Caso práctico: Detector de fallos de sensores

Prototipo de Detector de fallos de sensores (Maker Style)

Nivel: Básico – Implementar un circuito con compuerta XOR para activar una alarma visual cuando dos sensores redundantes presentan estados lógicos diferentes.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito comparador lógico digital utilizando una compuerta XOR (OR Exclusiva) 74LS86 para monitorizar dos interruptores redundantes que actúan como sensores del sistema. El circuito evalúa las entradas de forma continua y activa una alarma visual LED solo cuando los dos sensores reportan estados conflictivos, lo que indica un posible fallo del sensor.

Este circuito es de gran utilidad en escenarios prácticos como:
* Automatización industrial, para monitorizar interruptores de límite de seguridad con doble redundancia en maquinaria pesada.
* Sistemas de control aeroespacial y de aviación, para detectar discrepancias entre sensores de vuelo redundantes.
* Formación básica en detección de fallos lógicos para técnicos de mantenimiento y electrónica.

Resultado esperado:
* Un nivel lógico alto a la salida (VOUT > 2.4 V) que enciende el LED cuando los estados de los sensores no coinciden.
* Un nivel lógico bajo a la salida (VOUT < 0.4 V) que mantiene el LED apagado cuando ambos sensores coinciden (ambos ALTO o ambos BAJO).
* Una indicación visual clara e inmediata de las discrepancias lógicas para el operador.

Público objetivo: Estudiantes de nivel básico que aprenden sobre compuertas lógicas digitales, álgebra de Boole y sistemas de redundancia.

Materiales

  • V1: fuente de 5 V CC, función: fuente de alimentación principal
  • SW1: interruptor SPST, función: simulador del sensor redundante A
  • SW2: interruptor SPST, función: simulador del sensor redundante 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: limitador de corriente para el LED
  • U1: compuerta OR Exclusiva cuádruple de 2 entradas 74LS86, función: lógica de detección de fallos
  • D1: LED rojo, función: indicador visual de alarma de fallo

Pin-out del CI utilizado

Circuito Integrado: 74LS86

PinNombreFunción lógicaConexión en este caso
11 AEntrada 1 de la Compuerta 1Nodo VA (desde SW1)
21BEntrada 2 de la Compuerta 1Nodo VB (desde SW2)
31YSalida de la Compuerta 1Nodo VOUT (hacia R3 y D1)
7GNDTierraNodo 0 (GND)
14VCCAlimentaciónNodo VCC (5 V)

Nota: Los pines 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12 y 13 pertenecen a las otras tres compuertas XOR no utilizadas. Se recomienda encarecidamente conectar las entradas no utilizadas (pines 4, 5, 9, 10, 12, 13) al Nodo 0 (GND).

Guía de conexionado

  • V1: se conecta entre VCC y 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: conecta el Pin 14 a VCC, el Pin 7 a 0, el Pin 1 a VA, el Pin 2 a VB y el Pin 3 a VOUT.
  • R3: se conecta entre VOUT y VLED.
  • D1: conecta su ánodo a VLED y su cátodo a 0.

Diagrama de bloques conceptual

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

Esquemático

VCC --> [ SW1: Sensor A ] --(VA)-->
              |                   |
              v                   v
        [ R1: 10 kΩ ]            [ U1: 74LS86 XOR Gate ] --(VOUT)--> [ R3: 330 Ω ] --(VLED)--> [ D1: Red LED ] --> GND
              |                   ^
              v                   |
             GND                  |
                                  |
VCC --> [ SW2: Sensor B ] --(VB)-->
              |
              v
        [ R2: 10 kΩ ]
              |
              v
             GND
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico del caso: Detector de fallos en sensores
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.
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Tabla de verdad

Sensor A (Nodo VA)Sensor B (Nodo VB)Salida (Nodo VOUT)Estado de Alarma (D1)Estado del Sistema
000OFFNormal (Coincidencia)
011ONFallo (Discrepancia)
101ONFallo (Discrepancia)
110OFFNormal (Coincidencia)


Mediciones y pruebas

  1. Sistema Normal (Bajo): Deja ambos SW1 y SW2 abiertos. Mide el voltaje en los nodos VA y VB con un multímetro; ambos deberían marcar 0 V. Mide VOUT; debería ser < 0.4 V. El LED D1 debe estar apagado (OFF).
  2. Fallo en Sensor A: Cierra SW1 (aplicando 5 V a VA) mientras dejas SW2 abierto (0 V en VB). Mide VOUT; debería marcar > 2.4 V. El LED D1 debe encenderse (ON).
  3. Fallo en Sensor B: Abre SW1 (0 V en VA) y cierra SW2 (aplicando 5 V a VB). Mide VOUT; debería marcar > 2.4 V. El LED D1 debe encenderse (ON).
  4. Sistema Normal (Alto): Cierra tanto SW1 como SW2 para que tanto VA como VB marquen 5 V. Mide VOUT; debería caer de nuevo a < 0.4 V. El LED D1 debe estar apagado (OFF).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Sensor fault detector
.width out=256

