Villamosmérnök - Electronic engineering

Az elektronika (más néven elektronika és kommunikációtechnika ) olyan villamosmérnöki tudományág, amely nemlineáris és aktív elektromos alkatrészeket (például félvezető eszközöket , különösen tranzisztorokat és diódákat ) használ az elektronikus áramkörök , eszközök , integrált áramkörök és rendszereik tervezéséhez . A tudományág jellemzően passzív elektromos alkatrészeket is tervez , általában nyomtatott áramköri lapok alapján .

Az elektronika a tágabb villamosmérnöki tantárgy részterülete, de egy széles mérnöki területet jelöl, amely olyan részterületeket foglal magában, mint az analóg elektronika , a digitális elektronika , a fogyasztói elektronika , a beágyazott rendszerek és a teljesítményelektronika . Az elektronikai mérnökség számos kapcsolódó területen kifejlesztett alkalmazások, elvek és algoritmusok megvalósításával foglalkozik, például szilárdtestfizika , rádiótechnika , telekommunikáció , vezérlőrendszerek , jelfeldolgozás , rendszertervezés , számítástechnika , műszerezés , villamosenergia-szabályozás , robotika , és sokan mások.

Az Elektromos és Elektronikai Mérnöki Intézet (IEEE) az Egyesült Államokban székhellyel rendelkező elektronikai mérnökök egyik legfontosabb és legbefolyásosabb szervezete. Nemzetközi szinten a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) előkészíti az elektronikai mérnöki szabványokat, amelyeket konszenzussal és a világ 172 országából származó 20 000 szakértő munkájának köszönhetően dolgoztak ki.

Kapcsolat az elektrotechnikával

Az elektronika a szélesebb villamosmérnöki tantárgy részterülete . Elektronikai mérnöki szakos akadémiai végzettség szerezhető be egyes egyetemeken, míg más egyetemek az elektrotechnikát használják tantárgyként. Az elektromos mérnök kifejezést az akadémiai világban még mindig használják az elektronikai mérnökök bevonására. Egyesek azonban úgy vélik, hogy az elektromos mérnök kifejezést azokra kell fenntartani, akik villamosenergia- és nagyáramú vagy nagyfeszültségű mérnöki szakterületre specializálódtak, míg mások úgy vélik, hogy a villamosenergia -termelés csak egy része az elektromos mérnöki tevékenységnek, hasonlóan az elektromos áramelosztó mérnöki tevékenységhez. Az energiafejlesztés kifejezést az iparág leírójeként használják. Ismét az utóbbi években növekedett az új, külön belépő képzések száma, mint például a rendszertervezés és a kommunikációs rendszerek tervezése , amelyeket gyakran követnek a hasonló nevű akadémiai tanszékek, amelyek jellemzően nem az elektronika, hanem az elektrotechnika részterületei.

Történelem

Elektronika, mint a szakma tabaszi technológiai fejlesztések a távíró ipar a 19. század végén és a rádió és a telefon ipar a 20. század elején. Az embereket vonzotta a rádióhoz az általa inspirált technikai lenyűgözés, először a vételben, majd az adásban. Sokan, akik az 1920 -as években kezdtek műsorszolgáltatásba, csak „amatőrök” voltak az első világháború előtti időszakban .

Jelentős mértékben, a modern fegyelem Elektronikus technika született, telefon, rádió, és televízió berendezések fejlesztése, valamint a nagy mennyiségű elektronikai rendszerek fejlesztése során a második világháború a radar , szonár , kommunikációs rendszerek, és a fejlett lőszerek és fegyverrendszerek. A háborúk közötti években a témát rádiótechnikának nevezték, és csak az 1950 -es évek végén kezdett el megjelenni az elektronikai mérnöki kifejezés.

Az első üzemi tranzisztor volt a pont-érintkezéses tranzisztor által feltalált Bardeen és Walter Brattain a Bell Labs 1947-ben A MOSFET (fém-oxid-félvezető térvezérlésű tranzisztor, vagy MOS tranzisztor) később feltalált Mohamed M. Atalla és Dawon Kahng, a Bell Labs-nál 1959-ben. A MOSFET volt az első igazán kompakt tranzisztor, amelyet miniatürizálhattak és tömeggyártásban is felhasználhattak. A MOSFET forradalmasította az elektronikai iparágat , és a világ legszélesebb körben használt elektronikus eszközévé vált. A MOSFET a legtöbb modern elektronikus berendezés alapeleme.

