Nivel: Básico. Analizando la inestabilidad causada por entradas incorrectas de divisores de tensión en puertas digitales.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito donde la entrada a un inversor digital (puerta NOT) se mantiene exactamente a 2.5 V usando un divisor de tensión simétrico. Esto crea un estado «prohibido» para las familias lógicas de 5 V.

• Entendiendo los umbrales lógicos: Aprende por qué las entradas digitales necesitan tensiones Alta y Baja definidas, no solo «algo en el medio».
• Diagnosticando la inestabilidad: Reconoce los síntomas de estados indefinidos, como la oscilación o el calentamiento excesivo.
• Comportamiento interno del transistor: Visualiza qué sucede con los MOSFETs internos cuando la tensión de entrada está en la «zona muerta».

Resultado esperado:
* Señal: La tensión de entrada (Vin) mide exactamente 2.5 V.
* Salida: El LED de salida puede estar tenue, parpadeando o atascado en una tensión intermedia (no totalmente 0 V o 5 V).
* Térmico: El chip 74HC04 puede calentarse ligeramente debido a la corriente interna de «shoot-through» (conducción cruzada).

Público objetivo: Estudiantes que trabajan con interfaces de sensores y niveles lógicos.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V DC, función: Fuente de alimentación principal
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Rama superior del divisor de tensión
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Rama inferior del divisor de tensión
• U1: 74HC04, función: Hex Inverter (puerta NOT)
• R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED
• D1: LED rojo, función: Indicador de estado lógico
• C1: Condensador de 100 nF, función: Desacoplo de la fuente de alimentación

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC04 (Hex Inverter)

Guía de conexionado

• VCC: Conecta el terminal positivo de V1, el Pin 14 de U1 y un lado de R1.
• 0 (GND): Conecta el terminal negativo de V1, el Pin 7 de U1, un lado de R2 y el cátodo (patilla corta) de D1.
• V_IN: Conecta el lado restante de R1, el lado restante de R2 y el Pin 1 (Entrada 1 A) de U1. Nota: Este nodo crea el nivel problemático de 2.5 V.
• V_OUT: Conecta el Pin 2 (Salida 1Y) de U1 a un lado de R3.
• LED_NODE: Conecta el lado restante de R3 al ánodo (patilla larga) de D1.
• Desacoplo: Conecta C1 directamente entre el Pin 14 y el Pin 7 de U1.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

INPUT STAGE (Voltage Divider)              PROCESSING STAGE (Logic)                  OUTPUT STAGE (Load)

VCC (5 V)
   |
[ R1: 10 kΩ ]
   |
+---------(V_IN: ~2.5 V)---------> [ U1: 74HC04 (Inverter) ] -------(V_OUT)-------> [ R3: 330 Ω ] ----> [ D1: LED ] ----> GND
   |          (Undefined Level)      [ Input: Pin 1          ]
[ R2: 10 kΩ ]                         [ Output: Pin 2         ]
   |                                 [ Power: VCC/GND + C1   ]
GND (0 V)

Tabla de verdad

Puerta: NOT (Inversor)

Mediciones y pruebas

1. Comprobación de tensión de entrada: Configura tu multímetro en tensión continua (DC). Coloca la sonda roja en el nodo V_IN (Pin 1 de U1) y la sonda negra en GND. Verifica que la lectura sea de aproximadamente 2.5 V.
2. Observación de la salida: Mira D1. Podría estar brillando tenuemente o parpadeando. Esto indica que la salida no está proporcionando un nivel lógico Alto o Bajo sólido.
3. Comprobación de tensión de salida: Mide la tensión en V_OUT (Pin 2). Probablemente no será 0 V ni 5 V, sino un valor intermedio, o puede estar oscilando (lectura fluctuante).
4. Prueba táctil (Precaución): Toca con cuidado la parte superior del encapsulado de plástico del 74HC04. Si el chip se siente más caliente que la temperatura ambiente, está consumiendo corriente en exceso.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: The Undefined Logic Level Danger
.width out=256

* --- Models ---
* Generic Red LED Model
.model LED_RED D(IS=1e-22 N=1.5 RS=10 BV=5 CJO=50p IBV=1u)

* Subcircuit for U1: 74HC04 Hex Inverter
* Pinout: 1=Input(A), 2=Output(Y), 7=GND, 14=VCC
* Implemented with a continuous sigmoid function to allow robust simulation 
* of the linear region (undefined state) without convergence issues.
.subckt 74HC04 1 2 7 14
B_INV 2 7 V = V(14,7) / (1 + exp(20 * (V(1,7) - 0.5*V(14,7))))
.ends

* --- Components ---

* V1: Main Power Supply
* Using PULSE to simulate power-on transient (0V to 5V)
V1 VCC 0 PULSE(0 5 1u 10u 10u 100m 200m)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: The Undefined Logic Level Danger
.width out=256

* --- Models ---
* Generic Red LED Model
.model LED_RED D(IS=1e-22 N=1.5 RS=10 BV=5 CJO=50p IBV=1u)

* Subcircuit for U1: 74HC04 Hex Inverter
* Pinout: 1=Input(A), 2=Output(Y), 7=GND, 14=VCC
* Implemented with a continuous sigmoid function to allow robust simulation 
* of the linear region (undefined state) without convergence issues.
.subckt 74HC04 1 2 7 14
B_INV 2 7 V = V(14,7) / (1 + exp(20 * (V(1,7) - 0.5*V(14,7))))
.ends

* --- Components ---

* V1: Main Power Supply
* Using PULSE to simulate power-on transient (0V to 5V)
V1 VCC 0 PULSE(0 5 1u 10u 10u 100m 200m)

* R1: Top leg of voltage divider (10k)
R1 VCC V_IN 10k

* R2: Bottom leg of voltage divider (10k)
* This creates approx 2.5V at V_IN when VCC is 5V
R2 V_IN 0 10k

* U1: 74HC04 Hex Inverter
* Connections: Pin 1=V_IN, Pin 2=V_OUT, Pin 7=0(GND), Pin 14=VCC
XU1 V_IN V_OUT 0 VCC 74HC04

* C1: Decoupling capacitor (100nF)
C1 VCC 0 100n

* R3: LED current limiting resistor (330 Ohm)
R3 V_OUT LED_NODE 330

* D1: Red LED
D1 LED_NODE 0 LED_RED

* --- Analysis ---

* Transient analysis to capture power-up and settling
* Step size 1us, Stop time 500us
.tran 1u 500u

* Print directives for simulation logging
.print tran V(V_IN) V(V_OUT) V(LED_NODE) V(VCC)

* Operating point calculation
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows V_IN settling at exactly 2.5V (half of VCC). The inverter output V_OUT also settles at 2.5V, causing the LED node to sit at ~1.75V. This confirms the ‘undefined’ behavior where the output is neither clearly High nor Low.

Show raw data table (519 rows)

Index   time            v(v_in)         v(v_out)        v(led_node)     v(vcc)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-1.32954e-36	0.000000e+00
1	1.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	-8.37118e-37	0.000000e+00
2	2.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	-2.17031e-37	0.000000e+00
3	4.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	6.442019e-37	0.000000e+00
4	8.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	1.087387e-36	0.000000e+00
5	1.600000e-07	0.000000e+00	0.000000e+00	5.886649e-37	0.000000e+00
6	3.200000e-07	0.000000e+00	0.000000e+00	-7.16419e-38	0.000000e+00
7	6.400000e-07	0.000000e+00	0.000000e+00	-1.33719e-37	0.000000e+00
8	1.000000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	-1.75658e-38	0.000000e+00
9	1.005123e-06	1.280776e-03	1.280776e-03	3.255392e-04	2.561552e-03
10	1.015369e-06	3.842328e-03	3.842328e-03	1.418765e-03	7.684656e-03
11	1.035862e-06	8.965432e-03	8.965432e-03	5.258943e-03	1.793086e-02
12	1.070382e-06	1.759552e-02	1.759552e-02	1.345000e-02	3.519104e-02
13	1.105069e-06	2.626716e-02	2.626716e-02	2.210557e-02	5.253431e-02
14	1.174442e-06	4.361042e-02	4.361042e-02	3.941132e-02	8.722085e-02
15	1.313188e-06	7.829696e-02	7.829696e-02	7.402122e-02	1.565939e-01
16	1.590680e-06	1.476700e-01	1.476700e-01	1.432281e-01	2.953401e-01
17	2.145665e-06	2.864162e-01	2.864162e-01	2.815810e-01	5.728324e-01
18	3.145665e-06	5.364162e-01	5.364162e-01	5.305352e-01	1.072832e+00
19	4.145665e-06	7.864162e-01	7.864162e-01	7.789169e-01	1.572832e+00
20	5.145665e-06	1.036416e+00	1.036416e+00	1.027633e+00	2.072832e+00
21	6.145665e-06	1.286416e+00	1.286416e+00	1.276050e+00	2.572832e+00
22	7.145665e-06	1.536416e+00	1.536416e+00	1.521539e+00	3.072832e+00
23	8.145665e-06	1.786416e+00	1.786416e+00	1.662480e+00	3.572832e+00
... (495 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Asumir que 2.5 V es «Alto»: Muchos estudiantes piensan que cualquier tensión > 0 V es «Alta». Consulta la hoja de datos para los requisitos mínimos de VIH (Tensión de entrada Alta) (generalmente ~3.5 V para lógica HC de 5 V).
2. Usar divisores de alta impedancia: Usar 10 kΩ/10 kΩ está bien para referencias, pero el ruido puede acoplarse fácilmente en este nodo de alta impedancia, causando que la puerta conmute aleatoriamente.
3. Ignorar los condensadores de desacoplo: En este estado inestable, el chip genera ruido en los rieles de alimentación. Omitir C1 hace que el comportamiento sea aún más errático.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED está tenue o parpadea rápidamente.
  • Causa: La entrada está en la «región lineal» o «zona prohibida». Los transistores internos están amplificando ruido.
  • Solución: Ajusta la tensión de entrada para que sea claramente válida (p. ej., conecta la Entrada directamente a VCC o GND para probar).
• Síntoma: El chip se está calentando, pero el LED funciona.
  • Causa: Corriente de «shoot-through». Dentro del chip, tanto el P-MOSFET como el N-MOSFET de la etapa de entrada están conduciendo parcialmente porque 2.5 V los polariza a ambos en ON. Esto crea un cortocircuito desde VCC a GND dentro del silicio.
  • Solución: Nunca dejes una entrada CMOS en una tensión intermedia.
• Síntoma: La tensión en V_IN no es exactamente 2.5 V.
  • Causa: Tolerancia de las resistencias (p. ej., resistencias del 5% o 10%) o carga del multímetro.
  • Solución: Mide los valores de R1 y R2 independientemente o verifica con un multímetro de precisión.