* Main Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Redundant Sensor A Simulator (Switch 1)
VCTRLA ctrlA 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
S1 VCC VA ctrlA 0 SWMOD

* Redundant Sensor B Simulator (Switch 2)
VCTRLB ctrlB 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)
S2 VCC VB ctrlB 0 SWMOD

* Pull-down Resistors for Inputs
R1 VA 0 10k
R2 VB 0 10k

* Fault Detection Logic (74LS86 XOR Gate)
XU1 VOUT VA VB 0 VCC GATE
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Sensor fault detector
.width out=256

* Main Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Redundant Sensor A Simulator (Switch 1)
VCTRLA ctrlA 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
S1 VCC VA ctrlA 0 SWMOD

* Redundant Sensor B Simulator (Switch 2)
VCTRLB ctrlB 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)
S2 VCC VB ctrlB 0 SWMOD

* Pull-down Resistors for Inputs
R1 VA 0 10k
R2 VB 0 10k

* Fault Detection Logic (74LS86 XOR Gate)
XU1 VOUT VA VB 0 VCC GATE

* Visual Fault Alarm Indicator (LED and Current Limiting Resistor)
R3 VOUT VLED 330
D1 VLED 0 DLED

* Component Models
.model SWMOD SW(VT=2.5 VH=0.2 RON=0.1 ROFF=100MEG)
.model DLED D(IS=1e-15 N=1.5 RS=10)

* XOR Gate Behavioural Subcircuit
* Continuous implementation to ensure robust convergence
.subckt GATE out in1 in2 gnd vcc
B1 out gnd V = V(vcc) * ( 1/(1+exp(-50*(V(in1)-2.5))) + 1/(1+exp(-50*(V(in2)-2.5))) - 2 * (1/(1+exp(-50*(V(in1)-2.5)))) * (1/(1+exp(-50*(V(in2)-2.5)))) )
.ends

* Simulation Directives
.tran 1u 400u
.print tran V(VA) V(VB) V(VOUT) V(VLED)
.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Análisis: The transient simulation shows the XOR logic functioning correctly. When VA and VB are both low (~0V) or both high (~5V), VOUT is ~0V and VLED is ~0V (LED off). When VA and VB differ (one is ~5V, the other ~0V), VOUT goes to 5V and VLED reaches ~1.28V, indicating the LED is forward-biased and turned on, matching the truth table.
Show raw data table (562 rows)
Index   time            v(va)           v(vb)           v(vout)         v(vled)
0	0.000000e+00	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	9.094010e-30
1	1.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	7.969517e-41
2	2.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	-7.96952e-41
3	4.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	-3.48674e-51
4	8.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	1.402111e-51
5	1.600000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	5.297196e-54
6	3.200000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	5.297196e-54
7	3.637500e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	5.297196e-54
8	4.403125e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	5.297196e-54
9	4.615039e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	5.297196e-54
10	4.985889e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	5.297196e-54
11	5.088535e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	5.297196e-54
12	5.268165e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	5.297196e-54	5.297196e-54
13	5.467041e-07	4.999950e+00	4.999950e+00	1.329451e-51	1.329451e-51
14	5.864794e-07	4.999950e+00	4.999950e+00	-2.81145e-68	3.383370e-62
15	6.660299e-07	4.999950e+00	4.999950e+00	-2.81145e-68	-2.26159e-62
16	8.251311e-07	4.999950e+00	4.999950e+00	-2.81145e-68	-2.81157e-68
17	1.000000e-06	4.999950e+00	4.999950e+00	-2.81145e-68	-2.81143e-68
18	1.031820e-06	4.999950e+00	4.999950e+00	-2.81145e-68	-2.81145e-68
19	1.095461e-06	4.999950e+00	4.999950e+00	-2.81145e-68	-2.81145e-68
20	1.222742e-06	4.999950e+00	4.999950e+00	-2.81145e-68	-2.81145e-68
21	1.477303e-06	4.999950e+00	4.999950e+00	-2.81145e-68	-2.81145e-68
22	1.986427e-06	4.999950e+00	4.999950e+00	-2.81145e-68	-2.81145e-68
23	2.986427e-06	4.999950e+00	4.999950e+00	-2.81145e-68	-2.81145e-68
... (538 more rows) ...


