7-feb-07 MODULO INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA ELECTRÓNICA MARCOS GONZÁLEZ PIMENTEL UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD BOGOTA 2006 1 ÍNDICE PRIMERA UNIDAD FUNDAMENTACIÓN DE LA INGENIERÍA ELECTRÓNICA CAPÍTULOS 0. INTRODUCCIÓN. CAPÍTULOS 1 CONCEPTUALIZACIÓN 1.1 CIENCIA 1.1.1 Definición 1.1.2 Objetivos 1.1.3 Características básicas de la ciencia. 1.1.4 Ciencia y tecnología 1.1.5 Tipos de Ciencia 1.2 Ingeniería y Tecnología 1.2.1 Definición de Ingeniería 1.2.2 Funciones de la Ingenieria 1.2.3 Ramas de la Ingeniería 1.2.4 Definición de Tecnología 1.3 Ingeniería y Tecnología Electrónica 1.3.1 Definición 1.3.2 Objetivos 1.4 Sistema 1.4.1 Definición 1.4.2 Características y clases de los sistemas CAPITULO 2 ANTECEDENTES 2.1 Historia de la Ingeniería 2.1.1. Historia de la Ingeniería en el mundo 2.1.2. Historia de la ingeniería en Colombia. 2.2 Historia de la electrónica 2.2.1. Historia de la electrónica en el mundo. 2.2.2. Historia de la electrónica en Colombia. CAPITULO 3 ACTUALIDAD 2 3.1 Actualidad de la Ingeniería. 3.1.1 Actualidad de la Ingeniería el mundo. 3.1.2 Actualidad de la Ingeniería en Colombia. 3.2 Actualidad de la electrónica 3.2.1 La Electrónica en el mundo. 3.2.2 La Electrónica en Colombia CAPITULO 4 APLICACIONES 4.1 Industriales. 4.1.1 Definición 4.1.2 Estado del arte. 4.2 Robótica. 4.2.1 Definición 4.2.2 Estado del arte. 4.3 Automatización. 4.3.1 Definición 4.3.2 Estado del arte. 4.4 Comunicaciones. 4.4.1 Definición. 4.4.2 Estado del arte 4.5 Electromedicina. 4.5.1 Definición 4.5.2 Estado del arte. CAPITULO 5 DISEÑO 5.1 DEFINICIÓN DE ANÁLISIS Y SÍNTESIS. 5.2 MÉTODO DEL DISEÑO EN INGENIERÍA. SEGUNDA UNIDAD INGENIERÍA ELECTRÓNICA CAPITULO 6 CONCEPTOS 6.1 CONCEPTOS FÍSICOS 6.1.1 Carga eléctrica 6.1. 2 Ley de Coulomb 6.1.3 Corriente 6.1.4 Voltaje 6.1.5 Ley de OHM 3 6.2. CONCEPTOS ELECTRÓNICOS 6.2.1 Circuito. 6.2.2 Reglas de Kirchhoff 6.2.3 Fuentes 6.2.4 Frecuencia (F) 6.2.5 Periodo (T) 6.2.6 Semiconductores CAPITULO 7 ELEMENTOS 7.1 ELEMENTOS BÁSICOS 7.1.1 Resistencias 7.1.2 Diodos 7.1.3 Condensadores 7.1.4 Inductores 7.1.5 Transistores 7.1.6 Amplificadores 7.2 INTEGRADOS 7.2.1 Compuertas 7.2.2 Microelectrónica 7.2.3 Microprocesadores 7.3 SISTEMAS EMBEBIDOS 7.3.1 FPGA 7.3.2 FPAA 7.3.4 Convertidores A/D 7.4 OPTOELECTRÓNICA 7.4.1 LED 7.4.2 Fotodetectores 7.4.3 Fibra Óptica 4 CAPITULO 0. INTRODUCCIÓN El curso de Introducción a la Ingeniería de Electrónica, es de tipo teórico y corresponde al campo de formación profesional básica de los programas de Ingeniería Electrónica y Tecnología en Electrónica, su metodología es educación a distancia. Corresponde a dos (2) créditos académicos los cuales comprenden: Estudio y discusión de algunos temas relacionados con la función del ingeniero y su perfil profesional. Estudio de los conceptos básicos de la ingeniería Electrónica. También se aré un acompañamiento en tutorías desarrolladas en pequeños grupos de colaboración y la tutoría en grupo de curso, el cual sirve de apoyo al estudiante para potenciar el aprendizaje autónomo y su formación en el campo de aplicación de la temática a desarrollar. El tutor juega el papel de acompañante en el proceso de aprendizaje, no sólo imparte conocimientos, sino que brinda orientación en la selección y aplicación de estrategias propias del modelo de educación a distancia. Por ello el desarrollo del curso académico contempla espacios de reflexión en los que el tutor valora al estudiante como un conjunto de pensamientos, conocimientos, habilidades y experiencias y permite que aplique los conceptos adquiridos, en la solución de problemas, estimulando al estudiante a que vea su aprendizaje por procesos y no por resultados. Este curso está compuesto por dos unidades didácticas a saber: Unidad 1. Fundamentos de Ingeniería Electrónica: Aquí se establecen los conceptos de Ciencia, Ingeniería, tecnología y en especial Ingeniería Electrónica. Se establece un panorama general de la evolución, aplicación y proyección de la ingeniería Electrónica como función principal del Ingeniero, el diseño de soluciones y la investigación aplicada. Se hace una reseña histórica y luego se entra a discutir algunas aplicaciones concretas de la Ingeniería Electrónica. 