مهندسی الکترونیک چیست؟

مهندسی الکترونیک چیست؟

مهندسی الکترونیک شاخه ای از مهندسی است که از فیزیک، ریاضیات و علم مواد برای طراحی، ساخت، آزمون و بهره برداری از سامانه هایی استفاده می کند که با سیگنال، انرژی الکتریکی، بار الکتریکی و اطلاعات سروکار دارند.
تفاوت مهم مهندسی الکترونیک با صرفا «کار با مدار» در این است که مهندس الکترونیک یک مسئله را از سطح پدیده فیزیکی تا سطح سامانه دنبال می کند:
ماده → افزاره → مدار → زیرسامانه → سامانه → کاربرد
در این مسیر، مسئله فقط ایجاد یک مدار قابل کار نیست؛ بلکه باید عملکرد، دقت، سرعت، مصرف انرژی، پایداری، قابلیت ساخت، هزینه، قابلیت اطمینان، تداخل الکترومغناطیسی و شرایط محیطی نیز هم زمان در نظر گرفته شوند. بنابراین مهندسی الکترونیک را می توان مهندسی کنترل و به کارگیری رفتار الکتریکی و الکترومغناطیسی برای ایجاد عملکرد مشخص در یک سامانه واقعی دانست.


✓ تاریخچه
ریشه های علمی مهندسی الکترونیک به پژوهش های مربوط به الکتریسیته و مغناطیس در سده های هفدهم تا نوزدهم بازمی گردد. شکل گیری نظریه میدان الکترومغناطیسی، درک عمیق تری از رابطه میان بار، جریان، میدان و موج ایجاد کرد. نقطه عطف مهم بعدی، ظهور پدیده های الکترونی و افزاره های خلا بود. امکان کنترل جریان الکترون در محیط خلا زمینه ساخت یکسوسازها، تقویت کننده ها و نوسان سازهای اولیه را فراهم کرد. پس از آن، ترانزیستور مسیر مهندسی الکترونیک را تغییر داد. جایگزینی تدریجی افزاره های خلا با افزاره های حالت جامد باعث کاهش اندازه، افزایش قابلیت اطمینان و امکان ساخت مدارهای پیچیده تر شد. مرحله بعدی، مدار مجتمع بود؛ یعنی قرارگرفتن تعداد زیادی افزاره و اتصال در یک قطعه نیمه رسانا.
از اینجا روندی شکل گرفت که به صورت فشرده چنین است:
افزاره مجزا → مدار مجتمع → مدارهای بسیار متراکم → سامانه های روی تراشه → سامانه های الکترونیکی بسیار یکپارچه
در دهه های اخیر نیز مرز مهندسی الکترونیک به سمت فناوری های نانومقیاس، حسگرهای هوشمند، مدارهای کم مصرف، پردازش درون حافظه، افزاره های انعطاف پذیر، الکترونیک زیستی و معماری های محاسباتی جدید گسترش یافته است. بنابراین تاریخ مهندسی الکترونیک را نمی توان صرفا تاریخ اختراع چند قطعه دانست؛ این تاریخ، تاریخ افزایش توانایی انسان در کنترل ماده، بار، انرژی و اطلاعات در مقیاس های کوچک تر و با پیچیدگی بیشتر است.

✓ شاخه های اصلی مهندسی الکترونیک
• الکترونیک آنالوگ
با سامانه هایی سروکار دارد که کمیت های پیوسته را پردازش می کنند. تقویت کننده ها، مدارهای پالایش، منابع مرجع، مدارهای اندازه گیری و بخش های ورودی و خروجی بسیاری از سامانه ها در این حوزه قرار می گیرند. چالش اصلی در الکترونیک آنالوگ فقط طراحی مدار نیست؛ بلکه کنترل اثرهای ناخواسته مانند نویز، تغییرات دما، پراکندگی مشخصات افزاره ها، غیرخطی بودن و محدودیت پهنای باند است.

• الکترونیک دیجیتال
در این شاخه، اطلاعات به شکل حالت های گسسته پردازش می شود. مدارهای منطقی، حافظه ها، واحدهای پردازشی و بسیاری از سامانه های محاسباتی در این حوزه قرار دارند. در طراحی پیشرفته، مسئله اصلی فقط تعداد عناصر منطقی نیست؛ زمان بندی، مصرف توان، تاخیر انتشار، چگالی، گرما و قابلیت اطمینان نیز تعیین کننده اند.

• طراحی مدارهای مجتمع
در این شاخه، مدار به جای قطعات مجزا در داخل یک تراشه ساخته می شود. در مقیاس بسیار کوچک، ویژگی هایی مانند اثرهای کوانتومی، پراکندگی فرایند ساخت، نشتی، تغییرات دما و محدودیت های ساخت به بخشی از مسئله طراحی تبدیل می شوند. در نتیجه طراحی تراشه یک مسئله چندلایه است که از فیزیک افزاره آغاز می شود و تا معماری و نرم افزار ادامه پیدا می کند.

