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Placa de circuito impreso

La ingeniería electrónica (también llamada ingeniería electrónica y de comunicaciones ) es una disciplina de ingeniería eléctrica que utiliza componentes eléctricos activos y no lineales (como dispositivos semiconductores , especialmente transistores y diodos ) para diseñar circuitos electrónicos , dispositivos , circuitos integrados y sus sistemas . Por lo general, la disciplina también diseña componentes eléctricos pasivos , generalmente basados ​​en placas de circuito impreso .

Electrónica es un subcampo dentro de la materia académica ingeniería eléctrica más amplio, pero denota un campo de la ingeniería amplio que abarca subcampos tales como la electrónica analógica , electrónica digital , electrónica de consumo , sistemas integrados y la electrónica de potencia . La ingeniería electrónica se ocupa de la implementación de aplicaciones, principios y algoritmos desarrollados en muchos campos relacionados, por ejemplo, física del estado sólido , ingeniería de radio , telecomunicaciones , sistemas de control , procesamiento de señales , ingeniería de sistemas ,ingeniería informática , ingeniería de instrumentación , control de energía eléctrica , robótica y muchos otros.

El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) es una de las organizaciones más importantes e influyentes para los ingenieros electrónicos con sede en los EE. UU. A nivel internacional, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) elabora estándares para la ingeniería electrónica, desarrollados por consenso y gracias al trabajo de 20.000 expertos de 172 países de todo el mundo.

Relación con la ingeniería eléctrica [ editar ]

La electrónica es un subcampo dentro de la materia académica más amplia de ingeniería eléctrica . Se puede obtener un título académico con especialización en ingeniería electrónica en algunas universidades, mientras que otras universidades utilizan la ingeniería eléctrica como materia. El término ingeniero eléctrico todavía se usa en el mundo académico para incluir a los ingenieros electrónicos. [1] Sin embargo, algunos creen que el término ingeniero eléctrico debería reservarse para aquellos que se han especializado en ingeniería de potencia y corriente pesada o alta tensión, mientras que otros consideran que la energía es solo un subconjunto de la ingeniería eléctrica similar a la ingeniería de distribución de energía eléctrica . El término ingeniería energéticase utiliza como descriptor en esa industria. Nuevamente, en los últimos años ha habido un crecimiento de nuevos cursos de grado de entrada separada, como ingeniería de sistemas e ingeniería de sistemas de comunicación , a menudo seguidos por departamentos académicos de nombre similar, que generalmente no se consideran subcampos de ingeniería electrónica sino de ingeniería eléctrica. [2] [3]

Historia [ editar ]

Artículo principal: Historia de la ingeniería electrónica

La ingeniería electrónica como profesión surgió a partir de las mejoras tecnológicas en la industria del telégrafo a finales del siglo XIX y las industrias de la radio y la telefonía a principios del siglo XX. La gente se sintió atraída por la radio por la fascinación técnica que inspiraba, primero en recibir y luego en transmitir. Muchos de los que se dedicaron a la radiodifusión en la década de 1920 eran solo "aficionados" en el período anterior a la Primera Guerra Mundial . [4]

En gran medida, la disciplina moderna de la ingeniería electrónica nació del desarrollo de equipos de telefonía, radio y televisión y la gran cantidad de desarrollo de sistemas electrónicos durante la Segunda Guerra Mundial de radar , sonar , sistemas de comunicación y municiones avanzadas y sistemas de armas. En los años de entreguerras, el tema se conocía como ingeniería de radio y fue solo a fines de la década de 1950 cuando comenzó a surgir el término ingeniería electrónica. [5]

El primer transistor en funcionamiento fue un transistor de contacto puntual inventado por John Bardeen y Walter Houser Brattain en Bell Labs en 1947. [6] El MOSFET (transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico, o transistor MOS) fue inventado más tarde por Mohamed M Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959. [7] [8] [9] El MOSFET fue el primer transistor verdaderamente compacto que pudo ser miniaturizado y producido en masa para una amplia gama de usos. [10] El MOSFET revolucionó la industria electrónica , [11][12] convirtiéndose en el dispositivo electrónico más utilizado en el mundo. [8] [13] [14] El MOSFET es el elemento básico en la mayoría de los equipos electrónicos modernos. [15] [16]

