Nivel: Medio. Implemente una función lógica XOR utilizando puertas NAND universales para controlar una fuente de luz desde dos ubicaciones independientes.
Objetivo y caso de uso
En este caso, construirá un circuito lógico digital que replica un sistema de conmutación residencial de 2 vías (luz de pasillo) utilizando un solo CI 74HC00 de cuádruple puerta NAND. Al combinar cuatro puertas NAND, sintetizará la función O-Exclusiva (XOR), demostrando que las puertas NAND son bloques de construcción «universales».
Por qué es útil:
* Simulación de cableado residencial: Demuestra cómo dos interruptores pueden alternar independientemente una sola carga (lógica de pasillo/escalera).
* Síntesis de lógica digital: Enseña cómo construir lógica compleja (XOR) a partir de puertas universales básicas (NAND).
* Circuitos aritméticos: Esta topología XOR específica es el componente fundamental de un «Semisumador» digital utilizado en las ALU de las CPU.
* Detección de errores: La lógica XOR se utiliza para calcular bits de paridad para la transmisión de datos.
Resultado esperado:
* Estado 00: Cuando ambos interruptores están OFF, el LED está OFF.
* Estado 01/10: Cuando solo un interruptor está ON, el LED está ON (Nivel lógico alto > 3.5 V).
* Estado 11: Cuando ambos interruptores están ON, el LED está OFF.
* Universalidad: Demostración exitosa de que 4 puertas NAND = 1 puerta XOR.
Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con las puertas lógicas básicas.
Materiales
- V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Alimentación del circuito principal.
- U1: 74HC00, función: CI de cuádruple puerta NAND de 2 entradas.
- S1: Interruptor SPST, función: Entrada A (Interruptor 1).
- S2: Interruptor SPST, función: Entrada B (Interruptor 2).
- R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para Entrada A.
- R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para Entrada B.
- R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED.
- D1: LED rojo, función: Indicador de salida (Luz).
Pin-out del CI utilizado
Chip seleccionado: 74HC00 (Cuádruple puerta NAND de 2 entradas)
| Pin | Nombre | Función lógica | Conexión en este caso |
|---|---|---|---|
| 1 | 1 A | Entrada Puerta 1 | Conectar al nodo INPUT_A |
| 2 | 1B | Entrada Puerta 1 | Conectar al nodo INPUT_B |
| 3 | 1Y | Salida Puerta 1 | Nodo interno NAND_1_OUT |
| 4 | 2 A | Entrada Puerta 2 | Conectar al nodo INPUT_A |
| 5 | 2B | Entrada Puerta 2 | Conectar al nodo NAND_1_OUT |
| 6 | 2Y | Salida Puerta 2 | Nodo interno NAND_2_OUT |
| 7 | GND | Tierra | Conectar al nodo 0 (GND) |
| 8 | 3Y | Salida Puerta 3 | Nodo interno NAND_3_OUT |
| 9 | 3 A | Entrada Puerta 3 | Conectar al nodo NAND_1_OUT |
| 10 | 3B | Entrada Puerta 3 | Conectar al nodo INPUT_B |
| 11 | 4Y | Salida Puerta 4 | Conectar al nodo FINAL_OUT |
| 12 | 4 A | Entrada Puerta 4 | Conectar al nodo NAND_2_OUT |
| 13 | 4B | Entrada Puerta 4 | Conectar al nodo NAND_3_OUT |
| 14 | VCC | Alimentación | Conectar al nodo VCC (+5 V) |
Guía de conexionado
- V1: Conectar el terminal positivo al nodo
VCCy el terminal negativo al nodo0. - U1 (Alimentación): Conectar el Pin 14 a
VCCy el Pin 7 a0. - S1: Conectar un lado a
VCCy el otro al nodoINPUT_A. - R1: Conectar entre el nodo
INPUT_Ay el nodo0. - S2: Conectar un lado a
VCCy el otro al nodoINPUT_B. - R2: Conectar entre el nodo
INPUT_By el nodo0. - U1 (Puerta 1): Conectar el Pin 1 a
INPUT_A, el Pin 2 aINPUT_B. El Pin 3 es el nodoNAND_1_OUT. - U1 (Puerta 2): Conectar el Pin 4 a
INPUT_A, el Pin 5 aNAND_1_OUT. El Pin 6 es el nodoNAND_2_OUT. - U1 (Puerta 3): Conectar el Pin 10 a
INPUT_B, el Pin 9 aNAND_1_OUT. El Pin 8 es el nodoNAND_3_OUT. - U1 (Puerta 4): Conectar el Pin 12 a
NAND_2_OUT, el Pin 13 aNAND_3_OUT. El Pin 11 es el nodoFINAL_OUT. - R3: Conectar entre el nodo
FINAL_OUTy el Ánodo de D1. - D1: Conectar el Cátodo al nodo
0.
