Caso práctico: Inversor de señal con LED indicador

Prototipo de Inversor de señal con LED indicador (Maker Style)

Nivel: Básico – Comprender la lógica de una compuerta NOT (inversor) observando estados de entrada y salida opuestos mediante indicadores luminosos.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito lógico digital utilizando un CI 74HC04 (Hex Inverter). El circuito demostrará la función de inversión fundamental donde una señal de entrada ALTA (HIGH) resulta en una señal de salida BAJA (LOW), confirmada visualmente por dos LEDs que operan en estados alternos.

Por qué es útil:
* Enclavamientos de seguridad: Utilizados en maquinaria para asegurar que un sistema se detenga (lógica BAJA) cuando se activa un sensor (lógica ALTA).
* Indicadores de estado: Permite crear luces de «Standby» (espera) que se ENCIENDEN solo cuando el interruptor de encendido principal está APAGADO.
* Adaptación de niveles lógicos: Esencial para interconectar sensores activos en alto con entradas de microcontroladores activas en bajo.
* Acondicionamiento de señal: Limpia señales digitales ruidosas y asegura niveles lógicos distintos.

Resultado esperado:
* LED de entrada (Verde): Se ENCIENDE cuando se presiona el interruptor (Lógica 1).
* LED de salida (Rojo): Se APAGA cuando se presiona el interruptor (Lógica 0).
* Relación inversa: Cuando se suelta el interruptor (Lógica 0), el LED Rojo se ENCIENDE.
* Niveles de voltaje: Entrada a 0V $\rightarrow$ Salida $\approx$ 5V; Entrada a 5V $\rightarrow$ Salida $\approx$ 0V.

Público objetivo: Estudiantes y aficionados (Nivel: Básico).

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC (batería o fuente regulada)
  • S1: Interruptor SPST de palanca o táctil, función: Generador de señal de entrada
  • U1: 74HC04 (CI Hex Inverter), función: Inversión lógica
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Resistencia pull-down para la entrada VA
  • R2: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para el LED de entrada (D1)
  • R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para el LED de salida (D2)
  • D1: LED Verde, función: Indicador de estado de entrada (Activo Alto)
  • D2: LED Rojo, función: Indicador de estado de salida (Activo Alto)

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC04 (Hex Inverter)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada Conectado al Interruptor S1 y Pull-down R1
2 1Y Salida Conectado al LED de Salida (D2) vía R3
7 GND Tierra Conectado al Negativo de la Fuente de Alimentación (0V)
14 VCC Alimentación Conectado al Positivo de la Fuente de Alimentación (5V)

Nota: Los pines 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12 y 13 no se utilizan en esta demostración de una sola compuerta. En un circuito permanente, las entradas no utilizadas en chips CMOS deben conectarse a GND.

Guía de conexionado

  • VCC: Conectar el terminal positivo de V1, Pin 14 de U1, y un lado de S1.
  • 0 (GND): Conectar el terminal negativo de V1, Pin 7 de U1, un lado de R1, el cátodo de D1, y el cátodo de D2.
  • VA (Nodo de Entrada): Conectar el otro lado de S1, el otro lado de R1, Pin 1 de U1, y un lado de R2.
  • Indicador de Entrada: Conectar el otro lado de R2 al ánodo de D1.
  • VOUT (Nodo de Salida): Conectar Pin 2 de U1 a un lado de R3.
  • Indicador de Salida: Conectar el otro lado de R3 al ánodo de D2.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate

Esquemático

[ INPUT GENERATION ]               [ LOGIC & MONITORING ]               [ OUTPUT STAGE ]

    [ VCC ] -> [ Switch S1 ] --+
                               |
                               V
                           (Node VA) --(Pin 1)--> [ U1: 74HC04 ] --(Pin 2)--> [ R3: 330 ] -> [ D2: Red ] -> GND
                               |                  (Hex Inverter)
                               |
    [ GND ] <- [ R1: 10k ] <---+
                               |
                               +----(Monitor)---> [ R2: 330 ] --> [ D1: Green ] -> GND
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

El 74HC04 contiene seis compuertas NOT independientes. Estamos usando una.