Electrónica [ editar ]

Artículo principal: Electrónica

En el campo de la ingeniería electrónica, los ingenieros diseñan y prueban circuitos que utilizan las propiedades electromagnéticas de componentes eléctricos como resistencias , condensadores , inductores , diodos y transistores para lograr una funcionalidad particular. El circuito del sintonizador , que permite al usuario de una radio filtrar todas las estaciones menos una, es solo un ejemplo de dicho circuito.

Al diseñar un circuito integrado, los ingenieros electrónicos primero construyen esquemas de circuitos que especifican los componentes eléctricos y describen las interconexiones entre ellos. Cuando se completa, los ingenieros de VLSI convierten los esquemas en diseños reales, que mapean las capas de varios materiales conductores y semiconductores necesarios para construir el circuito. La conversión de esquemas a diseños se puede realizar mediante software (consulte automatización de diseño electrónico ), pero muy a menudo requiere un ajuste fino humano para reducir el consumo de espacio y energía. Una vez que se completa el diseño, se puede enviar a una planta de fabricación para su fabricación.

Para sistemas de complejidad intermedia, los ingenieros pueden usar el modelado VHDL para dispositivos lógicos programables y FPGA .

Los circuitos integrados , FPGA y otros componentes eléctricos se pueden ensamblar en placas de circuito impreso para formar circuitos más complicados. Hoy en día, las placas de circuito impreso se encuentran en la mayoría de los dispositivos electrónicos, incluidos televisores , computadoras y reproductores de audio . [17]

Subcampos [ editar ]

La ingeniería electrónica tiene muchos subcampos. Esta sección describe algunos de los subcampos más populares de la ingeniería electrónica; aunque hay ingenieros que se centran exclusivamente en un subcampo, también hay muchos que se centran en una combinación de subcampos.

El procesamiento de señales se ocupa del análisis y manipulación de señales . Las señales pueden ser analógicas , en cuyo caso la señal varía continuamente según la información, o digitales , en cuyo caso la señal varía según una serie de valores discretos que representan la información.

Para señales analógicas, el procesamiento de señales puede implicar la amplificación y filtrado de señales de audio para equipos de audio o la modulación y demodulación de señales para telecomunicaciones . Para señales digitales, el procesamiento de señales puede implicar la compresión , verificación de errores y detección de errores de señales digitales.

La ingeniería de telecomunicaciones se ocupa de la transmisión de información a través de un canal como un cable coaxial , fibra óptica o espacio libre .

Las transmisiones a través del espacio libre requieren que la información se codifique en una onda portadora para cambiar la información a una frecuencia portadora adecuada para la transmisión, esto se conoce como modulación . Las técnicas populares de modulación analógica incluyen la modulación de amplitud y la modulación de frecuencia . La elección de la modulación afecta el costo y el rendimiento de un sistema y el ingeniero debe sopesar cuidadosamente estos dos factores.

Una vez que se determinan las características de transmisión de un sistema, los ingenieros de telecomunicaciones diseñan los transmisores y receptores necesarios para dichos sistemas. Estos dos a veces se combinan para formar un dispositivo de comunicación bidireccional conocido como transceptor . Una consideración clave en el diseño de transmisores es su consumo de energía, ya que está estrechamente relacionado con la intensidad de la señal . Si la intensidad de la señal de un transmisor es insuficiente, la información de la señal se verá alterada por el ruido .

