¿Qué es la ingeniería eléctrica?
La ingeniería eléctrica es la profesión que se ocupa de los sistemas necesarios para producir, transmitir y medir señales eléctricas. La ingeniería eléctrica combina el modelo físico de los fenómenos naturales con las herramientas matemáticas necesarias para manipular esos modelos con el fin de producir sistemas que satisfagan necesidades prácticas. Los sistemas eléctricos están presentes en todos los aspectos de nuestra vida; podemos encontrarlos en nuestros hogares, en las escuelas, en el lugar de trabajo y en los vehículos de transporte utilizados en todo el mundo.
Comenzaremos presentando unos cuantos ejemplos extraídos de cada uno de los cinco tipos principales de sistemas eléctricos:
• Sistemas de comunicaciones
• Sistemas informáticos
• Sistemas de control
• Sistemas de alimentación
• Sistemas de procesamiento de la señal
Después describiremos la forma en que los ingenieros eléctricos analizan y diseñan dichos tipos de
sistemas.
Los sistemas de comunicaciones son sistemas eléctricos que generan, transmiten y distribuyen
información. Como claros ejemplos podríamos citar los equipos de televisión, como cámaras, transmisores, receptores y aparatos de vídeo; los radiotelescopios, utilizados para explorar el universo; los sistemas de comunicación vía satélite, que nos devuelven imágenes de otros planetas y del nuestro propio; los sistemas de radar, utilizados para coordinar el vuelo de las aeronaves, y los sistemas telefónicos.
La Figura 1 indica los componentes principales de un sistema telefónico moderno. Comenzando
por la izquierda de la figura, dentro de un teléfono, un micrófono transforma las ondas sonoras en señales eléctricas. Estas señales son transportadas hasta un centro de conmutación, donde se las combina con las señales procedentes de decenas, centenares o miles de otros teléfonos. Las señales combinadas salen del centro de conmutación; su forma depende de la distancia que deban recorrer. En nuestro ejemplo, son enviadas a través de una serie de hilos eléctricos en cables coaxiales subterráneos, hasta una estación de transmisión de microondas. Aquí, las señales se transforman a la frecuencia propia de las microondas y son difundidas desde una antena de transmisión a través del aire y el espacio, pasando por un satélite de comunicaciones, hasta una antena receptora. La estación receptora de microondas traduce las señales de microondas a una forma adecuada para su transmisión ulterior, por ejemplo a pulsos de luz que puedan enviarse a través de un cable de fibra óptica. Al llegar al segundo centro de conmutación, las señales combinadas se separan y cada una de ellas es encaminada hacia el teléfono apropiado, donde el auricular actúa como altavoz para convertir de nuevo las señales eléctricas recibidas a ondas sonoras. En cada etapa del proceso, una serie de circuitos eléctricos operan sobre las señales. lmagínese la dificultad que implica el diseño, la construcción y la operación de cada circuito en una forma tal que se garantice que los centenares o mi les de llamadas simultáneas disfruten de conexiones de alta calidad.
Los sistemas informáticos utilizan señales eléctricas para procesar diversos tipos de información,
desde la edición de textos a operaciones matemáticas. Los sistemas varían de tamaño y de potencia,
desde las calculadoras de bolsillo hasta computadoras personales y supercomputadoras, que realizan
tareas de tanta complejidad como son el procesamiento de los datos meteorológicos y el modelado de
las interacciones químicas de moléculas orgánicas complejas. Estos sistemas incluyen redes de microcircuitos, o circuitos integrados, que son conjuntos de centenares, miles o millones de componentes eléctricos, conjuntos que tienen el tamaño de un sello de correos y a menudo operan a velocidades y niveles de potencia que están muy próximos a los limites físicos fundamentales, incluyendo la velocidad de la luz y las leyes termodinámicas.
Los sistemas de control utilizan señales eléctricas para regular procesos. Como ejemplos podríamos
citar el control de temperaturas, presiones y flujos en una refinería de petróleo; la mezcla de
combustible y aire en un motor de inyección para un automóvil; mecanismos tales como los motores,
puertas y puntos de iluminación en los ascensores; y las esclusas del canal de Panamá. Los sistemas de piloto automático y de aterrizaje automático que ayudan a dirigir y a aterrizar los aviones son también sistemas de control que a todos nos resultan familiares.