Elektronika

Az elektronika területén a mérnökök olyan áramköröket terveznek és tesztelnek , amelyek az elektromos alkatrészek , például ellenállások , kondenzátorok , induktivitások , diódák és tranzisztorok elektromágneses tulajdonságait használják fel egy adott funkció elérése érdekében. A tuner áramkör , amely lehetővé teszi a rádió felhasználójának egyetlen állomás kivételével az összes szűrését , csak egy példa az ilyen áramkörre.

Az integrált áramkör tervezésekor az elektronikai mérnökök először áramköri rajzokat készítenek, amelyek meghatározzák az elektromos alkatrészeket és leírják a köztük lévő kapcsolatokat. Ha elkészült, a VLSI mérnökei a sémákat tényleges elrendezésekké alakítják, amelyek feltérképezik az áramkör felépítéséhez szükséges különböző vezető- és félvezető anyagok rétegeit . A vázlatokból elrendezésekké történő átalakítás szoftveresen történhet (lásd elektronikus tervezési automatizálás ), de nagyon gyakran emberi finomhangolást igényel a hely- és energiafogyasztás csökkentése érdekében. Miután elkészült az elrendezés, el lehet küldeni egy gyártóüzembe gyártás céljából.

Közepes bonyolultságú rendszerek esetében a mérnökök VHDL modellezést használhatnak a programozható logikai eszközök és az FPGA -k számára .

Az integrált áramkörök , FPGA -k és más elektromos alkatrészek ezután összeszerelhetők a nyomtatott áramköri lapokra, hogy bonyolultabb áramköröket hozzanak létre. Napjainkban a nyomtatott áramköri lapok megtalálhatók a legtöbb elektronikus eszközben, beleértve a televíziókat , számítógépeket és audiolejátszókat .

Részmezők

Az elektronikai mérnökségnek számos részterülete van. Ez a rész az elektronika legnépszerűbb részterületeit írja le; bár vannak mérnökök, akik kizárólag egy részmezőre összpontosítanak, sokan vannak, akik az almezők kombinációjára összpontosítanak.

A jelfeldolgozás a jelek elemzésével és manipulálásával foglalkozik . A jelek lehetnek analógok , ebben az esetben a jel folyamatosan változik az információnak megfelelően, vagy digitálisak , ebben az esetben a jel az információt képviselő diszkrét értékek sorozata szerint változik.

Analóg jelek esetében a jelfeldolgozás magában foglalhatja az audioberendezések audiojeleinek erősítését és szűrését , vagy a távközléshez szükséges jelek modulálását és demodulálását . Digitális jelek esetében a jelfeldolgozás magában foglalhatja a digitális jelek tömörítését , hibakeresését és hibafelismerését .

Távközlési Műszaki foglalkozik továbbítására az információ egy egész csatornát , mint a koaxiális kábel , optikai szál vagy szabad hely .

A szabad térben történő átvitelhez az információkat vivőhullámba kell kódolni, hogy az információt az átvitelre alkalmas vivőfrekvenciára tereljék, ezt modulációnak nevezzük . A népszerű analóg modulációs technikák közé tartozik az amplitúdó moduláció és a frekvencia moduláció . A moduláció megválasztása befolyásolja a rendszer költségeit és teljesítményét, és ezt a két tényezőt a mérnöknek gondosan mérlegelnie kell.

A rendszer átviteli jellemzőinek meghatározása után a távközlési mérnökök megtervezik az ilyen rendszerekhez szükséges adókat és vevőket . Ezt a kettőt néha egyesítik, hogy kétirányú kommunikációs eszközt alkossanak adó-vevő néven . Az adók tervezésekor kulcsfontosságú szempont az energiafogyasztásuk, mivel ez szorosan összefügg a jelerősségükkel . Ha az adó jelerőssége nem elegendő, a jel információit a zaj rontja .

