Caso práctico: Control seguro de prensa hidráulica

Nivel: Básico — Implementar un circuito lógico de seguridad que requiera dos entradas simultáneas para activar una carga.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito lógico digital que impone un mecanismo de seguridad de «mando a dos manos». La carga (simulada por un LED) solo se activará cuando se presionen dos pulsadores separados simultáneamente, evitando la operación accidental.

Por qué es útil:
* Seguridad industrial: Evita que los operadores se lesionen las manos en prensas hidráulicas o máquinas de corte al obligarlos a usar ambas manos para iniciar el ciclo.
* Doble autorización: Se utiliza una lógica similar en sistemas de seguridad donde se requieren dos llaves o señales para autorizar una acción (por ejemplo, bóvedas bancarias).
* Sistemas de enclavamiento: Asegura que se cumplan múltiples condiciones (por ejemplo, Puerta cerrada Y Botón de inicio presionado) antes de que una máquina funcione.

Resultado esperado:
* Estado de reposo: El LED de salida permanece APAGADO cuando no se presiona ningún botón o solo uno.
* Estado activo: El LED de salida se ENCIENDE estrictamente cuando ambos botones se mantienen presionados.
* Nivel lógico: El voltaje de salida en el pin de la compuerta lee Alto ($\approx$ 5 V) solo durante la activación simultánea.
* Retroalimentación visual: Respuesta inmediata del LED indicando la condición de «Seguro para operar».

Público objetivo: Estudiantes y aficionados que aprenden lógica digital básica y enclavamientos de seguridad.

Materiales

• U1: 74HC08, función: CI cuádruple de compuertas AND de 2 entradas.
• V1: Fuente de 5 V CC, función: Fuente de alimentación principal.
• SW1: Pulsador Normalmente Abierto (NA), función: Disparador de seguridad mano izquierda.
• SW2: Pulsador Normalmente Abierto (NA), función: Disparador de seguridad mano derecha.
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Resistencia pull-down para Entrada A.
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Resistencia pull-down para Entrada B.
• R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para el LED de salida.
• D1: LED verde, función: Indicador de «Motor Activo» (Carga).

Pin-out del 74HC08

El 74HC08 contiene cuatro compuertas AND independientes. Usaremos la primera compuerta.

Guía de conexionado

Construye el circuito utilizando las siguientes conexiones de nodos. Asegúrate de que la fuente de alimentación esté apagada mientras realizas el cableado.

• Nodos de alimentación:

  • Conecta el terminal positivo de V1 al Nodo VCC.
  • Conecta el terminal negativo de V1 al Nodo 0 (GND).
  • Conecta el Pin 14 de U1 a VCC.
  • Conecta el Pin 7 de U1 a 0.

• Lógica de Entrada A (Mano izquierda):

  • Conecta un lado de SW1 a VCC.
  • Conecta el otro lado de SW1 al Nodo A.
  • Conecta R1 entre el Nodo A y el Nodo 0 (Pull-down).
  • Conecta el Pin 1 de U1 al Nodo A.

• Lógica de Entrada B (Mano derecha):

  • Conecta un lado de SW2 a VCC.
  • Conecta el otro lado de SW2 al Nodo B.
  • Conecta R2 entre el Nodo B y el Nodo 0 (Pull-down).
  • Conecta el Pin 2 de U1 al Nodo B.

• Lógica de Salida (Carga):

  • Conecta el Pin 3 de U1 al Nodo Y.
  • Conecta R3 entre el Nodo Y y el Nodo LED_ANODE.
  • Conecta el Ánodo de D1 al Nodo LED_ANODE.
  • Conecta el Cátodo de D1 al Nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Practical case: Safe Hydraulic Press Control

      [ INPUTS / SENSORS ]                  [ LOGIC PROCESSING ]                  [ OUTPUT / ACTUATOR ]

                                            +------------------+
(VCC) --> [ SW1: Left Hand ] --(Node A)---> |      Pin 1       |
               (NO Push)          |         |                  |
                                  v         |    U1: 74HC08    |
                              [ R1: 10k ]   |    (AND Gate)    |
                              (Pull-Down)   |                  | --(Node Y)--> [ R3: 330 ] --> [ D1: Green LED ] --> (GND)
                                  |         |      Pin 3       |               (Limit)         (Motor Active)
                                (GND)       |                  |
                                            |                  |
(VCC) --> [ SW2: Right Hand ]--(Node B)---> |      Pin 2       |
               (NO Push)          |         +------------------+
                                  v
                              [ R2: 10k ]
                              (Pull-Down)
                                  |
                                (GND)

Note: U1 Power Connections (Pin 14 to VCC, Pin 7 to GND) are implied for IC operation.

