Elektrotechnika -Electrical engineering

Villamosmérnök
Umspannwerk-Pulverdingen 380kV-Trennschalter.jpg
Foglalkozása
Nevek Villamosmérnök
Tevékenységi ágazatok
Elektronika , elektromos áramkörök , elektromágnesesség , energetika , elektromos gépek , távközlés , vezérlőrendszerek , jelfeldolgozás , optika , fotonika
Leírás
Kompetenciák Műszaki ismeretek, vezetési ismeretek, tervezés (lásd még az elektromos és elektronikai mérnöki szójegyzéket )

Foglalkoztatási területek
Technológia, tudomány, feltárás , katonaság, ipar

Az elektrotechnika olyan mérnöki tudományág, amely elektromosságot , elektronikát és elektromágnesességet használó berendezések, eszközök és rendszerek tanulmányozásával, tervezésével és alkalmazásával foglalkozik . A 19. század második felében az elektromos távíró , a telefon, valamint az elektromos áram előállítása, elosztása és felhasználása kereskedelmi forgalomba hozatala után jelent meg, mint azonosítható foglalkozás.

Az elektrotechnika ma már számos különböző területre oszlik, beleértve a számítástechnikát , a rendszertervezést , az energetikai technikát , a távközlést, a rádiófrekvenciás technikát , a jelfeldolgozást , a műszereket , a fotovoltaikus cellákat , az elektronikát , valamint az optikát és a fotonikát . Ezen tudományágak közül sok átfedésben van más mérnöki ágakkal, és számos szakterületet ölel fel, beleértve a hardvermérnökséget, a teljesítményelektronikát , az elektromágneseket és a hullámokat, a mikrohullámú mérnököt , a nanotechnológiát , az elektrokémiát , a megújuló energiákat, a mechatronikát/vezérlést és az elektromos anyagtudományt.

A villamosmérnökök általában villamosmérnöki vagy elektronikai mérnöki végzettséggel rendelkeznek . A gyakorló mérnökök rendelkezhetnek szakmai képesítéssel , és tagjai lehetnek szakmai testületnek vagy nemzetközi szabványügyi szervezetnek. Ezek közé tartozik a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC), az Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) és az Institution of Engineering and Technology (IET) (korábban IEE) .

A villamosmérnökök nagyon sokféle iparágban dolgoznak, és a szükséges készségek is változóak. Ezek az áramkörelmélettől a projektmenedzser vezetési készségeiig terjednek . A szerszámok és berendezések, amelyekre az egyes mérnököknek szüksége lehet, hasonlóan változóak, az egyszerű voltmérőtől a kifinomult tervezési és gyártási szoftverig.

Történelem

Az elektromosság legalább a 17. század eleje óta tudományos érdeklődés tárgya. William Gilbert kiemelkedő korai villamos tudós volt, és ő volt az első, aki egyértelmű különbséget tett a mágnesesség és a statikus elektromosság között . Az ő nevéhez fűződik az "elektromosság" kifejezés létrehozása. Ő tervezte a verzóriumot is : egy olyan eszközt, amely észleli a statikusan feltöltött tárgyak jelenlétét. 1762-ben Johan Wilcke svéd professzor feltalált egy elektroforusnak nevezett eszközt , amely statikus elektromos töltést állított elő. 1800-ra Alessandro Volta kifejlesztette a voltaic cölöpöt , amely az elektromos akkumulátor előfutára.

19. század

Michael Faraday felfedezései képezték az elektromos motortechnológia alapját.

A 19. században a téma kutatása felerősödött. Ebben a században a figyelemre méltó fejlemények közé tartozik Hans Christian Ørsted munkája, aki 1820-ban fedezte fel, hogy az elektromos áram olyan mágneses teret hoz létre, amely eltéríti az iránytűt, William Sturgeoné , aki 1825-ben feltalálta az elektromágnest , valamint Joseph Henry és Edward Davy munkája , akik feltalálták . az elektromos relé 1835-ben Georg Ohmé , aki 1827-ben számszerűsítette az elektromos áram és a potenciálkülönbség közötti kapcsolatot egy vezetőben , Michael Faraday (az elektromágneses indukció felfedezője 1831-ben) és James Clerk Maxwell , aki 1873-ban publikálta az elektromosság és a mágnesesség egyesített elmélete Elektromosság és mágnesesség című értekezésében .

1782-ben Georges-Louis Le Sage kifejlesztette és Berlinben bemutatta a világ első elektromos távirati formáját, 24 különböző vezetéket használva, egyet-egyet az ábécé minden betűjéhez. Ez a távíró két szobát kötött össze. Elektrosztatikus távíró volt, amely elektromos vezetésen keresztül mozgatta az aranyleveleket.

