Hispanopedia WikiLa ingeniería electrónica es una subdisciplina de la ingeniería eléctrica que surgió a principios del siglo XX y se distingue por el uso adicional de componentes activos , como dispositivos semiconductores, para amplificar y controlar el flujo de corriente eléctrica. Anteriormente, la ingeniería eléctrica solo utilizaba dispositivos pasivos, como interruptores mecánicos, resistencias, inductores y condensadores.
Abarca campos como la electrónica analógica , la electrónica digital , la electrónica de consumo , los sistemas embebidos y la electrónica de potencia . También participa en muchos campos relacionados, como la física del estado sólido , la ingeniería de radio , las telecomunicaciones , los sistemas de control , el procesamiento de señales , la ingeniería de sistemas , la ingeniería informática , la ingeniería de instrumentación , el control de energía eléctrica , la fotónica y la robótica .
El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) es una de las organizaciones profesionales más importantes para los ingenieros electrónicos en Estados Unidos; su equivalente en el Reino Unido es la Institución de Ingeniería y Tecnología (IET). La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) publica normas eléctricas, incluidas las de ingeniería electrónica.
Historia y desarrollo
La ingeniería electrónica como profesión surgió tras el desarrollo del detector de cristal por Karl Ferdinand Braun , el primer dispositivo semiconductor , en 1874, y la identificación del electrón en 1897, así como la posterior invención del tubo de vacío , que podía amplificar y rectificar pequeñas señales eléctricas, lo que inauguró el campo de la electrónica. [ 1 ] [ 2 ] Las aplicaciones prácticas comenzaron con la invención del diodo por Ambrose Fleming y el triodo por Lee De Forest a principios del siglo XX, lo que hizo posible la detección de pequeños voltajes eléctricos, como las señales de radio de una antena, con un dispositivo no mecánico. El crecimiento de la electrónica fue rápido. A principios de la década de 1920, la radiodifusión y las comunicaciones comerciales se estaban generalizando y los amplificadores electrónicos se utilizaban en aplicaciones tan diversas como la telefonía de larga distancia y la industria de la grabación musical.
Esta disciplina se vio reforzada por el gran desarrollo de sistemas electrónicos durante la Segunda Guerra Mundial, como el radar y el sonar , y la posterior revolución del consumo en tiempos de paz tras la invención del transistor por William Shockley , John Bardeen y Walter Brattain .
Áreas de especialización
La ingeniería electrónica tiene muchos subcampos. Esta sección describe algunos de los más populares.
El procesamiento electrónico de señales se ocupa del análisis y la manipulación de señales . Las señales pueden ser analógicas , en cuyo caso varían de forma continua según la información, o digitales , en cuyo caso varían según una serie de valores discretos que representan la información.
En el caso de las señales analógicas, el procesamiento de señales puede incluir la amplificación y el filtrado de señales de audio para equipos de audio, así como la modulación y la demodulación de señales de radiofrecuencia para telecomunicaciones . En el caso de las señales digitales, el procesamiento de señales puede incluir la compresión , la verificación y detección de errores , y la corrección de errores.
La ingeniería de telecomunicaciones se ocupa de la transmisión de información a través de un medio como un cable coaxial , una fibra óptica o el espacio libre . Las transmisiones en el espacio libre requieren que la información se codifique en una onda portadora para poder transmitirse; esto se conoce como modulación. Las técnicas de modulación analógica más comunes incluyen la modulación de amplitud y la modulación de frecuencia .
Una vez determinadas las características de transmisión de un sistema, los ingenieros de telecomunicaciones diseñan los transmisores y receptores necesarios. Estos dos componentes a veces se combinan para formar un dispositivo de comunicación bidireccional conocido como transceptor . Un aspecto clave en el diseño de los 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 se verá afectada por el ruido .
