Caso práctico: Alarma de seguridad con NOR

Prototipo de Alarma de seguridad con NOR (Maker Style)

Nivel: Básico | Objetivo: Verificar la tabla de verdad de la compuerta NOR utilizando un circuito de alarma que se activa solo cuando ningún sensor detecta movimiento.

Objetivo y caso de uso

Construiremos un simulador de alarma de seguridad sencillo utilizando una compuerta NOR 74HC02. En este sistema, la alarma (un LED) se iluminará solo cuando todos los sensores de monitoreo conectados (representados por interruptores) indiquen un estado seguro y sin alteraciones (Cero lógico).

Por qué es útil:
* Demuestra aplicaciones de lógica negativa donde se requiere la ausencia de entradas para desencadenar una acción.
* Proporciona experiencia práctica con el comportamiento de las compuertas lógicas CMOS y los umbrales de nivel lógico.
* Imita los enclavamientos de seguridad del mundo real, como las guardas de máquinas, donde múltiples condiciones deben ser falsas para que el sistema funcione.
* Introduce el uso esencial de las resistencias pull-down para garantizar estados lógicos estables y predecibles.

Resultado esperado:
* El LED de salida se iluminará solo cuando ambos interruptores de los sensores estén abiertos (Cero lógico, 0 V).
* El LED de salida se apagará inmediatamente si uno o ambos interruptores se cierran (Uno lógico, 5 V).
* Los voltajes de entrada medirán cerca de 0 V cuando los interruptores estén abiertos, y cerca de 5 V cuando estén cerrados.
* El voltaje de salida seguirá estrictamente la tabla de verdad teórica de una compuerta lógica NOR.

Público objetivo: Principiantes en electrónica digital que aprenden sobre compuertas lógicas fundamentales y circuitos de control básicos.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC
  • U1: Compuerta NOR cuádruple de 2 entradas 74HC02
  • SW1: Interruptor SPST, función: entrada del sensor A
  • SW2: Interruptor SPST, función: entrada del sensor B
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para VA
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para VB
  • R3: Resistencia de 330 Ω, función: limitadora de corriente para el LED
  • D1: LED rojo, función: indicador de alarma activa

Pin-out del CI utilizado

CI seleccionado: 74HC02

PinNombreFunción lógicaConexión en este caso
11YSalida de la compuerta 1Se conecta a VOUT
21 AEntrada A de la compuerta 1Se conecta a VA
31BEntrada B de la compuerta 1Se conecta a VB
7GNDReferencia de tierraSe conecta a 0
14VCCVoltaje de alimentación positivoSe conecta a VCC

(Nota: Los pines 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12 y 13 pertenecen a las compuertas no utilizadas en el encapsulado del CI y, en un diseño permanente, lo ideal es que sus entradas estén conectadas a tierra para evitar estados flotantes CMOS).

Guía de conexionado

  • V1: Se conecta entre VCC y 0.
  • U1 (Pin 14): Se conecta a VCC.
  • U1 (Pin 7): Se conecta a 0.
  • SW1: Se conecta entre VCC y VA.
  • SW2: Se conecta entre VCC y VB.
  • R1: Se conecta entre VA y 0.
  • R2: Se conecta entre VB y 0.
  • U1 (Pin 2): Se conecta a VA.
  • U1 (Pin 3): Se conecta a VB.
  • U1 (Pin 1): Se conecta a VOUT.
  • R3: Se conecta entre VOUT y D1_A.
  • D1: Se conecta entre D1_A (ánodo) y 0 (cátodo).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — COMPUERTA 74HC02 NOR Logic
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

VCC   GND
                                           |     |
                                        (Pin14)(Pin7)
VCC --> [ SW1: Sensor A ] --(VA)--> [                   ]
[ VA ] ---> [ R1: 10 kΩ ] ---> GND   [ Pin 2             ]
                                    [ U1: 74HC02 NOR    ] --(Pin 1: VOUT)--> [ R3: 330 Ω ] --> [ D1: Red LED ] --> GND
VCC --> [ SW2: Sensor B ] --(VB)--> [ Pin 3             ]
[ VB ] ---> [ R2: 10 kΩ ] ---> GND   [                   ]
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico del caso: Alarma de seguridad con NOR
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.
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Tabla de verdad

Entrada A (VA)Entrada B (VB)Salida Y (VOUT)Estado de la alarma
001LED ENCENDIDO
010LED APAGADO
100LED APAGADO
110LED APAGADO


