Caso práctico: Alarma de puerta abierta

Prototipo de Alarma de puerta abierta (Maker Style)

Nivel: Básico. Objetivo: Construir un circuito lógico utilizando una compuerta NOT que active un LED cuando se abra el contacto de un interruptor.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito de monitoreo digital que ilumina un indicador LED cada vez que un interruptor (que representa un sensor de puerta) rompe el contacto. Esto demuestra el funcionamiento fundamental de la compuerta NOT (Inversor) en la lógica de seguridad.

  • Por qué es útil:

    • Seguridad en el hogar: Principio básico detrás de los interruptores magnéticos (reed switches) utilizados en ventanas y puertas.
    • Seguridad de electrodomésticos: Asegura que dispositivos como microondas o lavadoras no funcionen si la puerta está abierta.
    • Enclavamientos industriales: Sistemas de advertencia visual para protecciones de maquinaria.

  • Resultado esperado:

    • Puerta cerrada (Interruptor cerrado): Lógica de entrada Alta (5V), Lógica de salida Baja (0V), LED APAGADO.
    • Puerta abierta (Interruptor abierto): Lógica de entrada Baja (0V), Lógica de salida Alta (5V), LED ENCENDIDO.
    • Público objetivo y nivel: Estudiantes de introducción a la electrónica (Básico).

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Fuente de energía principal
  • U1: 74HC04, función: Inversor séxtuple (lógica de compuerta NOT)
  • SW1: Interruptor SPST, función: Simula el sensor de la puerta (Cerrado = Puerta cerrada)
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para la entrada de U1
  • R2: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED
  • D1: LED rojo, función: Indicador visual de alarma

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC04 (Inversor séxtuple)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada Conectado a SW1 y R1
2 1Y Salida Conectado a la resistencia del LED R2
7 GND Tierra Conectado a 0V (Tierra de la fuente de alimentación)
14 VCC Alimentación Conectado a 5V (Positivo de la fuente de alimentación)

Guía de conexionado

  • VCC se conecta al terminal positivo de V1, al pin 14 de U1 y a un lado de SW1.
  • 0 (GND) se conecta al terminal negativo de V1, al pin 7 de U1, a R1 y al cátodo de D1.
  • ESTADO_PUERTA (Nodo A) se conecta al otro lado de SW1, al otro lado de R1 y al pin 1 de U1.
  • SALIDA_ALARMA (Nodo Y) se conecta al pin 2 de U1 y a un lado de R2.
  • ÁNODO_LED se conecta al otro lado de R2 y al ánodo de D1.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate

Esquemático

[ INPUT / SENSOR ]                 [ LOGIC PROCESSING ]               [ OUTPUT / ALARM ]

    [ VCC (5V Source) ]
             |
             v
    [ SW1 (Door Switch) ]
             |
             v
          (Node A) -------------------->+------------------+
             |                          |    U1: 74HC04    |
             v                          |    (NOT Gate)    | --(Pin 2)--> [ R2: 330Ω ] --> [ D1: LED ] --> GND
    [ R1 (10k Pull-down) ]              |  Input: Pin 1    |
             |                          +------------------+
             v
            GND
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Estado de la puerta Interruptor (SW1) Voltaje de entrada (Pin 1) Entrada lógica Salida lógica (Pin 2) Estado del LED
Cerrada Cerrado 5 V (Alto) 1 0 APAGADO
Abierta Abierto 0 V (Bajo) 0 1 ENCENDIDO

Mediciones y pruebas

  1. Comprobación de alimentación: Antes de insertar el CI, verifica que V1 proporcione exactamente 5 V.
  2. Estado 1 (Seguro): Cierra SW1. Mide el voltaje en el Pin 1 (Entrada). Debería ser ~5 V. Mide el Pin 2 (Salida). Debería ser ~0 V. Verifica que el LED esté APAGADO.
  3. Estado 2 (Alarma): Abre SW1. Mide el voltaje en el Pin 1 (Entrada). Debería caer a 0 V (llevado a tierra por R1). Mide el Pin 2 (Salida). Debería subir a ~5 V. Verifica que el LED esté ENCENDIDO.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Open door alarm
*
* BILL OF MATERIALS:
* V1: 5V DC Supply
* U1: 74HC04 Hex Inverter (Behavioral Model)
* SW1: SPST Switch (Modeled as Voltage-Controlled Switch)
* R1: 10k Pull-down Resistor
* R2: 330 Ohm Current Limiting Resistor
* D1: Red LED
*
* WIRING CONNECTIONS:
* VCC: V1(+), U1(14), SW1(1)
* GND: V1(-), U1(7), R1(2), D1(Cathode)
* DOOR_STATUS: SW1(2), R1(1), U1(1)
* ALARM_OUT: U1(2), R2(1)
* LED_ANODE: R2(2), D1(Anode)

* --- Main Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 5

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

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* Practical case: Open door alarm
*
* BILL OF MATERIALS:
* V1: 5V DC Supply
* U1: 74HC04 Hex Inverter (Behavioral Model)
* SW1: SPST Switch (Modeled as Voltage-Controlled Switch)
* R1: 10k Pull-down Resistor
* R2: 330 Ohm Current Limiting Resistor
* D1: Red LED
*
* WIRING CONNECTIONS:
* VCC: V1(+), U1(14), SW1(1)
* GND: V1(-), U1(7), R1(2), D1(Cathode)
* DOOR_STATUS: SW1(2), R1(1), U1(1)
* ALARM_OUT: U1(2), R2(1)
* LED_ANODE: R2(2), D1(Anode)

