلات میں ایکٹیو کولنگ کو ختم کریں

یہ فوائد اگلی نسل کے آئیو ٹی سینسرز اور پہننے کی اشیاء کی حمایت کرتے ہیں، جہاں پی سی بی جگہ کی پابندیوں کی وجہ سے 5 ملی میٹر سے کم اونچائی والے اجزاء کی ضرورت ہوتی ہے۔

اکثر پوچھے گئے سوالات

ڈائیوڈز میں کنڈکشن نقصانات کیا ہیں؟

کنڈکشن نقصانات سے مراد گرمی کے طور پر ضائع ہونے والی توانائی سے ہے جب ڈائیوڈ کرنٹ کی حوصلہ افزائی کرتا ہے، جس کی بنیادی وجہ ڈائیوڈ کے سامنے وولٹیج ڈراپ ہوتی ہے۔

شاٹکی ڈائیوڈ بجلی کی کھپت کو کیسے کم کرتے ہیں؟

شاٹکی ڈائیوڈ کے پارمپروی پی این جنکشن ڈائیوڈ کے مقابلے میں آگے کی طرف وولٹیج ڈراپ کم ہوتا ہے، جس کے نتیجے میں بجلی کی حوصلہ افزائی کے دوران توانائی کا نقصان کم ہوتا ہے۔

کون سی ایپلی کیشنز شاٹکی ڈائیوڈ استعمال کرنے سے فائدہ اٹھاتی ہیں؟

شوتکی ڈایودز مندرجہ ذیل میں فائدہ مند ہوتے ہیں: زیادہ فریکوئنسی والے اطلاقات، طاقت کی سپلائی، ڈی سی-ڈی سی کنورٹرز، کم وولٹیج الیکٹرانکس، سورج کے پینل، اور وہ نظام جن میں زیادہ موثر اور تیز سوئچنگ کی ضرورت ہو۔