Caso práctico: Alarma de puerta abierta

Prototipo de Alarma de puerta abierta (Maker Style)

Nivel: Básico. Objetivo: Construir un circuito lógico utilizando una compuerta NOT que active un LED cuando se abra el contacto de un interruptor.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito de monitoreo digital que ilumina un indicador LED cada vez que un interruptor (que representa un sensor de puerta) rompe el contacto. Esto demuestra el funcionamiento fundamental de la compuerta NOT (Inversor) en la lógica de seguridad.

  • Por qué es útil:

    • Seguridad en el hogar: Principio básico detrás de los interruptores magnéticos (reed switches) utilizados en ventanas y puertas.
    • Seguridad de electrodomésticos: Asegura que dispositivos como microondas o lavadoras no funcionen si la puerta está abierta.
    • Enclavamientos industriales: Sistemas de advertencia visual para protecciones de maquinaria.

  • Resultado esperado:

    • Puerta cerrada (Interruptor cerrado): Lógica de entrada Alta (5V), Lógica de salida Baja (0V), LED APAGADO.
    • Puerta abierta (Interruptor abierto): Lógica de entrada Baja (0V), Lógica de salida Alta (5V), LED ENCENDIDO.
    • Público objetivo y nivel: Estudiantes de introducción a la electrónica (Básico).

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Fuente de energía principal
  • U1: 74HC04, función: Inversor séxtuple (lógica de compuerta NOT)
  • SW1: Interruptor SPST, función: Simula el sensor de la puerta (Cerrado = Puerta cerrada)
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para la entrada de U1
  • R2: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED
  • D1: LED rojo, función: Indicador visual de alarma

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC04 (Inversor séxtuple)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada Conectado a SW1 y R1
2 1Y Salida Conectado a la resistencia del LED R2
7 GND Tierra Conectado a 0V (Tierra de la fuente de alimentación)
14 VCC Alimentación Conectado a 5V (Positivo de la fuente de alimentación)

Guía de conexionado

  • VCC se conecta al terminal positivo de V1, al pin 14 de U1 y a un lado de SW1.
  • 0 (GND) se conecta al terminal negativo de V1, al pin 7 de U1, a R1 y al cátodo de D1.
  • ESTADO_PUERTA (Nodo A) se conecta al otro lado de SW1, al otro lado de R1 y al pin 1 de U1.
  • SALIDA_ALARMA (Nodo Y) se conecta al pin 2 de U1 y a un lado de R2.
  • ÁNODO_LED se conecta al otro lado de R2 y al ánodo de D1.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate

Esquemático

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

    [ VCC (5V Source) ]
             |
             v
    [ SW1 (Door Switch) ]
             |
             v
          (Node A) -------------------->+------------------+
             |                          |    U1: 74HC04    |
             v                          |    (NOT Gate)    | --(Pin 2)--> [ R2: 330Ω ] --> [ D1: LED ] --> GND
    [ R1 (10k Pull-down) ]              |  Input: Pin 1    |
             |                          +------------------+
             v
            GND
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Estado de la puerta Interruptor (SW1) Voltaje de entrada (Pin 1) Entrada lógica Salida lógica (Pin 2) Estado del LED
Cerrada Cerrado 5 V (Alto) 1 0 APAGADO
Abierta Abierto 0 V (Bajo) 0 1 ENCENDIDO

Mediciones y pruebas

  1. Comprobación de alimentación: Antes de insertar el CI, verifica que V1 proporcione exactamente 5 V.
  2. Estado 1 (Seguro): Cierra SW1. Mide el voltaje en el Pin 1 (Entrada). Debería ser ~5 V. Mide el Pin 2 (Salida). Debería ser ~0 V. Verifica que el LED esté APAGADO.
  3. Estado 2 (Alarma): Abre SW1. Mide el voltaje en el Pin 1 (Entrada). Debería caer a 0 V (llevado a tierra por R1). Mide el Pin 2 (Salida). Debería subir a ~5 V. Verifica que el LED esté ENCENDIDO.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Open door alarm
*
* BILL OF MATERIALS:
* V1: 5V DC Supply
* U1: 74HC04 Hex Inverter (Behavioral Model)
* SW1: SPST Switch (Modeled as Voltage-Controlled Switch)
* R1: 10k Pull-down Resistor
* R2: 330 Ohm Current Limiting Resistor
* D1: Red LED
*
* WIRING CONNECTIONS:
* VCC: V1(+), U1(14), SW1(1)
* GND: V1(-), U1(7), R1(2), D1(Cathode)
* DOOR_STATUS: SW1(2), R1(1), U1(1)
* ALARM_OUT: U1(2), R2(1)
* LED_ANODE: R2(2), D1(Anode)

