Caso práctico: Indicador de nivel de tanque vacío

Prototipo de Indicador de nivel de tanque vacío (Maker Style)

Nivel: Medio. Diseñe un circuito lógico que alerte al usuario cuando un sensor de agua deje de detectar líquido utilizando una compuerta NOT.

Objetivo y caso de uso

En este caso, construirá un circuito de monitoreo utilizando un inversor 74HC04 que ilumina un LED rojo cuando el nivel de líquido de un tanque cae por debajo de un punto crítico.

  • Evita daños en la bomba: Detiene las bombas de agua para que no funcionen en seco en sistemas hidropónicos.
  • Seguridad doméstica: Alerta cuando los tanques de reserva en la azotea están vacíos.
  • Mantenimiento industrial: Indicador visual de los requisitos de recarga de refrigerante.

Resultado esperado:
* Agua presente: El sensor está abierto (entrada Lógica 1) $\rightarrow$ el LED permanece APAGADO.
* Tanque vacío: El sensor se cierra (entrada Lógica 0) $\rightarrow$ el LED se ENCIENDE.
* Nivel lógico: $V_{in} \approx 0\text{ V}$ activa la alerta; $V_{in} \approx 5\text{ V}$ indica estado normal.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con la lógica digital básica.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: alimentación principal del circuito
  • U1: CI Inversor Hexagonal 74HC04, función: inversión lógica
  • S1: Interruptor de flotador (configurado para Cerrar cuando está Vacío), función: sensor de nivel de líquido
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-up para señal del sensor
  • R2: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
  • D1: LED rojo, función: alerta visual de vacío
  • C1: Condensador cerámico de 100 nF, función: desacoplo de la fuente de alimentación

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC04 (Inversor Hexagonal)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada Conectado al nodo del sensor (SENSE_IN)
2 1Y Salida Conectado al circuito LED (ALERT_OUT)
7 GND Tierra Conectado a 0 (GND)
14 VCC Alimentación Conectado a la fuente de 5V

Guía de conexionado

  • V1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (GND).
  • C1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (colocado físicamente cerca de U1).
  • R1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo SENSE_IN.
  • S1 se conecta entre el nodo SENSE_IN y el nodo 0.
  • U1 pin 1 se conecta al nodo SENSE_IN.
  • U1 pin 2 se conecta al nodo ALERT_OUT.
  • U1 pin 14 se conecta a VCC; el pin 7 se conecta a 0.
  • R2 se conecta entre el nodo ALERT_OUT y el nodo LED_ANODE.
  • D1 se conecta entre el nodo LED_ANODE (Ánodo) y el nodo 0 (Cátodo).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate

Esquemático

[ INPUT / SENSOR ]                 [ LOGIC PROCESSING ]                 [ OUTPUT / ALERT ]

[ VCC 5V ] --> [ R1: 10k ] --+
               (Pull-Up)     |
                             |
                             V
                        (SENSE_IN) ---->+------------------+
                        (Pin 1)         |    U1: 74HC04    |
                             ^          |   Hex Inverter   |--(ALERT_OUT)--> [ R2: 330R ] --> [ D1: Red LED ] --> GND
                             |          |   (Pin 1 -> 2)   |  (Pin 2)        (Limiting)       (Anode/Cathode)
[ GND 0V ] --> [ S1: Float ]-+          +------------------+
               (Switch)                           ^
                                                  |
                                            [ C1: 100nF ]
                                            (Decoupling)
                                            (VCC / GND)
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Estado del agua Interruptor del sensor (S1) Voltaje de entrada (Pin 1) Entrada lógica Voltaje de salida (Pin 2) Estado del LED
Lleno ABIERTO 5 V (vía Pull-up) 1 0 V APAGADO
Vacío CERRADO 0 V (conectado a GND) 0 5 V ENCENDIDO

