Nivel: Básico. Construye un circuito de seguridad que corte una señal de ‘Listo’ instantáneamente cuando se presiona un botón de parada.
Objetivo y caso de uso
En este tutorial, construirás un circuito de lógica digital que invierte una señal de entrada. Específicamente, un indicador de «Sistema Listo» (LED verde) permanecerá activo por defecto y se apagará inmediatamente cuando se presione un pulsador de emergencia.
-
Por qué es útil:
- Seguridad industrial: Simula un interruptor de parada de emergencia donde el estado activo apaga la maquinaria.
- Sistemas de seguridad: Los sensores (como contactos de puerta) a menudo rompen un circuito para activar una alarma o cambiar un estado.
- Lógica a prueba de fallos: Asegura que un sistema vuelva a un estado «seguro» (apagado) cuando ocurre una intervención activa.
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Resultado esperado:
- Estado de reposo: Cuando el botón NO está presionado (Lógica 0), el LED verde está ENCENDIDO (Lógica 1).
- Estado activo: Cuando el botón SÍ está presionado (Lógica 1), el LED verde se APAGA (Lógica 0).
- Voltaje de señal: La entrada transiciona entre 0 V y 5 V; la salida se invierte lógicamente.
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Público objetivo y nivel: Estudiantes y aficionados aprendiendo inversión digital básica.
Materiales
- V1: Fuente de alimentación de 5 V DC, función: fuente de alimentación principal.
- U1: CI 74HC04 Hex Inverter, función: inversión lógica (compuerta NOT).
- S1: Pulsador (Normalmente Abierto), función: disparador de señal de emergencia.
- R1: Resistencia de 10 kΩ, función: resistencia pull-down para estabilidad de la entrada.
- R2: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente para el LED.
- D1: LED verde, función: indicador de ‘Sistema Listo’.
Pin-out del CI utilizado
Chip seleccionado: 74HC04 (Hex Inverter)
| Pin | Nombre | Función lógica | Conexión en este caso |
|---|---|---|---|
| 14 | VCC | Fuente de alimentación (+5V) | Conectar al riel de 5 V |
| 7 | GND | Tierra (0V) | Conectar al riel de 0 V |
| 1 | 1A | Entrada 1 | Conectar al pulsador y resistencia pull-down |
| 2 | 1Y | Salida 1 | Conectar a la resistencia del LED (R2) |
Guía de conexionado
Construye el circuito siguiendo estas conexiones de nodos (Nodos: VCC, 0, V_IN, V_OUT):
- Fuente de alimentación:
- V1 se conecta entre
VCC(positivo) y0(negativo/GND). - U1 Pin 14 se conecta a
VCC. - U1 Pin 7 se conecta a
0.
- V1 se conecta entre
- Etapa de entrada (Lógica del botón):
- S1 se conecta entre
VCCyV_IN. - R1 se conecta entre
V_INy0(Esto lleva la entrada a 0 V cuando el botón está abierto). - U1 Pin 1 (Entrada 1A) se conecta a
V_IN.
- S1 se conecta entre
- Etapa de salida (Indicador):
- U1 Pin 2 (Salida 1Y) se conecta a
V_OUT. - R2 se conecta entre
V_OUTy el nodoLED_ANODE. - El ánodo de D1 se conecta a
LED_ANODE. - El cátodo de D1 se conecta a
0.
- U1 Pin 2 (Salida 1Y) se conecta a
Diagrama de bloques conceptual
Esquemático
[ INPUT STAGE ] [ LOGIC STAGE ] [ OUTPUT STAGE ]
[ V1: 5V Supply ] --(Power VCC)--------> [ U1 Power: Pin 14 ]
[ S1: Pushbutton ] --(Press = 5V)--+
(Emergency Trig) |
v
[ Node V_IN ] --(Pin 1)--> [ U1: 74HC04 ] --(Pin 2)--> [ R2: 330 Ohm ] --> [ D1: Green LED ] --> [ GND ]
^ [ Hex Inverter IC] (Current Limit) (System Ready)
| [ (NOT Gate) ]
[ R1: 10k Resistor ] --(Open = 0V)-+ [ GND: Pin 7 ]
(Pull-down to GND) |
v
[ GND ]
Tabla de verdad
El 74HC04 implementa la función booleana NOT ($Y = \overline{A}$).