Diagrama de bloques conceptual
Esquemático
Title: Practical case: Light switching from two points (XOR Logic)
INPUT STAGE LOGIC PROCESSING (74HC00) OUTPUT STAGE
(User Controls) (NAND-based XOR Circuit) (Indicator)
(Pin 4)
VCC --> [ S1 ] --(Node A)----------> [ U1:Gate 2 ] --(NAND_2)--\
| (Pin 5,6) \
[ R1 ] ^ \
v | \
GND (NAND_1_OUT) \
| \
| \
(Node A) & (Node B) -----------> [ U1:Gate 1 ] --> [ U1:Gate 4 ] --(FINAL)--> [ R3 ] --> [ D1: LED ] --> GND
(Pin 1,2->3) / (Pin 12,13->11)
| /
| /
(NAND_1_OUT) /
^ | /
[ R2 ] v /
| (Pin 9) /
VCC --> [ S2 ] --(Node B)----------> [ U1:Gate 3 ] --(NAND_3)-/
(Pin 10,8)
Tabla de verdad
| Interruptor A (S1) | Interruptor B (S2) | Estado del LED (D1) | Función lógica |
|---|---|---|---|
| 0 (OFF) | 0 (OFF) | OFF (0) | Sin entrada activa |
| 0 (OFF) | 1 (ON) | ON (1) | Entradas diferentes |
| 1 (ON) | 0 (OFF) | ON (1) | Entradas diferentes |
| 1 (ON) | 1 (ON) | OFF (0) | Entradas coinciden |
Mediciones y pruebas
- Comprobación del estado inicial: Asegúrese de que ambos S1 y S2 estén abiertos. Mida el voltaje en el Pin 11 (
FINAL_OUT). Debería ser < 0.5 V (Lógica 0). D1 debería estar apagado. - Conmutación del primer interruptor: Cierre solo S1. Mida el voltaje en el Pin 11. Debería estar cerca de 5 V (Lógica 1). D1 debería encenderse.
- Conmutación del segundo interruptor: Abra S1 y cierre S2. Observe D1. Debería encenderse de nuevo (Lógica 1).
- Comprobación de colisión: Cierre S1 y S2 simultáneamente. Mida el voltaje en el Pin 3 (
NAND_1_OUT). Dado que ambas entradas están en Alto (High), el Pin 3 debe estar en Bajo (Low). En consecuencia, el Pin 11 (FINAL_OUT) debería pasar a Bajo (Low), apagando D1.
Netlist SPICE y simulación
Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)
* Practical case: Light switching from two points
* Title: Light switching from two points
* ==============================================================================
* COMPONENT MODELS
* ==============================================================================
* Simple LED Model
.model DLED D(IS=1e-22 RS=10 N=1.5 CJO=10p BV=5 IBV=10u)
* Voltage Controlled Switch Model for Buttons
* Vt=2.5V threshold, Ron=1 ohm, Roff=10Meg ohm
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=10Meg)
* ==============================================================================
* MAIN CIRCUIT
* ==============================================================================
* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC power supply
* ... (truncated in public view) ...Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.
