Nivel: Básico. Objetivo: Observar los efectos de la capacitancia parásita y el ruido en una entrada digital con una resistencia pull-down débil.
Objetivo y caso de uso
En este caso práctico, construirás un circuito inversor lógico accionado por un pulsador, pero utilizando intencionalmente una resistencia pull-down de valor extremadamente alto (10 MΩ) para crear un estado de entrada «débil».
- Demostrar Alta Impedancia: Entender por qué las entradas digitales no deben dejarse flotantes o con referencias débiles.
- Visualizar Efectos Parásitos: Ver cómo la capacitancia parásita de la protoboard crea retardos no deseados (constantes de tiempo RC).
- Susceptibilidad al Ruido: Observar cómo reacciona el circuito a la interferencia electromagnética (EMI) de tu mano o al zumbido de la red eléctrica.
Resultado esperado:
* Cuando se suelta el botón, el LED no cambiará de estado instantáneamente.
* El LED puede parpadear cuando mueves la mano cerca del cableado debido al ruido inducido.
* El voltaje de entrada mostrará un decaimiento lento en lugar de una caída brusca a 0 V.
Público objetivo: Principiantes en electrónica digital y puertas lógicas.
Materiales
- U1: 74HC04 (CI Inversor Séxtuple), función: Inversión lógica
- SW1: Interruptor de pulsador (NA), función: Disparador de señal de entrada
- R_PD: Resistencia de 10 MΩ, función: Pull-down débil para IN_WEAK (Fallo de diseño intencional)
- R_LED: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para la salida
- D1: LED rojo, función: Indicador de estado lógico
- V1: Fuente de alimentación de 5 V DC
- C_Parasitic: (Interno/Protoboard), aprox 10pF, función: capacitancia parásita (componente invisible)
Pin-out del 74HC04
Chip Seleccionado: 74HC04 (Inversor Séxtuple)
| Pin | Nombre | Función Lógica | Conexión en este caso |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 A | Entrada | Conectado a IN_WEAK |
| 2 | 1Y | Salida | Conectado a OUT |
| 7 | GND | Tierra | Conectado a 0 (GND) |
| 14 | VCC | Alimentación | Conectado a VCC (+5 V) |
Guía de conexionado
Construye el circuito siguiendo estas conexiones de nodos:
- V1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0.
- U1 (Pin 14) se conecta a VCC.
- U1 (Pin 7) se conecta a 0.
- SW1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo IN_WEAK.
- R_PD (10 MΩ) se conecta entre el nodo IN_WEAK y el nodo 0.
- U1 (Pin 1) se conecta al nodo IN_WEAK.
- U1 (Pin 2) se conecta al nodo OUT.
- R_LED se conecta entre el nodo OUT y el nodo LED_ANODE.
- D1 se conecta entre el nodo LED_ANODE (Ánodo) y el nodo 0 (Cátodo).
Nota: Dado que este es un inversor, cuando IN_WEAK está en Alto (Botón presionado), OUT está en Bajo (LED Apagado). Cuando IN_WEAK está en Bajo (Botón soltado), OUT está en Alto (LED Encendido).
Diagrama de bloques conceptual
Esquemático
Title: Practical case: Understanding High Impedance and Ghosting
(Input Stage: High Impedance) (Logic Stage) (Output Stage)
[ VCC ] [ VCC ]
| |
v v
[ SW1: Button ] --(Node: IN_WEAK)-------------> [ U1: 74HC04 ] --(Node: OUT)--> [ R_LED: 330R ] --> [ D1: LED ] --> GND
| ^
| |
+--> [ R_PD: 10M ] --> GND |
| [ GND ]
|
+--> [ C_Parasitic ] -> GND
--------------------------------------------------------------------------------
Key:
--> : Signal/Current Flow
[ ] : Component Block
IN_WEAK : The node susceptible to "Ghosting" due to weak pull-down (10M)
struggling to discharge C_Parasitic quickly.
Tabla de verdad (Puerta NOT estándar)
| Entrada (IN_WEAK) | Salida (OUT) | Estado del LED |
|---|---|---|
| Bajo (0 V) | Alto (5 V) | ENCENDIDO |
| Alto (5 V) | Bajo (0 V) | APAGADO |
Mediciones y pruebas
- Prueba estática: Presiona y mantén SW1. El LED debería APAGARSE. Suelta SW1. El LED debería ENCENDERSE.