Mediciones y pruebas

  1. Verificación de alimentación: Mida el voltaje entre VCC y 0. Asegúrese de que sea estable a 5 V.
  2. Simulación de tanque lleno: Levante manualmente el flotador (abra S1). Mida el voltaje en SENSE_IN. Debería ser $\approx 5\text{ V}$. Verifique que el LED esté APAGADO.
  3. Simulación de tanque vacío: Deje caer el flotador (cierre S1). Mida el voltaje en SENSE_IN. Debería ser $\approx 0\text{ V}$.
  4. Salida lógica: Mientras S1 está cerrado (Vacío), mida el voltaje en ALERT_OUT. Debería ser $\approx 5\text{ V}$.
  5. Consumo de corriente: Mida la corriente a través de D1 ($I_{led}$) cuando esté ENCENDIDO. Debería ser de aproximadamente 10–12 mA dependiendo de la caída de voltaje específica del LED.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Empty Tank Level Indicator

* ==============================================================================
* BILL OF MATERIALS & COMPONENTS
* ==============================================================================

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

* --- Decoupling ---
* C1: 100 nF ceramic capacitor (Power supply decoupling)
C1 VCC 0 100n

* --- Sensor Input Section ---
* R1: 10 kΩ resistor (Pull-up for sensor signal)
R1 VCC SENSE_IN 10k

* S1: Float switch (SPST)
* Wiring: Connects between node SENSE_IN and node GND.
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Empty Tank Level Indicator

* ==============================================================================
* BILL OF MATERIALS & COMPONENTS
* ==============================================================================

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

* --- Decoupling ---
* C1: 100 nF ceramic capacitor (Power supply decoupling)
C1 VCC 0 100n

* --- Sensor Input Section ---
* R1: 10 kΩ resistor (Pull-up for sensor signal)
R1 VCC SENSE_IN 10k

* S1: Float switch (SPST)
* Wiring: Connects between node SENSE_IN and node GND.
* Simulation: Modeled as a Voltage Controlled Switch (SW).
* Logic: 
*   - Tank Full (Float Up) -> Switch Open -> SENSE_IN pulled to VCC.
*   - Tank Empty (Float Down) -> Switch Closed -> SENSE_IN pulled to GND.
* Control Source V_FLOAT_ACT simulates the float movement.
*   - 0V = Float Up (Full)
*   - 5V = Float Down (Empty)
S1 SENSE_IN 0 FLOAT_CTRL 0 SW_FLOAT
.model SW_FLOAT SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=10Meg)

* Stimulus: Float starts Up (Full), drops to Down (Empty) at 50us, returns at 200us.
V_FLOAT_ACT FLOAT_CTRL 0 PULSE(0 5 50u 1u 1u 150u 400u)

* --- Logic Processing ---
* U1: 74HC04 Hex Inverter
* Wiring Guide: Pin 1 (In) -> SENSE_IN, Pin 2 (Out) -> ALERT_OUT
* Power: Pin 14 -> VCC, Pin 7 -> GND
* Implemented as a subcircuit to strictly map pins.
XU1 SENSE_IN ALERT_OUT 0 VCC 74HC04_GATE

* Subcircuit definition for one gate of 74HC04
.subckt 74HC04_GATE IN OUT GND VCC
    * Behavioral voltage source for robust logic inversion
    * Uses sigmoid function for convergence: Vout = VCC if Vin < 2.5V
    B1 OUT GND V = V(VCC) * (1 / (1 + exp(50 * (V(IN) - 2.5))))
.ends

* --- Output Alert ---
* R2: 330 Ω resistor (LED current limiting)
R2 ALERT_OUT LED_ANODE 330

* D1: Red LED (Visual empty alert)
* Wiring: Anode -> LED_ANODE, Cathode -> GND
D1 LED_ANODE 0 LED_RED
.model LED_RED D(IS=1e-14 N=2 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=40p)

* ==============================================================================
* ANALYSIS COMMANDS
* ==============================================================================

* Operating Point Analysis
.op

* Transient Analysis
* Run for 500us to capture the float switch activation cycle
.tran 1u 500u

