مهندسی برق الکترونیک
مهندسی برق یک رشته مهندسی است که به مطالعه ، طراحی و کاربرد تجهیزات ، دستگاه ها و سیستم هایی که از برق ، الکترونیک و الکترومغناطیس استفاده می کنند ، می پردازد. در نیمه دوم قرن نوزدهم پس از تجاری سازی تلگراف الکتریکی ، تلفن و تولید ، توزیع و استفاده از برق ، به عنوان شغلی قابل شناسایی ظاهر شد.
مهندسی برق در حال حاضر به طیف وسیعی از زمینه های مختلف از جمله مهندسی کامپیوتر ، مهندسی سیستم ، مهندسی برق ، مخابرات ، مهندسی فرکانس رادیویی ، پردازش سیگنال ، ابزار دقیق ، سلول های فتوولتائیک ، الکترونیک و اپتیک و فوتونیک تقسیم بندی شده است. بسیاری از این رشته ها با سایر شاخه های مهندسی همپوشانی دارند و شامل تعداد زیادی از تخصص ها از جمله مهندسی سخت افزار ، الکترونیک قدرت ، الکترومغناطیس و امواج ، مهندسی مایکروویو ، فناوری نانو ، الکتروشیمی ، انرژی های تجدیدپذیر ، مکاترونیک/کنترل و علوم مواد الکتریکی می شود.
مهندسان برق معمولاً دارای مدرک مهندسی برق یا مهندسی الکترونیک هستند. مهندسین ممتاز ممکن است دارای گواهینامه حرفه ای بوده و اعضای یک نهاد حرفه ای یا یک سازمان استاندارد بین المللی باشند. اینها شامل کمیسیون بین المللی الکتروتکنیک (IEC) ، موسسه مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) و موسسه مهندسی و فناوری (IET) (IEE سابق) است.
مهندسان برق در صنایع وسیعی فعالیت می کنند و مهارت های مورد نیاز نیز متغیر است. این موارد از نظریه مدار تا مهارت های مدیریت یک مدیر پروژه را شامل می شود. ابزارها و تجهیزات مورد نیاز هر مهندس متغیر است ، از یک ولت متر ساده گرفته تا طراحی و ساخت نرم افزار پیچیده
تاریخچه
برق حداقل از اوایل قرن ۱۷ مورد توجه علمی قرار گرفته است. ویلیام گیلبرت دانشمند برجسته اولیه برق بود و اولین کسی بود که تمایز روشنی بین مغناطیس و الکتریسیته ساکن ایجاد کرد. او با ایجاد اصطلاح “برق” اعتبار دارد. او همچنین ورسوریوم را طراحی کرد: دستگاهی که وجود اجسام دارای بار استاتیک را تشخیص می دهد. در سال ۱۷۶۲ پروفسور سوئدی یوهان ویلک دستگاهی را اختراع کرد که بعداً الکتروفور نام گرفت و بار الکتریکی ساکن تولید می کرد. تا سال ۱۸۰۰ الساندرو ولتا شمع ولتاییک را که پیشگام باتری الکتریکی بود توسعه داد.
قرن ۱۹
در قرن نوزدهم ، تحقیقات درباره این موضوع شدت گرفت. پیشرفتهای قابل توجه در این قرن شامل کار هانس کریستین اورستد است که در سال ۱۸۲۰ کشف کرد که جریان الکتریکی میدان مغناطیسی ایجاد می کند که سوزن قطب نما را منحرف می کند ، ویلیام استرجن که در سال ۱۸۲۵ الکترومغناطیس را اختراع کرد ، جوزف هنری و ادوارد دیوی که اختراع کردند. رله الکتریکی در سال ۱۸۳۵ ، گئورگ اهم ، که در سال ۱۸۲۷ رابطه بین جریان الکتریکی و تفاوت پتانسیل در یک رسانا را تعیین کرد مایکل فارادی (کاشف القای الکترومغناطیسی در ۱۸۳۱) ، و جیمز کلرک ماکسول ، که در سال ۱۸۷۳ نظریه ای واحد از الکتریسیته و مغناطیس را در رساله الکتریسیته و مغناطیس منتشر کرد.
در سال ۱۷۸۲ ، ژرژ-لوئیس لو سیج احتمالاً اولین شکل تلگراف الکتریکی جهان را با استفاده از ۲۴ سیم مختلف ، یک عدد برای هر حرف الفبا ، توسعه داد و در برلین ارائه داد. این تلگراف دو اتاق را به هم وصل می کرد. این تلگراف الکترواستاتیک بود که ورق طلا را از طریق هدایت الکتریکی حرکت می داد.
در سال ۱۷۹۵ ، فرانسیسکو سالوا کمپیلو یک سیستم تلگراف الکترواستاتیک پیشنهاد کرد. بین سالهای ۱۸۰۳ و ۱۸۰۴ ، او روی تلگراف الکتریکی کار کرد و در ۱۸۰۴ ، گزارش خود را در آکادمی سلطنتی علوم طبیعی و هنر بارسلونا ارائه کرد. سیستم تلگرافی الکترولیت Salva بسیار نوآورانه بود ، هرچند که تحت تأثیر دو کشف جدید در اروپا در ۱۸۰۰ قرار گرفت – برتری الکتریکی الساندرو ولتا برای تولید جریان الکتریکی و الکترولیز آب توسط ویلیام نیکلسون و آنتونی کارلایل. تلگراف الکتریکی را می توان اولین نمونه مهندسی برق دانست. مهندسی برق در اواخر قرن ۱۹ به یک حرفه تبدیل شد. پزشکان یک شبکه جهانی تلگراف الکتریکی ایجاد کرده بودند و اولین موسسات مهندسی برق حرفه ای در انگلستان و ایالات متحده برای حمایت از رشته جدید تأسیس شدند.
فرانسیس رونالد در سال ۱۸۱۶ یک سیستم تلگراف الکتریکی ایجاد کرد و دیدگاه خود را در مورد چگونگی تغییر جهان توسط برق مستند کرد. بیش از ۵۰ سال بعد ، او به انجمن جدید مهندسین تلگراف (که به زودی به موسسه مهندسان برق تغییر نام می یابد) پیوست ، جایی که توسط سایر اعضا به عنوان اولین گروه آنها مورد توجه قرار گرفت. در اواخر قرن نوزدهم ، جهان به دلیل ارتباط سریع با توسعه مهندسی خطوط زمینی ، کابل های زیردریایی و ، از حدود ۱۸۹۰ ، تلگراف بی سیم ، برای همیشه تغییر کرد.
