مهندسی الکترونیک

مدارهای پیچیده الکترونیکی

مهندسی الکترونیک (به انگلیسی: Electronic engineering) یکی از شاخه‌های مهندسی است که از دانش علمی رفتار و اثر الکترون‌ها استفاده نموده و به توسعه قطعات، دستگاه‌ها، سیستم‌ها، یا تجهیزاتی می‌پردازد که انرژی الکتریکی یکی از فاکتورهای آنهاست؛ همانند لامپهای خلاء، ترانزیستورها، مدارهای مجتمع و مدارهای چاپی. این واژه به شاخه‌ی وسیعی از مهندسی اشاره دارد که زیرشاخه‌های بسیاری را در بر می‌گیرد. شامل رشته‌هایی که با توان، مهندسی ابزار دقیق، مخابرات، طراحی مدارهای نیمه هادی، و بسیاری دیگر در ارتباطند. این واژه همچنین بخش بزرگی از دوره‌های تحصیلی مهندسی برق را که در بیشتر دانشگاه‌های اروپایی تدریس می‌شود را شامل می‌شود. اگرچه در آمریکا، مهندسی برق شامل تمام شاخه‌های آن از جمله الکترونیک است. انجمن مهندسان برق و الکترونیک آمریکا یکی از مهم‌ترین و موثرترین سازمانهای این رشته‌های مهندسی به شمار می‌رود.

واژه مهندسی الکترونیک

واژه مهندسی برق که در میان دانشگاه‌های قدیمی استفاده می‌شود هنوز هم مهندسی الکترونیک را تحت پوشش قرار می‌دهد و فارغ‌التحصیلان، مهندس برق لقب می‌گیرند. برخی از مردم بر این باورند که واژه مهندس برق باید برای آن دسته از کسانی به کار رود که در قدرت و جریانهای بالا یا مهندسی فشار قوی تخصص دارند. در حالی که گروهی دیگر معتقدند که قدرت تنها یکی از زیرشاخه‌های مهندسی برق است (در واقع برای این شاخه از صنعت مهندسی قدرت استفاده می‌شود). همین‌طور در مورد مهندسی برق توزیع. در سالهای اخیر رشد رشته‌هایی جدید و جداگانه همچون مهندسی اطلاعات و مهندسی سیستمهای مخابراتی را شاهد بوده‌ایم که در گروههای آموزشی تحت همین نام‌ها تحصیل می‌شوند. بیشتر دانشگاههای اروپایی مهندسی برق را برای مهندسان قدرت استفاده کرده و میان مهندسی برق و الکترونیک تفاوت قائلند. در آغاز دهه ۱۹۸۰ نیز واژه مهندسی کامپیوتر معمولاً برای اشاره به الکترونیک و مهندسی اطلاعات استفاده می‌شد. هرچند مهندسی کامپیوتر هم‌اکنون به عنوان یک زیرمجموعه مهندسی الکترونیک در نظر گرفته می‌شود.

پیشینه مهندسی الکترونیک

انیاک، کامپیوتر ساخته شده در سال ۱۹۴۶ (۱۳۲۴ شمسی)

