Caso práctico: Desactivación de emergencia

Prototipo de Desactivación de emergencia (Maker Style)

Nivel: Básico. Construye un circuito de seguridad que corte una señal de ‘Listo’ instantáneamente cuando se presiona un botón de parada.

Objetivo y caso de uso

En este tutorial, construirás un circuito de lógica digital que invierte una señal de entrada. Específicamente, un indicador de «Sistema Listo» (LED verde) permanecerá activo por defecto y se apagará inmediatamente cuando se presione un pulsador de emergencia.

  • Por qué es útil:

    • Seguridad industrial: Simula un interruptor de parada de emergencia donde el estado activo apaga la maquinaria.
    • Sistemas de seguridad: Los sensores (como contactos de puerta) a menudo rompen un circuito para activar una alarma o cambiar un estado.
    • Lógica a prueba de fallos: Asegura que un sistema vuelva a un estado «seguro» (apagado) cuando ocurre una intervención activa.

  • Resultado esperado:

    • Estado de reposo: Cuando el botón NO está presionado (Lógica 0), el LED verde está ENCENDIDO (Lógica 1).
    • Estado activo: Cuando el botón SÍ está presionado (Lógica 1), el LED verde se APAGA (Lógica 0).
    • Voltaje de señal: La entrada transiciona entre 0 V y 5 V; la salida se invierte lógicamente.

  • Público objetivo y nivel: Estudiantes y aficionados aprendiendo inversión digital básica.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V DC, función: fuente de alimentación principal.
  • U1: CI 74HC04 Hex Inverter, función: inversión lógica (compuerta NOT).
  • S1: Pulsador (Normalmente Abierto), función: disparador de señal de emergencia.
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: resistencia pull-down para estabilidad de la entrada.
  • R2: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente para el LED.
  • D1: LED verde, función: indicador de ‘Sistema Listo’.

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC04 (Hex Inverter)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
14 VCC Fuente de alimentación (+5V) Conectar al riel de 5 V
7 GND Tierra (0V) Conectar al riel de 0 V
1 1A Entrada 1 Conectar al pulsador y resistencia pull-down
2 1Y Salida 1 Conectar a la resistencia del LED (R2)

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones de nodos (Nodos: VCC, 0, V_IN, V_OUT):

  • Fuente de alimentación:
    • V1 se conecta entre VCC (positivo) y 0 (negativo/GND).
    • U1 Pin 14 se conecta a VCC.
    • U1 Pin 7 se conecta a 0.
  • Etapa de entrada (Lógica del botón):
    • S1 se conecta entre VCC y V_IN.
    • R1 se conecta entre V_IN y 0 (Esto lleva la entrada a 0 V cuando el botón está abierto).
    • U1 Pin 1 (Entrada 1A) se conecta a V_IN.
  • Etapa de salida (Indicador):
    • U1 Pin 2 (Salida 1Y) se conecta a V_OUT.
    • R2 se conecta entre V_OUT y el nodo LED_ANODE.
    • El ánodo de D1 se conecta a LED_ANODE.
    • El cátodo de D1 se conecta a 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate

Esquemático

[ INPUT STAGE ]                          [ LOGIC STAGE ]                       [ OUTPUT STAGE ]

    [ V1: 5V Supply ] --(Power VCC)--------> [ U1 Power: Pin 14 ]

    [ S1: Pushbutton ] --(Press = 5V)--+
    (Emergency Trig)                   |
                                       v
                                  [ Node V_IN ] --(Pin 1)--> [   U1: 74HC04   ] --(Pin 2)--> [ R2: 330 Ohm ] --> [ D1: Green LED ] --> [ GND ]
                                       ^                     [ Hex Inverter IC]              (Current Limit)     (System Ready)
                                       |                     [   (NOT Gate)   ]
    [ R1: 10k Resistor ] --(Open = 0V)-+                     [  GND: Pin 7    ]
    (Pull-down to GND)                                             |
                                                                   v
                                                                [ GND ]
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

El 74HC04 implementa la función booleana NOT ($Y = \overline{A}$).