- La prueba «Fantasma»: Con SW1 soltado (LED ENCENDIDO), mueve tu mano rápidamente cerca del cable
IN_WEAKsin tocarlo. ¿Parpadea el LED? - Medición de decaimiento: Conecta un multímetro (u osciloscopio si está disponible) a
IN_WEAK. Presiona SW1 (lee 5 V). Suelta SW1 y observa la caída de voltaje. Nota que tarda una fracción de segundo en estabilizarse a 0 V, a diferencia de un circuito estándar.
Netlist SPICE y simulación
Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)
* Practical case: Understanding High Impedance and Ghosting
.width out=256
* This circuit demonstrates the effect of a weak pull-down resistor and
* parasitic capacitance on a CMOS input node.
* --- Power Supply ---
* V1 connects between node VCC and node 0
V1 VCC 0 DC 5
* --- Input Stimulus (Button SW1) ---
* Modeled as a voltage-controlled switch to simulate physical button press.
* Control Source V_BTN_CTRL simulates the user's finger.
* Timing: Wait 100us, Press for 300us, Release.
V_BTN_CTRL CTRL 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 300u 1m)
* SW1 connects between node VCC and node IN_WEAK
* When CTRL is High (5V), Switch is ON (Low Resistance).
S1 VCC IN_WEAK CTRL 0 SW_IDEAL
* --- Input Network ---
* ... (truncated in public view) ...Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.
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* Practical case: Understanding High Impedance and Ghosting
.width out=256
* This circuit demonstrates the effect of a weak pull-down resistor and
* parasitic capacitance on a CMOS input node.
* --- Power Supply ---
* V1 connects between node VCC and node 0
V1 VCC 0 DC 5
* --- Input Stimulus (Button SW1) ---
* Modeled as a voltage-controlled switch to simulate physical button press.
* Control Source V_BTN_CTRL simulates the user's finger.
* Timing: Wait 100us, Press for 300us, Release.
V_BTN_CTRL CTRL 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 300u 1m)
* SW1 connects between node VCC and node IN_WEAK
* When CTRL is High (5V), Switch is ON (Low Resistance).
S1 VCC IN_WEAK CTRL 0 SW_IDEAL
* --- Input Network ---
* R_PD connects between node IN_WEAK and node 0
* Value is 10 Megohms (Weak pull-down)
R_PD IN_WEAK 0 10Meg
* C_Parasitic (Internal/Breadboard) on node IN_WEAK
* Represents stray capacitance causing RC delay with high-Z R_PD
C_Parasitic IN_WEAK 0 10p
* --- Logic IC U1: 74HC04 (Hex Inverter) ---
* Mapping: Pin 1=IN_WEAK, Pin 2=OUT, Pin 7=0(GND), Pin 14=VCC
* We model one gate of the hex inverter.
XU1 IN_WEAK OUT 0 VCC 74HC04_INV
* --- Output Network ---
* R_LED connects between node OUT and node LED_ANODE
R_LED OUT LED_ANODE 330
* D1 connects between node LED_ANODE (Anode) and node 0 (Cathode)
D1 LED_ANODE 0 LED_RED
* --- Models ---
* Switch Model: Threshold 2.5V, Low On-Resistance, High Off-Resistance
.model SW_IDEAL sw vt=2.5 vh=0 ron=1 roff=1G
* LED Model: Generic Red LED
.model LED_RED D (IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u CJO=10p)
* --- Subcircuits ---
* 74HC04 Inverter Behavioral Model
* Pins: 1=Input, 2=Output, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC04_INV 1 2 7 14
* Continuous Sigmoid function for robust convergence.
* Logic Threshold set to VCC/2.
* Output is inverted: High Input -> Low Output.
