Ingeniería electrónica

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. 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 integrados y la electrónica de potencia . También está involucrada en muchos campos relacionados, por ejemplo , 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 potencia eléctrica , la fotónica y la 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, lo 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 las 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 mejoró aún más con la gran cantidad de 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 .

La ingeniería electrónica tiene muchos subcampos. En esta sección se describen 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 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.

En el caso de las señales analógicas, el procesamiento de señales puede implicar la amplificación y el filtrado de señales de audio para equipos de audio y la modulación y demodulación de señales de radiofrecuencia para telecomunicaciones . En el caso de las señales digitales, el procesamiento de señales puede implicar la compresión , la comprobación y detección de errores y su 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 se codifique en una onda portadora para poder transmitirse, esto se conoce como modulación . Las técnicas de modulación analógica populares incluyen modulación de amplitud y 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. Estos dos elementos 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 .

La ingeniería aeronáutica y electrónica y la ingeniería aeronáutica y de telecomunicaciones se ocupan de las aplicaciones aeroespaciales . Los ingenieros de aviación y telecomunicaciones 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 técnicas de aviación civil , por ejemplo . ^{[2] [3]}

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, las pistolas de radar 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 puede utilizar un termopar para garantizar que la temperatura de un horno se mantenga constante. Por este motivo, la ingeniería de instrumentación suele considerarse la contraparte de la ingeniería de control. ^[4]

La ingeniería informática se ocupa del diseño de ordenadores 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 . El desarrollo de sistemas integrados (sistemas creados 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 cae dentro de la informática , que normalmente 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 varios componentes electrónicos. Al diseñar un circuito integrado, los ingenieros electrónicos primero construyen esquemas de circuitos 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 varios materiales conductores y semiconductores necesarios para construir el circuito.

La electrónica es un subcampo dentro de la disciplina académica más amplia de la ingeniería eléctrica . Los ingenieros electrónicos suelen poseer 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. Muchas universidades del Reino Unido también ofrecen títulos de Máster en Ingeniería ( MEng ) a nivel de posgrado.

Algunos ingenieros electrónicos también optan por cursar un posgrado , como una maestría en ciencias , un doctorado en ingeniería o un doctorado en ingeniería . El máster se está introduciendo en algunas universidades europeas y americanas como primer título y la diferenciación de un ingeniero con estudios de grado y posgrado suele ser difícil. En estos casos, se tiene en cuenta la experiencia. El máster puede consistir en investigación, trabajo de curso o una combinación de ambos. El doctorado consta de un componente de investigación significativo y a menudo se considera como el punto 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 grado en sí está certificado por un organismo profesional. La certificación permite a los ingenieros firmar legalmente planes para proyectos que afecten a la seguridad pública. ^[5] Después de completar un programa de grado certificado, el ingeniero debe satisfacer una serie de requisitos, incluidos los requisitos de experiencia laboral, antes de ser certificado. 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 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 unidades que cubren física , química , matemáticas , gestión de proyectos y temas específicos de ingeniería eléctrica . Inicialmente, dichos 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 licenciatura.

Las ciencias de la física y las matemáticas son fundamentales para la disciplina, 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 que emplean 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 temas del programa 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 áreas de conocimiento.

Elementos de cálculo vectorial : divergencia y rizo ; 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 superficial . Líneas de transmisión : impedancia característica ; transformación de impedancia; diagrama de Smith ; adaptación de impedancia ; excitación de 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 . ^{[8] [9]}