| Estado del botón | Voltaje de entrada (V_IN) | Entrada lógica (A) | Salida lógica (Y) | Estado del LED |
|---|---|---|---|---|
| Soltado | 0 V (Pulled down) | 0 | 1 | ENCENDIDO |
| Presionado | 5 V (VCC) | 1 | 0 | APAGADO |
Mediciones y pruebas
Sigue estos pasos para validar la lógica de desactivación de emergencia:
-
Verificación en reposo:
- Asegúrate de que la fuente de alimentación esté encendida. No toques el botón.
- Visual: El LED verde debería estar encendido.
- Medición: Usa un multímetro para medir el voltaje en
V_IN(Pin 1). Debería ser aprox 0 V. - Medición: Mide el voltaje en
V_OUT(Pin 2). Debería ser aprox 5 V (Lógica Alta).
-
Verificación de activación:
- Presiona y mantén el pulsador S1.
- Visual: El LED verde debe apagarse inmediatamente.
- Medición: El voltaje en
V_INdebería subir a 5 V. - Medición: El voltaje en
V_OUTdebería caer a aprox 0 V (Lógica Baja).
Netlist SPICE y simulación
Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)
* Practical case: Emergency deactivation
* Circuit: Inverter Logic (NOT Gate) with LED Indicator
* --- Power Supply ---
* V1: Main 5V DC supply
V1 VCC 0 DC 5
* --- Input Stage (Button Logic) ---
* Components: S1 (Pushbutton), R1 (Pull-down)
* Connectivity: S1 connects VCC to V_IN. R1 connects V_IN to 0.
* Logic:
* - Button Released (Default): S1 Open -> V_IN pulled to 0V by R1.
* - Button Pressed (Emergency): S1 Closed -> V_IN pulled to 5V (VCC).
* Simulation of S1 (Normally Open Pushbutton):
* Modeled as a Voltage-Controlled Switch (S1) driven by SW_CTRL.
* Vt=2.5V ensures switch closes when control signal is 5V.
S1 VCC V_IN SW_CTRL 0 SW_BTN
.model SW_BTN SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=1 Roff=10Meg)
* ... (truncated in public view) ...Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.
* Practical case: Emergency deactivation
* Circuit: Inverter Logic (NOT Gate) with LED Indicator
* --- Power Supply ---
* V1: Main 5V DC supply
V1 VCC 0 DC 5
* --- Input Stage (Button Logic) ---
* Components: S1 (Pushbutton), R1 (Pull-down)
* Connectivity: S1 connects VCC to V_IN. R1 connects V_IN to 0.
* Logic:
* - Button Released (Default): S1 Open -> V_IN pulled to 0V by R1.
* - Button Pressed (Emergency): S1 Closed -> V_IN pulled to 5V (VCC).
* Simulation of S1 (Normally Open Pushbutton):
* Modeled as a Voltage-Controlled Switch (S1) driven by SW_CTRL.
* Vt=2.5V ensures switch closes when control signal is 5V.
S1 VCC V_IN SW_CTRL 0 SW_BTN
.model SW_BTN SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=1 Roff=10Meg)
* Control Signal (User Finger Simulation):
* Generates a pulse: 0V (Released) -> 5V (Pressed) -> 0V (Released).
* Timeline: Idle for 100us, Press for 300us, then Release.
V_BTN_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 300u 1000u)
* R1: 10k Pull-down resistor
R1 V_IN 0 10k
* --- Logic Stage (U1) ---
* Component: 74HC04 Hex Inverter
* Connectivity: Pin 1 (Input) -> V_IN, Pin 2 (Output) -> V_OUT.
* Power: Pin 14 -> VCC, Pin 7 -> 0.
XU1 V_IN V_OUT 0 VCC 74HC04_INV
* Subcircuit for 74HC04 Inverter
* Behavioral model: Output is High when Input is Low.
* Uses a sigmoid function for smooth switching and convergence.