Francisco Salva Campillo 1795-ben elektrosztatikus távírórendszert javasolt. 1803 és 1804 között elektromos távíróval foglalkozott, majd 1804-ben a barcelonai Királyi Természettudományi és Művészeti Akadémián mutatta be jelentését. A Salva elektrolitos távírórendszere nagyon innovatív volt, bár nagy hatással volt rá két új felfedezés, amelyet Európában 1800-ban tettek – Alessandro Volta elektromos akkumulátora elektromos áram előállítására, valamint William Nicholson és Anthony Carlyle víz elektrolízise. Az elektromos távíró az elektrotechnika első példájának tekinthető. Az elektrotechnika a 19. század végén vált szakmává. A szakemberek globális elektromos távíró hálózatot hoztak létre, és az Egyesült Királyságban és az Egyesült Államokban megalakultak az első professzionális elektrotechnikai intézmények az új tudományág támogatására. Francis Ronalds 1816-ban megalkotta az elektromos távírórendszert, és dokumentálta elképzelését arról, hogyan alakíthatja át a világot elektromosság. Több mint 50 évvel később csatlakozott az új Távírómérnökök Társaságához (hamarosan az Institution of Electrical Engineers névre keresztelték ), ahol a többi tag kohorszuk elsőjének tekintette. A 19. század végére a világot örökre megváltoztatta a gyors kommunikáció, amelyet a vezetékes vonalak, a tenger alatti kábelek és 1890-től a vezeték nélküli távirat mérnöki fejlődése tette lehetővé .

A gyakorlati alkalmazások és az ilyen területeken elért fejlődés egyre nagyobb igényt teremtett a szabványosított mértékegységek iránt . Ezek vezettek a volt , amper , coulomb , ohm , farad és henry mértékegységek nemzetközi szabványosításához . Ezt egy 1893-as chicagói nemzetközi konferencián sikerült elérni. E szabványok közzététele képezte a szabványosítás jövőbeli fejlődésének alapját a különböző iparágakban, és sok országban a definíciókat azonnal elismerték a vonatkozó jogszabályokban.

Ezekben az években az elektromosság tanulmányozása nagyrészt a fizika egyik részterületének számított, mivel a korai elektromos technológiát elektromechanikus jellegűnek tekintették. A Technische Universität Darmstadt 1882-ben megalapította a világ első villamosmérnöki tanszékét, és 1883-ban bevezette az első villamosmérnöki képzést. Az Egyesült Államokban az első villamosmérnöki szakot a Massachusetts Institute of Technology (MIT) fizikai tanszékén indították el. Charles Cross professzor irányítása alatt, bár 1885-ben a Cornell Egyetemen végezték el a világ első villamosmérnöki diplomáit. Az első villamosmérnöki kurzust 1883-ban a Cornell's Sibley College of Mechanical Engineering and Mechanic Arts -ban oktatták . Csak 1885 körül, a Cornell elnöke, Andrew Dickson White létrehozta az első Villamosmérnöki Tanszéket az Egyesült Államokban. Ugyanebben az évben a University College London megalapította az első elektrotechnikai tanszéket Nagy-Britanniában. Mendell P. Weinbach professzor a Missouri Egyetemen hamarosan követte a példáját, és 1886-ban megalapította az elektrotechnikai tanszéket. Ezt követően az egyetemek és a műszaki intézetek fokozatosan elkezdtek elektromérnöki programokat kínálni hallgatóik számára világszerte.

Ezekben az évtizedekben az elektrotechnika használata drámaian megnövekedett. 1882-ben Thomas Edison bekapcsolta a világ első nagyméretű elektromos hálózatát, amely 110 voltos egyenáramot (DC) biztosított 59 ügyfelének a New York-i Manhattan-szigeten . 1884-ben Sir Charles Parsons feltalálta a gőzturbinát , amely hatékonyabb villamosenergia-termelést tesz lehetővé. Az 1880-as és 1890-es években Zipernowsky Károly , Bláthy Ottó és Déri Miksa transzformátorterveivel (később ZBD transzformátorok), Lucien Gaulard és John transzformátorterveivel gyorsan fejlődött a váltakozó áram , amely képes a transzformátorok segítségével nagy távolságokra is hatékonyabban továbbítani az energiát . Dixon Gibbs és William Stanley, Jr. A praktikus váltakozó áramú motorterveket , beleértve az aszinkronmotorokat is, egymástól függetlenül Galileo Ferraris és Nikola Tesla találta fel, és Mikhail Dolivo -Dobrovolsky és Charles Eugene Lancelot Brown fejlesztette tovább praktikus háromfázisúvá . Charles Steinmetz és Oliver Heaviside hozzájárult a váltóáramú tervezés elméleti alapjaihoz. Az AC használatának elterjedése az Egyesült Államokban elindította azt az úgynevezett áramháborút a George Westinghouse által támogatott váltakozó áramú rendszer és a Thomas Edison által támogatott egyenáramú energiarendszer között, ahol az AC vált általános szabványként.

20. század eleje

A rádió fejlesztése során számos tudós és feltaláló járult hozzá a rádiótechnológiához és az elektronikához. James Clerk Maxwell matematikai munkája az 1850-es években megmutatta az elektromágneses sugárzás különböző formáinak kapcsolatát, beleértve a láthatatlan levegőben szálló hullámok (később "rádióhullámok") lehetőségét. Heinrich Hertz 1888-as klasszikus fizikai kísérleteiben bebizonyította Maxwell elméletét azáltal, hogy rádióhullámokat sugárzott szikraközű adóval , és egyszerű elektromos eszközökkel észlelte azokat. Más fizikusok kísérleteztek ezekkel az új hullámokkal, és a folyamat során eszközöket fejlesztettek ki ezek továbbítására és észlelésére. 1895-ben Guglielmo Marconi elkezdett dolgozni azon, hogy a "hertzi hullámok" továbbításának és észlelésének ismert módszereit egy erre a célra épített, kereskedelmi vezeték nélküli távirati rendszerré alakítsa. Már az elején vezeték nélküli jeleket küldött másfél mérföldes távolságra. 1901 decemberében vezeték nélküli hullámokat küldött, amelyekre nem volt hatással a Föld görbülete. Marconi később továbbította a vezeték nélküli jeleket az Atlanti-óceánon keresztül a cornwalli Poldhu és az új-fundlandi St. John's között, 2100 mérföld (3400 km) távolságra.