La ingeniería aeronáutica - electrónica y la ingeniería aeronáutica-telecomunicaciones se ocupan de las aplicaciones aeroespaciales . Los ingenieros aeronáuticos - telecomunicaciones incluyen especialistas que trabajan con aviónica a bordo de aeronaves o equipos terrestres. Los especialistas en este campo necesitan principalmente conocimientos de informática , redes , TI y sensores . Estos cursos se ofrecen en instituciones como los Colegios de Tecnología de Aviación Civil . [ 3 ] [ 4 ]
La ingeniería de control tiene una amplia gama de aplicaciones electrónicas, desde los sistemas de vuelo y propulsión de los aviones comerciales hasta el control de crucero presente en muchos automóviles modernos . También desempeña un papel importante en la automatización industrial . Los ingenieros de control suelen utilizar la retroalimentación al diseñar sistemas de control .
La ingeniería de instrumentación se ocupa del diseño de dispositivos para medir magnitudes físicas como la presión , el caudal y la temperatura . El diseño de dicha instrumentación requiere un buen conocimiento de la ingeniería electrónica y la física ; por ejemplo, los radares utilizan el efecto Doppler para medir la velocidad de los vehículos que se aproximan. Del mismo modo, los termopares utilizan el efecto Peltier-Seebeck para medir la diferencia de temperatura entre dos puntos.
A menudo, la instrumentación no se utiliza de forma aislada, sino como sensores de sistemas eléctricos más amplios. Por ejemplo, un termopar podría usarse para asegurar que la temperatura de un horno se mantenga constante. Por esta razón, la ingeniería de instrumentación suele considerarse la contraparte de la ingeniería de control. [ 5 ]
La ingeniería informática se ocupa del diseño de ordenadores y sistemas informáticos. Esto puede incluir el diseño de nuevo hardware , el diseño de PDA o el uso de ordenadores para controlar una planta industrial . El desarrollo de sistemas embebidos —sistemas diseñados para tareas específicas (por ejemplo, teléfonos móviles)— también se incluye en este campo. Este campo abarca 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 suele ser competencia de la ingeniería de software , que pertenece a la informática y que generalmente se considera una disciplina independiente.
Ingeniería de diseño VLSI. VLSI significa integración a muy gran escala . Se ocupa de la fabricación de circuitos integrados y diversos componentes electrónicos. Al diseñar un circuito integrado, los ingenieros electrónicos primero construyen esquemas que especifican los componentes eléctricos y describen las interconexiones entre ellos. Una vez completados, los ingenieros VLSI convierten los esquemas en diseños reales, que representan las capas de los diversos materiales conductores y semiconductores necesarios para construir el circuito.
Educación y formación
La electrónica es un subcampo dentro de la disciplina académica más amplia de la ingeniería eléctrica . En ingeniería electrónica, la cerámica es un material utilizado para crear componentes electrónicos. La cerámica se utiliza para la creación de conectores, elementos de encapsulado, condensadores multicapa, resistencias y sensores. [ 6 ] Los ingenieros electrónicos suelen tener un título académico con especialización en ingeniería electrónica. La duración de los estudios para obtener dicho título suele ser de tres o cuatro años y el título obtenido puede denominarse Licenciatura en Ingeniería , Licenciatura en Ciencias , Licenciatura en Ciencias Aplicadas o Licenciatura en Tecnología, según la universidad. Durante la licenciatura, los estudiantes suelen completar un proyecto final al término de sus estudios. El proyecto final consiste en diseñar y completar un proyecto del mundo real utilizando los conocimientos adquiridos en cursos anteriores. [ 7 ] [ 8 ] Muchas universidades del Reino Unido también ofrecen maestrías en ingeniería ( MEng ) a nivel de posgrado.
Algunos ingenieros electrónicos también optan por cursar estudios de posgrado , como una Maestría en Ciencias , un Doctorado en Ingeniería o un Doctorado en Ingeniería . La maestría se está introduciendo en algunas universidades europeas y americanas como primer título, y a menudo resulta difícil diferenciar entre un ingeniero con estudios de pregrado y uno con estudios de posgrado. En estos casos, se tiene en cuenta la experiencia. La maestría puede consistir en investigación, cursos o una combinación de ambos. El Doctorado en Ingeniería incluye un importante componente de investigación y suele considerarse la puerta de entrada al mundo académico.
