Caso práctico: Sistema de parada de emergencia

Prototipo de Sistema de parada de emergencia (Maker Style)

Nivel: Básico – Utilizar la salida de nivel bajo de una puerta NAND para detener un proceso si dos sensores detectan peligro simultáneamente.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito de enclavamiento de seguridad digital utilizando una puerta NAND 74HC00. El sistema evalúa dos sensores de peligro independientes y activa un relé de nivel bajo (active-low) para detener un proceso solo cuando ambos sensores detectan una condición crítica.

Por qué es útil:
* Seguridad industrial: Detener maquinaria pesada si dos protecciones de seguridad separadas se omiten o abren simultáneamente.
* Control de procesos: Activar una parada de emergencia en una planta química si tanto la presión como la temperatura superan los umbrales críticos.
* Validación redundante: Evitar que falsas alarmas apaguen un sistema al requerir que dos sensores independientes coincidan antes de tomar medidas.

Resultado esperado:
* Cuando ambos sensores registran un nivel lógico ALTO (indicando peligro), la salida de la puerta NAND caerá a un nivel lógico BAJO (~0 V).
* La señal de 0 V activará un módulo de relé de nivel bajo, accionando la parada de emergencia.
* Si uno o ambos sensores leen un nivel lógico BAJO (condición segura), la salida NAND se mantiene ALTA (~5 V), manteniendo el relé inactivo y el proceso en marcha.

Público objetivo y nivel: Principiantes en electrónica digital y control lógico industrial.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC
  • SW1: Interruptor SPST, función: sensor de peligro 1
  • SW2: Interruptor SPST, función: sensor de peligro 2
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para SW1
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para SW2
  • U1: CI 74HC00 con cuatro puertas NAND de 2 entradas
  • RLY1: Módulo de relé de 5 V de nivel bajo (active-low), función: parada de emergencia del proceso

Pin-out del CI utilizado

Utilizaremos el 74HC00 (Cuatro puertas NAND de 2 entradas).

PinNombreFunción lógicaConexión en este caso
11 AEntrada 1 de la Puerta 1Nodo VA (desde SW1)
21BEntrada 2 de la Puerta 1Nodo VB (desde SW2)
31YSalida de la Puerta 1Nodo VOUT (hacia IN de RLY1)
7GNDTierra (Masa)Nodo 0
14VCCAlimentaciónNodo VCC

Guía de conexionado

  • V1: se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (GND).
  • SW1: se conecta entre el nodo VCC y el nodo VA.
  • R1: se conecta entre el nodo VA y el nodo 0.
  • SW2: se conecta entre el nodo VCC y el nodo VB.
  • R2: se conecta entre el nodo VB y el nodo 0.
  • U1: El pin 14 se conecta al nodo VCC; el pin 7 se conecta al nodo 0.
  • U1: El pin 1 se conecta al nodo VA.
  • U1: El pin 2 se conecta al nodo VB.
  • U1: El pin 3 se conecta al nodo VOUT.
  • RLY1: El pin VCC se conecta al nodo VCC, el pin GND se conecta al nodo 0 y el pin de señal/IN se conecta al nodo VOUT.

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

POWER SUPPLY:
[ V1: 5 V DC Power Supply ] --(VCC)
                           --(GND)

SENSOR 1 INPUT PATH:
VCC --> [ SW1: Danger Sensor 1 ] --(Node VA)--> [ U1: 74HC00 NAND (Pin 1) ]
[ Node VA ] --> [ R1: 10 kΩ Pull-down ] --> GND

SENSOR 2 INPUT PATH:
VCC --> [ SW2: Danger Sensor 2 ] --(Node VB)--> [ U1: 74HC00 NAND (Pin 2) ]
[ Node VB ] --> [ R2: 10 kΩ Pull-down ] --> GND

LOGIC TO EMERGENCY STOP PATH:
[ U1: 74HC00 NAND (Pin 3) ] --(Node VOUT)--> [ RLY1: Relay Module (IN) ]

IC & MODULE POWER CONNECTIONS:
VCC --> [ U1: 74HC00 NAND (Pin 14) ]
GND <-- [ U1: 74HC00 NAND (Pin 7) ]

VCC --> [ RLY1: Relay Module (VCC) ]
GND <-- [ RLY1: Relay Module (GND) ]
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Nota: El módulo de relé en este caso es de nivel bajo (active-low), lo que significa que activa la parada de emergencia cuando recibe un 0.