A milliméteres hullámok kommunikációját először Jagadish Chandra Bose vizsgálta 1894 és 1896 között, amikor kísérletei során rendkívül magas , akár 60 GHz -es frekvenciát ért el. A rádióhullámok detektálására is bevezette a félvezető csomópontok használatát, amikor 1901-ben szabadalmaztatta a rádiókristálydetektort .  

1897-ben Karl Ferdinand Braun egy oszcilloszkóp részeként bemutatta a katódsugárcsövet , amely az elektronikus televíziózás döntő fontosságú technológiája . John Fleming 1904-ben találta fel az első rádiócsövet, a diódát . Két évvel később Robert von Lieben és Lee De Forest egymástól függetlenül fejlesztette ki a triódának nevezett erősítőcsövet .

1920-ban Albert Hull kifejlesztette a magnetront , amely végül 1946-ban Percy Spencer által a mikrohullámú sütő kifejlesztéséhez vezetett . 1934-ben a brit katonaság Dr. Wimperis irányításával elkezdett lépéseket tenni a radar (amely szintén a magnetront használja) felé, és 1936 augusztusában az első bawdsey -i radarállomás működésével tetőzött.

1941-ben Konrad Zuse bemutatta a Z3 -at , a világ első teljesen működőképes és programozható, elektromechanikus alkatrészeket használó számítógépét. 1943-ban Tommy Flowers megtervezte és megépítette a Colossust , a világ első teljesen működőképes, elektronikus, digitális és programozható számítógépét. 1946-ban John Presper Eckert és John Mauchly ENIAC - ja (elektronikus numerikus integráló és számítógép) követte a számítástechnika korszakát. Ezeknek a gépeknek a számtani teljesítménye lehetővé tette a mérnökök számára, hogy teljesen új technológiákat fejlesszenek ki és új célokat érjenek el.

1948-ban Claude Shannon kiadja "A kommunikáció matematikai elméletét", amely matematikailag írja le az információ bizonytalansággal ( elektromos zaj ) való áthaladását.

Szilárdtest elektronika

Az első működő tranzisztor másolata , egy pontérintkezős tranzisztor

Az első működő tranzisztor egy pontkontaktus tranzisztor volt, amelyet John Bardeen és Walter Houser Brattain talált fel 1947-ben, amikor William Shockley vezetésével dolgoztak a Bell Telephone Laboratories -ban (BTL). 1948-ban aztán feltalálták a bipoláris átmenet tranzisztort . Míg a korai csomóponti tranzisztorok viszonylagosak voltak terjedelmes, tömeggyártásban nehezen gyártható készülékek nyitották meg a kaput a kompaktabb készülékek előtt.

Az első integrált áramkörök a Jack Kilby által a Texas Instruments -nél 1958-ban feltalált hibrid integrált áramkörök és a Robert Noyce által a Fairchild Semiconductornál 1959-ben feltalált monolitikus integrált áramköri chipek voltak.

A MOSFET -et (fém-oxid-félvezető térhatású tranzisztor vagy MOS-tranzisztor) Mohamed Atalla és Dawon Kahng találta fel 1959-ben a BTL-nél. Ez volt az első igazán kompakt tranzisztor, amely miniatürizálható és tömegesen gyártható számos használ. Forradalmasította az elektronikai ipart , és a világ legszélesebb körben használt elektronikus eszközévé vált.

A MOSFET lehetővé tette nagy sűrűségű integrált áramköri chipek építését. A legkorábbi kísérleti MOS IC chipet Fred Heiman és Steven Hofstein építette az RCA Laboratories -ban 1962-ben. A MOS technológia lehetővé tette Moore törvényét , a tranzisztorok kétévente történő megkétszerezését egy IC chipen, amelyet Gordon Moore 1965-ben jósolt meg. A gate MOS technológiát Federico Faggin fejlesztette ki 1968-ban a Fairchildnél. Azóta a MOSFET a modern elektronika alapvető építőköve. A szilícium MOSFET-ek és MOS integrált áramköri chipek tömeggyártása, valamint a MOSFET exponenciális ütemben történő folyamatos miniatürizálása (ahogy azt Moore törvénye megjósolja ), azóta forradalmi változásokhoz vezetett a technológia, a gazdaság, a kultúra és a gondolkodás terén.

Az Apollo-programot , amely 1969-ben az űrhajósok Apollo 11 - gyel a Holdra történő leszállásával tetőzött, az tette lehetővé, hogy a NASA átvette a félvezető elektronikai technológia fejlesztéseit , beleértve a MOSFET-eket az Interplanetary Monitoring Platformban (IMP) és a szilícium integrált áramköri chipeket az Apollo Guidance Computerben . (AGC).