En la mayoría de los países, una licenciatura en ingeniería representa el primer paso hacia la certificación, y el programa de estudios en sí está certificado por un organismo profesional. La certificación permite a los ingenieros firmar legalmente los planes de proyectos que afectan la seguridad pública. [ 9 ] Después de completar un programa de estudios certificado, el ingeniero debe cumplir una serie de requisitos, incluidos los de experiencia laboral, antes de obtener la certificación. Una vez certificado, el ingeniero recibe el título de Ingeniero Profesional (en Estados Unidos, Canadá y Sudáfrica), Ingeniero Colegiado o Ingeniero Incorporado (en Reino Unido, Irlanda, India y Zimbabue), Ingeniero Profesional Colegiado (en Australia y Nueva Zelanda) o Ingeniero Europeo (en gran parte de la Unión Europea).
Una licenciatura en electrónica generalmente incluye asignaturas de física , química , matemáticas , gestión de proyectos y temas específicos de ingeniería eléctrica . Inicialmente, estos temas abarcan la mayoría, si no todas, las subdisciplinas de la ingeniería electrónica. Posteriormente, hacia el final de la carrera, los estudiantes eligen especializarse en una o más subdisciplinas.
Las ciencias de la física y las matemáticas son fundamentales para esta disciplina, ya que ayudan a obtener una descripción tanto cualitativa como cuantitativa del funcionamiento de dichos sistemas. Hoy en día, la mayor parte del trabajo de ingeniería implica el uso de ordenadores, y es habitual utilizar programas de software de diseño y simulación asistidos por ordenador (CAD/S) para el diseño de sistemas electrónicos. Si bien la mayoría de los ingenieros electrónicos comprenden la teoría básica de circuitos, las teorías que emplean suelen depender del trabajo que realizan. Por ejemplo, la mecánica cuántica y la física del estado sólido pueden ser relevantes para un ingeniero que trabaja con VLSI , pero resultan prácticamente irrelevantes para los ingenieros que trabajan con sistemas embebidos .
Aparte del electromagnetismo y la teoría de redes, otros temas del programa de estudios son propios de los cursos de ingeniería electrónica . Los cursos de ingeniería eléctrica incluyen otras especializaciones como máquinas , generación y distribución de energía . Esta lista no incluye el extenso plan de estudios de matemáticas para ingeniería, que es un requisito previo para obtener el título. [ 10 ] [ 11 ]
Varias universidades han actualizado sus programas de ingeniería eléctrica y electrónica para incluir cursos sobre energías renovables. Estos cursos se están creando debido a que el mundo está evolucionando hacia una mayor eficiencia energética. [ 12 ] [ 13 ]
Laboratorios
Los laboratorios son esenciales para la ingeniería electrónica, ya que proporcionan a los estudiantes experiencia práctica para comprender sus otras clases de electrónica. Las actividades de laboratorio pueden incluir:
Protoboarding: Construcción de circuitos básicos para aprender los símbolos de componentes que incluyen LED, diodos y resistencias. [ 14 ]
Microcontroladores: Programación de dispositivos de hardware como placas Arduino para controlar otros componentes. [ 15 ] [ 16 ]
Soldadura: Colocar componentes en una placa de circuito impreso y fijarlos mediante soldadura. [ 17 ]
Los laboratorios de energías renovables pueden incluir: [ 18 ]
Energía fotovoltaica: Uso de simuladores de paneles para aprender las propiedades de la conversión de energía solar.
Energía eólica: Aplicación de la aerodinámica, la dinámica de rotores y las características de generación de energía para diseñar y mejorar los sistemas de energía eólica.
Energía hidráulica: Simulación del flujo de agua mediante turbinas para una mejor comprensión del uso del agua como fuente de energía.
Redes inteligentes: Utilización de tecnologías inteligentes para el avance de los sistemas de energía eléctrica. Incluye la simulación y el hardware de redes a partir de fuentes de energía renovables como la energía solar fotovoltaica y las turbinas eólicas.
Áreas de conocimiento de apoyo
La enorme amplitud de la ingeniería electrónica ha propiciado el uso de un gran número de especialistas que dan soporte a las diferentes áreas de conocimiento.
