Caso práctico: Sistema de riego automático condicional

Prototipo de Sistema de riego automático condicional (Maker Style)

Nivel: Básico – Construye un circuito lógico para activar una bomba solo cuando el suelo esté seco y haya agua disponible.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito de enclavamiento de seguridad utilizando una puerta AND 74HC08. El circuito simula un controlador de riego inteligente que decide si encender una bomba de agua basándose en dos condiciones ambientales.

Por qué es útil:
* Protección del equipo: Evita que las bombas funcionen «en seco» (sin entrada de agua), lo cual a menudo causa fallos mecánicos.
* Conservación de recursos: Asegura que el agua solo se dispense cuando el suelo realmente necesita humedad.
* Lógica industrial: Demuestra el concepto fundamental de «enclavamiento de seguridad» utilizado en maquinaria pesada (por ejemplo, la máquina funciona SOLO si la protección está cerrada Y el operador presiona el botón).
* Fundamentos de lógica digital: Proporciona una representación física clara de la función booleana AND ($Y = A \cdot B$).

Resultado esperado:
* El LED de salida (Bomba) se ENCIENDE solo cuando el Interruptor A (Sensor de suelo) está en ALTO Y el Interruptor B (Sensor de tanque) está en ALTO.
* Si el tanque está vacío (Interruptor B = BAJO), la bomba permanece APAGADA incluso si el suelo está seco.
* Lógica 0: Voltaje $\approx$ 0 V. Lógica 1: Voltaje $\approx$ 5 V.

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

Materiales

  • U1: 74HC08, función: CI de cuádruple puerta AND de 2 entradas.
  • S1: Interruptor SPST, función: Simulación de sensor de humedad del suelo (Cerrado = Seco/Lógica 1).
  • S2: Interruptor SPST, función: Simulación de nivel del tanque de agua (Cerrado = Agua presente/Lógica 1).
  • 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 330 Ω, función: limitación de corriente del LED.
  • D1: LED verde, función: indicador de bomba de agua activa.
  • V1: Fuente de alimentación de 5 V DC, función: fuente de alimentación principal.

Pin-out del CI utilizado: 74HC08

El 74HC08 contiene cuatro puertas AND independientes. Usaremos solo una de ellas para este experimento.

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada A Conectado a S1 (Estado del suelo)
2 1B Entrada B Conectado a S2 (Estado del tanque)
3 1Y Salida Y Conectado a LED (Indicador de bomba)
7 GND Tierra Conectado a Tierra de la fuente (0V)
14 VCC Alimentación Conectado a fuente de +5V

Guía de conexionado

Sigue estas conexiones cuidadosamente. Los nombres de los nodos corresponden a la función del cable en el circuito.

  • V1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (GND).
  • U1 (Pin 14) se conecta al nodo VCC.
  • U1 (Pin 7) se conecta al nodo 0 (GND).
  • S1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo SOIL_Status.
  • R1 se conecta entre el nodo SOIL_Status y el nodo 0 (GND) (Mantiene la entrada en Bajo cuando el interruptor está abierto).
  • S2 se conecta entre el nodo VCC y el nodo TANK_Status.
  • R2 se conecta entre el nodo TANK_Status y el nodo 0 (GND) (Mantiene la entrada en Bajo cuando el interruptor está abierto).
  • U1 (Pin 1, Entrada A) se conecta al nodo SOIL_Status.
  • U1 (Pin 2, Entrada B) se conecta al nodo TANK_Status.
  • U1 (Pin 3, Salida Y) se conecta al nodo PUMP_Cmd.
  • R3 se conecta entre el nodo PUMP_Cmd y el nodo LED_Anode.
  • D1 se conecta entre el nodo LED_Anode (Ánodo) y el nodo 0 (GND) (Cátodo).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC08 AND gate

Esquemático

[ INPUTS ]                                  [ LOGIC ]                             [ OUTPUT ]

[ S1: Soil Sensor ]
[ (Switch to VCC) ] --(Node: SOIL_Status)-->+---------------------+
[ (R1: 10k to GND)]                         |      U1: 74HC08     |
                                            |      (AND Gate)     |
                                            |                     |--(Node: PUMP_Cmd)--> [ R3: 330 Ohm ] --> [ D1: Green LED ] --> GND
                                            |   Pin 1 (Input A)   |                      (Current Lim.)      (Pump Active)
                                            |                     |
                                            |   Pin 2 (Input B)   |
[ S2: Tank Level  ] --(Node: TANK_Status)-->|                     |
[ (Switch to VCC) ]                         +---------------------+
[ (R2: 10k to GND)]
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Esta tabla define los estados lógicos.
0 = Interruptor abierto / 0V / Suelo húmedo / Tanque vacío / Bomba APAGADA
1 = Interruptor cerrado / 5V / Suelo seco / Tanque lleno / Bomba ENCENDIDA

Estado del suelo (A) Estado del tanque (B) Bomba de salida (Y) Estado en el mundo real
0 0 0 Suelo húmedo, Tanque vacío -> En espera
0 1 0 Suelo húmedo, Tanque lleno -> En espera
1 0 0 Suelo seco, Tanque vacío -> Corte de seguridad (Proteger bomba)
1 1 1 Suelo seco, Tanque lleno -> Riego activo

Mediciones y pruebas

Valida tu circuito utilizando un multímetro configurado en voltaje DC (rango de 20V).