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

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

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* Practical case: Open door alarm
*
* BILL OF MATERIALS:
* V1: 5V DC Supply
* U1: 74HC04 Hex Inverter (Behavioral Model)
* SW1: SPST Switch (Modeled as Voltage-Controlled Switch)
* R1: 10k Pull-down Resistor
* R2: 330 Ohm Current Limiting Resistor
* D1: Red LED
*
* WIRING CONNECTIONS:
* VCC: V1(+), U1(14), SW1(1)
* GND: V1(-), U1(7), R1(2), D1(Cathode)
* DOOR_STATUS: SW1(2), R1(1), U1(1)
* ALARM_OUT: U1(2), R2(1)
* LED_ANODE: R2(2), D1(Anode)

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

* --- User Interaction (Door Sensor) ---
* Model SW1 as a voltage-controlled switch S1 driven by a pulse source.
* Logic: Control High = Switch Closed (Door Closed). Control Low = Switch Open (Door Open).
* Pulse: Starts 0V (Open/Alarm ON), goes to 5V (Closed/Alarm OFF) at 1ms, stays for 2ms.
V_SW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 1m 10u 10u 2m 5m)

* S1 connects VCC to DOOR_STATUS when SW_CTRL is High.
S1 VCC DOOR_STATUS SW_CTRL 0 SW_DOOR
.model SW_DOOR SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)

* --- Pull-down Resistor ---
R1 DOOR_STATUS 0 10k

* --- 74HC04 Hex Inverter (U1) ---
* Implements NOT gate logic: ALARM_OUT = NOT(DOOR_STATUS)
* Pin mapping: 1=In, 2=Out, 7=GND, 14=VCC
XU1 DOOR_STATUS ALARM_OUT 0 VCC 74HC04_GATE

* --- Output Stage ---
R2 ALARM_OUT LED_ANODE 330
D1 LED_ANODE 0 D_RED

* --- Models and Subcircuits ---

* LED Model
.model D_RED D(IS=1e-22 RS=6 N=1.5 CJO=50p BV=5 IBV=10u)

* 74HC04 Single Gate Behavioral Model
* Pins: In Out GND VCC
.subckt 74HC04_GATE 1 2 7 14
* Continuous sigmoid function for robust NOT logic
* Vout goes Low when Vin > 2.5V, High when Vin < 2.5V
B_INV 2 7 V = V(14,7) * (1 / (1 + exp(50 * (V(1,7) - 2.5))))
.ends

* --- Simulation Directives ---
.tran 10u 5ms
.op

* --- Output Printing ---
.print tran V(DOOR_STATUS) V(ALARM_OUT) V(LED_ANODE) V(SW_CTRL)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1126 rows) 
Index   time            v(door_status)  v(alarm_out)    v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
1	1.000000e-07	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
2	2.000000e-07	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
3	4.000000e-07	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
4	8.000000e-07	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
5	1.600000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
6	3.200000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
7	6.400000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
8	1.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
9	2.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
10	3.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
11	4.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
12	5.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
13	6.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
14	7.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
15	8.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
16	9.280000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
17	1.028000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
18	1.128000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
19	1.228000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
20	1.328000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
21	1.428000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
22	1.528000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
23	1.628000e-04	4.999500e-04	5.000000e+00	1.842385e+00
... (1102 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entrada flotante: Olvidar la resistencia pull-down (R1). Sin R1, cuando el interruptor se abre, el pin de entrada queda flotando y el LED puede parpadear o permanecer en un estado impredecible. Siempre conecta las entradas CMOS a un nivel lógico definido.
  2. Sin resistencia para el LED: Conectar el LED directamente a la salida del 74HC04 sin R2. Esto puede quemar el LED o dañar la etapa de salida del CI debido a una corriente excesiva.
  3. Polaridad incorrecta: Insertar el LED al revés (ánodo a tierra). El LED nunca se encenderá. Asegúrate de que la pata más larga (ánodo) mire hacia la resistencia que viene del CI.