• الکترونیک قدرت
تمرکز این شاخه بر تبدیل و کنترل انرژی الکتریکی است. یک سامانه قدرت الکترونیکی باید هم زمان با جریان و ولتاژ قابل توجه، تلفات، گرما، کلیدزنی، نویز و قابلیت اطمینان را مدیریت کند. مبدل های انرژی، سامانه های تغذیه، کنترل موتور و بسیاری از سامانه های انرژی نوین در این حوزه قرار می گیرند.

• سیستم های نهفته
در این حوزه، مدار الکترونیکی، پردازنده، نرم افزار و سامانه فیزیکی در یک محصول واحد ادغام می شوند. یک کنترل کننده صنعتی، سامانه اندازه گیری یا تجهیز هوشمند نمونه ای از چنین ساختاری است. ویژگی مهم این حوزه، وابستگی متقابل سخت افزار و نرم افزار است؛ زیرا زمان بندی، منابع پردازشی، حافظه، ورودی خروجی و رفتار فیزیکی سامانه باید با یکدیگر هماهنگ باشند.

• ابزار دقیق و اندازه گیری
این شاخه وظیفه تبدیل پدیده های فیزیکی به اطلاعات قابل اندازه گیری را دنبال می کند. در اینجا حسگر، مدار اندازه گیری، تقویت، پالایش، تبدیل و پردازش در کنار یکدیگر قرار می گیرند. مسائل اصلی شامل دقت، تفکیک پذیری، نویز، خطای اندازه گیری، پایداری و کالیبراسیون است.

• مخابرات و الکترونیک فرکانس بالا
در فرکانس های بالا، سیم و مسیر مدار دیگر الزاما اتصال ایده آل نیستند. اثر خطوط انتقال، بازتاب، تلفات، میدان های الکترومغناطیسی، تطبیق و انتشار موج وارد طراحی می شود. در نتیجه ساختار فیزیکی مدار مستقیما بر عملکرد آن اثر می گذارد.

• قابلیت اطمینان و سازگاری الکترومغناطیسی
سامانه الکترونیکی باید در محیط واقعی نیز عملکرد موردنظر را حفظ کند. تغییر دما، رطوبت، ارتعاش، تخلیه الکتریکی، نویز، تداخل و پیری مواد می توانند عملکرد مدار را تغییر دهند. بنابراین طراحی حرفه ای فقط رسیدن به عملکرد مطلوب در شرایط آزمایشگاهی نیست؛ بلکه حفظ عملکرد در محدوده مشخصی از شرایط واقعی است.


✓ تفاوت مهندسی الکترونیک و مهندسی برق
«مهندسی برق» عنوانی گسترده تر است و حوزه هایی مانند قدرت، کنترل، مخابرات، الکترونیک و مهندسی کامپیوتر در برخی نظام های آموزشی را در بر می گیرد. الکترونیک بیشتر بر رفتار و کنترل سیگنال، انرژی و حامل های بار در افزاره ها و مدارها تمرکز دارد.
در مقابل، مهندسی قدرت در مقیاس بزرگ تر به تولید، انتقال، توزیع و تبدیل انرژی الکتریکی می پردازد. البته این مرز مطلق نیست.
برای مثال یک سامانه کنترل موتور ممکن است هم زمان به:
الکترونیک قدرت + کنترل + پردازنده + اندازه گیری + الکترونیک دیجیتال
نیاز داشته باشد. به همین دلیل، مهندسی الکترونیک را بهتر است یک حوزه مستقل اما به شدت میان رشته ای و هم پوشان با سایر شاخه های مهندسی برق دانست.

✓ تفاوت «الکترونیک» و «مهندسی الکترونیک»
الکترونیک، مجموعه ای از پدیده ها، فناوری ها و دانش مربوط به مدارها و افزاره های الکتریکی و الکترونیکی است. اما مهندسی الکترونیک، استفاده نظام مند از این دانش برای حل مسئله واقعی با محدودیت های فیزیکی و اقتصادی و تولیدی است.
یک مدار ممکن است در آزمایشگاه کار کند؛ اما یک طراحی مهندسی زمانی کامل تر است که:
• قابل ساخت باشد؛
• در محدوده دمایی موردنظر پایدار بماند؛
• نویز قابل قبولی داشته باشد؛
• مصرف توان مناسبی داشته باشد؛
• در برابر تغییرات ساخت تحمل داشته باشد؛
• قابل آزمون باشد؛
• و در طول عمر مشخص، عملکرد موردنظر را حفظ کند.
این تفاوت، مرز مهم میان شناخت مدار و مهندسی محصول الکترونیکی است.