A MOS integrált áramköri technológia 1960-as évekbeli fejlődése a mikroprocesszor feltalálásához vezetett az 1970-es évek elején. Az első egylapkás mikroprocesszor az Intel 4004 volt , amelyet 1971-ben adtak ki. Az Intel 4004-et Federico Faggin tervezte és valósította meg az Intelnél a szilíciumkapu MOS technológiájával, az Intel Marcian Hoff és Stanley Mazor , valamint a Busicom Masatoshi Shima mellett. A mikroprocesszor a mikroszámítógépek és személyi számítógépek kifejlesztéséhez, valamint a mikroszámítógépek forradalmához vezetett .

Almezők

Az elektromosság egyik tulajdonsága, hogy nagyon hasznos energiaátvitelre, valamint információtovábbításra. Ezek voltak az első területek, ahol az elektrotechnikát fejlesztették. Manapság az elektrotechnikának számos részterülete van, amelyek közül a leggyakoribbakat az alábbiakban soroljuk fel. Bár vannak olyan villamosmérnökök, akik kizárólag ezen résztudományok egyikére összpontosítanak, sokan ezek kombinációjával foglalkoznak. Néha bizonyos területek, mint például az elektronikai tervezés és a számítástechnika , önálló tudományágnak minősülnek.

Erő és energia

Az energia- és energiamérnökség villamosenergia termelésével , átvitelével és elosztásával , valamint számos kapcsolódó eszköz tervezésével foglalkozik. Ide tartoznak a transzformátorok , az elektromos generátorok , az elektromos motorok , a nagyfeszültségű tervezés és a teljesítményelektronika . A világ számos régiójában a kormányok olyan elektromos hálózatot tartanak fenn, amelyet elektromos hálózatnak neveznek , amely különféle generátorokat köt össze az energiafelhasználókkal. A felhasználók a hálózatról vásárolnak elektromos energiát, elkerülve a költséges gyakorlatot, hogy saját maguknak kell termelniük. Az energetikai mérnökök dolgozhatnak az elektromos hálózat, valamint a hozzá csatlakozó energiarendszerek tervezésén és karbantartásán. Az ilyen rendszereket on-grid energiaellátó rendszereknek nevezzük , és elláthatják a hálózatot további árammal, áramot vehetnek fel a hálózatból, vagy mindkettőt. Az energiamérnökök olyan rendszereken is dolgozhatnak, amelyek nem csatlakoznak a hálózathoz, úgynevezett off-grid energiarendszerekhez, amelyek bizonyos esetekben előnyösebbek a hálózaton belüli rendszerekkel szemben. A jövőbe beletartoznak a műholdas vezérlésű energiaellátó rendszerek is, amelyek valós idejű visszacsatolást biztosítanak az áramingadozások és az áramkimaradások megelőzése érdekében.

Távközlés

A parabolaantennák kulcsfontosságú elemei a műholdas információk elemzésének.

A távközlési tervezés az információ továbbítására összpontosít egy kommunikációs csatornán , például koax kábelen , optikai szálon vagy szabad téren . A szabad téren át történő átvitelhez vivőjelbe kell kódolni az információt, hogy az információt az átvitelre alkalmas vivőfrekvenciára tolja el; ezt modulációnak nevezik . A népszerű analóg modulációs technikák közé tartozik az amplitúdómoduláció és a frekvenciamoduláció . A moduláció megválasztása befolyásolja a rendszer költségét és teljesítményét, és ezt a két tényezőt a mérnöknek gondosan mérlegelnie kell.

Miután meghatározták egy rendszer átviteli jellemzőit, a távközlési mérnökök megtervezik az ilyen rendszerekhez szükséges adókat és vevőket . Ezt a kettőt néha kombinálják egy kétirányú kommunikációs eszközzel, amelyet adó -vevőnek neveznek . Az adók tervezésénél kulcsfontosságú szempont az energiafogyasztásuk , mivel ez szorosan összefügg a jelerősségükkel . Jellemzően, ha az átvitt jel teljesítménye nem elegendő, amikor a jel megérkezik a vevő antennájához, akkor a jelben lévő információt megsérti a zaj , különösen statikus.

Irányítástechnika

A vezérlőrendszerek kritikus szerepet játszanak az űrrepülésben .

Az irányítástechnika a dinamikus rendszerek változatos skálájának modellezésére és a vezérlők tervezésére összpontosít, amelyek hatására ezek a rendszerek a kívánt módon viselkednek. Az ilyen vezérlők megvalósításához az elektronikai vezérlőmérnökök elektronikus áramköröket , digitális jelfeldolgozókat , mikrovezérlőket és programozható logikai vezérlőket (PLC) használhatnak. Az irányítástechnika alkalmazási körének széles skáláját kínálja a kereskedelmi utasszállító repülőgépek repülési és meghajtási rendszereitől a sok modern autóban jelen lévő sebességtartó automatikáig . Az ipari automatizálásban is fontos szerepet játszik .

A vezérlőmérnökök gyakran használnak visszajelzést a vezérlőrendszerek tervezésekor . Például egy tempomattal felszerelt autóban a jármű sebességét folyamatosan figyelik, és visszacsatolják a rendszerhez, amely ennek megfelelően állítja be a motor teljesítményét . Ahol rendszeres visszacsatolás van, ott a vezérléselmélet felhasználható annak meghatározására, hogy a rendszer hogyan reagál az ilyen visszacsatolásokra.