* Output Printing
* Monitor Sensor Input, Inverter Output, and LED Voltage
.print tran V(SENSE_IN) V(ALERT_OUT) V(LED_ANODE) V(FLOAT_CTRL)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1190 rows) 
Index   time            v(sense_in)     v(alert_out)    v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.70080e-28
1	1.000000e-08	4.995005e+00	3.316079e-54	-9.73961e-29
2	2.000000e-08	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.41516e-29
3	4.000000e-08	4.995005e+00	3.316079e-54	8.723601e-29
4	8.000000e-08	4.995005e+00	3.316079e-54	1.163518e-28
5	1.600000e-07	4.995005e+00	3.316079e-54	4.380930e-29
6	3.200000e-07	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.45299e-29
7	6.400000e-07	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.01395e-29
8	1.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-5.46095e-32
9	2.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	4.098577e-31
10	3.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	2.282032e-32
11	4.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-9.50625e-33
12	5.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.09186e-33
13	6.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	1.911218e-34
14	7.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	3.847480e-35
15	8.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-2.97995e-36
16	9.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.15977e-36
17	1.028000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	1.723722e-38
18	1.128000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	3.117034e-38
19	1.228000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	1.177223e-39
20	1.328000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	-7.52109e-40
21	1.428000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	-6.99870e-41
22	1.528000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	1.597704e-41
23	1.628000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	2.660714e-42
... (1166 more rows) ...

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* Practical case: Empty Tank Level Indicator

* -----------------------------------------------------------------------------
* Power Supply
* V1 connects between node VCC and node 0 (GND)
* -----------------------------------------------------------------------------
V1 VCC 0 DC 5

* -----------------------------------------------------------------------------
* Decoupling Capacitor
* C1 connects between node VCC and node 0
* -----------------------------------------------------------------------------
C1 VCC 0 100n

* -----------------------------------------------------------------------------
* Sensor / Input Stage
* S1: Float switch (configured to Close when Empty)
* R1: Pull-up resistor
* Wiring: R1 between VCC and SENSE_IN. S1 between SENSE_IN and 0.
*
* Simulation Note: S1 is modeled as a Voltage-Controlled Switch driven by 
* a PULSE source (V_SW_CTRL) to simulate the physical action of the tank 
* emptying and the switch closing.
* -----------------------------------------------------------------------------
R1 VCC SENSE_IN 10k

* Switch S1
* Controlled by node SW_CTRL. 
* Control = 0V -> Switch Open (Tank Full, SENSE_IN pulled High)
* Control = 5V -> Switch Closed (Tank Empty, SENSE_IN pulled Low)
S1 SENSE_IN 0 SW_CTRL 0 FLOAT_SW_MODEL

* Switch Model
.model FLOAT_SW_MODEL SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100M)

* Stimulus: User/Environment simulation
* Pulse starts at 0V (Full), pulses to 5V (Empty) at 100us, holds for 200us.
V_SW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 200u 500u)

* -----------------------------------------------------------------------------
* Logic Stage: U1 74HC04 Hex Inverter
* Wiring: Pin 1 (Input) -> SENSE_IN, Pin 2 (Output) -> ALERT_OUT
*         Pin 14 -> VCC, Pin 7 -> 0 (GND)
* Implemented as a subcircuit to expose pins and provide robust behavioral logic.
* -----------------------------------------------------------------------------
XU1 SENSE_IN ALERT_OUT 0 VCC 74HC04_GATE

.subckt 74HC04_GATE IN OUT GND VCC
* Robust behavioral model of a CMOS Inverter using sigmoid function
* Vout = VCC if Vin < Vth, Vout = 0 if Vin > Vth
* Vth set to VCC/2. Steepness factor k=50.
B_INV OUT GND V = V(VCC) / (1 + exp(50 * (V(IN) - V(VCC)/2)))
.ends

* -----------------------------------------------------------------------------
* Output Stage: Indicator LED
* Wiring: R2 between ALERT_OUT and LED_ANODE. D1 between LED_ANODE and 0.
* -----------------------------------------------------------------------------
R2 ALERT_OUT LED_ANODE 330