Tabla de verdad

Este circuito implementa la función booleana $Y = A \cdot B$.

Mediciones y pruebas

1. Preparación: Configura tu multímetro en modo de Voltaje CC. Enciende la fuente V1 (5 V).
2. Comprobación en reposo: Sin presionar ningún botón, mide el voltaje en el Nodo Y. Debería ser $\approx$ 0 V. El LED está APAGADO.
3. Prueba de un solo botón: Presiona y mantén presionado solo SW1. Mide el voltaje en el Nodo A ($\approx$ 5 V) y el Nodo Y ($\approx$ 0 V). El LED permanece APAGADO.
4. Prueba de un solo botón: Presiona y mantén presionado solo SW2. Mide el voltaje en el Nodo B ($\approx$ 5 V) y el Nodo Y ($\approx$ 0 V). El LED permanece APAGADO.
5. Activación simultánea: Presiona ambos SW1 y SW2. Mide el voltaje en el Nodo Y. Debería leer $\approx$ 3.5 V a 4.5 V (dependiendo de la familia lógica HC/LS específica y VCC). El LED se ENCIENDE.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Safe Hydraulic Press Control

.title Safe Hydraulic Press Control

*******************************************************************************
* Component Models
*******************************************************************************

* Pushbutton Switch Model (Ideal Voltage Controlled Switch)
* Simulates the mechanical contact closing when control voltage is high (> 2.5V)
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=10Meg)

* LED Model (Green)
* Standard Green LED parameters
.model LED_GREEN D(IS=1e-22 RS=10 N=2 BV=5 IBV=10u CJO=10p TT=10n)

* 74HC08 Quad 2-input AND Gate (Behavioral Model for Simulation)
* Implements one gate of the IC. 
* Pins: 1=InputA, 2=InputB, 3=OutputY, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC08_GATE 1 2 3 7 14
    * Behavioral Voltage Source using continuous Sigmoid function for convergence
    * Y = VCC * (Sigmoid(A) * Sigmoid(B))
    * Threshold centered at 2.5V with steep slope (k=50)
    B1 3 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(1) - 2.5)))) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(2) - 2.5))))
.ends

*******************************************************************************
* Main Power Supply
*******************************************************************************
* V1: 5V DC supply connected to Node VCC and Node 0 (GND)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Safe Hydraulic Press Control

.title Safe Hydraulic Press Control

*******************************************************************************
* Component Models
*******************************************************************************

* Pushbutton Switch Model (Ideal Voltage Controlled Switch)
* Simulates the mechanical contact closing when control voltage is high (> 2.5V)
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=10Meg)

* LED Model (Green)
* Standard Green LED parameters
.model LED_GREEN D(IS=1e-22 RS=10 N=2 BV=5 IBV=10u CJO=10p TT=10n)

* 74HC08 Quad 2-input AND Gate (Behavioral Model for Simulation)
* Implements one gate of the IC. 
* Pins: 1=InputA, 2=InputB, 3=OutputY, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC08_GATE 1 2 3 7 14
    * Behavioral Voltage Source using continuous Sigmoid function for convergence
    * Y = VCC * (Sigmoid(A) * Sigmoid(B))
    * Threshold centered at 2.5V with steep slope (k=50)
    B1 3 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(1) - 2.5)))) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(2) - 2.5))))
.ends

*******************************************************************************
* Main Power Supply
*******************************************************************************
* V1: 5V DC supply connected to Node VCC and Node 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

*******************************************************************************
* Input A Logic (Left Hand)
*******************************************************************************
* V_ACT_LEFT: Virtual actuator (Finger) for Left Button
* Generates a pulse: ON for 50us, OFF for 50us (Period 100us)
V_ACT_LEFT CTRL_LEFT 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)

* SW1: Left Safety Trigger
* Connects VCC to Node_A when CTRL_LEFT is High
S1 VCC Node_A CTRL_LEFT 0 SW_PUSH

