Caso práctico: Sistema de seguridad de doble llave

Prototipo de Sistema de seguridad de doble llave (Maker Style)

Nivel: Básico – Construye un circuito lógico que active una alarma solo cuando se giren dos llaves de seguridad simultáneamente.

Objetivo y caso de uso

En este proyecto, construirás un circuito de enclavamiento de seguridad digital utilizando una compuerta AND cuádruple de 2 entradas 74HC08. El sistema imita un protocolo de alta seguridad donde un mecanismo (representado por un LED) se activa solo si dos entradas separadas (interruptores) se accionan exactamente al mismo tiempo.

  • Aplicaciones en el mundo real:

    • Maquinaria industrial: Prensas de seguridad que requieren que el operador coloque ambas manos en botones separados para evitar lesiones.
    • Bóvedas bancarias: Requisitos de doble llave donde dos gerentes deben estar presentes para abrir una caja fuerte.
    • Aeroespacial: Sistemas de control de lanzamiento que requieren comandos de confirmación dual.
    • Domótica: Lógica de cerradura «inteligente» donde los datos biométricos y un código PIN deben coincidir.

  • Resultado esperado:

    • Estado de reposo: El LED permanece completamente APAGADO (Lógica Baja, < 0.1 V) cuando los interruptores están abiertos.
    • Activación única: El LED permanece APAGADO si solo el Interruptor A o solo el Interruptor B está cerrado.
    • Estado activo: El LED se ENCIENDE (Lógica Alta, > 3.5 V) exclusivamente cuando el Interruptor A Y el Interruptor B están cerrados.
    • Visual: Una señal luminosa clara y estable que indica «Acceso Concedido».

  • Público objetivo y nivel: Estudiantes que exploran los conceptos básicos de la lógica digital y la familia de CI 7400.

Materiales

  • U1: CI 74HC08 Compuerta AND cuádruple de 2 entradas.
  • S1: Interruptor de palanca SPST o pulsador, función: Llave de Seguridad A.
  • S2: Interruptor de palanca SPST o pulsador, función: Llave de Seguridad B.
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: resistencia pull-down para la Entrada A.
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: resistencia pull-down para la Entrada B.
  • R3: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED.
  • D1: LED rojo, función: Indicador de estado del sistema.
  • V1: Fuente de alimentación de 5 V DC.

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC08 (Compuerta AND cuádruple de 2 entradas)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada A (Compuerta 1) Conectado al nodo S1 (VA)
2 1B Entrada B (Compuerta 1) Conectado al nodo S2 (VB)
3 1Y Salida (Compuerta 1) Conectado al nodo del driver del LED (VOUT)
7 GND Tierra Conectado a 0 V
14 VCC Alimentación Conectado a +5 V

(Nota: Los pines 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13 no se utilizan en esta implementación de una sola compuerta, pero técnicamente las entradas deberían conectarse a tierra en un diseño de PCB permanente para evitar ruido.)

Guía de conexionado

Sigue esta guía de conexión basada en nodos para ensamblar el circuito en tu protoboard.

  • Conexiones de los rieles de alimentación:

    • Conecta el terminal positivo de V1 al nodo VCC.
    • Conecta el terminal negativo de V1 al nodo 0 (GND).
    • Conecta el Pin 14 de U1 a VCC.
    • Conecta el Pin 7 de U1 a 0.

  • Etapa de entrada (Interruptor A):

    • Conecta S1 entre el nodo VCC y el nodo VA.
    • Conecta R1 entre el nodo VA y el nodo 0 (esto asegura que VA sea Bajo cuando S1 está abierto).
    • Conecta el Pin 1 de U1 al nodo VA.

  • Etapa de entrada (Interruptor B):

    • Conecta S2 entre el nodo VCC y el nodo VB.
    • Conecta R2 entre el nodo VB y el nodo 0 (esto asegura que VB sea Bajo cuando S2 está abierto).
    • Conecta el Pin 2 de U1 al nodo VB.

  • Etapa de salida:

    • Conecta el Pin 3 de U1 al nodo VOUT.
    • Conecta R3 entre el nodo VOUT y el Ánodo de D1.
    • Conecta el Cátodo de D1 al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC08 Quad AND gate

Esquemático

[ INPUTS ]                                [ LOGIC ]                         [ OUTPUT ]

 [ VCC ] -> [ S1: Key A ] --+--(Node VA)-->+-------------------+
                            |              |  Pin 1            |
                       [ R1: 10k ]         |                   |
                            v              |    U1: 74HC08     |
                         [ GND ]           |    (AND Gate)     |--(Pin 3)--> [ R3: 330 Ω ] --> [ D1: LED ] --> [ GND ]
                                           |                   |
 [ VCC ] -> [ S2: Key B ] --+--(Node VB)-->+-------------------+
                            |                 Pin 2
                       [ R2: 10k ]
                            v
                         [ GND ]
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

El 74HC08 sigue la lógica booleana positiva estándar (A AND B).

