Caso práctico: Activación de alarma con doble sensor

Prototipo de Activación de alarma con doble sensor (Maker Style)

Nivel: Básico. Implementa un circuito lógico donde una alarma suena solo si dos sensores distintos se activan simultáneamente.

Objetivo y caso de uso

En este tutorial, construirás un circuito lógico de seguridad utilizando un circuito integrado 74HC08 (puerta AND). El circuito procesa señales de dos interruptores independientes (simulando un sensor de puerta y uno de ventana) y activa un LED de salida solo cuando ambos interruptores están cerrados al mismo tiempo.

Por qué es útil:
* Enclavamientos de seguridad: Asegura que la maquinaria funcione solo cuando un operador presiona dos botones simultáneamente, manteniendo ambas manos alejadas del peligro.
* Sistemas de seguridad: Dispara una alarma específica de alta prioridad solo cuando se vulneran múltiples zonas simultáneamente.
* Validación de datos: Las puertas lógicas son fundamentales para validar que se cumplan dos condiciones necesarias (por ejemplo, «Sistema listo» Y «Comando de inicio») antes de ejecutar una acción.

Resultado esperado:
* Entrada A (Baja) + Entrada B (Baja): El LED permanece APAGADO (salida de 0 V).
* Entrada A (Alta) + Entrada B (Baja): El LED permanece APAGADO (salida de 0 V).
* Entrada A (Baja) + Entrada B (Alta): El LED permanece APAGADO (salida de 0 V).
* Entrada A (Alta) + Entrada B (Alta): El LED se ENCIENDE (salida de ~5 V).
* Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados que se inician en la lógica digital.

Materiales

  • V1: Fuente de CC de 5 V, función: Fuente de alimentación principal.
  • S1: Interruptor SPST, función: Sensor A (Puerta).
  • S2: Interruptor SPST, función: Sensor B (Ventana).
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para el Sensor A (evita estado flotante).
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para el Sensor B.
  • U1: Puerta AND cuádruple de 2 entradas 74HC08, función: Núcleo de decisión lógica.
  • R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED.
  • D1: LED rojo, función: Indicador visual de alarma.

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC08 (Puerta AND cuádruple de 2 entradas).
Nota: Este chip contiene cuatro puertas independientes. Usaremos solo una.

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada A Conectar al nodo SENSOR_A
2 1B Entrada B Conectar al nodo SENSOR_B
3 1Y Salida Conectar al nodo ALARM_OUT
7 GND Tierra Conectar al nodo 0 (GND)
14 VCC Alimentación Conectar al nodo VCC (+5 V)

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones utilizando nombres de nodo específicos:

  • V1: Conecta el terminal positivo al nodo VCC y el terminal negativo al nodo 0.
  • Alimentación U1: Conecta el Pin 14 a VCC y el Pin 7 a 0.
  • S1: Conecta un lado a VCC y el otro lado al nodo SENSOR_A.
  • R1: Conecta entre el nodo SENSOR_A y el nodo 0.
  • S2: Conecta un lado a VCC y el otro lado al nodo SENSOR_B.
  • R2: Conecta entre el nodo SENSOR_B y el nodo 0.
  • Lógica U1:
    • Conecta el Pin 1 al nodo SENSOR_A.
    • Conecta el Pin 2 al nodo SENSOR_B.
    • Conecta el Pin 3 al nodo ALARM_OUT.
  • Etapa de salida:
    • R3: Conecta entre el nodo ALARM_OUT y el nodo LED_ANODE.
    • D1: Conecta el Ánodo al nodo LED_ANODE y el Cátodo al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC08 AND gate

Esquemático

[ INPUT SENSORS ]                          [ LOGIC CORE ]                       [ OUTPUT ALARM ]

                                                   +--------------+
    [ VCC ] --> [ S1: Door ] --(SENSOR_A)--------->| Pin 1        |
                                   |               |              |
                                   +-> [ R1: 10k ] |              |
                                          |        |  U1: 74HC08  |
                                       [ GND ]     |  (AND Gate)  |--(ALARM_OUT)--> [ R3: 330 Ω ] --> [ D1: LED ] --> [ GND ]
                                                   |              |
                                                   |              |
    [ VCC ] --> [ S2: Window ] --(SENSOR_B)------->| Pin 2        |
                                   |               |              |
                                   +-> [ R2: 10k ] | Power:       |
                                          |        | 14(VCC), 7(0)|
                                       [ GND ]     +--------------+
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

La salida del 74HC08 es Alta (1) solo si ambas entradas son Altas (1).