کاربردهای عملی و پیشرفت در چنین زمینه هایی نیاز فزاینده ای به واحدهای اندازه گیری استاندارد ایجاد کرد. آنها منجر به استانداردسازی بین المللی واحدهای ولت ، آمپر ، کولن ، اهم ، فاراد و هنری شدند. این امر در یک کنفرانس بین المللی در شیکاگو در سال ۱۸۹۳ محقق شد. انتشار این استانداردها اساس پیشرفت های آینده در استانداردسازی در صنایع مختلف را تشکیل داد و در بسیاری از کشورها ، تعاریف بلافاصله در قوانین مربوطه به رسمیت شناخته شد.
در طول این سالها ، مطالعه الکتریسیته تا حد زیادی به عنوان زیر شاخه ای از فیزیک در نظر گرفته می شد ، زیرا فناوری الکتریکی اولیه ماهیتی الکترومکانیکی داشت. Technische Universität Darmstadt اولین بخش مهندسی برق جهان را در سال ۱۸۸۲ تأسیس کرد و اولین دوره مهندسی برق را در سال ۱۸۸۳ معرفی کرد.
اولین برنامه درجه مهندسی برق در ایالات متحده در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) در بخش فیزیک زیر نظر پروفسور چارلز کراس آغاز شد، هرچند دانشگاه کرنل اولین فارغ التحصیلان مهندسی برق جهان را در سال ۱۸۸۵ تولید کرد.اولین دوره مهندسی برق در سال ۱۸۸۳ در کالج مهندسی مکانیک و هنرهای مکانیک سیبلی کرنل تدریس شد.
در حدود سال ۱۸۸۵ بود که اندرو دیکسون وایت رئیس کرنل اولین دپارتمان مهندسی برق را در ایالات متحده تاسیس کرد.در همان سال ، کالج دانشگاه لندن اولین صندلی مهندسی برق را در بریتانیا تأسیس کرد. پروفسور مندل پی واینباخ در دانشگاه میسوری به زودی با تأسیس دپارتمان مهندسی برق در سال ۱۸۸۶ از او پیروی کرد. پس از آن ، دانشگاه ها و موسسات فناوری به تدریج شروع به ارائه برنامه های مهندسی برق به دانشجویان خود در سراسر جهان کردند.
در طول این چند دهه استفاده از مهندسی برق بطور چشمگیری افزایش یافته است. در سال ۱۸۸۲ ، توماس ادیسون اولین شبکه برق مقیاس بزرگ جهان را که ۱۱۰ ولت جریان مستقیم (DC) را برای ۵۹ مشتری در جزیره منهتن در شهر نیویورک فراهم می کرد ، روشن کرد. در سال ۱۸۸۴ ، سر چارلز پارسونز توربین بخار را اختراع کرد که امکان تولید برق کارآمدتر را فراهم می آورد.
جریان متناوب ، با توانایی انتقال قدرت بیشتر در فواصل طولانی با استفاده از ترانسفورماتور ، به سرعت در دهه های ۱۸۸۰ و ۱۸۹۰ با طراحی ترانسفورماتور توسط کارولی زیپرنووسکی ، اوتو بلاتی و میکسا دری (بعدها ترانسفورماتور ZBD نامیده شد) ، لوسین گولارد ، جان به سرعت توسعه یافت. دیکسون گیبس و ویلیام استنلی ، جونیور. طرح های کاربردی موتورهای AC شامل موتورهای القایی به طور مستقل توسط Galileo Ferraris و Nikola Tesla اختراع شد و سپس توسط میخائیل دولویو-دوبروولسکی و چارلز یوجین لانسلوت براون به صورت عملی سه فاز توسعه یافت.
چارلز اشتاین متز و الیور هویساید به مبنای نظری مهندسی جریان متناوب کمک کردند. گسترش استفاده از AC در ایالات متحده آنچه را که جنگ جریانات بین سیستم AC تحت حمایت جورج وستینگهاوس و سیستم DC DC با پشتیبانی توماس ادیسون نامیده می شود ، ایجاد کرد ، با AC به عنوان استاندارد کلی.
اوایل قرن بیستم
در طول توسعه رادیو ، بسیاری از دانشمندان و مخترعان به فناوری رادیو و الکترونیک کمک کردند. کار ریاضی جیمز کلرک ماکسول در دهه ۱۸۵۰ رابطه اشکال مختلف تابش الکترومغناطیسی از جمله احتمال امواج نامرئی در هوا (بعدها “امواج رادیویی”) را نشان داد. در آزمایشات کلاسیک فیزیک خود در سال ۱۸۸۸ ، هاینریش هرتز نظریه ماکسول را با انتقال امواج رادیویی با فرستنده شکاف جرقه ثابت کرد و آنها را با استفاده از دستگاههای الکتریکی ساده تشخیص داد. فیزیکدانان دیگر این امواج جدید را آزمایش کردند و در این فرایند دستگاه هایی برای انتقال و تشخیص آنها ایجاد کردند.
در سال ۱۸۹۵ ، گولیلیمو مارکونی کار خود را برای تطبیق روشهای شناخته شده انتقال و تشخیص این “امواج هرتزی” در یک سیستم تلگراف بی سیم تجاری هدفمند آغاز کرد. در اوایل ، وی سیگنال های بی سیم را در مسافت یک و نیم مایل ارسال کرد. در دسامبر ۱۹۰۱ ، او امواج بی سیم را ارسال کرد که تحت تأثیر انحنای زمین قرار نگرفت. مارکونی بعداً سیگنال های بی سیم را از طریق اقیانوس اطلس بین پلدو ، کورنوال و سنت جان ، نیوفاندلند ، مسافت ۲۱۰۰ مایل (۳۴۰۰ کیلومتر) منتقل کرد.