* Practical case: Light switching from two points
* Title: Light switching from two points
* ==============================================================================
* COMPONENT MODELS
* ==============================================================================
* Simple LED Model
.model DLED D(IS=1e-22 RS=10 N=1.5 CJO=10p BV=5 IBV=10u)
* Voltage Controlled Switch Model for Buttons
* Vt=2.5V threshold, Ron=1 ohm, Roff=10Meg ohm
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=10Meg)
* ==============================================================================
* MAIN CIRCUIT
* ==============================================================================
* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC power supply
V1 VCC 0 DC 5
* --- Input A (Switch 1) ---
* Simulating physical switch S1 connecting VCC to INPUT_A
* Controlled by V_ACT_S1 (User pressing the button)
* Timing: Period 100us, Width 50us (Toggles faster)
V_ACT_S1 S1_CTRL 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
S1 VCC INPUT_A S1_CTRL 0 SW_PUSH
* R1: 10 kΩ pull-down for Input A
R1 INPUT_A 0 10k
* --- Input B (Switch 2) ---
* Simulating physical switch S2 connecting VCC to INPUT_B
* Controlled by V_ACT_S2 (User pressing the button)
* Timing: Period 200us, Width 100us (Toggles slower)
V_ACT_S2 S2_CTRL 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)
S2 VCC INPUT_B S2_CTRL 0 SW_PUSH
* R2: 10 kΩ pull-down for Input B
R2 INPUT_B 0 10k
* --- Logic IC U1: 74HC00 ---
* Quad 2-input NAND gate IC
* Pin connections per Wiring Guide:
* P1=INPUT_A, P2=INPUT_B, P3=NAND_1_OUT
* P4=INPUT_A, P5=NAND_1_OUT, P6=NAND_2_OUT
* P7=0 (GND)
* P8=NAND_3_OUT, P9=NAND_1_OUT, P10=INPUT_B
* P11=FINAL_OUT, P12=NAND_2_OUT, P13=NAND_3_OUT
* P14=VCC
XU1 INPUT_A INPUT_B NAND_1_OUT INPUT_A NAND_1_OUT NAND_2_OUT 0 NAND_3_OUT NAND_1_OUT INPUT_B FINAL_OUT NAND_2_OUT NAND_3_OUT VCC 74HC00
* --- Output Stage ---
* R3: 330 Ω resistor
R3 FINAL_OUT LED_NODE 330
* D1: Red LED
D1 LED_NODE 0 DLED
* ==============================================================================
* SUBCIRCUITS
* ==============================================================================
* Subcircuit for 74HC00 Quad 2-Input NAND Gate
* Uses continuous behavioral sources for robust convergence
* Pinout: 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
* Gate 1 (1,2 -> 3)
* Logic: Vout = VCC * (1 - (High(A) * High(B)))
Bg1 3 7 V={V(14,7)*(1-(1/(1+exp(-50*(V(1,7)-2.5))))*(1/(1+exp(-50*(V(2,7)-2.5)))))}
* Gate 2 (4,5 -> 6)
Bg2 6 7 V={V(14,7)*(1-(1/(1+exp(-50*(V(4,7)-2.5))))*(1/(1+exp(-50*(V(5,7)-2.5)))))}
* Gate 3 (9,10 -> 8)
Bg3 8 7 V={V(14,7)*(1-(1/(1+exp(-50*(V(9,7)-2.5))))*(1/(1+exp(-50*(V(10,7)-2.5)))))}
* Gate 4 (12,13 -> 11)
Bg4 11 7 V={V(14,7)*(1-(1/(1+exp(-50*(V(12,7)-2.5))))*(1/(1+exp(-50*(V(13,7)-2.5)))))}
.ends
* ==============================================================================
* ANALYSIS COMMANDS
* ==============================================================================
.op
.tran 1u 500u
* Print critical nodes including Inputs and the Output driving the LED
.print tran V(INPUT_A) V(INPUT_B) V(FINAL_OUT) V(LED_NODE)
.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The simulation confirms the XOR logic behavior required for 2-way switching. When inputs differ (e.g., t=51us: A=0, B=1 -> Out=5V; t=101us: A=1, B=1 -> Out=0V; t=180us: A=1, B=0 -> Out=5V), the LED is ON (approx 1.88V drop). When inputs match (0,0 or 1,1), the output is near 0V.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
* - Physical switches S1 and S2 are modeled as voltage-controlled switches (SW_PUSH) driven by PULSE sources (V_ACT_S1, V_ACT_S2) to simulate user interaction.
* - The 74HC00 Quad NAND IC is modeled as a behavioral subcircuit using mathematical expressions for logic gates.
* - The LED D1 is modeled as a generic diode DLED with specific parameters.
* overall_comment: The circuit is a classic XOR implementation using four NAND gates, correctly wired to simulate a 2-way light switch (staircase switch). The SPICE netlist accurately represents the BOM and wiring guide. The simulation results perfectly match the provided truth table: the LED lights up only when the switch states are different.
* --------------------------------------Resultados de Simulación (Transitorio)
Análisis: The simulation confirms the XOR logic behavior required for 2-way switching. When inputs differ (e.g., t=51us: A=0, B=1 -> Out=5V; t=101us: A=1, B=1 -> Out=0V; t=180us: A=1, B=0 -> Out=5V), the LED is ON (approx 1.88V drop). When inputs match (0,0 or 1,1), the output is near 0V.