Az irányítástechnikai mérnökök a robotika területén is dolgoznak autonóm rendszerek tervezésén olyan vezérlő algoritmusok segítségével, amelyek az érzékelési visszacsatolást értelmezik a robotokat mozgató működtetőkhöz, például autonóm járművekhez , autonóm drónokhoz és más, különféle iparágakban használatos eszközökhöz.

Elektronika

Az elektronikai tervezés olyan elektronikus áramkörök tervezését és tesztelését foglalja magában , amelyek az olyan alkatrészek tulajdonságait használják fel , mint az ellenállások , kondenzátorok , induktorok , diódák és tranzisztorok egy adott funkció elérése érdekében. A hangolt áramkör , amely lehetővé teszi, hogy a rádió használója egyetlen állomás kivételével az összes állomást kiszűrje , csak egy példa az ilyen áramkörre. Egy másik kutatási példa egy pneumatikus jelkondicionáló.

A második világháború előtt a témát rádiótechnikaként ismerték, és alapvetően a kommunikációra és a radarra , a kereskedelmi rádiókra és a korai televíziózásra korlátozódott . Később, a háború utáni években, amikor a fogyasztói eszközöket elkezdték fejleszteni, a terület kiterjedt a modern televíziókra, audiorendszerekre, számítógépekre és mikroprocesszorokra . Az 1950-es évek közepén-végén a rádiótechnika kifejezés fokozatosan átadta helyét az elektronika elnevezésnek .

Az integrált áramkörök 1959-es feltalálása előtt az elektronikus áramkörök különálló alkatrészekből épültek fel, amelyeket az emberek manipulálhattak. Ezek a különálló áramkörök sok helyet és energiát fogyasztottak, és sebességük is korlátozott volt, bár egyes alkalmazásokban még mindig gyakoriak. Ezzel szemben az integrált áramkörök nagyszámú – gyakran milliónyi – apró elektromos alkatrészt, főleg tranzisztorokat csomagoltak egy érme méretű kis chipbe . Ez lehetővé tette a nagy teljesítményű számítógépeket és más elektronikus eszközöket, amelyeket ma látunk.

Mikroelektronika és nanoelektronika

A mikroelektronikai mérnökség nagyon kisméretű elektronikus áramkör-alkatrészek tervezésével és mikrogyártásával foglalkozik, integrált áramkörben , vagy néha önmagukban általános elektronikus alkatrészként történő felhasználásra. A legelterjedtebb mikroelektronikai alkatrészek a félvezető tranzisztorok , bár minden fő elektronikai alkatrész ( ellenállások , kondenzátorok stb.) mikroszkopikus szinten is létrehozható.

A nanoelektronika az eszközök további skálázása nanométeres szintig. A modern eszközök már nanométeres üzemmódban vannak, a 100 nm alatti feldolgozás 2002 óta szabványos.

A mikroelektronikai komponenseket félvezetőkből, például szilíciumból (nagyobb frekvencián összetett félvezetőkből , például gallium-arzenidből és indium-foszfidból) álló lapkák kémiai úton történő előállításával hozzák létre, hogy biztosítsák az elektronikus töltés kívánt szállítását és az áram szabályozását. A mikroelektronika területe jelentős mennyiségű kémiát és anyagtudományt foglal magában, és megköveteli a területen dolgozó elektronikai mérnöktől, hogy nagyon jó szakmai ismeretekkel rendelkezzen a kvantummechanika hatásairól .

Jelfeldolgozás

A CCD -n lévő Bayer-szűrő jelfeldolgozást igényel, hogy minden pixelnél piros, zöld és kék értéket kapjon.

A jelfeldolgozás a jelek elemzésével és manipulálásával foglalkozik . A jelek lehetnek analógok , amely esetben a jel az információnak megfelelően folyamatosan változik, vagy digitálisak , ebben az esetben a jel az információt reprezentáló diszkrét értékek sorozata szerint változik. Analóg jelek esetén a jelfeldolgozás magában foglalhatja az audiojelek erősítését és szűrését audioberendezéseknél, vagy a jelek modulációját és demodulálását távközlési célokra. Digitális jelek esetén a jelfeldolgozás magában foglalhatja a digitálisan mintavételezett jelek tömörítését , hibafelismerését és hibajavítását .

A jelfeldolgozás egy nagyon matematikailag orientált és intenzív terület, amely a digitális jelfeldolgozás magját képezi , és gyorsan terjeszkedik új alkalmazásokkal az elektrotechnika minden területén, mint például a kommunikáció, vezérlés, radar, hangtechnika , műsorszórástechnika , teljesítményelektronika és orvosbiológia . mérnöki tervezés , mivel sok már meglévő analóg rendszert lecserélnek digitális megfelelőire. Az analóg jelfeldolgozás még mindig fontos számos vezérlőrendszer tervezésénél .

A DSP processzoros IC-k számos modern elektronikus eszközben megtalálhatók, például digitális televíziókban , rádiókban, Hi-Fi audioberendezésekben, mobiltelefonokban, multimédia lejátszókban , kamerákban és digitális fényképezőgépekben, autóvezérlő rendszerekben, zajszűrős fejhallgatókban, digitális spektrumanalizátorokban , rakétairányító rendszerek, radarrendszerek és telematikai rendszerek. Az ilyen termékekben a DSP felelős lehet a zajcsökkentésért , a beszédfelismerésért vagy -szintézisért , a digitális adathordozók kódolásáért vagy dekódolásáért , az adatok vezeték nélküli továbbításáért vagy fogadásáért , a pozíciók háromszögeléséért GPS segítségével és más képfeldolgozásért , videófeldolgozásért , hangfeldolgozásért és beszédfeldolgozásért . .

