Caso práctico: Sistema de arranque de motor redundante

Prototipo de Sistema de arranque de motor redundante (Maker Style)

Nivel: Medio. Diseña un circuito de control para arrancar maquinaria industrial desde un panel principal o un mando remoto de seguridad.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito de control digital utilizando una compuerta lógica OR para operar un motor de CC de alta potencia a través de un relé. El sistema permite arrancar el motor desde dos ubicaciones físicas distintas: el panel de control principal o una estación de seguridad remota.

  • Redundancia operativa: Asegura que la maquinaria pueda activarse desde una ubicación secundaria si el panel primario es inaccesible.
  • Conveniencia: Permite a los operadores arrancar una cinta transportadora o un ventilador desde cualquier extremo de una línea de producción.
  • Aislamiento de señal: Utiliza lógica de bajo voltaje (5 V) para conmutar de forma segura una carga inductiva de alta potencia (motor) a través de un controlador de relé.

Resultado esperado:
* Presionar el Botón A (Principal) arranca el motor inmediatamente.
* Presionar el Botón B (Remoto) arranca el motor inmediatamente.
* La salida lógica Alta ($V_{OH}$) mide aproximadamente 5 V cuando se presiona cualquiera de los botones.
* El relé produce un «clic» audible y el motor de CC gira cuando se cumple la condición lógica.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con compuertas lógicas básicas y manejo de relés.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Lógica principal y alimentación del relé
  • U1: 74HC32, función: Cuádruple compuerta OR de 2 entradas
  • S1: Pulsador (normalmente abierto), función: Panel de arranque principal
  • S2: Pulsador (normalmente abierto), función: Mando de arranque remoto
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para Entrada A
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para Entrada B
  • R3: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitación de corriente de base del transistor
  • Q1: Transistor NPN 2N2222, función: Interruptor controlador del relé
  • D1: Diodo 1N4007, función: Protección flyback para la bobina del relé
  • K1: Relé de 5 V (SPDT), función: Conmutación de alta corriente
  • M1: Motor de 5 V CC, función: Simulación de carga industrial

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC32 (Cuádruple compuerta OR de 2 entradas)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada A Conectado al Nodo START_MAIN
2 1B Entrada B Conectado al Nodo START_REMOTE
3 1Y Salida Conectado al Nodo LOGIC_OUT
7 GND Tierra Conectado al Nodo 0
14 VCC Fuente de alimentación Conectado al Nodo VCC

Guía de conexionado

  • V1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (GND).
  • S1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo START_MAIN.
  • R1 se conecta entre el nodo START_MAIN y el nodo 0.
  • S2 se conecta entre el nodo VCC y el nodo START_REMOTE.
  • R2 se conecta entre el nodo START_REMOTE y el nodo 0.
  • U1 Pin 1 (1A) se conecta al nodo START_MAIN.
  • U1 Pin 2 (1B) se conecta al nodo START_REMOTE.
  • U1 Pin 3 (1Y) se conecta al nodo LOGIC_OUT.
  • U1 Pin 14 (VCC) se conecta al nodo VCC.
  • U1 Pin 7 (GND) se conecta al nodo 0.
  • R3 se conecta entre el nodo LOGIC_OUT y el nodo BASE_DRIVE.
  • Q1 Base se conecta al nodo BASE_DRIVE.
  • Q1 Emisor se conecta al nodo 0.
  • Q1 Colector se conecta al nodo RELAY_COIL_LO.
  • K1 Positivo de la bobina se conecta entre el nodo VCC y el nodo RELAY_COIL_LO (Nota: La bobina conecta VCC al Colector).
  • D1 se conecta entre el nodo RELAY_COIL_LO (Ánodo) y el nodo VCC (Cátodo) (Polarización inversa).
  • K1 Contacto común se conecta al nodo VCC.
  • K1 Contacto Normalmente Abierto (NO) se conecta al nodo MOTOR_PWR.
  • M1 se conecta entre el nodo MOTOR_PWR y el nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC32 OR gate

Esquemático

Practical case: Redundant motor starter system

      [ INPUTS ]                     [ LOGIC ]                     [ DRIVER ]                   [ OUTPUT / LOAD ]

 [ S1: Main Start ] --+
                      |
 [ R1: Pull-down  ] --+--(Pin 1)-->+------------+
                                   |            |
                                   | U1: 74HC32 |             (Base Sig)
                                   | (OR Gate)  |--(Pin 3)--> [ R3: 1k ] --> [ Q1: NPN ] --(Sink)--> [ K1: Relay Coil ]
                                   |            |                               |                    (w/ D1 Diode)
 [ S2: Remote Cmd ] --+--(Pin 2)-->+------------+                            [ GND ]                       |
                      |                                                                                (Magnetic)
 [ R2: Pull-down  ] --+                                                                                    |
                                                                                                           v
                                                                                                   [ K1: NO Contact ]
                                                                                                           |
                                                                                                     (Switched 5V)
                                                                                                           |
                                                                                                           v
                                                                                                    [ M1: DC Motor ]
                                                                                                           |
                                                                                                        [ GND ]
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Este sistema utiliza lógica positiva (activa en ALTO).