Aviación - Ingeniería Electrónica e Ingeniería de Aviación-Telecomunicaciones, Investigan y trabajan en temas de electrónica y aeroespacial.Los ingenieros de aviación- telecomunicaciones incluyen un grupo de especialistas que tienen mucha información sobre el vuelo (como datos meteorológicos , alguna información específica, etc. ) a través de las plataformas disponibles (como AFTN, etc.) a disposición de la propia aeronave o de sus partes. Otros están estacionados en los aeropuertos. Los especialistas en este campo necesitan principalmente conocimientos de informática , redes , TI y física..Sus trabajos son en organizaciones y empresas del aire y el espacio. Antes, durante y después del vuelo, la aeronave necesita equipos y plataformas que cubran muchas de sus necesidades como son los sistemas de información, comunicación y monitoreo de navegación (CNS). Por supuesto, dicho equipo requiere instalación, puesta en servicio, mantenimiento y reparación, lo cual es una tarea seria para un especialista en electrónica de aviación en los aeropuertos. Estos cursos se ofrecen en diferentes universidades como Civil Aviation Technology College [18] . [19]

Electromagnetics es un estudio en profundidad sobre las señales que se transmiten en un canal (cableado o inalámbrico). Esto incluye los conceptos básicos de ondas electromagnéticas, líneas de transmisión y guías de ondas , antenas, sus tipos y aplicaciones con radiofrecuencia (RF) y microondas. Sus aplicaciones se ven ampliamente en otros subcampos como Ingeniería de Telecomunicaciones, Control e Instrumentación.

La ingeniería de control tiene una amplia gama de aplicaciones, desde los sistemas de vuelo y propulsión de aviones comerciales hasta el control de crucero presente en muchos automóviles modernos . También juega un papel importante en la automatización industrial .

Los ingenieros de control a menudo utilizan la retroalimentación al diseñar sistemas de control . Por ejemplo, en un automóvil con control de crucero , la velocidad del vehículo se monitorea continuamente y se retroalimenta al sistema que ajusta la salida de potencia del motor en consecuencia. Donde hay retroalimentación regular, la teoría de control se puede utilizar para determinar cómo responde el sistema a dicha retroalimentación.

La ingeniería de instrumentación se ocupa del diseño de dispositivos para medir cantidades físicas como presión , flujo y temperatura . Estos dispositivos se conocen como instrumentación .

El diseño de tal instrumentación requiere una buena comprensión de la física que a menudo se extiende más allá de la teoría electromagnética . Por ejemplo, las pistolas de radar utilizan el efecto Doppler para medir la velocidad de los vehículos que se aproximan. De manera similar, los termopares usan el efecto Peltier-Seebeck para medir la diferencia de temperatura entre dos puntos.

A menudo, la instrumentación no se utiliza por sí sola, sino como sensores de sistemas eléctricos más grandes. Por ejemplo, se puede usar un termopar para ayudar a garantizar que la temperatura de un horno permanezca constante. Por esta razón, la ingeniería de instrumentación a menudo se considera la contraparte de la ingeniería de control. [20]

La ingeniería informática se ocupa del diseño de computadoras y sistemas informáticos. Esto puede implicar el diseño de nuevo hardware informático , el diseño de PDA o el uso de computadoras para controlar una planta industrial . El desarrollo de sistemas embebidos —sistemas hechos para tareas específicas (por ejemplo, teléfonos móviles) — también se incluye en este campo. Este campo incluye el microcontrolador y sus aplicaciones. Los ingenieros informáticos también pueden trabajar en el software de un sistema . Sin embargo, el diseño de sistemas de software complejos es a menudo el dominio de la ingeniería de software , que generalmente se considera una disciplina separada.

Ingeniería de diseño VLSI VLSI es sinónimo de integración a gran escala . Se ocupa de la fabricación de circuitos integrados y varios componentes electrónicos.

Educación y formación [ editar ]

Artículo principal: Educación y formación de ingenieros eléctricos y electrónicos.

Los ingenieros electrónicos suelen poseer un título académico con especialización en ingeniería electrónica. La duración del estudio para tal grado es generalmente de tres o cuatro años y el título completado puede designarse como Licenciatura en Ingeniería , Licenciatura en Ciencias , Licenciatura en Ciencias Aplicadas o Licenciatura en Tecnología, dependiendo de la universidad. Muchas universidades del Reino Unido también ofrecen títulos de Maestría en Ingeniería ( MEng ) a nivel de posgrado.