Posibles mejoras y extensiones

1. Implementación de histéresis: Reemplaza el 74HC04 con un 74HC14 (Inversor Schmitt Trigger). Observa cómo el Schmitt trigger maneja la entrada de 2.5 V (permanecerá en el estado anterior hasta que se cruce un umbral específico) sin oscilar.
2. Entrada Variable: Reemplaza las resistencias fijas R1/R2 con un potenciómetro de 10 kΩ. Barre la tensión de 0 V a 5 V mientras mides la corriente de alimentación (Amperaje). Verás un pico de corriente exactamente alrededor del punto de transición de 2.5 V.

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Aprende a identificar y arreglar un transistor NPN atascado en la región activa.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un interruptor de lado bajo (Low-Side Switch) estándar utilizando un BJT (Transistor de Unión Bipolar) para controlar una carga de alta corriente. Sin embargo, el circuito contendrá un fallo deliberado en la selección de la resistencia de base para demostrar la diferencia entre la Región activa y la Saturación.

• Entendiendo los modos del transistor: Aprende por qué un transistor actúa como una resistencia en lugar de un interruptor si no está polarizado correctamente.
• Disipación de potencia: Entiende por qué los transistores parcialmente abiertos se sobrecalientan.
• Solución de problemas: Practica la medición de VCE para diagnosticar la eficiencia de conmutación.

Resultado esperado:
* Inicialmente, el LED de alta corriente será sorprendentemente tenue.
* La medición de voltaje a través del transistor (VCE) será alta (> 2 V).
* Después del arreglo, el LED brillará intensamente y VCE caerá a cerca de 0 V.
* Público objetivo: Principiantes y estudiantes familiarizados con la Ley de Ohm básica.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V DC, función: Alimentación del circuito principal.
• Q1: Transistor NPN 2N2222, función: Interruptor de lado bajo.
• D1: LED blanco de alto brillo, función: La carga pesada (requiere aprox. 80-100 mA).
• R1: Resistencia de 33 Ω (1/2 Watt), función: Limitación de corriente del LED (Rload).
• R2: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia de base incorrecta (Caso de prueba).
• R3: Resistencia de 1 kΩ, función: Resistencia de base correcta (Solución).
• S1: Interruptor SPST o cable puente (jumper), función: Control de entrada.

Guía de conexionado

Construye el circuito utilizando las siguientes conexiones de la lista de redes (netlist). Presta atención a los nombres de los nodos.

• V1 (5 V) se conecta al nodo VCC.
• V1 (GND) se conecta al nodo 0.
• S1 se conecta entre VCC y el nodo SWITCH_OUT.
• R2 (100 kΩ) se conecta entre SWITCH_OUT y el nodo BASE.
• Base de Q1 se conecta al nodo BASE.
• Emisor de Q1 se conecta al nodo 0 (GND).
• Colector de Q1 se conecta al nodo COLLECTOR.
• Ánodo de D1 se conecta al nodo VCC.
• Cátodo de D1 se conecta al nodo LED_CATHODE.
• R1 (33 Ω) se conecta entre LED_CATHODE y COLLECTOR.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: NPN Switch Saturation Troubleshooting

(1) CONTROL PATH (Base Current Drive)
    VCC --> [ S1: Switch ] --(SWITCH_OUT)--> [ R2: 100k ] --(BASE)--> [ Q1: Base ]
                                                                           |
                                                                    (Activates Switch)
                                                                           |
                                                                           V

(2) POWER PATH (High Current Load)
    VCC --> [ D1: LED ] --(LED_CATHODE)--> [ R1: 33 Ohm ] --(COLLECTOR)--> [ Q1: Collector ]
                                                                                 |
                                                                           (Current Flow)
                                                                                 |
                                                                                 V
                                                                           [ Q1: Emitter ] --> GND

Mediciones y pruebas

Sigue este procedimiento para analizar el comportamiento del circuito antes de aplicar el arreglo.

1. Inspección visual: Cierra el interruptor S1. Observa el brillo de D1. Debería ser notablemente tenue para un LED de alto brillo.
2. Comprobación de voltaje de base: Mide el voltaje en el nodo BASE con respecto a GND. Debería ser aproximadamente 0.7 V.
3. Comprobación de voltaje de colector (VCE): Mide el voltaje en el nodo COLLECTOR con respecto a GND (a través del transistor).
   • Expectativa para un interruptor perfecto: ~0 V.
   • Medición real: Probablemente medirás un voltaje significativo (por ejemplo, 2 V a 4 V dependiendo de la ganancia exacta de tu Q1 específico).
4. Corriente calculada: Calcula la corriente entrando a la base: IB = (5 V – 0.7 V) / 100 kΩ.

Netlist SPICE y simulación

* Practical case: NPN Switch Saturation Troubleshooting
.width out=256

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

* --- Input Control (S1) ---
* S1 connects VCC to SWITCH_OUT. Modeled as a voltage-controlled switch
* driven by a PULSE source to simulate user actuation.
S1 VCC SWITCH_OUT CTRL 0 SW_IDEAL
Vctrl CTRL 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
.model SW_IDEAL SW(Vt=2.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* --- Circuit Components ---
* R2: Incorrect Base resistor (100k) causing weak saturation.
* This matches the "Troubleshooting" state defined in the Wiring Guide.
R2 SWITCH_OUT BASE 100k

* Note: R3 (1k) is listed in the BOM as the 'Solution' but is not connected
* in the current wiring guide configuration. It is omitted to prevent floating nodes.
* ... (truncated in public view) ...

* Practical case: NPN Switch Saturation Troubleshooting
.width out=256

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

* --- Input Control (S1) ---
* S1 connects VCC to SWITCH_OUT. Modeled as a voltage-controlled switch
* driven by a PULSE source to simulate user actuation.
S1 VCC SWITCH_OUT CTRL 0 SW_IDEAL
Vctrl CTRL 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
.model SW_IDEAL SW(Vt=2.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* --- Circuit Components ---
* R2: Incorrect Base resistor (100k) causing weak saturation.
* This matches the "Troubleshooting" state defined in the Wiring Guide.
R2 SWITCH_OUT BASE 100k

* Note: R3 (1k) is listed in the BOM as the 'Solution' but is not connected
* in the current wiring guide configuration. It is omitted to prevent floating nodes.

* Q1: NPN Transistor Switch (Low-side)
Q1 COLLECTOR BASE 0 2N2222MOD

* D1: High-Brightness White LED
D1 VCC LED_CATHODE D_WHITE

* R1: LED Current Limiting Resistor
R1 LED_CATHODE COLLECTOR 33

* --- Models ---
* Generic NPN Model for 2N2222
.model 2N2222MOD NPN(IS=1E-14 BF=200 VAF=100 IKF=0.3 RB=10 RC=0.3 RE=0.2 CJE=25p CJC=8p)

* Approximate White LED Model (High Forward Voltage)
.model D_WHITE D(IS=1p N=3.5 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Commands ---
* Transient analysis to visualize switching behavior
.tran 1u 200u

* Output identification:
* Input: V(SWITCH_OUT)
* Output: V(COLLECTOR) (Low-side switch voltage)
.print tran V(SWITCH_OUT) V(COLLECTOR) V(BASE) V(LED_CATHODE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation confirms the ‘Troubleshooting’ scenario: when the switch is ON (V(SWITCH_OUT)=5V), the Collector voltage drops only to ~2.6V rather than near 0V. This indicates the transistor is in the active region (not fully saturated) due to the high base resistance (100kΩ), failing to fully power the LED load.