✓ گستره کاربرد در جهان
مهندسی الکترونیک تقریبا در تمام زیرساخت های فناوری مدرن حضور دارد.
پزشکی: تجهیزات تصویربرداری، پایش، اندازه گیری و سامانه های درمانی
صنعت: کنترل ماشین آلات، اندازه گیری، خودکارسازی و پایش فرایند
خودرو: کنترل موتور، سامانه های ایمنی، مدیریت انرژی و ارتباطات داخلی
هوافضا: سامانه های کنترل، اندازه گیری، ارتباط و پردازش
انرژی: مبدل ها، مدیریت توان، ذخیره سازی و کنترل شبکه
مخابرات: تجهیزات فرستنده، گیرنده و پردازش سیگنال
رایانش: پردازنده، حافظه، شتاب دهنده و مدارهای ارتباطی
رباتیک: حسگر، کنترل حرکت، پردازش و راه اندازی عملگرها
کشاورزی: اندازه گیری محیط، کنترل آبیاری، پایش و خودکارسازی
لوازم مصرفی: تجهیزات هوشمند، صوتی، تصویری و ارتباطی
زیرساخت: سامانه های اندازه گیری، کنترل و پایش تاسیسات
در بسیاری از این کاربردها، الکترونیک دیگر یک بخش جانبی نیست؛ بلکه لایه ای اساسی میان محیط فیزیکی، انرژی، اطلاعات و تصمیم گیری است.


✓ تحول مقیاس؛ از قطعه تا سامانه
یکی از ویژگی های مهم تاریخ مهندسی الکترونیک، حرکت مداوم به سمت یکپارچه سازی بوده است. در گذشته، یک عملکرد پیچیده ممکن بود از تعداد زیادی قطعه مجزا تشکیل شود. امروز همان عملکرد می تواند در یک تراشه بسیار کوچک پیاده سازی شود. این کاهش اندازه فقط نتیجه کوچک شدن قطعات نیست.
هم زمان باید:
فیزیک ماده → ساخت افزاره → طراحی مدار → معماری → ساخت → آزمون → نرم افزار
با یکدیگر هماهنگ شوند. هرچه مقیاس کوچک تر و پیچیدگی بیشتر می شود، مرز میان حوزه های مختلف نیز کم رنگ تر می شود.


✓ مسئله اصلی مهندسی الکترونیک امروز
چالش اصلی دیگر فقط «ساخت مدار کوچک تر» نیست.
اکنون پرسش هایی مانند این اهمیت دارند:
چگونه مصرف انرژی را کاهش دهیم بدون آنکه عملکرد کاهش یابد؟
چگونه اثر تغییرات ساخت را کنترل کنیم؟
چگونه مدار در برابر نویز و خطا مقاوم باشد؟
چگونه گرمای تولیدشده را دفع کنیم؟
چگونه میلیاردها افزاره را با قابلیت اطمینان مناسب به یک سامانه تبدیل کنیم؟
و مهم تر اینکه چگونه میان فیزیک، مدار، معماری، نرم افزار و کاربرد نهایی یک طراحی منسجم ایجاد کنیم؟
این پرسش ها باعث شده اند مهندسی الکترونیک بیش از گذشته به علم مواد، فیزیک حالت جامد، علوم رایانه، ریاضیات، کنترل و حتی زیست فناوری وابسته شود.


 

مهندسی الکترونیک از مطالعه رفتار بار و میدان آغاز می شود، اما در همان سطح باقی نمی ماند. این حوزه از ماده و افزاره شروع می کند، به مدار می رسد، در معماری سامانه گسترش پیدا می کند و در نهایت برای حل یک مسئله واقعی به کار گرفته می شود.
تاریخ آن نیز نشان دهنده همین حرکت است:
کنترل جریان → کنترل افزاره → ساخت مدار → یکپارچه سازی → پردازش اطلاعات → سامانه های هوشمند و خودکار
تفاوت اصلی آن با مفهوم گسترده تر مهندسی برق در تمرکز بیشتر بر افزاره ها، مدارها، سیگنال ها، انرژی الکتریکی و سامانه های الکترونیکی است؛ هرچند در حوزه هایی مانند کنترل، مخابرات، قدرت و رایانش با آنها هم پوشانی جدی دارد. از این منظر، مهندسی الکترونیک را می توان چنین تعریف کرد، دانش و مهندسی طراحی و ساخت سامانه هایی که با کنترل دقیق بار، جریان، میدان، انرژی و اطلاعات، یک عملکرد فیزیکی یا محاسباتی مشخص را انجام می دهند. گستره جهانی این رشته نیز نتیجه همین ویژگی است که هرجا لازم باشد یک پدیده اندازه گیری شود، انرژی تبدیل شود، اطلاعات پردازش یا منتقل شود، یا یک سامانه فیزیکی کنترل شود، الکترونیک می تواند بخشی از راه حل مهندسی باشد.