SW1 (Nodo VA)SW2 (Nodo VB)VOUT (Salida NAND)Estado del Relé (Nivel Bajo)Estado del Proceso
0 (Seguro)0 (Seguro)1 (ALTO)APAGADO (OFF)En marcha
0 (Seguro)1 (Peligro)1 (ALTO)APAGADO (OFF)En marcha
1 (Peligro)0 (Seguro)1 (ALTO)APAGADO (OFF)En marcha
1 (Peligro)1 (Peligro)0 (BAJO)ENCENDIDO (Activado)DETENIDO


Mediciones y pruebas

  1. Estados lógicos de entrada: Utilizando un multímetro digital, mide la tensión en CC en los nodos VA y VB con respecto al nodo 0. Verifica que marquen ~0 V cuando los interruptores estén abiertos, y ~5 V cuando estén cerrados.
  2. Nivel de tensión de salida: Mide el nodo VOUT. Confirma que se mantiene cerca de 5 V durante el funcionamiento normal (cuando uno o ningún interruptor está cerrado).
  3. Activación del sistema: Cierra tanto SW1 como SW2 simultáneamente. Mide el nodo VOUT para asegurarte de que cae a ~0 V.
  4. Accionamiento del relé: Escucha el «clic» audible del relé (u observa su LED indicador integrado) precisamente cuando VOUT cae a 0 V, confirmando que el comando de parada de emergencia se ha ejecutado físicamente.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Emergency stop system
.width out=256

* Main 5V DC power supply
V1 VCC 0 DC 5

* SW1 (Danger sensor 1) and its pull-down resistor
S1 VCC VA ctrl1 0 sw_mod
Vctrl1 ctrl1 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
R1 VA 0 10k

* SW2 (Danger sensor 2) and its pull-down resistor
S2 VCC VB ctrl2 0 sw_mod
Vctrl2 ctrl2 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)
R2 VB 0 10k

* U1: 74HC00 Quad 2-Input NAND gate IC (Using pins 1, 2, 3, 7, 14)
XU1 VA VB VOUT VCC 0 NAND_74HC00

* RLY1: 5V Active-low relay module
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Emergency stop system
.width out=256

* Main 5V DC power supply
V1 VCC 0 DC 5

* SW1 (Danger sensor 1) and its pull-down resistor
S1 VCC VA ctrl1 0 sw_mod
Vctrl1 ctrl1 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
R1 VA 0 10k

* SW2 (Danger sensor 2) and its pull-down resistor
S2 VCC VB ctrl2 0 sw_mod
Vctrl2 ctrl2 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)
R2 VB 0 10k

* U1: 74HC00 Quad 2-Input NAND gate IC (Using pins 1, 2, 3, 7, 14)
XU1 VA VB VOUT VCC 0 NAND_74HC00

* RLY1: 5V Active-low relay module
XRLY1 VOUT VCC 0 RELAY_MOD

* --- Subcircuits ---

.subckt NAND_74HC00 INA INB OUT VCC GND
* Behavioral NAND gate using continuous sigmoid functions for robust convergence
B1 OUT_int 0 V = 5 * (1 - (1/(1+exp(-20*(V(INA)-2.5)))) * (1/(1+exp(-20*(V(INB)-2.5)))))
R1 OUT_int OUT 100
C1 OUT 0 10p
.ends

.subckt RELAY_MOD IN VCC GND
* Simple resistive model for the relay module to satisfy load requirements
R_in IN GND 10k
R_vcc VCC GND 1k
.ends

* --- Models ---
.model sw_mod SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)

* --- Analysis Directives ---
.tran 1u 300u
.print tran V(VA) V(VB)
.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Análisis: The ngspice transient analysis shows nodes VA and VB toggling between approximately 0V and 5V, consistent with the PULSE sources driving the switches. This correctly simulates the different combinations of the danger sensors (SW1 and SW2) being triggered or safe.
Show raw data table (501 rows)
Index   time            v(va)           v(vb)
0	0.000000e+00	4.999500e-04	4.999500e-04
1	1.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04
2	2.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04
3	4.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04
4	8.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04
5	1.600000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04
6	3.200000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04
7	3.562500e-07	4.999500e-04	4.999500e-04
8	4.196875e-07	4.999500e-04	4.999500e-04
9	4.372461e-07	4.999500e-04	4.999500e-04
10	4.679736e-07	4.999500e-04	4.999500e-04
11	4.795524e-07	4.999500e-04	4.999500e-04
12	4.902290e-07	4.999500e-04	4.999500e-04
13	5.023412e-07	4.999950e+00	4.999950e+00
14	5.111724e-07	4.999950e+00	4.999950e+00
15	5.196372e-07	4.999950e+00	4.999950e+00
16	5.247062e-07	4.999950e+00	4.999950e+00
17	5.271308e-07	4.999950e+00	4.999950e+00
18	5.277087e-07	4.999950e+00	4.999950e+00
19	5.280739e-07	4.999950e+00	4.999950e+00
20	5.285244e-07	4.999950e+00	4.999950e+00
21	5.292184e-07	4.999950e+00	4.999950e+00
22	5.299733e-07	4.999950e+00	4.999950e+00
23	5.306602e-07	4.999950e+00	4.999950e+00
... (477 more rows) ...