Show raw data table (271 rows)

Index   time            v(switch_out)   v(collector)    v(base)         v(led_cathode)
0	0.000000e+00	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330675e-01	3.548432e+00
1	1.000000e-08	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330675e-01	3.548432e+00
2	2.000000e-08	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330675e-01	3.548432e+00
3	4.000000e-08	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
4	8.000000e-08	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
5	1.600000e-07	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
6	3.200000e-07	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
7	3.562500e-07	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
8	4.196875e-07	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
9	4.372461e-07	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
10	4.679736e-07	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
11	5.019934e-07	5.000000e+00	3.537721e+00	5.508590e-01	3.538060e+00
12	5.700330e-07	5.000000e+00	3.337558e+00	5.996484e-01	3.340559e+00
13	6.907446e-07	5.000000e+00	3.004466e+00	6.704095e-01	3.063080e+00
14	8.252066e-07	5.000000e+00	2.710645e+00	7.051011e-01	2.922994e+00
15	1.000000e-06	5.000000e+00	2.604154e+00	7.130054e-01	2.886751e+00
16	1.026892e-06	5.000000e+00	2.605141e+00	7.129945e-01	2.887005e+00
17	1.080677e-06	5.000000e+00	2.606105e+00	7.129106e-01	2.887380e+00
18	1.188247e-06	5.000000e+00	2.607032e+00	7.128469e-01	2.887677e+00
19	1.403386e-06	5.000000e+00	2.607269e+00	7.128312e-01	2.887753e+00
20	1.833664e-06	5.000000e+00	2.607219e+00	7.128340e-01	2.887737e+00
21	2.694221e-06	5.000000e+00	2.607248e+00	7.128325e-01	2.887747e+00
22	3.694221e-06	5.000000e+00	2.607227e+00	7.128335e-01	2.887740e+00
23	4.694221e-06	5.000000e+00	2.607243e+00	7.128328e-01	2.887745e+00
... (247 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Confundir el pinout: Colocar el transistor al revés (Colector y Emisor intercambiados) a menudo permite que fluya algo de corriente pero con una ganancia muy baja, imitando este problema específico. Verifica siempre la hoja de datos (datasheet).
2. Asumir que hFE es constante: Los estudiantes a menudo usan el hFE máximo (por ejemplo, 300) para el cálculo. Para conmutación, debes asumir un «beta forzado» mucho más bajo (generalmente 10) para asegurar la saturación.
3. Ignorar las clasificaciones de potencia: Si el transistor está dejando caer 3 V y pasando 50 mA, está disipando 150mW. Aunque es seguro para un 2N2222, este calor es energía desperdiciada.

Solución de problemas

• El LED no se enciende en absoluto: Comprueba si la polaridad del LED es correcta (Ánodo a VCC). Verifica que S1 esté realmente conectando energía a R2.
• El transistor se calienta: Si VCE es alto y la corriente fluye, el transistor está actuando como una resistencia. Esto confirma que está en la Región Activa.
• VCE marca 5 V: El transistor no se está encendiendo en absoluto. Comprueba si R2 está conectada correctamente o si la unión Base-Emisor está quemada.

Diagnóstico y solución

Sigue esta secuencia pedagógica para entender y resolver el problema.

1. El problema (Síntoma)
Has ensamblado el circuito, cerrado el interruptor, pero el LED de alta corriente apenas brilla. Se ve débil. ¿Por qué sucede esto si se supone que el transistor es un «interruptor»?

2. La investigación
Toma tu multímetro. Mide el voltaje entre el Colector y el Emisor (VCE).
* Si Q1 fuera un interruptor cerrado, esperarías 0 V (o muy cerca de ello).
* Sin embargo, probablemente encontrarás de 2 V a 3 V.
* Ahora, calcula la Corriente de Base que estás proporcionando: IB = (VIN – 0.7 V) / RB. Con 100 kΩ, IB es diminuta (~43µ A).

Posibles mejoras y extensiones

1. Par Darlington: Usa dos transistores configurados como un par Darlington para aumentar la ganancia total, permitiendo que la resistencia de 100 kΩ conmute exitosamente la carga (a costa de una caída Vcesat mayor de ~1.2 V).
2. Actualización a MOSFET: Reemplaza el 2N2222 con un MOSFET de Canal-N (como un 2N7000) para lograr requisitos de corriente de puerta cercanos a cero y una menor caída de voltaje.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Objetivo: Observar los efectos de la capacitancia parásita y el ruido en una entrada digital con una resistencia pull-down débil.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito inversor lógico accionado por un pulsador, pero utilizando intencionalmente una resistencia pull-down de valor extremadamente alto (10 MΩ) para crear un estado de entrada «débil».

• Demostrar Alta Impedancia: Entender por qué las entradas digitales no deben dejarse flotantes o con referencias débiles.
• Visualizar Efectos Parásitos: Ver cómo la capacitancia parásita de la protoboard crea retardos no deseados (constantes de tiempo RC).
• Susceptibilidad al Ruido: Observar cómo reacciona el circuito a la interferencia electromagnética (EMI) de tu mano o al zumbido de la red eléctrica.

Resultado esperado:
* Cuando se suelta el botón, el LED no cambiará de estado instantáneamente.
* El LED puede parpadear cuando mueves la mano cerca del cableado debido al ruido inducido.
* El voltaje de entrada mostrará un decaimiento lento en lugar de una caída brusca a 0 V.

Público objetivo: Principiantes en electrónica digital y puertas lógicas.

Materiales

• U1: 74HC04 (CI Inversor Séxtuple), función: Inversión lógica
• SW1: Interruptor de pulsador (NA), función: Disparador de señal de entrada
• R_PD: Resistencia de 10 MΩ, función: Pull-down débil para IN_WEAK (Fallo de diseño intencional)
• R_LED: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para la salida
• D1: LED rojo, función: Indicador de estado lógico
• V1: Fuente de alimentación de 5 V DC
• C_Parasitic: (Interno/Protoboard), aprox 10pF, función: capacitancia parásita (componente invisible)

Pin-out del 74HC04

Chip Seleccionado: 74HC04 (Inversor Séxtuple)

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones de nodos:

• V1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0.
• U1 (Pin 14) se conecta a VCC.
• U1 (Pin 7) se conecta a 0.
• SW1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo IN_WEAK.
• R_PD (10 MΩ) se conecta entre el nodo IN_WEAK y el nodo 0.
• U1 (Pin 1) se conecta al nodo IN_WEAK.
• U1 (Pin 2) se conecta al nodo OUT.
• R_LED se conecta entre el nodo OUT y el nodo LED_ANODE.
• D1 se conecta entre el nodo LED_ANODE (Ánodo) y el nodo 0 (Cátodo).

Nota: Dado que este es un inversor, cuando IN_WEAK está en Alto (Botón presionado), OUT está en Bajo (LED Apagado). Cuando IN_WEAK está en Bajo (Botón soltado), OUT está en Alto (LED Encendido).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Understanding High Impedance and Ghosting

(Input Stage: High Impedance)                    (Logic Stage)                    (Output Stage)

[ VCC ]                                          [ VCC ]
   |                                                |
   v                                                v
[ SW1: Button ] --(Node: IN_WEAK)-------------> [ U1: 74HC04 ] --(Node: OUT)--> [ R_LED: 330R ] --> [ D1: LED ] --> GND
                       |                            ^
                       |                            |
                       +--> [ R_PD: 10M ] --> GND   |
                       |                          [ GND ]
                       |
                       +--> [ C_Parasitic ] -> GND

--------------------------------------------------------------------------------
Key:
-->  : Signal/Current Flow
[ ]  : Component Block
IN_WEAK : The node susceptible to "Ghosting" due to weak pull-down (10M)
          struggling to discharge C_Parasitic quickly.

Tabla de verdad (Puerta NOT estándar)

Mediciones y pruebas

1. Prueba estática: Presiona y mantén SW1. El LED debería APAGARSE. Suelta SW1. El LED debería ENCENDERSE.
2. La prueba «Fantasma»: Con SW1 soltado (LED ENCENDIDO), mueve tu mano rápidamente cerca del cable IN_WEAK sin tocarlo. ¿Parpadea el LED?
3. Medición de decaimiento: Conecta un multímetro (u osciloscopio si está disponible) a IN_WEAK. Presiona SW1 (lee 5 V). Suelta SW1 y observa la caída de voltaje. Nota que tarda una fracción de segundo en estabilizarse a 0 V, a diferencia de un circuito estándar.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Understanding High Impedance and Ghosting
.width out=256
* This circuit demonstrates the effect of a weak pull-down resistor and 
* parasitic capacitance on a CMOS input node.

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

* --- Input Stimulus (Button SW1) ---
* Modeled as a voltage-controlled switch to simulate physical button press.
* Control Source V_BTN_CTRL simulates the user's finger.
* Timing: Wait 100us, Press for 300us, Release.
V_BTN_CTRL CTRL 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 300u 1m)

* SW1 connects between node VCC and node IN_WEAK
* When CTRL is High (5V), Switch is ON (Low Resistance).
S1 VCC IN_WEAK CTRL 0 SW_IDEAL

* --- Input Network ---
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Understanding High Impedance and Ghosting
.width out=256
* This circuit demonstrates the effect of a weak pull-down resistor and 
* parasitic capacitance on a CMOS input node.