Netlist SPICE de referencia (ngspice)

* Practical case: Sensor fault detector
.width out=256

* Main Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Redundant Sensor A Simulator (Switch 1)
VCTRLA ctrlA 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
S1 VCC VA ctrlA 0 SWMOD

* Redundant Sensor B Simulator (Switch 2)
VCTRLB ctrlB 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)
S2 VCC VB ctrlB 0 SWMOD

* Pull-down Resistors for Inputs
R1 VA 0 10k
R2 VB 0 10k

* Fault Detection Logic (74LS86 XOR Gate)
XU1 VOUT VA VB 0 VCC GATE

* Visual Fault Alarm Indicator (LED and Current Limiting Resistor)
R3 VOUT VLED 330
D1 VLED 0 DLED

* Component Models
.model SWMOD SW(VT=2.5 VH=0.2 RON=0.1 ROFF=100MEG)
.model DLED D(IS=1e-15 N=1.5 RS=10)

* XOR Gate Behavioural Subcircuit
* Continuous implementation to ensure robust convergence
.subckt GATE out in1 in2 gnd vcc
B1 out gnd V = V(vcc) * ( 1/(1+exp(-50*(V(in1)-2.5))) + 1/(1+exp(-50*(V(in2)-2.5))) - 2 * (1/(1+exp(-50*(V(in1)-2.5)))) * (1/(1+exp(-50*(V(in2)-2.5)))) )
.ends

* Simulation Directives
.tran 1u 400u
.print tran V(VA) V(VB) V(VOUT) V(VLED)
.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Análisis: The transient simulation shows the XOR logic functioning correctly. When VA and VB are both low (~0V) or both high (~5V), VOUT is ~0V and VLED is ~0V (LED off). When VA and VB differ (one is ~5V, the other ~0V), VOUT goes to 5V and VLED reaches ~1.28V, indicating the LED is forward-biased and turned on, matching the truth table.

Errores comunes y cómo evitarlos

  • Olvidar las resistencias pull-down: Conectar los interruptores directamente al CI sin R1 y R2 deja las entradas flotantes cuando los interruptores están abiertos, causando un comportamiento impredecible y falsas alarmas. Utiliza siempre resistencias pull-down.
  • Inversión de polaridad del LED: Colocar el LED al revés (cátodo a VLED, ánodo a 0) impedirá que se encienda incluso cuando se detecte un fallo. Verifica que el borde plano o la pata más corta esté conectada a tierra.
  • Dejar entradas no utilizadas flotantes: El 74LS86 contiene cuatro compuertas XOR. Dejar las entradas de las compuertas no utilizadas desconectadas puede causar oscilación interna y aumentar el consumo de energía. Conecta las entradas no utilizadas a tierra (0).


Solución de problemas

  • Síntoma: El LED nunca se enciende bajo ninguna combinación de interruptores.
    • Causa: LED defectuoso, polaridad del LED invertida, conexión de R3 rota, o falta de VCC/GND en el chip.
    • Solución: Comprueba la orientación de D1. Verifica que haya 5 V en el Pin 14 y 0 V en el Pin 7 de U1.
  • Síntoma: El LED siempre está encendido, incluso cuando ambos interruptores están abiertos o ambos están cerrados.
    • Causa: Una de las entradas está flotante (falta la resistencia pull-down R1 o R2), o un interruptor está mal cableado.
    • Solución: Comprueba la continuidad en R1 y R2 hacia tierra. Verifica que los voltajes en VA y VB correspondan estrictamente a la tabla de verdad.
  • Síntoma: El LED se enciende correctamente pero con muy poca intensidad.
    • Causa: La serie 74LS tiene una capacidad débil para suministrar corriente en comparación con los chips CMOS modernos, o el valor de R3 es demasiado alto.
    • Solución: Reduce R3 ligeramente (por ejemplo, a 220 Ω), o consulta las extensiones a continuación para una mejor forma de controlar el LED.

Posibles mejoras y extensiones

  • Configuración de salida activa en bajo: Dado que los chips TTL (como la serie 74LS) son mucho mejores para absorber corriente que para suministrarla, recablea el LED para que el ánodo vaya a 5 V (a través de R3) y el cátodo vaya a VOUT. Nota: necesitarás añadir una compuerta NOT (ej. 74LS04) después de la

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué componente lógico digital se utiliza como comparador en este circuito?




Pregunta 3: ¿Qué situación indica el encendido de la alarma visual LED?




Pregunta 4: ¿En qué escenario práctico NO se menciona el uso de este circuito?




Pregunta 5: ¿Qué tipo de compuerta lógica es la 74LS86?




Pregunta 6: ¿Qué nivel lógico se espera a la salida cuando los estados de los sensores no coinciden?




Pregunta 7: ¿Qué ocurre con el LED cuando los dos sensores reportan el mismo estado lógico?




Pregunta 8: ¿Para qué tipo de formación es útil este circuito según el texto?




Pregunta 9: ¿Qué función cumplen los dos interruptores redundantes en el circuito?




Pregunta 10: ¿En qué tipo de maquinaria se menciona el uso de este circuito para monitorizar interruptores de límite?




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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