ارتباط موج میلیمتری اولین بار توسط جاگادیش چاندرا بوز در سال ۱۸۹۴-۱۸۹۶ مورد بررسی قرار گرفت ، هنگامی که او در آزمایشات خود به فرکانس بسیار بالا تا ۶۰ گیگاهرتز رسید. او همچنین استفاده از اتصالات نیمه هادی برای تشخیص امواج رادیویی را معرفی کرد ، [۲۴] هنگامی که در سال ۱۹۰۱ ردیاب بلورهای رادیویی را ثبت کرد.
در سال ۱۸۹۷ ، کارل فردیناند براون لوله اشعه کاتدی را به عنوان بخشی از یک اسیلوسکوپ معرفی کرد ، یک فناوری مهم برای تلویزیون الکترونیکی.جان فلمینگ اولین لوله رادیویی ، دیود را در سال ۱۹۰۴ اختراع کرد. دو سال بعد ، روبرت فون لیبن و لی دی فارست به طور مستقل لوله تقویت کننده را به نام تریود توسعه دادند.
در سال ۱۹۲۰ ، آلبرت هال مگنترون را توسعه داد که در نهایت منجر به توسعه اجاق مایکروویو در سال ۱۹۴۶ توسط پرسی اسپنسر شد.در سال ۱۹۳۴ ، ارتش انگلیس قدم هایی را در جهت رادار (که از مگنترون نیز استفاده می کند) تحت هدایت دکتر ویمپریس آغاز کرد و در عملیات اولین ایستگاه راداری در باودسی در آگوست ۱۹۳۶ به اوج خود رسید.
در سال ۱۹۴۱ ، Konrad Zuse Z3 را ارائه کرد ، اولین کامپیوتر کاملاً کاربردی و قابل برنامه ریزی در جهان با استفاده از قطعات الکترومکانیکی. در سال ۱۹۴۳ ، تامی فلاورز Colossus ، اولین کامپیوتر کاملاً کاربردی ، الکترونیکی ، دیجیتالی و قابل برنامه ریزی جهان را طراحی و ساخت.در سال ۱۹۴۶ ، ENIAC (یکپارچه کننده عددی الکترونیکی و رایانه) جان پرسپر اکرت و جان ماچلی دنبال شد و عصر محاسبات را آغاز کرد. عملکرد حسابی این ماشین ها به مهندسان این امکان را می دهد تا فناوری های کاملاً جدیدی را توسعه داده و به اهداف جدیدی دست یابند.
در سال ۱۹۴۸ کلود شنون “نظریه ریاضی ارتباطات” را منتشر می کند که به صورت ریاضی عبور اطلاعات را با عدم قطعیت (نویز الکتریکی) توصیف می کند.
قطعات الکترونیکی حالت جامد
اولین ترانزیستور فعال یک ترانزیستور تماس نقطه ای بود که توسط جان بردین و والتر هوسر براتین هنگام کار تحت ویلیام شاکلی در آزمایشگاه های تلفن بل (BTL) در سال ۱۹۴۷ اختراع شد.سپس آنها در سال ۱۹۴۸ ترانزیستور اتصال دوقطبی را اختراع کردند.در حالی که ترانزیستورهای اتصال اولیه دستگاههای نسبتاً حجمی بودند که تولید انبوه آنها دشوار بود ،آنها راه را برای دستگاههای فشرده تری باز کردند.
فرآیند غیرفعال سازی سطح ، که سطوح سیلیکون را از طریق اکسیداسیون حرارتی تثبیت می کند ، توسط محمد M. Atalla در BTL در سال ۱۹۵۷ توسعه یافت. این منجر به توسعه تراشه مدار یکپارچه شد.اولین مدارهای مجتمع مدار مجتمع ترکیبی بود که توسط جک کیلبی در Texas Instruments در سال ۱۹۵۸ و تراشه مدار یکپارچه توسط Robert Noyce در Fairchild Semiconductor در ۱۹۵۹ اختراع شد.
MOSFET (ترانزیستور فلزی-اکسید-نیمه هادی اثر میدان ، یا ترانزیستور MOS) توسط محمد آتالا و داون کانگ در BTL در سال ۱۹۵۹ اختراع شد.این اولین ترانزیستور کاملاً فشرده بود که می تواند برای طیف وسیعی از مصارف مینیاتوری و تولید انبوه شود. این انقلاب صنعت الکترونیک را متحول کرد ،به عنوان پرکاربردترین دستگاه الکترونیکی در جهان تبدیل شد.
MOSFET عنصر اساسی در اکثر تجهیزات الکترونیکی مدرن است ، و در انقلاب الکترونیک ،انقلاب میکروالکترونیک ، و انقلاب دیجیتال ، مرکزی بوده است. بنابراین MOSFET به عنوان تولد الکترونیک مدرن ،و احتمالاً مهمترین اختراع در الکترونیک شناخته شده است.
MOSFET ساخت تراشه های مدار مجتمع با چگالی بالا را ممکن ساخت. آتالا اولین بار در سال ۱۹۶۰ مفهوم تراشه مدار مجتمع MOS (MOS IC) را پیشنهاد کرد و در سال ۱۹۶۱ کانگ اولین تراشه آزمایشی IC MOS که ساخته شد توسط فرد هایمن و استیون هوفشتاین در آزمایشگاه های RCA در سال ۱۹۶۲ ساخته شد.
فناوری MOS قانون مور را فعال کرد ، دو برابر شدن ترانزیستورها روی تراشه IC هر دو سال ، که توسط گوردون مور در سال ۱۹۶۵ پیش بینی شده بود.فناوری MOS Silicon-gate توسط Federico Faggin در Fairchild در سال ۱۹۶۸ توسعه یافت.
از آن زمان ، MOSFET بلوک اصلی ساختمان الکترونیک مدرن بوده است.تولید انبوه MOSFET های سیلیکونی و تراشه های مدار مجتمع MOS ، همراه با کوچک سازی مستمر MOSFET با سرعت نمایی (همانطور که توسط قانون مور پیش بینی شده است) ، از آن زمان منجر به تغییرات انقلابی در فناوری ، اقتصاد ، فرهنگ و تفکر شده است.