Elementos del cálculo vectorial : divergencia y rotacional ; teoremas de Gauss y Stokes ; ecuaciones de Maxwell : formas diferenciales e integrales. Ecuación de onda ; vector de Poynting . Ondas planas : propagación a través de diversos medios; reflexión y refracción ; velocidad de fase y de grupo ; profundidad de penetración . Líneas de transmisión : impedancia característica ; transformación de impedancia; diagrama de Smith ; adaptación de impedancias ; excitación por pulsos. Guías de onda : modos en guías de onda rectangulares; condiciones de contorno ; frecuencias de corte ; relaciones de dispersión . Antenas: antenas dipolo ; conjuntos de antenas ; diagrama de radiación; teorema de reciprocidad; ganancia de antena . [ 19 ] [ 20 ]
Grafos de red: matrices asociadas a grafos; incidencia, conjunto de corte fundamental y matrices de circuito fundamental. Métodos de solución: análisis nodal y de malla. Teoremas de red: superposición, transferencia de potencia máxima de Thévenin y Norton, transformación estrella-triángulo. [ 21 ] Análisis sinusoidal en estado estacionario mediante fasores. Ecuaciones diferenciales lineales de coeficiente constante; análisis en el dominio del tiempo de circuitos RLC simples. Solución de ecuaciones de red mediante la transformada de Laplace : análisis en el dominio de la frecuencia de circuitos RLC. Parámetros de red de 2 puertos: punto de excitación y funciones de transferencia. Ecuaciones de estado para redes. [ 22 ]
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. Diodo de unión pn , diodo Zener , diodo túnel , BJT , JFET , condensador MOS , MOSFET , LED , fotodiodo pin y de avalancha , láseres. Tecnología de dispositivos: proceso de fabricación de circuitos integrados , oxidación, difusión, implantación iónica , fotolitografía, proceso CMOS n-tub, p-tub y twin-tub. [ 23 ] [ 24 ]
Circuitos analógicos : Circuitos equivalentes (de señal grande y pequeña) de diodos, BJT, JFET y MOSFET. Circuitos simples de diodos, recorte, sujeción, rectificador. Polarización y estabilidad de polarización de amplificadores de transistores y FET. Amplificadores: de una y varias etapas, diferenciales, operacionales, de realimentación y de potencia. Análisis de amplificadores; respuesta en frecuencia de amplificadores. Circuitos simples con amplificadores operacionales . Filtros. Osciladores sinusoidales; criterio de oscilación; configuraciones de un solo transistor y amplificador operacional. Generadores de funciones y circuitos conformadores de onda, fuentes de alimentación. [ 25 ]
Circuitos digitales : funciones booleanas ( NOT , AND , OR , XOR ,...). Familias de circuitos integrados digitales de compuertas lógicas ( DTL , TTL , ECL , MOS , CMOS ). Circuitos combinacionales: circuitos aritméticos, convertidores de código, multiplexores y decodificadores . Circuitos secuenciales : biestables y flip-flops, contadores y registros de desplazamiento. Circuitos de muestreo y retención, convertidores analógico- digitales (ADC) , convertidores digital -analógicos (DAC) . Memorias semiconductoras . Microprocesador 8086 : arquitectura, programación, memoria e interfaz de E/S. [ 26 ] [ 27 ]
Señales y sistemas: Definiciones y propiedades de la transformada de Laplace , series de Fourier en tiempo continuo y discreto , transformada de Fourier en tiempo continuo y discreto , transformada Z. Teoremas de muestreo . Sistemas lineales invariantes en el tiempo (LTI) : definiciones y propiedades; causalidad, estabilidad, respuesta impulsional, convolución, polos y ceros, respuesta en frecuencia, retardo de grupo y 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 y analogía funcional entre vectores y funciones. [ 28 ] [ 29 ]
Sistemas de control electrónico
Componentes básicos de los sistemas de control; descripción mediante diagramas de bloques, reducción de diagramas de bloques ( regla de Mason ). Sistemas de lazo abierto y lazo cerrado (retroalimentación unitaria negativa) y análisis de estabilidad de estos sistemas. Diagramas de flujo de señales y su uso para determinar las funciones de transferencia de los sistemas; análisis transitorio y en estado estacionario de sistemas de control LTI y respuesta en frecuencia. Análisis del rechazo de perturbaciones en estado estacionario y la sensibilidad al ruido.