مهندسی الکترونیک به عنوان یک حرفه از پیشرفتهای فنی در صنعت تلگراف در قرن ۱۹ و صنایع رادیو و تلویزیون در قرن ۲۰ حاصل شد. مردم به رادیو به خاطر جاذبه فنی؛ اول به خاطر دریافت و سپس انتقال اطلاعات علاقه‌مند شدند. بسیاری از مردمی که در دههٔ ۱۹۲۰ به رادیو و تلویزیون رفتند تنها آماتورهای دوره قبل از جنگ جهانی اول بودند. شاخه جدید مهندسی الکترونیک تا حد زیادی از پیشرفت تلفن، رادیو، تجهیزات تلویزیون و مقدار زیادی از توسعه سیستم‌های الکترونیکی در طول جنگ جهانی دوم از جمله رادار، سونار، سیستمهای ارتباطی و مهمات پیشرفته و سیستمهای جنگ افزاری حاصل شد. در مدت این سال‌ها این موضوعات به عنوان مهندسی رادیو شناخته می‌شدند و تنها در اواخر دهه ۱۹۵۰ استفاده از واژه مهندسی الکترونیک آغاز شد. در همین هنگام آزمایشگاههای الکترونیک (برای نمونه آزمایشگاه بل در ایالات متحده آمریکا) ایجاد شدند و با استفاده از کمک هزینه‌های شرکت‌های بزرگ صنایع رادیو، تلویزیون، و دستگاههای تلفن، شروع به تولید سلسله پیشرفتهایی در الکترونیک کردند. در سال ۱۹۴۸ ترانزیستور روی کار آمد و در سال ۱۹۶۰، مدارهای مجتمع انقلابی در صنعت الکترونیک برپا کردند. در انگلستان موضوع مهندسی الکترونیک به صورت مجزا از مهندسی برق به عنوان مدرک دانشگاهی در حدود سال ۱۹۶۰ اضافه شد. قبل از آن، دانشجویان مهندسی و موضوعات مرتبط همچون رادیو و تلویزیون، مجبور بودند تا در سازمانهای آموزش برقی ثبت نام کنند که درسهای مربوط به الکترونیک نداشت. مهندسی برق نزدیک‌ترین موضوعی بود که می‌توانست با مهندسی الکترونیک همطراز قرار گبرد. اگرچه همسانی موضوعات تحت پوشش (بجز ریاضیات و الکترومغناطیس) تنها در سال اول دوره تحصیل سه ساله به طول می‌انجامد.

الکترونیک جدید

یک نمونه چیپ الکترونیکی SMD (فناوری نصب سطحی)

در سال ۱۸۹۸ نیکولا تسلا اوّلین ارتباط رادیویی را به نمایش عموم در آورد. وی جزئیات مبادی و اصول ارتباط رادیویی را نمایش و شرح داد. در سال ۱۹۰۴ جان آمیروز فلمینگ، اولین استاد مهندسی برق در کالج لندن، اولین لامپ خلاء (دیود) را اختراع کرد. یک سال بعد در سال ۱۹۰۶ رابرت فون لیبن و لی-د-فارست به طور مستقل لامپهای تقویت کننده‌ای را ساختند که لامپ سه قطبی نامیده می‌شد. آغاز الکترونیک معمولاً با اختراع لامپ خلاء توسط لی د فارست در ۱۹۰۷ در نظر گرفته می‌شود. در مدت ۱۰ سال، دستگاه او در فرستنده‌ها و گیرنده‌های رادیویی همچون سیستمهایی برای تماسهای تلفنی راه دور استفاده می‌شد. در ۱۹۱۲ ادوین هاوارد آرمسترانگ تقویت کننده ریجنراتیو فیدبک و نوسانساز را اختراع نمود. او همچنین گیرنده رادیو سوپرهیترودین را اختراع کرد که می‌توان آن را پدر رادیوی پیشرفته امروزی نامید. لامپهای خلاء به مدت ۴۰ سال به عنوان دستگاههای تقویت کننده مطرح بودند. تا اینکه محققانی که برای ویلیام شاکلی در آزمایشگاه بل در حال فعالیت بودند، ترانزیستور را در سال ۱۹۴۷ اختراع کردند. در همین سال‌ها رادیوهای ترانزیستوری، همچنین ساخت کامپیوترهای بزرگ و قدرتمند ممکن شد. ترانزیستورها کوچک‌تر بودند و برای کار به ولتاژ کمتری احتیاج داشتند. پیش از اختراع مدارهای مجتمع در سال ۱۹۵۹، مدارهای الکترونیکی از قطعات جدا از هم ساخته می‌شد که می‌توانست با دست، دستکاری شود. مدارهای غیر یکپارچه به فضای بیشتری احتیاج داشته و مصرف توان بالاتری داشتند، خطای بیشتر و همچنین سرعت پایین‌تری داشتند؛ گرچه هنوز در کاربردهای ساده استفاده می‌شوند. در مقابل مدارهای مجتمع تعداد زیادی، گاهی میلیون‌ها، قطعه ریز الکتریکی، و عمدتاً ترانزیستور، را در یک تراشه کوچک در حدود اندازه یک سکه بسته بندی می‌کنند.