برنامه آپولو که با فرود آمدن فضانوردان بر روی ماه با آپولو ۱۱ در سال ۱۹۶۹ به پایان رسید با اتخاذ پیشرفت های ناسا در فناوری الکترونیکی نیمه هادی ، از جمله MOSFETs در پلت فرم مانیتورینگ بین سیاره ای (IMP) و تراشه های مدار سیلیکونی یکپارچه در کامپیوتر راهنمای آپولو (AGC).
توسعه فناوری مدار مجتمع MOS در دهه ۱۹۶۰ منجر به اختراع ریزپردازنده در اوایل دهه ۱۹۷۰ شد. اولین ریزپردازنده تک تراشه Intel 4004 بود که در سال ۱۹۷۱ منتشر شد. این کار با “پروژه Busicom” به عنوان طراحی CPU سه تراشه ماساتوشی شیما در سال ۱۹۶۸ آغاز شد ، قبل از اینکه تاداشی ساساکی شارپ طرح CPU تک تراشه ای را تصور کند ، که در سال ۱۹۶۸ با Busicom و Intel صحبت کرد. . سپس Intel 4004 توسط Federico Faggin در فناوری Intel با فناوری MOS سیلیکون گیت ،به همراه Marcian Hoff اینتل و Stanley Mazor و Masatoshi Shima از Busicom طراحی و اجرا شد. ریزپردازنده منجر به توسعه میکرو کامپیوترها و رایانه های شخصی و انقلاب میکرو کامپیوترها شد.
زیر زمینه ها
یکی از خواص برق این است که برای انتقال انرژی و همچنین انتقال اطلاعات بسیار مفید است. اینها همچنین اولین زمینه هایی بودند که مهندسی برق در آنها توسعه یافت. امروزه مهندسی برق دارای زیر شاخه های زیادی است که رایج ترین آنها در زیر ذکر شده است. اگرچه مهندسان برق هستند که منحصراً روی یکی از این رشته های فرعی تمرکز می کنند ، اما بسیاری با ترکیبی از آنها سروکار دارند. بعضی اوقات رشته های خاصی مانند مهندسی الکترونیک و مهندسی کامپیوتر به تنهایی رشته ای محسوب می شوند.
قدرت و انرژی
مهندسی نیرو و انرژی با تولید ، انتقال و توزیع برق و همچنین طراحی طیف وسیعی از دستگاه های مرتبط سروکار دارد. اینها شامل ترانسفورماتورها ، ژنراتورهای الکتریکی ، موتورهای الکتریکی ، مهندسی ولتاژ بالا و الکترونیک قدرت است. در بسیاری از مناطق جهان ، دولت ها یک شبکه الکتریکی به نام شبکه برق دارند که انواع ژنراتورها را با استفاده کنندگان از انرژی خود متصل می کند. کاربران انرژی الکتریکی را از شبکه خریداری می کنند و از انجام هزینه های زیاد برای تولید انرژی خود اجتناب می کنند. مهندسان نیرو ممکن است بر روی طراحی و نگهداری شبکه برق و همچنین سیستم های قدرت متصل به آن کار کنند.
چنین سیستم هایی سیستم های قدرت درون شبکه نامیده می شوند و ممکن است شبکه را با نیروی اضافی تأمین کنند ، از شبکه برق بگیرند یا هر دو را انجام دهند. مهندسان برق همچنین ممکن است بر روی سیستم هایی که به شبکه متصل نمی شوند کار کنند ، سیستم های برق خارج از شبکه نامیده می شوند ، که در برخی موارد بر سیستم های شبکه ترجیح داده می شود. آینده شامل سیستم های قدرت ماهواره ای کنترل شده با بازخورد در زمان واقعی برای جلوگیری از افزایش قدرت و جلوگیری از خاموشی است.
مخابرات
مهندسی مخابرات بر انتقال اطلاعات از طریق یک کانال ارتباطی مانند کابل کواکس ، فیبر نوری یا فضای آزاد متمرکز است.برای انتقال اطلاعات در فضای آزاد نیاز به کدگذاری اطلاعات در سیگنال حامل برای انتقال اطلاعات به فرکانس حامل مناسب برای انتقال است. این به عنوان مدولاسیون شناخته می شود. تکنیکهای مدولاسیون آنالوگ رایج شامل تعدیل دامنه و تعدیل فرکانس است. انتخاب مدولاسیون بر هزینه و عملکرد یک سیستم تأثیر می گذارد و این دو عامل باید با دقت توسط مهندس متعادل شوند.
پس از مشخص شدن ویژگی های انتقال سیستم ، مهندسان مخابرات فرستنده ها و گیرنده های مورد نیاز برای چنین سیستم هایی را طراحی می کنند. این دو گاهی اوقات با هم ترکیب می شوند و یک وسیله ارتباطی دو طرفه به نام فرستنده گیرنده را تشکیل می دهند. یکی از نکات کلیدی در طراحی فرستنده ها ، مصرف برق آنهاست زیرا این امر ارتباط نزدیکی با قدرت سیگنال آنها دارد.به طور معمول ، اگر قدرت سیگنال ارسال شده به محض رسیدن سیگنال به آنتن (های) گیرنده کافی نباشد ، اطلاعات موجود در سیگنال توسط نویز خراب می شود.
مهندسی کنترل مهندسی کنترل بر مدل سازی طیف متنوعی از سیستم های پویا و طراحی کنترل کننده هایی که باعث می شود این سیستم ها به شیوه دلخواه رفتار کنند ، تمرکز می کند.برای پیاده سازی چنین کنترل کننده هایی ، مهندسان کنترل الکترونیک ممکن است از مدارهای الکترونیکی ، پردازنده های سیگنال دیجیتال ، میکروکنترلرها و کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) استفاده کنند. مهندسی کنترل دارای طیف وسیعی از کاربردها از سیستم پرواز و پیشران هواپیماهای تجاری تا کروز کنترل موجود در بسیاری از خودروهای مدرن است. همچنین نقش مهمی در اتوماسیون صنعتی ایفا می کند.
مهندسان کنترل اغلب هنگام طراحی سیستم های کنترل از بازخورد استفاده می کنند. به عنوان مثال ، در اتومبیل با کروز کنترل سرعت خودرو به طور مداوم کنترل می شود و به سیستم بازگردانده می شود که بر این اساس قدرت موتور را تنظیم می کند. در جایی که بازخورد منظم وجود دارد ، می توان از نظریه کنترل برای تعیین نحوه واکنش سیستم به چنین بازخورد استفاده کرد.