Repülés - elektronikai mérnöki és légiközlekedési -távközlési mérnöki tevékenység, elektronikai és űrhajózási témákban kutatnak és dolgoznak . A légiközlekedési- távközlési mérnökök olyan szakemberek csoportját foglalják magukban, akik sok információval rendelkeznek a repülésről (például meteorológiai adatok, bizonyos specifikus információk stb.) A rendelkezésre álló platformokon (például AFTN stb.) Keresztül, amelyek a repülőgép rendelkezésére állnak vagy alkatrészek Mások a repülőtereken állomásoznak. Az ezen a területen dolgozó szakembereknek elsősorban számítógépes , hálózati , informatikai és fizikai ismeretekre van szükségük . A repülés előtt, alatt és után a repülőgépnek szüksége van olyan berendezésekre és platformokra, amelyek kielégítik számos igényét, például navigációs információkra, kommunikációs és megfigyelő rendszerekre (CNS). Természetesen az ilyen berendezések telepítést, üzembe helyezést, karbantartást és javítást igényelnek, ami komoly feladat a repülőterek elektronikai szakemberének. Ezeket a kurzusokat különböző egyetemeken, például a Polgári Repülési Technológiai Főiskolán kínálják .

Az elektromágnesesség egy mélyreható tanulmány a csatornán (vezetékes vagy vezeték nélküli) továbbított jelekről. Ez magában foglalja alapjai Az elektromágneses hullámok, távvezetékek és tölcsérek , antennák, típusai és alkalmazások rádiófrekvenciás (RF) és mikrohullámú sütők. Alkalmazásait széles körben látják más alterületeken, például a távközlésben, a vezérlésben és a műszerezésben.

Irányítástechnika széles körben alkalmazható a repülési és meghajtási rendszerek kereskedelmi repülőgépek a sebességtartó jelen van sok modern autó . Fontos szerepet játszik az ipari automatizálásban is .

Ellenőrző mérnökök gyakran használják visszajelzést tervezésekor rendszerek . Például egy autó a sebességtartó automatika , a jármű sebessége folyamatosan ellenőrzi és visszavezetjük a rendszerbe, amely szabályozza a motor teljesítmény kell. Ahol rendszeres visszacsatolás van, a vezérléselmélet segítségével meghatározható, hogy a rendszer hogyan reagál az ilyen visszajelzésekre.

A műszerezés a fizikai mennyiségek, például nyomás , áramlás és hőmérséklet mérésére szolgáló eszközök tervezésével foglalkozik . Ezek az eszközök ismertek például a műszerek .

Az ilyen műszerek tervezése megköveteli a fizika jó megértését, amely gyakran túlmutat az elektromágneses elméleten . Például a radarfegyverek a Doppler -effektust használják a közeledő járművek sebességének mérésére. Hasonlóképpen, a hőelemek a Peltier – Seebeck -effektust használják a két pont közötti hőmérsékletkülönbség mérésére.

A műszereket gyakran nem önmagában, hanem nagyobb elektromos rendszerek érzékelőjeként használják. Például egy hőelem használható annak biztosítására, hogy a kemence hőmérséklete állandó maradjon. Emiatt a műszergyártást gyakran a vezérléstechnika megfelelőjének tekintik.

A számítástechnika a számítógépek és számítógépes rendszerek tervezésével foglalkozik . Ez magában foglalhatja új számítógépes hardver tervezését, PDA -k tervezését vagy számítógépek használatát egy ipari üzem vezérlésére . A beágyazott rendszerek - meghatározott feladatokra kifejlesztett rendszerek (pl. Mobiltelefonok) - fejlesztése is ide tartozik. Ez a mező tartalmazza a mikrovezérlőt és annak alkalmazásait. A számítógépes mérnökök a rendszer szoftverén is dolgozhatnak . A komplex szoftverrendszerek tervezése azonban gyakran a szoftverfejlesztés területe , amelyet általában külön tudományágnak tartanak.

VLSI tervezés műszaki VLSI jelentése nagyon nagy mértékű integráció . IC -k és különféle elektronikus alkatrészek gyártásával foglalkozik.