Los sistemas de alimentación generan y distribuyen la potencia eléctrica. La potencia eléctrica, que
es la base de nuestra sociedad tecnológica, se suele generar en grandes cantidades mediante centrales
nucleares, hidroeléctricas y térmicas (de carbón, de petróleo o de gas). La energía se distribuye mediante una red de conductores que atraviesan todo el territorio. Uno de los mayores desafíos a la hora de diseñar y operar tales sistemas es el de proporcionar un control y una redundancia suficientes para que el fallo de cualquier equipo no deje a una ciudad, a una provincia o a una región sin acceso al suministro eléctrico.
Los sistemas de procesamiento de la señal operan sobre señales eléctricas que representan información.
Transforman las señales y la información contenida en ellas a una forma más adecuada.
Existen muchas formas distintas de procesar las señales y su correspondiente información. Por ejemplo, los sistemas de procesamiento de imágenes recopilan cantidades masivas de datos procedentes de los satélites meteorológicos que orbitan alrededor de la Tierra, reducen esa cantidad de datos a un nivel más manejable y transforman los datos restantes en una imagen de vídeo que puede, por ejemplo, emitirse por televisión. Un equipo de tomografía computerizada (CT) constituye otro ejemplo de sistema de procesamiento de imágenes. El equipo toma las señales generadas por una máquina de rayos X especial y las transfonna en una imagen como la mostrada en la Figura 2. Aunque las señales de rayos X originales no resultan muy útiles para un médico, una vez que han sido procesadas para generar una imagen reconocible, la información que contienen puede utilizarse en el diagnóstico de enfermedades y lesiones. Existe una considerable interacción entre las diversas disciplinas de la ingeniería implicadas en el diseño y en la operación de estas cinco clases de sistemas. Así, los ingenieros de comunicaciones utilizan computadoras digitales para controlar el flujo de información. Las computadoras contienen sistemas de control y los sistemas de control contienen computadoras. Los sistemas de alimentación requieren sistemas de comunicaciones adecuados para coordinar de forma segura y fiable la operación de una serie de componentes que pueden estar distribuidos por todo un continente. Un sistema de procesamiento de señales puede incluir un enlace de comunicaciones, una computadora y un sistema de control.
Un buen ejemplo de la interacción entre distintos tipos de sistemas sería un aeroplano comercial,
como el mostrado en la Figura 3. Un sofisticado sistema de comunicaciones permite al piloto y al
controlador de tráfico aéreo monitorizar la ubicación de la aeronave, con lo que el controlador de tráfico aéreo puede diseñar un plan de vuelo seguro para todos los aeroplanos cercanos, permitiendo también que el piloto mantenga la aeronave en la trayectoria asignada. En los aviones comerciales más modernos, se utiliza un sistema informático embarcado para gestionar las funciones de propulsión, para implementar los sistemas de control de navegación y de vuelo y para generar pantallas de información de vídeo dentro de la cabina. Un complejo sistema de control recopila los comandos emitidos por el piloto y ajusta la posición y velocidad de la aeronave, generando las señales apropiadas dirigidas a los motores y a las superficies de control (como los flaps, los alerones y el timón) para garantizar que el avión continúe volando de forma segura y de acuerdo con el plan de vuelo deseado. El avión debe disponer de su propio sistema de alimentación para continuar volando y para proporcionar y distribuir la energía eléctrica necesaria para mantener encendidas las luces de la cabina, para hacer el café o para mostrar una película a los pasajeros. Una serie de sistemas de procesamiento de la señal reducen el ruido en las comunicaciones de tráfico aéreo y transforman la información relativa a la ubicación del avión a la forma, mucho más significativa, de una pantalla de vídeo en la cabina. Son numerosos los desafíos para el ingeniero en el diseño de cada uno de estos sistemas y en su integración en un todo coherente. Por ejemplo, estos sistemas deben operar en condiciones medioambientales que varían ampliamente y de forma impredecible. Quizás el desafío más importante al que el ingeniero se enfrenta consiste en garantizar que se incorpore la suficiente redundancia en los diseños para que los pasajeros puedan llegar con seguridad y a tiempo al destino deseado.