Solución de problemas

  • LED siempre ENCENDIDO: Comprueba si SW1 se está cerrando realmente. Si usas un pulsador, asegúrate de que esté conectado a VCC. Verifica que R1 esté conectado a Tierra.
  • LED siempre APAGADO: Comprueba si el 74HC04 tiene alimentación (Pin 14) y Tierra (Pin 7). Comprueba la polaridad del LED. Asegúrate de que SW1 esté desconectando realmente VCC cuando está «Abierto».
  • El LED es tenue: El valor de R2 podría ser demasiado alto (por ejemplo, 10 kΩ en lugar de 330 Ω) o la fuente de 5V está cayendo.
  • El CI se calienta: Desconecta la alimentación inmediatamente. Busca cortocircuitos entre la Salida (Pin 2) y Tierra, o si el chip está insertado al revés.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Alarma sonora: Conecta un transistor NPN y un zumbador a la salida para generar sonido junto con la luz cuando se abra la puerta.
  2. Circuito de enclavamiento: Añade un bucle de retroalimentación o un Flip-Flop para que, una vez que se active la alarma, permanezca ENCENDIDA incluso si la puerta se cierra de nuevo, requiriendo un botón de reinicio manual.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué componente lógico fundamental se utiliza en este proyecto?




Pregunta 3: ¿Qué representa el interruptor en el contexto del caso de uso?




Pregunta 4: ¿Cuál es el estado del LED cuando la puerta está cerrada (interruptor cerrado)?




Pregunta 5: Según el texto, ¿qué voltaje de entrada (lógica) se tiene cuando el interruptor está cerrado?




Pregunta 6: Si el interruptor está abierto (puerta abierta), ¿cuál es el estado lógico de la salida?




Pregunta 7: ¿Cuál es un ejemplo de uso en la seguridad de electrodomésticos mencionado?




Pregunta 8: ¿Qué sucede con la lógica de entrada cuando el interruptor se abre?




Pregunta 9: ¿Cuál de los siguientes es un ejemplo de uso real mencionado para este circuito?




Pregunta 10: ¿A qué público objetivo está dirigido 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).

Sígueme:

Caso práctico: Control de seguridad con lógica inversa

Prototipo de Control de seguridad con lógica inversa (Maker Style)

Nivel: Medio. Diseña un circuito de parada de emergencia donde una señal alta del sensor detiene un motor usando una compuerta NOT.

Objetivo y caso de uso

Diseñarás y construirás un circuito digital de parada de seguridad utilizando un inversor 74HC04. En esta configuración, el sistema se encuentra por defecto en estado «ON» (Motor en marcha) y requiere una señal lógica ALTA (HIGH) de un sensor para forzar al sistema a un estado «OFF» (Apagado).

  • Automatización industrial: Utilizado para botones de parada de emergencia (E-Stop) o interruptores de límite donde la detección de un objeto debe cortar la energía inmediatamente.
  • Lógica a prueba de fallos: Garantiza que se requiera una intervención activa para detener el proceso, mientras que el estado inactivo predeterminado de la lógica de control mantiene la máquina en funcionamiento (asumiendo que el actuador físico esté cableado para coincidir).
  • Inversión de señal: Adapta sensores con salidas activas en alto para controladores o drivers que requieren señales de inhabilitación activas en bajo.

Resultado esperado:
* Estado inactivo: Entrada $0\text{ V}$ (Bajo) $\rightarrow$ Salida $5\text{ V}$ (Alto) $\rightarrow$ Simulador de motor ON.
* Estado activo: Entrada $5\text{ V}$ (Alto) $\rightarrow$ Salida $0\text{ V}$ (Bajo) $\rightarrow$ Simulador de motor OFF.
* Umbrales: Voltajes de entrada superiores a $3.5\text{ V}$ se leen como Alto; inferiores a $1.5\text{ V}$ se leen como Bajo.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con niveles lógicos digitales básicos.