Grafos de redes: matrices asociadas a grafos; incidencia, conjunto de corte fundamental y matrices de circuitos fundamentales. Métodos de solución: análisis nodal y de malla. Teoremas de redes: superposición, transferencia de máxima potencia de Thevenin y Norton, transformación estrella-delta. ^[10] Análisis sinusoidal en estado estacionario utilizando fasores. Ecuaciones diferenciales lineales de coeficientes constantes; 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 excitación 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 avalancha , LASER. 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, transistores de empalme bipolar (BJT), transistores de efecto de campo (JFET) y transistores de efecto de campo MOSFET. Circuitos de diodos simples, recorte, sujeción, rectificador. Polarización y estabilidad de polarización de amplificadores de transistores y FET. Amplificadores: monoetapa y multietapa, diferenciales, operacionales, de retroalimentación y de potencia. Análisis de amplificadores; respuesta de frecuencia de amplificadores. Circuitos de amplificadores operacionales simples . Filtros. Osciladores sinusoidales; criterio de oscilación; configuraciones de un solo transistor y amplificador operacional. Generadores de funciones y circuitos de modelado de ondas, fuentes de alimentación. ^[14]

Circuitos digitales : funciones booleanas ( NOT , AND , OR , XOR ,...). Puertas lógicas, familias de circuitos integrados digitales ( DTL , TTL , ECL , MOS , CMOS ). Circuitos combinacionales: circuitos aritméticos, conversores de código, multiplexores y decodificadores . Circuitos secuenciales : latches y flip-flops, contadores y registros de desplazamiento. Circuitos de muestreo y retención, ADC , DAC . Memorias de semiconductores . 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 de frecuencia de polos y ceros, 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 de funciones entre vectores y funciones. ^{[17] [18]}

Componentes básicos de sistemas de control; descripción de 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. 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 de estado estable y sensibilidad al ruido.

Herramientas y técnicas para el análisis y diseño de sistemas de control LTI: lugares de raíces, criterio de estabilidad de Routh-Hurwitz , diagramas de Bode y Nyquist . Compensadores de sistemas de control: elementos de compensación de adelanto y atraso, elementos de control proporcional-integral-derivado (PID). Discretización de sistemas de tiempo continuo utilizando 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 ecuaciones de estado de sistemas de control LTI. Linealización de sistemas dinámicos no lineales con realizaciones en el espacio de estados tanto en el dominio de la frecuencia como en el del 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 colocación de polos de retroalimentación de estado. Diseño de estimadores de orden completo y orden reducido. ^{[19] [20]}

Sistemas de comunicaciones analógicas: sistemas de modulación y demodulación en amplitud y ángulo , análisis espectral de estas operaciones, condiciones de ruido superheterodino .

Sistemas de comunicación digital: modulación por código de pulsos (PCM), modulación por código de pulsos diferencial (DPCM), modulación delta (DM), modulación digital: esquemas de modulación por desplazamiento de amplitud, fase y frecuencia ( ASK , PSK , FSK ), receptores con filtro adaptado, consideración del ancho de banda y cálculos de probabilidad de error para estos esquemas, GSM , TDMA . ^{[21] [22]}

Organismos profesionales de referencia para ingenieros eléctricos: el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) de Estados Unidos y la Institución 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 sobre 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 están involucrados en 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 clientes, preparar presupuestos y determinar cronogramas de proyectos. Muchos ingenieros sénior gestionan un equipo de técnicos u otros ingenieros y, por este motivo, las habilidades de gestión de proyectos son importantes. La mayoría de los proyectos de ingeniería implican algún tipo de documentación y, por lo tanto, es muy importante tener buenas 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 impecable entorno de laboratorio de una planta de fabricación, en las oficinas de una empresa de consultoría o en un laboratorio de investigación. Durante su vida laboral, los ingenieros electrónicos pueden supervisar a una amplia gama de personas, entre ellas científicos, electricistas, programadores y otros ingenieros.

La obsolescencia de las habilidades técnicas es una preocupación seria para los ingenieros electrónicos. Por lo tanto, la membresía y participación en sociedades técnicas, las revisiones periódicas de publicaciones periódicas en el campo y el hábito de aprendizaje continuo son esenciales para mantener la competencia, lo que es aún más crucial en el campo de los productos electrónicos de consumo. ^[23]

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