5 El capítulo V está dedicado a una de las principales funciones de la Ingeniería que es el Diseño. Comienza por definir Análisis y Síntesis dentro del contexto de la ingeniería, luego habla del modelado, sus herramientas y las motivaciones del Diseño. Por ultimo da una introducción a algunos procedimientos que se siguen dentro del diseño. Unidad 2. Ingeniería Electrónica. En esta Unidad se dan conceptos básicos que se manejan en Ingeniería Electrónica, esto permite que el estudiante se forme una idea global de la Ingeniería y le permita ubicar los diferentes temas que vera durante el transcurso de su carrera. El curso es de carácter teórico y su desarrollo se hará mediante el estudio de artículos y modulo, se desarrollaran algunas tareas en grupo que faciliten la discusión, de temas específicos, entre los alumnos, de tal forma que se estimulen las competencias del estudiante y se potencien sus habilidades orientadas básicamente al análisis y solución de problemas. Con éste curso académico el estudiante tiene la posibilidad de conocer e interpretar el desarrollo histórico de la Ingeniería Electrónica, los objetivos, funciones e interrelaciones de ésta disciplina con otros campos del saber; comenzar a familiarizarse con los conceptos generales de la Ingeniería Electrónica, sus dispositivos, aplicaciones y herramientas. 6 PRIMERA UNIDAD DIDÁCTICA FUNDAMENTACIÓN DE LA INGENIERÍA ELECTRÓNICA CAPÍTULO 1. CONCEPTUALIZACIÓN 1.1 Ciencia La definición de ciencia es un concepto amplio y se podría dar de diversas formas, dependiendo de la disciplina desde la cual se trabaja. La siguiente es la definición que da la Real Academia Española RAE. 1.1.1 Definición1 ciencia. (Del lat. scientĭa). 1. f. Conjunto de conocimientos obtenidos mediante la observación y el razonamiento, sistemáticamente estructurados y de los que se deducen principios y leyes generales. 2. f. Saber o erudición. Tener mucha, o poca, ciencia. Ser un pozo de ciencia. Hombre de ciencia y virtud . 3. f. Habilidad, maestría, conjunto de conocimientos en cualquier cosa. La ciencia del caco, del palaciego, del hombre vividor. 4. f. pl. Conjunto de conocimientos relativos a las ciencias exactas, fisicoquímicas y naturales. Facultad de Ciencias, a diferencia de Facultad de Letras. ~ ficción. 1. f. Género de obras literarias o cinematográficas, cuyo contenido se basa en hipotéticos logros científicos y técnicos del futuro. ~ pura. 1. f. Estudio de los fenómenos naturales y otros aspectos del saber por sí mismos, sin tener en cuenta sus aplicaciones. ~s exactas. 1. f. pl. matemáticas. ~s humanas. 1. f. pl. Las que, como la psicología, antropología, sociología, historia, filosofía, etc., se ocupan de aspectos del hombre no estudiados en las ciencias naturales. ~s naturales. 1 REAL ACADEMIA ESPAÑOLA, Diccionario de la lengua española, marzo de 2006. http://www.rae.es. 7 1. f. pl. Las que tienen por objeto el estudio de la naturaleza, como la geología, la botánica, la zoología, etc. A veces se incluyen la física, la química, etc. ~s ocultas. 