  1. Comprobación de espera: Asegúrate de que tanto S1 como S2 estén abiertos (OFF). Mide el voltaje en el Pin 3 de U1.
    • Esperado: ~0 V. D1 está APAGADO.
  2. Prueba de protección contra funcionamiento en seco: Cierra S1 (el suelo está seco) pero deja S2 abierto (tanque vacío).
    • Esperado: El Pin 1 lee 5 V, el Pin 2 lee 0 V. La salida del Pin 3 debe permanecer en 0 V. D1 está APAGADO.
  3. Prueba sin demanda: Abre S1 (suelo húmedo) y cierra S2 (tanque lleno).
    • Esperado: El Pin 1 lee 0 V, el Pin 2 lee 5 V. La salida del Pin 3 debe permanecer en 0 V. D1 está APAGADO.
  4. Prueba de riego activo: Cierra ambos S1 y S2.
    • Esperado: El Pin 1 lee 5 V, el Pin 2 lee 5 V. La salida del Pin 3 debería leer ~5 V (Lógica Alta). D1 se ilumina en verde.

Netlist SPICE y simulación

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

* Title: Practical case: Conditional automatic irrigation system

* -----------------------------------------------------------------------------
* POWER SUPPLY
* -----------------------------------------------------------------------------
* V1: 5V DC supply, function: Main power source.
V1 VCC 0 DC 5

* -----------------------------------------------------------------------------
* STIMULI GENERATION (Simulating User Interaction)
* -----------------------------------------------------------------------------
* These voltage sources drive the control pins of the ideal switches (S1, S2)
* to simulate the physical sensors changing state over time.
* They are not part of the BOM but are necessary for dynamic simulation.

* Control signal for S1 (Soil Sensor): Period 200us
* Logic: 0 -> 1 -> 0 -> 1
V_CTRL_S1 N_CTRL_S1 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)

* Control signal for S2 (Tank Sensor): Period 400us
* Logic: 0 -> 0 -> 1 -> 1
V_CTRL_S2 N_CTRL_S2 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 200u 400u)

* -----------------------------------------------------------------------------
* INPUT STAGE (Sensors and Pull-downs)
* -----------------------------------------------------------------------------
* S1: SPST Switch, function: Soil Moisture Sensor simulation.
* Wiring: Connects between node VCC and node SOIL_Status.
* Logic: Closed (Controlled by V_CTRL_S1 High) = Dry/Logic 1.
S1 VCC SOIL_Status N_CTRL_S1 0 SW_IDEAL
* ... (truncated in public view) ...

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* Title: Practical case: Conditional automatic irrigation system

* -----------------------------------------------------------------------------
* POWER SUPPLY
* -----------------------------------------------------------------------------
* V1: 5V DC supply, function: Main power source.
V1 VCC 0 DC 5

* -----------------------------------------------------------------------------
* STIMULI GENERATION (Simulating User Interaction)
* -----------------------------------------------------------------------------
* These voltage sources drive the control pins of the ideal switches (S1, S2)
* to simulate the physical sensors changing state over time.
* They are not part of the BOM but are necessary for dynamic simulation.

* Control signal for S1 (Soil Sensor): Period 200us
* Logic: 0 -> 1 -> 0 -> 1
V_CTRL_S1 N_CTRL_S1 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)

* Control signal for S2 (Tank Sensor): Period 400us
* Logic: 0 -> 0 -> 1 -> 1
V_CTRL_S2 N_CTRL_S2 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 200u 400u)

* -----------------------------------------------------------------------------
* INPUT STAGE (Sensors and Pull-downs)
* -----------------------------------------------------------------------------
* S1: SPST Switch, function: Soil Moisture Sensor simulation.
* Wiring: Connects between node VCC and node SOIL_Status.
* Logic: Closed (Controlled by V_CTRL_S1 High) = Dry/Logic 1.
S1 VCC SOIL_Status N_CTRL_S1 0 SW_IDEAL

* R1: 10 kΩ resistor, function: pull-down for Input A.
* Wiring: Connects between node SOIL_Status and node 0 (GND).
R1 SOIL_Status 0 10k

* S2: SPST Switch, function: Water Tank Level simulation.
* Wiring: Connects between node VCC and node TANK_Status.
* Logic: Closed (Controlled by V_CTRL_S2 High) = Water Present/Logic 1.
S2 VCC TANK_Status N_CTRL_S2 0 SW_IDEAL

* R2: 10 kΩ resistor, function: pull-down for Input B.
* Wiring: Connects between node TANK_Status and node 0 (GND).
R2 TANK_Status 0 10k

* -----------------------------------------------------------------------------
* LOGIC STAGE (74HC08 Quad 2-Input AND Gate)
* -----------------------------------------------------------------------------
* U1: 74HC08
* Wiring Guide:
* - Pin 1 (Input A) -> SOIL_Status
* - Pin 2 (Input B) -> TANK_Status
* - Pin 3 (Output Y) -> PUMP_Cmd
* - Pin 7 -> GND (0)
* - Pin 14 -> VCC
* Implemented as a subcircuit to strictly expose pins as nodes.
XU1 SOIL_Status TANK_Status PUMP_Cmd 0 VCC 74HC08_Behavioral

* -----------------------------------------------------------------------------
* OUTPUT STAGE (Indicator)
* -----------------------------------------------------------------------------
* R3: 330 Ω resistor, function: LED current limiting.
* Wiring: Connects between node PUMP_Cmd and node LED_Anode.
R3 PUMP_Cmd LED_Anode 330

* D1: Green LED, function: Water Pump active indicator.
* Wiring: Connects between node LED_Anode (Anode) and node 0 (GND).
D1 LED_Anode 0 LED_Green

* -----------------------------------------------------------------------------
* MODELS & SUBCIRCUITS
* -----------------------------------------------------------------------------
* Switch Model: Low On-Resistance, High Off-Resistance, Threshold 2.5V
.model SW_IDEAL SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)