Aunque los ingenieros eléctricos puedan estar interesados principalmente en una de las áreas mencionadas, deben también conocer de manera suficiente las otras áreas que interaccionan con la que sea de su interés. Esta interacción es en parte responsable de que la ingeniería eléctrica sea una profesión tan compleja y excitante. El énfasis principal en la ingeniería consiste en hacer que las cosas funcionen, por lo que los ingenieros son libres para adquirir y utilizar cualquier técnica, de cualquier campo, que los ayude a completar la tarea que tengan entre manos.
Comenzaremos presentando unos cuantos ejemplos extraídos de cada uno de los cinco tipos principales de sistemas eléctricos:
• Sistemas de comunicaciones
• Sistemas informáticos
• Sistemas de control
• Sistemas de alimentación
• Sistemas de procesamiento de la señal
Después describiremos la forma en que los ingenieros eléctricos analizan y diseñan dichos tipos de
sistemas.
Los sistemas de comunicaciones son sistemas eléctricos que generan, transmiten y distribuyen
información. Como claros ejemplos podríamos citar los equipos de televisión, como cámaras, transmisores, receptores y aparatos de vídeo; los radiotelescopios, utilizados para explorar el universo; los sistemas de comunicación vía satélite, que nos devuelven imágenes de otros planetas y del nuestro propio; los sistemas de radar, utilizados para coordinar el vuelo de las aeronaves, y los sistemas telefónicos.
La Figura 1 indica los componentes principales de un sistema telefónico moderno. Comenzando
por la izquierda de la figura, dentro de un teléfono, un micrófono transforma las ondas sonoras en señales eléctricas. Estas señales son transportadas hasta un centro de conmutación, donde se las combina con las señales procedentes de decenas, centenares o miles de otros teléfonos. Las señales combinadas salen del centro de conmutación; su forma depende de la distancia que deban recorrer. En nuestro ejemplo, son enviadas a través de una serie de hilos eléctricos en cables coaxiales subterráneos, hasta una estación de transmisión de microondas. Aquí, las señales se transforman a la frecuencia propia de las microondas y son difundidas desde una antena de transmisión a través del aire y el espacio, pasando por un satélite de comunicaciones, hasta una antena receptora. La estación receptora de microondas traduce las señales de microondas a una forma adecuada para su transmisión ulterior, por ejemplo a pulsos de luz que puedan enviarse a través de un cable de fibra óptica. Al llegar al segundo centro de conmutación, las señales combinadas se separan y cada una de ellas es encaminada hacia el teléfono apropiado, donde el auricular actúa como altavoz para convertir de nuevo las señales eléctricas recibidas a ondas sonoras. En cada etapa del proceso, una serie de circuitos eléctricos operan sobre las señales. lmagínese la dificultad que implica el diseño, la construcción y la operación de cada circuito en una forma tal que se garantice que los centenares o mi les de llamadas simultáneas disfruten de conexiones de alta calidad.
Los sistemas informáticos utilizan señales eléctricas para procesar diversos tipos de información,
desde la edición de textos a operaciones matemáticas. Los sistemas varían de tamaño y de potencia,
desde las calculadoras de bolsillo hasta computadoras personales y supercomputadoras, que realizan
tareas de tanta complejidad como son el procesamiento de los datos meteorológicos y el modelado de
las interacciones químicas de moléculas orgánicas complejas. Estos sistemas incluyen redes de microcircuitos, o circuitos integrados, que son conjuntos de centenares, miles o millones de componentes eléctricos, conjuntos que tienen el tamaño de un sello de correos y a menudo operan a velocidades y niveles de potencia que están muy próximos a los limites físicos fundamentales, incluyendo la velocidad de la luz y las leyes termodinámicas.
Los sistemas de control utilizan señales eléctricas para regular procesos. Como ejemplos podríamos
citar el control de temperaturas, presiones y flujos en una refinería de petróleo; la mezcla de
combustible y aire en un motor de inyección para un automóvil; mecanismos tales como los motores,
puertas y puntos de iluminación en los ascensores; y las esclusas del canal de Panamá. Los sistemas de piloto automático y de aterrizaje automático que ayudan a dirigir y a aterrizar los aviones son también sistemas de control que a todos nos resultan familiares.
Los sistemas de alimentación generan y distribuyen la potencia eléctrica. La potencia eléctrica, que
es la base de nuestra sociedad tecnológica, se suele generar en grandes cantidades mediante centrales
nucleares, hidroeléctricas y térmicas (de carbón, de petróleo o de gas). La energía se distribuye mediante una red de conductores que atraviesan todo el territorio. Uno de los mayores desafíos a la hora de diseñar y operar tales sistemas es el de proporcionar un control y una redundancia suficientes para que el fallo de cualquier equipo no deje a una ciudad, a una provincia o a una región sin acceso al suministro eléctrico.