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

* --- Input Stimulus (Button SW1) ---
* Modeled as a voltage-controlled switch to simulate physical button press.
* Control Source V_BTN_CTRL simulates the user's finger.
* Timing: Wait 100us, Press for 300us, Release.
V_BTN_CTRL CTRL 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 300u 1m)

* SW1 connects between node VCC and node IN_WEAK
* When CTRL is High (5V), Switch is ON (Low Resistance).
S1 VCC IN_WEAK CTRL 0 SW_IDEAL

* --- Input Network ---
* R_PD connects between node IN_WEAK and node 0
* Value is 10 Megohms (Weak pull-down)
R_PD IN_WEAK 0 10Meg

* C_Parasitic (Internal/Breadboard) on node IN_WEAK
* Represents stray capacitance causing RC delay with high-Z R_PD
C_Parasitic IN_WEAK 0 10p

* --- Logic IC U1: 74HC04 (Hex Inverter) ---
* Mapping: Pin 1=IN_WEAK, Pin 2=OUT, Pin 7=0(GND), Pin 14=VCC
* We model one gate of the hex inverter.
XU1 IN_WEAK OUT 0 VCC 74HC04_INV

* --- Output Network ---
* R_LED connects between node OUT and node LED_ANODE
R_LED OUT LED_ANODE 330

* D1 connects between node LED_ANODE (Anode) and node 0 (Cathode)
D1 LED_ANODE 0 LED_RED

* --- Models ---
* Switch Model: Threshold 2.5V, Low On-Resistance, High Off-Resistance
.model SW_IDEAL sw vt=2.5 vh=0 ron=1 roff=1G

* LED Model: Generic Red LED
.model LED_RED D (IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u CJO=10p)

* --- Subcircuits ---
* 74HC04 Inverter Behavioral Model
* Pins: 1=Input, 2=Output, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC04_INV 1 2 7 14
* Continuous Sigmoid function for robust convergence.
* Logic Threshold set to VCC/2.
* Output is inverted: High Input -> Low Output.
B_INV 2 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(20 * (V(1) - V(14)/2))))
.ends

* --- Simulation Directives ---
.op
* Transient analysis: 1us step, 1ms duration to capture pulse and decay
.tran 1u 1ms

* --- Output Printing ---
* Monitor Input, Output, and Control signal
.print tran V(IN_WEAK) V(OUT) V(LED_ANODE) V(CTRL)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation correctly shows the inverter logic. Initially (0s-100us), IN_WEAK is near 0V and OUT is 5V (LED ON). When the button is pressed (100us-400us), IN_WEAK rises to 5V and OUT drops to ~0V (LED OFF). After release (400us+), IN_WEAK decays slowly due to the RC time constant (10MΩ * 10pF), demonstrating the ‘ghosting’ or slow turn-off effect intended by the lesson.

Show raw data table (1053 rows)

Index   time            v(in_weak)      v(out)          v(led_anode)    v(ctrl)
0	0.000000e+00	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536792e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-08	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
2	2.000000e-08	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
3	4.000000e-08	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
4	8.000000e-08	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
5	1.600000e-07	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
6	3.200000e-07	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
7	6.400000e-07	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
8	1.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
9	2.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
10	3.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
11	4.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
12	5.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
13	6.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
14	7.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
15	8.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
16	9.280000e-06	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
17	1.028000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
18	1.128000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
19	1.228000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
20	1.328000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
21	1.428000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
22	1.528000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
23	1.628000e-05	4.950495e-02	5.000000e+00	1.536791e+00	0.000000e+00
... (1029 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Confundir valores de resistencias: Es fácil confundir 10 MΩ (Marrón-Negro-Azul) con 10 kΩ (Marrón-Negro-Naranja). Asegúrate de usar el rango de Mega-ohmios para ver el efecto.
2. Polaridad del LED: Conectar el LED al revés resultará en que no haya luz en absoluto. Asegúrate de que la pata larga (Ánodo) mire hacia la resistencia y la pata corta (Cátodo) mire hacia Tierra.
3. Entradas flotantes: Dejar entradas no utilizadas en el 74HC04 flotando puede causar oscilación. Conecta las entradas no utilizadas (Pines 3, 5, 9, 11, 13) a GND si el chip se comporta de manera errática.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO y no se APAGA cuando se presiona el botón.
  • Causa: El botón podría no estar haciendo buen contacto, o R_PD es demasiado pequeña (improbable aquí) o está mal colocada.
  • Solución: Verifica la continuidad de SW1.
• Síntoma: El LED está siempre APAGADO.
  • Causa: Lógica invertida incorrectamente o problema de alimentación.
  • Solución: Verifica VCC en el Pin 14. Recuerda, para una puerta NOT, si la Entrada es Alta (o flota en Alto), la Salida es Baja (LED Apagado).
• Síntoma: El circuito funciona pero reacciona muy lentamente.
  • Causa: Este es el comportamiento intencionado de este caso específico debido a RPD = 10 MΩ.
  • Solución: Procede a la sección de Diagnóstico a continuación.

Diagnóstico y solución

Posibles mejoras y extensiones

1. Añadir un condensador: Coloca un condensador de 1 µF en paralelo con R_PD. Calcula la constante de tiempo \tau = R × C. Crearás un temporizador de retardo de varios segundos.
2. Schmitt Trigger: Reemplaza el 74HC04 con un 74HC14 (Inversor Schmitt Trigger). Observa cómo la histéresis hace que la conmutación del LED sea «más ágil» incluso con el voltaje de entrada decayendo lentamente.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico — Implementar un sistema donde un motor solo funciona cuando se presionan dos botones simultáneamente.

Objetivo y caso de uso

En esta sesión, construirás un circuito lógico de seguridad utilizando un 74HC00 (cuádruple puerta NAND de 2 entradas) para controlar un motor de CC. El motor solo se activará cuando se accionen dos pulsadores separados al mismo tiempo, imitando un dispositivo de seguridad de «mando a dos manos».

Por qué es útil:
* Seguridad industrial: Evita que los operarios introduzcan las manos en una prensa hidráulica o máquina de corte mientras está en movimiento.
* Prevención de accidentes: Asegura que ambas manos estén ocupadas en los controles durante la fase peligrosa de la operación.
* Composición lógica: Demuestra cómo crear una función AND utilizando puertas NAND universales.

Resultado esperado:
* Estado de reposo: La salida lógica es LOW (0 V); el motor está APAGADO.
* Pulsación única: La salida lógica permanece en LOW (0 V); el motor permanece APAGADO.
* Pulsación dual: La salida lógica pasa a HIGH (5 V); el relé se activa; el motor funciona.
* Manejo de corriente: La puerta lógica excita un transistor, que conmuta de forma segura la bobina del relé de alta corriente.

Público objetivo y nivel:
Estudiantes de electrónica básica y aficionados interesados en aplicaciones de lógica digital.

Materiales

• V1: Fuente de tensión de 5 V CC, función: Alimentación de la lógica y la bobina del relé.
• V2: Fuente de tensión de 12 V CC, función: Alimentación del motor.
• U1: 74HC00, función: CI de cuádruple puerta NAND de 2 entradas.
• S1: Pulsador (normalmente abierto), función: Interruptor de seguridad de mano izquierda.
• S2: Pulsador (normalmente abierto), función: Interruptor de seguridad de mano derecha.
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para S1.
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para S2.
• R3: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitación de corriente de base para Q1.
• Q1: Transistor NPN 2N2222, función: Controlador del relé.
• D1: Diodo 1N4007, función: Protección flyback para la bobina del relé.
• K1: Relé SPDT de 5 V, función: Interfaz de conmutación de alta potencia.
• M1: Motor de 12 V CC, función: Actuador (carga).

Pin-out del CI utilizado (74HC00)

Chip: 74HC00 (Cuádruple puerta NAND de 2 entradas)

Nota: Los pines del 8 al 13 no se utilizan y deberían conectarse idealmente a GND o VCC en una instalación permanente para evitar ruido, aunque se dejan flotantes para este ejercicio básico en protoboard.

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones de nodos. Asegúrate de que la fuente de alimentación esté apagada mientras construyes.

Alimentación y entradas:
* V1 (+): Se conecta al nodo VCC.
* V1 (-) / V2 (-): Se conecta al nodo 0 (Tierra común).
* S1: Se conecta entre VCC y el nodo BTN_L.
* R1: Se conecta entre el nodo BTN_L y 0.
* S2: Se conecta entre VCC y el nodo BTN_R.
* R2: Se conecta entre el nodo BTN_R y 0.

Procesamiento lógico (Usando U1 como puerta AND):
* U1 (Pin 14): Se conecta a VCC.
* U1 (Pin 7): Se conecta a 0.
* U1 (Pin 1): Se conecta al nodo BTN_L.
* U1 (Pin 2): Se conecta al nodo BTN_R.
* U1 (Pin 3): Se conecta al nodo NAND_INTER (Salida de la primera etapa).
* U1 (Pin 4 y Pin 5): Ambos se conectan al nodo NAND_INTER (Configura la Puerta 2 como inversor).
* U1 (Pin 6): Se conecta al nodo LOGIC_OUT.

Etapa de salida:
* R3: Se conecta entre el nodo LOGIC_OUT y el nodo BASE.
* Q1 (Base): Se conecta al nodo BASE.
* Q1 (Emisor): Se conecta al nodo 0.
* Q1 (Colector): Se conecta al nodo RELAY_COIL_LO.
* K1 (Bobina +): Se conecta a VCC.
* K1 (Bobina -): Se conecta al nodo RELAY_COIL_LO.
* D1 (Ánodo): Se conecta al nodo RELAY_COIL_LO.
* D1 (Cátodo): Se conecta a VCC (Paralelo a la bobina, polarización inversa).