Mediciones y pruebas

  1. Verificación de alimentación: Con la fuente de alimentación conectada, utiliza un multímetro para medir el voltaje entre los nodos VCC y 0. Asegúrate de que sea estrictamente 5 V.
  2. Prueba de estado de reposo (0, 0): Deja tanto SW1 como SW2 abiertos. Mide los nodos VA y VB con respecto a tierra; deben ser 0 V. Mide VOUT; debe marcar cerca de 5 V, y el LED debe estar ENCENDIDO.
  3. Prueba de un solo sensor (1, 0 / 0, 1): Cierra SW1 (dejando SW2 abierto). Mide VA; debe ser 5 V. Mide VOUT; debe caer inmediatamente a 0 V, y el LED debe APAGARSE. Repite el proceso abriendo SW1 y cerrando SW2.
  4. Prueba de doble sensor (1, 1): Cierra tanto SW1 como SW2. Confirma que tanto VA como VB midan 5 V. Mide VOUT para verificar que se mantenga en 0 V (LED APAGADO).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Security alarm with NOR
.width out=256

* Power supply
V1 VCC 0 DC 5

* Dynamic stimuli for user pressing the switches
VctrlA ctrlA 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
VctrlB ctrlB 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)

* Switches representing SW1 and SW2
SW1 VCC VA ctrlA 0 SWMOD
SW2 VCC VB ctrlB 0 SWMOD
.model SWMOD SW(VT=2.5 VH=0.2 RON=1 ROFF=100MEG)

* Pull-down resistors
R1 VA 0 10k
R2 VB 0 10k

* NOR Gate 74HC02 (U1)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Security alarm with NOR
.width out=256

* Power supply
V1 VCC 0 DC 5

* Dynamic stimuli for user pressing the switches
VctrlA ctrlA 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
VctrlB ctrlB 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)

* Switches representing SW1 and SW2
SW1 VCC VA ctrlA 0 SWMOD
SW2 VCC VB ctrlB 0 SWMOD
.model SWMOD SW(VT=2.5 VH=0.2 RON=1 ROFF=100MEG)

* Pull-down resistors
R1 VA 0 10k
R2 VB 0 10k

* NOR Gate 74HC02 (U1)
* Pins: 1=VOUT, 2=VA, 3=VB, 7=0, 14=VCC
XU1 VOUT VA VB 0 VCC NOR2

* Output components
R3 VOUT D1_A 330
D1 D1_A 0 DLED

* Models
.model DLED D(IS=1e-19 N=1.6 RS=10)

* Subcircuits
.subckt NOR2 out in1 in2 gnd vcc
* Robust continuous behavior for NOR logic
B1 out gnd V = V(vcc) * (1 / (1 + exp(20*(V(in1)-2.5)))) * (1 / (1 + exp(20*(V(in2)-2.5))))
.ends

* Analysis
.tran 1u 300u
.print tran V(VA) V(VB) V(VOUT) V(D1_A)
.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Análisis: The transient analysis spans 0 s to 300 us and captures the switching interval. Main ranges: v(vout) 1.9e-37 uV -> 5 V; v(va) 500 uV -> 5 V; v(vb) 500 uV -> 5 V.
Show raw data table (417 rows)
Index   time            v(va)           v(vb)           v(vout)         v(d1_a)
0	0.000000e+00	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
1	1.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
2	2.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
3	4.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
4	8.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
5	1.600000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
6	3.200000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
7	3.637500e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
8	4.403125e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
9	4.615039e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
10	4.985889e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
11	5.088535e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
12	5.268165e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.719109e+00
13	5.467041e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	1.897609e-43	8.840581e-30
14	5.864794e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	1.897609e-43	3.298742e-17
15	6.660299e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	1.897609e-43	7.028545e-34
16	8.251311e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	1.897609e-43	7.526757e-34
17	1.000000e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	1.897609e-43	1.897616e-43
18	1.031820e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	1.897609e-43	1.897608e-43
19	1.095461e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	1.897609e-43	1.897609e-43
20	1.222742e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	1.897609e-43	1.897609e-43
21	1.477303e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	1.897609e-43	1.897609e-43
22	1.986427e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	1.897609e-43	1.897609e-43
23	2.986427e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	1.897609e-43	1.897609e-43
... (393 more rows) ...