Llave A (S1) Llave B (S2) Entrada A (Pin 1) Entrada B (Pin 2) Salida Y (Pin 3) Estado del LED
Abierto Abierto 0 (Bajo) 0 (Bajo) 0 (Bajo) APAGADO
Abierto Cerrado 0 (Bajo) 1 (Alto) 0 (Bajo) APAGADO
Cerrado Abierto 1 (Alto) 0 (Bajo) 0 (Bajo) APAGADO
Cerrado Cerrado 1 (Alto) 1 (Alto) 1 (Alto) ENCENDIDO

Mediciones y pruebas

  1. Verificación de alimentación: Usa un multímetro para verificar 5 V entre VCC y 0 en los rieles del protoboard.
  2. Verificación de entrada:
    • Mantén S1 abierto: Mide el voltaje en VA. Debería ser 0 V.
    • Cierra S1: Mide el voltaje en VA. Debería ser ~5 V.
    • Repite para S2 y VB.
  3. Verificación lógica:
    • Cierra solo S1. Mide VOUT en el Pin 3. Esperado: ~0 V.
    • Cierra solo S2. Mide VOUT en el Pin 3. Esperado: ~0 V.
    • Cierra tanto S1 como S2. Mide VOUT. Esperado: > 3.5 V (Lógica Alta).
  4. Consumo de corriente (Opcional): Mide la corriente a través de R3 cuando el LED está ENCENDIDO. Debería ser aproximadamente 8–10 mA.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Double Key Security System

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC Power Supply connected to VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Input Stage (Switch A) ---
* User actuation simulation for Switch A (Control Signal)
* Generates a pulse sequence to test logic states. 
* Logic sequence plan: 00 -> 01 -> 10 -> 11
* Actuation A: Low for 100us, High for 100us.
V_ACT_A ACT_A 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 99u 200u)

* S1: SPST Switch connecting VCC to VA when actuated
S1 VCC VA ACT_A 0 SW_PUSHBUTTON

* R1: 10k Pull-down resistor for Input A
R1 VA 0 10k

* --- Input Stage (Switch B) ---
* User actuation simulation for Switch B (Control Signal)
* Actuation B: Toggles every 50us.
V_ACT_B ACT_B 0 PULSE(0 5 50u 1u 1u 49u 100u)

* S2: SPST Switch connecting VCC to VB when actuated
S2 VCC VB ACT_B 0 SW_PUSHBUTTON

* R2: 10k Pull-down resistor for Input B
R2 VB 0 10k

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

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* Practical case: Double Key Security System

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC Power Supply connected to VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Input Stage (Switch A) ---
* User actuation simulation for Switch A (Control Signal)
* Generates a pulse sequence to test logic states. 
* Logic sequence plan: 00 -> 01 -> 10 -> 11
* Actuation A: Low for 100us, High for 100us.
V_ACT_A ACT_A 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 99u 200u)

* S1: SPST Switch connecting VCC to VA when actuated
S1 VCC VA ACT_A 0 SW_PUSHBUTTON

* R1: 10k Pull-down resistor for Input A
R1 VA 0 10k

* --- Input Stage (Switch B) ---
* User actuation simulation for Switch B (Control Signal)
* Actuation B: Toggles every 50us.
V_ACT_B ACT_B 0 PULSE(0 5 50u 1u 1u 49u 100u)

* S2: SPST Switch connecting VCC to VB when actuated
S2 VCC VB ACT_B 0 SW_PUSHBUTTON

* R2: 10k Pull-down resistor for Input B
R2 VB 0 10k

* --- Logic Stage (U1: 74HC08) ---
* Quad 2-Input AND Gate. Using 1 gate (Pins 1, 2, 3).
* Connections: Pin1=VA, Pin2=VB, Pin3=VOUT, Pin7=GND, Pin14=VCC
XU1 VA VB VOUT 0 VCC 74HC08

* --- Output Stage ---
* R3: 330 Ohm Current Limiting Resistor
R3 VOUT LED_ANODE 330

