Caso práctico: Conmutación de luz desde dos puntos

Prototipo de Conmutación de luz desde dos puntos (Maker Style)

Nivel: Medio. Implemente una función lógica XOR utilizando puertas NAND universales para controlar una fuente de luz desde dos ubicaciones independientes.

Objetivo y caso de uso

En este caso, construirá un circuito lógico digital que replica un sistema de conmutación residencial de 2 vías (luz de pasillo) utilizando un solo CI 74HC00 de cuádruple puerta NAND. Al combinar cuatro puertas NAND, sintetizará la función O-Exclusiva (XOR), demostrando que las puertas NAND son bloques de construcción «universales».

Por qué es útil:
* Simulación de cableado residencial: Demuestra cómo dos interruptores pueden alternar independientemente una sola carga (lógica de pasillo/escalera).
* Síntesis de lógica digital: Enseña cómo construir lógica compleja (XOR) a partir de puertas universales básicas (NAND).
* Circuitos aritméticos: Esta topología XOR específica es el componente fundamental de un «Semisumador» digital utilizado en las ALU de las CPU.
* Detección de errores: La lógica XOR se utiliza para calcular bits de paridad para la transmisión de datos.

Resultado esperado:
* Estado 00: Cuando ambos interruptores están OFF, el LED está OFF.
* Estado 01/10: Cuando solo un interruptor está ON, el LED está ON (Nivel lógico alto > 3.5 V).
* Estado 11: Cuando ambos interruptores están ON, el LED está OFF.
* Universalidad: Demostración exitosa de que 4 puertas NAND = 1 puerta XOR.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con las puertas lógicas básicas.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Alimentación del circuito principal.
  • U1: 74HC00, función: CI de cuádruple puerta NAND de 2 entradas.
  • S1: Interruptor SPST, función: Entrada A (Interruptor 1).
  • S2: Interruptor SPST, función: Entrada B (Interruptor 2).
  • 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 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED.
  • D1: LED rojo, función: Indicador de salida (Luz).

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC00 (Cuádruple puerta NAND de 2 entradas)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1 A Entrada Puerta 1 Conectar al nodo INPUT_A
2 1B Entrada Puerta 1 Conectar al nodo INPUT_B
3 1Y Salida Puerta 1 Nodo interno NAND_1_OUT
4 2 A Entrada Puerta 2 Conectar al nodo INPUT_A
5 2B Entrada Puerta 2 Conectar al nodo NAND_1_OUT
6 2Y Salida Puerta 2 Nodo interno NAND_2_OUT
7 GND Tierra Conectar al nodo 0 (GND)
8 3Y Salida Puerta 3 Nodo interno NAND_3_OUT
9 3 A Entrada Puerta 3 Conectar al nodo NAND_1_OUT
10 3B Entrada Puerta 3 Conectar al nodo INPUT_B
11 4Y Salida Puerta 4 Conectar al nodo FINAL_OUT
12 4 A Entrada Puerta 4 Conectar al nodo NAND_2_OUT
13 4B Entrada Puerta 4 Conectar al nodo NAND_3_OUT
14 VCC Alimentación Conectar al nodo VCC (+5 V)

Guía de conexionado

  • V1: Conectar el terminal positivo al nodo VCC y el terminal negativo al nodo 0.
  • U1 (Alimentación): Conectar el Pin 14 a VCC y el Pin 7 a 0.
  • S1: Conectar un lado a VCC y el otro al nodo INPUT_A.
  • R1: Conectar entre el nodo INPUT_A y el nodo 0.
  • S2: Conectar un lado a VCC y el otro al nodo INPUT_B.
  • R2: Conectar entre el nodo INPUT_B y el nodo 0.
  • U1 (Puerta 1): Conectar el Pin 1 a INPUT_A, el Pin 2 a INPUT_B. El Pin 3 es el nodo NAND_1_OUT.
  • U1 (Puerta 2): Conectar el Pin 4 a INPUT_A, el Pin 5 a NAND_1_OUT. El Pin 6 es el nodo NAND_2_OUT.
  • U1 (Puerta 3): Conectar el Pin 10 a INPUT_B, el Pin 9 a NAND_1_OUT. El Pin 8 es el nodo NAND_3_OUT.
  • U1 (Puerta 4): Conectar el Pin 12 a NAND_2_OUT, el Pin 13 a NAND_3_OUT. El Pin 11 es el nodo FINAL_OUT.
  • R3: Conectar entre el nodo FINAL_OUT y el Ánodo de D1.
  • D1: Conectar el Cátodo al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC00 NAND gate
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Title: Practical case: Light switching from two points (XOR Logic)