Netlist SPICE de referencia (ngspice)

* Practical case: Emergency stop system
.width out=256

* Main 5V DC power supply
V1 VCC 0 DC 5

* SW1 (Danger sensor 1) and its pull-down resistor
S1 VCC VA ctrl1 0 sw_mod
Vctrl1 ctrl1 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
R1 VA 0 10k

* SW2 (Danger sensor 2) and its pull-down resistor
S2 VCC VB ctrl2 0 sw_mod
Vctrl2 ctrl2 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)
R2 VB 0 10k

* U1: 74HC00 Quad 2-Input NAND gate IC (Using pins 1, 2, 3, 7, 14)
XU1 VA VB VOUT VCC 0 NAND_74HC00

* RLY1: 5V Active-low relay module
XRLY1 VOUT VCC 0 RELAY_MOD

* --- Subcircuits ---

.subckt NAND_74HC00 INA INB OUT VCC GND
* Behavioral NAND gate using continuous sigmoid functions for robust convergence
B1 OUT_int 0 V = 5 * (1 - (1/(1+exp(-20*(V(INA)-2.5)))) * (1/(1+exp(-20*(V(INB)-2.5)))))
R1 OUT_int OUT 100
C1 OUT 0 10p
.ends

.subckt RELAY_MOD IN VCC GND
* Simple resistive model for the relay module to satisfy load requirements
R_in IN GND 10k
R_vcc VCC GND 1k
.ends

* --- Models ---
.model sw_mod SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)

* --- Analysis Directives ---
.tran 1u 300u
.print tran V(VA) V(VB)
.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Análisis: The ngspice transient analysis shows nodes VA and VB toggling between approximately 0V and 5V, consistent with the PULSE sources driving the switches. This correctly simulates the different combinations of the danger sensors (SW1 and SW2) being triggered or safe.

Errores comunes y cómo evitarlos

  • Entradas flotantes: Olvidar las resistencias pull-down (R1 y R2). Sin ellas, las entradas de la puerta lógica quedarán flotantes y captarán ruido ambiental, provocando que el relé se active aleatoriamente.
  • Malinterpretar la lógica de nivel bajo (active-low): Esperar que el relé se active cuando la salida es de 5 V. En este caso, la salida NAND cae a 0 V al detectar peligro mutuo, lo que encaja perfectamente con un módulo de relé de nivel bajo. Asegúrate de que tu módulo de relé es realmente de nivel bajo.
  • Omitir las conexiones de alimentación del CI: Olvidar cablear los pines 14 (VCC) y 7 (GND) del 74HC00. El CI no procesará la lógica sin alimentación y puede comportarse de forma errática si se alimenta de forma parásita a través de sus pines de entrada.


Solución de problemas

  • Síntoma: El relé nunca hace clic, incluso cuando ambos interruptores están cerrados.
    • Causa: El pin de salida del 74HC00 no puede absorber suficiente corriente, o el módulo de relé es de nivel alto (active-high) en lugar de nivel bajo.
    • Solución: Asegúrate de estar utilizando un módulo de relé (con un transistor controlador integrado) en lugar de un relé mecánico desnudo. Verifica la lógica de activación del módulo (algunos tienen un puente para seleccionar entre nivel alto y nivel bajo).
  • Síntoma: El relé repiquetea rápidamente o se activa aleatoriamente sin interacción humana.
    • Causa: Entradas flotantes en el nodo VA o VB.
    • Solución: Comprueba dos veces que R1 y R2 están correctamente asentadas en la protoboard y conectadas directamente a GND (nodo 0).
  • Síntoma: El relé siempre está ENCENDIDO y el proceso está permanentemente detenido.
    • Causa: La salida NAND está permanentemente atascada en 0 V. Esto puede suceder si ambas entradas están en cortocircuito a VCC, o si la puerta lógica está dañada.
    • Solución: Mide VA y VB. Si marcan 0 V pero VOUT sigue siendo 0 V, reemplaza el CI 74HC00.

Posibles mejoras y extensiones

  • Antirrebote por hardware (debouncing): Añade un condensador de 1 µF en paralelo a cada interruptor para evitar que el rebote de los contactos genere transiciones lógicas rápidas e involuntarias durante el milisegundo en que se acciona el interruptor.
  • Indicadores visuales de estado: Conecta un LED y una resistencia limitadora de corriente de 330 Ω al nodo VOUT para proporcionar un indicador visual claro en un panel de control cuando el sistema está en un estado seguro (LED ENCENDIDO) frente a un estado de emergencia (LED APAGADO).

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el componente principal utilizado para la lógica de este circuito de seguridad?




Pregunta 2: ¿Bajo qué condición el sistema detiene el proceso?




Pregunta 3: ¿Qué tipo de módulo de relé se utiliza en este caso práctico?




Pregunta 4: ¿Qué nivel lógico registran los sensores cuando detectan peligro?




Pregunta 5: ¿Cuál es el voltaje aproximado a la salida de la puerta NAND cuando ambos sensores detectan peligro?




Pregunta 6: ¿Por qué es útil este sistema en la validación redundante?




Pregunta 7: En el contexto de control de procesos, ¿qué variables podrían activar la parada de emergencia en una planta química según el texto?




Pregunta 8: ¿Qué sucede con la salida de la puerta NAND si solo un sensor detecta peligro (nivel ALTO) y el otro no (nivel BAJO)?




Pregunta 9: ¿Cuál es el propósito principal de este circuito de enclavamiento de seguridad?




Pregunta 10: ¿Qué acción física realiza el relé cuando recibe la señal de 0 V de la puerta NAND?




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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