B_INV 2 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(20 * (V(1) - V(14)/2))))
.ends
* --- Simulation Directives ---
.op
* Transient analysis: 1us step, 1ms duration to capture pulse and decay
.tran 1u 1ms
* --- Output Printing ---
* Monitor Input, Output, and Control signal
.print tran V(IN_WEAK) V(OUT) V(LED_ANODE) V(CTRL)Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1053 rows)
Index time v(in_weak) v(out) v(led_anode) v(ctrl) 0 0.000000e+00 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536792e+00 0.000000e+00 1 1.000000e-08 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 2 2.000000e-08 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 3 4.000000e-08 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 4 8.000000e-08 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 5 1.600000e-07 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 6 3.200000e-07 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 7 6.400000e-07 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 8 1.280000e-06 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 9 2.280000e-06 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 10 3.280000e-06 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 11 4.280000e-06 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 12 5.280000e-06 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 13 6.280000e-06 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 14 7.280000e-06 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 15 8.280000e-06 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 16 9.280000e-06 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 17 1.028000e-05 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 18 1.128000e-05 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 19 1.228000e-05 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 20 1.328000e-05 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 21 1.428000e-05 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 22 1.528000e-05 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 23 1.628000e-05 4.950495e-02 5.000000e+00 1.536791e+00 0.000000e+00 ... (1029 more rows) ...
Errores comunes y cómo evitarlos
- Confundir valores de resistencias: Es fácil confundir 10 MΩ (Marrón-Negro-Azul) con 10 kΩ (Marrón-Negro-Naranja). Asegúrate de usar el rango de Mega-ohmios para ver el efecto.
- Polaridad del LED: Conectar el LED al revés resultará en que no haya luz en absoluto. Asegúrate de que la pata larga (Ánodo) mire hacia la resistencia y la pata corta (Cátodo) mire hacia Tierra.
- Entradas flotantes: Dejar entradas no utilizadas en el 74HC04 flotando puede causar oscilación. Conecta las entradas no utilizadas (Pines 3, 5, 9, 11, 13) a GND si el chip se comporta de manera errática.
Solución de problemas
- Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO y no se APAGA cuando se presiona el botón.
- Causa: El botón podría no estar haciendo buen contacto, o R_PD es demasiado pequeña (improbable aquí) o está mal colocada.
- Solución: Verifica la continuidad de SW1.
- Síntoma: El LED está siempre APAGADO.
- Causa: Lógica invertida incorrectamente o problema de alimentación.
- Solución: Verifica VCC en el Pin 14. Recuerda, para una puerta NOT, si la Entrada es Alta (o flota en Alto), la Salida es Baja (LED Apagado).
- Síntoma: El circuito funciona pero reacciona muy lentamente.
- Causa: Este es el comportamiento intencionado de este caso específico debido a RPD = 10 MΩ.
- Solución: Procede a la sección de Diagnóstico a continuación.
Diagnóstico y solución
🕵️ Ver Diagnóstico y Solución (Clic para revelar)
### 1. El Problema (Síntoma)
«El LED parpadea cuando mueves la mano cerca de él o tarda mucho tiempo en cambiar de estado. ¿Es un poltergeist?»
### 2. La Investigación
Mide el voltaje en la entrada (**IN_WEAK**) inmediatamente después de soltar el botón. ¡No cae a 0 V instantáneamente! Decae muy lentamente según la constante de tiempo (\tau = R × C).
### 3. La Revelación
La resistencia de 10 MΩ es tan alta que la pequeña capacitancia parásita de la protoboard (aprox. 10pF a 50pF) retiene la carga de voltaje. Además, la alta impedancia crea un efecto de antena, captando el ruido de red de 50/60Hz del entorno, causando el parpadeo.
### 4. La Solución
**Reemplaza R_PD con un valor estándar de 10 kΩ (Pull-down fuerte).**
Verifica que la señal sea ahora limpia, que el LED conmute instantáneamente y que el efecto fantasma desaparezca.
Posibles mejoras y extensiones
- Añadir un condensador: Coloca un condensador de 1 µF en paralelo con R_PD. Calcula la constante de tiempo \tau = R × C. Crearás un temporizador de retardo de varios segundos.
- Schmitt Trigger: Reemplaza el 74HC04 con un 74HC14 (Inversor Schmitt Trigger). Observa cómo la histéresis hace que la conmutación del LED sea «más ágil» incluso con el voltaje de entrada decayendo lentamente.
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Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).