Estado del botón Voltaje de entrada (V_IN) Entrada lógica (A) Salida lógica (Y) Estado del LED
Soltado 0 V (Pulled down) 0 1 ENCENDIDO
Presionado 5 V (VCC) 1 0 APAGADO

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar la lógica de desactivación de emergencia:

  1. Verificación en reposo:

    • Asegúrate de que la fuente de alimentación esté encendida. No toques el botón.
    • Visual: El LED verde debería estar encendido.
    • Medición: Usa un multímetro para medir el voltaje en V_IN (Pin 1). Debería ser aprox 0 V.
    • Medición: Mide el voltaje en V_OUT (Pin 2). Debería ser aprox 5 V (Lógica Alta).

  2. Verificación de activación:

    • Presiona y mantén el pulsador S1.
    • Visual: El LED verde debe apagarse inmediatamente.
    • Medición: El voltaje en V_IN debería subir a 5 V.
    • Medición: El voltaje en V_OUT debería caer a aprox 0 V (Lógica Baja).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Emergency deactivation
* Circuit: Inverter Logic (NOT Gate) with LED Indicator

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

* --- Input Stage (Button Logic) ---
* Components: S1 (Pushbutton), R1 (Pull-down)
* Connectivity: S1 connects VCC to V_IN. R1 connects V_IN to 0.
* Logic: 
*   - Button Released (Default): S1 Open -> V_IN pulled to 0V by R1.
*   - Button Pressed (Emergency): S1 Closed -> V_IN pulled to 5V (VCC).

* Simulation of S1 (Normally Open Pushbutton):
* Modeled as a Voltage-Controlled Switch (S1) driven by SW_CTRL.
* Vt=2.5V ensures switch closes when control signal is 5V.
S1 VCC V_IN SW_CTRL 0 SW_BTN
.model SW_BTN SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=1 Roff=10Meg)

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

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* Practical case: Emergency deactivation
* Circuit: Inverter Logic (NOT Gate) with LED Indicator

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

* --- Input Stage (Button Logic) ---
* Components: S1 (Pushbutton), R1 (Pull-down)
* Connectivity: S1 connects VCC to V_IN. R1 connects V_IN to 0.
* Logic: 
*   - Button Released (Default): S1 Open -> V_IN pulled to 0V by R1.
*   - Button Pressed (Emergency): S1 Closed -> V_IN pulled to 5V (VCC).

* Simulation of S1 (Normally Open Pushbutton):
* Modeled as a Voltage-Controlled Switch (S1) driven by SW_CTRL.
* Vt=2.5V ensures switch closes when control signal is 5V.
S1 VCC V_IN SW_CTRL 0 SW_BTN
.model SW_BTN SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=1 Roff=10Meg)

* Control Signal (User Finger Simulation):
* Generates a pulse: 0V (Released) -> 5V (Pressed) -> 0V (Released).
* Timeline: Idle for 100us, Press for 300us, then Release.
V_BTN_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 300u 1000u)

* R1: 10k Pull-down resistor
R1 V_IN 0 10k

* --- Logic Stage (U1) ---
* Component: 74HC04 Hex Inverter
* Connectivity: Pin 1 (Input) -> V_IN, Pin 2 (Output) -> V_OUT.
* Power: Pin 14 -> VCC, Pin 7 -> 0.
XU1 V_IN V_OUT 0 VCC 74HC04_INV

* Subcircuit for 74HC04 Inverter
* Behavioral model: Output is High when Input is Low.
* Uses a sigmoid function for smooth switching and convergence.
.subckt 74HC04_INV In Out Gnd Vcc
B1 Out Gnd V = V(Vcc,Gnd) / (1 + exp(50 * (V(In,Gnd) - V(Vcc,Gnd)/2)))
.ends

* --- Output Stage (Indicator) ---
* Components: R2 (Resistor), D1 (Green LED)
* Connectivity: V_OUT -> R2 -> LED_ANODE -> D1 -> 0
* Logic: 
*   - V_IN=0 (Ready) -> V_OUT=5 -> LED ON.
*   - V_IN=5 (Emergency) -> V_OUT=0 -> LED OFF.