1. f. pl. Conocimientos y prácticas misteriosos, como la magia, la alquimia, la astrología, etc., que, desde la antigüedad, pretenden penetrar y dominar los secretos de la naturaleza. Ciencias humanas. La Ciencia2 es un significativo elemento de la cultura, que le ha permitido al hombre diferenciarse de los animales, que no producen cultura. El hombre gracias a las mediciones de la misma ciencia, ha transformado el mundo, lo ha explicado y lo ha comprendido partiendo de la variedad de fenómenos y comprendiendo las leyes que lo rigen. El hombre no ha podido deslindar la realidad y el conocimiento porque el conocimiento ha contribuido a modificar esa realidad, al mismo tiempo, la realidad actúa sobre el sujeto modificando el conocimiento. Este acercamiento al concepto de ciencia la considera como una forma de conocimiento humano. El conocimiento científico, no es la única forma de acercarse a la realidad y no agota la misma realidad. Esta es compleja y trasciende el conocimiento científico; no la podemos reducir simplemente a lo racional o a lo experimental, va más allá; no se agota con lo demostrable y lo cuantificable. La realidad es también trascendente y por ello va más allá de lo científico. Algunos pretenden aceptar únicamente, la realidad que percibe la ciencia negando su trascendencia y queriendo agotarla en el conocimiento científico. 1.1.2. Objetivos La ciencia también se define, a partir de su objetivo, como la búsqueda del conocimiento de la realidad o como el conocimiento racional, sistemático, exacto y comprobable de la realidad. La ciencia experimenta, descubre, observa, mide, crea teorías que explican el cómo y por qué de las cosas; elabora técnicas y herramientas para su observación y medición; hace hipótesis y cuestiona la naturaleza y sus fenómenos; crea conjeturas, discute o rechaza; separa lo verdadero de lo falso, diferencia lo que tiene sentido de lo que no lo tiene; nos dice como debemos llegar a donde queremos llegar y lo que queremos hacer. 1.1.3. Características básicas de la ciencia. Tomando como punto de partida a Mario Bunge; las características principales se pueden definir así: 2 FLOREZ Carlos, GALINDO Gladis, Ciencia y Conocimiento, Usta, Santafé de Bogotá. 1971. p 251. 8 Facticidad: Significa que la ciencia parte de los hechos, tratando de ser independiente a cualquier tipo de valoración o caracterización emocional o sentimental. La estadística le sirva a la ciencia como un instrumento que le permite sistematizar y cuantificar estos hechos observables. A las teorías que se forman a partir de los hechos que han sido confirmados, se les da el nombre de datos empíricos. Análisis: La ciencia es analítica, porque los problemas que trata de resolver, son descompuestos en sus elementos para entender y descubrir la forma como se relacionan estos con el fenómeno que se esta investigando. Claridad y precisión: La ciencia se diferencia del conocimiento vulgar o corriente del hombre, el cual, por lo general, es vago e inexacto. El conocimiento científico por el contrario, exigen cierta tranquilidad y reposo para abordar los problemas y para poder penetrar en sus leyes y mecanismos internos. La ciencia, en su proceso investigativo, debe ante todo precisar y clarificar su problema. El planteamiento del problema con claridad y precisión asegura, un alto porcentaje, la validez y orientación de la investigación científica, el marco teórico ayuda a la clarificación y exactitud de la investigación, pues la teoría como marco de referencia, permitirá iluminar el problema para entenderlo y clarificarlo. Verificabilidad: La ciencia no se puede contentar exclusivamente en la coherencia lógica de sus afirmaciones; la observación de los fenómenos tampoco es suficiente, por más precisión y utilización de instrumentos perfeccionados que tenga. Es necesario introducir la experimentación para verificar en la realidad sus teorías. La verificabilidad del conocimiento científico fue uno de los aportes que hicieron los griegos a este, especialmente la escuela de Pitágoras. Esta verificación o comprobación permite crear