Sensor A (S1) Sensor B (S2) Salida (Pin 3) Estado del LED
0 (Abierto) 0 (Abierto) 0 (Bajo) APAGADO
0 (Abierto) 1 (Cerrado) 0 (Bajo) APAGADO
1 (Cerrado) 0 (Abierto) 0 (Bajo) APAGADO
1 (Cerrado) 1 (Cerrado) 1 (Alto) ENCENDIDO

Mediciones y pruebas

  1. Verificación de alimentación: Mide el voltaje entre VCC y 0. Debe ser estable a 5 V.
  2. Estado de reposo: Asegúrate de que tanto S1 como S2 estén abiertos. Mide el voltaje en el Pin 1 y el Pin 2 de U1. Ambos deben ser 0 V (Lógica 0). El LED debe estar APAGADO.
  3. Prueba de disparo único: Cierra solo S1. El Pin 1 debe leer 5 V, el Pin 2 debe leer 0 V. Mide el Pin 3 (Salida); debe permanecer en 0 V. Repite solo para S2.
  4. Activación de alarma: Cierra tanto S1 como S2. Mide el Pin 1 y el Pin 2; ambos deben ser 5 V. Mide el Pin 3; debe saltar a ~5 V (Lógica 1).
  5. Corriente de salida: Comprueba que D1 se ilumina intensamente. La caída de voltaje a través de R3 debe ser de aproximadamente 3 V (dependiendo del color del LED).

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Title: Practical case: Dual sensor alarm activation

* ==============================================================================
* Models
* ==============================================================================
* Generic Red LED Model
* IS: Saturation current, N: Emission coefficient, RS: Series resistance
.model DLED D(IS=1e-14 N=1.5 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p TT=10n)

* Voltage Controlled Switch Model (for S1, S2)
* Simulates a physical SPST switch
* Vt: Threshold voltage (2.5V), Ron: On resistance (1 ohm), Roff: Off resistance (100Meg)
.model SW_SENSOR SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)

* ==============================================================================
* Subcircuits
* ==============================================================================
* U1: 74HC08 Quad 2-Input AND Gate (Single Gate Implementation)
* Pins: 1=A, 2=B, 3=Y, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC08_GATE 1 2 3 7 14
* Behavioral implementation using continuous sigmoid functions for convergence robustness.
* Logic: V_out = VCC * sigmoid(A) * sigmoid(B)
* The slope factor (50) ensures a sharp transition near the 2.5V threshold.
B_LOGIC 3 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(1) - 2.5)))) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(2) - 2.5))))
.ends

* ==============================================================================
* Main Circuit
* ==============================================================================

* ... (truncated in public view) ...

Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.

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* Title: Practical case: Dual sensor alarm activation

* ==============================================================================
* Models
* ==============================================================================
* Generic Red LED Model
* IS: Saturation current, N: Emission coefficient, RS: Series resistance
.model DLED D(IS=1e-14 N=1.5 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p TT=10n)

* Voltage Controlled Switch Model (for S1, S2)
* Simulates a physical SPST switch
* Vt: Threshold voltage (2.5V), Ron: On resistance (1 ohm), Roff: Off resistance (100Meg)
.model SW_SENSOR SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)

* ==============================================================================
* Subcircuits
* ==============================================================================
* U1: 74HC08 Quad 2-Input AND Gate (Single Gate Implementation)
* Pins: 1=A, 2=B, 3=Y, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC08_GATE 1 2 3 7 14
* Behavioral implementation using continuous sigmoid functions for convergence robustness.
* Logic: V_out = VCC * sigmoid(A) * sigmoid(B)
* The slope factor (50) ensures a sharp transition near the 2.5V threshold.
B_LOGIC 3 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(1) - 2.5)))) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(2) - 2.5))))
.ends

* ==============================================================================
* Main Circuit
* ==============================================================================

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC supply (Main Power)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Actuation Control Signals (Simulation Stimuli) ---
* These voltage sources act as the "hand" pressing the switches.
* They define the timing for the Truth Table test.
* ACT_A: Period 200us (High 0-100us)
V_ACT_A ACT_A 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)
* ACT_B: Period 400us (High 0-200us)
V_ACT_B ACT_B 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 200u 400u)

* --- Input A: Door Sensor ---
* S1: SPST Switch. Connects VCC to SENSOR_A when ACT_A is High (>2.5V).
S1 VCC SENSOR_A ACT_A 0 SW_SENSOR
* R1: 10 kΩ resistor. Pull-down for Sensor A.
R1 SENSOR_A 0 10k

* --- Input B: Window Sensor ---
* S2: SPST Switch. Connects VCC to SENSOR_B when ACT_B is High (>2.5V).
S2 VCC SENSOR_B ACT_B 0 SW_SENSOR
* R2: 10 kΩ resistor. Pull-down for Sensor B.
R2 SENSOR_B 0 10k