* D1: Red LED System Status Indicator
D1 LED_ANODE 0 DLED

* --- Models ---

* Switch Model (Voltage Controlled Switch)
* Vt=2.5V threshold, Low resistance when ON, High when OFF
.model SW_PUSHBUTTON SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)

* LED Model
.model DLED D(IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5)

* 74HC08 Subcircuit Model (Behavioral AND Gate)
* Implements Vout = VCC * AND(A, B) using continuous sigmoid functions for convergence
* Pins: 1=A, 2=B, 3=Y, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC08 P1 P2 P3 P7 P14
* Behavioral Source B1: Logic AND function
* Sigmoid function: 1 / (1 + exp(-k*(V-Vth)))
* k=50 provides sharp transition, Vth=2.5V
B1 P3 P7 V = V(P14, P7) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(P1, P7) - 2.5)))) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(P2, P7) - 2.5))))
.ends

* --- Simulation Commands ---
* Transient analysis for 250us to cover all logic states (00, 01, 10, 11)
.tran 1u 250u

* Print directives for logging
.print tran V(VA) V(VB) V(VOUT)

* Calculate DC operating point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (322 rows) 
Index   time            v(va)           v(vb)           v(vout)
0	0.000000e+00	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
1	1.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
2	2.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
3	4.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
4	8.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
5	1.600000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
6	3.200000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
7	6.400000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
8	1.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
9	2.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
10	3.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
11	4.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
12	5.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
13	6.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
14	7.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
15	8.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
16	9.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
17	1.028000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
18	1.128000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
19	1.228000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
20	1.328000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
21	1.428000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
22	1.528000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
23	1.628000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
... (298 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entradas flotantes: Olvidar las resistencias R1 o R2. Sin ellas, las entradas «flotan» y pueden captar ruido estático, causando que el LED parpadee aleatoriamente incluso cuando los interruptores están abiertos.
  2. Falta de alimentación al CI: Olvidar conectar el Pin 14 a VCC y el Pin 7 a GND. El chip no funcionará y puede sobrecalentarse si se activan las entradas mientras el chip no tiene alimentación.
  3. Polaridad del LED: Insertar D1 al revés (Ánodo a Tierra). El LED nunca se encenderá, incluso si la lógica es correcta.

Solución de problemas

  • Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, independientemente de la posición del interruptor.

    • Causa: Las resistencias de entrada (R1/R2) podrían estar conectadas a VCC en lugar de a GND, o el interruptor está cableado incorrectamente (cortocircuitando VCC a la Entrada directamente).
    • Solución: Verifica que R1 y R2 conecten las entradas a Tierra (configuración Pull-down).

  • Síntoma: El LED parpadea cuando toco los cables.

    • Causa: Pin de entrada flotante.
    • Solución: Asegúrate de que las resistencias pull-down estén firmemente asentadas en el protoboard y haciendo contacto.

  • Síntoma: El LED es muy tenue cuando se presionan ambos interruptores.

    • Causa: El valor de R3 es demasiado alto (ej. 10 kΩ en lugar de 330 Ω) o el voltaje de alimentación es demasiado bajo.
    • Solución: Reemplaza R3 con una resistencia de 220 Ω o 330 Ω.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Triple seguridad: Reemplaza el 74HC08 con un 74HC11 (Compuerta AND triple de 3 entradas) para requerir tres llaves simultáneas.
  2. Salida de alta potencia: Conecta la salida VOUT a un transistor NPN (como el 2N2222) o un Módulo de Relé para accionar una sirena fuerte o un motor de 12V en lugar de un pequeño LED.

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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 lógica del circuito?




Pregunta 3: ¿Qué condición debe cumplirse para que el LED se active (Lógica Alta)?




Pregunta 4: ¿Cuál es una aplicación del mundo real mencionada para este tipo de circuito?




Pregunta 5: ¿Qué función cumplen las resistencias R1 y R2 de 10 kΩ en el circuito?




Pregunta 6: ¿Cuál es el estado del LED en 'reposo' según el texto?




Pregunta 7: ¿Qué tipo de interruptores se sugieren típicamente para S1 y S2 en este contexto?




Pregunta 8: ¿A qué familia de Circuitos Integrados (CI) pertenece el chip 74HC08 utilizado?




Pregunta 9: ¿Qué voltaje se menciona como umbral para la Lógica Alta en el resultado esperado?




Pregunta 10: ¿Cuál es el nivel de dificultad indicado para este proyecto?




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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