Oktatás és képzés

Az elektronikai mérnökök jellemzően akadémiai végzettséggel rendelkeznek, elektronikai mérnöki szakon. A hossza tanulmány olyan mértékben általában három vagy négy év, és a kitöltött mértékben lehet kijelölni a Bachelor of Engineering , Bachelor of Science , Bachelor of Applied Science vagy Bachelor of Technology függően az egyetemen. Sok brit egyetem is kínál Master of Engineering ( MEng ) végzettséget.

Néhány elektronikai mérnökök is dönt, hogy folytatja a posztgraduális diploma, mint például a Master of Science , a filozófia doktora mérnöki, vagy mérnöki doktori . A mesterképzést egyes európai és amerikai egyetemeken első fokon vezetik be, és a mérnök megkülönböztetése a posztgraduális és posztgraduális tanulmányokkal gyakran nehéz. Ezekben az esetekben a tapasztalatokat figyelembe veszik. A mesterképzés állhat kutatásból, tanfolyamból vagy a kettő keverékéből. A filozófia doktora jelentős kutatási komponensből áll, és gyakran tekintik az egyetemek belépési pontjának.

A legtöbb országban a mérnöki alapképzés jelenti az első lépést a tanúsítás felé, és magát a képzési programot egy szakmai szervezet tanúsítja. A tanúsítás lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy jogszerűen aláírják a közbiztonságot érintő projektek terveit. A minősített képzési program elvégzése után a mérnöknek számos követelménynek kell megfelelnie, beleértve a munkatapasztalat követelményeit is, mielőtt hitelesítést kapna. A minősítést követően a mérnököt hivatásos mérnökként (az Egyesült Államokban, Kanadában és Dél -Afrikában), okleveles mérnökként vagy bejegyzett mérnökként (az Egyesült Királyságban, Írországban, Indiában és Zimbabwében), okleveles professzionális mérnökként (Ausztráliában és Új -Zéland) vagy európai mérnök (az Európai Unió nagy részében).

Az elektronika diploma általában olyan egységeket foglal magában, amelyek fizikát , kémiát , matematikát , projektmenedzsmentet és speciális villamosmérnöki témákat foglalnak magukban . Kezdetben az ilyen témák lefedik az elektronika mérnöki részterületeinek többségét, ha nem mindenét. A hallgatók ezután úgy döntenek, hogy egy vagy több részterületre szakosodnak a diploma vége felé.

A tudományág alapja a fizika és a matematika tudománya, mivel ezek segítenek mind az ilyen rendszerek működésének minőségi, mind mennyiségi leírásában. Manapság a legtöbb mérnöki munka számítógépek használatát foglalja magában, és gyakori, hogy számítógépes tervezési és szimulációs szoftverprogramokat használnak elektronikus rendszerek tervezésekor. Bár a legtöbb elektronikai mérnök megérti az alapvető áramköri elméletet, a mérnökök által alkalmazott elméletek általában az elvégzett munkától függenek. Például a kvantummechanika és a szilárdtestfizika releváns lehet a VLSI -n dolgozó mérnök számára, de a beágyazott rendszerekkel dolgozó mérnökök számára lényegtelen .

Az elektromágnesesség és a hálózatelmélet mellett a tanterv más elemei kifejezetten az elektronikai mérnöki tanfolyamra vonatkoznak. Az elektrotechnikai tanfolyamoknak más szakterületei is vannak, például gépek , áramtermelés és elosztás . Ez a lista nem tartalmazza a kiterjedt mérnöki matematika tantervet, amely előfeltétele a diplomának.

Elektromágnesesség

A vektoros számítás elemei : divergencia és görbület ; Gauss és Stokes tételei , Maxwell egyenletei : differenciál- és integrálformák. Hullám egyenlet , Poynting vektor . Síkhullámok : terjedés különféle közegeken keresztül; tükröződés és fénytörés ; fázis- és csoportsebesség ; bőr mélysége . Átviteli vezetékek : jellegzetes impedancia ; impedancia transzformáció; Smith diagram ; impedancia illesztés ; pulzus gerjesztés. Hullámvezetők : módok négyszögletes hullámvezetők; határfeltételek ; határfrekvenciák ; diszperziós kapcsolatok . Antennák: Dipól antennák ; antenna tömbök ; sugárzási minta; kölcsönösségi tétel, antennaerősítés .