Entrada (VA) Estado del interruptor Salida (VOUT) LED Verde (D1) LED Rojo (D2)
0 (Bajo) Abierto 1 (Alto) APAGADO ENCENDIDO
1 (Alto) Cerrado 0 (Bajo) ENCENDIDO APAGADO

Mediciones y pruebas

Para validar el circuito, realice los siguientes pasos utilizando un multímetro y observación visual:

  1. Comprobación del estado por defecto:

    • Asegúrese de que S1 esté abierto (no presionado).
    • Mida el voltaje en VA con respecto a GND. Debería ser 0V.
    • Mida el voltaje en VOUT con respecto a GND. Debería estar cerca de 5V.
    • Visual: El LED Rojo (D2) está ENCENDIDO; el LED Verde (D1) está APAGADO.

  2. Comprobación del estado activo:

    • Cierre (presione) S1.
    • Mida el voltaje en VA. Debería estar cerca de 5V.
    • Mida el voltaje en VOUT. Debería estar cerca de 0V.
    • Visual: El LED Rojo (D2) se APAGA; el LED Verde (D1) se ENCIENDE.

  3. Umbral de transición (Opcional):

    • Si utiliza una fuente de voltaje variable en lugar de S1, aumente lentamente el voltaje en VA. El estado de salida cambiará cuando la entrada cruce aproximadamente la mitad de VCC (aprox. 2.5V para la serie 74HC).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Signal inverter with indicator LED

* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 5

* --- Input Signal Generator (Switch S1) ---
* S1 connects VCC to VA (Input Node) when pressed.
* R1 pulls VA to Ground when S1 is open.
* V_S1_ACT simulates the user pressing the button (Active High).
* Pulse timing: Wait 10u, Press for 100u, Repeat every 200u.
V_S1_ACT S_ACT 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
S1 VCC VA S_ACT 0 SW_IDEAL

* --- Input Circuit Components ---
R1 VA 0 10k
R2 VA N_D1_A 330
D1 N_D1_A 0 LED_GREEN

* --- Logic Inverter (U1: 74HC04) ---
* Wiring: Pin1=VA, Pin2=VOUT, Pin7=GND, Pin14=VCC
* Implemented as a behavioral subcircuit to match pinout
XU1 VA VOUT 0 VCC 74HC04_1G

* --- Output Circuit Components ---
R3 VOUT N_D2_A 330
D2 N_D2_A 0 LED_RED

* --- Models ---
* Voltage Controlled Switch Model
.model SW_IDEAL SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=10Meg)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Signal inverter with indicator LED

* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 5

* --- Input Signal Generator (Switch S1) ---
* S1 connects VCC to VA (Input Node) when pressed.
* R1 pulls VA to Ground when S1 is open.
* V_S1_ACT simulates the user pressing the button (Active High).
* Pulse timing: Wait 10u, Press for 100u, Repeat every 200u.
V_S1_ACT S_ACT 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
S1 VCC VA S_ACT 0 SW_IDEAL

* --- Input Circuit Components ---
R1 VA 0 10k
R2 VA N_D1_A 330
D1 N_D1_A 0 LED_GREEN

* --- Logic Inverter (U1: 74HC04) ---
* Wiring: Pin1=VA, Pin2=VOUT, Pin7=GND, Pin14=VCC
* Implemented as a behavioral subcircuit to match pinout
XU1 VA VOUT 0 VCC 74HC04_1G

* --- Output Circuit Components ---
R3 VOUT N_D2_A 330
D2 N_D2_A 0 LED_RED

* --- Models ---
* Voltage Controlled Switch Model
.model SW_IDEAL SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=10Meg)

* LED Models (Generic)
.model LED_GREEN D(IS=1e-22 RS=5 N=1.5 CJO=50p)
.model LED_RED D(IS=1e-22 RS=5 N=1.5 CJO=50p)

* --- Subcircuits ---
* 74HC04 Hex Inverter (Single Gate Representation)
* Pins: 1=Input, 2=Output, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC04_1G 1 2 7 14
* Behavioral source implementing Inverter Logic: Vout = NOT(Vin)
* Uses sigmoid function for convergence: 1 / (1 + exp(k*(Vin - Vth)))
* Multiplied by V(14) to track supply voltage
B1 2 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(50 * (V(1) - 2.5))))
.ends

* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis for 500us to capture pulse cycles
.tran 1u 500u