Hangszerelés

A repülési műszerek biztosítják a pilóták számára a repülőgépek analitikus irányításához szükséges eszközöket.

A műszertechnika a fizikai mennyiségek, például nyomás , áramlás és hőmérséklet mérésére szolgáló eszközök tervezésével foglalkozik . Az ilyen műszerek tervezése megköveteli a fizika jó megértését, amely gyakran túlmutat az elektromágneses elméleten . Például a repülési műszerek olyan változókat mérnek, mint a szélsebesség és a magasság, hogy lehetővé tegyék a pilóták számára a repülőgépek analitikus irányítását. Hasonlóképpen, a hőelemek a Peltier-Seebeck effektust használják két pont közötti hőmérséklet-különbség mérésére.

A műszereket gyakran nem önmagában használják, hanem nagyobb elektromos rendszerek érzékelőiként . Például egy hőelem használható annak biztosítására, hogy a kemence hőmérséklete állandó maradjon. Emiatt a műszertechnikát gyakran az irányítás megfelelőjének tekintik.

Számítógépek

A szuperszámítógépeket olyan változatos területeken használják, mint a számítási biológia és a földrajzi információs rendszerek .

A számítástechnika számítógépek és számítógépes rendszerek tervezésével foglalkozik . Ez magában foglalhatja új hardver tervezését . Számítógépes mérnökök is dolgozhatnak a rendszer szoftverén. Az összetett szoftverrendszerek tervezése azonban gyakran a szoftvermérnökség területe, amelyet általában külön tudományágnak tekintenek. Az asztali számítógépek csak egy kis töredékét képviselik azoknak az eszközöknek, amelyeken a számítógépes mérnök dolgozhat, mivel a számítógéphez hasonló architektúrák ma már számos beágyazott eszközben megtalálhatók, beleértve a videojáték-konzolokat és a DVD-lejátszókat . A számítógépes mérnökök a számítástechnika számos hardveres és szoftveres vonatkozásában vesznek részt. A robotok a számítástechnika egyik alkalmazása.

Fotonika és optika

A fotonika és optika az elektromágneses sugárzás generálásával, átvitelével, erősítésével, modulációjával, detektálásával és elemzésével foglalkozik . Az optika alkalmazása olyan optikai eszközök tervezésével foglalkozik, mint például lencsék , mikroszkópok , teleszkópok és egyéb, az elektromágneses sugárzás tulajdonságait felhasználó berendezések . Az optika egyéb kiemelkedő alkalmazásai közé tartoznak az elektro-optikai érzékelők és mérőrendszerek, lézerek , száloptikai kommunikációs rendszerek és optikai lemezrendszerek (pl. CD és DVD). A fotonika nagymértékben épít az optikai technológiára, kiegészítve olyan modern fejlesztésekkel, mint az optoelektronika (főleg félvezetőkkel ), lézerrendszerek, optikai erősítők és újszerű anyagok (pl . metaanyagok ).

Kapcsolódó tudományágak

A Bird VIP Infant lélegeztetőgép

A mechatronika egy mérnöki tudományág, amely az elektromos és mechanikai rendszerek konvergenciájával foglalkozik. Az ilyen kombinált rendszereket elektromechanikus rendszereknek nevezik, és széles körben elterjedtek. Ilyenek például az automatizált gyártási rendszerek , a fűtési, szellőző- és légkondicionáló rendszerek , valamint a repülőgépek és autók különféle alrendszerei . Az elektronikai rendszerek tervezése az elektrotechnikán belüli téma, amely komplex elektromos és mechanikai rendszerek multidiszciplináris tervezési kérdéseivel foglalkozik.

A mechatronika kifejezést általában a makroszkopikus rendszerekre használják, de a futuristák nagyon kicsi elektromechanikus eszközök megjelenését jósolták. Az ilyen kisméretű, mikroelektromechanikai rendszerek (MEMS) néven ismert eszközöket már most is használják az autókban, hogy megmondják a légzsáknak , mikor kell működésbe lépniük, a digitális kivetítőkben élesebb képek készítésére, a tintasugaras nyomtatókban pedig a nagy felbontású nyomtatáshoz fúvókák létrehozására. Remélhetőleg a jövőben az eszközök segítenek majd apró beültethető orvosi eszközök elkészítésében, és javítják az optikai kommunikációt .

A repüléstechnikában és a robotikában erre példa a legújabb elektromos meghajtás és ionhajtás.

Oktatás

A villamosmérnökök általában villamosmérnöki, elektronikai mérnöki , villamosmérnöki vagy villamos- és elektronikai mérnöki diplomával rendelkeznek . Ugyanazokat az alapelveket tanítják minden programban, bár a hangsúly a címtől függően változhat. Az ilyen végzettség tanulmányi időtartama általában négy vagy öt év, és a megszerzett diplomát meg lehet nevezni villamos/elektronikai mérnöki alapképzésnek, mérnöki alapképzésnek, természettudományi alapképzésnek, műszaki alapképzésnek vagy alkalmazott tudománynak. , egyetemtől függően. Az alapképzés általában magában foglalja a fizikát , a matematikát, a számítástechnikát , a projektmenedzsmentet és az elektrotechnika különféle témáit lefedő egységeket . Kezdetben az ilyen témák az elektrotechnika legtöbb, ha nem az összes részterületét fedik le. Egyes iskolákban a tanulók választhatnak, hogy egy vagy több részdiszciplínát emeljenek ki tanulmányaik vége felé.