* LED Model: Generic Green LED approximation
.model LED_Green D(IS=1e-22 N=1.5 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* 74HC08 Subcircuit (Behavioral Implementation)
* Pinout: 1=A, 2=B, 3=Y, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC08_Behavioral 1 2 3 7 14
* Logic Y = A AND B
* Implementation: Continuous sigmoid function for robust convergence.
* Output voltage swings to V(14) (VCC) when both inputs > 2.5V.
B_AND 3 7 V = V(14,7) * (1 / (1 + exp(-40 * (V(1,7) - 2.5)))) * (1 / (1 + exp(-40 * (V(2,7) - 2.5))))
.ends

* -----------------------------------------------------------------------------
* ANALYSIS COMMANDS
* -----------------------------------------------------------------------------
* Transient analysis: 500us duration to capture all logic states (00, 10, 01, 11)
.tran 1u 500u

* Print critical nodes for verification
.print tran V(SOIL_Status) V(TANK_Status) V(PUMP_Cmd) V(LED_Anode)

* Calculate DC operating point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1202 rows) 
Index   time            v(soil_status)  v(tank_status)  v(pump_cmd)
0	0.000000e+00	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
1	1.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
2	2.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
3	4.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
4	8.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
5	1.600000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
6	3.200000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
7	6.400000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
8	1.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
9	2.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
10	3.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
11	4.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
12	5.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
13	6.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
14	7.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
15	8.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
16	9.280000e-06	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
17	1.000000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
18	1.010000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
19	1.026000e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
20	1.030750e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
21	1.039062e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
22	1.041363e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
23	1.045390e-05	4.999500e-04	4.999500e-04	7.201843e-87
... (1178 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  • Entradas flotantes: Olvidar R1 o R2 hace que las entradas «floten», provocando que el LED parpadee o se encienda aleatoriamente cuando los interruptores están abiertos. Solución: Verifica siempre que las resistencias pull-down estén conectadas a Tierra.
  • Orientación del LED: Colocar el LED al revés impide que se encienda incluso cuando la lógica es correcta. Solución: Asegúrate de que la pata más larga (Ánodo) mire hacia la resistencia y el CI.
  • Confusión de chips: Usar un 74HC32 (puerta OR) en lugar de un 74HC08 (puerta AND). Solución: Lee el texto impreso en la parte superior del CI antes de insertarlo. Si se comporta como «Bomba encendida si CUALQUIERA de las condiciones se cumple», tienes el chip equivocado.

Solución de problemas

  • Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, independientemente de los interruptores.
    • Causa: Las entradas podrían estar en cortocircuito directo a VCC, o el CI está dañado.
    • Solución: Revisa el cableado en los Pines 1 y 2. Asegúrate de que R1 y R2 vayan a Tierra, no a VCC.
  • Síntoma: El LED es muy tenue cuando está activo.
    • Causa: El valor de R3 es demasiado alto.
    • Solución: Reemplaza R3 con un valor entre 220 Ω y 470 Ω.
  • Síntoma: El circuito funciona inversamente (LED apagado cuando los interruptores están cerrados).
    • Causa: Podrías estar usando una puerta NAND (como 74HC00) o conectaste el LED a VCC en lugar de a Tierra (fuente vs sumidero).
    • Solución: Verifica que el número de parte sea 74HC08 y que el Cátodo del LED esté en Tierra.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Interfaz de alta potencia: Reemplaza el LED con un transistor NPN (por ejemplo, 2N2222) y un relé para controlar una bomba de agua real de 12V.
  2. Control manual: Añade un tercer interruptor conectado a una puerta OR después de la salida de la puerta AND, permitiendo al usuario forzar el encendido de la bomba independientemente de los sensores.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué circuito integrado (CI) se utiliza como componente principal para la lógica?




Pregunta 3: ¿Qué función lógica representa el circuito construido?




Pregunta 4: ¿Qué condición simula el Interruptor A (Sensor de suelo) cuando está en ALTO?




Pregunta 5: ¿Qué sucede con el LED de salida si el tanque está vacío (Interruptor B = BAJO)?




Pregunta 6: ¿Cuál es uno de los beneficios mencionados sobre la protección del equipo?




Pregunta 7: ¿Qué fórmula booleana representa la función lógica de este circuito?




Pregunta 8: ¿Qué condiciones deben cumplirse para que el LED (Bomba) se ENCIENDA?




Pregunta 9: ¿Qué concepto de lógica industrial demuestra este proyecto?




Pregunta 10: ¿Qué función cumple el Interruptor B en la simulación?




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: Activación de alarma con doble sensor

Prototipo de Activación de alarma con doble sensor (Maker Style)

Nivel: Básico. Implementa un circuito lógico donde una alarma suena solo si dos sensores distintos se activan simultáneamente.

Objetivo y caso de uso

En este tutorial, construirás un circuito lógico de seguridad utilizando un circuito integrado 74HC08 (puerta AND). El circuito procesa señales de dos interruptores independientes (simulando un sensor de puerta y uno de ventana) y activa un LED de salida solo cuando ambos interruptores están cerrados al mismo tiempo.

Por qué es útil:
* Enclavamientos de seguridad: Asegura que la maquinaria funcione solo cuando un operador presiona dos botones simultáneamente, manteniendo ambas manos alejadas del peligro.
* Sistemas de seguridad: Dispara una alarma específica de alta prioridad solo cuando se vulneran múltiples zonas simultáneamente.
* Validación de datos: Las puertas lógicas son fundamentales para validar que se cumplan dos condiciones necesarias (por ejemplo, «Sistema listo» Y «Comando de inicio») antes de ejecutar una acción.