Algunos ingenieros electrónicos también optan por realizar un posgrado , como una Maestría en Ciencias , un Doctorado en Filosofía en Ingeniería o un Doctorado en Ingeniería . La maestría se está introduciendo en algunas universidades europeas y americanas como un primer grado y la diferenciación de un ingeniero con estudios de grado y posgrado a menudo es difícil. En estos casos se tiene en cuenta la experiencia. La maestría puede consistir en investigación, cursos o una combinación de ambos. El Doctorado en Filosofía consta de un componente de investigación importante y, a menudo, se considera el punto de entrada a la academia.

En la mayoría de los países, una licenciatura en ingeniería representa el primer paso hacia la certificación y el programa de grado en sí está certificado por un organismo profesional. La certificación permite a los ingenieros aprobar legalmente planes para proyectos que afectan la seguridad pública. [21] Después de completar un programa de grado certificado, el ingeniero debe satisfacer una serie de requisitos, incluidos los requisitos de experiencia laboral, antes de obtener la certificación. Una vez certificado, el ingeniero recibe el título de ingeniero profesional (en los Estados Unidos, Canadá y Sudáfrica), ingeniero colegiado o ingeniero incorporado (en el Reino Unido, Irlanda, India y Zimbabwe), ingeniero profesional colegiado (en Australia y Nueva Zelanda) o ingeniero europeo (en gran parte de la Unión Europea).

Un título en electrónica generalmente incluye unidades que cubren física , química , matemáticas , gestión de proyectos y temas específicos en ingeniería eléctrica . Inicialmente, estos temas cubren la mayoría, si no todos, los subcampos de la ingeniería electrónica. Luego, los estudiantes optan por especializarse en uno o más subcampos hacia el final de la carrera.

Fundamentales para la disciplina son las ciencias de la física y las matemáticas, ya que ayudan a obtener una descripción tanto cualitativa como cuantitativa de cómo funcionarán dichos sistemas. Hoy en día, la mayor parte del trabajo de ingeniería implica el uso de computadoras y es común utilizar programas de software de diseño y simulación asistidos por computadora al diseñar sistemas electrónicos. Aunque la mayoría de los ingenieros electrónicos comprenderán la teoría básica de circuitos, las teorías empleadas por los ingenieros generalmente dependen del trabajo que realizan. Por ejemplo, la mecánica cuántica y la física del estado sólido pueden ser relevantes para un ingeniero que trabaja en VLSI, pero son en gran medida irrelevantes para los ingenieros que trabajan con sistemas integrados .

Además de la teoría electromagnética y de redes, otros elementos del programa de estudios son específicos del curso de ingeniería electrónica . Los cursos de ingeniería eléctrica tienen otras especialidades como máquinas , generación y distribución de energía . Esta lista no incluye el extenso plan de estudios de matemáticas de ingeniería que es un requisito previo para un título. [22] [23]

Electromagnetismo [ editar ]

Elementos del cálculo vectorial : divergencia y rizo ; Teoremas de Gauss y Stokes , ecuaciones de Maxwell : formas diferencial e integral. Ecuación de onda , vector de Poynting . Ondas planas : propagación a través de varios medios; reflexión y refracción ; velocidad de fase y grupo ; profundidad de la piel . Líneas de transmisión : impedancia característica ; transformación de impedancia; Gráfico de Smith ; coincidencia de impedancia; excitación de pulso. Guías de ondas : modos en guías de ondas rectangulares; condiciones de contorno ; frecuencias de corte ; relaciones de dispersión . Antenas: Antenas dipolo ; conjuntos de antenas ; patrón de radiación; teorema de reciprocidad, ganancia de antena . [24] [25]

Análisis de red [ editar ]