* --- Main Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 5

* --- User Interaction (Door Sensor) ---
* Model SW1 as a voltage-controlled switch S1 driven by a pulse source.
* Logic: Control High = Switch Closed (Door Closed). Control Low = Switch Open (Door Open).
* Pulse: Starts 0V (Open/Alarm ON), goes to 5V (Closed/Alarm OFF) at 1ms, stays for 2ms.
V_SW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 1m 10u 10u 2m 5m)

* S1 connects VCC to DOOR_STATUS when SW_CTRL is High.
S1 VCC DOOR_STATUS SW_CTRL 0 SW_DOOR
.model SW_DOOR SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)

* --- Pull-down Resistor ---
R1 DOOR_STATUS 0 10k

* --- 74HC04 Hex Inverter (U1) ---
* Implements NOT gate logic: ALARM_OUT = NOT(DOOR_STATUS)
* Pin mapping: 1=In, 2=Out, 7=GND, 14=VCC
XU1 DOOR_STATUS ALARM_OUT 0 VCC 74HC04_GATE

* --- Output Stage ---
R2 ALARM_OUT LED_ANODE 330
D1 LED_ANODE 0 D_RED

* --- Models and Subcircuits ---

* LED Model
.model D_RED D(IS=1e-22 RS=6 N=1.5 CJO=50p BV=5 IBV=10u)

* 74HC04 Single Gate Behavioral Model
* Pins: In Out GND VCC
.subckt 74HC04_GATE 1 2 7 14
* Continuous sigmoid function for robust NOT logic
* Vout goes Low when Vin > 2.5V, High when Vin < 2.5V
B_INV 2 7 V = V(14,7) * (1 / (1 + exp(50 * (V(1,7) - 2.5))))
.ends

* --- Simulation Directives ---
.tran 10u 5ms
.op

* --- Output Printing ---
.print tran V(DOOR_STATUS) V(ALARM_OUT) V(LED_ANODE) V(SW_CTRL)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1126 rows) 
Index   time            v(door_status)  v(alarm_out)    v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
1	1.000000e-07	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
2	2.000000e-07	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
3	4.000000e-07	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
4	8.000000e-07	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
5	1.600000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
6	3.200000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
7	6.400000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
8	1.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
9	2.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
10	3.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
11	4.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
12	5.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
13	6.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
14	7.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
15	8.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
16	9.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
17	1.028000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
18	1.128000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
19	1.228000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
20	1.328000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
21	1.428000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
22	1.528000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
23	1.628000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
... (1102 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entrada flotante: Olvidar la resistencia pull-down (R1). Sin R1, cuando el interruptor se abre, el pin de entrada queda flotando y el LED puede parpadear o permanecer en un estado impredecible. Siempre conecta las entradas CMOS a un nivel lógico definido.
  2. Sin resistencia para el LED: Conectar el LED directamente a la salida del 74HC04 sin R2. Esto puede quemar el LED o dañar la etapa de salida del CI debido a una corriente excesiva.
  3. Polaridad incorrecta: Insertar el LED al revés (ánodo a tierra). El LED nunca se encenderá. Asegúrate de que la pata más larga (ánodo) mire hacia la resistencia que viene del CI.

Solución de problemas

  • LED siempre ENCENDIDO: Comprueba si SW1 se está cerrando realmente. Si usas un pulsador, asegúrate de que esté conectado a VCC. Verifica que R1 esté conectado a Tierra.
  • LED siempre APAGADO: Comprueba si el 74HC04 tiene alimentación (Pin 14) y Tierra (Pin 7). Comprueba la polaridad del LED. Asegúrate de que SW1 esté desconectando realmente VCC cuando está «Abierto».
  • El LED es tenue: El valor de R2 podría ser demasiado alto (por ejemplo, 10 kΩ en lugar de 330 Ω) o la fuente de 5V está cayendo.
  • El CI se calienta: Desconecta la alimentación inmediatamente. Busca cortocircuitos entre la Salida (Pin 2) y Tierra, o si el chip está insertado al revés.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Alarma sonora: Conecta un transistor NPN y un zumbador a la salida para generar sonido junto con la luz cuando se abra la puerta.
  2. Circuito de enclavamiento: Añade un bucle de retroalimentación o un Flip-Flop para que, una vez que se active la alarma, permanezca ENCENDIDA incluso si la puerta se cierra de nuevo, requiriendo un botón de reinicio manual.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué componente lógico fundamental se utiliza en este proyecto?




Pregunta 3: ¿Qué representa el interruptor en el contexto del caso de uso?




Pregunta 4: ¿Cuál es el estado del LED cuando la puerta está cerrada (interruptor cerrado)?




Pregunta 5: Según el texto, ¿qué voltaje de entrada (lógica) se tiene cuando el interruptor está cerrado?




Pregunta 6: Si el interruptor está abierto (puerta abierta), ¿cuál es el estado lógico de la salida?




Pregunta 7: ¿Cuál es un ejemplo de uso en la seguridad de electrodomésticos mencionado?




Pregunta 8: ¿Qué sucede con la lógica de entrada cuando el interruptor se abre?




Pregunta 9: ¿Cuál de los siguientes es un ejemplo de uso real mencionado para este circuito?




Pregunta 10: ¿A qué público objetivo está dirigido este proyecto?




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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