Circuito del motor:
* V2 (+): Se conecta al contacto Común de K1 (COM).
* K1 (NO – Normalmente Abierto): Se conecta al nodo MOTOR_POS.
* M1 (+): Se conecta al nodo MOTOR_POS.
* M1 (-): Se conecta al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                  DUAL SAFETY MOTOR ACTIVATION BLOCK DIAGRAM                 |
+-----------------------------------------------------------------------------+

1. INPUTS & LOGIC STAGE (5 V Domain)
   (Both buttons must be pressed to activate the output)

   V1(5 V)
     |
                                                                                             +---> [ S1: Left Button ] ---+--(BTN_L)------\
                                  |                \
                                  v                 \
                               [ R1: 10k ]           +---> [ U1:A (NAND) ] --(NAND_INTER)--> [ U1:B (NOT*) ] --(LOGIC_OUT)-->
                                  |                 /       (Pins 1 & 2)                      (Pins 4 & 5)          |
                                 GND               /                                         *Wired as Inverter     |
                                                  /                                                                 |
   V1(5 V)                                        /                                                                  |
     |                                          /                                                                   |
     +---> [ S2: Right Button ] --+--(BTN_R)---/                                                                    |
                                  |                                                                                 |
                                  v                                                                                 |
                               [ R2: 10k ]                                                                          |
                                  |                                                                                 |
                                 GND                                                                                |
                                                                                                                    |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                                                   |
| 2. RELAY DRIVER STAGE (5 V Domain)                                                                                 |
|    (Low-Side Transistor Switch)                                                                                   |
|                                                                                                                   |
|    (From Logic Above)                                                                                             |
|            |                                         V1(5 V)                                                       |
|            v                                           |                                                          |
|      [ R3: 1k ]                                        |                                                          |
|            |                                           v                                                          |
|            +----------------------------------> [ Q1: Base ]                                                      |
|                                                        :                                                          |
|                                             (Controls Current Flow)                                               |
|                                                        :                                                          |
|                                      +-----------------+                                                          |
|                                      |                                                                            |
|                              [ Q1: Collector ]                                                                    |
|                                      ^                                                                            |
|                                      |                                                                            |
|                             (Node: RELAY_COIL_LO)                                                                 |
|                                      |                                                                            |
|                    +-----------------+-----------------+                                                          |
|                    |                                   |                                                          |
|           [ K1: Relay Coil ]                    [ D1: Diode ]                                                     |
|           (Control Side)                        (Protection)                                                      |
|                    |                            (Anode to Coll)                                                   |
|                    |                            (Cathode to VCC)                                                  |
|                    +-----------------+-----------------+                                                          |
|                                      ^                                                                            |
|                                      |                                                                            |
|                                    V1(5 V)                                                                         |
|                                                                                                                   |
|                              [ Q1: Emitter ]                                                                      |
|                                      |                                                                            |
|                                      v                                                                            |
|                                     GND                                                                           |
|                                                                                                                   |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                                                   |
| 3. MOTOR OUTPUT STAGE (12 V Domain)                                                                                |
|    (High Power Load)                                                                                              |
|                                                                                                                   |
|                       (Magnetic Link from K1 Coil Above)                                                          |
|                                      |                                                                            |
|                                      v                                                                            |
|    V2(12 V) ---------> [ K1: Switch (COM to NO) ] --(MOTOR_POS)--> [ M1: 12 V Motor ] ----> GND                     |
|                                                                                                                   |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

Tabla de verdad

Estamos utilizando dos puertas NAND. La primera combina las entradas; la segunda invierte el resultado para crear una función AND.

Mediciones y pruebas

1. Comprobación en reposo: Enciende V1. No presiones ningún botón. Mide el voltaje en LOGIC_OUT (Pin 6). Debería ser ~0 V. El motor debería estar parado.
2. Validación de entradas: Presiona solo S1. Mide el voltaje en el Pin 1. Debería ser 5 V. El Pin 2 debería ser 0 V. La salida en el Pin 6 debe permanecer en 0 V.
3. Prueba activa: Presiona y mantén presionados ambos botones S1 y S2 simultáneamente.
   • Escucha el «clic» del relé K1.
   • Observa a M1 girando.
   • Mide el voltaje en LOGIC_OUT; debería estar cerca de 5 V.
4. Prueba de liberación: Suelta solo un botón. El motor debe detenerse inmediatamente.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Logic AND gate controlling a relay and motor

* ==============================================================================
* COMPONENT MODELS
* ==============================================================================
* Generic NPN Transistor Model (2N2222)
.model 2N2222MOD NPN(Is=14.34f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=255.9 Ne=1.307 Ise=14.34f Ikf=.2847 Xtb=1.5 Br=6.092 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=1 Cjc=7.306p Mjc=.3416 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=22.01p Mje=.377 Vje=.75 Tr=46.91n Tf=411.1p Itf=.6 Vtf=1.7 Xtf=3 Rb=10)

* Generic Diode Model (1N4007)
.model D1N4007 D(IS=7.02767n RS=0.0341512 N=1.80803 EG=1.11 XTI=3 BV=1000 IBV=10m CJO=10p VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=100n)

* Ideal Switch Model for Buttons and Relay Contact
* Vt=2.5V (Logic Threshold), Ron=0.1 Ohm, Roff=10 MegOhm
.model SW_IDEAL SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.1 Roff=10Meg)

* ==============================================================================
* POWER SUPPLIES
* ==============================================================================
* V1: 5V DC Supply for Logic and Relay Coil
V1 VCC 0 DC 5
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Logic AND gate controlling a relay and motor

* ==============================================================================
* COMPONENT MODELS
* ==============================================================================
* Generic NPN Transistor Model (2N2222)
.model 2N2222MOD NPN(Is=14.34f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=255.9 Ne=1.307 Ise=14.34f Ikf=.2847 Xtb=1.5 Br=6.092 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=1 Cjc=7.306p Mjc=.3416 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=22.01p Mje=.377 Vje=.75 Tr=46.91n Tf=411.1p Itf=.6 Vtf=1.7 Xtf=3 Rb=10)

* Generic Diode Model (1N4007)
.model D1N4007 D(IS=7.02767n RS=0.0341512 N=1.80803 EG=1.11 XTI=3 BV=1000 IBV=10m CJO=10p VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=100n)

* Ideal Switch Model for Buttons and Relay Contact
* Vt=2.5V (Logic Threshold), Ron=0.1 Ohm, Roff=10 MegOhm
.model SW_IDEAL SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.1 Roff=10Meg)

* ==============================================================================
* POWER SUPPLIES
* ==============================================================================
* V1: 5V DC Supply for Logic and Relay Coil
V1 VCC 0 DC 5

* V2: 12V DC Supply for Motor
V2 V_MOTOR_RAIL 0 DC 12

* ==============================================================================
* INPUT STAGE (Safety Switches)
* ==============================================================================
* Simulation of User Pressing Buttons:
* We use Pulse sources (V_ACT_...) to control ideal switches (S1, S2).
* This preserves the Pull-down resistor topology.

* S1: Left Safety Switch (Pushbutton NO)
* Connects VCC to BTN_L when pressed.
* Pulse Pattern: Period 120us, Pulse 50us (Tests asynchronous press)
V_ACT_L ACT_L 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 50u 120u)
S1 VCC BTN_L ACT_L 0 SW_IDEAL
R1 BTN_L 0 10k

* S2: Right Safety Switch (Pushbutton NO)
* Connects VCC to BTN_R when pressed.
* Pulse Pattern: Period 100us, Pulse 50us
V_ACT_R ACT_R 0 PULSE(0 5 20u 1u 1u 50u 100u)
S2 VCC BTN_R ACT_R 0 SW_IDEAL
R2 BTN_R 0 10k

* ==============================================================================
* LOGIC STAGE (U1: 74HC00 Quad NAND)
* ==============================================================================
* Implementing logic using Behavioral Voltage Sources (B-Sources) with continuous
* sigmoid functions for convergence robustness.
* Logic High = 5V, Logic Low = 0V. Threshold ~ 2.5V.

* U1 Gate 1: Inputs BTN_L (Pin 1), BTN_R (Pin 2) -> Output NAND_INTER (Pin 3)
* Function: NAND(BTN_L, BTN_R)
B_U1_G1 NAND_INTER 0 V=5 * (1 - ( (1/(1+exp(-20*(V(BTN_L)-2.5)))) * (1/(1+exp(-20*(V(BTN_R)-2.5)))) ))

* U1 Gate 2: Inputs NAND_INTER (Pin 4, 5) -> Output LOGIC_OUT (Pin 6)
* Function: NAND(NAND_INTER, NAND_INTER) = NOT(NAND_INTER)
* Combined Function: AND(BTN_L, BTN_R)
B_U1_G2 LOGIC_OUT 0 V=5 * (1 - ( (1/(1+exp(-20*(V(NAND_INTER)-2.5)))) * (1/(1+exp(-20*(V(NAND_INTER)-2.5)))) ))

* ==============================================================================
* OUTPUT DRIVER STAGE
* ==============================================================================
* R3: Base current limiting
R3 LOGIC_OUT BASE 1k

* Q1: 2N2222 Relay Driver
* Emitter to GND, Collector to RELAY_COIL_LO
Q1 RELAY_COIL_LO BASE 0 2N2222MOD

* ==============================================================================
* RELAY STAGE (K1)
* ==============================================================================
* Relay Coil Configuration:
* Connected between VCC and RELAY_COIL_LO.
* Modeled as Inductor + Series Resistor.
L_K1 VCC K1_NODE 10m
R_K1 K1_NODE RELAY_COIL_LO 100

* D1: Flyback Diode (1N4007)
* Anode to RELAY_COIL_LO, Cathode to VCC (Reverse biased)
D1 RELAY_COIL_LO VCC D1N4007

* Relay Contact (Switch):
* Logic: Switch closes when Coil is energized.
* Coil is energized when Q1 is ON (RELAY_COIL_LO is Low).
* Control Voltage = V(VCC) - V(RELAY_COIL_LO).
* If Q1 ON: 5V - 0.2V = 4.8V (> 2.5V Threshold) -> Switch CLOSED.
* If Q1 OFF: 5V - 5V = 0V (< 2.5V Threshold) -> Switch OPEN.
B_K1_CTRL K1_CTRL 0 V = V(VCC) - V(RELAY_COIL_LO)
S_K1 V_MOTOR_RAIL MOTOR_POS K1_CTRL 0 SW_IDEAL

* ==============================================================================
* LOAD (Motor M1)
* ==============================================================================
* M1: 12V DC Motor connected between MOTOR_POS and 0
* Modeled as Resistor + Inductor
R_M1 MOTOR_POS M1_INT 20
L_M1 M1_INT 0 5m

* ==============================================================================
* ANALYSIS COMMANDS
* ==============================================================================
.op
* Transient analysis: 1us step, 500us total time
.tran 1u 500u

* Print results for batch processing
* Inputs: BTN_L, BTN_R
* Output: MOTOR_POS (Load Voltage)
* Debug: LOGIC_OUT, RELAY_COIL_LO
.print tran V(BTN_L) V(BTN_R) V(MOTOR_POS) V(LOGIC_OUT) V(RELAY_COIL_LO) I(L_M1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation confirms the AND logic behavior. The motor voltage (v(motor_pos)) only goes high (~12V) when both inputs (v(btn_l) and v(btn_r)) are high (~5V) simultaneously (e.g., around time index 60-100 and 300-340). When only one or neither is high, the motor voltage remains near zero.