situaciones controladas en donde se pueden cambiar las variables o factores que intervienen en los fenómenos para conocer mejor sus interrelaciones. Sistematicidad: La ciencia es sistemática, organizada en su búsqueda y en sus resultados. Se preocupa por construir sistemas de ideas organizados racionalmente, formando una estructura a la que integra conocimientos nuevos a los ya existentes; así las leyes y teorías se van ampliando una teoría más general. La sistematicidad implica un todo donde sus elementos se encuentran interrelacionados entre sí con una finalidad o un objetivo. Generalidad: Desde épocas primitivas el conocimiento científico ha tenido un carácter general. No puede existir ciencia de lo particular, lo afirman los filósofos griegos, porque no hay interés por el objeto en particular, por el hecho en si mismo, sino por lo que puede representar para la generalidad de los fenómenos u objetos. El estudio de un caso particular tiene sentido para el científico, en la medida que le permite relacionarlo con una ley que es general, es decir un caso 9 de una ley y la ley se convierte en una expresión racional de la generalización de los casos particulares. Falibilidad: La ciencia es uno de los pocos sistemas creados por el hombre que parte del principio de su posibilidad de equivocarse, de cometer errores. Por principio la ciencia es refutable, es falible. Siempre que exista la posibilidad de encontrar nuevos hechos o hipótesis que generan una mejor explicación de los fenómenos se hace alusión a la falibilidad de la ciencia. Explicabilidad Y Productibilidad: La ciencia le da al hombre explicaciones coherentes y sistemáticas acerca del modo de comportamiento de la naturaleza y de la sociedad. Así no solo describe los fenómenos sino que los explica y señala la forma como se relaciona los elementos del fenómeno. La ciencia busca su utilización en el mejoramiento de la vida y por ello ha sido predictiva anticipándose a los hechos para manejarlos. Utilidad: La característica que reviste mayor importancia para la humanidad es la utilidad. La ciencia otorga las herramientas y los instrumentos para ser utilizados para la destrucción o realización del hombre. Aquí una cantidad de discursos en el mundo actual que enmarcan una orientación de la tecnología, aplicación de la ciencia a la solución de necesidades concretas del hombre, claro esta enmarca en una gran responsabilidad ante la historia de la humanidad. Todo depende de la forma como es utilizada la ciencia en beneficio o perjuicio de la humanidad. Solo entendiendo una real libertad se podrá comprender la acción de la ciencia para el desarrollo de la humanidad. 1.1.4 Ciencia y tecnología En el mundo actual existe una estrecha interrelación entre ciencia, tecnología y sociedad. La Ciencia y la tecnología son particularmente importantes para el desarrollo de los mismos pueblos. La ciencia y la tecnología han suscitado cambios en el modo de vida en el bienestar y en la misma manera de comportarse las personas que son aspectos básicos en el desarrollo de la sociedad. Con el propósito de realizar tanto la relación, como la diferenciación entre los conceptos de TÉCNICA CIENCIA, TECNOLOGÍA; se parte del principio en el que concuerdan en dos aspectos comunes como lo son: hacer referencia a algo objetivo, existente y de otro lado hacen relación a una actividad humana y, en ese sentido son algo subjetivo, cambiante por naturaleza, en constante evolución social. Pero al igual se da la diferenciación se enmarca dentro los objetivos que persiguen: La técnica y la tecnología buscan la forma de hacer las cosas para la satisfacción de las necesidades humanas y la ciencia pretende entender la naturaleza y la sociedad. La tecnología y la técnica pretenden producir bienes y ofrecer servicios. 10