Materiales

  • V1: Fuente de 5 V CC, función: Fuente de alimentación principal.
  • U1: CI Inversor Hexagonal 74HC04, función: Inversión lógica.
  • S1: Interruptor pulsador (NO), función: Simula la activación del sensor de seguridad.
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para la entrada del sensor.
  • R2: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para el simulador de motor.
  • D1: LED verde, función: Sim-Motor-CC (indicador visual de potencia del motor).
  • C1: Condensador de 100 nF, función: Desacoplo para la alimentación de U1.

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC04 (Inversor Hexagonal)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada Conectado al nodo del sensor (S1, R1)
2 1Y Salida Conectado al nodo de control del motor (D1 vía R2)
7 GND Tierra Conectado a 0 (GND)
14 VCC Alimentación Conectado a VCC (5 V)

Guía de conexionado

  • V1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0.
  • C1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (cerca de U1).
  • S1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo SENSOR_IN.
  • R1 se conecta entre el nodo SENSOR_IN y el nodo 0 (Pull-down).
  • U1 Pin 14 se conecta a VCC.
  • U1 Pin 7 se conecta a 0.
  • U1 Pin 1 se conecta a SENSOR_IN.
  • U1 Pin 2 se conecta a MOTOR_CTRL.
  • R2 se conecta entre el nodo MOTOR_CTRL y el nodo LED_ANODE.
  • D1 se conecta entre el nodo LED_ANODE (Ánodo) y el nodo 0 (Cátodo).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate

Esquemático

[ INPUT STAGE ]                     [ LOGIC STAGE ]                     [ OUTPUT STAGE ]

 (VCC)
   |
 [ S1: Button (NO) ] --+
                       |
                   +--(SENSOR_IN)-->+-----------------------+
                       |                |       U1: 74HC04      |
 [ R1: 10k Resistor ] -+                |     (Hex Inverter)    |
   |                                    | Pin 1           Pin 2 | --(MOTOR_CTRL)--> [ R2: 330R ] --> [ D1: Green LED ] --> (GND)
 (GND)                                  |                       |
                                        | Power: [ V1: 5V ]     |
                                        | Filter: [ C1: 100nF ] |
                                        +-----------------------+
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

En esta lógica de seguridad, $0$ representa $0\text{ V}$ (Tierra) y $1$ representa $5\text{ V}$ (VCC).

Entrada del sensor (Pin 1) Salida de comando del motor (Pin 2) Estado del sistema
0 (Bajo) 1 (Alto) EN MARCHA (Por defecto)
1 (Alto) 0 (Bajo) DETENIDO (Emergencia)

Mediciones y pruebas

  1. Validación del estado inactivo:

    • Asegurar que S1 no esté presionado.
    • Medir voltaje en SENSOR_IN relativo a 0. Esperado: $\approx 0\text{ V}$.
    • Medir voltaje en MOTOR_CTRL. Esperado: $\approx 5\text{ V}$.
    • Verificar que D1 (Sim Motor) esté encendido.

  2. Validación de parada activa:

    • Presionar y mantener S1.
    • Medir voltaje en SENSOR_IN. Esperado: $5\text{ V}$.
    • Medir voltaje en MOTOR_CTRL. Esperado: $\approx 0\text{ V}$.
    • Verificar que D1 (Sim Motor) se APAGUE inmediatamente.