مهندسان کنترل همچنین در زمینه رباتیک برای طراحی سیستم های خودران با استفاده از الگوریتم های کنترلی که بازخورد حسی را برای کنترل محرک هایی که روبات ها را مانند وسایل نقلیه خودران ، هواپیماهای بدون سرنشین مستقل و سایر موارد مورد استفاده در صنایع مختلف تفسیر می کنند ، تفسیر می کنند.
الکترونیک مهندسی الکترونیک شامل طراحی و آزمایش مدارهای الکترونیکی است که از ویژگیهای قطعاتی مانند مقاومت ، خازن ، سلف ، دیودها و ترانزیستورها برای دستیابی به عملکرد خاصی استفاده می کند. مدار تنظیم شده ، که به کاربر رادیو اجازه می دهد همه ایستگاه ها را به جز یک واحد فیلتر کند ، تنها یک نمونه از چنین مداری است. مثال دیگر برای تحقیق تهویه سیگنال پنوماتیک است.
قبل از جنگ جهانی دوم ، این موضوع معمولاً به عنوان مهندسی رادیو شناخته می شد و اساساً به جنبه های ارتباطات و رادار ، رادیو تجاری و تلویزیون اولیه محدود می شد. بعدها ، در سالهای پس از جنگ ، با توسعه دستگاههای مصرفی ، این حوزه شامل تلویزیون مدرن ، سیستم های صوتی ، رایانه ها و ریزپردازنده ها شد. در اواسط تا اواخر دهه ۱۹۵۰ ، اصطلاح مهندسی رادیو به تدریج جای خود را به مهندسی الکترونیک داد.
قبل از اختراع مدار مجتمع در سال ۱۹۵۹ ، [۸۱] مدارهای الکترونیکی از اجزای گسسته ساخته شده بودند که توسط انسان قابل دستکاری بودند. این مدارهای مجزا فضا و توان زیادی را مصرف می کردند و سرعت آنها محدود بود ، اگرچه هنوز در برخی از کاربردها رایج است. در مقابل ، مدارهای مجتمع تعداد زیادی – اغلب میلیونها – از اجزای کوچک الکتریکی ، عمدتا ترانزیستورها ، را در یک تراشه کوچک به اندازه یک سکه قرار دادند. این امر به رایانه های قدرتمند و سایر دستگاه های الکترونیکی که امروز می بینیم اجازه می دهد.
میکروالکترونیک و نانوالکترونیک
مهندسی میکروالکترونیک با طراحی و ساخت اجزای بسیار کوچک مدار الکترونیکی برای استفاده در یک مدار مجتمع یا گاهی اوقات برای استفاده خود به عنوان یک قطعه الکترونیکی کلی سروکار دارد. رایج ترین قطعات میکروالکترونیکی ترانزیستورهای نیمه هادی هستند ، اگرچه همه قطعات اصلی الکترونیکی (مقاومت ، خازن و غیره) را می توان در سطح میکروسکوپی ایجاد کرد.
نانوالکترونیک مقیاس بیشتر دستگاهها تا سطح نانومتر است. دستگاههای مدرن در حال حاضر در حالت نانومتری هستند و پردازش زیر ۱۰۰ نانومتر از سال ۲۰۰۲ استاندارد بوده است.
اجزای میکروالکترونیکی با ساخت ویفرهای نیمه هادی مانند سیلیکون (در فرکانس های بالاتر ، نیمه هادی های ترکیبی مانند گالیم ارسنید و فسفید ایندیوم) ایجاد می شوند تا انتقال مطلوب بار الکترونیکی و کنترل جریان را به دست آورند. حوزه میکروالکترونیک شامل مقدار قابل توجهی از شیمی و علوم مواد است و از مهندس الکترونیک شاغل در این زمینه می خواهد که دانش بسیار خوبی از اثرات مکانیک کوانتومی داشته باشد.
پردازش سیگنال
پردازش سیگنال به تجزیه و تحلیل و دستکاری سیگنال ها می پردازد.سیگنال ها می توانند آنالوگ باشند ، در این حالت سیگنال با توجه به اطلاعات به طور مداوم متغیر است یا دیجیتال ، در این حالت سیگنال با توجه به یک سری مقادیر گسسته که اطلاعات را نشان می دهد ، متفاوت است. برای سیگنال های آنالوگ ، پردازش سیگنال ممکن است شامل تقویت و فیلتر سیگنال های صوتی برای تجهیزات صوتی یا تعدیل و تغییر شکل سیگنال ها برای مخابرات باشد. برای سیگنال های دیجیتال ، پردازش سیگنال ممکن است شامل فشرده سازی ، تشخیص خطا و تصحیح خطا از سیگنال های نمونه دیجیتالی باشد.
پردازش سیگنال یک حوزه ریاضیاتی و فشرده است که هسته پردازش سیگنال دیجیتال را تشکیل می دهد و با کاربردهای جدید در هر زمینه ای از مهندسی برق مانند ارتباطات ، کنترل ، رادار ، مهندسی صدا ، مهندسی پخش ، الکترونیک قدرت ، و زیست پزشکی به سرعت در حال گسترش است. مهندسی به عنوان بسیاری از سیستم های آنالوگ موجود با همتایان دیجیتالی خود جایگزین شده است. پردازش سیگنال آنالوگ هنوز در طراحی بسیاری از سیستم های کنترل اهمیت دارد.
IC های پردازنده DSP در بسیاری از انواع دستگاه های الکترونیکی مدرن مانند تلویزیون های دیجیتال ،رادیوها ، تجهیزات صوتی Hi-Fi ، تلفن های همراه ، پخش کننده های چند رسانه ای ، دوربین های فیلمبرداری و دوربین های دیجیتال ، سیستم های کنترل خودرو ، هدفون های حذف نویز ، دیجیتال یافت می شوند. تجزیه و تحلیل طیف ، سیستم های هدایت موشک ، سیستم های راداری و سیستم های مخابراتی. در چنین محصولاتی ، DSP ممکن است مسئول کاهش نویز ، تشخیص یا ترکیب گفتار ، رمزگذاری یا رمزگشایی رسانه های دیجیتال ، انتقال یا دریافت بی سیم داده ها ، موقعیت مثلث بندی با استفاده از GPS و سایر انواع پردازش تصویر ، پردازش ویدئو ، پردازش صدا و پردازش گفتار باشد.