تلویزیون

در ۱۹۲۷ فیلو فرانسورد اولین تلویزیون را به نمایش عموم در آورد. در طول دههٔ ۱۹۳۰ چندین کشور شروع به پخش برنامه نمودند. و تعداد تلویزیون‌ها بعد از جنگ دوم جهانی به میلیون‌ها گیرنده گسترش یافت و سرانجام جهانی شد. از آن زمان به بعد، الکترونیک کاملاً در دستگاههای تلویزیون حاضر شد. تلویزیون‌ها و نمایشگرهای تصویری جدید هم از تکنولوژی لامپهای خلاء بزرگ تکامل یافتند و در دستگاه‌های جمع و جورتر استفاده شدند، همانند پلاسما و ال‌سی‌دی. و تمایل به سمت دستگاههای کم مصرف‌تر است. نمایشگرهایی همچون اوال‌ای‌دی (organic light emitting diode) که به احتمال زیاد جایگزین ال‌سی‌دی و تکنولوژی پلاسما خواهد شد.

رادار و موقعیت رادیویی

در طول جنگ جهانی دوم تلاش‌های بسیاری در الکترونیک برای یافتن موقعیت اهداف و هواپیماهای دشمن صورت گرفت. این‌ها همچنین شامل هدایت الکترونیکی بمب‌افکن‌ها، پادکارهای الکترونیکی، سیستمهای اولیه رادار و... می‌شوند.

الکترونیک

قطعات الکترونیکی

نوشتار اصلی: الکترونیک

در رشتهٔ مهندسی الکترونیک مهندسان، مدارهایی را تست و طراحی می‌کنند؛ که از خواص الکترومغناطیسی قطعات الکتریکی همچون مقاومت، خازن، سلف، دیود و ترانزیستور برای رسیدن به عمل‌کرد خاصی بهره می‌برند. مدار رادیو که به استفاده کننده امکان می‌دهد تا همه سیگنال‌ها بجز سیگنالهای یک ایستگاه را فیلتر کند، تنها یک نمونه از این مدارهاست. در طراحی مدار مجتمع، مهندسان الکترونیک، ابتدا نقشه‌هایی را می‌سازند که قطعات الکتریکی را مشخص کرده و ارتباطات بین آن‌ها را وصف می‌کند. هنگامی که تکمیل شد، مهندسان VLSI نقشه‌ها را به طرح‌هایی تبدیل می‌کنند که لایه‌های مختلف مواد هادی و نیمه هادی مورد نیاز برای ساخت مدار را رسم می‌کنند. تبدیل نقشه‌ها به پوسته‌ها می‌تواند توسط نرم‌افزار انجام پذیرد. اما اغلب به تنظیمات ریز انسان برای کاهش فضا و مصرف توان نیاز است. هنگامی که طرح کامل شد می‌تواند به یک کارخانه ساخت برای تولید فرستاده شود.

میکروالکترونیک

صنعت میکروالکترونیک یکی از صنایع پرسود جهانی الکترونیک است. در سال ۲۰۰۸ این صنعت و خدمات آن ۱۰٬۷٪ تولید ناخالص جهانی را به خود اختصاص داده‌است. کشورهایی مانند آمریکا تکنولوژیهای الکترونیک سطح پایین‌تر خود را به کشورهای دیگر انتقال داده تا شتاب پیشرفت خود را در این زمینه حفظ نماید. رشته فناوری اطلاعات و ارتباطاط که یکی از شاخه های رشته الکترونیک است و از سال89 وارد ایران شده و شباهتی با رشته it دارد

صنعت الکترونیک در ایران

آزمایشگاه‌های بل در آمریکا که در سال ۱۳۰۴ تاسیس شد.

در حالی که کشورهایی همچون آمریکا سالانه میلیاردها دلار از این صنعت کسب درآمد دارند، کشور ایران با وجود داشتن ظرفیت مناسب، چنین اتفاقی نیفتاده‌است. رشد یک صنعت در کشور نیازمند ایجاد زیرساخت‌های لازم در آن صنعت است. همچنین برای صنعت الکترونیک یکی از زیرساخت‌های مهم ایجاد آزمایشگاه‌های الکترونیک است. در کشورهای صنعتی دنیا آزمایشگاه‌های بزرگی همچون آزمایشگاه‌های بل برای این منظور تاسیس شده‌اند.