Resultado esperado:
* Entrada A (Baja) + Entrada B (Baja): El LED permanece APAGADO (salida de 0 V).
* Entrada A (Alta) + Entrada B (Baja): El LED permanece APAGADO (salida de 0 V).
* Entrada A (Baja) + Entrada B (Alta): El LED permanece APAGADO (salida de 0 V).
* Entrada A (Alta) + Entrada B (Alta): El LED se ENCIENDE (salida de ~5 V).
* Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados que se inician en la lógica digital.

Materiales

  • V1: Fuente de CC de 5 V, función: Fuente de alimentación principal.
  • S1: Interruptor SPST, función: Sensor A (Puerta).
  • S2: Interruptor SPST, función: Sensor B (Ventana).
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para el Sensor A (evita estado flotante).
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para el Sensor B.
  • U1: Puerta AND cuádruple de 2 entradas 74HC08, función: Núcleo de decisión lógica.
  • R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED.
  • D1: LED rojo, función: Indicador visual de alarma.

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC08 (Puerta AND cuádruple de 2 entradas).
Nota: Este chip contiene cuatro puertas independientes. Usaremos solo una.

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada A Conectar al nodo SENSOR_A
2 1B Entrada B Conectar al nodo SENSOR_B
3 1Y Salida Conectar al nodo ALARM_OUT
7 GND Tierra Conectar al nodo 0 (GND)
14 VCC Alimentación Conectar al nodo VCC (+5 V)

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones utilizando nombres de nodo específicos:

  • V1: Conecta el terminal positivo al nodo VCC y el terminal negativo al nodo 0.
  • Alimentación U1: Conecta el Pin 14 a VCC y el Pin 7 a 0.
  • S1: Conecta un lado a VCC y el otro lado al nodo SENSOR_A.
  • R1: Conecta entre el nodo SENSOR_A y el nodo 0.
  • S2: Conecta un lado a VCC y el otro lado al nodo SENSOR_B.
  • R2: Conecta entre el nodo SENSOR_B y el nodo 0.
  • Lógica U1:
    • Conecta el Pin 1 al nodo SENSOR_A.
    • Conecta el Pin 2 al nodo SENSOR_B.
    • Conecta el Pin 3 al nodo ALARM_OUT.
  • Etapa de salida:
    • R3: Conecta entre el nodo ALARM_OUT y el nodo LED_ANODE.
    • D1: Conecta el Ánodo al nodo LED_ANODE y el Cátodo al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC08 AND gate

Esquemático

[ INPUT SENSORS ]                          [ LOGIC CORE ]                       [ OUTPUT ALARM ]

                                                   +--------------+
    [ VCC ] --> [ S1: Door ] --(SENSOR_A)--------->| Pin 1        |
                                   |               |              |
                                   +-> [ R1: 10k ] |              |
                                          |        |  U1: 74HC08  |
                                       [ GND ]     |  (AND Gate)  |--(ALARM_OUT)--> [ R3: 330 Ω ] --> [ D1: LED ] --> [ GND ]
                                                   |              |
                                                   |              |
    [ VCC ] --> [ S2: Window ] --(SENSOR_B)------->| Pin 2        |
                                   |               |              |
                                   +-> [ R2: 10k ] | Power:       |
                                          |        | 14(VCC), 7(0)|
                                       [ GND ]     +--------------+
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

La salida del 74HC08 es Alta (1) solo si ambas entradas son Altas (1).

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

Mediciones y pruebas

  1. Verificación de alimentación: Mide el voltaje entre VCC y 0. Debe ser estable a 5 V.
  2. Estado de reposo: Asegúrate de que tanto S1 como S2 estén abiertos. Mide el voltaje en el Pin 1 y el Pin 2 de U1. Ambos deben ser 0 V (Lógica 0). El LED debe estar APAGADO.
  3. Prueba de disparo único: Cierra solo S1. El Pin 1 debe leer 5 V, el Pin 2 debe leer 0 V. Mide el Pin 3 (Salida); debe permanecer en 0 V. Repite solo para S2.
  4. Activación de alarma: Cierra tanto S1 como S2. Mide el Pin 1 y el Pin 2; ambos deben ser 5 V. Mide el Pin 3; debe saltar a ~5 V (Lógica 1).
  5. Corriente de salida: Comprueba que D1 se ilumina intensamente. La caída de voltaje a través de R3 debe ser de aproximadamente 3 V (dependiendo del color del LED).

Netlist SPICE y simulación

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

* Title: Practical case: Dual sensor alarm activation

* ==============================================================================
* Models
* ==============================================================================
* Generic Red LED Model
* IS: Saturation current, N: Emission coefficient, RS: Series resistance
.model DLED D(IS=1e-14 N=1.5 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p TT=10n)

* Voltage Controlled Switch Model (for S1, S2)
* Simulates a physical SPST switch
* Vt: Threshold voltage (2.5V), Ron: On resistance (1 ohm), Roff: Off resistance (100Meg)
.model SW_SENSOR SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)

* ==============================================================================
* Subcircuits
* ==============================================================================
* U1: 74HC08 Quad 2-Input AND Gate (Single Gate Implementation)
* Pins: 1=A, 2=B, 3=Y, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC08_GATE 1 2 3 7 14
* Behavioral implementation using continuous sigmoid functions for convergence robustness.
* Logic: V_out = VCC * sigmoid(A) * sigmoid(B)
* The slope factor (50) ensures a sharp transition near the 2.5V threshold.
B_LOGIC 3 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(1) - 2.5)))) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(2) - 2.5))))
.ends