ابزار دقیق
مهندسی ابزار دقیق با طراحی دستگاه هایی برای اندازه گیری مقادیر فیزیکی مانند فشار ، جریان و دما سروکار دارد. طراحی چنین ابزارهایی مستلزم درک خوبی از فیزیک است که اغلب فراتر از نظریه الکترومغناطیس است. به عنوان مثال ، ابزارهای پرواز متغیرهایی مانند سرعت و ارتفاع باد را اندازه گیری می کنند تا خلبانان بتوانند هواپیما را به صورت تحلیلی کنترل کنند. به طور مشابه ، ترموکوپل ها از اثر پلتیه-سیبک برای اندازه گیری اختلاف دما بین دو نقطه استفاده می کنند.
اغلب ابزار دقیق به تنهایی مورد استفاده قرار نمی گیرد ، بلکه به عنوان سنسور سیستم های الکتریکی بزرگتر استفاده می شود. به عنوان مثال ، ممکن است از ترموکوپل برای اطمینان از ثابت ماندن دمای کوره استفاده شود.به همین دلیل ، مهندسی ابزار دقیق اغلب به عنوان همتای کنترل در نظر گرفته می شود.
کامپیوترها
مهندسی کامپیوتر با طراحی کامپیوترها و سیستم های کامپیوتری سروکار دارد. این ممکن است شامل طراحی سخت افزار جدید ، طراحی PDA ، تبلت و ابر رایانه یا استفاده از رایانه برای کنترل یک کارخانه صنعتی باشد.مهندسان کامپیوتر همچنین ممکن است بر روی نرم افزار سیستم کار کنند. با این حال ، طراحی سیستم های نرم افزاری پیچیده اغلب حوزه مهندسی نرم افزار است که معمولاً یک رشته جداگانه تلقی می شود.رایانه های رومیزی بخش کوچکی از دستگاه هایی هستند که یک مهندس کامپیوتر می تواند روی آنها کار کند ، زیرا معماری شبیه به رایانه در طیف وسیعی از دستگاه ها از جمله کنسول های بازی های ویدئویی و پخش کننده های دی وی دی یافت می شود. مهندسان کامپیوتر در بسیاری از جنبه های سخت افزاری و نرم افزاری محاسبات نقش دارند.
اپتیک و فوتونیک
اپتیک و فوتونیک با تولید ، انتقال ، تقویت ، تعدیل ، تشخیص و تحلیل تشعشعات الکترومغناطیسی سروکار دارد. کاربرد اپتیک با طراحی ابزارهای نوری مانند لنزها ، میکروسکوپ ها ، تلسکوپ ها و سایر تجهیزات که از ویژگی های تابش الکترومغناطیسی استفاده می کند ، سر و کار دارد. سایر کاربردهای برجسته اپتیک شامل سنسورها و سیستم های اندازه گیری الکترواپتیکی ، لیزرها ، سیستم های ارتباطی فیبر نوری و سیستم های دیسک نوری (به عنوان مثال CD و DVD) است. فوتونیک به شدت بر فناوری نوری تکیه می کند و با پیشرفت های مدرن مانند نوری الکترونیک (که بیشتر شامل نیمه هادی ها می شود) ، سیستم های لیزری ، تقویت کننده های نوری و مواد جدید (به عنوان مثال ، مواد فوق) تکمیل می شود.
رشته های مرتبط
مکاترونیک یک رشته مهندسی است که به همگرایی سیستم های الکتریکی و مکانیکی می پردازد. چنین سیستمهای ترکیبی به عنوان سیستمهای الکترومکانیکی شناخته می شوند و پذیرش گسترده ای دارند. به عنوان مثال می توان به سیستم های تولید خودکار ، سیستم های گرمایش ، تهویه و تهویه مطبوع و زیر سیستم های مختلف هواپیما و خودرو اشاره کرد.طراحی سیستم های الکترونیکی موضوعی در مهندسی برق است که به مسائل طراحی چند رشته ای سیستم های پیچیده الکتریکی و مکانیکی می پردازد.
اصطلاح مکاترونیک معمولاً برای اشاره به سیستم های ماکروسکوپی استفاده می شود ، اما آینده پژوهان ظهور دستگاههای الکترومکانیکی بسیار کوچک را پیش بینی کرده اند. در حال حاضر ، چنین دستگاههای کوچکی که به عنوان سیستمهای میکروالکترومکانیکی (MEMS) شناخته می شوند ، در خودروها برای اطلاع از زمان نصب کیسه های هوا ،در پروژکتورهای دیجیتال برای ایجاد تصاویر واضح تر ، و در چاپگرهای جوهر افشان برای ایجاد نازل برای چاپ با کیفیت بالا استفاده می شوند. در آینده امید می رود که این دستگاه ها به ساخت وسایل پزشکی کوچک قابل کاشت و بهبود ارتباطات نوری کمک کنند.
مهندسی پزشکی یکی دیگر از رشته های مرتبط است که به طراحی تجهیزات پزشکی مربوط می شود. این شامل تجهیزات ثابت مانند ونتیلاتورها ، اسکنرهای MRI ، [۱۰۲] و دستگاه های الکتروکاردیوگراف و تجهیزات متحرک مانند کاشت حلزون ، ضربان ساز مصنوعی و قلب مصنوعی است.
مهندسی هوافضا و روباتیک به عنوان نمونه ، جدیدترین پیشرانه الکتریکی و پیشرانه یونی است.