* Output data for plotting/logging
.print tran V(VA) V(VOUT) V(N_D1_A) V(N_D2_A)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1334 rows) 
Index   time            v(va)           v(vout)         v(n_d1_a)
0	0.000000e+00	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
1	1.000000e-08	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
2	2.000000e-08	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
3	4.000000e-08	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
4	8.000000e-08	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
5	1.600000e-07	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
6	3.200000e-07	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
7	6.400000e-07	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
8	1.280000e-06	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
9	2.280000e-06	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
10	3.280000e-06	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
11	4.280000e-06	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
12	5.280000e-06	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
13	6.280000e-06	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
14	7.280000e-06	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
15	8.280000e-06	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
16	9.280000e-06	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
17	1.000000e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
18	1.010000e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
19	1.026000e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
20	1.030750e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
21	1.039062e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
22	1.041363e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
23	1.045390e-05	4.995005e-03	5.000000e+00	4.995005e-03
... (1310 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entradas flotantes:
    • Error: Omitir la resistencia pull-down (R1). La entrada flota cuando el interruptor está abierto, causando que el LED de salida parpadee u oscile debido al ruido electromagnético.
    • Solución: Asegúrese siempre de que la entrada tenga un camino definido a GND (vía R1) cuando el interruptor esté abierto.
  2. Falta de resistencias limitadoras de corriente:
    • Error: Conectar LEDs directamente a la salida del CI o a VCC sin R2 o R3.
    • Solución: Utilice siempre resistencias en serie (330 Ω a 1 kΩ) para evitar quemar el LED o dañar la etapa de salida del 74HC04.
  3. Confusión en la numeración de pines:
    • Error: Cablear el CI al revés o contar los pines desde el lado equivocado.
    • Solución: Identifique la muesca/punto en el encapsulado. El Pin 1 está a la izquierda de la muesca cuando la muesca mira hacia arriba.

Solución de problemas

  • Ambos LEDs permanecen APAGADOS:
    • Causa: Fuente de alimentación desconectada o CI insertado al revés.
    • Solución: Verifique las conexiones de VCC (Pin 14) y GND (Pin 7). Asegúrese de que haya 5V presentes.
  • El LED de salida (Rojo) nunca se APAGA:
    • Causa: La entrada VA no está alcanzando la Lógica Alta (5V) de manera efectiva, o el CI está dañado.
    • Solución: Verifique la continuidad del Interruptor S1. Mida el voltaje en el Pin 1 mientras presiona el interruptor.
  • El LED de salida (Rojo) es tenue:
    • Causa: La resistencia R3 tiene un valor demasiado alto, o el voltaje de alimentación es demasiado bajo.
    • Solución: Verifique que R3 sea de 330 Ω. Compruebe si V1 es realmente de 5V.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Circuito Buffer: Conecte la salida del primer inversor (Pin 2) a la entrada de un segundo inversor (Pin 3). La salida del segundo inversor (Pin 4) coincidirá ahora con el estado de la entrada original, actuando como un buffer no inversor.
  2. Oscilador de onda cuadrada: Utilice tres compuertas NOT en un bucle cerrado (Oscilador en Anillo Lógico) para crear un circuito que haga parpadear los LEDs automáticamente sin un interruptor.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es la función principal del circuito integrado 74HC04 descrito en el texto?




Pregunta 2: En este circuito, ¿qué sucede con la señal de salida si la señal de entrada es ALTA (HIGH)?




Pregunta 3: ¿Qué componente se utiliza para generar la señal de entrada según el contexto?




Pregunta 4: Según el resultado esperado, ¿cuándo se enciende el LED de entrada (Verde)?




Pregunta 5: ¿Qué aplicación práctica se menciona para este tipo de circuito en maquinaria?




Pregunta 6: Si el circuito funciona como un inversor, ¿qué debería hacer el LED de salida cuando el de entrada está apagado?




Pregunta 7: En lógica digital estándar de 5V, ¿qué voltaje aproximado se espera en la salida de un inversor si la entrada es 0V?




Pregunta 8: ¿Para qué sirve este circuito en relación con los microcontroladores?




Pregunta 9: ¿Qué función de acondicionamiento de señal realiza este circuito según el texto?




Pregunta 10: ¿Cómo se describe el uso de este circuito para indicadores de estado?




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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