  3. Retardo de propagación (Opcional):

    • Si usa un osciloscopio, conecte el Canal 1 a SENSOR_IN y el Canal 2 a MOTOR_CTRL.
    • Disparar (Trigger) en el flanco de subida del Canal 1.
    • Medir la diferencia de tiempo entre que la entrada alcanza el 50% y la salida cae al 50%. Los valores típicos para el 74HC04 están en el rango de nanosegundos ($7\text{–}15\text{ ns}$).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Safety control with inverse logic

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

* --- Decoupling ---
* C1 connects between node VCC and node 0 (near U1)
C1 VCC 0 100n

* --- Input Stage: Sensor (Push Button) ---
* S1 connects between node VCC and node SENSOR_IN
* Implemented as a Voltage-Controlled Switch to simulate the physical connection
S1 VCC SENSOR_IN S1_CTRL 0 SW_PUSH
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)

* Control source for S1 (Simulates user pressing the button)
* Pulse: Press at 200us, hold for 300us, release (Total simulation 1ms)
V_S1_ACT S1_CTRL 0 PULSE(0 5 200u 1u 1u 300u 1ms)

* R1 connects between node SENSOR_IN and node 0 (Pull-down)
R1 SENSOR_IN 0 10k

* --- Logic Stage: U1 (74HC04 Hex Inverter) ---
* U1 Pin 14 connects to VCC
* U1 Pin 7 connects to 0
* U1 Pin 1 connects to SENSOR_IN
* U1 Pin 2 connects to MOTOR_CTRL
* Implemented using a Behavioral Source (B-Source) for robust logic simulation
* Logic: Inverts SENSOR_IN. Uses sigmoid function for convergence.
* ... (truncated in public view) ...

Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.

🔒 Parte del contenido de esta sección es premium. Con el pase de 7 días o la suscripción mensual tendrás acceso al contenido completo (materiales, conexionado, compilación detallada, validación paso a paso, troubleshooting, mejoras/variantes y checklist) y podrás descargar el pack PDF listo para imprimir.

🔓 Ver planes de acceso premium 

* Practical case: Safety control with inverse logic

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

* --- Decoupling ---
* C1 connects between node VCC and node 0 (near U1)
C1 VCC 0 100n

* --- Input Stage: Sensor (Push Button) ---
* S1 connects between node VCC and node SENSOR_IN
* Implemented as a Voltage-Controlled Switch to simulate the physical connection
S1 VCC SENSOR_IN S1_CTRL 0 SW_PUSH
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)

* Control source for S1 (Simulates user pressing the button)
* Pulse: Press at 200us, hold for 300us, release (Total simulation 1ms)
V_S1_ACT S1_CTRL 0 PULSE(0 5 200u 1u 1u 300u 1ms)

* R1 connects between node SENSOR_IN and node 0 (Pull-down)
R1 SENSOR_IN 0 10k

* --- Logic Stage: U1 (74HC04 Hex Inverter) ---
* U1 Pin 14 connects to VCC
* U1 Pin 7 connects to 0
* U1 Pin 1 connects to SENSOR_IN
* U1 Pin 2 connects to MOTOR_CTRL
* Implemented using a Behavioral Source (B-Source) for robust logic simulation
* Logic: Inverts SENSOR_IN. Uses sigmoid function for convergence.
* Vout = VCC if Vin < 2.5V, else 0V.
B_U1 MOTOR_CTRL 0 V = V(VCC) * (1 / (1 + exp(50 * (V(SENSOR_IN) - 2.5))))

* --- Output Stage: Motor Simulator (LED) ---
* R2 connects between node MOTOR_CTRL and node LED_ANODE
R2 MOTOR_CTRL LED_ANODE 330

* D1 connects between node LED_ANODE (Anode) and node 0 (Cathode)
D1 LED_ANODE 0 LED_GREEN
.model LED_GREEN D(IS=1e-22 RS=5 N=1.5 BV=5 IBV=10u CJO=10p)

* --- Simulation Directives ---
* Perform a transient analysis to observe the button press event
.op
.tran 1u 1ms