تحصیلات
مهندسان برق معمولاً دارای مدرک دانشگاهی با گرایش مهندسی برق ، مهندسی الکترونیک ، فناوری مهندسی برق ، یا مهندسی برق و الکترونیک هستند. اصول اساسی یکسانی در همه برنامه ها آموزش داده می شود ، اگرچه تأکید بر اساس عنوان ممکن است متفاوت باشد. طول تحصیل برای چنین درجه ای معمولاً چهار یا پنج سال است و مدرک تکمیل شده ممکن است به عنوان کارشناسی علوم در مهندسی برق/الکترونیک مهندسی ، کارشناسی مهندسی ، کارشناسی علوم ، کارشناسی فناوری یا کارشناسی علوم کاربردی تعیین شود. ، بسته به دانشگاه مدرک کارشناسی به طور کلی شامل واحدهای فیزیک ، ریاضی ، علوم کامپیوتر ، مدیریت پروژه و موضوعات مختلف در مهندسی برق است. در ابتدا چنین موضوعاتی بیشتر یا نه همه زیر شاخه های مهندسی برق را پوشش می دهد. در برخی مدارس ، دانش آموزان می توانند در پایان دوره های تحصیلی خود بر یک یا چند رشته فرعی تأکید کنند.
در بسیاری از مدارس ، مهندسی الکترونیک بعنوان بخشی از جایزه برق ، گاهی به صراحت ، مانند لیسانس مهندسی (برق و الکترونیک) گنجانده شده است ، اما در برخی دیگر ، مهندسی برق و الکترونیک هر دو به اندازه کافی گسترده و پیچیده در نظر گرفته می شوند که مدارک را جدا می کند. ارائه می شوند.
برخی از مهندسان برق برای تحصیل در مقطع کارشناسی ارشد مانند کارشناسی ارشد مهندسی/کارشناسی ارشد علوم (MEng/MSc) ، کارشناسی ارشد مدیریت مهندسی ، دکترای فلسفه (دکتری) در مهندسی ، دکتری مهندسی (Eng.D.) ) ، یا مدرک مهندسی. مقاطع کارشناسی ارشد و مهندس ممکن است شامل تحقیق ، دوره یا ترکیبی از این دو باشد. مدارک دکتری فلسفه و مهندسی شامل یک جزء مهم تحقیقاتی است و اغلب به عنوان نقطه ورود به دانشگاه تلقی می شود. در انگلستان و برخی دیگر از کشورهای اروپایی ، کارشناسی ارشد مهندسی اغلب مدرک کارشناسی با مدتی طولانی تر از لیسانس مهندسی و نه یک مدرک کارشناسی ارشد مستقل تلقی می شود.
تمرین حرفه ای
در اکثر کشورها ، مدرک لیسانس مهندسی اولین گام در جهت صدور گواهینامه حرفه ای است و خود برنامه مدرک توسط یک نهاد حرفه ای تأیید می شود.پس از اتمام یک برنامه مدرک معتبر ، مهندس قبل از دریافت گواهینامه باید طیف وسیعی از الزامات (از جمله الزامات تجربه کار) را برآورده کند. پس از تأیید ، مهندس عنوان مهندس حرفه ای (در ایالات متحده ، کانادا و آفریقای جنوبی) ، مهندس متخصص یا مهندس گنجانده شده (در هند ، پاکستان ، انگلستان ، ایرلند و زیمبابوه) ، مهندس حرفه ای (در استرالیا و نیوزلند) یا مهندس اروپایی (در بیشتر اتحادیه اروپا).
در اکثر کشورها ، مدرک لیسانس مهندسی اولین گام در جهت صدور گواهینامه حرفه ای است و خود برنامه مدرک توسط یک نهاد حرفه ای تأیید می شود.پس از اتمام یک برنامه مدرک معتبر ، مهندس قبل از دریافت گواهینامه باید طیف وسیعی از الزامات (از جمله الزامات تجربه کار) را برآورده کند. پس از تأیید ، مهندس عنوان مهندس حرفه ای (در ایالات متحده ، کانادا و آفریقای جنوبی) ، مهندس متخصص یا مهندس گنجانده شده (در هند ، پاکستان ، انگلستان ، ایرلند و زیمبابوه) ، مهندس حرفه ای (در استرالیا و نیوزلند) یا مهندس اروپایی (در بیشتر اتحادیه اروپا).
مزایای مجوز بسته به مکان متفاوت است. به عنوان مثال ، در ایالات متحده و کانادا “فقط یک مهندس مجاز می تواند کارهای مهندسی را برای مشتریان دولتی و خصوصی مهر و موم کند”.این الزام توسط قوانین ایالتی و استانی مانند قانون مهندسان کبک اعمال می شود. در کشورهای دیگر ، چنین قانونی وجود ندارد. تقریباً همه نهادهای تأیید کننده دارای یک کد اخلاقی هستند که انتظار دارند همه اعضا به آن پایبند باشند یا خطر اخراج را داشته باشند. به این ترتیب این سازمانها نقش مهمی در حفظ استانداردهای اخلاقی برای این حرفه ایفا می کنند. حتی در حوزه های قضایی که صدور گواهینامه از نظر حقوقی کار چندانی ندارد یا هیچ ارتباطی ندارد ، مهندسان تابع قوانین قراردادها هستند. در مواردی که کار مهندس با شکست روبرو می شود ممکن است در معرض جرم غفلت و در موارد شدید اتهام سهل انگاری مجرمانه قرار گیرد. کار مهندس همچنین باید با قوانین و مقررات متعدد دیگری مانند قوانین ساختمان و قوانین مربوط به قوانین محیط زیست مطابقت داشته باشد.
مجموعه های حرفه ای قابل توجه برای مهندسان برق شامل موسسه مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) و موسسه مهندسی و فناوری (IET) است. IEEE ادعا می کند که ۳۰ درصد از ادبیات جهان در زمینه مهندسی برق را تولید می کند ، بیش از ۳۶۰،۰۰۰ عضو در سراسر جهان دارد و سالانه بیش از ۳۰۰۰ کنفرانس برگزار می کند. IET 21 مجله منتشر می کند ، بیش از ۱۵۰،۰۰۰ عضو در سراسر جهان دارد و ادعا می کند که بزرگترین انجمن مهندسی حرفه ای در اروپا است.منسوخ شدن مهارت های فنی نگرانی جدی مهندسان برق است. بنابراین عضویت و مشارکت در انجمن های فنی ، بررسی منظم نشریات دوره ای در این زمینه و عادت به یادگیری مداوم برای حفظ مهارت ضروری است. MIET (عضو موسسه مهندسی و فناوری) در اروپا به عنوان مهندس برق و کامپیوتر (فناوری) شناخته شده است.