شبکه آزمایشگاه‌های میکروالکترونیک کشور (ایران)

یکی از پیشنهادهای متخصصان برای پیشبرد صنعت الکترونیک ایران ایجاد شبکه‌های آزمایشگاهی است. از جمله معضلات ذکر و بررسی شده در آزمایشگاه‌های میکروالکترونیک ایران موارد زیر عنوان شده‌اند:

• مشکلات حوزه خرید دستگاهها
• عدم وجود عدالت منطقه ای
• ناسازگار بودن دستگاهها و عدم تکمیل زنجیره خرید
• عدم پیش بینی زیرساختهای لازمه برای یک دستگاه
• وجود رابطه در خرید تجهیزات
• کلاه برداری شرکتهای وارد کننده و عدم گارانتی
• ضعف قرار دادنویسی
• عدم اشتراک لینک خرید

همچنین مشکلات مربوط به آزمایشگاه‌ها به صورت زیر عنوان و مورد بررسی قرار گرفته‌اند:

مشکلات مدیریتی

• سیستم تعمیر و نگهداری ضعیف
• عدم وجود درک صحیح از بودجه تعمیر و نگهداری
• نبود دوره های ارتقای توانمندی تعمیرکاران
• در اختیار نبودن نمونه خراب، برای تجربه تعمیر
• عدم استفاده از قابلیت های تکمیلی دستگاه
• ضابطه مند نبودن نحوه سرویس دهی به افراد
• قیمت بالای ارائه خدمات و برخورد نامناسب پرسنل و تاخیر در انجام کار
• عدم سرویس دهی مناسب به دانشجویان غیر آن دانشکده
• قوانین مالی حاکم بر آزمایشگاهها و انگیزش ناکافی برای ارائه خدمات مطلوب
• فرهنگ سازمانی حاکم بر آزمایشگاهها و مراکز پژوهشی
• ضعف کالیبراسیون و دقت پایین خدمات ارائه شده
• نبود استاندارد
• عدم درک صحیح جایگاه تکنسین های آزمایشگاهها
• عدم آموزش تکنسین ها در خارج از کشور
• عدم آشنایی با برخی تجهیزات جدید
• عدم توجه به تجربیات ضمنی
• ضعف سیستم تامین مالی پرسنل آزمایشگاهها

مشکلات محیطی

• امکانات و مواد اولیه پرمتقاضی در یک جا و بلااستفاده در جای دیگر
• عدم تامین بودجه برای خرید دستگاه
• عدم سیستم تمایز بین آزمایشگاههای کارآمد و ناکارآمد

مشکلات حوزه ساخت

• ساخت دستگاه با در اختیار داشتن یک نمونه آزمایشگاهی
• تامین هزینه اولیه ساخت دستگاه با مشتری مجازی

ضعف مدیریت دانش بین آزمایشگاهها

• عدم انتقال تجربه تعمیرکاران
• ریشه برخی کم توجهی های اساتید دانشگاه به کارهای عملی آزمایشگاهی

برنامه کارشناسی مهندسی الکترونیک

جدا از الکترومغناطیس و تئوری شبکه، باقی بخشهای برنامه مخصوص مهندسی الکترونیک است. دوره‌های مهندسی برق شامل تخصص‌های دیگری همچون ماشین‌ها، تولید برق و توزیع نیز می‌شود. توجه داشته باشید که این فهرست شامل برنامه وسیع ریاضی مهندسی پیش نیاز نمی‌شود.

در ایران

در ایران درس‌های مهندسی الکترونیک شامل «درس‌های عمومی»، «درس‌های پایه»، «درس‌های اصلی» و «درس‌های تخصصی» می‌شود. برای نمونه فهرست درس‌های ارائه شده و همچنین توضیح درباره برخی از آن‌ها را در تارگاه دانشکده برق دانشگاه شریف ببینید.

منابع

• مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «Electronic engineering»، ویکی‌پدیای انگلیسی، دانشنامهٔ آزاد (بازیابی در ۲۰ آگوست ۲۰۱۱).

پیوند به بیرون

• Electronics Projects Electronic Circuits Diagrams and Schematics
• DOE Fundamentals Handbook, Electrical Science, Volume 1