Entrada A (Principal) Entrada B (Remota) Salida Y (Lógica) Estado del relé Estado del motor
0 (Abierto) 0 (Abierto) 0 (Bajo) APAGADO Detenido
0 (Abierto) 1 (Presionado) 1 (Alto) ENCENDIDO En marcha
1 (Presionado) 0 (Abierto) 1 (Alto) ENCENDIDO En marcha
1 (Presionado) 1 (Presionado) 1 (Alto) ENCENDIDO En marcha

Mediciones y pruebas

  1. Validación de entrada ($V_{in_high}$): Sin presionar ningún botón, mida el voltaje en START_MAIN y START_REMOTE. Debería ser 0 V. Presione S1 y verifique que el voltaje suba a aprox. 5 V.
  2. Verificación de salida lógica ($V_{out_logic}$): Coloque una sonda de multímetro en el Pin 3 de U1. Presione S1 O S2. El voltaje debería saltar de cerca de 0 V a $\approx$ 5 V.
  3. Prueba de actuador (RPM del motor): Observe el motor. Debería girar cuando la salida lógica es Alta. Si utiliza un tacómetro, verifique que Motor_RPM sea consistente independientemente de qué botón (S1 o S2) activó el arranque.

Netlist SPICE y simulación

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

* Redundant motor starter system
* Created based on BOM and Wiring Guide

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC power supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Input Section ---
* S1: Pushbutton (Main Start)
* Wiring: Connects VCC to START_MAIN.
* Implementation: Voltage Controlled Switch driven by a Stimulus Pulse (V_ACT1)
* Timing: Period 200us, covers logic states 00, 10, 11, 01 combined with S2
V_ACT1 ACT1 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
S1 VCC START_MAIN ACT1 0 SW_PUSH

* R1: 10 kΩ resistor (Pull-down for Input A)
R1 START_MAIN 0 10k

* S2: Pushbutton (Remote Start)
* Wiring: Connects VCC to START_REMOTE.
* Implementation: Voltage Controlled Switch driven by a Stimulus Pulse (V_ACT2)
V_ACT2 ACT2 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 200u 400u)
S2 VCC START_REMOTE ACT2 0 SW_PUSH

* R2: 10 kΩ resistor (Pull-down for Input B)
R2 START_REMOTE 0 10k

* Model for Pushbuttons
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=10Meg)

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

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* Redundant motor starter system
* Created based on BOM and Wiring Guide

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC power supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Input Section ---
* S1: Pushbutton (Main Start)
* Wiring: Connects VCC to START_MAIN.
* Implementation: Voltage Controlled Switch driven by a Stimulus Pulse (V_ACT1)
* Timing: Period 200us, covers logic states 00, 10, 11, 01 combined with S2
V_ACT1 ACT1 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
S1 VCC START_MAIN ACT1 0 SW_PUSH

* R1: 10 kΩ resistor (Pull-down for Input A)
R1 START_MAIN 0 10k

* S2: Pushbutton (Remote Start)
* Wiring: Connects VCC to START_REMOTE.
* Implementation: Voltage Controlled Switch driven by a Stimulus Pulse (V_ACT2)
V_ACT2 ACT2 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 200u 400u)
S2 VCC START_REMOTE ACT2 0 SW_PUSH

* R2: 10 kΩ resistor (Pull-down for Input B)
R2 START_REMOTE 0 10k

* Model for Pushbuttons
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=10Meg)

* --- Logic Section ---
* U1: 74HC32 Quad 2-input OR gate
* Pins: 1(A), 2(B), 3(Y), 7(GND), 14(VCC)
* Implemented as a subcircuit to expose all pins
XU1 START_MAIN START_REMOTE LOGIC_OUT VCC 0 74HC32_OR

.subckt 74HC32_OR A B Y VCC GND
* Behavioral OR logic using continuous tanh function for convergence
* Logic: If (A + B) > Threshold(2.5V), Output High
* Function scales 0-1 range to 0-5V
B1 Y GND V = 5 * (tanh(10 * (V(A) + V(B) - 2.5)) + 1) / 2
.ends

* --- Driver Section ---
* R3: 1 kΩ resistor (Base current limiting)
R3 LOGIC_OUT BASE_DRIVE 1k

* Q1: 2N2222 NPN Transistor (Relay driver)
* Connections: Base=BASE_DRIVE, Collector=RELAY_COIL_LO, Emitter=0
Q1 RELAY_COIL_LO BASE_DRIVE 0 2N2222
.model 2N2222 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8p CJE=25p TR=46n TF=411p ITF=0.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10 RC=0.3 RE=0.2)