INPUT STAGE                  LOGIC PROCESSING (74HC00)                  OUTPUT STAGE
(User Controls)              (NAND-based XOR Circuit)                   (Indicator)

                                     (Pin 4)
VCC --> [ S1 ] --(Node A)----------> [ U1:Gate 2 ] --(NAND_2)--\
          |                          (Pin 5,6)                  \
       [ R1 ]                            ^                       \
          v                              |                        \
         GND                        (NAND_1_OUT)                   \
                                         |                          \
                                         |                           \
(Node A) & (Node B) -----------> [ U1:Gate 1 ]                        --> [ U1:Gate 4 ] --(FINAL)--> [ R3 ] --> [ D1: LED ] --> GND
                                 (Pin 1,2->3)                        /    (Pin 12,13->11)
                                         |                          /
                                         |                         /
                                    (NAND_1_OUT)                  /
          ^                              |                       /
       [ R2 ]                            v                      /
          |                          (Pin 9)                   /
VCC --> [ S2 ] --(Node B)----------> [ U1:Gate 3 ] --(NAND_3)-/
                                     (Pin 10,8)
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Interruptor A (S1) Interruptor B (S2) Estado del LED (D1) Función lógica
0 (OFF) 0 (OFF) OFF (0) Sin entrada activa
0 (OFF) 1 (ON) ON (1) Entradas diferentes
1 (ON) 0 (OFF) ON (1) Entradas diferentes
1 (ON) 1 (ON) OFF (0) Entradas coinciden

Mediciones y pruebas

  1. Comprobación del estado inicial: Asegúrese de que ambos S1 y S2 estén abiertos. Mida el voltaje en el Pin 11 (FINAL_OUT). Debería ser < 0.5 V (Lógica 0). D1 debería estar apagado.
  2. Conmutación del primer interruptor: Cierre solo S1. Mida el voltaje en el Pin 11. Debería estar cerca de 5 V (Lógica 1). D1 debería encenderse.
  3. Conmutación del segundo interruptor: Abra S1 y cierre S2. Observe D1. Debería encenderse de nuevo (Lógica 1).
  4. Comprobación de colisión: Cierre S1 y S2 simultáneamente. Mida el voltaje en el Pin 3 (NAND_1_OUT). Dado que ambas entradas están en Alto (High), el Pin 3 debe estar en Bajo (Low). En consecuencia, el Pin 11 (FINAL_OUT) debería pasar a Bajo (Low), apagando D1.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice)

* Practical case: Light switching from two points
* Title: Light switching from two points

* ==============================================================================
* COMPONENT MODELS
* ==============================================================================

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

* Voltage Controlled Switch Model for Buttons
* Vt=2.5V threshold, Ron=1 ohm, Roff=10Meg ohm
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=10Meg)

* ==============================================================================
* MAIN CIRCUIT
* ==============================================================================

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC power supply
* ... (truncated in public view) ...

Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.