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

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

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* Title: Practical case: Dual sensor alarm activation

* ==============================================================================
* Models
* ==============================================================================
* Generic Red LED Model
* IS: Saturation current, N: Emission coefficient, RS: Series resistance
.model DLED D(IS=1e-14 N=1.5 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p TT=10n)

* Voltage Controlled Switch Model (for S1, S2)
* Simulates a physical SPST switch
* Vt: Threshold voltage (2.5V), Ron: On resistance (1 ohm), Roff: Off resistance (100Meg)
.model SW_SENSOR SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)

* ==============================================================================
* Subcircuits
* ==============================================================================
* U1: 74HC08 Quad 2-Input AND Gate (Single Gate Implementation)
* Pins: 1=A, 2=B, 3=Y, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC08_GATE 1 2 3 7 14
* Behavioral implementation using continuous sigmoid functions for convergence robustness.
* Logic: V_out = VCC * sigmoid(A) * sigmoid(B)
* The slope factor (50) ensures a sharp transition near the 2.5V threshold.
B_LOGIC 3 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(1) - 2.5)))) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(2) - 2.5))))
.ends

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

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC supply (Main Power)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Actuation Control Signals (Simulation Stimuli) ---
* These voltage sources act as the "hand" pressing the switches.
* They define the timing for the Truth Table test.
* ACT_A: Period 200us (High 0-100us)
V_ACT_A ACT_A 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)
* ACT_B: Period 400us (High 0-200us)
V_ACT_B ACT_B 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 200u 400u)

* --- Input A: Door Sensor ---
* S1: SPST Switch. Connects VCC to SENSOR_A when ACT_A is High (>2.5V).
S1 VCC SENSOR_A ACT_A 0 SW_SENSOR
* R1: 10 kΩ resistor. Pull-down for Sensor A.
R1 SENSOR_A 0 10k

* --- Input B: Window Sensor ---
* S2: SPST Switch. Connects VCC to SENSOR_B when ACT_B is High (>2.5V).
S2 VCC SENSOR_B ACT_B 0 SW_SENSOR
* R2: 10 kΩ resistor. Pull-down for Sensor B.
R2 SENSOR_B 0 10k

* --- Logic Core: U1 (74HC08) ---
* Instantiating the logic gate subcircuit.
* Mapping: Pin 1->SENSOR_A, Pin 2->SENSOR_B, Pin 3->ALARM_OUT, Pin 7->0, Pin 14->VCC
XU1 SENSOR_A SENSOR_B ALARM_OUT 0 VCC 74HC08_GATE

* --- Output Stage ---
* R3: 330 Ω resistor (Current limiting)
R3 ALARM_OUT LED_ANODE 330
* D1: Red LED (Visual indicator)
D1 LED_ANODE 0 DLED

* ==============================================================================
* Analysis Directives
* ==============================================================================
* Transient analysis: Step 1us, Stop 500us
* This duration covers all combinations of the input pulses (00, 01, 10, 11).
.tran 1u 500u

* Print required nodes for log output
.print tran V(SENSOR_A) V(SENSOR_B) V(ALARM_OUT) V(LED_ANODE)

* Calculate DC operating point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1294 rows) 
Index   time            v(sensor_a)     v(sensor_b)     v(alarm_out)
0	0.000000e+00	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
1	1.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
2	2.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
3	4.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
4	8.000000e-08	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
5	1.600000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
6	3.200000e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
7	3.562500e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
8	4.196875e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
9	4.372461e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
10	4.679736e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
11	4.795524e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
12	4.902290e-07	4.999500e-04	4.999500e-04	1.403014e-108
13	5.023412e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
14	5.138119e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
15	5.256739e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
16	5.378128e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
17	5.539238e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
18	5.828205e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
19	6.384927e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
20	7.166884e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
21	8.730798e-07	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
22	1.000000e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
23	1.031278e-06	4.999500e+00	4.999500e+00	5.000000e+00
... (1270 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entradas flotantes: Omitir R1 o R2 hace que las entradas «floten» cuando los interruptores están abiertos. El 74HC08 puede captar ruido y dispararse erráticamente. Solución: Usa siempre resistencias pull-down (10 kΩ) conectadas a tierra.
  2. Falta de alimentación al CI: Los estudiantes a menudo cablean los pines lógicos pero olvidan los Pines 14 (VCC) y 7 (GND). Solución: Cablea siempre los rieles de alimentación primero.
  3. Sin limitación de corriente: Conectar el LED directamente a la salida del CI sin R3 dañará el LED o el 74HC08. Solución: Asegúrate de que haya una resistencia de 220 Ω a 470 Ω en serie con el LED.

Solución de problemas

  • El LED nunca se ENCIENDE:
    • Comprueba si la polaridad del LED es correcta (Ánodo a resistencia, Cátodo a tierra).
    • Verifica que el 74HC08 tenga alimentación en el Pin 14.
    • Asegúrate de que ambos interruptores estén haciendo buen contacto.
  • El LED actúa erráticamente o se ENCIENDE cuando los interruptores están APAGADOS:
    • Comprueba si faltan las resistencias pull-down R1 y R2.
    • Verifica que estás usando un 74HC08 (AND) y no un 74HC32 (OR) o 74HC00 (NAND).
  • El LED es muy tenue:
    • El valor de R3 podría ser demasiado alto (p. ej., 100 kΩ en lugar de 330 Ω).
    • El voltaje de la fuente V1 podría ser demasiado bajo (< 3 V).