* --- Logic Core: U1 (74HC08) ---
* Instantiating the logic gate subcircuit.
* Mapping: Pin 1->SENSOR_A, Pin 2->SENSOR_B, Pin 3->ALARM_OUT, Pin 7->0, Pin 14->VCC
XU1 SENSOR_A SENSOR_B ALARM_OUT 0 VCC 74HC08_GATE

* --- Output Stage ---
* R3: 330 Ω resistor (Current limiting)
R3 ALARM_OUT LED_ANODE 330
* D1: Red LED (Visual indicator)
D1 LED_ANODE 0 DLED

* ==============================================================================
* Analysis Directives
* ==============================================================================
* Transient analysis: Step 1us, Stop 500us
* This duration covers all combinations of the input pulses (00, 01, 10, 11).
.tran 1u 500u

* Print required nodes for log output
.print tran V(SENSOR_A) V(SENSOR_B) V(ALARM_OUT) V(LED_ANODE)

* Calculate DC operating point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1294 rows) 
Index   time            v(sensor_a)     v(sensor_b)     v(alarm_out)
0	0.000000e+00	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
1	1.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
2	2.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
3	4.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
4	8.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
5	1.600000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
6	3.200000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
7	3.562500e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
8	4.196875e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
9	4.372461e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
10	4.679736e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
11	4.795524e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
12	4.902290e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
13	5.023412e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
14	5.138119e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
15	5.256739e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
16	5.378128e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
17	5.539238e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
18	5.828205e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
19	6.384927e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
20	7.166884e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
21	8.730798e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
22	1.000000e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
23	1.031278e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
... (1270 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entradas flotantes: Omitir R1 o R2 hace que las entradas «floten» cuando los interruptores están abiertos. El 74HC08 puede captar ruido y dispararse erráticamente. Solución: Usa siempre resistencias pull-down (10 kΩ) conectadas a tierra.
  2. Falta de alimentación al CI: Los estudiantes a menudo cablean los pines lógicos pero olvidan los Pines 14 (VCC) y 7 (GND). Solución: Cablea siempre los rieles de alimentación primero.
  3. Sin limitación de corriente: Conectar el LED directamente a la salida del CI sin R3 dañará el LED o el 74HC08. Solución: Asegúrate de que haya una resistencia de 220 Ω a 470 Ω en serie con el LED.

Solución de problemas

  • El LED nunca se ENCIENDE:
    • Comprueba si la polaridad del LED es correcta (Ánodo a resistencia, Cátodo a tierra).
    • Verifica que el 74HC08 tenga alimentación en el Pin 14.
    • Asegúrate de que ambos interruptores estén haciendo buen contacto.
  • El LED actúa erráticamente o se ENCIENDE cuando los interruptores están APAGADOS:
    • Comprueba si faltan las resistencias pull-down R1 y R2.
    • Verifica que estás usando un 74HC08 (AND) y no un 74HC32 (OR) o 74HC00 (NAND).
  • El LED es muy tenue:
    • El valor de R3 podría ser demasiado alto (p. ej., 100 kΩ en lugar de 330 Ω).
    • El voltaje de la fuente V1 podría ser demasiado bajo (< 3 V).

Posibles mejoras y extensiones

  1. Alarma audible: Conecta un zumbador activo de 5 V en paralelo con el LED (y su resistencia) o usa un controlador de transistor para emitir un ruido cuando se active la alarma.
  2. Cerrojo de memoria: Alimenta la salida a un Latch Set-Reset (SR) o Flip-Flop para que, una vez activada la alarma, permanezca ENCENDIDA incluso si los sensores se cierran de nuevo, requiriendo un botón de reinicio manual.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Qué circuito integrado se utiliza en este tutorial para implementar la lógica de seguridad?




Pregunta 2: ¿Cuál es la función principal del circuito descrito?




Pregunta 3: ¿Qué sucede con el LED si la Entrada A es Alta y la Entrada B es Baja?




Pregunta 4: ¿Por qué es útil este circuito en maquinaria industrial según el texto?




Pregunta 5: ¿Qué condición lógica representa el funcionamiento de este circuito?




Pregunta 6: ¿Qué nivel de dificultad tiene este tutorial según el contexto?




Pregunta 7: ¿Qué ejemplo de validación de datos se menciona en el texto?




Pregunta 8: ¿Qué simulan los dos interruptores independientes en el circuito?




Pregunta 9: ¿Cuál es el resultado esperado si ambas entradas (A y B) son bajas?




Pregunta 10: ¿Qué aplicación de seguridad se menciona para disparar una alarma de alta prioridad?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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