Hálózati elemzés

Hálózati grafikonok: grafikonokhoz társított mátrixok; előfordulási gyakoriság, alapvető vágáshalmaz és alapvető áramköri mátrixok. Megoldási módszerek: csomó- és hálóelemzés. Hálózati tételek: szuperpozíció, Thevenin és Norton maximális teljesítményátvitele, Wye-Delta transzformáció. Egyensúlyi állapotú szinuszos elemzés fázisok használatával. Lineáris állandó együttható differenciálegyenletek; egyszerű RLC áramkörök időtartomány -elemzése, Hálózati egyenletek megoldása Laplace -transzformációval : RLC -áramkörök frekvenciatartomány -elemzése. 2 portos hálózati paraméterek: vezetési pont és átviteli funkciók. Állaptegyenletek a hálózatokhoz.

Elektronikus eszközök és áramkörök

Elektronikus eszközök : energiaszalagok szilíciumból, belső és külső szilíciumból. Hordozó szállítása szilíciumban: diffúziós áram, sodródó áram, mobilitás, ellenállás. Hordozók generálása és rekombinációja. pn csomópont dióda, Zener dióda , alagút dióda , BJT , JFET , MOS kondenzátor , MOSFET , LED , tű és lavina fotódióda , LÉZER. Eszköz technológia: integrált áramkör gyártási folyamata, oxidáció, diffúzió, ionbeültetés , fotolitográfia, n-tub, p-tub és twin-tub CMOS eljárás.

Analóg áramkörök : Diódák, BJT, JFET és MOSFET ekvivalens áramkörei (nagy és kis jelű). Egyszerű dióda áramkörök, vágás, szorítás, egyenirányító. Tranzisztoros és FET erősítők előfeszítése és torzítási stabilitása. Erősítők: egy- és többlépcsős, differenciálmű, működés, visszacsatolás és teljesítmény. Erősítők elemzése; az erősítők frekvenciaválasza. Egyszerű op-amp áramkörök. Szűrők. Szinuszos oszcillátorok; az oszcilláció kritériuma; egy tranzisztoros és op-erősítő konfigurációk. Funkciógenerátorok és hullámformáló áramkörök, Tápegységek.

Digitális áramkörök : logikai függvények ( NOT , AND , OR , XOR , ...). Logikai kapuk digitális IC családok ( DTL , TTL , ECL , MOS , CMOS ). Kombinált áramkörök: aritmetikai áramkörök, kódátalakítók, multiplexerek és dekódolók . Szekvenciális áramkörök : reteszek és papucsok, számlálók és váltóregiszterek. Minta és tartás áramkörök, ADC , DAC . Félvezető emlékek . Mikroprocesszor 8086 : architektúra, programozás, memória és I/O interfész.

Jelzések és rendszerek

A Laplace-transzformáció definíciói és tulajdonságai , folyamatos és diszkrét idejű Fourier-sorozat , folytonos és diszkrét idejű Fourier-transzformáció , z-transzformáció . Mintavételi tételek . Lineáris időinvariáns (LTI) rendszerek : definíciók és tulajdonságok; kauzalitás, stabilitás, impulzusválasz, konvolúció, pólusok és nullák frekvenciaválasz, csoportkésleltetés, fáziskésleltetés. Jelátvitel LTI rendszeren keresztül. Véletlen jelek és zaj: valószínűség , véletlen változók , valószínűségi sűrűség függvény , autokorreláció, teljesítményspektrális sűrűség , függvény analógia a vektorok és függvények között.

Vezérlő rendszerek

A vezérlőrendszer alapvető összetevői; tömbvázlatos leírás, blokkdiagramok csökkentése - Mason szabálya . Nyílt és zárt hurkú (negatív egység -visszacsatolási) rendszerek és e rendszerek stabilitási elemzése. Jeláramlási grafikonok és használatuk a rendszerek átviteli funkcióinak meghatározásában; az LTI vezérlőrendszerek és a frekvenciaválasz átmeneti és egyensúlyi állapotú elemzése. Az egyensúlyi állapot elutasításának és a zajérzékenységnek az elemzése.