Show raw data table (1202 rows)

Index   time            v(btn_l)        v(btn_r)        v(motor_pos)    v(logic_out)    v(relay_coil_lo l_m1#branch
0	0.000000e+00	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
1	1.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
2	2.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
3	4.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
4	8.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
5	1.600000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
6	3.200000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
7	6.400000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
8	1.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
9	2.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
10	3.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
11	4.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
12	5.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
13	6.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
14	7.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
15	8.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
16	9.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
17	1.000000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
18	1.010000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
19	1.027500e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
20	1.032344e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
21	1.040820e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
22	1.043167e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
23	1.047272e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	2.399995e-05	-6.01853e-36	5.000000e+00	1.199998e-06
... (1178 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Entradas flotantes: Olvidar R1 o R2 provoca que las entradas de la puerta NAND queden flotantes, a menudo leyéndose como «Alto» debido al ruido. Solución: Asegúrate de que las resistencias pull-down estén firmemente conectadas a Tierra.
2. Falta del diodo flyback: Omitir D1 crea picos de voltaje cuando el relé se apaga, lo que puede destruir Q1 o reiniciar el chip lógico. Solución: Coloca siempre un diodo a través de la bobina del relé (Cátodo al positivo).
3. Accionamiento directo: Intentar accionar el motor o el relé directamente desde el pin de salida del 74HC00. Solución: Utiliza siempre un transistor (Q1) para amplificar la corriente para cargas inductivas como relés.

Solución de problemas

• El motor funciona inmediatamente al encender: Comprueba si S1 o S2 están cableados como Normalmente Cerrados en lugar de Normalmente Abiertos, o si el transistor Q1 está en cortocircuito.
• El relé hace clic pero el motor no funciona: Comprueba la fuente de alimentación V2 y las conexiones en los contactos del relé (COM y NO).
• La lógica funciona pero se calienta: Comprueba si VCC (Pin 14) y GND (Pin 7) están invertidos. Desconecta la alimentación inmediatamente.
• Comportamiento errático: Añade un condensador de desacoplo de 100 nF entre el Pin 14 y el Pin 7 del CI, cerca del chip.

Posibles mejoras y extensiones

1. Parada de emergencia: Añade un botón de enclavamiento Normalmente Cerrado (NC) en serie con la bobina del relé o la resistencia de base R3 para cortar la alimentación instantáneamente independientemente del estado lógico.
2. Retroalimentación visual: Añade un LED verde (con una resistencia de 330 Ω) conectado al nodo LOGIC_OUT para indicar cuándo se cumple la condición de seguridad, incluso si la alimentación del motor (V2) está apagada.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Básico
Implemente un circuito lógico donde una propuesta se aprueba solo si dos miembros votan «Sí» y un tercer miembro otorga su aprobación (sin veto), utilizando un único CI 74HC00.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito de toma de decisiones utilizando lógica digital. El sistema representa un comité donde el Miembro A y el Miembro B deben votar a favor para que se apruebe una moción, pero el Miembro C (el Presidente) posee una «Llave de autorización». Si el Miembro C no activa su interruptor (Lógica Baja), el voto es vetado independientemente de A y B.

• Gobierno corporativo: Modela una junta directiva donde se necesita el apoyo de la mayoría, pero el CEO tiene la aprobación final.
• Enclavamientos de seguridad: Representa una prensa mecánica donde dos operadores deben presionar botones (A y B), pero se debe insertar una llave de Habilitación Maestra (C) para que la máquina funcione.
• Acceso de seguridad: Requiere dos llaves de usuario distintas más una señal de autorización del servidor central.

Resultado esperado:
* Salida Alta (LED ENCENDIDO): Solo cuando la Entrada A es Alta, la Entrada B es Alta Y la Entrada C es Alta.
* Salida Baja (LED APAGADO): Cualquier otra combinación (por ejemplo, si A o B votan «No», o si C ejerce el veto poniendo su entrada en Bajo).
* Público objetivo: Estudiantes y aficionados que aprenden a construir funciones lógicas complejas (AND de 3 entradas) utilizando puertas NAND universales.

Materiales

• U1: 74HC00 (Cuádruple puerta NAND de 2 entradas)
• SW1: Interruptor DIP de 3 posiciones (o tres interruptores SPST individuales), función: Entradas A, B y C
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para la Entrada A
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para la Entrada B
• R3: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para la Entrada C
• R4: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
• D1: LED rojo, función: Indicador de salida lógica
• V1: Fuente de alimentación de 5 V CC

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC00 (Cuádruple NAND de 2 entradas)
Este proyecto utiliza las cuatro puertas dentro del chip para crear una función AND de 3 entradas (Y = A · B · C).

Guía de conexionado

• VCC: Conectar el terminal positivo de V1, el pin 14 de U1 y el lado común de SW1.
• GND: Conectar el terminal negativo de V1, el pin 7 de U1, R1 (parte inferior), R2 (parte inferior), R3 (parte inferior) y D1 (cátodo).
• Input_A: Conectar SW1 (Interruptor 1) a R1 (parte superior) y al pin 1 de U1.
• Input_B: Conectar SW1 (Interruptor 2) a R2 (parte superior) y al pin 2 de U1.
• Input_C (Veto): Conectar SW1 (Interruptor 3) a R3 (parte superior) y al pin 9 de U1.
• Node_NAND1: Conectar el pin 3 de U1 (Salida 1) al pin 4 de U1 y al pin 5 de U1 (Entradas de la Puerta 2).
• Node_AND_AB: Conectar el pin 6 de U1 (Salida 2) al pin 10 de U1 (Entrada de la Puerta 3).
• Node_NAND_FINAL: Conectar el pin 8 de U1 (Salida 3) al pin 12 de U1 y al pin 13 de U1 (Entradas de la Puerta 4).
• Vout: Conectar el pin 11 de U1 (Salida Final) a R4 (un lado).
• LED_Anode: Conectar R4 (el otro lado) a D1 (ánodo).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Practical Case: Veto Voting System (74HC00 Logic Flow)

INPUTS (Active High)           LOGIC PROCESSING (74HC00 Quad NAND)                               OUTPUT
=======================================================================================================

[ SW A + R1 ] --(Pin 1)-->+
                          |
                    [ U1: Gate 1 ] --(Pin 3)--> [ U1: Gate 2 ] --(Pin 6)---+
                    [ 2-In NAND  ]              [ NAND as NOT]             |
                          |                     (Pins 4+5)                 |
[ SW B + R2 ] --(Pin 2)-->+                                                |
                                                                           |
                                                                           v
                                                                     [ U1: Gate 3 ] --(Pin 8)--> [ U1: Gate 4 ] --(Pin 11)--> [ R4: 330R ] --> [ D1: LED ] --> GND
                                                                     [ 2-In NAND  ]              [ NAND as NOT]
                                                                     (Pin 10)      \             (Pins 12+13)
                                                                                    \
[ SW C + R3 ] -------------------------------------------------------(Pin 9)---------+
(Veto/Enable)

=======================================================================================================
Logic Summary:
1. Gate 1 & 2 form an AND gate for Inputs A & B.
2. Gate 3 & 4 form an AND gate for (Result of A/B) & Input C.
3. Final Function: LED turns ON only if A AND B AND C are all High.

Tabla de verdad

El circuito implementa la función lógica Y = A · B · C.
* A/B: Votantes
* C: Presidente/Autorización (0 = Veto/Bloqueo, 1 = Permitir)

Mediciones y pruebas

1. Verificación de alimentación: Antes de insertar el CI, verifique 5 V entre las líneas VCC y GND en su protoboard.
2. Estado predeterminado: Asegúrese de que todos los interruptores estén en OFF (apagados). Encienda la alimentación. El LED debe estar APAGADO.
3. Prueba de veto: Ponga el Interruptor A y el Interruptor B en ON (Alto). Mantenga el Interruptor C en OFF (Bajo).
   • Observación: El LED debe permanecer APAGADO. Esto confirma que el Veto está activo.
4. Prueba de aprobación: Con A y B aún en ON, ponga el Interruptor C en ON.
   • Observación: El LED debe encenderse (Lógica Alta, aprox. 3.5 V – 4.5 V).
5. Prueba de voto único: Ponga el Interruptor A en OFF mientras B y C están en ON.
   • Observación: El LED debe apagarse.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Veto Voting System
.width out=256

* ==============================================================================
* Components and Models
* ==============================================================================

* LED Model
.model DLED D(IS=1e-22 RS=10 N=1.5 CJO=10p)

* 74HC00 Quad 2-Input NAND Gate Subcircuit
* Pins: 1=1A, 2=1B, 3=1Y, 4=2A, 5=2B, 6=2Y, 7=GND, 8=3Y, 9=3A, 10=3B, 11=4Y, 12=4A, 13=4B, 14=VCC
.subckt 74HC00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
* Logic Threshold (2.5V) and Gain (20)
.param Vth=2.5
.param K=20
* Gate 1: Inputs 1,2 -> Output 3
B1 3 7 V = V(14,7) * (1 - (1/(1+exp(-K*(V(1,7)-Vth)))) * (1/(1+exp(-K*(V(2,7)-Vth)))))
* Gate 2: Inputs 4,5 -> Output 6
B2 6 7 V = V(14,7) * (1 - (1/(1+exp(-K*(V(4,7)-Vth)))) * (1/(1+exp(-K*(V(5,7)-Vth)))))
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Veto Voting System
.width out=256