Gráficos de red: matrices asociadas con gráficos; matrices de incidencia, conjunto de corte fundamental y circuito fundamental. Métodos de solución: análisis nodal y de malla. Teoremas de la red: superposición, máxima transferencia de potencia de Thevenin y Norton, transformación Wye-Delta. [26] Análisis sinusoidal en estado estacionario utilizando fasores. Ecuaciones diferenciales de coeficiente constante lineal; análisis en el dominio del tiempo de circuitos RLC simples. Solución de ecuaciones de red utilizando la transformada de Laplace : análisis en el dominio de la frecuencia de circuitos RLC. Parámetros de red de 2 puertos: punto de conducción y funciones de transferencia. Ecuaciones de estado para redes. [27]

Dispositivos y circuitos electrónicos [ editar ]

Dispositivos electrónicos : Bandas de energía en silicio, silicio intrínseco y extrínseco. Transporte de portadores en silicio: corriente de difusión, corriente de deriva, movilidad, resistividad. Generación y recombinación de portadores. pn unión de diodo, diodo Zener , diodo túnel , BJT , JFET , condensador MOS , MOSFET , LED , pin y fotodiodo de avalancha , láseres. Tecnología del dispositivo: proceso de fabricación de circuitos integrados , oxidación, difusión, implantación de iones , fotolitografía, proceso CMOS n-tub, p-tub y twin-tub. [28][29]

Circuitos analógicos : circuitos equivalentes (señal grande y pequeña) de diodos, BJT, JFET y MOSFET. Circuitos de diodos simples, recorte, sujeción, rectificador. Polarización y estabilidad de polarización de transistores y amplificadores FET. Amplificadores: monoetapa y multietapa, diferencial, operacional, realimentación y potencia. Análisis de amplificadores; respuesta de frecuencia de los amplificadores. Circuitos de amplificador operacional simples . Filtros. Osciladores sinusoidales; criterio de oscilación; configuraciones de un solo transistor y amplificador operacional. Generadores de funciones y circuitos formadores de ondas, Fuentes de alimentación. [30]

Circuitos digitales : Funciones booleanas ( NOT , AND , OR , XOR , ...). Puertas lógicas familias de CI digitales ( DTL , TTL , ECL , MOS , CMOS ). Circuitos combinacionales: circuitos aritméticos, convertidores de código, multiplexores y decodificadores . Circuitos secuenciales : pestillos y flip-flops, contadores y registros de cambios. Circuitos de muestreo y retención, ADC , DAC . Memorias de semiconductores . Microprocesador 8086: arquitectura, programación, memoria e interfaz de E / S. [31] [32]

Señales y sistemas [ editar ]

Definiciones y propiedades de la transformada de Laplace , serie de Fourier en tiempo continuo y tiempo discreto , transformada de Fourier en tiempo continuo y tiempo discreto , transformada z . Teoremas de muestreo . Sistemas lineales invariantes en el tiempo (LTI) : definiciones y propiedades; causalidad, estabilidad, respuesta a impulso, convolución, respuesta de frecuencia de polos y ceros, retardo de grupo, retardo de fase. Transmisión de señales a través de sistemas LTI. Señales aleatorias y ruido: probabilidad , variables aleatorias , función de densidad de probabilidad , autocorrelación, densidad espectral de potencia , analogía de funciones entre vectores y funciones.[33] [34]

Sistemas de control [ editar ]

Componentes del sistema de control básico; descripción de diagrama de bloques, reducción de diagramas de bloques - regla de Mason . Sistemas de bucle abierto y de bucle cerrado (retroalimentación unitaria negativa) y análisis de estabilidad de estos sistemas. Gráficos de flujo de señales y su uso para determinar funciones de transferencia de sistemas; Análisis transitorio y de estado estable de los sistemas de control LTI y la respuesta de frecuencia. Análisis de rechazo de perturbaciones en estado estacionario y sensibilidad al ruido.