Netlist SPICE de referencia (ngspice)

* Practical case: Security alarm with NOR
.width out=256

* Power supply
V1 VCC 0 DC 5

* Dynamic stimuli for user pressing the switches
VctrlA ctrlA 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
VctrlB ctrlB 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)

* Switches representing SW1 and SW2
SW1 VCC VA ctrlA 0 SWMOD
SW2 VCC VB ctrlB 0 SWMOD
.model SWMOD SW(VT=2.5 VH=0.2 RON=1 ROFF=100MEG)

* Pull-down resistors
R1 VA 0 10k
R2 VB 0 10k

* NOR Gate 74HC02 (U1)
* Pins: 1=VOUT, 2=VA, 3=VB, 7=0, 14=VCC
XU1 VOUT VA VB 0 VCC NOR2

* Output components
R3 VOUT D1_A 330
D1 D1_A 0 DLED

* Models
.model DLED D(IS=1e-19 N=1.6 RS=10)

* Subcircuits
.subckt NOR2 out in1 in2 gnd vcc
* Robust continuous behavior for NOR logic
B1 out gnd V = V(vcc) * (1 / (1 + exp(20*(V(in1)-2.5)))) * (1 / (1 + exp(20*(V(in2)-2.5))))
.ends

* Analysis
.tran 1u 300u
.print tran V(VA) V(VB) V(VOUT) V(D1_A)
.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Análisis: The transient analysis spans 0 s to 300 us and captures the switching interval. Main ranges: v(vout) 1.9e-37 uV -> 5 V; v(va) 500 uV -> 5 V; v(vb) 500 uV -> 5 V.

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Interpretar mal el pin-out del 74HC02: A diferencia de las compuertas AND/OR estándar (donde los pines 1 y 2 son entradas y el 3 es la salida), el 74HC02 tiene su salida en el pin 1, y las entradas en los pines 2 y 3. Conectarlo como un 74HC08 provocará cortocircuitos y fallas en los componentes.
  2. Entradas flotantes (Falta de resistencias pull-down): Omitir R1 o R2 deja las entradas CMOS flotando cuando los interruptores están abiertos. Esto hace que la salida oscile o cambie aleatoriamente debido al ruido electromagnético ambiental. Asegúrate siempre de que tus entradas tengan un camino definido hacia tierra.
  3. Invertir la polaridad del LED: Conectar el LED al revés (ánodo a tierra) evitará que se encienda, incluso si la compuerta entrega un estado de Uno lógico (5 V) correcto a la salida.


Solución de problemas

  • Síntoma: El LED siempre está APAGADO, incluso cuando ambos interruptores están abiertos.
  • Causa: Entradas flotantes que actúan como nivel lógico ALTO, o un conexionado incorrecto en el pin 1 (Salida).
  • Solución: Verifica que R1 y R2 estén conectados correctamente entre los nodos de entrada (VA, VB) y tierra (0). Comprueba nuevamente que el LED esté conectado al pin 1, no al pin 3.
  • Síntoma: El CI se calienta excesivamente al tacto.
  • Causa: Los pines de alimentación (VCC y 0) están invertidos, o un pin de salida está en cortocircuito directo a tierra o a VCC.
  • Solución: Desconecta la alimentación inmediatamente. Verifica que el pin 14 vaya estrictamente a VCC y el pin 7 vaya estrictamente a 0.
  • Síntoma: La alarma se activa (el LED se ENCIENDE) cuando se cierra cualquier interruptor, en lugar de cuando están abiertos.
  • Causa: Uso de una compuerta OR (74HC32) en lugar de una compuerta NOR (74HC02), o uso de resistencias pull-up en lugar de pull-downs.
  • Solución: Revisa las marcas en el encapsulado del CI para asegurarte de que sea un 74HC02, y verifica que R1 y R2 estén conectados a tierra (0).

Posibles mejoras y extensiones

  1. Integración de alarma audible: Reemplaza o coloca en paralelo al LED indicador un zumbador piezoeléctrico activo de 5 V de baja corriente para crear un sistema de advertencia de seguridad más realista.
  2. Expansión del sistema: Conecta en cascada varias compuertas NOR o combínalas con compuertas OR para expandir el sistema de una alarma de 2 sensores a una configuración de 4 sensores, manteniendo la regla de que ningún sensor debe estar activo para activar la salida.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué componente principal se utiliza como compuerta lógica en este proyecto?




Pregunta 3: ¿En qué condición se iluminará la alarma (el LED) en este circuito?




Pregunta 4: ¿Qué tipo de lógica demuestra este circuito de alarma?




Pregunta 5: ¿Qué componente se introduce para garantizar estados lógicos estables y predecibles?




Pregunta 6: ¿Qué sucede con el LED de salida si uno o ambos interruptores se cierran (Uno lógico, 5 V)?




Pregunta 7: ¿Qué voltaje aproximado medirán las entradas cuando los interruptores estén abiertos?




Pregunta 8: ¿Qué voltaje aproximado medirán las entradas cuando los interruptores estén cerrados?




Pregunta 9: ¿A qué tipo de sistemas del mundo real imita este circuito?




Pregunta 10: ¿A qué público 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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