* D1 Red LED
D1 LED_ANODE 0 RED_LED_MODEL

* LED Model (Approximate Red LED Vf ~ 1.8V @ 10mA)
.model RED_LED_MODEL D(IS=1e-18 N=2 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p)

* -----------------------------------------------------------------------------
* Analysis Commands
* -----------------------------------------------------------------------------
.op
* Transient analysis: 1us step, 500us total duration
.tran 1u 500u

* Print results to log (Required)
.print tran V(SENSE_IN) V(ALERT_OUT) V(LED_ANODE) V(SW_CTRL)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1080 rows) 
Index   time            v(sense_in)     v(alert_out)    v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.999950e-05	5.000000e+00	1.948002e+00
1	1.000000e-08	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
2	2.000000e-08	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
3	4.000000e-08	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
4	8.000000e-08	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
5	1.600000e-07	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
6	3.200000e-07	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
7	6.400000e-07	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
8	1.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
9	2.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
10	3.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
11	4.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
12	5.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
13	6.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
14	7.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
15	8.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
16	9.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
17	1.028000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
18	1.128000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
19	1.228000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
20	1.328000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
21	1.428000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
22	1.528000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
23	1.628000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
... (1056 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Dejar entradas flotantes: Aunque solo usamos una compuerta (Pin 1/2), las entradas no utilizadas en chips CMOS (pines 3, 5, 9, 11, 13) deben conectarse a GND o VCC para evitar oscilaciones y un consumo excesivo de energía.
  2. Cableado de Pull-up incorrecto: Conectar la resistencia en serie con la entrada en lugar de como pull-up a VCC. Asegúrese de que R1 vaya estrictamente a 5V.
  3. Inversión lógica del sensor: Usar un sensor que está Abierto cuando está Vacío sin cambiar la lógica del circuito. Esto causaría que la luz esté ENCENDIDA cuando el tanque está lleno. Asegúrese de que la acción mecánica coincida con la tabla de verdad.

Solución de problemas

  • El LED siempre está ENCENDIDO: Verifique si S1 está atascado en la posición Cerrada o si el pin 1 está en cortocircuito a tierra.
  • El LED nunca se ENCIENDE: Verifique si el interruptor de flotador realmente está cerrando el circuito a tierra. Mida la resistencia a través de los terminales de S1 mientras mueve el flotador.
  • El chip se calienta: Verifique si hay cortocircuitos en la salida o si VCC/GND están invertidos (Pines 14 y 7).
  • El LED parpadea: El líquido podría estar turbulento. Agregue un condensador (por ejemplo, 10 µF) en paralelo con S1 para crear un retardo de rebote por hardware.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Alerta de audio: Agregue un zumbador activo de 5V en paralelo con la combinación LED/Resistencia para proporcionar una alarma audible cuando el tanque esté vacío.
  2. Histéresis: Reemplace el 74HC04 con un 74HC14 (Inversor Schmitt Trigger). Esto evita que el LED parpadee si el nivel del agua está justo en el umbral de conmutación.

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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 para realizar la inversión lógica en este circuito?




Pregunta 3: ¿Cuál es el estado del LED cuando el sensor detecta que hay agua presente (entrada Lógica 1)?




Pregunta 4: ¿Qué función cumple la resistencia R1 de 10 kΩ en el circuito?




Pregunta 5: ¿Cómo debe comportarse el sensor (interruptor) para que el LED se encienda según el diseño?




Pregunta 6: ¿Qué voltaje de entrada ($V_{in}$) activa la alerta visual (LED encendido)?




Pregunta 7: ¿Cuál es el propósito del condensador cerámico C1 de 100 nF mencionado en la lista de materiales?




Pregunta 8: ¿Qué aplicación de seguridad doméstica se menciona específicamente para este circuito?




Pregunta 9: ¿Qué función cumple la resistencia R2 de 330 Ω?




Pregunta 10: Si el tanque está vacío, ¿qué nivel lógico recibe la entrada del inversor?




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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