Show raw data table (773 rows)
Index time v(input_a) v(input_b) v(final_out) v(led_node) 0 0.000000e+00 4.995005e-03 4.995005e-03 -3.70921e-68 -1.32951e-36 1 1.000000e-08 4.995005e-03 4.995005e-03 -3.70921e-68 -3.37339e-37 2 2.000000e-08 4.995005e-03 4.995005e-03 -3.70921e-68 1.661518e-37 3 4.000000e-08 4.995005e-03 4.995005e-03 -3.70921e-68 2.976605e-37 4 8.000000e-08 4.995005e-03 4.995005e-03 -3.70921e-68 8.146600e-38 5 1.600000e-07 4.995005e-03 4.995005e-03 -3.70921e-68 -2.74917e-38 6 3.200000e-07 4.995005e-03 4.995005e-03 -3.70921e-68 -1.00046e-38 7 3.562500e-07 4.995005e-03 4.995005e-03 -3.70921e-68 -9.54478e-40 8 4.196875e-07 4.995005e-03 4.995005e-03 -3.70921e-68 1.440911e-39 9 4.372461e-07 4.995005e-03 4.995005e-03 -3.70921e-68 5.873353e-40 10 4.679736e-07 4.995005e-03 4.995005e-03 -3.70921e-68 -1.64244e-40 11 5.019934e-07 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 5.471353e-16 12 5.700330e-07 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 1.883035e-16 13 7.061121e-07 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 -1.89304e-16 14 9.782703e-07 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 1.713539e-16 15 1.000000e-06 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 -8.76370e-17 16 1.043459e-06 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 2.969253e-18 17 1.130378e-06 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 1.336375e-17 18 1.304216e-06 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 1.285658e-18 19 1.651892e-06 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 -4.38731e-19 20 2.347244e-06 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 -3.76487e-20 21 3.347244e-06 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 3.641502e-21 22 4.347244e-06 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 3.034717e-22 23 5.347244e-06 4.999500e+00 4.999500e+00 -3.70921e-68 -2.04956e-23 ... (749 more rows) ...
Errores comunes y cómo evitarlos
- Entradas flotantes: Olvidar R1 o R2 hace que las entradas «floten», a menudo leyéndose como Alto (High) debido al ruido electromagnético. Solución: Asegúrese siempre de que las entradas estén conectadas a Tierra (Ground) cuando el interruptor esté abierto.
- Retroalimentación de puerta incorrecta: Cablear la salida del Pin 3 a las entradas incorrectas en las Puertas 2 o 3 destruye la lógica. Solución: Verifique dos veces que la salida de la primera NAND (Pin 3) se conecte TANTO a la segunda (Pin 5) como a la tercera (Pin 9) puerta.
- Olvidar la alimentación: Los chips lógicos no funcionan pasivamente. Solución: Verifique 5 V en el Pin 14 y continuidad a Tierra en el Pin 7 antes de insertar señales.
Solución de problemas
- Síntoma: El LED está siempre ON, independientemente de la posición del interruptor.
- Causa: Error de cableado en la puerta NAND final (Puerta 4) o salida cortocircuitada a VCC.
- Solución: Compruebe las conexiones en los Pines 11, 12 y 13. Asegúrese de que el Pin 11 no esté tocando el riel positivo.
- Síntoma: El LED se comporta como una puerta OR (permanece ON cuando ambos interruptores están ON).
- Causa: La primera puerta NAND (Puerta 1) no está inhibiendo la señal eficazmente.
- Solución: Compruebe la continuidad en los Pines 1, 2 y 3. Si la salida de la Puerta 1 permanece en Alto (High) cuando las entradas están en Alto, la lógica XOR falla.
- Síntoma: El circuito funciona de forma errática al tocar los cables.
- Causa: Faltan resistencias pull-down (entradas flotantes).
- Solución: Verifique que R1 y R2 estén conectadas firmemente entre los pines de entrada y Tierra.
Posibles mejoras y extensiones
- Conmutación de 3 vías: Añada un tercer interruptor y otra etapa XOR (utilizando un segundo 74HC00 o un 74HC86) para controlar la luz desde tres ubicaciones.
- Comparación con CI dedicado: Construya el mismo circuito utilizando un 74HC86 (Cuádruple XOR) junto a este para comparar el retardo de propagación y la complejidad del cableado.
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Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer
Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).