Herramientas y técnicas para el análisis y diseño de sistemas de control LTI: loci de raíces, criterio de estabilidad de Routh-Hurwitz , diagramas de Bode y Nyquist . Compensadores del sistema de control: elementos de compensación de adelanto y retraso, elementos de control proporcional-integral-derivativo (PID). Discretización de sistemas de tiempo continuo usando retención de orden cero y ADC para implementación de controlador digital. Limitaciones de los controladores digitales: aliasing. Representación de variables de estado y solución de ecuaciones de estado de sistemas de control LTI. Linealización de sistemas dinámicos no lineales con realizaciones de espacio de estado en dominios de frecuencia y tiempo. Conceptos fundamentales de controlabilidad y observabilidad para MIMOSistemas LTI. Realizaciones del espacio de estados: forma canónica observable y controlable. Fórmula de Ackermann para la colocación de postes de retroalimentación de estado. Diseño de estimadores de pedidos completos y reducidos. [35] [36]

Comunicaciones [ editar ]

Sistemas de comunicación analógica: sistemas de modulación y demodulación de amplitud y ángulo , análisis espectral de estas operaciones, condiciones de ruido superheterodino .

Sistemas de comunicación digital: modulación de código de pulso (PCM), modulación de código de pulso diferencial (DPCM), modulación delta (DM), modulación digital - esquemas de codificación por desplazamiento de amplitud, fase y frecuencia ( ASK , PSK , FSK ), emparejado- receptores de filtro, consideración del ancho de banda y cálculos de probabilidad de error para estos esquemas, GSM , TDMA . [37] [38]

Organismos profesionales [ editar ]

Los organismos profesionales de renombre para los ingenieros eléctricos incluyen el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) y la Institución de Ingenieros Eléctricos (IEE) (ahora renombrada Institución de Ingeniería y Tecnología o IET). Los miembros de la Institución de Ingeniería y Tecnología (MIET) son reconocidos profesionalmente en Europa, como ingenieros eléctricos e informáticos (tecnología). El IEEE afirma producir el 30 por ciento de la literatura mundial en ingeniería eléctrica / electrónica, tiene más de 430.000 miembros y celebra más de 450 conferencias patrocinadas o copatrocinadas por IEEE en todo el mundo cada año. SMIEEE es una designación profesional reconocida en los Estados Unidos.

Ingeniería de proyectos [ editar ]

Para la mayoría de los ingenieros que no están a la vanguardia del diseño y desarrollo de sistemas, el trabajo técnico representa solo una fracción del trabajo que realizan. También se dedica mucho tiempo a tareas como discutir propuestas con los clientes, preparar presupuestos y determinar los cronogramas de proyectos. Muchos ingenieros superiores gestionan un equipo de técnicos u otros ingenieros y, por esta razón, las habilidades de gestión de proyectos son importantes. La mayoría de los proyectos de ingeniería implican algún tipo de documentación y, por lo tanto, son muy importantes las sólidas habilidades de comunicación escrita.

Los lugares de trabajo de los ingenieros electrónicos son tan variados como los tipos de trabajo que realizan. Los ingenieros electrónicos pueden encontrarse en el prístino entorno de laboratorio de una planta de fabricación, las oficinas de una empresa consultora o en un laboratorio de investigación. Durante su vida laboral, los ingenieros electrónicos pueden encontrarse supervisando a una amplia gama de personas, incluidos científicos, electricistas, programadores informáticos y otros ingenieros.

La obsolescencia de las habilidades técnicas es una seria preocupación para los ingenieros electrónicos. La membresía y la participación en sociedades técnicas, las revisiones periódicas de publicaciones periódicas en el campo y el hábito de aprendizaje continuo son, por lo tanto, esenciales para mantener la competencia. Y estos se utilizan principalmente en el campo de los productos electrónicos de consumo. [39]

Ver también [ editar ]

  • Tecnología de ingeniería eléctrica
  • Glosario de ingeniería eléctrica y electrónica
  • Índice de artículos de ingeniería eléctrica
  • Ingeniería de Información
  • Lista de ingenieros eléctricos
  • Cronología de la ingeniería eléctrica y electrónica

Referencias [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]