Sok iskolában az elektronikai mérnöki tudományt az elektromos díjak részeként, néha kifejezetten, például a mérnöki (elektromos és elektronikai) alapképzés részeként veszik fel, de más iskolákban az elektromos és elektronikai mérnöki tudományt egyaránt kellően tágnak és összetettnek tekintik, hogy elválasztsák a diplomákat. kínálnak.

Egyes villamosmérnökök úgy döntenek, hogy posztgraduális diplomát szereznek, mint például a mérnöki mester / a természettudományi mester (MEng/MSc), a mérnöki menedzsment mester , a filozófia doktora (PhD) a mérnökökből, a mérnöki doktori fokozat (Eng.D. ), vagy mérnöki végzettség . A mester- és mérnöki diploma kutatásból, tanfolyami munkából vagy a kettő keverékéből állhat . A filozófia doktora és a mérnöki doktori fokozatok jelentős kutatási komponensből állnak, és gyakran tekintik az akadémiába való belépési pontnak . Az Egyesült Királyságban és néhány más európai országban a mérnöki mesterképzést gyakran tekintik valamivel hosszabb időtartamú alapképzésnek, mint a mérnöki alapképzésnek, nem pedig önálló posztgraduális képzésnek.

Szakmai gyakorlat

A legtöbb országban a mérnöki alapképzés jelenti az első lépést a szakmai minősítés felé , magát a szakot pedig egy szakmai testület tanúsítja . Az okleveles képzés elvégzése után a mérnöknek egy sor követelménynek (beleértve a munkatapasztalat követelményeit is) meg kell felelnie a minősítés megszerzése előtt. A képesítés megszerzése után a mérnököt professzionális mérnöknek (az Egyesült Államokban, Kanadában és Dél-Afrikában), okleveles mérnöknek vagy bejegyzett mérnöknek (Indiában, Pakisztánban, az Egyesült Királyságban, Írországban és Zimbabwében ), okleveles mérnöknek (Ausztráliában és Új-Zéland) vagy európai mérnök (az Európai Unió nagy részén ).

Az IEEE vállalati irodája a New York-i 3 Park Avenue 17. emeletén található

Az engedélyezés előnyei a helytől függően változnak. Például az Egyesült Államokban és Kanadában "csak engedéllyel rendelkező mérnök pecsételhet mérnöki munkát állami és magánügyfelek számára". Ezt a követelményt állami és tartományi jogszabályok, például a quebeci mérnöki törvény kényszerítik ki. Más országokban nincs ilyen jogszabály. Gyakorlatilag minden tanúsító szervezet fenntart egy etikai kódexet , amelynek betartását minden tagtól elvárják, vagy fennáll a kizárás veszélye. Ily módon ezek a szervezetek fontos szerepet játszanak a szakma etikai normáinak fenntartásában. Még azokban a joghatóságokban is, ahol a tanúsításnak csekély vagy semmilyen jogi hatása nincs a munkára, a mérnökök a szerződési jog hatálya alá tartoznak . Abban az esetben, ha egy mérnök munkája kudarcot vall , gondatlanságból eredő károkozással , szélsőséges esetekben pedig bűnügyi gondatlansággal vádolható . A mérnök munkájának számos más szabálynak és előírásnak is meg kell felelnie, mint például az építési szabályzatoknak és a környezetvédelmi jogra vonatkozó jogszabályoknak .

A villamosmérnökök szakmai testületei közé tartozik az Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) és az Institute of Engineering and Technology (IET). Az IEEE állítja, hogy a világ elektrotechnikai szakirodalmának 30%-át állítja elő, világszerte több mint 360 000 tagja van, és évente több mint 3 000 konferenciát tart. Az IET 21 folyóiratot ad ki, világszerte több mint 150 000 tagot számlál, és Európa legnagyobb szakmai mérnöki társaságának vallja magát. A műszaki ismeretek elavulása komoly gondot okoz a villamosmérnökök számára. A szakmai társaságokban való tagság és részvétel, a szakfolyóiratok rendszeres áttekintése és a továbbtanulás szokása ezért elengedhetetlen a jártasság megőrzéséhez. A MIET (a Mérnöki és Technológiai Intézet tagja) Európában villamos- és számítástechnikai (technológiai) mérnökként ismert.

Ausztráliában, Kanadában és az Egyesült Államokban a villamosmérnökök a munkaerő körülbelül 0,25%-át teszik ki.

Eszközök és munka

A globális helymeghatározó rendszertől az elektromos energiatermelésig az elektromos mérnökök számos technológia kifejlesztéséhez járultak hozzá. Elektromos rendszereket és elektronikus eszközöket terveznek, fejlesztenek, tesztelnek és felügyelik azok telepítését. Dolgozhatnak például távközlési rendszerek tervezésén, villamos erőművek üzemeltetésén , épületek világításán és vezetékezésén , háztartási készülékek tervezésén vagy ipari gépek elektromos vezérlésén .