Los sistemas de procesamiento de la señal operan sobre señales eléctricas que representan información.
Transforman las señales y la información contenida en ellas a una forma más adecuada.
Existen muchas formas distintas de procesar las señales y su correspondiente información. Por ejemplo, los sistemas de procesamiento de imágenes recopilan cantidades masivas de datos procedentes de los satélites meteorológicos que orbitan alrededor de la Tierra, reducen esa cantidad de datos a un nivel más manejable y transforman los datos restantes en una imagen de vídeo que puede, por ejemplo, emitirse por televisión. Un equipo de tomografía computerizada (CT) constituye otro ejemplo de sistema de procesamiento de imágenes. El equipo toma las señales generadas por una máquina de rayos X especial y las transfonna en una imagen como la mostrada en la Figura 2. Aunque las señales de rayos X originales no resultan muy útiles para un médico, una vez que han sido procesadas para generar una imagen reconocible, la información que contienen puede utilizarse en el diagnóstico de enfermedades y lesiones. Existe una considerable interacción entre las diversas disciplinas de la ingeniería implicadas en el diseño y en la operación de estas cinco clases de sistemas. Así, los ingenieros de comunicaciones utilizan computadoras digitales para controlar el flujo de información. Las computadoras contienen sistemas de control y los sistemas de control contienen computadoras. Los sistemas de alimentación requieren sistemas de comunicaciones adecuados para coordinar de forma segura y fiable la operación de una serie de componentes que pueden estar distribuidos por todo un continente. Un sistema de procesamiento de señales puede incluir un enlace de comunicaciones, una computadora y un sistema de control.
Un buen ejemplo de la interacción entre distintos tipos de sistemas sería un aeroplano comercial,
como el mostrado en la Figura 3. Un sofisticado sistema de comunicaciones permite al piloto y al
controlador de tráfico aéreo monitorizar la ubicación de la aeronave, con lo que el controlador de tráfico aéreo puede diseñar un plan de vuelo seguro para todos los aeroplanos cercanos, permitiendo también que el piloto mantenga la aeronave en la trayectoria asignada. En los aviones comerciales más modernos, se utiliza un sistema informático embarcado para gestionar las funciones de propulsión, para implementar los sistemas de control de navegación y de vuelo y para generar pantallas de información de vídeo dentro de la cabina. Un complejo sistema de control recopila los comandos emitidos por el piloto y ajusta la posición y velocidad de la aeronave, generando las señales apropiadas dirigidas a los motores y a las superficies de control (como los flaps, los alerones y el timón) para garantizar que el avión continúe volando de forma segura y de acuerdo con el plan de vuelo deseado. El avión debe disponer de su propio sistema de alimentación para continuar volando y para proporcionar y distribuir la energía eléctrica necesaria para mantener encendidas las luces de la cabina, para hacer el café o para mostrar una película a los pasajeros. Una serie de sistemas de procesamiento de la señal reducen el ruido en las comunicaciones de tráfico aéreo y transforman la información relativa a la ubicación del avión a la forma, mucho más significativa, de una pantalla de vídeo en la cabina. Son numerosos los desafíos para el ingeniero en el diseño de cada uno de estos sistemas y en su integración en un todo coherente. Por ejemplo, estos sistemas deben operar en condiciones medioambientales que varían ampliamente y de forma impredecible. Quizás el desafío más importante al que el ingeniero se enfrenta consiste en garantizar que se incorpore la suficiente redundancia en los diseños para que los pasajeros puedan llegar con seguridad y a tiempo al destino deseado.
Aunque los ingenieros eléctricos puedan estar interesados principalmente en una de las áreas mencionadas, deben también conocer de manera suficiente las otras áreas que interaccionan con la que sea de su interés. Esta interacción es en parte responsable de que la ingeniería eléctrica sea una profesión tan compleja y excitante. El énfasis principal en la ingeniería consiste en hacer que las cosas funcionen, por lo que los ingenieros son libres para adquirir y utilizar cualquier técnica, de cualquier campo, que los ayude a completar la tarea que tengan entre manos.