Eszközök és technikák az LTI vezérlőrendszer elemzéséhez és tervezéséhez: gyökérlókuszok, Routh – Hurwitz stabilitási kritérium , Bode és Nyquist ábrák . Vezérlőrendszer kompenzátorok: az ólom és késleltetés kompenzáció elemei, az arányos – integrál – derivált (PID) szabályozás elemei . Folyamatos idejű rendszerek diszkretizálása nulla sorrendű tartás és ADC-k használatával a digitális vezérlő megvalósításához. A digitális vezérlők korlátai: aliasing. Állapotváltozó -ábrázolás és az LTI vezérlőrendszerek állapotegyenletének megoldása. A nemlineáris dinamikus rendszerek linearizálása állapot-tér megvalósításokkal mind frekvencia, mind időtartományban. A MIMO LTI rendszerek irányíthatóságának és megfigyelhetőségének alapfogalmai . Állapottér -megvalósítások: megfigyelhető és ellenőrizhető kanonikus forma. Ackermann-féle képlet az állapot-visszacsatoló póluselhelyezéshez. Teljes megrendelésű és csökkentett rendelésű becslések tervezése.

Kommunikáció

Analóg kommunikációs rendszerek: amplitúdó- és szögmodulációs és demodulációs rendszerek, ezen műveletek spektrális elemzése , szuperheterodin zajviszonyok .

Digitális kommunikációs rendszerek: impulzus-kód moduláció (PCM), differenciális impulzus-kód-moduláció (DPCM), delta-moduláció (DM), digitális moduláció-amplitúdó, fázis- és frekvenciaváltás- kulcsos sémák ( ASK , PSK , FSK ), egyeztetett szűrő -vevők, sávszélesség -mérlegelés és hibaszámítások valószínűsége ezekhez a sémákhoz, GSM , TDMA .

Profi testek

A villamosmérnökök szakmai testületei közé tartozik az Elektromos és Elektronikai Mérnöki Intézet (IEEE) és az Elektromos Mérnöki Intézet (IEE) (ma átnevezték Mérnöki és Technológiai Intézményre vagy IET -re). A Mérnöki és Technológiai Intézet (MIET) tagjai szakmailag elismertek Európában, mint villamos- és számítástechnikai (mérnöki) mérnökök. Az IEEE azt állítja, hogy a világ elektromos/elektronikai mérnöki szakirodalmának 30 százalékát készíti el, több mint 430 000 tagja van, és évente több mint 450 IEEE szponzorált vagy társszponzorált konferenciát tart világszerte. A SMIEEE elismert szakmai megnevezés az Egyesült Államokban.

Projekttechnika

A legtöbb mérnök számára, akik nem vesznek részt a rendszer tervezésében és fejlesztésében, a műszaki munka az elvégzett munka töredékét teszi ki. Sok időt fordítanak olyan feladatokra is, mint a javaslatok megvitatása az ügyfelekkel, költségvetések elkészítése és a projekt ütemtervének meghatározása. Sok vezető mérnök irányít egy technikus vagy más mérnök csapatot, és ezért fontosak a projektmenedzsment készségek. A legtöbb mérnöki projekt valamilyen dokumentációt tartalmaz, ezért nagyon fontosak az erős írásos kommunikációs készségek.

Az elektronikai mérnökök munkahelyei ugyanolyan változatosak, mint az általuk végzett munkák. Elektronikai mérnökök megtalálhatók a gyártóüzem tiszta laboratóriumi környezetében, egy tanácsadó cég irodájában vagy egy kutatólaboratóriumban. Életük során az elektronikai mérnökök sokféle személy felügyeletét tapasztalhatják, beleértve a tudósokat, villanyszerelőket, számítógép -programozókat és más mérnököket.

A műszaki ismeretek elavulása komoly gondot okoz az elektronikai mérnökök számára. A technikai társaságokban való tagság és részvétel, a szakfolyóirat rendszeres felülvizsgálata és a továbbtanulás szokása ezért elengedhetetlen a jártasság fenntartásához. Ezeket pedig leginkább a szórakoztató elektronikai termékek területén használják.

Languages

In other projects