* R1: 10k Pull-down resistor for Input A
R1 Node_A 0 10k

*******************************************************************************
* Input B Logic (Right Hand)
*******************************************************************************
* V_ACT_RIGHT: Virtual actuator (Finger) for Right Button
* Generates a pulse: ON for 100us, OFF for 100us (Period 200us)
* Timing creates overlap with Left button to test AND logic (1+1, 0+1, 1+0, 0+0)
V_ACT_RIGHT CTRL_RIGHT 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)

* SW2: Right Safety Trigger
* Connects VCC to Node_B when CTRL_RIGHT is High
S2 VCC Node_B CTRL_RIGHT 0 SW_PUSH

* R2: 10k Pull-down resistor for Input B
R2 Node_B 0 10k

*******************************************************************************
* Logic Processing (U1: 74HC08)
*******************************************************************************
* U1: AND Gate processing Left (A) and Right (B) inputs
* Connections: Pin1=Node_A, Pin2=Node_B, Pin3=Node_Y, Pin7=0(GND), Pin14=VCC
XU1 Node_A Node_B Node_Y 0 VCC 74HC08_GATE

*******************************************************************************
* Output Logic (Load)
*******************************************************************************
* R3: Current limiting resistor (330 Ohm)
R3 Node_Y Node_LED_ANODE 330

* D1: Green LED Indicator (Motor Active)
* Anode to R3, Cathode to GND
D1 Node_LED_ANODE 0 LED_GREEN

*******************************************************************************
* Simulation Commands
*******************************************************************************
* Transient analysis for 250us to cover full truth table sequence
.tran 1u 250u

* Print directives for logging signal states
.print tran V(Node_A) V(Node_B) V(Node_Y) V(Node_LED_ANODE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (786 rows)

Index   time            v(node_a)       v(node_b)       v(node_y)
0	0.000000e+00	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
1	1.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
2	2.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
3	4.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
4	8.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
5	1.600000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
6	3.200000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
7	3.600000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
8	4.300000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
9	4.493750e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
10	4.832812e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
11	5.162979e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
12	5.474468e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
13	5.779894e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
14	6.039341e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
15	6.320124e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
16	6.881690e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
17	8.004820e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
18	1.000000e-06	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
19	1.022463e-06	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
20	1.067388e-06	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
21	1.157238e-06	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
22	1.336939e-06	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
23	1.696341e-06	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
... (762 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Entradas flotantes: Olvidar R1 o R2 hace que las entradas «floten» cuando los botones están abiertos, lo que provoca un parpadeo errático del LED o disparos falsos. Solución: Asegúrate de que las resistencias pull-down conecten las entradas a tierra.
2. Confundir el 7408 con el 7400: El 7408 es una compuerta AND; el 7400 es una compuerta NAND. Si el LED está ENCENDIDO cuando no se presionan los botones, probablemente usaste el chip incorrecto. Solución: Verifica las marcas en el encapsulado del CI.
3. Polaridad del LED: El LED no se enciende incluso cuando la Lógica Y es Alta. Solución: Asegúrate de que la pata más larga (Ánodo) mire hacia la resistencia/CI y la pata más corta (Cátodo) mire hacia Tierra.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, independientemente de los botones.
  • Causa: Pines de entrada en cortocircuito a VCC o CI incorrecto (por ejemplo, compuerta OR 74HC32 usada por error).
  • Solución: Revisa el cableado en los Pines 1 y 2; verifica el número de parte del CI.
• Síntoma: El LED es muy tenue cuando se presionan ambos botones.
  • Causa: El valor de R3 es demasiado alto o VCC es demasiado bajo.
  • Solución: Asegúrate de que R3 sea de alrededor de 220 Ω a 330 Ω; comprueba que V1 sea de 5 V.
• Síntoma: El circuito funciona para un botón pero ignora el otro.
  • Causa: Interruptor roto o cable puente desconectado en una entrada.
  • Solución: Usa un multímetro para verificar la continuidad a través de SW1 y SW2 cuando se presionan.

Posibles mejoras y extensiones

1. Interfaz de potencia: Reemplaza el LED con un transistor NPN (como el 2N2222) y un relé para controlar un motor real de alto voltaje.
2. Interruptor de habilitación maestro: Agrega un tercer interruptor conectado a una tercera entrada (usando una compuerta AND de 3 entradas como el 74HC11) para actuar como un «Interruptor de llave» que debe estar activo antes de que funcionen los dos botones manuales.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

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