R2 V_OUT LED_ANODE 330

* D1: Green LED
D1 LED_ANODE 0 LED_GREEN
.model LED_GREEN D(Is=1e-22 Rs=5 N=1.5 Cjo=10p Vj=0.75 M=0.33 BV=5 Ibv=10u)

* --- Simulation Directives ---
* Transient analysis to observe the button press event
.tran 10u 600u

* Output data for analysis
.print tran V(V_IN) V(V_OUT) V(LED_ANODE) V(SW_CTRL)

* Calculate DC operating point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (260 rows) 
Index   time            v(v_in)         v(v_out)        v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
1	6.000000e-08	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
2	1.200000e-07	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
3	2.400000e-07	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
4	4.800000e-07	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
5	9.600000e-07	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
6	1.920000e-06	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
7	3.840000e-06	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
8	7.680000e-06	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
9	1.536000e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
10	2.536000e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
11	3.536000e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
12	4.536000e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
13	5.536000e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
14	6.536000e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
15	7.536000e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
16	8.536000e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
17	9.536000e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
18	1.000000e-04	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
19	1.001000e-04	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
20	1.002750e-04	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
21	1.003234e-04	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
22	1.004082e-04	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
23	1.004317e-04	4.995005e-03	5.000000e+00	1.833072e+00
... (236 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entrada flotante: Omitir R1 (resistencia pull-down) hace que la entrada quede flotando cuando se suelta el botón.
    • Solución: Asegúrate siempre de que el pin de entrada esté conectado a GND a través de una resistencia (p. ej., 10 kΩ) cuando el interruptor esté abierto.
  2. LED invertido: El LED no se enciende incluso cuando la salida está en Alto.
    • Solución: Verifica la polaridad de D1. La pata más larga (Ánodo) debe mirar hacia la resistencia/salida del CI; la pata más corta (Cátodo) va a Tierra.
  3. Cortocircuito en la alimentación: Conectar el botón directamente entre VCC y GND sin la entrada de la compuerta en medio o cablear el botón en paralelo con la fuente.
    • Solución: Sigue la lista de nodos cuidadosamente. El botón conecta VCC al Pin de Entrada, no directamente a Tierra.

Solución de problemas

  • Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, presionar el botón no hace nada.
    • Causa: El botón no está conectado a VCC, o el pin de entrada está permanentemente conectado a tierra.
    • Solución: Verifica la continuidad a través de S1 al presionarlo. Asegúrate de que S1 conecte al Pin 1.
  • Síntoma: El LED está siempre APAGADO.
    • Causa: El CI no está alimentado, el LED está invertido o la entrada está permanentemente conectada a VCC.
    • Solución: Mide el Pin 14 (VCC) y el Pin 7 (GND). Verifica el voltaje V_IN; debería ser 0 V cuando el botón está soltado.
  • Síntoma: El LED parpadea cuando tu mano se acerca al cable.
    • Causa: Entrada flotante (Falta R1).
    • Solución: Instala la resistencia pull-down de 10 kΩ firmemente entre el Pin 1 y Tierra.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Agregar un indicador de «Parada»: Agrega un segundo inversor (o usa otra compuerta del mismo chip) para controlar un LED rojo que se ENCIENDA cuando el sistema esté detenido (Salida Alta cuando Entrada Alta).
  2. Circuito de enclavamiento: Reemplaza la compuerta NOT simple con un circuito lógico Flip-Flop para que, una vez presionado el botón de emergencia, el sistema permanezca apagado incluso si se suelta el botón, requiriendo un botón de «Reinicio» separado.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué sucede con el LED verde en el 'Estado de reposo' (cuando el botón NO está presionado)?




Pregunta 3: ¿Qué sucede en el 'Estado activo' cuando se presiona el botón?




Pregunta 4: ¿Por qué es útil este circuito en el contexto de la seguridad industrial?




Pregunta 5: ¿Qué concepto asegura que un sistema vuelva a un estado 'seguro' (apagado) ante una intervención activa?




Pregunta 6: ¿Cuál es el rango de voltaje de señal mencionado para la entrada?




Pregunta 7: ¿Qué nivel de dificultad se asigna a este tutorial según el contexto?




Pregunta 8: ¿Cómo se comportan los sensores (como contactos de puerta) en sistemas de seguridad según el texto?




Pregunta 9: ¿Qué lógica digital representa el estado 'NO presionado' del botón?




Pregunta 10: ¿Qué función cumple el circuito respecto a la señal de 'Listo'?




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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