.subckt 74HC04_INV In Out Gnd Vcc
B1 Out Gnd V = V(Vcc,Gnd) / (1 + exp(50 * (V(In,Gnd) - V(Vcc,Gnd)/2)))
.ends
* --- Output Stage (Indicator) ---
* Components: R2 (Resistor), D1 (Green LED)
* Connectivity: V_OUT -> R2 -> LED_ANODE -> D1 -> 0
* Logic:
* - V_IN=0 (Ready) -> V_OUT=5 -> LED ON.
* - V_IN=5 (Emergency) -> V_OUT=0 -> LED OFF.
R2 V_OUT LED_ANODE 330
* D1: Green LED
D1 LED_ANODE 0 LED_GREEN
.model LED_GREEN D(Is=1e-22 Rs=5 N=1.5 Cjo=10p Vj=0.75 M=0.33 BV=5 Ibv=10u)
* --- Simulation Directives ---
* Transient analysis to observe the button press event
.tran 10u 600u
* Output data for analysis
.print tran V(V_IN) V(V_OUT) V(LED_ANODE) V(SW_CTRL)
* Calculate DC operating point
.op
.endResultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (260 rows)
Index time v(v_in) v(v_out) v(led_anode) 0 0.000000e+00 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 1 6.000000e-08 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 2 1.200000e-07 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 3 2.400000e-07 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 4 4.800000e-07 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 5 9.600000e-07 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 6 1.920000e-06 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 7 3.840000e-06 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 8 7.680000e-06 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 9 1.536000e-05 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 10 2.536000e-05 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 11 3.536000e-05 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 12 4.536000e-05 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 13 5.536000e-05 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 14 6.536000e-05 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 15 7.536000e-05 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 16 8.536000e-05 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 17 9.536000e-05 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 18 1.000000e-04 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 19 1.001000e-04 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 20 1.002750e-04 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 21 1.003234e-04 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 22 1.004082e-04 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 23 1.004317e-04 4.995005e-03 5.000000e+00 1.833072e+00 ... (236 more rows) ...
Errores comunes y cómo evitarlos
- Entrada flotante: Omitir R1 (resistencia pull-down) hace que la entrada quede flotando cuando se suelta el botón.
- Solución: Asegúrate siempre de que el pin de entrada esté conectado a GND a través de una resistencia (p. ej., 10 kΩ) cuando el interruptor esté abierto.
- LED invertido: El LED no se enciende incluso cuando la salida está en Alto.
- Solución: Verifica la polaridad de D1. La pata más larga (Ánodo) debe mirar hacia la resistencia/salida del CI; la pata más corta (Cátodo) va a Tierra.
- Cortocircuito en la alimentación: Conectar el botón directamente entre VCC y GND sin la entrada de la compuerta en medio o cablear el botón en paralelo con la fuente.
- Solución: Sigue la lista de nodos cuidadosamente. El botón conecta VCC al Pin de Entrada, no directamente a Tierra.
Solución de problemas
- Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, presionar el botón no hace nada.
- Causa: El botón no está conectado a VCC, o el pin de entrada está permanentemente conectado a tierra.
- Solución: Verifica la continuidad a través de S1 al presionarlo. Asegúrate de que S1 conecte al Pin 1.
- Síntoma: El LED está siempre APAGADO.
- Causa: El CI no está alimentado, el LED está invertido o la entrada está permanentemente conectada a VCC.
- Solución: Mide el Pin 14 (VCC) y el Pin 7 (GND). Verifica el voltaje
V_IN; debería ser 0 V cuando el botón está soltado.
- Síntoma: El LED parpadea cuando tu mano se acerca al cable.
- Causa: Entrada flotante (Falta R1).
- Solución: Instala la resistencia pull-down de 10 kΩ firmemente entre el Pin 1 y Tierra.
Posibles mejoras y extensiones
- Agregar un indicador de «Parada»: Agrega un segundo inversor (o usa otra compuerta del mismo chip) para controlar un LED rojo que se ENCIENDA cuando el sistema esté detenido (Salida Alta cuando Entrada Alta).
- Circuito de enclavamiento: Reemplaza la compuerta NOT simple con un circuito lógico Flip-Flop para que, una vez presionado el botón de emergencia, el sistema permanezca apagado incluso si se suelta el botón, requiriendo un botón de «Reinicio» separado.
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Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer
Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).