Posibles mejoras y extensiones

  1. Alarma audible: Conecta un zumbador activo de 5 V en paralelo con el LED (y su resistencia) o usa un controlador de transistor para emitir un ruido cuando se active la alarma.
  2. Cerrojo de memoria: Alimenta la salida a un Latch Set-Reset (SR) o Flip-Flop para que, una vez activada la alarma, permanezca ENCENDIDA incluso si los sensores se cierran de nuevo, requiriendo un botón de reinicio manual.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Qué circuito integrado se utiliza en este tutorial para implementar la lógica de seguridad?




Pregunta 2: ¿Cuál es la función principal del circuito descrito?




Pregunta 3: ¿Qué sucede con el LED si la Entrada A es Alta y la Entrada B es Baja?




Pregunta 4: ¿Por qué es útil este circuito en maquinaria industrial según el texto?




Pregunta 5: ¿Qué condición lógica representa el funcionamiento de este circuito?




Pregunta 6: ¿Qué nivel de dificultad tiene este tutorial según el contexto?




Pregunta 7: ¿Qué ejemplo de validación de datos se menciona en el texto?




Pregunta 8: ¿Qué simulan los dos interruptores independientes en el circuito?




Pregunta 9: ¿Cuál es el resultado esperado si ambas entradas (A y B) son bajas?




Pregunta 10: ¿Qué aplicación de seguridad se menciona para disparar una alarma de alta prioridad?




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 seguro de prensa hidráulica

Prototipo de Control seguro de prensa hidráulica (Maker Style)

Nivel: Básico — Implementar un circuito lógico de seguridad que requiera dos entradas simultáneas para activar una carga.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito lógico digital que impone un mecanismo de seguridad de «mando a dos manos». La carga (simulada por un LED) solo se activará cuando se presionen dos pulsadores separados simultáneamente, evitando la operación accidental.

Por qué es útil:
* Seguridad industrial: Evita que los operadores se lesionen las manos en prensas hidráulicas o máquinas de corte al obligarlos a usar ambas manos para iniciar el ciclo.
* Doble autorización: Se utiliza una lógica similar en sistemas de seguridad donde se requieren dos llaves o señales para autorizar una acción (por ejemplo, bóvedas bancarias).
* Sistemas de enclavamiento: Asegura que se cumplan múltiples condiciones (por ejemplo, Puerta cerrada Y Botón de inicio presionado) antes de que una máquina funcione.

Resultado esperado:
* Estado de reposo: El LED de salida permanece APAGADO cuando no se presiona ningún botón o solo uno.
* Estado activo: El LED de salida se ENCIENDE estrictamente cuando ambos botones se mantienen presionados.
* Nivel lógico: El voltaje de salida en el pin de la compuerta lee Alto ($\approx$ 5 V) solo durante la activación simultánea.
* Retroalimentación visual: Respuesta inmediata del LED indicando la condición de «Seguro para operar».

Público objetivo: Estudiantes y aficionados que aprenden lógica digital básica y enclavamientos de seguridad.

Materiales

  • U1: 74HC08, función: CI cuádruple de compuertas AND de 2 entradas.
  • V1: Fuente de 5 V CC, función: Fuente de alimentación principal.
  • SW1: Pulsador Normalmente Abierto (NA), función: Disparador de seguridad mano izquierda.
  • SW2: Pulsador Normalmente Abierto (NA), función: Disparador de seguridad mano derecha.
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Resistencia pull-down para Entrada A.
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Resistencia pull-down para Entrada B.
  • R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para el LED de salida.
  • D1: LED verde, función: Indicador de «Motor Activo» (Carga).

Pin-out del 74HC08

El 74HC08 contiene cuatro compuertas AND independientes. Usaremos la primera compuerta.

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada A Conectado al Nodo A (SW1)
2 1B Entrada B Conectado al Nodo B (SW2)
3 1Y Salida Conectado al Nodo Y (al controlador LED)
7 GND Tierra Conectado al Nodo 0
14 VCC Voltaje de alimentación Conectado al Nodo VCC (+5V)

Guía de conexionado

Construye el circuito utilizando las siguientes conexiones de nodos. Asegúrate de que la fuente de alimentación esté apagada mientras realizas el cableado.

  • Nodos de alimentación:

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

  • Lógica de Entrada A (Mano izquierda):

    • Conecta un lado de SW1 a VCC.
    • Conecta el otro lado de SW1 al Nodo A.
    • Conecta R1 entre el Nodo A y el Nodo 0 (Pull-down).
    • Conecta el Pin 1 de U1 al Nodo A.

  • Lógica de Entrada B (Mano derecha):

    • Conecta un lado de SW2 a VCC.
    • Conecta el otro lado de SW2 al Nodo B.
    • Conecta R2 entre el Nodo B y el Nodo 0 (Pull-down).
    • Conecta el Pin 2 de U1 al Nodo B.

  • Lógica de Salida (Carga):

    • Conecta el Pin 3 de U1 al Nodo Y.
    • Conecta R3 entre el Nodo Y y el Nodo LED_ANODE.
    • Conecta el Ánodo de D1 al Nodo LED_ANODE.
    • Conecta el Cátodo de D1 al Nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC08 Quad AND gate

Esquemático

Practical case: Safe Hydraulic Press Control

      [ INPUTS / SENSORS ]                  [ LOGIC PROCESSING ]                  [ OUTPUT / ACTUATOR ]

                                            +------------------+
(VCC) --> [ SW1: Left Hand ] --(Node A)---> |      Pin 1       |
               (NO Push)          |         |                  |
                                  v         |    U1: 74HC08    |
                              [ R1: 10k ]   |    (AND Gate)    |
                              (Pull-Down)   |                  | --(Node Y)--> [ R3: 330 ] --> [ D1: Green LED ] --> (GND)
                                  |         |      Pin 3       |               (Limit)         (Motor Active)
                                (GND)       |                  |
                                            |                  |
(VCC) --> [ SW2: Right Hand ]--(Node B)---> |      Pin 2       |
               (NO Push)          |         +------------------+
                                  v
                              [ R2: 10k ]
                              (Pull-Down)
                                  |
                                (GND)

Note: U1 Power Connections (Pin 14 to VCC, Pin 7 to GND) are implied for IC operation.
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Este circuito implementa la función booleana $Y = A \cdot B$.