A műholdas kommunikáció jellemző az elektromos mérnökök munkájára.

A tudományág alapját a fizika és a matematika tudományai képezik , mivel ezek segítenek minőségi és mennyiségi leírást kapni az ilyen rendszerek működéséről. Manapság a legtöbb mérnöki munka a számítógép használatából áll, és általános a számítógéppel segített tervezőprogramok alkalmazása az elektromos rendszerek tervezése során. Mindazonáltal az ötletek felvázolásának képessége továbbra is felbecsülhetetlen a másokkal való gyors kommunikációhoz.

Shadow robot kézi rendszer

Bár a legtöbb villamosmérnök megérti az alapvető áramkör-elméletet (vagyis az olyan elemek kölcsönhatását, mint az ellenállások , kondenzátorok , diódák , tranzisztorok és induktorok az áramkörben), a mérnökök által alkalmazott elméletek általában az általuk végzett munkától függenek. Például a kvantummechanika és a szilárdtestfizika fontos lehet egy VLSI -n (integrált áramkörök tervezésén) dolgozó mérnök számára, de nagyrészt irreleváns a makroszkopikus elektromos rendszerekkel dolgozó mérnökök számára. Még az áramkörelmélet sem lehet releváns egy olyan távközlési rendszert tervező személy számára, amely kész alkatrészeket használ. A villamosmérnökök talán legfontosabb műszaki készségei az egyetemi programokban jelennek meg, amelyek az erős numerikus készségekre , a számítógépes műveltségre , valamint az elektrotechnikával kapcsolatos szaknyelv és fogalmak megértésének képességére helyezik a hangsúlyt.

Egy akril rudat visszaverő lézer , amely a fény teljes belső visszaverődését mutatja be egy többmódusú optikai szálban.

A műszerek széles skáláját használják a villamosmérnökök. Egyszerű vezérlőáramkörök és riasztások esetén elegendő lehet egy alap multiméter , amely feszültséget , áramot és ellenállást mér. Ahol az időben változó jeleket kell tanulmányozni, ott az oszcilloszkóp is mindenütt jelen lévő műszer. A rádiófrekvenciás tervezésben és a nagyfrekvenciás távközlésben spektrumanalizátorokat és hálózati analizátorokat használnak. Egyes tudományágakban a biztonság különös gondot jelenthet a műszerekkel kapcsolatban. Például az orvosi elektronikai tervezőknek figyelembe kell venniük, hogy a normálnál jóval alacsonyabb feszültség veszélyes lehet, ha az elektródák közvetlenül érintkeznek belső testnedvekkel. Az erőátviteli technikának is komoly biztonsági aggályai vannak az alkalmazott nagy feszültségek miatt; bár a voltmérők elvileg hasonlóak lehetnek alacsony feszültségű egyenértékűeikhez, a biztonsági és kalibrálási problémák nagyon eltérőekké teszik őket. Az elektrotechnika számos tudományága saját szakterületére jellemző teszteket alkalmaz. Az audioelektronikai mérnökök egy jelgenerátorból és egy mérőből álló hangteszt- készleteket használnak, elsősorban a szint, de más paraméterek, például a harmonikus torzítás és a zaj mérésére is . Hasonlóképpen, az információs technológiának megvannak a saját tesztkészletei, amelyek gyakran egy adott adatformátumra vonatkoznak, és ugyanez igaz a televíziós műsorszórásra is.

Radome a misawai légibázison, a misawai biztonsági műveleti központban, Misawa, Japán

Sok mérnök számára a műszaki munka csak töredékét teszi ki az elvégzett munkának. Sok időt fordíthatnak olyan feladatokra is, mint a javaslatok megvitatása az ügyfelekkel, a költségvetés elkészítése és a projekt ütemezésének meghatározása . Sok vezető mérnök technikusokból vagy más mérnökökből álló csapatot irányít, ezért fontosak a projektmenedzsment ismeretek. A legtöbb mérnöki projekt valamilyen dokumentációt foglal magában, ezért az erős írásbeli kommunikációs készség nagyon fontos.

A mérnökök munkahelyei ugyanolyan változatosak, mint az általuk végzett munka. A villamosmérnökök megtalálhatók egy gyártóüzem érintetlen laboratóriumi környezetében, egy haditengerészeti hajó fedélzetén , egy tanácsadó cég irodáiban vagy a helyszínen egy bányában. A villamosmérnökök munkájuk során előfordulhat, hogy egyének széles körét felügyelik, beleértve a tudósokat, villanyszerelőket , számítógép-programozókat és más mérnököket.

Az elektrotechnika bensőséges kapcsolatban áll a fizikai tudományokkal. Lord Kelvin fizikus például jelentős szerepet játszott az első transzatlanti távírókábel tervezésében . Ezzel szemben Oliver Heaviside mérnök jelentős munkát végzett a távírókábeleken történő átvitel matematikájával kapcsolatban. A nagy tudományos projektekben gyakran szükség van villamosmérnökökre. Például az olyan nagy részecskegyorsítóknak , mint a CERN , villamosmérnökökre van szükségük a projekt számos szempontjával, beleértve az áramelosztást, a műszerezést, valamint a szupravezető elektromágnesek gyártását és telepítését .

Lásd még

Megjegyzések

Hivatkozások

Bibliográfia

További irodalom

Külső linkek