در استرالیا ، کانادا و ایالات متحده مهندسان برق حدود ۰٫۲۵٪ از نیروی کار را تشکیل می دهند.
ابزار و کار
از سیستم موقعیت یابی جهانی گرفته تا تولید برق ، مهندسان برق به توسعه طیف وسیعی از فناوری ها کمک کرده اند. آنها طراحی ، توسعه ، آزمایش و نظارت بر استقرار سیستم های الکتریکی و دستگاه های الکترونیکی را انجام می دهند.
به عنوان مثال ، آنها ممکن است روی طراحی سیستم های مخابراتی ، عملکرد نیروگاه های برق ، روشنایی و سیم کشی ساختمانها ، طراحی لوازم خانگی یا کنترل الکتریکی ماشین آلات صنعتی کار کنند.
علوم فیزیک و ریاضیات اساسی این رشته هستند زیرا اینها به توصیف کمی و کیفی نحوه عملکرد چنین سیستم هایی کمک می کند. امروزه بیشتر کارهای مهندسی شامل استفاده از رایانه است و استفاده از برنامه های طراحی به کمک رایانه هنگام طراحی سیستم های الکتریکی متداول است. با این وجود ، توانایی ترسیم ایده ها برای برقراری ارتباط سریع با دیگران هنوز ارزشمند است.
اگرچه اکثر مهندسان برق نظریه اصلی مدار را درک می کنند (یعنی فعل و انفعال عناصری مانند مقاومت ، خازن ، دیود ، ترانزیستور و سلف در یک مدار) ، نظریه های مورد استفاده مهندسان بطور کلی بستگی به کار آنها دارد. به عنوان مثال ، مکانیک کوانتومی و فیزیک حالت جامد ممکن است مربوط به مهندسی باشد که روی VLSI کار می کند (طراحی مدارهای مجتمع) ، اما تا حد زیادی برای مهندسانی که با سیستم های الکتریکی ماکروسکوپی کار می کنند بی اهمیت است.
حتی نظریه مدار ممکن است مربوط به فردی نباشد که سیستم های مخابراتی را طراحی می کند که از اجزای خارج از قفسه استفاده می کند. شاید مهمترین مهارتهای فنی مهندسان برق در برنامه های دانشگاه منعکس شود که بر مهارتهای عددی قوی ، سواد رایانه ای و توانایی درک زبان فنی و مفاهیم مرتبط با مهندسی برق تأکید می کند.
طیف وسیعی از ابزار دقیق توسط مهندسان برق استفاده می شود. برای مدارهای کنترل ساده و آلارم ها ، اندازه گیری ولتاژ ، جریان و مقاومت چند مولتی متری اولیه کافی است.
در جایی که سیگنال های متغیر در زمان نیاز به مطالعه دارند ، اسیلوسکوپ نیز یک ابزار همه جا است. در مهندسی RF و مخابرات با فرکانس بالا ، از تجزیه و تحلیل طیف و تجزیه و تحلیل شبکه استفاده می شود. در برخی از رشته ها ، ایمنی می تواند نگرانی خاصی در مورد ابزار دقیق باشد. به عنوان مثال ، طراحان وسایل الکترونیکی پزشکی باید در نظر بگیرند.
که ولتاژهای بسیار پایین تر از حالت عادی هنگامی که الکترودها مستقیماً با مایعات داخلی بدن در تماس هستند ، خطرناک استمهندسی انتقال نیرو نیز به دلیل ولتاژهای بالای مورد استفاده نگرانی های ایمنی زیادی دارد. اگرچه ولت مترها در اصل ممکن است مشابه معادل ولتاژ پایین آنها باشند ، اما مسائل ایمنی و کالیبراسیون آنها را بسیار متفاوت می کند.بسیاری از رشته های مهندسی برق از آزمون های مخصوص رشته خود استفاده می کنند. مهندسان الکترونیک صوتی از مجموعه های تست صوتی متشکل از یک ژنراتور سیگنال و یک متر استفاده می کنند.
عمدتا برای اندازه گیری سطح بلکه پارامترهای دیگر مانند اعوجاج هارمونیک و سر و صدا. به همین ترتیب ، فناوری اطلاعات مجموعه های آزمایشی خاص خود را دارد که اغلب مختص یک قالب داده خاص است و در مورد پخش تلویزیونی نیز همین امر صادق است.
برای بسیاری از مهندسین ، کار فنی تنها بخش کوچکی از کارهایی است که انجام می دهند. همچنین ممکن است زمان زیادی صرف انجام وظایفی مانند بحث در مورد پیشنهادات با مشتریان ، تهیه بودجه و تعیین برنامه پروژه ها شود.بسیاری از مهندسان ارشد تیمی از تکنسین ها یا مهندسان دیگر را مدیریت می کنند و به همین دلیل مهارت های مدیریت پروژه مهم است. اکثر پروژه های مهندسی شامل نوعی از مستندات هستند و بنابراین مهارتهای ارتباطی مکتوب قوی بسیار مهم هستند.
محل کار مهندسان به اندازه انواع کار آنها متفاوت است. مهندسان برق ممکن است در محیط آزمایشگاهی بکر یک کارخانه تولید ، در کشتی نیروی دریایی ، دفاتر یک شرکت مشاوره یا در محل معدن یافت شوند. در طول عمر کاری خود ، مهندسان برق ممکن است خود را در حال نظارت بر طیف وسیعی از افراد از جمله دانشمندان ، برقکاران ، برنامه نویسان کامپیوتر و سایر مهندسان ببینند.
مهندسی برق رابطه ای نزدیک با علوم فیزیکی دارد. به عنوان مثال ، فیزیکدان لرد کلوین نقش مهمی در مهندسی اولین کابل تلگراف اقیانوس اطلس ایفا کرد.
برعکس ، مهندس الیور هویساید کار عمده ای در زمینه ریاضیات انتقال روی کابل های تلگراف انجام داد. مهندسان برق اغلب در پروژه های مهم علمی مورد نیاز هستند. به عنوان مثال ، شتاب دهنده های ذرات بزرگ مانند CERN به مهندسان برق نیاز دارند تا با بسیاری از جنبه های پروژه از جمله توزیع توان ، ابزار دقیق و ساخت و نصب آهنرباهای ابررسانا برخورد کنند.