Herramientas y técnicas para el análisis y diseño de sistemas de control LTI: lugares de las raíces, criterio de estabilidad de Routh-Hurwitz , diagramas de Bode y Nyquist . Compensadores de sistemas de control: elementos de compensación de adelanto y retardo, elementos de control proporcional-integral-derivativo (PID). Discretización de sistemas de tiempo continuo mediante retención de orden cero y ADC para la implementación de controladores digitales. Limitaciones de los controladores digitales: aliasing. Representación de variables de estado y solución de la ecuación de estado de sistemas de control LTI. Linealización de sistemas dinámicos no lineales con realizaciones en el espacio de estados en los dominios de frecuencia y tiempo. Conceptos fundamentales de controlabilidad y observabilidad para sistemas LTI MIMO . Realizaciones en el espacio de estados: forma canónica observable y controlable. Fórmula de Ackermann para la ubicación de polos de realimentación de estado. Diseño de estimadores de orden completo y de orden reducido. [ 30 ] [ 31 ]
Comunicaciones
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 por codificación de pulsos (PCM), modulación diferencial por codificación de pulsos (DPCM), modulación delta (DM), modulación digital: esquemas de modulación por desplazamiento de amplitud, fase y frecuencia ( ASK , PSK , FSK ), receptores de filtro adaptado, consideración del ancho de banda y cálculos de probabilidad de error para estos esquemas, GSM , TDMA . [ 32 ] [ 33 ]
organismos profesionales
Entre las organizaciones profesionales más destacadas para ingenieros eléctricos se encuentran el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) de EE. UU. y la Institución de Ingeniería y Tecnología (IET) del Reino Unido. Los miembros de la Institución de Ingeniería y Tecnología (MIET) gozan de reconocimiento profesional en Europa como ingenieros eléctricos e informáticos. El IEEE afirma producir el 30 % de la literatura mundial en ingeniería eléctrica y electrónica, cuenta con más de 430 000 miembros y organiza más de 450 conferencias anuales, patrocinadas o copatrocinadas por el IEEE, en todo el mundo. La membresía sénior del IEEE es una designación profesional reconocida en Estados Unidos.
Ingeniería de proyectos
Para la mayoría de los ingenieros que no participan en la vanguardia del diseño y desarrollo de sistemas, el trabajo técnico representa solo una pequeña parte de su labor. También dedican mucho tiempo a tareas como discutir propuestas con clientes, preparar presupuestos y determinar cronogramas de proyectos. Muchos ingenieros sénior dirigen equipos de técnicos u otros ingenieros, por lo que las habilidades de gestión de proyectos son fundamentales. La mayoría de los proyectos de ingeniería requieren algún tipo de documentación, por lo que una sólida capacidad de comunicación escrita es crucial.
Los entornos laborales de los ingenieros electrónicos son tan variados como los tipos de trabajo que realizan. Pueden encontrarse en el impecable laboratorio de una planta de fabricación, en las oficinas de una consultora o en un laboratorio de investigación. Durante su trayectoria profesional, pueden supervisar a un amplio abanico de personas, incluyendo científicos, electricistas, programadores y otros ingenieros.
La obsolescencia de las habilidades técnicas es una seria preocupación para los ingenieros electrónicos. Por lo tanto, la pertenencia y participación en sociedades técnicas, la revisión periódica de publicaciones especializadas y el hábito del aprendizaje continuo son esenciales para mantener la competencia, lo cual es aún más crucial en el campo de los productos electrónicos de consumo. [ 34 ]
Habilidades técnicas
Las habilidades técnicas, como el conocimiento del diseño y la prueba de circuitos, se incorporan en software como LTSpice y Eagle. [ 35 ] LTSpice se utiliza para simular y examinar circuitos electrónicos. [ 36 ] Eagle se utiliza para visualizar y diseñar placas de circuitos impresos. [ 37 ]
Véase también
Referencias
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