* ==============================================================================
* Components and Models
* ==============================================================================

* LED Model
.model DLED D(IS=1e-22 RS=10 N=1.5 CJO=10p)

* 74HC00 Quad 2-Input NAND Gate Subcircuit
* Pins: 1=1A, 2=1B, 3=1Y, 4=2A, 5=2B, 6=2Y, 7=GND, 8=3Y, 9=3A, 10=3B, 11=4Y, 12=4A, 13=4B, 14=VCC
.subckt 74HC00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
* Logic Threshold (2.5V) and Gain (20)
.param Vth=2.5
.param K=20
* Gate 1: Inputs 1,2 -> Output 3
B1 3 7 V = V(14,7) * (1 - (1/(1+exp(-K*(V(1,7)-Vth)))) * (1/(1+exp(-K*(V(2,7)-Vth)))))
* Gate 2: Inputs 4,5 -> Output 6
B2 6 7 V = V(14,7) * (1 - (1/(1+exp(-K*(V(4,7)-Vth)))) * (1/(1+exp(-K*(V(5,7)-Vth)))))
* Gate 3: Inputs 9,10 -> Output 8
B3 8 7 V = V(14,7) * (1 - (1/(1+exp(-K*(V(9,7)-Vth)))) * (1/(1+exp(-K*(V(10,7)-Vth)))))
* Gate 4: Inputs 12,13 -> Output 11
B4 11 7 V = V(14,7) * (1 - (1/(1+exp(-K*(V(12,7)-Vth)))) * (1/(1+exp(-K*(V(13,7)-Vth)))))
.ends 74HC00

* ==============================================================================
* Main Circuit Wiring
* ==============================================================================

* Power Supply (V1)
V1 VCC 0 DC 5

* Inputs (Simulating Switches SW1 positions A, B, C)
* Generating dynamic pulses to test the truth table (000 to 111)
* Input A (LSB, Period 100us)
Va Input_A 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 50u 100u)
* Input B (Period 200us)
Vb Input_B 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
* Input C (MSB, Period 400us)
Vc Input_C 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 200u 400u)

* Pull-down Resistors (R1, R2, R3)
R1 Input_A 0 10k
R2 Input_B 0 10k
R3 Input_C 0 10k

* Logic IC U1 (74HC00)
* Connectivity based on Wiring Guide:
* Pin 1 (In A) -> Input_A
* Pin 2 (In B) -> Input_B
* Pin 3 (Out 1) -> Node_NAND1
* Pin 4 (In 2A) -> Node_NAND1
* Pin 5 (In 2B) -> Node_NAND1
* Pin 6 (Out 2) -> Node_AND_AB
* Pin 7 (GND)   -> 0
* Pin 8 (Out 3) -> Node_NAND_FINAL
* Pin 9 (In 3A) -> Input_C
* Pin 10 (In 3B)-> Node_AND_AB
* Pin 11 (Out 4)-> Vout
* Pin 12 (In 4A)-> Node_NAND_FINAL
* Pin 13 (In 4B)-> Node_NAND_FINAL
* Pin 14 (VCC)  -> VCC
XU1 Input_A Input_B Node_NAND1 Node_NAND1 Node_NAND1 Node_AND_AB 0 Node_NAND_FINAL Input_C Node_AND_AB Vout Node_NAND_FINAL Node_NAND_FINAL VCC 74HC00

* Output Stage
R4 Vout LED_Anode 330
D1 LED_Anode 0 DLED

* ==============================================================================
* Simulation Commands
* ==============================================================================

.op
.tran 1u 500u

* Print Inputs and Output to check logic (Vout should be High only when A, B, C are High)
.print tran V(Input_A) V(Input_B) V(Input_C) V(Vout)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation successfully sweeps inputs A, B, and C. Vout is High (5V) only when A, B, and C are all High (e.g., around 33us, 301us, 559us). In all other states (000, 011, 101, 110, etc.), Vout remains Low (~0V). This matches the logic Y = A · B · C.

Show raw data table (671 rows)

Index   time            v(input_a)      v(input_b)      v(input_c)      v(vout)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
1	1.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
2	2.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
3	4.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
4	8.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
5	1.600000e-07	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
6	3.200000e-07	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
7	6.400000e-07	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
8	1.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
9	2.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
10	3.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
11	4.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
12	5.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
13	6.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
14	7.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
15	8.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
16	9.280000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
17	1.000000e-05	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-6.01853e-36
18	1.010000e-05	5.000000e-01	5.000000e-01	5.000000e-01	-6.01853e-36
19	1.030000e-05	1.500000e+00	1.500000e+00	1.500000e+00	-6.01853e-36
20	1.048757e-05	2.437858e+00	2.437858e+00	2.437858e+00	-6.01853e-36
21	1.071179e-05	3.558937e+00	3.558937e+00	3.558937e+00	5.000000e+00
22	1.085965e-05	4.298271e+00	4.298271e+00	4.298271e+00	5.000000e+00
23	1.099537e-05	4.976846e+00	4.976846e+00	4.976846e+00	5.000000e+00
... (647 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Entradas flotantes: Olvidar las resistencias pull-down (R1, R2, R3). Sin ellas, las entradas CMOS del 74HC00 flotarán, causando conmutación errática u oscilación.
2. Confundir el pinout: El pinout del 74HC00 es estándar, pero mezclar los pines de Entrada (por ejemplo, 1 A/1B) con los pines de Salida (por ejemplo, 1Y) es común. Verifique dos veces el diagrama de la hoja de datos.
3. Malinterpretar el «Veto»: En este diseño, la Entrada C es una línea de «Habilitación» (Activa Alta). Si piensa en el Veto como «Interruptor ON para Bloquear» (lógica Activa Baja), el cableado del Interruptor C necesitaría ser invertido. Aquí, Interruptor C ON significa «Autorizar».

Solución de problemas

• El LED nunca se enciende: Compruebe que la polaridad del LED sea correcta (Ánodo a la resistencia, Cátodo a GND). Verifique que U1 esté alimentado (Pin 14 a 5 V, Pin 7 a GND).
• El LED permanece encendido incluso cuando los interruptores están en OFF: Compruebe si faltan o están desconectadas R1, R2 o R3. Asegúrese de no estar utilizando interruptores NC (Normalmente Cerrados) por error.
• El circuito funciona para A y B pero C no tiene efecto: Compruebe el cableado en la Puerta 3 (Pines 8, 9, 10). Asegúrese de que el pin 9 se conecte al Interruptor C y el pin 10 se conecte a la salida de la etapa anterior (Pin 6).

Posibles mejoras y extensiones

1. Indicador de veto: Añada un segundo LED (Verde) controlado por una puerta no utilizada (o un transistor) conectado a la Entrada C, indicando «Sesión Abierta» (Autorización Concedida) o «Sesión Bloqueada» (Veto).
2. Modificación de voto por mayoría: Rediseñe el circuito para permitir que la propuesta se apruebe si cualesquiera dos de los tres miembros (A, B, C) votan Sí, eliminando el poder de veto específico y haciendo que todos los miembros sean iguales.

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Implementa una parada de seguridad lógica para una bomba de agua usando una compuerta NAND.

Objetivo y caso de uso

En esta sesión, construirás un circuito digital de seguridad utilizando una compuerta NAND 74HC00. El circuito monitorea dos sensores de nivel de líquido y corta automáticamente la energía a una «bomba» (simulada por un LED) solo cuando ambos sensores indican que el tanque está peligrosamente lleno.

• Llenado de tanques industriales: Previene derrames químicos asegurando que los sensores redundantes coincidan antes de activar un apagado de emergencia.
• Sistemas de bombas de sumidero: Previene el quemado del motor o desbordamientos gestionando estados lógicos entre las marcas de nivel alto y desbordamiento crítico.
• Domótica: Lógica simple para la gestión de depósitos sin necesidad de un microcontrolador.

Resultado esperado:
* Operación normal: El LED (bomba) permanece ENCENDIDO (Lógica Alta, ~5 V) cuando el tanque está vacío o parcialmente lleno.
* Parada de emergencia: El LED se APAGA (Lógica Baja, ~0 V) inmediatamente cuando ambas entradas de interruptor están en Lógica Alta (simulando detección de agua).
* Validación: Se verificará una Tabla de verdad específica donde solo la condición de entrada 1, 1 resulta en una salida de 0.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica de nivel básico y aficionados.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Alimentación del circuito principal.
• U1: 74HC00, función: CI de cuatro compuertas NAND de 2 entradas.
• S1: Interruptor de palanca SPST, función: Simulador de sensor de nivel alto.
• S2: Interruptor de palanca SPST, función: Simulador de sensor de nivel de seguridad.
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para S1.
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para S2.
• R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para el LED de estado de la bomba.
• D1: LED verde, función: Indicador de estado de la bomba (ENCENDIDO = Funcionando, APAGADO = Detenida).

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC00 (Cuatro compuertas NAND de 2 entradas)

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones de nodos. Asegúrate de que la fuente de alimentación esté apagada mientras construyes.