SW1 (Entrada A) SW2 (Entrada B) Salida Y (Lógica) Estado del LED Estado del sistema
Abierto (0) Abierto (0) Bajo (0) APAGADO Seguro / Parada
Abierto (0) Cerrado (1) Bajo (0) APAGADO Seguro / Parada
Cerrado (1) Abierto (0) Bajo (0) APAGADO Seguro / Parada
Cerrado (1) Cerrado (1) Alto (1) ENCENDIDO Activo / Marcha

Mediciones y pruebas

  1. Preparación: Configura tu multímetro en modo de Voltaje CC. Enciende la fuente V1 (5 V).
  2. Comprobación en reposo: Sin presionar ningún botón, mide el voltaje en el Nodo Y. Debería ser $\approx$ 0 V. El LED está APAGADO.
  3. Prueba de un solo botón: Presiona y mantén presionado solo SW1. Mide el voltaje en el Nodo A ($\approx$ 5 V) y el Nodo Y ($\approx$ 0 V). El LED permanece APAGADO.
  4. Prueba de un solo botón: Presiona y mantén presionado solo SW2. Mide el voltaje en el Nodo B ($\approx$ 5 V) y el Nodo Y ($\approx$ 0 V). El LED permanece APAGADO.
  5. Activación simultánea: Presiona ambos SW1 y SW2. Mide el voltaje en el Nodo Y. Debería leer $\approx$ 3.5 V a 4.5 V (dependiendo de la familia lógica HC/LS específica y VCC). El LED se ENCIENDE.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Safe Hydraulic Press Control

.title Safe Hydraulic Press Control

*******************************************************************************
* Component Models
*******************************************************************************

* Pushbutton Switch Model (Ideal Voltage Controlled Switch)
* Simulates the mechanical contact closing when control voltage is high (> 2.5V)
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=10Meg)

* LED Model (Green)
* Standard Green LED parameters
.model LED_GREEN D(IS=1e-22 RS=10 N=2 BV=5 IBV=10u CJO=10p TT=10n)

* 74HC08 Quad 2-input AND Gate (Behavioral Model for Simulation)
* Implements one gate of the IC. 
* Pins: 1=InputA, 2=InputB, 3=OutputY, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC08_GATE 1 2 3 7 14
    * Behavioral Voltage Source using continuous Sigmoid function for convergence
    * Y = VCC * (Sigmoid(A) * Sigmoid(B))
    * Threshold centered at 2.5V with steep slope (k=50)
    B1 3 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(1) - 2.5)))) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(2) - 2.5))))
.ends

*******************************************************************************
* Main Power Supply
*******************************************************************************
* V1: 5V DC supply connected to Node VCC and Node 0 (GND)
* ... (truncated in public view) ...

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🔓 Ver planes de acceso premium 

* Practical case: Safe Hydraulic Press Control

.title Safe Hydraulic Press Control

*******************************************************************************
* Component Models
*******************************************************************************

* Pushbutton Switch Model (Ideal Voltage Controlled Switch)
* Simulates the mechanical contact closing when control voltage is high (> 2.5V)
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=10Meg)

* LED Model (Green)
* Standard Green LED parameters
.model LED_GREEN D(IS=1e-22 RS=10 N=2 BV=5 IBV=10u CJO=10p TT=10n)

* 74HC08 Quad 2-input AND Gate (Behavioral Model for Simulation)
* Implements one gate of the IC. 
* Pins: 1=InputA, 2=InputB, 3=OutputY, 7=GND, 14=VCC
.subckt 74HC08_GATE 1 2 3 7 14
    * Behavioral Voltage Source using continuous Sigmoid function for convergence
    * Y = VCC * (Sigmoid(A) * Sigmoid(B))
    * Threshold centered at 2.5V with steep slope (k=50)
    B1 3 7 V = V(14) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(1) - 2.5)))) * (1 / (1 + exp(-50 * (V(2) - 2.5))))
.ends

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

*******************************************************************************
* Input A Logic (Left Hand)
*******************************************************************************
* V_ACT_LEFT: Virtual actuator (Finger) for Left Button
* Generates a pulse: ON for 50us, OFF for 50us (Period 100us)
V_ACT_LEFT CTRL_LEFT 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)

* SW1: Left Safety Trigger
* Connects VCC to Node_A when CTRL_LEFT is High
S1 VCC Node_A CTRL_LEFT 0 SW_PUSH

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

*******************************************************************************
* Input B Logic (Right Hand)
*******************************************************************************
* V_ACT_RIGHT: Virtual actuator (Finger) for Right Button
* Generates a pulse: ON for 100us, OFF for 100us (Period 200us)
* Timing creates overlap with Left button to test AND logic (1+1, 0+1, 1+0, 0+0)
V_ACT_RIGHT CTRL_RIGHT 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)

* SW2: Right Safety Trigger
* Connects VCC to Node_B when CTRL_RIGHT is High
S2 VCC Node_B CTRL_RIGHT 0 SW_PUSH