* --- Relay Section ---
* K1: 5 V Relay (SPDT)
* Coil Connection: VCC to RELAY_COIL_LO
* Modeled as Inductor + Series Resistance
L_K1 VCC K1_INT 10m
R_K1_COIL K1_INT RELAY_COIL_LO 100

* D1: 1N4007 Diode (Flyback protection)
* Connections: Anode=RELAY_COIL_LO, Cathode=VCC
D1 RELAY_COIL_LO VCC 1N4007
.model 1N4007 D(IS=7n RS=0.034 N=1.26 BV=1000 IBV=5u CJO=10p)

* Relay Contact Switch
* Wiring: Common(VCC) to NO(MOTOR_PWR)
* Controlled by voltage across the coil (VCC - RELAY_COIL_LO)
* Threshold set to 3V (Energized state)
S_K1 VCC MOTOR_PWR VCC RELAY_COIL_LO SW_RELAY
.model SW_RELAY SW(Vt=3.0 Ron=0.05 Roff=100Meg)

* --- Motor Load ---
* M1: 5 V DC Motor
* Wiring: MOTOR_PWR to 0
* Modeled as resistive load with slight inductance
R_M1 MOTOR_PWR M1_INT 20
L_M1 M1_INT 0 1m

* --- Simulation Directives ---
.op
.tran 1u 500u

* Print directive for transient analysis
.print tran V(START_MAIN) V(START_REMOTE) V(LOGIC_OUT) V(BASE_DRIVE) V(RELAY_COIL_LO) V(MOTOR_PWR)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1304 rows) 
Index   time            v(start_main)   v(start_remote) v(logic_out)
0	0.000000e+00	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
1	1.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
2	2.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
3	4.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
4	8.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
5	1.600000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
6	3.200000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
7	6.400000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
8	1.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
9	2.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
10	3.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
11	4.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
12	5.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
13	6.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
14	7.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
15	8.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
16	9.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
17	1.000000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
18	1.010000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
19	1.026000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
20	1.030750e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
21	1.039062e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
22	1.041363e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
23	1.045390e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	0.000000e+00
... (1280 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entradas flotantes: Olvidar R1 o R2 permite que los pines de entrada «floten», causando que el motor se encienda aleatoriamente debido al ruido electrostático. Utilice siempre resistencias pull-down con la serie 74HC.
  2. Falta del diodo flyback: Omitir D1 permite que los picos de alto voltaje de la bobina del relé destruyan Q1 o reinicien U1 cuando el motor se apaga. Instale siempre el diodo en paralelo inverso a la bobina.
  3. Manejar el relé directamente: Intentar alimentar la bobina del relé directamente desde el Pin 3 de U1 dañará el CI, ya que las compuertas lógicas no pueden suministrar suficiente corriente. Utilice siempre un transistor (Q1) como controlador.

Solución de problemas

  • Síntoma: El motor funciona continuamente y nunca se detiene.
    • Causa: Una entrada está flotando o en cortocircuito a VCC.
    • Solución: Verifique las conexiones de R1/R2 y asegúrese de que los botones no sean del tipo «Normalmente Cerrados».
  • Síntoma: La salida lógica se pone en Alto, pero el relé no hace clic.
    • Causa: El transistor Q1 no está conduciendo o R3 es demasiado alta.
    • Solución: Verifique el pin-out de Q1 (C-B-E) y asegúrese de que el emisor vaya a Tierra.
  • Síntoma: El sistema se reinicia o falla cuando el relé se apaga.
    • Causa: Ruido de retroceso inductivo (kickback).
    • Solución: Verifique que D1 esté instalado correctamente (Cátodo a VCC) y agregue un condensador de desacoplo de 100 nF cerca de VCC de U1.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Circuito de enclavamiento: Agregue un bucle de retroalimentación para que el motor permanezca encendido después de soltar el botón (estación de Marcha/Paro).
  2. Interbloqueo de seguridad: Agregue un 74HC08 (compuerta AND) en serie con un «Interruptor de seguridad» para que el motor solo funcione si la protección está cerrada Y se presiona un botón.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el componente principal utilizado para implementar la lógica de control en este circuito?




Pregunta 2: ¿Cuál es el voltaje de operación de la lógica de bajo voltaje utilizada en este diseño?




Pregunta 3: ¿Qué función cumple el relé en este circuito?




Pregunta 4: ¿Qué sucede si se presiona únicamente el Botón A (Panel Principal)?




Pregunta 5: ¿Qué tipo de carga se controla a través del relé en este caso práctico?




Pregunta 6: ¿Cuál es el propósito de la 'Redundancia operativa' mencionada en el objetivo?




Pregunta 7: ¿Qué valor aproximado debe tener la salida lógica Alta (V_OH) cuando se activa el circuito?




Pregunta 8: ¿Qué ventaja de 'Conveniencia' ofrece este diseño?




Pregunta 9: ¿Qué sucede si se presiona el Botón B (Remoto) en lugar del Botón A?




Pregunta 10: ¿Cuál es el nivel de dificultad asignado a este proyecto según el contexto?




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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