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Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation confirms the XOR logic behavior required for 2-way switching. When inputs differ (e.g., t=51us: A=0, B=1 -> Out=5V; t=101us: A=1, B=1 -> Out=0V; t=180us: A=1, B=0 -> Out=5V), the LED is ON (approx 1.88V drop). When inputs match (0,0 or 1,1), the output is near 0V.
Show raw data table (773 rows) 
Index   time            v(input_a)      v(input_b)      v(final_out)    v(led_node)
0	0.000000e+00	4.995005e-03	4.995005e-03	-3.70921e-68	-1.32951e-36
1	1.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	-3.70921e-68	-3.37339e-37
2	2.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	-3.70921e-68	1.661518e-37
3	4.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	-3.70921e-68	2.976605e-37
4	8.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	-3.70921e-68	8.146600e-38
5	1.600000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	-3.70921e-68	-2.74917e-38
6	3.200000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	-3.70921e-68	-1.00046e-38
7	3.562500e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	-3.70921e-68	-9.54478e-40
8	4.196875e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	-3.70921e-68	1.440911e-39
9	4.372461e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	-3.70921e-68	5.873353e-40
10	4.679736e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	-3.70921e-68	-1.64244e-40
11	5.019934e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	5.471353e-16
12	5.700330e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	1.883035e-16
13	7.061121e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	-1.89304e-16
14	9.782703e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	1.713539e-16
15	1.000000e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	-8.76370e-17
16	1.043459e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	2.969253e-18
17	1.130378e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	1.336375e-17
18	1.304216e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	1.285658e-18
19	1.651892e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	-4.38731e-19
20	2.347244e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	-3.76487e-20
21	3.347244e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	3.641502e-21
22	4.347244e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	3.034717e-22
23	5.347244e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	-3.70921e-68	-2.04956e-23
... (749 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entradas flotantes: Olvidar R1 o R2 hace que las entradas «floten», a menudo leyéndose como Alto (High) debido al ruido electromagnético. Solución: Asegúrese siempre de que las entradas estén conectadas a Tierra (Ground) cuando el interruptor esté abierto.
  2. Retroalimentación de puerta incorrecta: Cablear la salida del Pin 3 a las entradas incorrectas en las Puertas 2 o 3 destruye la lógica. Solución: Verifique dos veces que la salida de la primera NAND (Pin 3) se conecte TANTO a la segunda (Pin 5) como a la tercera (Pin 9) puerta.
  3. Olvidar la alimentación: Los chips lógicos no funcionan pasivamente. Solución: Verifique 5 V en el Pin 14 y continuidad a Tierra en el Pin 7 antes de insertar señales.

Solución de problemas

  • Síntoma: El LED está siempre ON, independientemente de la posición del interruptor.
    • Causa: Error de cableado en la puerta NAND final (Puerta 4) o salida cortocircuitada a VCC.
    • Solución: Compruebe las conexiones en los Pines 11, 12 y 13. Asegúrese de que el Pin 11 no esté tocando el riel positivo.
  • Síntoma: El LED se comporta como una puerta OR (permanece ON cuando ambos interruptores están ON).
    • Causa: La primera puerta NAND (Puerta 1) no está inhibiendo la señal eficazmente.
    • Solución: Compruebe la continuidad en los Pines 1, 2 y 3. Si la salida de la Puerta 1 permanece en Alto (High) cuando las entradas están en Alto, la lógica XOR falla.
  • Síntoma: El circuito funciona de forma errática al tocar los cables.
    • Causa: Faltan resistencias pull-down (entradas flotantes).
    • Solución: Verifique que R1 y R2 estén conectadas firmemente entre los pines de entrada y Tierra.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Conmutación de 3 vías: Añada un tercer interruptor y otra etapa XOR (utilizando un segundo 74HC00 o un 74HC86) para controlar la luz desde tres ubicaciones.
  2. Comparación con CI dedicado: Construya el mismo circuito utilizando un 74HC86 (Cuádruple XOR) junto a este para comparar el retardo de propagación y la complejidad del cableado.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué circuito integrado específico se utiliza para este proyecto?




Pregunta 3: ¿Qué función lógica se sintetiza al combinar las cuatro puertas NAND?




Pregunta 4: ¿Por qué se consideran las puertas NAND como bloques de construcción 'universales'?




Pregunta 5: Según el resultado esperado, ¿cuál es el estado del LED cuando ambos interruptores están OFF (00)?




Pregunta 6: ¿En qué tipo de circuito aritmético de las CPU se utiliza fundamentalmente esta topología XOR?




Pregunta 7: ¿Cuál es la aplicación de la lógica XOR en la transmisión de datos mencionada en el texto?




Pregunta 8: ¿Cuántas puertas NAND del CI se combinan para sintetizar la función XOR en este caso?




Pregunta 9: En la lógica de conmutación de pasillo (XOR), ¿qué ocurre si las entradas son diferentes (01 o 10)?




Pregunta 10: ¿Qué demuestra este proyecto sobre la relación entre interruptores y carga?




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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