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

*******************************************************************************
* Logic Processing (U1: 74HC08)
*******************************************************************************
* U1: AND Gate processing Left (A) and Right (B) inputs
* Connections: Pin1=Node_A, Pin2=Node_B, Pin3=Node_Y, Pin7=0(GND), Pin14=VCC
XU1 Node_A Node_B Node_Y 0 VCC 74HC08_GATE

*******************************************************************************
* Output Logic (Load)
*******************************************************************************
* R3: Current limiting resistor (330 Ohm)
R3 Node_Y Node_LED_ANODE 330

* D1: Green LED Indicator (Motor Active)
* Anode to R3, Cathode to GND
D1 Node_LED_ANODE 0 LED_GREEN

*******************************************************************************
* Simulation Commands
*******************************************************************************
* Transient analysis for 250us to cover full truth table sequence
.tran 1u 250u

* Print directives for logging signal states
.print tran V(Node_A) V(Node_B) V(Node_Y) V(Node_LED_ANODE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (786 rows) 
Index   time            v(node_a)       v(node_b)       v(node_y)
0	0.000000e+00	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
1	1.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
2	2.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
3	4.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
4	8.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
5	1.600000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
6	3.200000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
7	3.600000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
8	4.300000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
9	4.493750e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
10	4.832812e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	2.199277e-108
11	5.162979e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
12	5.474468e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
13	5.779894e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
14	6.039341e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
15	6.320124e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
16	6.881690e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
17	8.004820e-07	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
18	1.000000e-06	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
19	1.022463e-06	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
20	1.067388e-06	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
21	1.157238e-06	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
22	1.336939e-06	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
23	1.696341e-06	4.999995e+00	4.999995e+00	5.000000e+00
... (762 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entradas flotantes: Olvidar R1 o R2 hace que las entradas «floten» cuando los botones están abiertos, lo que provoca un parpadeo errático del LED o disparos falsos. Solución: Asegúrate de que las resistencias pull-down conecten las entradas a tierra.
  2. Confundir el 7408 con el 7400: El 7408 es una compuerta AND; el 7400 es una compuerta NAND. Si el LED está ENCENDIDO cuando no se presionan los botones, probablemente usaste el chip incorrecto. Solución: Verifica las marcas en el encapsulado del CI.
  3. Polaridad del LED: El LED no se enciende incluso cuando la Lógica Y es Alta. Solución: Asegúrate de que la pata más larga (Ánodo) mire hacia la resistencia/CI y la pata más corta (Cátodo) mire hacia Tierra.

Solución de problemas

  • Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, independientemente de los botones.
    • Causa: Pines de entrada en cortocircuito a VCC o CI incorrecto (por ejemplo, compuerta OR 74HC32 usada por error).
    • Solución: Revisa el cableado en los Pines 1 y 2; verifica el número de parte del CI.
  • Síntoma: El LED es muy tenue cuando se presionan ambos botones.
    • Causa: El valor de R3 es demasiado alto o VCC es demasiado bajo.
    • Solución: Asegúrate de que R3 sea de alrededor de 220 Ω a 330 Ω; comprueba que V1 sea de 5 V.
  • Síntoma: El circuito funciona para un botón pero ignora el otro.
    • Causa: Interruptor roto o cable puente desconectado en una entrada.
    • Solución: Usa un multímetro para verificar la continuidad a través de SW1 y SW2 cuando se presionan.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Interfaz de potencia: Reemplaza el LED con un transistor NPN (como el 2N2222) y un relé para controlar un motor real de alto voltaje.
  2. Interruptor de habilitación maestro: Agrega un tercer interruptor conectado a una tercera entrada (usando una compuerta AND de 3 entradas como el 74HC11) para actuar como un «Interruptor de llave» que debe estar activo antes de que funcionen los dos botones manuales.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué componente lógico es esencial para requerir dos entradas simultáneas?




Pregunta 3: ¿En qué condiciones se enciende el LED de salida?




Pregunta 4: ¿Cuál es una aplicación práctica de seguridad industrial mencionada para este circuito?




Pregunta 5: ¿Qué nivel de dificultad se asigna a este caso práctico?




Pregunta 6: ¿Cómo se comporta el LED si solo se presiona un botón?




Pregunta 7: ¿Qué simula la carga en este circuito?




Pregunta 8: ¿Qué ejemplo de 'doble autorización' se menciona en el contexto?




Pregunta 9: ¿Qué asegura un sistema de enclavamiento según el texto?




Pregunta 10: ¿Cuál es el estado del LED cuando el sistema está en reposo (sin presionar botones)?




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: Sistema de seguridad de doble llave

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

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

Objetivo y caso de uso

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

  • Aplicaciones en el mundo real:

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

  • Resultado esperado:

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

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

Materiales

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

Pin-out del CI utilizado

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

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

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

Guía de conexionado

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

  • Conexiones de los rieles de alimentación:

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

  • Etapa de entrada (Interruptor A):

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

  • Etapa de entrada (Interruptor B):

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

  • Etapa de salida:

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

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC08 Quad AND gate

Esquemático

[ INPUTS ]                                [ LOGIC ]                         [ OUTPUT ]

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

Tabla de verdad

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

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

Mediciones y pruebas

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

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Double Key Security System

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

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

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

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

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

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

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

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

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* Practical case: Double Key Security System

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

* --- Models ---

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

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

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

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

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

* Calculate DC operating point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

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

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

Solución de problemas

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

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

  • Síntoma: El LED parpadea cuando toco los cables.

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

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

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

Posibles mejoras y extensiones

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

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué componente principal se utiliza para realizar la lógica del circuito?




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




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




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




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




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




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




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




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




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

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

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