* Print required nodes for verification
.print tran V(SENSOR_IN) V(MOTOR_CTRL) V(LED_ANODE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1061 rows) 
Index   time            v(sensor_in)    v(motor_ctrl)   v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
1	1.000000e-08	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
2	2.000000e-08	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
3	4.000000e-08	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
4	8.000000e-08	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
5	1.600000e-07	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
6	3.200000e-07	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
7	6.400000e-07	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
8	1.280000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
9	2.280000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
10	3.280000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
11	4.280000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
12	5.280000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
13	6.280000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
14	7.280000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
15	8.280000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
16	9.280000e-06	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
17	1.028000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
18	1.128000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
19	1.228000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
20	1.328000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
21	1.428000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
22	1.528000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
23	1.628000e-05	4.999500e-04	5.000000e+00	1.833072e+00
... (1037 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entrada flotante: Omitir R1 (Pull-down) hace que la entrada flote, provocando que el motor cambie aleatoriamente u oscile debido al ruido electromagnético. Solución: Asegurar siempre que las entradas tengan un camino definido a tierra o VCC cuando el interruptor esté abierto.
  2. Sobrecargar la salida: Conectar un motor de CC real directamente a la salida del 74HC04. El chip solo puede suministrar $\approx 20\text{ mA}$. Solución: Usar la salida para controlar un transistor (BJT o MOSFET) que luego conmute el motor real.
  3. Confundir familias lógicas: Usar un 74LS04 con resistencias de alto valor o niveles de voltaje incorrectos. Solución: Mantenerse en la serie 74HC para compatibilidad con 5 V CMOS y entradas de alta impedancia.

Solución de problemas

  • Síntoma: El Motor (LED) está siempre APAGADO.
    • Causa: Pin de entrada atascado en ALTO o CI dañado.
    • Solución: Verifique el voltaje en el Pin 1. Si es 0 V, reemplace U1.
  • Síntoma: El Motor (LED) está siempre ENCENDIDO, incluso al presionar el botón.
    • Causa: Entrada en cortocircuito a GND o el botón S1 no hace contacto.
    • Solución: Use un multímetro para verificar la continuidad en S1 al presionarlo.
  • Síntoma: El LED parpadea al tocar el cable.
    • Causa: Falta la resistencia pull-down R1.
    • Solución: Verifique que R1 esté conectada firmemente entre el Pin 1 y Tierra.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Circuito de seguridad con enclavamiento: Agregar un bucle de retroalimentación o un Latch SR para que una vez que se active la parada de emergencia, el motor permanezca apagado incluso si se suelta el botón (requiere un reinicio manual).
  2. Indicadores de estado: Agregar un LED rojo conectado al lado de entrada (con buffer) para indicar «ESTADO DE EMERGENCIA» visualmente junto con el apagado del motor.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Qué componente principal se utiliza para realizar la inversión lógica en este circuito?




Pregunta 2: ¿Cuál es el estado por defecto del sistema (motor) cuando la entrada es 0 V?




Pregunta 3: ¿Qué señal lógica del sensor se requiere para detener el motor?




Pregunta 4: ¿Cuál es el voltaje de salida esperado cuando el sistema está en 'Estado inactivo' (Entrada 0 V)?




Pregunta 5: ¿Qué sucede con el simulador de motor en el 'Estado activo' (Entrada ALTA)?




Pregunta 6: ¿Cuál es el propósito de la 'Lógica a prueba de fallos' mencionada en el texto?




Pregunta 7: ¿Qué función cumple la inversión de señal en este contexto?




Pregunta 8: ¿Qué voltaje de entrada se lee típicamente como 'Bajo' en lógica de 5V (según el estándar TTL/CMOS implícito)?




Pregunta 9: ¿Para qué tipo de aplicación industrial es útil este circuito?




Pregunta 10: ¿Qué ocurre lógicamente si el sensor detecta un objeto (Señal ALTA)?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:

Caso práctico: Inversor de señal con LED indicador

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

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

Objetivo y caso de uso

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

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

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

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

Materiales

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

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC04 (Hex Inverter)

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

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

Guía de conexionado

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

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate

Esquemático

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

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

Tabla de verdad

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

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

Mediciones y pruebas

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

  1. Comprobación del estado por defecto:

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

  2. Comprobación del estado activo:

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

  3. Umbral de transición (Opcional):

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

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Signal inverter with indicator LED

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

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

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

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

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

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

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* Practical case: Signal inverter with indicator LED

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

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

Solución de problemas

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

Posibles mejoras y extensiones

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

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Quiz rápido

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




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




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




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




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




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




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




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




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




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




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

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

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