• Riel de alimentación: Conecta el terminal positivo de V1 al nodo VCC y el terminal negativo al nodo 0 (GND).
• Alimentación del CI: Conecta el pin 14 de U1 a VCC y el pin 7 a 0.
• Sensor 1 (Entrada A):
  • Conecta S1 entre VCC y el nodo SENSOR_HI.
  • Conecta R1 entre SENSOR_HI y 0 (Pull-down).
  • Conecta el pin 1 de U1 al nodo SENSOR_HI.
• Sensor 2 (Entrada B):
  • Conecta S2 entre VCC y el nodo SENSOR_SAFE.
  • Conecta R2 entre SENSOR_SAFE y 0 (Pull-down).
  • Conecta el pin 2 de U1 al nodo SENSOR_SAFE.
• Control de bomba (Salida):
  • Conecta el pin 3 de U1 al nodo PUMP_CTRL.
  • Conecta D1 (Ánodo) al nodo PUMP_CTRL.
  • Conecta D1 (Cátodo) al nodo LED_NODE.
  • Conecta R3 entre LED_NODE y 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Water tank level control

      INPUTS (Sensors)                       PROCESSING (U1: 74HC00)                  OUTPUT (Pump Indicator)
   ======================                  ===========================              ===========================

   [ VCC ]
      |
   [ S1: High Sensor ]
      |
                      +--(Node: SENSOR_HI)---------------> [ U1: Pin 1 (Input A) ]
      |                                             |
   [ R1: 10k Pull-Down ]                            |
      |                                             v
   [ GND ]                                     [ NAND Gate ] --(Node: PUMP_CTRL)--> [ D1: Green LED ]
                                                    ^                                       |
                                                    |                               (Node: LED_NODE)
   [ VCC ]                                          |                                       |
      |                                             |                                  [ R3: 330R ]
   [ S2: Safe Sensor ]                              |                                       |
      |                                             |                                    [ GND ]
+--(Node: SENSOR_SAFE)-------------> [ U1: Pin 2 (Input B) ]
      |
   [ R2: 10k Pull-Down ]
      |
   [ GND ]

   (Note: U1 Power Connections -> Pin 14: VCC, Pin 7: GND)

Tabla de verdad

El 74HC00 actúa como un bloqueo de seguridad. La bomba funciona (Salida 1) por defecto y solo se detiene (Salida 0) cuando se cumple la condición de peligro específica (1, 1).

Mediciones y pruebas

1. Comprobación del estado por defecto: Asegúrate de que S1 y S2 estén abiertos (OFF). Enciende el circuito. Mide el voltaje en el nodo PUMP_CTRL con respecto a GND. Debería leer aproximadamente 5 V. El LED verde debería estar encendido.
2. Prueba de un solo sensor: Cierra solo S1. El LED debería permanecer ENCENDIDO. Abre S1 y cierra solo S2. El LED debería permanecer ENCENDIDO.
3. Prueba de parada de seguridad: Cierra ambos S1 y S2 simultáneamente.
   • Mide el voltaje en el nodo PUMP_CTRL. Debería caer a cerca de 0 V (< 0.1 V).
   • Confirma que el LED se APAGA inmediatamente.
4. Recuperación: Abre cualquiera de los interruptores; el LED debería volver a ENCENDERSE.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Water tank level control
.width out=256

* --- Models ---
* Generic Green LED Model
.model DLED D(IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u CJO=10p)
* Ideal Voltage-Controlled Switch Model
.model SW_IDEAL sw(vt=2.5 vh=0 ron=1 roff=10Meg)

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

* --- Input Sensors (Switches + Pull-downs) ---
* S1: High Level Sensor simulator
* Modeled as a switch connected to VCC, controlled by a pulse source (V_ACT1)
* Timing: Period 100us, covers logic states quickly
V_ACT1 ACT1 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
S1 VCC SENSOR_HI ACT1 0 SW_IDEAL
R1 SENSOR_HI 0 10k
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Water tank level control
.width out=256

* --- Models ---
* Generic Green LED Model
.model DLED D(IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u CJO=10p)
* Ideal Voltage-Controlled Switch Model
.model SW_IDEAL sw(vt=2.5 vh=0 ron=1 roff=10Meg)

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

* --- Input Sensors (Switches + Pull-downs) ---
* S1: High Level Sensor simulator
* Modeled as a switch connected to VCC, controlled by a pulse source (V_ACT1)
* Timing: Period 100us, covers logic states quickly
V_ACT1 ACT1 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
S1 VCC SENSOR_HI ACT1 0 SW_IDEAL
R1 SENSOR_HI 0 10k

* S2: Safety Level Sensor simulator
* Modeled as a switch connected to VCC, controlled by a pulse source (V_ACT2)
* Timing: Period 200us, provides different state combinations with S1
V_ACT2 ACT2 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)
S2 VCC SENSOR_SAFE ACT2 0 SW_IDEAL
R2 SENSOR_SAFE 0 10k

* --- Logic IC: U1 (74HC00 Quad 2-Input NAND Gate) ---
* Wiring Guide connections:
* Pin 1 (Input A) -> SENSOR_HI
* Pin 2 (Input B) -> SENSOR_SAFE
* Pin 3 (Output)  -> PUMP_CTRL
* Pin 7 (GND)     -> 0
* Pin 14 (VCC)    -> VCC

.subckt 74HC00 1 2 3 7 14
    * Behavioral NAND implementation using continuous sigmoid functions for convergence
    * V(3) = VCC * (1 - (Sigmoid(In1) * Sigmoid(In2)))
    * Threshold is set to VCC/2 (approx 2.5V)
    B_NAND 3 7 V = V(14) * (1 - ( (1/(1+exp(-50*(V(1)-0.5*V(14))))) * (1/(1+exp(-50*(V(2)-0.5*V(14))))) ))
.ends

XU1 SENSOR_HI SENSOR_SAFE PUMP_CTRL 0 VCC 74HC00

* --- Output Stage ---
* D1: Pump Status LED (Green)
* R3: Current limiting resistor
D1 PUMP_CTRL LED_NODE DLED
R3 LED_NODE 0 330

* --- Simulation Directives ---
.op
* Transient analysis for 500us to capture full truth table sequence
.tran 1u 500u

* --- Output Printing ---
* Required to generate simulation log
.print tran V(SENSOR_HI) V(SENSOR_SAFE) V(PUMP_CTRL) V(LED_NODE)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation successfully cycles through all 4 logic states. When both inputs are High (~5V), the output PUMP_CTRL goes Low (~0V) and the LED voltage drops to ~0V (OFF). In all other states (00, 01, 10), the output is High (~5V) and the LED node is ~3.46V (ON).

Show raw data table (810 rows)

Index   time            v(sensor_hi)    v(sensor_safe)  v(pump_ctrl)    v(led_node)
0	0.000000e+00	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463208e+00
1	1.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463209e+00
2	2.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463209e+00
3	4.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463209e+00
4	8.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463209e+00
5	1.600000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463209e+00
6	3.200000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463209e+00
7	3.562500e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463209e+00
8	4.196875e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463209e+00
9	4.372461e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463209e+00
10	4.679736e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463209e+00
11	4.795524e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463209e+00
12	4.902290e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00	3.463209e+00
13	5.023412e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	4.417025e-69	-7.81556e-01
14	5.138120e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	4.417025e-69	1.002344e-01
15	5.170059e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	4.417025e-69	3.466376e-02
16	5.182905e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	4.417025e-69	2.349502e-02
17	5.201200e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	4.417025e-69	1.345184e-02
18	5.222326e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	4.417025e-69	7.036188e-03
19	5.244685e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	4.417025e-69	3.539225e-03
20	5.268938e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	4.417025e-69	1.673565e-03
21	5.291278e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	4.417025e-69	8.446489e-04
22	5.313933e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	4.417025e-69	4.221950e-04
23	5.337647e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	4.417025e-69	2.037947e-04
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Errores comunes y cómo evitarlos

1. Entradas flotantes: Olvidar R1 o R2 resulta en conmutaciones erráticas porque las entradas CMOS captan ruido eléctrico cuando los interruptores están abiertos. Solución: Asegúrate siempre de que las entradas estén conectadas a Tierra a través de resistencias cuando el interruptor esté abierto.
2. Polaridad del LED: Conectar el LED al revés evita que se encienda incluso cuando la lógica es Alta. Solución: Asegúrate de que la pata más larga (Ánodo) mire hacia el pin de salida del CI.
3. Cortocircuitar la salida a Tierra: Conectar el Pin 3 directamente a Tierra para «probarlo» dañará el CI cuando intente emitir una salida Alta. Solución: Mide siempre el voltaje con un multímetro en paralelo, nunca fuerces un nodo a tierra con un cable.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED siempre está ENCENDIDO, incluso cuando ambos interruptores están cerrados.
  • Causa: Las resistencias R1/R2 podrían estar conectadas a VCC en lugar de GND, o el CI está puenteado.
  • Solución: Verifica que R1 y R2 se conecten al riel negativo (0) y los interruptores se conecten a VCC.
• Síntoma: El LED nunca se ENCIENDE.
  • Causa: LED invertido o R3 tiene un valor demasiado alto/abierto.
  • Solución: Verifica la orientación de D1 y la continuidad de R3.
• Síntoma: El circuito se comporta de manera errática al tocar los cables.
  • Causa: Entradas flotantes (Faltan resistencias pull-down).
  • Solución: Verifica que R1 y R2 estén conectados firmemente al nodo 0.

Posibles mejoras y extensiones

1. Alarma visual y sonora: Conecta un zumbador activo adicional (a través de un controlador de transistor) a la salida, pero invierte la señal primero para que el zumbador suene cuando la bomba se detenga.
2. Accionamiento de motor: Reemplaza el LED con un transistor NPN (como el 2N2222) y un relé para controlar un motor de bomba de agua de CC real, añadiendo un diodo flyback para protección.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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