La 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. Hasta ahora, en la ingeniería eléctrica sólo se utilizaban dispositivos pasivos, como interruptores mecánicos, resistencias, inductores y condensadores.
Abarca campos tales como: electrónica analógica , electrónica digital , electrónica de consumo , sistemas integrados y electrónica de potencia . También participa 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 , fotónica y robótica .
El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) es uno de los organismos profesionales más importantes para ingenieros electrónicos en los EE. UU.; el organismo 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.
La ingeniería electrónica como profesión surgió tras la identificación del electrón en 1897 y la posterior invención del tubo de vacío que podía amplificar y rectificar pequeñas señales eléctricas, que inauguró el campo de la electrónica. [1] Las aplicaciones prácticas comenzaron con la invención del diodo por Ambrose Fleming y el triodo por Lee De Forest a principios del siglo XX, que hicieron posible la detección de pequeños voltajes eléctricos, como señales de radio de una antena de radio, 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 de música.
La disciplina se vio reforzada aún más por el gran desarrollo de sistemas electrónicos durante la Segunda Guerra Mundial , como el radar y el sonar , y la posterior revolución de los consumidores en tiempos de paz tras la invención del transistor por William Shockley , John Bardeen y Walter Brattain .
La ingeniería electrónica tiene muchos subcampos. Esta sección describe algunos de los más populares.
El procesamiento electrónico 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 y la modulación y demodulación de señales de radiofrecuencia para telecomunicaciones . Para señales digitales, el procesamiento de señales puede implicar compresión , verificación y detección de errores , y corrección.
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 a través del espacio libre requieren que la información esté codificada en una onda portadora para poder ser transmitida, esto se conoce como modulación . Las técnicas populares de modulación analógica incluyen la modulación de amplitud y la modulación de frecuencia .
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. A veces, estos dos 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 su señal . Si la intensidad de la señal de un transmisor es insuficiente, la información de la señal se verá corrompida por el ruido .
Aviación : ingeniería electrónica e ingeniería aeronáutica y de telecomunicaciones, se ocupan de las aplicaciones aeroespaciales . Los ingenieros de telecomunicaciones de aviación incluyen especialistas que trabajan en aviónica aerotransportada en aeronaves o equipos terrestres. Los especialistas en este campo necesitan principalmente conocimientos de informática , redes , TI y sensores . Estos cursos se ofrecen en escuelas de tecnología de aviación civil . [2] [3]
La ingeniería de control tiene una amplia gama de aplicaciones electrónicas, 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 suelen utilizar la retroalimentación al diseñar sistemas de control .
La ingeniería de instrumentación se ocupa del diseño de dispositivos para medir cantidades físicas como presión , flujo y temperatura . El diseño de dicha instrumentación requiere una buena comprensión 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. De manera similar, los termopares utilizan 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 podría utilizar 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. [4]
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 ordenadores para controlar una planta industrial . También se incluye en este campo el desarrollo de sistemas integrados , sistemas creados para tareas específicas (por ejemplo, teléfonos móviles). 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 cae dentro de la informática , que generalmente se considera una disciplina separada.
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 de circuito que especifican los componentes eléctricos y describen las interconexiones entre ellos. Cuando están terminados, los ingenieros de VLSI convierten los esquemas en diseños reales, que mapean las capas de diversos materiales conductores y semiconductores necesarios para construir el circuito.
La electrónica es un subcampo dentro de la materia académica más amplia de ingeniería eléctrica . Los ingenieros electrónicos suelen poseer un título académico con especialización en ingeniería electrónica. La duración de los estudios para dicho título suele ser 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, según 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 . El máster se está introduciendo en algunas Universidades europeas y americanas como primera titulación y la diferenciación de un ingeniero con estudios de grado y posgrado suele resultar 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 importante componente de investigación 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 estudios en sí está certificado por un organismo profesional. La certificación permite a los ingenieros aprobar legalmente planes para proyectos que afectan la seguridad pública. [5] Después de completar un programa de grado certificado, el ingeniero debe satisfacer una variedad de requisitos, incluidos los requisitos de experiencia laboral, antes de obtener la certificación. Una vez certificado, al ingeniero se le designa 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).
Una licenciatura en electrónica generalmente incluye unidades que cubren física , química , matemáticas , gestión de proyectos y temas específicos de ingeniería eléctrica . Inicialmente, estos temas cubren la mayoría, si no todos, los subcampos de la ingeniería electrónica. Luego, los estudiantes eligen 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 simulación y diseño asistido 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 del electromagnetismo y la teoría de redes, otros elementos del plan de estudios son específicos de los cursos 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 obtener un título. [6] [7]
La enorme amplitud de la ingeniería electrónica ha llevado a la utilización de un gran número de especialistas que apoyan las áreas de conocimiento.
Elementos de cálculo vectorial : divergencia y curvatura ; Teoremas de Gauss y Stokes , ecuaciones de Maxwell : formas diferencial e integral. Ecuación de onda , vector de Poynting . Ondas planas : propagación a través de diversos medios; reflexión y refracción ; velocidad de fase y de grupo ; profundo en la piel . Líneas de transmisión : impedancia característica ; transformación de impedancia; gráfico de Smith ; adaptación de impedancia ; excitación del pulso. Guías de onda : modos en guías de onda rectangulares; condiciones de borde ; frecuencias de corte ; relaciones de dispersión . Antenas: Antenas dipolo ; conjuntos de antenas ; patrón de radiación; teorema de reciprocidad, ganancia de antena . [8] [9]
Gráficos de red: matrices asociadas a gráficos; incidencia, conjunto de corte fundamental y matrices de circuito fundamental. Métodos de solución: análisis nodal y de malla. Teoremas de redes: superposición, máxima transferencia de potencia de Thevenin y Norton, transformación estrella-delta. [10] Análisis sinusoidal en estado estacionario utilizando fasores. Ecuaciones diferenciales de coeficientes constantes lineales; 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. [11]
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 , LÁSER. Tecnología de dispositivos: proceso de fabricación de circuitos integrados , oxidación, difusión, implantación de iones , fotolitografía, proceso CMOS n-tub, p-tub y twin-tub. [12] [13]
Circuitos analógicos : Circuitos equivalentes (de señal grande y pequeña) de diodos, BJT, JFET y MOSFET. Circuitos de diodos simples, recorte, sujeción, rectificador. Polarización y estabilidad de polarización de amplificadores de transistores y FET. Amplificadores: mono y multietapa, diferenciales, operacionales, de retroalimentación y de 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. [14]
Circuitos digitales : Funciones booleanas ( NO , Y , O , XOR ,...). Puertas lógicas familias de circuitos integrados digitales ( DTL , TTL , ECL , MOS , CMOS ). Circuitos combinacionales: circuitos aritméticos, convertidores de códigos, multiplexores y decodificadores . Circuitos secuenciales : pestillos y flip-flops, contadores y registros de desplazamiento. Circuitos de muestreo y retención, ADC , DAC . Memorias semiconductoras . Microprocesador 8086 : arquitectura, programación, memoria e interfaz de E/S. [15] [16]
Señales y sistemas: Definiciones y propiedades de la transformada de Laplace , series de Fourier de tiempo continuo y discreto , transformada de Fourier de tiempo continuo y discreto , transformada z . Teoremas de muestreo . Sistemas lineales invariantes en el tiempo (LTI) : definiciones y propiedades; causalidad, estabilidad, respuesta al impulso, convolución, respuesta en frecuencia de polos y ceros, retardo de grupo y retardo de fase . Transmisión de señal a través de sistemas LTI. Señales aleatorias y ruido: probabilidad , variables aleatorias , función de densidad de probabilidad , autocorrelación , densidad espectral de potencia y analogía de funciones entre vectores y funciones. [17] [18]
Componentes básicos del sistema de control; descripción esquemática de bloques, reducción de diagramas de bloques - regla de Mason . Sistemas de bucle abierto y 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 sistemas de control LTI y 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: lugares geométricos de las 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 utilizando retención de orden cero y ADC para implementación de controladores digitales. 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 estados tanto en el dominio de la frecuencia como del tiempo. Conceptos fundamentales de controlabilidad y observabilidad para sistemas MIMO LTI. Realizaciones del espacio de estados: forma canónica observable y controlable. Fórmula de Ackermann para la colocación de polos de retroalimentación estatal. Diseño de estimadores de orden completo y orden reducido. [19] [20]
Sistemas de comunicación analógicos: 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 pulsos (PCM), modulación de código de pulsos diferencial (DPCM), modulación delta (DM), modulación digital: esquemas de codificación por desplazamiento de amplitud, fase y frecuencia ( ASK , PSK , FSK ), emparejados. receptores de filtrado, consideración del ancho de banda y cálculos de probabilidad de error para estos esquemas, GSM , TDMA . [21] [22]
Organismos profesionales destacados para ingenieros eléctricos: el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) de EE. UU. y el Instituto de Ingeniería y Tecnología (IET) del Reino Unido . Los miembros de la Institución de Ingeniería y Tecnología (MIET) son reconocidos profesionalmente en Europa como ingenieros eléctricos e informáticos. El IEEE afirma producir el 30 por ciento de la literatura mundial en ingeniería eléctrica y electrónica, tiene más de 430.000 miembros y celebra más de 450 conferencias patrocinadas o copatrocinadas por el IEEE en todo el mundo cada año. SMIEEE es una designación profesional reconocida en los Estados Unidos.
Para la mayoría de los ingenieros que no participan en la vanguardia del diseño y desarrollo de sistemas, el trabajo técnico representa sólo 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 los proyectos. Muchos ingenieros superiores dirigen 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 fuertes 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 trabajar en el prístino entorno de laboratorio de una planta de fabricación, en las oficinas de una empresa consultora o en un laboratorio de investigación. Durante su vida laboral, los ingenieros electrónicos pueden encontrarse supervisando una amplia gama de personas, incluidos científicos, electricistas, programadores y otros ingenieros.
La obsolescencia de las habilidades técnicas es una seria preocupación para los ingenieros electrónicos. Por lo tanto, la membresía y participación en sociedades técnicas, revisiones periódicas de publicaciones periódicas en el campo y el hábito de aprendizaje continuo son esenciales para mantener la competencia, lo cual es aún más crucial en el campo de los productos electrónicos de consumo. [23]
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